Loading

Badania procesu spalania emulsji paliwowych

mgr inż. Edward Kozak
dr inż. Zenon Grządziel
mgr inż. Leszek Piotrowski
Wyższa Szkoła Morska w Szczecinie

 

"Trakcja i Wagony" Nr.8/1982

 

UKD:621.436.057 665.753.4.001.4

Idea zastąpienia stosowanego dotychczas paliwa bazowego do wysokoprężnych silników spalinowych lokomotyw emulsjami paliwowymi została omówiona w artykule zamieszczonym w miesięczniku „Trakcja i Wagony" nr 7-8/81 [5]. Wdrożenie tej idei wymaga wielu eksperymentów laboratoryjnych i stanowiskowych, polegających na badaniach spalania emulsji, oraz ustalenia efektywności procesu spalania w symulowanym obiekcie rzeczywistym (hamownia).

Cel badań laboratoryjnych

Emulsje paliwowo-wodne powodują wzrost intensywności spalania paliwa bazowego [3, 4, 5, 6, 7]. Rezultat ten uzyskuje się przez odpowiednie przygotowanie emulsji.
Przygotowane emulsje (np. w urządzeniu opracowanym przez S.M.S. Associates przez Pr Sooba wg patentu U.S. no 3.900.420, 1975 [7]) pozwalają na podstawie obserwacji mikroskopowych na stosunkowo dokładne opisanie ich charakteru. Mają one strukturę centrycznych, nieciągłych, koloidalnych pęcherzyków powietrza, rozłożonych w ciągłej fazie wody, która przenika przez ciągłą fazę oleju (rys. 1).
Składniki powierzchniowo-czynne rozpuszczalne zarówno w wodzie, jak i w oleju, dodane do emulsji tworzą na granicy faz otoczkę zapobiegającą koagulacji, poprawiając stabilność emulsji. Efekt powstrzymywania koagulacji pęcherzyków powietrza jest czasowo hamowany otoczką wodną, wewnątrz której znajduje się powietrze, rozdzielane ciągłą fazą oleju.

Dostarczenie emulsji bezpośrednio do układu wtryskowego nie wymaga stosowania składników powierzchniowo-czynnych, pod warunkiem ciągłości jej zużywania.

 

Rys.1
Schemat trzyskładnikowej emulsji

przy czym- ruch cząsteczki dyspersyjnej, uzyskany od emulgatora, — ruch wypadkowy po n-krotnym zderzeniu cząstek,— ruch szczątkowy w czasie trwania procesu koagulacji;
1 — składniki powierzchniowo-czynne,
2 — faza ciągła (paltuio),
3 — pęcherzyki powietrza,
4 — proces koagulacji,
5 — otoczka wodna (faza ciągła wody zamykająca powietrze)

Emulsja tego typu jako mikrogazowa dyspersja (M.G.D.) zachowuje się jako płyn newtonowski [4, 7], w odróżnieniu od innych typów emulsji mających charakter newtonowski.

Koncentracja NO x w spalinach

Powstawanie tlenków azotu NOx jest wynikiem utleniania azotu dostarczanego z powietrzem i paliwem. W spalinach przeważają tlenki NO oraz nieznaczne ilości NO2.
Redukcja chemiczna NO x w spalinach jest utrudniona przez mocne wiązanie chemiczne (ok. 630 KJ). Dlatego najbardziej celowe jest ograniczenie tworzenia się NO x /bezpośrednio w procesie spalania. Ponieważ paliwo ciekłe zawiera nieznaczne ilości azotu, decydujące znaczenie w procesie utleniania ma azot z powietrza.
Reakcję utleniania azotu w podgrzewanym powietrzu atmosferycznym można zapisać [9]:
N2 + O = NO + N (1)
N + 02 = NO + O (2)
Potwierdzeniem tych reakcji są badania płomienia [2, 8], z tym że dodatkowo (w znacznie mniejszym stopniu) zdarzają się także następujące procesy:
N2 + 02 = N20 + O (3)
NjO + O = 2NO (4)
N + OH = NO + H (5)
N2 + OH = N02 + H (6)
Prędkość przebiegu reakcji (1) i (2) wynosi [1]:
Kx = 1,36 x 1014/exp 315,7 RT/cnWmol.s (7)
K2 = 6,4 x 10Vexp 26,2 RT/cm3/mol.s. (8)

Największy wpływ na tworzenie się NO x ma koncentracja atomów tlenu oraz temperatura [10]. Jak wynika z badań, w procesie spalania reakcja (1) jest główną, co oznacza, że im wyższe będą temperatury płomienia oraz współczynnik nadmiaru powietrza, tym większa będzie koncentracja tlenków azotu w spalinach.
Ponieważ powstawanie NO x jest funkcją temperatury i współczynnika nadmiaru powietrza, proces spalania w cylindrze silnika należy tak modelować, aby:
— współczynnik nadmiaru powietrza w strefie spalania był zbliżony do teoretycznego,
— warunki spalania likwidowały możliwość powstawania w płomieniu tzw. węzłów cieplnych.
Możliwości techniczne sprowadzają się w zasadzie do prowadzenia procesów spalania w sposób przewlekły.
Dotychczasowe badania, a szczególnie [3, 6], potwierdzają, że zawartość NO x w spalinach dla różnych współczynników nadmiaru powietrza nie wzrasta wraz ze wzrostem nadmiaru powietrza w sposób ciągły, lecz tylko do nadmiaru około 5%, a następnie spada. Dlatego można sądzić, że przy spalaniu paliw ciekłych na koncentrację NO.T w spalinach dominujący wpływ ma temperatura spalania. Przypuszcza się, że przy spalaniu emulsji paliwowo-wodnych temperatura w .płomieniu jest niższa niż w procesie spalania paliwa bazowego, a więc istnieje prawdopodobieństwo likwidacji węzłów cieplnych (źródeł powstawania NO x ), przy jednoczesnym wzroście efektywności wykorzystania energii zawartej w paliwie, która w emulsjach stanowi fazę ciągłą [5].
Laboratoryjne (modelowe) potwierdzenie powyższych tez stanie się podstawą do powstania warunków technicznych sprzyjających:
— wzrostowi efektywności spalania, co jest jednoznaczne z obniżeniem zużycia jednostkowego paliwa bazowego,
— obniżeniu koncentracji NOr w spalinach.

Badania laboratoryjne

Własności emulsji paliwowo-wodnych (wraz z dodatkami) należy ustalać na podstawie badań modelowych na pojedynczych kroplach. Uzyskane wyniki są porównywane z parametrami paliwa bazowego wg zależności:

gazie:

Wi — własności (parametry) paliwa bazowego, emulsji paliwowo-wodnych wraz z dodatkami utleniaiacvmi i antykorozyjnymi,
t — temperatura Badanie własności fizycznych emulsji w temperaturze od —20°C do +40°C ma na celu ustalenie cech zachowawczych przydatności emulsji jako paliwa w warunkach eksploatacyjnych, bowiem są to temperatury, w których będzie przebiegał proces tworzenia emulsji z paliwa bazowego bezpośrednio na lokomotywie. Granicę wartości temperatur przyjętą do badań ustalono, kierując się zasadą, że może zaistnieć przypadek eksploatacji lokomotyw w warunkach granicznych.
Badania w temperaturach 40°C < t < 800°C są niezbędne do ustalenia procesów odparowania, spalania, indukcji zapłonu.
Proces odparowania emulsji paliwowych powinien być czytelny w zakresie temperatur ośrodka, które mogą wytworzyć warunki do powstania mieszanek zdolnych do samozapłonu. Jest to przedział temperatur występujących w cylindrze silnika wysokoprężnego w warunkach eksploatacji. Chodzi tu o ustalenie niezbędnych warunków termicznych w cylindrze, określających:
— najniższą wymaganą temperaturę zapłonu emulsji paliwowych, potrzebną do rozruchu silnika,
— optymalne warunki (określone laboratoryjnie) pracy silnika w warunkach eksploatacyjnych.
Spalanie jest procesem nierozerwalnie związanym z odparowaniem paliwa. W emulsjach paliwowo-wodnych faza zapłonu (proces przygotowawczy) jest identyczna (nie uwzględniając opóźnienia) z zapłonem paliwa bazowego. Jednak w toku trwania procesu spalania w paliwie bazowym następuje pogorszenie warunków spalania. Przyczyną tego zjawiska jest jednoczesne wyczerpywanie się zasobów tlenu w obszarze spalania, wraz ze wzrostem koncentracji spalin [5].
Natomiast w emulsjach paliwowo-wodnych w :nia-rę wzrostu temperatury elementarnej cząsteczki paliwa płynnego ze względu na zróżnicowaną zdolność pochłaniania ciepła przez paliwo bazowe i wodę występuje wiele mikroeksplozji, które powodują niszczenie ciągłości obszaru spalania.
Proces rozdrobnienia (niszczenia), z jednoczesnym tworzeniem nowych obszarów spalania, powoduje powstawanie dogodnych warunków do przebiegu reakcji utleniania. Można również przypuszczać, że mechanizm reakcji spalania, przebiegający w wysokich . temperaturach, jest wzbogacony o reakcje:
N2 + H20 = N20 + OH (9)
N2 + OH = N20 + H (10)
N2 + 02 = NjO-f-O (11)
N2 + 2H20 = N20 + HzO + 3H (12)

Niezależnie od powyższego, zjawisko "łańcucha" mikroeksplozji powoduje naruszenie więzi międzyczą-steczkowych (składników powierzchniowo-czynnych — rys. 1) i jest przyczyną tworzenia się dalszego, bardziej głębokiego wnikania utleniaczy w obszar spalania, przy jednoczesnym przybliżaniu temperatury czoła płomienia do temperatury obszaru spalania. Powoduje to likwidację ognisk wysokich temperatur, będących źródłem powstawania NO x..

 

Rys. 2.
Przypuszczalny proces spalania elementarnej objętości paliwa

/A/ — bezwzględna zawartość utleniacza,
/B/ — bezwzględna zawartość spalin;
1 — krzywa koncentracji utleniacza,
2 — krzywa koncentracji spalin,
3 — czoło płomienia,
4 — obszar spalania.
5 — elementarna objętość paliwa

Analizując rysunek 2 z punktu widzenia zdolności (w czasie) powstawania warunków samozapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrze, należy wyróżnić następujące procesy:
1) dochodzenie temperatury ciekłej fazy paliwa (tie) do maksymalnej temperatury wrzenia (tk max);
2) parowanie fazy ciągłej paliwa przed uzyskaniem przez fazę rozproszoną (wodę) postaci pary wodnej; powierzchnia parowania maleje;
3) parowanie fazy ciągłej paliwa przy uzyskaniu przez fazę rozproszoną (wodę) ustalonej (max.) temperatury wrzenia; wzrost powierzchni parowania jest funkcją wzrostu objętości zdyspergowanej wody i pęcherzyków powietrza zawartych w paliwie;
4) samozapłon w komorze przyspieszenie parowania rozdrobnionych cząstek wody w paliwie, spowodowane wzrostem ciśnień termicznych, naruszenie stanu równowagi budowy strukturalnej fazy ciągłej (przekroczenie wartości sił więzi mię-dzycząsteczkowych paliwa), mikroeksplozje, zakłócenie (wymieszanie) strefy spalania z jednoczesnym:
— obniżeniem (chwilowym) temperatury spalanlł przez odparowującą wodę,
— wyrównaniem temperatury spalania w obszarze mikroeksplozji z racji powstawania nowych objętości kropel paliwa powodujących wielokrotny wzrost powierzchni parowania [5],
— uaktywnieniem spalania, wynikającym z uwolnienia tlenu wewnątrz strefy spalania, zawartego w pęcherzykach powietrza fazy rozproszonej emulsji.

Indukcja zapłonu, spowodowana pochłanianiem ciepła przez wodę w procesach przygotowawczych spalania, w zasadzie nie wymaga przeregulowania silnika. Wyrównanie ciśnień pracy w funkcji obrotu wału wykorbionego następuje kosztem intensyfikacji spalania oraz zróżnicowania objętości:
— kropel paliwa tworzonych przez wtryskiwacz,
— kropel wody w emulsji,
— koloidalnych pęcherzyków powietrza zamkniętych w ciągłej fazie wody.
Potwierdzenie doświadczalne oraz analityczne omówionych procesów sprowadza się do wniosku, że uzyskana energia jednostkowa w procesie spalania emulsji paliwowo-wodnych pozostaje niezmienna przy zachowaniu optymalnych warunków zubożania wtryskiwanego paliwa wodą z dodatkami.

Bibliografia:

[1] Baulch D. L., Drysdale D. D., Horno D. D.: High Temperaturę Reaktion Rate Data, Raport no. 5. Dopt. Chem. Phys. Leods 1970
[2] Bloch A. G.: Osnovy tioploobmiera izlucarijem G. E. J. Moskwa 1982
[3] Dookov R., Gemberg R., Lipman R., Moreno T., Moon S., Wright D.: Emulsion as Fuels. Raport of Results of Rocaut Studies at the Adelphi University Center for Energy Studies 1975
[4] Ford R. E., Furmidge C. G.: The Formation of Drops from Viscous Water-in-Oil Emulsions Sprayed trought Fau-Jot Nozzles. British Journal App.Phys. 1967 nr 18
[5] kozak E., Kalkstein A., Hulanicki S.: Możliwości zmniejszenia zużycia paliwa w spalinowych pojazdach trakcyjnych. Trakcja i Wagony 1981 nr 7-8
[6] Słupek S.: Proces spalania wodnych emulsji paliwa ciekłego. Metalurgia i odlewnictwo Kraków 1977 z. 75
(7] Sobba F.: Mikroges Emulsions and Method of Forming Some. Patent U.S. nr 3.900.420 1975
|8] Williams G. C, Sarofin A. F., Lembert N.: Emisions from Continuous Combustion System. Kornelius and Agnew p. 141 N.Y. 1972
[9] Zeldovich Y. B., Sandawnikow P.: Oridation of Nitro-gen in Cambustion. Academy of Science USRR, Akta Physisochim, Moskwa 1972 nr 21 [10] Gest Ultrasonica Cottel Reactor. Tosting at E.P.A. Tren-ton 1975