Технические науки/5.Энергетика

К.т.н. Валевахин Г.Н., к.т.н. Контарь А.А., Писаренко Н.Г., Галстян С.Г.

Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Украина

Стабильность композиционных топлив

В настоящее время существует проблема создания искусственных топлив. Эти топлива можно разделить по назначению на две группы. Первая – для двигателей внутреннего сгорания, куда относятся рапсовое масло, спирт и другие чистые масла. Вторая группа предназначена для сжигания в котельных установках для получения горячей воды и электроэнергии. Такие топлива представляют собой композиционные материалы, в которых существует однородная жидкая фаза (природные или синтетические масла) и твердая дисперсная фаза, искусственно создаваемая из природных веществ (торф, пожнивные отходы, нетоварная древесина, стоки очистных сооружений).

Котельные топлива должны отличаться стабильностью, постоянством состава и высокой подвижностью компонентов. В связи с этим к твердой дисперсной фазе предъявляются определенные требования по размерам частиц (дисперсности). В рассмотренных вариантах твердая фаза представляет собой материал с гидрофильными свойствами, т.е. микрочастицы могут удерживать на своей поверхности оболочку из молекул воды. Известно, что топливо для котлов должно содержать от 8 до 20 % воды. Эта вода может быть диспергирована в жидкой фазе в виде эмульсионной составляющей. Однако больший практический интерес представляет адсорбция воды на поверхности твердых частиц.

Коллоидные частицы твердой фазы в этом случае будут покрыты слоем воды, толщина которого связана с концентрацией ее в топливе. Возникает задача по определению устойчивости котельного топлива, содержащего дисперсную фазу, включающую два компонента – микрочастицы органических веществ, покрытых оболочкой воды.

Для решения этой задачи рассматривается несколько вариантов дисперсности твердой фазы и толщины водного слоя. Для описания модели топлива вводятся следующие понятия и обозначения: жидкая гомогенная среда (масло – нефть) [1], её масса обозначается символом М_м, а плотность - ρ_м; твердая дисперсная фаза может иметь размеры радиуса R, масса её обозначается М_о, плотность этой фазы – ρ_о; водный слой обозначается М_в с плотностью ρ_в.

На основании составленных представлений о том, что твёрдая фаза равномерно распределена и объёме жидкой гомогенной фазы, составлена модель, позволяющая вычислить толщину h слоя воды

.

В этой формуле коэффициент α учитывает влагосодержание и определяется отношением М_в к М_о.

На рисунке 1 приведено семейство кривых, определяющих зависимость отношения толщины водного слоя к радиусу твёрдой дисперсной фазы в функции влагосодержания α для различных значений ρ_о, изменяемых в пределах от 0,8 до 2,0 кг/м³.

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что при плотности дисперсной фазы 0,8 – 1,0 кг/м³ вода находится в адсорбированном состоянии, а при плотности 1,6-2,0 кг/м³ она находится в состоянии близком к эмульгированному. В связи с этим для получения стабильного топлива целесообразно использовать дисперсную фазу с плотностью не более 1кг/м³.

В первом приближении дисперсная фаза рассматривается в виде сферических частиц, которые могут взаимодействовать между собой за счёт дисперсионно-дисперсионных сил, ориентационных и индукционных сил, что приводит к процессу коагуляции и осаждению твёрдой фазы.

Однако разделить эти взаимодействия и точно определить их влияние на стабильность композиционного топлива не представляется возможным на данной стадии исследования. В связи с этим мы используем теорию Стокса [2,3] для предварительного моделирования процесса устойчивости топлива.

Рисунок 1 – Зависимость отношения толщины водного слоя к радиусу твердой дисперсной фазы в функции влагосодержания для различных значений

массовой плотности ρ₀

Для последующих расчётов нам необходима средняя плотность ρ композиционной составляющей (микрочастица, покрытая слоем воды)

.

Считаем, что в первый момент после приготовления композиционного топлива микрочастицы равномерно распределены во всём его объёме, что даёт возможность задать первоначальную плотность топлива d_н.

В процессе осаждения каждого элемента дисперсной фазы из верхнего объема V₁ в нижний объём V₂ уходит масса ρV_ш, заключенная в объеме V_ш водно-органического шарика, а на ее место из объёма V₂ приходит тот же объём, но уже содержащий массу ρ_мV_ш, т.е. в объёме V₁ количество масла увеличивается, а количество воды и органики уменьшается. В объеме V₁ в отношении этих составляющих идет обратный процесс, проходящий в то же время.

По прошествию времени t с начала процесса седиментации текущее среднее значение плотности топлива d₁(t) в объеме V₁ определяется

,

где V – общий объем масла, органики и воды, V₁ – объем верхней части емкости, V_ч – объем частицы органики, S – площадь основания объема V, U – скорость движения элемента дисперсной фазы.

В рамках сделанного допущения о шарообразности каждого элемента дисперсной фазы выражение для скорости U оседающих частиц определено на основании закона Стокса. Учитывая, что на частицу действует несколько факторов, в том числе сила тяжести, сила трения, а также конвективное перемещение частиц и гомогенной части топлива, мы считаем целесообразным ограничиться рассмотрением задачи при условии действия силы тяжести и силы трения. Тогда при динамической вязкости η можно определить скорость U осаждения дисперсной фазы

.

В этой формуле γ определяется отношением суммы масс дисперсной фазы М_о и М_в к массе композиционного топлива М, g – ускорение силы тяжести.

Время полного отделения дисперсной фазы от его гомогенной части по слоям (предельный случай) t_п характеризуется тем, что средняя плотность топлива в объёме V₁ (верхняя часть общего объёма топлива V) становится равной плотности масла ρ_м. Тогда

,

где , а H – высота столба топлива в емкости, содержащей объем топлива V.

На рисунке 2 представлены результаты расчёта скорости седиментации дисперсной фазы топлива в зависимости от влагосодержания α для различных значений массовой плотности ρ_о и различной дисперсности R.

Рисунок 2 – Графики скорости седиментации дисперсной фазы топлива в функции влагосодержания для различных значений массовой плотности ρ₀ и различной дисперсности R

При расчёте учитывались следующие значения: γ=0,4, ρ_м=8·10³ кг/м³, η=2,4·10^-2 Па·с. Наглядно видно, что при уменьшении размеров дисперсной фазы скорость седиментации существенно замедляется и процесс расслоения топлива может составить несколько лет для стандартных объёмных хранилищ.

При условии непродолжительного хранения композиционных топлив до полугода R может находиться в пределах 10^-5-10^-6 м, следовательно, даже такое топливо можно изготавливать в течение нескольких летних месяцев, создавая альтернативный запас.

На основании проведенных теоретических разработок и расчётов, а также предварительных экспериментальных исследований можно предложить использование математических моделей для определения устойчивости дисперсных систем (композиционных топлив), кроме этого – дать рекомендации по оптимизации размерно-массовых соотношений дисперсной фазы.

Литература:

1.Александров В.А. Техническая гидромеханика.- М. – Л.: ОГИЗ, 1946. – С.427.

2. Путилова И.Н. Руководство к практическим занятиям по коллоидной химии. – М. – Л.: Госхимиздат, 1948. – С.280.

3. Киреев В.Н. Краткий курс физической химии. – М.: Госхимиздат, 1984. – С.652.