Создание ТПА и дизеля на угольных суспензиях

Предпосылки и проблемы создания дизеля на угольных суспензиях.

Мировые топливные ресурсы, млрд. тонн условного топлива.
Запасы топлив Каменный уголь Бурый уголь Нефть Природный газ
Геологические 7724 2399 380 345
Разведанные 493 144 144 80

Структура затрат на выработку 1 кВт*ч энергии.
ДТ ВУС
Дизели Cooper-Bessemer 0,0081 0,0121
Завод ВУС для 100 установок по 5 МВт 0,0052
Угледобыча 27$/Т и транспорт.12$/Т/400миль 0,0131
Цена ДТ и стоимость производства ВУС 0,05 0,022
Удорожание обслуживания дизеля на ВУС 0,0033
Транспортировка ВУС 0,0027
Очистка отработавших газов 0,0103
Общая стоимость энергии из ДТ и ВУС 0,0581 0,0687

Нормальная вязкость угольных суспензий.


Кажущаяся вязкость угольных суспензий в условиях стационарного и нестационарного течений.


Эмпирические и расчетные физические свойства трех используемых УС
TУС камен- ноугольная ВУС камен- ноугольная ВУС буро- угольная
Плотность частиц, 
кг/м3
1210 1285 1232
Наполнение Сm max 0,78 0,6 0,66
Наполнение Сv max 0,63 0,53 0,58
Норм. вязкость для Сm=0,5, мПа*с 253 2240 1125
Теплотв. спос. для Сm=0,5, кДж/кг 38 250 17 000 13 640
Теплотв. спос. для Сm=0,5, кДж/м3 46,3 21,85 16,81



Экспериментальное исследование распыливания угольныз суспензий.


Оптико-электронная схема измерений рассеяния света каплями.



Фрагменты осциллограмм: а - напряжения на выходе из осциллографов;
б - первичная обработка - a32=f(t).




Функции распределения капель: 1- по числу капель, 2- по массе.




Влияние на заутеровский диаметр капли ТУС и ВУС при впрыске в атмосферу: среднего давления впрыска (1), диаметра сопла форсунки (2), нормальной кинематической вязкости (3) и расстояния от сопла (4).

Для температур до 110 С поведение динамической вязкости приблизительно описывается соотношением:




Зависимость нормальной вязкости ВУС от температуры



Зависимость размера капли от среднего давления впрыска: 1- опыты МГТУ;
2 -опыты; 3 - обсчет опытов;




Зависимость размера капли от объемной концентрации УС; 
впрыск в атмосферу, Рвпр=40 МПа, dс=0,3 мм.



Система топливоподачи и обеспечение её работоспособности.


Усовершенствованная ТПА с промывкой зазора в распылителе.



Относительный износ по времени статической поливки: данные General Motors (тонкие линии, верхняя шкала времени и опыты МГТУ, толстые линии, нижняя шкала).


Скорость износа сопел при ускоренных испытаниях статической проливкой
ШХ-15 ВК6-ОМ Рубин Алмаз КНБ
Микротвердость, ГПа 6 20 18...26 100 46...85
Скорость износа, %/мин 3,97 0,303* 0,107 0,053 0,016*
Относительный износ 75 5,72* 2,02 1,0 0,3*


Заготовки из КНБ и алмазов производства ПО ТОМАЛ.
Алмаз поли- кристаллический АСПК (карбонад) Алмаз поли- кристаллический АСБ (баллас) Алмазный спек АТП (композит - алмазная пыль в металлокерамике Кубический нитрид бора - композитный спек -Томал10 Рубин Al2O3



Установка износостойких кристаллических сопел


Испытания дизеля на топливоугольных и водоугольных суспензиях.


Нестабильность индикаторных диаграмм отладочных опытов: совмещенные кривые пяти последовательных циклов (1-5)

Дизель на ТУС на максимальной нагрузке (Qц=1155 Дж) и холостом ходу;
n=1500 об/мин, dпл=8,5 мм, Lтр=1,2 м, Pф0=13 МПа.
Номер серии опытов 1 2 3 4 5 6
УОВ установочный, град
Температура воздуха, град С
Режим работы
Топливо
25.*
25.
Нагр.
ДТ
36.*
25.
Нагр.
ТУС
31.*
130.
Нагр.
ТУС
25.
25.
ХХ
ДТ
36.
25.
ХХ
ТУС
31.
130.
ХХ
ТУС
Мощность, кВт
Удел.эфф.расход, кг/кВт/ч.
Среднее эффек. давление, МПа
Эффективный КПД
Среднее индик. давление, МПа
Индикаторный КПД
Механический КПД
Расход топлива, кг/ч
Расход воздуха, г/с
Коэффициент избытка воздуха
Максим. давление Рmax, МПа
Максим. dP/d, МПа/град
УОВ действительный, град
Задержка воспламенения, град
4,43
0,279
0,557
0,307
0,700
0,3859
0,7954
1,236
5,83
1,185
4,11
0,0902
14,2
6,43
2,77
0,497
0,3477
0,1917
0,5246
0,2891
0,6629
1,377
5,870
1,195
3,540
0,0923
24,2
8,2
2,348
0,586
0,2947
0,1625
0,4642
0,2558
0,634
1,373
4,860
0,9897
3,59
0,0961
19,2
8,13




0,119


0,265
5,940
5,621
3,83
0,176
13,2
7,06




0,156


0,405
5,89
4,093
3,83
0,197
24,2
8,8




0,146


0,397
4,89
3,452
3,74
0,20
19,2
8,75



Индикаторная диаграмма и закон тепловыделения при работе дизеля на ДТ и на ТУС-50 - (опыты N 1 и 2)


Обобщение результатов испытаний и рекомендации по созданию дизеля на угольных суспензиях.



Индикаторная диаграмма и закон тепловыделения при работе дизеля на ДТ (опыт 1); при переводе на ВУС-50 (опыт 10); на ВУС-50 после оптимизации процесса и ТПА (опыт 17)



Выход летучих при нагреве твердых топлив


Тогда время горения частиц в отлаженном рабочем процессе дизеля на ВУС:


где:
Атопл=37,3*106 для бурого угля;
Атопл=60*106 для каменного угля.

Идентификация выражения по данным General Electric [252] привела к введению коэффициента КС: для вихревой КС Акс=1, а для открытой КС - 1,3.

Константы формулы для расчета задержки воспламенения
Диз. топливо ТУС-50 (кам) ВУС-50 (бур) ВУС-50 (кам)
A*106, с 39 46 63 77
B=E/R 4300 4300 4800 5000


Опыт работ и испытаний дизеля на УС позволяет предположить некоторые рекомендации по созданию подобных установок:

  • Перспективным товарным продуктом можно считать УС на базе буроугольной пыли, измельченной до dmax=5-15 мкм и обеззоленной менее 1%;
  • Снижение вязкости УС и повышение ее стабильности можно обеспечить оптимальным фракционированием пыли и наполнением дисперсионной среды, расщелачиванием, подогревом, промывкой ВУС, присадками;
  • Для ускорения воспламенения целесообразны присадки, запальные топлива или водомазутоугольные суспензии. ТУС с учетом необходимых усложнений дизеля могут не оправдывать 50%-ю экономию нефтяного топлива;
  • Степень сжатия безнаддувного дизеля без использования дополнительных мероприятий по ускорению сгорания должна быть не менее 22;
  • Полезен регулируемый подогрев воздуха при работе на частичных нагрузках и ХХ. Для безнаддувного дизеля подогрев >100...130 ОС;
  • Желателен высокий наддув без промежуточного охлаждения или с регулируемым охлаждением, желательно давление не менее 0,22 МПа;
  • Необходимы КС с интенсивным движением заряда, в первую очередь разделенные, но без пленочного смесеобразования;
  • Для ХХ полезны свечи накаливания или перегретые детали КС;
  • Эффективны теплоизолирующие покрытия и теплоизолирующие материалы деталей, образующих камеру сгорания вблизи ВМТ;
  • Необходима ТПА с давлениями впрыска, превышающими их уровень для ДТ. Простейшая работоспособная ТПА - с ТНВД с непроточным нагнетательным клапаном и клапаном подпитки ЛВД. Работоспособность форсунки обеспечивается промывкой зазора с помощью гидроимпульного догружения иглы и износостойкими соплами из КНБ, алмазов, рубина, керамики типа ВК.