На правах рукописи

ЯСЫРОВА ОЛЬГА АЛЕКСАНДРОВНА РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ КОНТРОЛЯ ПЛОТНОСТИ ГОРЮЧЕ-СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СУДОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Специальность: 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО Новосибирская государственная академия водного транспорта

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Шувалов Геннадий Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Лебедев Борис Олегович доктор технических наук, профессор Ведрученко Виктор Родионович

Ведущая организация: ОАО Иртышское пароходство

Защита состоится л19 июня 2009 г. в 9-00 (ауд. 227) на заседании диссертационного совета Д 223.008.01 при ФГОУ ВПО Новосибирская государственная академия водного транспорта, по адресу: 630099, г. Новосибирск, ул. Щетинкина, 33, ФГОУ ВПО НГАВТ (тел./факс: (383) 222-49-76; e-mail: ngavt@ngs.ru; ese_sovet@mail.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Новосибирская государственная академия водного транспорта

Автореферат разослан л16 мая 2009 г.

Учёный секретать диссертационного совета Малышева Е.П.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Надёжность работы судовых энергетических установок, в частности двигателей внутреннего сгорания (ДВС), определяется тремя основными составляющими: конструктивным исполнением самого двигателя, выбором нормальных режимов работы механизма в определённом нагрузочном режиме при той или иной внешней нагрузке и правильным применением горюче-смазочных материалов (ГСМ), используемых при эксплуатации двигателей.

Как показывает опыт эксплуатации ДВС на крупнотоннажных и маломерных судах речного флота, а также двигателей на суше, основой, определяющей качество работы двигателя, является грамотное использование при эксплуатации двигателей ГСМ, а именно, топлива и моторных масел.

Особенности работы ДВС в различных режимах с применением различных видов топлив и масел на водном транспорте были проанализированы в работах: О. Н. Лебедева, И. В. Возницкого, Б. О. Лебедева, Г. П. Кича, И. Г. Мироненко, Э. М. Мохнаткина, А. Л. Новоселова, С. А. Худякова, Д. Д. Матиевского, Л. А. Шеромова и В. Б. Ломухина, С. В. Викулова, В. Н. Марченко, А. В. Лыкова, Б. Н. Перминова, В. В. Коновалова, В. Ф. Большакова и Л. Г. Гинзбурга, О. Г. Мартыненко и других.

Известно, что мощность и экономичность работы судового двигателя в немалой степени определяется качеством используемого в нём топлива и тем, как организована его обработка и подготовка на судне. При неудовлетворительном качестве нефтепродуктов значительно возрастает их расход в ДВС.

Плотность является одним из наиболее общих показателей, характеризующих свойства ГСМ, измерение которого предусмотрено стандартами различных стран. Этот показатель используется при расчёте стоимости ГСМ. Измерение плотности в настоящее время приобретает чрезвычайно важное значение в связи с проводимыми мероприятиями по экономии топливно-энергетических ресурсов, поэтому плотность нефтепродуктов является важнейшим экономическим показателем использования ДВС, а также имеет особое значение при проведении операций купли-продажи между поставщиком и покупателем для определения количества продукта. Кроме того, измерение плотности осуществляется для целей управления технологическими процессами.

По плотности можно судить об углеводородном составе различных нефтепродуктов, поскольку её значение отличается для углеводородов различных групп. Плотность характеризует химические свойства топлива, фракционный состав, испаряемость, цетановое число, является важ ным параметром в процессах приготовления водотопливных эмульсий, смесевых топлив. Кроме того, значение плотности ГСМ используется в различных методиках для описания процессов, происходящих в ДВС.

Таким образом, плотность следует считать универсальным и наиболее доступным для измерения качественным показателем нефтепродуктов. Её измерение позволяет контролировать процессы эксплуатации ДВС, сортировать нефтепродукты и вести их массовый учет. Поэтому возникает необходимость в разработке новых методик и средств измерения плотности, обеспечивающих необходимую точность, способных работать в сильно меняющихся климатических условиях, удовлетворяющих требованиям взрывоопасности и доступных по цене для отечественного потребителя.

Согласно ГОСТ 3900-85 Нефть и нефтепродукты. Методы определения плотности параметр плотности подлежит обязательному определению. Стандарт регламентирует условия проведения таких испытаний и описывает приборы для определения плотности. Однако, рекомендуемые стандартные приборы, хотя и обеспечивают необходимую точность, по своему конструктивному и аппаратному исполнению устарели, к тому же испытания топлив и масел должны проводиться в лабораторных условиях, что возможно не всегда в местах подготовки и эксплуатации ГСМ на судах речного флота. Поэтому актуальной является задача оперативного определения плотности. Большой вклад в создание и развитие методов определения плотности внесли такие ученые, как И.П. Глыбин, Л.А. Залманзон, С.С Кивилис, В.И. Лаптев, Д.М. Мордасов и др.

Наиболее перспективным методом измерения плотности нефтепродуктов, удовлетворяющим вышеизложенным требованиям, можно считать барботажный, который известен, но не нашёл широкого применения. В данной работе разработана методика контроля плотности ГСМ, основанная на модификации барботажного метода.

В связи с вышеизложенным тема диссертации является актуальной.

Целью работы является экспериментальное и теоретическое обоснование метода контроля плотности, а так же разработка методики контроля, основанной на предложенном методе. Достижение поставленной цели требует решения в работе следующих задач:

1 Анализ существующих методов определения плотности жидкостей и выбор направления дальнейшего развития методов и средств её контроля.

2 Теоретическое исследование пузырьково-барботажного метода.

3 Проведение экспериментального исследования пузырьково-барботажного метода с целью проверки метрологических характеристик.

4 Разработка рекомендаций по конструкции и использованию прибора.

5 Разработка методики контроля плотности, основанной на предложенных пузырьково-барботажном методе и приборе по определению плотности.

Методы исследования. При решении актуальной задачи использовались: методы математической физики, математической статистики и планирования экспериментов, экспериментальные методы, теории измерений и метрологии и др. Использованы методы компьютерного моделирования и проектирования с использованием программных пакетов AutoCAD, Stadia, Microsoft Exel, Maple.

Обоснованость и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивалась: принятыми уровнями допущений при математическом описании явлений; исследованиями погрешностей измерения; удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.

Научная новизна работы заключается в получении новых теоретических и экспериментальных результатов, и в их описании:

- разработан пузырьково-барботажный метод, основанный на дискретном счёте количества пузырьков воздуха, выходящих из измерительных трубок, пропорциональном плотности исследуемой жидкости;

- впервые получены уравнения, связывающие плотность исследуемой жидкости с основными параметрами пузырьково-барботажного метода;

- установлены границы пузырькового режима для нефтепродуктов;

- впервые получены экспериментальные зависимости разницы частот следования пузырей от плотности.

Практическую ценность работы представляет разработанная методика измерения параметров судовых нефтепродуктов, созданный действующий макет прибора и рекомендации по его изготовлению.

Внедрение результатов работы. Научные выводы и практические рекомендации реализованы в ОАО Иртышское пароходство, ФГУП Сибирский научно-исследовательский институт метрологии, ОАО Сибнефть-Красноярскнефтепродукт.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались: на III Международном научном конгрессе ГЕО - СИБИРЬЦ2007 Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника (Новосибирск, 2007); III Международной научно-технической конференции Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт (Омск, 2007); IV Международном научном конгрессе ГЕОЦСИБИРЬЦ2008 Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника (Новосибирск, 2008); IX Международной конференции Актуальные проблемы электронного приборостроения (Новосибирск, 2008); международной научно-технической конференции Энергосистема: исследование свойств, управление и автоматизация (Новосибирск, 2009); на научно-технических конференциях в Новосибирской государственной академии водного транспорта.

На защиту выносятся следующие положения:

1 Результаты анализа существующих методов и приборов по определению плотности, доказательства актуальности разработки пузырьково-барботажного метода.

2 Уравнение определения плотности пузырьково-барботажным методом.

3 Теоретические зависимости влияния параметров измерительной системы на значение плотности нефтепродукта.

4 Экспериментальные зависимости влияния расхода воздуха и параметров измерительной системы на размер измерительных пузырей.

5 Рекомендации по конструкции и метрологическому обеспечению плотномера, основанном на предложенном методе.

6 Методика контроля плотности ГСМ, используемых в судовых двигателях внутреннего сгорания (СДВС).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 научных работ, в том числе три в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 115 наименований и трёх приложений. Работа изложена на 150 страницах, содержит 19 таблиц и 37 рисунков.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, раскрыты научная новизна и практическая значимость, приведены результаты апробации работы.

Сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе для теоретического обоснования методики определения плотности нефтепродуктов, используемых в СДВС на речном флоте и наземном транспорте, и разработки на её основе прибора проанализирована литература по эксплуатационным материалам. Выявлен ряд характеристик ГСМ, которые определяют эксплуатационную надёжность работы СДВС.

Кроме того, в главе рассмотрены вопросы влияния плотности на основные показатели работы СДВС, в частности на процессы смесеобразования, а также использования плотности для их расчёта (цетановое число, теплоёмкости, теплоты сгорания, поверхностного натяжения);

выявлена связь плотности с физико-химическими свойствами топлив.

В большинстве случаев плотность выступает косвенной характеристикой химических свойств и фракционного состава топлив и масел. Ин тенсивное испарение легких фракций приводит к увеличению плотности ГСМ. При этом возрастает длина струи распыляемого топлива, ухудшается экономичность двигателя и увеличивается дымность. В связи с этим для большинства нефтепродуктов значение плотности обязательно нормируется и подлежит определению в процессе эксплуатации.

В работе проанализированы основные методы и приборы на их основе для определения плотности. Многие из перечисленных методов имеют недостатки. Основные - значительные затраты труда и времени, возможность применения только в условиях стационарной лаборатории. Устранение этих недостатков обусловливает необходимость создания современных экспресс-методов определения плотности нефтепродуктов, в связи с чем разработке и исследованию новых принципов измерения, созданию конструкций приборов, основанных на этих принципах, уделяется всё большее внимание. Наиболее перспективными для решения поставленных задач являются гидростатические методы, в частности пузырьково-барботажный метод.

В связи с этим целью данной работы является разработка экспрессметода определения плотности горюче-смазочных материалов в режиме подготовки и эксплуатации ДВС на судах речного флота.

Во второй главе проводится теоретическое исследование явления барботажа.

В данной работе рассматривается модификация гидростатического метода, в котором информация о разности гидростатических давлений снимается не в виде показаний манометра, а в виде количества пузырьков воздуха, выходящих из измерительных трубок, пропорционального разности давлений - пузырьково-барботажный метод. Преимуществом этого метода является преобразование непрерывной неэлектрической величины - разности давлений - в последовательность дискретного счёта пузырьков воздуха при барботаже его через исследуемую жидкость.

Рассмотрена система, состоящая из двух измерительных трубок, Рисунок 1 - Измерительная сис- помещённых в исследуемую жидтема для определения плотности кость (рисунок 1).

В трубки под избыточным давлением подается воздух от компрессора так, чтобы он барботировался через измерительные трубки. Очевидно, что для проведения счета пузырьков необходимо, чтобы соблюдался режим одиночных пузырей. Для него принимаются следующие допущения:

- форма пузырьков газа, отрывающихся от выходного отверстия и движущихся в жидкости, - сферическая; условие сферичности имеет вид 0,M = g4 / Re M,, (1) где Re - число Рейнольдса;

M - критерий, характеризующий физические свойства жидкости;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

- вязкость жидкости, Паc;

- плотность жидкости, кг/м3;

- поверхностное натяжение жидкости, Н/м.

- пузырьки газа после ускорения на очень коротком пути (доли миллиметра) поднимаются в слое жидкости прямолинейно, вертикально и с постоянной скоростью (для данной жидкости, газа, диаметра пузырька);

- диаметр пузырьков не зависит от расхода газа, а определяется параметрами барботажной системы, при увеличении расхода газа уменьшаются расстояния между отдельными пузырьками.

Давление газа в пузырьке на конце трубки в момент отрыва равно Pi = Pa + ghi +,i = 1,, (2) Ri где Pa - атмосферное давление;

Ri - радиус пузырька из трубки;