Топлива, масла и другие рабочие среды судовых энергетических установок

Топливная система СЭУ использует различные виды топлива и масел для обеспечения своей работы. В зависимости от типа энергетической установки, судна могут использовать следующие виды топлива:

• дизельное топливо – это наиболее распространенный вид топлива для судовых двигателей. Оно состоит из смеси легких нефтяных фракций и обладает хорошей экономичностью и мощностью;
• топливо для газотурбинных установок (ГТУ) – это специальный вид топлива, который используется в газотурбинных энергетических установках для производства электричества и/или привода корабельных винтов. Обычно такое топливо представляет собой низкосернистый природный газ или жидкость, полученную из природного газа;
• топливо для паровых установок – это топливо, которое используется в паровых энергетических установках для производства пара, необходимого для привода паровых турбин. Как правило, это тяжелые мазуты или уголь.

Что касается масел, то в судовых энергетических установках используются различные масла для смазки и охлаждения двигателей и других узлов.

В данном материале рассмотрим основные показатели (свойства, характеристики) топлив и масел, а также методы улучшения их качества, для использования в работе систем судовых энергетических установок.

Свойства и характеристики топлив

В СЭУ современных морских судов используется органическое (жидкое, а на судах-метановозах газообразное) и ядерное топливо.

Наиболее широко применяется жидкое органическое топливо, представляющее собой продукт переработки нефти. Топлива разделяют на четыре группы:

• дизельные относящиеся к категории дистиллятных и состоящие из керосино-газойлевых и солярных фракций нефти;
• моторные, производимые путем смешения керосино-газойлевых фракций с мазутами;
• флотские мазуты, получаемые при прямой перегонке нефти или смешением с дистиллятными топливами;
• котельные мазуты, представляющие собой остаток процессов перегонки или крекинга нефти.

Дизельные топлива считаются легкими, а остальные – тяжелыми.

Качество жидкого топлива определяется физико-химическими свойствами:

• фракционным составом;
• температурами застывания и вспышки;
• плотностью;
• испаряемостью;
• содержанием воды и механических примесей;
• наличием сернистых соединений и смолистых веществ;
• теплотой сгорания;
• вязкостью и др.

В зависимости от района плавания (температуры окружающей среды), состава его ЭУ применяют различные сорта топлив.

По температуре застывания судят о необходимости подогрева топлива при использовании. В СЭУ применяются топлива как с минусовыми, так и с плюсовыми температурами застывания. Топливо с большей температурой застывания обычно дешевле, однако топливоподготовка перед его сжиганием более сложна и необходим подогрев для снижения вязкости.

В СЭУ в основном применяются топлива с температурой застывания не выше 10 °С. На судах, эксплуатируемых в южных бассейнах, в летнее время допускается использование топлива с температурой застывания до 20 °С.

Пожарная безопасность при бункеровке, хранении и использовании топлива характеризуется температурой вспышки, т. е. низшей температурой, при которой пары топлива, нагреваемого в строго определенных условиях, образуют с окружающим воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении пламени. Эту температуру определяют в открытом или закрытом тигле (в последнем она несколько ниже). Согласно Правилам Регистра России в СЭУ применяют топливо с температурой вспышки в закрытом тигле не ниже 65 °С.

Температура подогрева топлива в открытых системах должна быть как минимум на 15 °С ниже температуры вспышки. Если топливная система находится под давлением, возможен подогрев топлива до 120-140 °С, однако не выше температуры термической стабильности. Взрывобезопасность топлива характеризуется его испаряемостью – поведением легких фракций при бункеровке, хранении и особенно при топливоподготовке с подогревом. При одной и той же температуре испаряемость топлива растет с увеличением в нем легких фракций. Легкие сорта топлива содержат фракции, ~ 10 % которых перегоняется при температурах не ниже 200 °С, 50 % – при температурах не ниже 290 °С и 96 % – при температурах не выше 360 °С.

Возможность применения различного топлива в СЭУ и затраты энергии на его перекачивание в значительной степени определяются вязкостью. Под вязкостью (внутренним трением) понимается то сопротивление, которое оказывает топливо перемещению одних слоев относительно других. Измерение вязкости сводится к определению времени, в течение которого фиксированное количество топлива протекает через калиброванное отверстие при заданной температуре. Вязкость определяется с помощью U-образных вискозиметров по формуле ν_к = Cτ, где C – постоянная вискозиметра; τ – время перетекания жидкости через отверстие и выражается в квадратных миллиметрах в секунду или в сантистоксах. Стокс (1 Ст = 10^-4 м²/с) соответствует вязкости жидкости, плотность которой равна 1 г/см³. В российской практике вязкость обычно измеряют в градусах условной шкалы (°ВУ) или в равнозначных им градусах Энглера (°Е), представляющих собой отношение времени истечения 200 мл испытуемого продукта через отверстие диаметром 2,8 мм к времени истечения такого же объема дистиллированной воды при 20 °С. В зарубежной практике вязкость измеряется по шкале Редвуда № 1 в секундах (с R1) или Сейболта (SU). Связь между указанными единицами измерения следующая:

• ν_к = 7,41 °ВУ при ν_к = 75 мм²/с;
• ν_к = 0,247 R1 при R1 = 75 c;
• ν_к = 0,216 SU при SU = 285 c.

В табл. 1 приведены значения эквивалентов вязкости.

 
В СЭУ применяется маловязкое топливо (вязкость при 20 °С не более 2 °ВУ), средневязкое (при 50 °С не более 5 °ВУ) и высоковязкое – легкое и тяжелое (при 50 °С не более 20 и 40 °ВУ соответственно).

С ростом температуры топлива его вязкость и плотность снижаются, поэтому, принимая значение Автоматическое регулирование вязкости судового топливавязкости топлива перед форсунками, учитывают изменение его плотности. Вязкость определяет качество распыла. Стремятся к такому подогреву топлива перед форсунками, чтобы капли распыленного топлива равномерно распределялись в топке или камере сгорания. Вязкость топлива при впрыскивании обычно находится в диапазоне 1,2-4,5 °ВУ, что соответствует температуре 40-130 °С (в зависимости от сорта топлива). Для дизелей, работающих на высоко- и средневязких топливах, рациональное значение вязкости лежит в пределах 1,7-2,5 °ВУ. Применение различных видов топлива при эксплуатации судна сопровождается изменением условий работы топливоподающей системы.

На объем емкостей для хранения топлива оказывает влияние его плотность. В СЭУ применяют топлива с различной плотностью, кг/м³:

• дизельное – 0,831-0,863;
• моторное – 0,892-0,932;
• мазуты – до 0,97.

Качество топлива в значительной степени определяется количеством и размерами механических примесей, которые оказывают большое влияние на Восстановление работоспособности и повышение долговечности судовых деталей и механизмовработоспособность узлов и деталей отдельных элементов СЭУ, в первую очередь – на топливную аппаратуру. В поставляемых на суда легких сортах топлива, как правило, не содержатся механические примеси, а в тяжелых их количество (по массе) колеблется от 0,1 до 1,5 %.

В топливе имеются также примеси различных солей, оксидов, кислот, некоторые из них после сжигания образуют минеральный остаток – золу. Свойство топлива образовывать после сжигания минеральный остаток называют зольностью. Количество золы для легких сортов составляет 0,01-0,025 %, для тяжелых – 0,04-0,3 %.

В процессах транспортирования, хранения и бункеровки в топливо попадает морская и пресная вода. Морская вода увеличивает зольность топлива и его агрессивность, в первую очередь по отношению к топливной аппаратуре. В средне- и высоковязких топливах, содержащих значительное количество асфальтенов и смол, образуются водотопливные эмульсии, стойкость которых зависит от группового состава топлива. Наиболее стойкие эмульсии характерны для топлива с углеводородами ароматического ряда, в парафинистом топливе они легко разрушаются, например в результате подогрева.

В зависимости от стойкости эмульсии делят на три группы. Водотопливные эмульсии первой группы разрушают механическим воздействием или химической обработкой (ввод присадок в топливо). Эмульсии второй группы, состоящие из глобул воды, опутанных кристаллами парафина, легко разрушаются при подогреве до 40-70 °С. К третьей группе относятся эмульсии, образовавшиеся в топливе с углеводородами как ароматического, так и парафинового ряда. В процессе подогрева они распадаются только частично, дальнейшее их разрушение возможно с помощью механической или химической обработки.

Коррозионная агрессивность топлива по отношению к металлам обусловливается присутствием в нем химически активных примесей:

• водорастворимых кислот и щелочей;
• сернистых соединений (сульфидов, дисульфидов) и других веществ.

Коррозионная агрессивность характеризуется кислотностью, которая измеряется в миллиграммах КОН на 100 мл топлива и составляет для легких сортов 5-10. Тяжелые сорта топлива – мазуты обычно не содержат водорастворимые кислоты и щелочи.

Склонность топлива к нагарообразованию определяется содержанием смолистых веществ (асфальтосмолистых соединений). Во флотских мазутах содержание смолистых веществ может достигать 50-60 %.

Для дизельных топлив воспламеняемость в двигателях характеризуется цетановым числом.

Под цетановым числом понимают процентное (по объему) содержание цетана в смеси с альфа-метилнафталином, которое по воспламеняемости равноценно данному топливу.

С ростом цетанового числа эксплуатационные свойства топлива улучшаются. Цетановое число легких сортов топлив – 40-50. В состав органического топлива входят горючие (углерод, водород, сера) и негорючие (кислород, азот, зола, влага) элементы.

Содержание углерода по массе составляет 83-86 %; при сгорании 1 кг углерода выделяется 32 800 кДж теплоты. Содержание водорода лежит в диапазоне 10-14 %; при сгорании 1 кг водорода выделяется 141 900 кДж теплоты.

Сера в топливе может находиться в виде органической, входящей в состав молекул органической массы топлива, колчеданной в соединении FeS₂ и сульфатной, входящей в соединения CaS0₄, FeS0₄ и др. Сульфатная сера гореть не способна, поскольку содержится в топливе в форме предельного окисла SO₃. При полном сгорании 1 кг серы (органической и колчеданной) выделяется 9 250 кДж теплоты. В зависимости от содержания серы различают топлива:

• высокосернистые (до 4,5 % S);
• сернистые (до 1 % S);
• малосернистые (до 0,5 % S).

В СЭУ современных морских судов применяют топливо, содержащее 0,2-3,5 % серы.

Негорючие элементы являются внутренним балластом топлива. Их общее содержание невелико. Так, содержание азота и кислорода не превышает 1 %.

Теплота сгорания топлива зависит от его химического состава. В расчетах обычно используется значение низшей теплоты сгорания, не учитывающей теплоты конденсации водяных паров. Теплота сгорания топлив, применяемых в СЭУ, различна (табл. 2).

 
Оптовая цена топлива зависит от его сорта и поясного коэффициента. В табл. 3 приведены технические характеристики и оптовые цены промышленности на топливо.

 
Расходы, связанные непосредственно с бункеровкой топлива, оказываются весьма значительными и в зависимости от сорта топлива и места бункеровки могут составлять 8-40 % его оптовой цены. Для ориентировочных расчетов значения этих расходов (в руб./т) можно принимать следующими:

• Черноморско-Азовский бассейн – 5,7;
• Балтийский бассейн – 5;
• Архангельск, Белое море – 6;
• Мурманск, Баренцево море – 10,3;
• Владивосток, Находка – 3,6;
• Сахалин – 8,5;
• Камчатка, Игарка, Диксон, Тикси – 11,5.

Оптовые цены на топливо и расходы, связанные с его бункеровкой, дают представление о тех затратах, с которыми сопряжено использование в СЭУ топлива того или иного сорта.

Газообразное органическое топливо применяется в СЭУ судов-метановозов, перевозящих жидкий метан при давлении, близком к атмосферному. Поскольку температура метана в цистернах значительно ниже температуры окружающей среды, часть груза (0,18-0,25 % в сутки от общей грузовместимости) в результате теплопритоков испаряется. При отсутствии на судне установки повторного сжижения газа его выпар используется в качестве основного топлива в СЭУ.

При атмосферном давлении температура плавления метана СН₄ – 182,5 °С, кипения – 161,3 °С; его критические параметры: температура – 82,5 °С, давление 4,4 МПа. Газообразный метан легче воздуха: его относительная плотность 0,554. Плотность метана в жидком состоянии 425 кг/м³. При нормальном атмосферном давлении:

• изобарная удельная теплоемкость составляет 1,226 кДж/(кг · °С);
• изохорная удельная теплоемкость – 0,938 кДж(кг · °С);
• теплота плавления 58,7 кДж/кг;
• теплота парообразования 510 кДж/кг.

Метан является калорийным топливом, его теплота сгорания примерно на 20 % выше, чем у жидкого топлива. Для сжигания метана необходим воздух в количестве 17,25 кг/кг (или 9,55 м³/м³), что примерно в 1,2 раза больше, чем для жидкого топлива. Метан имеет очень низкую температуру вспышки и самовоспламеняется при 595 °С, при его концентрации в воздухе от 5,5 до 15,0 % по объему образуются взрывоопасные смеси.

Перевозимый на судах метан имеет различные примеси, в основном это азот, оказывающий некоторое влияние на его физико-химические характеристики. Так, температура кипения метана при перевозке понижается до -165 °С, плотность жидкости, ее удельная теплоемкость и теплота парообразования повышаются и соответственно составляют 474 кг/м³, 1,943 кДж/(кг · °С) и 520 кДж/кг.

Свойства и характеристики смазочных масел

Минеральные масла представляют собой сложную смесь парафиновых, нафтеновых, ароматических и нафтено-ароматических углеводородов, а также кислородных, сернистых и азотных производных этих углеводородов.

Базовые масла, которые после добавления соответствующих присадок используются в СЭУ, получают из нефтепродуктов. Синтетические базовые масла из-за высокой стоимости применяют в исключительных случаях, когда по определенным условиям (высокие температуры и нагрузки) масла на минеральной основе неприемлемы.

Из «масляных» нефтей вырабатывают в зависимости от технологии производства дистиллятные и остаточные масла, которые, в основном, состоят из нафтеновых, ароматических и парафиновых углеводородов. После отгонки из нефти топливных фракций, выкипающих при температурах от 30 до 350 °С, остается мазут, разгонка на масляные фракции которого производится в вакууме (с целью исключения термического разложения). Затем из масляных фракций удаляют нежелательные компоненты:

• кислые соединения;
• непредельные углеводороды;
• твердые парафины;
• частично азотистые и сернистые соединения и др.

В качестве базовых минеральных масел используют дистиллятные, остаточные или смешанные (компаундированные). К перспективным относят масла, получаемые путем смешения минеральных и синтетических масел. Для обеспечения требуемого качества (срока службы, температурной стабильности и т. п.) в масло вводят специальные присадки.

Эксплуатационные свойства масел, как и топлив, характеризуются рядом показателей. Одним из основных показателей смазочного масла является его вязкость, от которой зависят несущая способность масляного клина, затраты на его прокачивание, потери на трение в смазываемых узлах, отвод теплоты от деталей и пр. Интенсивность изменения вязкости от температуры характеризуется индексом вязкости: чем ниже интенсивность, тем выше индекс вязкости и тем большие нагрузки выдерживает слой масла. Индекс вязкости определяется из соответствующих таблиц (ГОСТ 33—66) по известной вязкости масла при 50 и 100 °С. В СЭУ применяют, в основном, масла с индексом вязкости 85-95.

При нормальной эксплуатации смазываемых механизмов вязкость масла постепенно возрастает вследствие испарения легких фракций и увеличения концентрации нерастворимых в нем веществ. С повышением вязкости масла снижается механический КПД элементов СЭУ, ухудшается отвод теплоты от узлов трения и т. п. При нарушении нормального функционирования топливной и масляной систем возможно попадание топлива в масло, в результате чего резко снижается его вязкость и, следовательно, ухудшаются смазывающие свойства, падают допустимые нагрузки в узлах трения, а также усиливаются окислительные процессы. Поэтому при изменении вязкости на 20-25 % (по сравнению с исходной) масло, как правило, необходимо заменить.

Рекомендуется к прочтению: Характеристики качества и ассортимент моторных масел

Свойство масла образовывать на трущихся поверхностях металлов и других материалов прочную масляную пленку называется маслянистостью или липкостью. Благодаря этому свойству масла исключаются задиры и обеспечивается минимальный износ узлов трения. Маслянистость объясняется наличием в масле таких веществ, которые адсорбируются на поверхности металла, благодаря чему пограничные слои масла могут противостоять высоким нагрузкам, не разрушаясь.

Плотность применяемых в СЭУ масел при 20 °С лежит в пределах 892-967 кг/м³ температура застывания составляет 10-25 °С.

Температура вспышки масла значительно выше соответствующей температуры топлива и колеблется в зависимости от марки масла от 180 до 270 °С. С помощью этого показателя легко определить попадание топлива в масло (температура вспышки резко снижается). Если температура вспышки циркуляционного Сепарирование топлива и масла для эффективной работы судовых дизелеймасла судовых дизелей становится ниже 170 °С, масло следует заменить.

В масле, как и в топливе, имеются механические примеси – нерастворимые вещества органического и неорганического происхождения. К ним относятся:

• асфальто-смолистые вещества;
• карбены;
• карбиды;
• продукты износа и коррозии;
• окалины;
• продукты срабатывания присадок и пр.

В процессе эксплуатации количество этих примесей в масле возрастает, что увеличивает его коксуемость. Примеси почти полностью удаляются путем сепарации и фильтрации масла. Для разрушения крупнодисперсных загрязнений и предотвращения слипания нерастворимых частиц в масло вводят диспергирующие присадки, снижающие размер примесей органического происхождения.

При введении в масло эффективных диспергирующих присадок размер примесей органического происхождения не превышает 0,1 мкм; количество тонкодиспергированных примесей может достигать 4-5 % и более без опасности образования отложений и заметного ухудшения противонагарных свойств масла. Контроль за количеством и дисперсностью механических примесей в масле осуществляется в судовых условиях по степени загрязнения фильтров и с помощью бумажной хромотографии (визуальной оценки масляного пятна на фильтровальной бумаге).

В масле находятся также различные соли, оксиды, кислоты и другие вещества, которые после сжигания образуют золу. Зольность свежего масла колеблется от 0,005 до 0,12 %.

Поставляемое на суда масло практически не содержит воду, однако в процессе хранения и использования возможно его обводнение пресной и забортной водой, которая снижает несущую способность масляного клина и увеличивает коррозионную активность содержащихся в масле кислот. Кроме того, вода, особенно забортная, ускоряет окислительные процессы в масле и обусловливает более быстрое его старение. Для уменьшения попадания в масло влаги из воздуха в процессе эксплуатации его температура поддерживается около 60-70 °С. Наличие воды определяют по вспениванию и потрескиванию масла, нагретого до температуры выше 100 °С. Удаляют ее путем сепарирования масла с предварительным подогревом до 70-80 °С. Иногда для удаления из масла солей осуществляют промывку его горячей пресной водой, которая подается в подводящий к сепаратору масляный трубопровод.

Водорастворимые кислоты в свежем масле практически отсутствуют. Органические кислоты, появляющиеся в результате контакта с кислородом воздуха, повышают агрессивность масла к металлу и способствуют отложению лаков и нагаров, например на деталях цилиндров дизелей. В двигателях внутреннего сгорания возможно попадание в циркуляционное масло минеральных кислот вместе с продуктами сгорания сернистых топлив или с маслом, стекающим со стенок цилиндров. Минеральные кислоты более интенсивно, чем органические, повышают коррозионную активность масла. Даже небольшое их количество может вызвать коррозию высоконапряженных и дорогостоящих деталей.

В процессе эксплуатации кислотность масла устраняют различными способами. Если минеральное масло не содержит присадок, его можно промывать горячей пресной водой, подаваемой в подводящий к сепаратору масляный трубопровод.

Кислотность масла оценивает, содержание в нем органических кислот, характеризуется количеством гидроксида калия КОН, которое необходимо для нейтрализации этих кислот, содержащихся в 1 г масла.

Способность масла разлагать появляющиеся в нем кислоты характеризуется нейтрализующими свойствами, которые придаются маслу введением нейтрализующих присадок, обеспечивающих определенный уровень щелочности. В зависимости от условий работы минимальный уровень щелочности различен. Например, в Сборка судовых двигателей внутреннего сгораниясудовых двигателях внутреннего сгорания он должен быть не ниже 1,5 мг КОН/г для дизельных топлив и 6 мг КОН/г – для высокосернистых. Появление в масле после некоторого времени его работы крепких кислот свидетельствует об истощении нейтрализующих присадок; масло подлежит замене.

По сравнению с минеральными маслами синтетические на основе диалкилбензола, сложных эфиров и гликолей и фторуглеродные имеют лучшие эксплуатационные показатели. У них низкая температура застывания, высокие индекс вязкости и термическая стабильность, небольшая испаряемость, хорошие антизадирные свойства. Поэтому они могут служить как многофункциональные компоненты для минеральных масел, используемых при высоких температурах. Все синтетические масла обладают высокой термической стабильностью. Например, фторуглеродным маслом можно обеспечить смазку поверхностей при температуре около 350 °С. Они практически не окисляются, а следовательно, не образуют отложений в смазываемых узлах.

Масла, применяемые в СЭУ, делятся на группы в зависимости от области их применения. Например, различают моторные масла следующих групп: А, Б, В, Г, Д и Е. Масла группы А применяются в нефорсированных карбюраторных и дизельных двигателях. Каждая последующая группа масел используется во всех более напряженных двигателях.

В свою очередь, в каждой из групп масла разделяются по вязкости. Область применения и вязкость масла указываются в его обозначении.

Например, М14Е – моторное масло вязкостью 14 сСт при 100 °С, относящееся к группе Е, т. е. предназначенное для использования в малооборотных дизелях, работающих на тяжелом топливе с содержанием серы до 3,5 %. Турбинное масло с присадками, имеющее вязкость 30 сСт при 50 °С, обозначается Т_п30, а дизельное с присадками вязкостью 14 сСт при 100 °С – Д_п14.

Оптовая цена зависит от базового масла, количества и вида вводимых в него присадок. Присадки дороже базового масла примерно в 5-8 раз. В табл. 4 приведены технические характеристики и оптовые цены промышленности на некоторые масла, применяемые в СЭУ.

 
В среднем стоимость масла примерно на порядок выше стоимости основного судового топлива, однако затраты на смазочные материалы по судну составляют всего несколько процентов от затрат на топливо, так как расход масла значительно ниже.

Стоимость синтетических масел в 15-20 раз больше, чем минеральных. В связи с этим производство их незначительно (примерно 0,5 % общего выпуска смазочных масел).

Улучшение свойств топлив и масел

Среди различных мер, направленных на уменьшение эксплуатационных расходов, значительное место занимает, с одной стороны, перевод судов на использование менее дефицитных товарных сортов топлива, а с другой – разработка более технологичных в производстве новых топлив и масел с более высокими эксплуатационными свойствами. Соответственно совершенствуются Методы нефтепереработки и их влияние на свойства топливпроцессы переработки нефти, создаются новые присадки, улучшаются методы и средства подготовки топлива на судне, используются различные смеси, исследуется применение водотопливных эмульсий и т. п.

Эффективным является применение присадок – веществ, добавляемых в малых количествах к топливам и техническим маслам для повышения их эксплуатационных характеристик. Содержание присадок обычно не превышает сотых или десятых долей процентов по массе (лишь некоторые присадки применяются в концентрациях 1-2 % и более). В качестве присадок используются углеводородные и элементоорганические соединения разных типов и классов, в том числе низкомолекулярные поверхностно-активные вещества и полимеры.

Присадки к топливу

В связи с применением на судах более тяжелых (а следовательно, более дешевых) топлив все большее значение приобретают присадки, предотвращающие образование нерастворимых осадков в топливах (антиокислители), и присадки, диспергирующие уже образовавшиеся осадки. Последние применяются также для повышения стабильности топлив. Для уменьшения нагарообразования к топливу добавляют противонагарные присадки. Снижение коррозионной агрессивности топлива достигается введением в него противокоррозионных присадок, а уменьшение токсичности выпускных газов – специальных присадок. Для облегчения пуска двигателей внутреннего сгорания применяют присадки к топливам, повышающие их цетановое число. Ниже приводятся общие сведения о присадках.

Антиокислительные присадки предотвращают образование нерастворимых в топливе веществ. Нерастворимые осадки образуются в результате взаимодействия кислорода воздуха с органическими соединениями и ненасыщенными углеводородами – это спирты, карбонильные соединения и другие вещества, которые в дальнейшем образуют смолы. В последнее время в качестве антиокислителей широко применяются алкилфенолы.

Для повышения термоокислительной стабильности топлив добавляют продукты лимонной кислоты. Добавка 0,0025-0,015 % таких продуктов предотвращает забивание топливных фильтров.

В качестве противонагарных присадок наибольшее распространение получили соединения, содержащие фосфор и бор. Уменьшить образование нагара можно добавлением к моторному топливу небольшого количества нитрамина или нитробензола. Противонагарными свойствами обладают также органические соли бария, которые снижают количество углеродистых отложений на поршнях и одновременно уменьшает образование дыма.

Тяжелые остаточные топлива, как правило, содержат сложные высокомолекулярные соединения:

• серы,
• азота,
• кислорода,
• ванадия,
• натрия,
• железа,
• кремния,
• кальция и других элементов.

При сжигании они образуют низко- и высокотемпературные соединения, вызывающие коррозию, повышенные коксо- и нагарообразование на элементах двигателей и износ.

Коррозионную активность топлива снижают путем применения соответствующих присадок – ингибиторов.

К ним относят вещества, химически взаимодействующие с металлом, или полярные органические соединения, адсорбируемые на поверхности металла, например мыла высших карбоновых кислот.

Соприкасаясь с оксидными пленками (Fe₂O₃) деталей двигателей и котлов, пентоксид ванадия V₂O₅ реагирует с ними, образуя ванадаты железа, которые, в свою очередь, реагируя с металлом, образуют низшие оксиды. Последние вторично окисляются кислородом продуктов сгорания до V₂O₅. Ванадиевая коррозия носит межкристаллитный характер.

Механизм натриевой (сульфидной) коррозии никелевых сплавов различен для низко- и высокотемпературной областей. В низкотемпературной области коррозия происходит из-за диффузии через оксидную пленку серы, образующуюся при диссоциации сернистых соединений. Внедрение серы в кристаллическую решетку усиливает процесс окисления, и скорость коррозии увеличивается в несколько раз по сравнению с обычным окислением сплавов при высокой температуре. Высокотемпературная коррозия наступает при температуре выше определенной критической. На границе металл – оксидная пленка серы, соединяясь с никелем, образует эвтектику Ni₃S₂ – Ni, которая вступает в химическое взаимодействие с кислородом. Скорость коррозии никелевых сплавов зависит от содержания хрома, которое определяет критическую температуру наступления катастрофической сульфидной коррозии.

Антиванадиевые и антинатриевые присадки содержат вещества, предотвращающие ванадиевую (Mg, Zn, Si, P, Ca) и натриевую (Cr, Si) коррозию. Они вводятся либо раздельно в соответствии с содержанием V и Na, либо в виде комбинированной присадки. В качестве антиванадиевой присадки применяют сульфат магния, водный раствор двухромового кислого аммония и другие вещества, а в качестве комбинированной – например, перолин 607-515.

Для улучшения сгорания и нейтрализации агрессивных продуктов сгорания к топливам добавляют органические соли Mg, Ca, Ba или Zn в концентрации 0,05-0,5 %. Эти соли при сгорании превращаются в оксиды металлов, нейтрализующие продукты кислотного характера.

Высокой противокоррозионной активностью обладает, например, российская многофункциональная присадка ВНИИНП-11115 к дизельным топливам. Оптимальная ее концентрация в сернистом (1 % S) топливе равна 0,5 %. В качестве присадок к тяжелым топливам применяют ингибитор коррозии Толад-224. Агрессивное действие натрия, серы и ванадия снижают с помощью присадок петросин-ДМ и терамин.

Будет интересно: Назначение и классификация систем судовых энергетических установок

Одним из способов снижения количества сажи в отработавших газах является применение противодымных присадок. В США выпускается присадка Три-ад, которая не только снижает дымность, но и уменьшает корродирующее действие отработавших газов. Разработаны также моюще-диспергирующие присадки, снижающие дымность Регулирование вредных выбросов в атмосферу и сертификация судовых дизелейвыпускных газов; в эти присадки входит около 20 % бария. В Бельгии выпускается противодымная бариевая присадка SLD. Аналогичная по эффективности российская противодымная присадка ИХП-702 (бисалкилфенолят бария) снижает содержание сажи в выпускных газах дизелей на всех режимах работы на 60-80 %, благодаря чему количество сажи, выбрасываемой в атмосферу, составляет всего 0,2 мг/л (вдвое меньше допустимых международными нормами).

Снижение температуры застывания достигается введением депрессорных присадок, которые предотвращают до определенной температуры образование парафиновых структур и, как следствие этого, затвердевание топлива. Например, при вводе в количестве 1 % присадки В-701, представляющей собой растворенную в топливе магниевую соль жирных кислот, температура застывания фракций, выкипающих в пределах 160-400 °С, изменяется от 1 до -17 °С (по данным ВНИИНП). Кроме того, эта присадка снижает высокотемпературную ванадиевую коррозию и улучшает сгорание топлива.

В качестве присадок, повышающих цетановое число топлива, применяются диэтиловый эфир, газовый бензин, изопропилнитрат, производные азотной и органических кислот и др. Недостатками этих присадок является низкая стабильность при хранении, образование отложений в двигателе и повышение пожароопасности топлив.

Для улучшения процесса горения и снижения нагарообразования используют растворимые в топливе металлсодержащие соединения:

• меди,
• магния,
• бария,
• марганца.

Менее эффективны беззольные присадки, содержащие азот и хлор, но они отличаются многофункциональным действием.

Моющие беззольные присадки, обладающие поверхностноактивным действием (некоторые смолистые вещества, полимерные) продукты, азот- и хлорсодержащие соединения), в сочетании с нитратами (циклогексалнитратом и др.) повышают полноту сгорания и уменьшают образование отложений в двигателях.

Для улучшения качества распыливания можно добавлять мыла на бариевой и кальциевой основе, снижающие поверхностное натяжение.

Для ускорения процессов предпламенных превращений и облегчения тем самым воспламенения целесообразно применение алкилнитратов, пероксидных соединений, альдегидов, кетонов и др. В процессе их взаимодействия с исходными углеводородами образуются активные продукты, способствующие сокращению периода задержки воспламенения.

При добавке к топливу водорода расширяется диапазон воспламенения и горения, улучшается топливная экономичность, снижается токсичность выпускных газов.

Химическая обработка топлив (введение присадок) может производиться при изготовлении топлива на заводе, в процессе его хранения на нефтебазах, а также при использовании на судах.

Присадки к маслу

Для обеспечения длительной и надежной работы узлов трения в смазочное масло вводят присадки, придающие маслу необходимые функциональные свойства:

• антиокислительные,
• противонагарные,
• нейтрализующие,
• антикоррозионные,
• противоизносные,
• противозадирные и др.

В процессе эксплуатации качество масла снижается в зависимости от его химического состава, стойкости к воздействию кислорода воздуха и высокой температуры, от действия металлов и продуктов реакции, от конструкции и условий работы узлов трения. При эксплуатации в масле происходит окисление, разложение, полимеризация и образуются кокс, смолистые, асфальтовые и другие вещества. Для исключения или замедления этих процессов и применяют различные присадки.

В качестве антиокислительных и противокоррозионных присадок применяют сернистые, азотистые, фосфорные и металлоорганические соединения и различные алкилфенолы. Например, в качестве антиокислительной присадки для минеральных и синтетических масел используют метилен и его кальциевую и бариевую соли в количестве 0,0001-1 %. Среди азотсодержащих соединений наибольшее применение в качестве присадок получили амины и их производные, которые относятся к низкотемпературным (до 100-120 °С) антиокислителям.

В качестве антиокислительных и противокоррозионных присадок находят применение органические соединения, содержащие серу, азот, фосфор. Например, для моторных масел получена присадка ИНХП-25 – бариевая соль диалкиларилдитиофосфорной кислоты.

С целью уменьшения образования углеродистых отложений используют моющие и диспергирующие присадки – чаще всего соли различных сульфокислот и карбоновых кислот. В качестве примера отметим присадки СБ-3 и СК-3; первая является бариевой солью сульфокислот сульфированного дизельного масла, а вторая – соответствующей кальциевой солью.

Смазывающая способность масла улучшается с помощью антифрикционных, противоизносных и противозадирных присадок. Антифрикционные присадки (природные жиры, жирные кислоты, их эфиры и соли и др.) снижают коэффициент трения, т. е. повышают маслянистость. Противоизносные присадки (поверхностно-активные вещества – соединения, содержащие неактивную серу, эфиры кислот фосфора и пр.) предотвращают интенсивный износ трущихся поверхностей. Противозадирные присадки (вещества, содержащие хлор, фосфор, серу, свинец, сурьму, молибден и пр.) способствуют образованию пленок, которые исключают заедание при эпизодическом возрастании нагрузки.

Для повышения индекса вязкости и хорошей прокачиваемости при низких температурах применяют вязкостные присадки, например высокомолекулярные соединения – полиизобутилены, поливинилалкиловые эфиры, гюлиметакрилаты и др.

С целью снижения температуры застывания масел используют депрессорные присадки. В качестве депрессоров служат алкилпроизводные нафталина, алкилфенолы и полиметакрилаты.

При интенсивном перемешивании масла с диспергированным в нем воздухом возникает пена, которая нарушает циркуляцию масла и подачу его к узлам трения.

Для уменьшения вспенивания масла к нему добавляют противопенные присадки:

• кальциевые мыла ланолина,
• алкилсульфаты,
• полисилоксаны.

Для снижения коррозионного воздействия воды, соединений хлора, кислот, сероводорода и других веществ на металл к маслам добавляют соответствующие присадки – ингибиторы ржавления. В качестве ингибиторов выступают нитрованные масла, сульфонатные присадки – ДФ-11, ВНИИНП-380 и многие другие.

Улучшению многих эксплуатационных свойств способствует введение в масло нескольких органических соединений или многофункциональной присадки, действие которых разносторонне. К многофункциональной относится, например, присадка ИХП-388.

Количество применяемых присадок непрерывно растет, хотя их цена в несколько раз выше базового масла. Различные присадки могут вступать во взаимодействие как с маслом, так и между собой. В результате такого взаимодействия эффект от действия присадок может быть больше или меньше, чем от введения каждой присадки в отдельности. Определенное сочетание противоизносных, нейтрализующих, моющих и других присадок может дать больший эффект, чем специальные многофункциональные присадки.

Водотопливные эмульсии

Для обеспечения устойчивой работы камер сгорания и топок на обводненных топливах воду необходимо равномерно распределить по всему объему горючего, т. е. приготовить эмульсию – смесь взаимно нерастворимых жидкостей, одна из которых в виде мельчайших капель равномерно распределена в другой. При этом вода не соприкасается с прецизионными парами топливной аппаратуры и не возникает их повышенного износа. При попадании капли водотопливной эмульсии в камеру сгорания или топку происходят сложные физико-химические процессы.

Наибольшую роль играют процессы микровзрыва. Вследствие кривизны поверхности раздела сред давление в капле воды составит:

где:

• p_с – давление среды;
• p_т, p_в – давления, обусловленные силами поверхностного натяжения, на границах воздух-топливо и топливо-вода соответственно.

Как известно, дизельное топливо при атмосферном давлении выкипает в интервале температур примерно от 200 до 360 °С, моторное – при более высоком нагреве. Температура кипения воды t_s (при давлении p_к) и значительно ниже. Это означает, что при нагреве капли водотопливной эмульсии до температуры t_s водная фаза в ней закипит и внутри частицы возникнет паровой пузырек, который постепенно будет увеличиваться. Когда давление насыщенных паров воды превысит силы поверхностного натяжения, произойдет разрыв пузырька и выброс из капли пароводяной смеси и осколков топлива. Этот процесс носит взрывной характер и получил название микровзрыва. В результате такого явления происходит вторичное дробление капель топлива, что значительно ускоряет их нагрев, испарение и сгорание.

Образовавшиеся водяные пары влияют на кинетику реакций горения. Установлено, что под действием высокой температуры возможна термическая диссоциация молекул паров воды не только на водород и кислород, но и на гидроксил. Появление в зоне горения большого количества активных центров – гидроксила, атомарного водорода и кислорода существенно ускоряет реакции окисления и горения углеводородных топлив. Поэтому водяные пары выступают здесь в качестве катализатора химических реакций окисления топлива и газификации водорода, что значительно сокращает продолжительность процесса горения.

Применение водотопливных эмульсий позволяет решить вопрос об использовании эффективных водорастворимых присадок и о приготовлении топливных смесей на основе многокомпонентных водных растворов.

Применение топлив и масел в СЭУ

С целью снижения эксплуатационных затрат в СЭУ используют в качестве основного топлива тяжелых сортов, которое необходимо подогревать, чтобы его вязкость перед форсунками дизелей составляла 15-20 сСт, а перед форсунками парогенераторов 20-25 сСт. Например, моторное топливо ДТ подогревают в цистернах основного запаса до 35-40 °С, в отстойных – до 65-70 °С, в расходных – до 50 °С, перед форсунками – до 100-110 °С (мазут 40 – до температур соответственно выше на 5-10 °С). Поскольку в аварийных ситуациях может быть нарушено функционирование системы подогрева топлива, для обеспечения надежности СЭУ, согласно Требования регистра к непотопляемости морских судовПравилам Регистра России, на судне должен быть запас топлива, которое можно использовать в элементах СЭУ без подогрева. Для этого служат дистиллятные маловязкие сорта с температурой застывания не выше -10 °С.

Диапазон фракций топлива сказывается на скорости протекания процессов горения: чем уже диапазон фракций, тем лучше сгорает топливо. Фракционный состав топлива имеет важное значение для двигателей внутреннего сгорания. С ростом частоты вращения двигателя диапазон фракций должен сужаться.

Фракционный состав оказывает влияние и на пусковые качества двигателя и износ цилиндропоршневой группы. Влияние фракционного состава на работу двигателя ослабевает по мере улучшения смесеобразования и повышения верхней температуры цикла. Механические примеси, имеющиеся в топливе, засоряют форсунки, клапаны насосов, форсуночные насадки и проточные части других узлов и механизмов.

Особенно большой вред приносят эти примеси в установках с двигателями внутреннего сгорания и газовыми турбинами, так как в них имеются трущиеся пары высокой плотности. Частицы органического и неорганического происхождения заполняют зазоры прецизионных пар, обусловливают износ трущихся поверхностей и могут вызвать заклинивание движущихся деталей. Механические примеси органического происхождения способствуют образованию нагаров в проточных частях парогенераторов, на стенках камер сгорания, поршней и выпускного тракта.

Зола содержит много различных элементов. Наибольшее влияние на работоспособность элементов СЭУ оказывают:

• ванадий,
• натрий,
• кальций,
• свинец,
• сера.

Наиболее неблагоприятное влияние эти элементы оказывают на газотурбинные двигатели, в которых они осаждаются в местах аэродинамической затененности, забивают каналы системы воздушного охлаждения хвостовых креплений рабочих лопаток, оказывают вредное воздействие на металлические конструкции, с которыми они соприкасаются.

В тяжелых сортах топлива содержание ванадия и его солей может достигать 0,1 %. Пентоксид ванадия V₂O₅, который образуется при температурах около 1 200 °С, оказывает исключительно вредное влияние на проточные части газовых турбин.

При температурах 650-900 °С пентоксид ванадия, налипая в расплавленном состоянии на поверхности лопаток, нарушает геометрию профилей и вызывает как поверхностную, так и межкристаллическую коррозию. Вредное воздействие ванадия особенно сильно сказывается при содержании его в топливе уже при 0,005 %.

В присутствии пентоксида ванадия натрий, попадая в топливо в виде поваренной соли, также вызывает заметную коррозию проточных частей.

Кальций значительно снижает ванадиевую коррозию, однако способствует образованию большого количества трудноудаляемых отложений, в связи с чем его количество в топливе ограничивается примерно 0,0005 %.

Свинец также корродирует с конструкционными материалами и оказывает вредное влияние на эффективность действия присадок; его содержание в топливе ограничивается до 0,0005 %.

Все сорта топлива, применяемые в СЭУ, содержат то или иное количество серы. Наличие серы в топливе вредно для установок всех типов. Наиболее активное воздействие на металл трубопроводов и цистерн оказывают свободная сера и сероводород. Сгорание серы происходит обычно с образованием диоксида серы, который при воздействии катализатора, например оксида железа, превращается в триоксид серы. Оксиды серы при высоких температурах вступают в химическое взаимодействие с металлами, с которыми они соприкасаются. Вредные последствия наиболее сказываются при охлаждении продуктов сгорания. Конденсация чистых водяных паров, находящихся в газах, возможна при температуре 45-65 °С, а при наличии S – при 100-120 °С.

В случае соприкосновения продуктов сгорания с поверхностями, температура которых ниже точки росы, выпадает капельная влага и образуются сернистая и серная кислоты. Они обусловливают так называемую низкотемпературную сернистую коррозию деталей дизелей, концевых поверхностей главных и утилизационных котлов, особенно труб газовых воздухоподогревателей. Во избежание этих нежелательных явлений приходится отводить в окружающую среду продукты сгорания с температурой не ниже 140-150 °С, что ограничивает рост КПД котлов. Кроме того, пары серной кислоты загрязняют атмосферу, вредно воздействуя на здоровье людей и растительность.

Для нейтрализации вредного воздействия серы при использовании топлива, содержащего более 0,5 % S, применяют специальные присадки.

В качестве топлива для парогенераторов применяют дешевые тяжелые сорта топлива – мазуты марок 40, Ф12, Ф5 и др. К указанным сортам топлива предъявляются наиболее низкие требования. Вполне устойчиво протекают процессы сгорания в парогенераторах при подводе к ним мазутов, содержащих высокодисперсные эмульсии (воды – до 20-25 %).

Читайте также: Трение и изнашивание в судовых энергетических установках

Для средне- и малооборотных дизелей предназначается моторное топливо марок ДТ и ДТ повышенной категории качества (ПКК); топливо марки ДМ предназначено для МОД (см. табл. 3). Легкие сорта топлива, такие как дизельное марок Л, З, А, используются в быстроходных дизелях, а также в мало- и среднеоборотных при работе на переменных, пусковых режимах и при остановках. В особо холодных зонах, где в зимнее время температура воздуха ниже -30 °С, применяется дизельное топливо с облегченным фракционным составом марок А (арктическое) и З (зимнее). Во время обкатки двигателя наиболее благоприятные условия для приработки поверхностей трения создаются при использовании дистиллятных дизельных топлив, практически исключающих нагарообразование. Для ускоренной приработки трущихся деталей в топливо добавляют специальную присадку (соединения хрома или алюминия). Моторное и дизельное топливо получают из продуктов переработки нефти.

В газотурбинных двигателях применяются легкие сорта топлива (дизельные марок Л, З, А) и специальные газотурбинные марок ТГ и ТГВК повышенной категории качества (см. табл. 3). Газотурбинное топливо получают из дистиллятов вторичных процессов и прямой перегонки нефти. В топливе ТГВК содержание ванадия не превышает 0,0002 %, натрия и калия 0,0005 % и кальция 0,001 %.

Для работы котлов предназначаются мазуты (см. табл. 3), получаемые из продуктов переработки нефти. Флотский мазут относят к легким топливам, топочные – к средним (марки 40 и 40В) и тяжелым (марки 100 и 100В). Мазут Ф5 получают из продуктов прямой перегонки нефти с добавлением до 22 % керосиногазойлевых фракций. В мазуты марок Ф5, Ф12 для судовых котлов добавляют не менее 0,2 % присадки ВНИИНП-102.

Использование тяжелых остаточных топлив в СЭУ различных типов заметно снижает эксплуатационные расходы по судну, однако связано с определенными трудностями. Тяжелые топлива содержат асфальтены, которые подвергаются окислению и полимеризации, выпадают в осадки и засмоляют трубопроводы, подогреватели и другие элементы топливной системы. В этом случае наряду с вводом диспергирующих присадок эффективной оказывается гомогенизация, в результате которой уменьшаются размеры частиц.

Масла, применяемые в СЭУ, должны поддерживать смазываемые узлы в чистоте, нейтрализовать коррозионно-активные кислоты, выдерживать без ухудшения смазочных свойств высокие механические и тепловые нагрузки, препятствовать непосредственному контакту металлов в условиях граничного трения, не вступать в химическое взаимодействие с металлами, обладать консервационно-защитными свойствами при длительных остановках механизмов, не образовывать стойких эмульсий с водой, не вспениваться и пр. В процессе работы качество масла изменяется. Интенсивность этого изменения зависит от свойств присадок и условий работы узлов трения.

Определяющее влияние на окислительные процессы в масле оказывает температура. При умеренных температурах (до 30 °С) окисления практически не происходит, с повышением ее на каждые 10 °С скорость окисления масла возрастает примерно вдвое. Процессы окисления ускоряются с повышением парциального давления кислорода и увеличением поверхности соприкосновения с ним масла. Наиболее интенсивно происходит окисление масла, находящегося в виде масляного тумана, при определенных условиях оно может произойти со скоростью взрыва. Интенсивно окисляется масло в циркуляционных системах двигателей внутреннего сгорания, особенно при их работе на сернистых топливах, что объясняется попаданием в масло продуктов сгорания. Окисление масла вызывает его старение с накоплением смол, асфальтенов, карбенов и других не растворимых в нем веществ.

Для смазки цилиндропоршневой группы дизелей применяются масла, которые обладают высокими моющими и нейтрализующими свойствами, высокой вязкостью, хорошей смазочной способностью и стабильностью при повышенных температурах и пр.

При работе двигателя на топливе с незначительным содержанием серы в качестве цилиндрового масла может служить минеральное масло без присадок вязкостью 13-24 сСт при 100 °С. При использовании высокосернистых остаточных топлив условия работы цилиндрового масла значительно ухудшаются. В этом случае применяют высокощелочные цилиндровые масла, содержащие присадки, которые нейтрализуют образующиеся в цилиндре растворы серной кислоты и тем самым предохраняют детали двигателя от коррозионного износа.

При использовании малосернистых топлив для смазки цилиндров служит масло М16Д щелочностью около 10 мг КОН/г, а при содержании в топливе более 1,0-1,5 % серы – масла, выпускаемые фирмами «Шелл», «Кастрол», «Бритиш петролеум» и др., а также российское высокощелочное масло М16Е-30 (щелочность около 30 мг КОН/г). Если в топливе содержится более 2 % серы, помимо указанных масел применяют высокощелочное масло М16Е-60 (щелочность не менее 60 мг КОН/г).

В период обкатки с целью ускорения приработки деталей цилиндропоршневой группы используют масла со специальными присадками, например коллоидного графита или коллоидной серы.

К маслам для циркуляционных систем смазки предъявляются менее жесткие требования, чем к цилиндровым.

Качественные циркуляционные масла для малооборотных двигателей изготовляют из парафинистых нефтей. Вполне удовлетворительно работают масла без присадок или же с добавкой антиокислительных и антикоррозионных присадок, например российское Д11 и зарубежные Шелл Тальпа-30, Энергол-ОЕ175 фирмы «Бритиш петролеум» и др. Получили распространение циркуляционные масла многоцелевого назначения с различными присадками, что вызвано стремлением использовать масло одного сорта для смазки главных и вспомогательных двигателей, компрессоров, редукторов, подшипников валопровода и др. Это позволяет упростить судовые масляные системы.

К циркуляционным маслам многоцелевого назначения относятся зарубежные – Шелл Мелина-30, Мобилгард-300 и –312, Кастрол-215МХ, а также российское масло М10Г₂ЦС (М – моторное, 10 – вязкость в сантистоксах при 100 °С, Г – группа масла, индекс 2 – для дизелей, Ц – циркуляционное, С – судовое; это масло имеет индекс вязкости 87, щелочность 8,7 мг КОН/г и температуру вспышки в открытом тигле 230 °С).

В тронковых двигателях не представляется возможным отделить цилиндры от картера, как в малооборотных. В процессе эксплуатации происходит заброс циркуляционного масла на стенки цилиндра. В таких дизелях, работающих на сернистых топливах, применяют среднещелочные масла (щелочность 20-30 мг КОН/г), что обусловлено большим расходом и частой сменой масла. В среднеоборотных двигателях внутреннего сгорания высокощелочные масла непригодны из-за высокой зольности. В быстроходных двигателях транспортных и рыбопромысловых судов используют масла российских марок:

• Д_п11,
• Д_п14,
• МС20,
• МК22,
• М12В,

а также зарубежных марок:

• Шелл Тальпа-50 и -30;
• Энергол-ОЕ175 и др.

Для среднеоборотных главных двигателей может быть рекомендовано масло М10ДЦЛ (щелочность 20 и 30 мг КОН/г).

В ПТУ смазку главных турбозубчатых агрегатов с низкими удельными нагрузками на зубцах и подшипниках выполняют с помощью турбинных масел Т_п30, с более высокими – Т_п46.

В ГТУ для смазки редукторов и подшипников применяют турбинные масла Т_п22, Т_п30, Т_п46. В последнее время для увеличения стабильности и срока службы масла этих марок в него вводят антиокислительные присадки ВТИ1 и др.

Для смазки воздушных поршневых компрессоров помимо масел многоцелевого назначения служит компрессорное КС19.

Нормальная продолжительность работы масел в циркуляционных системах смазки в зависимости от условий эксплуатации составляет 500-15 000 ч. Основанием для замены масла является его качество, а не длительность работы. Замена производится в том случае, когда резко ухудшаются функциональные свойства масла и существует непосредственная опасность изнашивания или коррозии смазываемых узлов.

О расходах на топливо и масло на морских транспортных судах можно судить по данным, приведенным в табл. 5.

 
В таблице указаны диапазоны удельных расходов топлива b_е и масла b_м, цен (действующих с 1982 г.) на топливо Ц_т и масло Ц_м и доли затрат на масло З_м (по отношению к затратам на топливо), а также примерные соотношения расходов тяжелых и легких сортов топлива.

Свойства и характеристики воды, воздуха и выпускных газов

Вода на судне используется в системах охлаждения, как рабочее тело в паротурбинных контурах и как теплоноситель для общесудовых потребителей тепловой энергии.

При температуре 0 °С давление насыщения воды p = 0,6108 Па, удельные объемы жидкости ν^′ = 0,001 м³/кг и пара ν^′′ = 206,3 м³/кг, теплота парообразования z = 2 501 кДж/кг, а при t = 100 °С – p = 0,1013 мПа, ν^′ = 0,00104 м³/кг, ν^′′ = 1,674 м³/кг, r = 2 257 кДж/кг. Параметры критического состояния воды: давление 22,1 МПа, температура 374 °С и удельный объем 0,00315 м³/кг.

Вода по сравнению с другими охлаждающими средами обладает большой теплоемкостью и при скорости движения 0,5-2,5 м/с – высокими коэффициентами теплоотдачи. Существенным ее недостатком является активность к большинству конструкционных материалов.

Забортная морская вода содержит большое количество растворенных солей, микроорганизмы и другие примеси. При температуре более 45 °С соли начинают интенсивно выпадать в осадок. С ростом температуры забортной воды увеличиваются интенсивность загрязнения охлаждаемых ею поверхностей и разрушение конструкционных материалов под влиянием электрохимической коррозии. В процессе эксплуатации судов температура забортной воды колеблется от 0 до 34 °С, ее среднестатическое значение для российских транспортных судов с неограниченным районом плавания составляет 22-24 °С.

Пресная вода содержит значительно меньше солей, чем забортная. Во избежание загрязнения охлаждающих поверхностей и их разрушения пресную воду подвергают соответствующей обработке: снижают общее солесодержание, жесткость, удаляют различные механические примеси, добавляют замедлители коррозии – ингибиторы.

По характеру действия и составу ингибиторы делятся на химические и эмульсионные. В случае применения химических ингибиторов содержание хлоридов в воде не должно превышать 10 мг/л, а жесткость воды – 0,03 мг·экв/л. Химические препараты (смеси бихромата натрия или калия со щелочами) создают на охлаждаемых поверхностях тонкие и прочные окисные пленки, защищающие металл от коррозии. Хорошими защитными противокавитационными свойствами обладают эмульсионные масла, которые также вводят в охлаждающую воду. Они надежно защищают от коррозионного и кавитационно-эрозионного разрушения и широко применяются в судовых условиях.

Физические характеристики пресной и морской воды приведены в табл. 6.

 
Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов (в основном азота и кислорода) и водяных паров, содержание которых может составлять 4 %. Теплоемкость воздуха примерно в четыре раза меньше, чем воды. Для получения приемлемых коэффициентов теплоотдачи скорость воздуха в судовых теплообменных аппаратах должна быть значительной (2-10 м/с и более). Химическое взаимодействие сухого воздуха с металлами практически исключается. Однако при наличии капельной влаги и различных механических примесей возможно коррозионное и эрозионное разрушение поверхности теплообмена. Вследствие низких коэффициентов теплоотдачи воздух используется в качестве охлаждающей среды в тех случаях, когда применение других охлаждающих сред крайне затруднительно (генераторы, гребные электродвигатели).

Предлагается к прочтению: Средства автоматизации главных энергетических установок

В инженерных расчетах широкое распространение получила диаграмма i-d влажного воздуха, представляющая собой графическую взаимосвязь температуры, относительной влажности, влагосодержания d, энтальпии i влажного воздуха, а также парциального давления для данного барометрического давления.

Температуры наружного воздуха и морской воды в открытом море обычно различаются незначительно. Изменение температуры воздуха над океаном в течение суток, как правило, не превышает 3 °С, в то время, как над материком, оно может достигать 18 °С. В прибрежных районах температура воздуха находится под влиянием континентальных ветров, наибольшая составляет 45 °С (прибрежные зоны Красного моря), а наименьшая достигает -58 °С (побережье Антарктиды). На рис. 1 представлены дифференциальные функции распределения температур наружного воздуха для некоторых направлений плавания судов.

Математическое ожидание температур наружного воздуха, °С, для этих направлений следующее:

1. 8,8,
2. 9,5,
3. 24,1,
4. 28,1,
5. 30.

Максимальное математическое ожидание для относительной влажности воздуха составляет 93 % (западное побережье Суматры), а минимальное – 28 % (район Хартума на Ниле). В целом относительная влажность воздуха для различных широт претерпевает меньшие изменения, чем температура; в инженерных расчетах ее принимают 70-80 %. Абсолютная влажность воздуха максимальна в экваториальной зоне и уменьшается по мере удаления от экватора, сохраняя повышенные значения в районе теплых морских и океанских течений.

Температура воздуха в машинном отделении определяется тепловыделениями работающих механизмов, температурой наружного воздуха, интенсивностью солнечной радиации и колеблется в интервале от 25 до 55 °С, а относительная влажность – 20-80 %.

Параметры выпускных газов зависят от типа и КПД двигателя или котла, состава топлива и коэффициента избытка воздуха. Выпускные газы представляют собой смесь преимущественно углекислого газа, сернистого ангидрида, оксида углерода, кислорода, азота и водяных паров. Кислород, находящийся в продуктах сгорания, является избыточным, поскольку воздуха подается больше, чем необходимо для сгорания топлива. Коэффициент избытка воздуха α в зависимости от элемента СЭУ составляет 1,05-3,6, а температура выпускных газов – 150-500 °С.

В табл. 7 приведены средние значения изобарной теплоемкости для продуктов сгорания.

 
При известных элементарном составе топлива и коэффициенте избытка воздуха параметры выпускных газов определяются по таблицам термодинамических свойств продуктов сгорания или соответствующим диаграммам в зависимости от температуры и коэффициента состава β = 1 + 0,5 α. На рис. 2 приведены зависимости энтальпии выпускных газов от температуры при различных β и давлении 0,1 МПа.