В ТПУ количественно просчитали, как микрокапли воды меняют работу биотоплив

Ученые Томского политехнического университета провели комплексное исследование и количественно просчитали, как микрокапли воды в составе биотоплива влияют на технологический цикл его использования — распыление, испарение, горение и эмиссионные показатели. Результаты исследования помогут в будущем оптимизировать состав биотоплив для более стабильной и экологичной работы дизельных двигателей.

Биотопливо считается перспективной заменой нефтяному дизельному топливу. Однако разные виды биодизеля по-разному ведут себя в двигателях. На качество их распыления и сгорания влияет множество факторов: вязкость, поверхностное натяжение, плотность, состав жирных кислот и примесей. Кроме того, в составе биотоплива есть вода, которая одновременно снижает количество вредных выбросов и меняет распыление, испарение и стабильность факела горения топлива. Для практического использования биотоплива необходимо понимать, какая комбинация «сырье — вода — режим нагрева» дает лучший и стабильный результат.

Ученые Томского политеха провели комплексное исследование, чтобы выяснить, как капли воды влияют на микровзрывное разрушение биотоплив. Эксперименты проводились с дизельным топливом и биозиделем, полученным из рапсового масла, дистиллированного таллового масла и метиловых эфиров жирных кислот таллового масла. Капли этого топлива вводились в камеру конвективного нагрева при температуре газа от 450 до 750 К и цилиндрическую камеру сгорания. Параллельно ученые отслеживали изменения физико-химических свойств топлива, режимы разрушения капель, скорость испарения и состав выбросов.

Вода в составе топлива при нагреве закипает раньше самого топлива, превращаясь в пар и разрывая каплю изнутри. Ранее эти процессы изучались учеными по отдельности: химики анализировали состав, теплофизики — испарение капель, инженеры — выбросы в установке. Мы объединили эти три уровня в одной экспериментальной схеме и смогли установить количественную связь между составом биодизеля, поведением отдельной водо-топливной капли и выбросами при ее сжигании, — отмечает один из авторов исследования, инженер-исследователь лаборатории тепломассопереноса ТПУ Роман Федоренко.

Результаты исследования показали, что исходное сырье в основе биодизеля влияет на физико-химические свойства готового топлива: в зависимости от «основы» вязкость отличалась более чем в 1,9 раза, межфазное натяжение — более чем в три раза, температура кипения — не более 3,5 %, а поверхностное натяжение образцов — 10 %. По словам ученых, эти свойства определяют динамику распада капель топлива внутри камер сгорания.

Капли на основе дизельного топлива распадаются практически мгновенно (меньше, чем за 1 миллисекунду), а капли на основе биотоплива распадаются медленнее и образуют более крупные дочерние капли (капли, которые отделяются от „родительской“ в процессе микровзрывной фрагментации — прим.) за счет роста пузырьков. При этом биодизель из жирных кислот таллового масла оказался эффективнее при вторичном распылении, образуя капли в среднем на 15-20 % больше, чем у дизельного топлива. Однако в сравнении с другими видами биотоплива эти капли были все равно на 25-30 % меньше. Даже незначительное количество биотоплива из жирных кислот таллового масла в составе дизельного топлива увеличивало время задержки распада на 25-30 % и увеличивало площадь поверхности на 8-10 %, — добавляет Роман Федоренко.

У образцов эмульсий биотоплива и дизеля также различались механизмы микровзрывного разрушения. Так, время задержки у капель эмульсии на основе дизельного топлива было на 15-17 % меньше, чем у эмульсий на основе биодизеля. Кроме того, увеличение площади поверхности капель эмульсии на основе дизеля было на 40-45 % меньше.

Отдельно политехники проанализировали влияние воды в составе топлива на экологию. Результаты показали, что добавление воды снизило выбросы оксида азота на 10-12 % для дизельного топлива и на 18-20 % для биодизеля на жирных кислотах таллового масла.

В исследовании принимали участие ученые Инженерной школы энергетики и Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политеха.

Исследования поддержаны грантом Минобрнауки России (№ 075-15-2025-572).

Результаты работы ученых опубликованы в журнале Biomass and Bioenergy.

Источник: Минобрнауки России