Научно-образовательные аспекты магнитной активации жидких сред

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В современных условиях при переходе к рыночным отношениям все большее внимание уделяется снижению потребления углеводородных топлив нефтяного происхождения, ввиду повышения стоимости нефти и снижения ее общемировых запасов. Причем, на долю транспорта приходится около 60% потребления топлив нефтяного происхождения. Так же повышаются требования к топливной экономичности ввиду постоянного ужесточения норм токсичности отработавших газов.

Для решения проблемы энергоэффективности и энергосбережения в транспортно-социальных системах необходимо применение научно-образовательных технологий, с помощью которых студенты могут повысить уровень своих знаний в транспортной отрасли и применять их в дальнейшей производственной деятельности. Одной из них является технология магнитной активации топлива (МАТ), позволяющая более полно понять физические процессы, проходящие при омагничивании топлива и изучить эксплуатационные свойства двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

К настоящему времени многими зарубежными и отечественными фирмами предлагаются к применению различные устройства МАТ. В основу всех устройств положены изменения, которые происходят в жидкости при ее движении в магнитном поле (МП). По данным изготовителей в результате МАТ наблюдается улучшение топливно-экономических, тягово-мощностных, пусковых и экологических характеристик ДВС, особенно при использовании низкокачественного топлива. Однако, несмотря на кажущуюся простоту и доступность метода МАТ, в эксплуатации далеко не всегда удается получить желаемый положительный эффект. Для его получения необходим оптимальный набор магнитотропных параметров, который в свою очередь связан с физико-химическими свойствами обрабатываемого топлива и конкретными условиями работы двигателей. Однако, до настоящего времени нет единого мнения об оптимальном наборе этих параметров.

В связи с этим, исследования, направленные на разработку новых методов МАТ для улучшения эксплуатационных показателей двигателей, являются актуальными.

Рабочей гипотезой являлось предположение о том, что существует такая конструкция устройства МАТ, магнитотропные параметры которого обеспечивают улучшение эксплуатационных показателей автомобильных двигателей в широком диапазоне условий их работы.

После открытия инженера Вермейрена (1946), физическая активация жидких сред нашла широкое применение в теплотехнике и энергетике, в производстве бетонных, железобетонных и керамических изделий, в нефтяной, газодобывающей и пищевой промышленностях, в медицине, фармакологии и биологии, сельском хозяйстве, при эксплуатации автотранспорта и в других областях народного хозяйства.

В конце 20 в. появились работы, в которых авторы (Катана О.И., Окружко Н.Ф., Давыдов В.Я., Житнухин А.С., Лысенко В.Г., Солодов В.В., Скворцов А.П., Головин В.В. Айрайс Р.Ж., Ревзин И.С., Иванов И.А., Бешенцев А.А., Звонов В.А., Яловега Н.В., Пугачев А.В., Палагута К.А. и др.) успешно использовали эффект омагничивания топлива в двигателях внутреннего сгорания для увеличения его мощности и экономичности при значительном уменьшении токсичности отработавших газов.

Влияние магнитной обработки топлива на эксплуатационные показатели двигателей исследователи связывают с улучшением условий смесеобразования и сгорания в цилиндрах вследствие изменения таких свойств топлива, как вязкость, коэффициент поверхностного натяжения, скорость испарения, смачиваемость, плотность, теплотворная способность.

Существующие методы магнитной активации основаны на принципе пропускания жидкости в магнитном поле таким образом, чтобы угол между векторами скорости и вектором магнитной индукции был отличен от нуля. При прочих равных условиях величина эффекта омагничивания максимальна при углах около 90 градусов .

Общеизвестно, что чем хуже поддается аппарат расчету, тем большее число конструктивных вариантов он имеет. В наше время имеется свыше ста вариантов устройств для магнитной обработки жидкостей, что затрудняет их классификацию и сопоставление. В основу классификации аппаратов с равным правом могут быть положены различные признаки, например, источник магнитного поля - постоянные магниты или переменные; какова форма потока жидкости - прямолинейная, спиральная или какая-либо еще другая, каков характер изменения магнитного поля - постоянное, пульсирующее, звуковые частоты, высокие частоты и т.д. Известны устройства, например такие как, «Fuel Max», «Емеля», Суперактиватор, устройства активации таких компаний, как КБ «Нитрон», Элмат, НТЦ «Автоэко» и др.

Наибольшую популярность и распространение до настоящего времени получили аппараты с электромагнитными катушками, питаемые постоянным током. Они наиболее мобильны и экономичны, поскольку по сравнению с переменными электромагнитами обладают значительно меньшим коэффициентом потерь (нет рассеяния на реактивной нагрузке), позволяют достаточно широко варьировать индукцию магнитного поля, не требуют высоковольтных источников питания, что весьма существенно при их эксплуатации в условиях автомобильного транспорта.

В последние десятилетия были разработаны ферромагнетики, имеющие достаточно высокие значения остаточной индукции (SmCo5 , Nb-Fe-B и др), поэтому всё более популярными становятся аппараты, разработанные на основе этих ферромагнетиков.

Главным недостатком аппаратов для магнитной обработки жидкостей является достаточно острая настройка их рабочих режимов (точный набор комбинаций их рабочих параметров). Отсюда сильная зависимость эффективности магнитной активации от изменения рабочих режимов магистрали, на которой он установлен, в частности, от скорости протекания жидкости в рабочих зазорах омагничивающих аппаратов. Это делает практически невозможным их эффективную работу на магистралях, где поток обрабатываемой жидкости не стационарен во времени.

В существующих аппаратах очень низок коэффициент использования рабочего объема (КИРО) аппарата, равный отношению рабочих зазоров (их длины), в которых и происходит омагничивание, к общей длине рабочей части аппарата, по которой движется жидкость. Он не превышает 75 - 80 % рабочего объема аппарата для омагничивания, поскольку движение здесь происходит вдоль магнитных силовых линий, да и сами поля рассеяния в этих областях очень незначительны, т.к. замыкаются концентраторами МП. Экспозиция в магнитных зазорах аппарата при скорости протекания 0,5-1,0 м/с не превышает 0,2 секунды.

Сделан вывод, что широкому внедрению магнитной обработки топлив в народное хозяйство в значительной степени препятствует отсутствие простых и надежных методов контроля эффективности омагничивания. Критериями оценки достигаемого эффекта чаще всего служат изменение мощностно-тяговых характеристик двигателя, его экономичности, устойчивости работы, изменение процентного содержания токсичных компонентов в отработавших газах. Однако эти методики абсолютно непригодны для оперативного контроля и оптимизирования режима обработки топлива.

В основу конструкции магнитного активатора топлива положено устройство аппарата Помазкина (патент РФ №2096339) . Цель разработки магнитного активатора топлива заключалась в удешевлении и упрощении конструкции и условий эксплуатации. В результате предложена конструкция эффективного, автономного, не требующего внешних источников питания и контроля рабочих режимов, легко монтируемого на рабочих магистралях, приводящего к снижению эксплуатационных затрат, обеспечивающего экологическую чистоту, аппарата .

Магнитный активатор (рисунок 1) содержит неферромагнитный герметичный корпус 1, внутри которого смонтирован концентратор магнитных силовых линий 2, выполненный из ферромагнитных дисков, наружный размер которых совпадает с внутренним поперечным сечением корпуса. С одной стороны каждой из пластин которого удален сектор, составляющий 10-15% от общей поперечной площади пластин, установленных перпендикулярно продольной оси корпуса, таким образом, чтобы вырезанные сектора в соседних пластинах были расположены диаметрально противоположно для того, чтобы поток обрабатываемой жидкости двигался в оптимальных по напряженности магнитных полях зигзагообразно по отношению к продольной оси, пересекая магнитные силовые линии под углом, близким к 900, находясь под воздействием магнитного поля возможно больший промежуток времени .

Рисунок 1 - Схема магнитного активатора топлива: 1- неферромагнитный корпус, 2 - концентратор силовых линий, выполненный из ферромагнитных пластин; 3 - регулировочные неферромагнитные прокладки, задающие расстояние между пластинами концентратора; 4 - подводящий патрубок; 5 - отводящий патрубок

магнитный активатор герметичный

Учитывая то, что эффективность активации практически напрямую зависит от времени воздействия магнитного поля, магнитные поля 50 - 100 эрстед в зоне движущейся жидкости создавали за счет остаточной магнитной индукции пластин магнитного концентратора, подвергнув его однократной импульсной магнитной обработке. Для повышения магнитной жесткости пластин, выполненных из обычных конструкционных сталей (Ст-3, Ст-5 и др.), их подвергали термической закалке. Для увеличения времени воздействия магнитного поля, конструкцией магнитного активатора предусмотрено зигзагообразное движение обрабатываемой жидкости по отношению к его продольной оси, что позволяет удлинить путь активируемого вещества в магнитном поле в несколько раз. Чтобы заставить двигаться жидкость с разными скоростями при одноразовом прохождении её в магнитном поле, расстояние между пластинами концентратора сделали неодинаковыми. Для увеличения эффективности воздействия магнитного поля, поток обрабатываемой жидкости разбили на очень тонкие слои.

Принципиальное отличие активатора от аналогов заключается в том, что омагничивание происходит не в ограниченных локальных объёмах (рабочих зазорах), а на всем пути следования жидкости, т.к. его конструкция предусматривает зигзагообразное движение топлива внутри активатора; при этом пересечение магнитных силовых линий происходит под углом, незначительно отличающимся от 900, что является предпосылкой достижения максимального эффекта омагниченности. Длина пути следования жидкости в зависимости от количества магнитных дисков активатора становится в 5-7 раз больше продольного размера самого активатора, поскольку жидкость перемещается не вдоль оси активатора, а зигзагообразно по отношению к ней. Это позволяет существенно увеличить коэффициент использования рабочего объема (КИРО) и времени экспозиции обрабатываемой жидкости в магнитном поле. Так, в случае выполнения концентратора из 8-15 дисков, КИРО будет равен соответственно 2,7 - 4,8. Учитывая, что в существующих конструкциях аппаратов он не превышает значения 0,25 КИРО предлагаемого активатора в 10-19 раз больше. Время пребывания жидкости в магнитном поле (экспозиция) при скорости её движения в рабочей магистрали 0,2 - 0,5 м/с в этом активаторе составляет 1,2 - 2,5 с, что в 10-12 раз превышает соответствующие показатели аналогов .

Технический результат от использования устройства заключается в повышении эффективности обработки топлива, возможности контроля и регулирования рабочих режимов магнитного активатора, упрощение конструкции, обеспечение автономности устройства за счет отсутствия внешних источников питания.

На этапе экспериментальных исследований были проведены стендовые испытания автомобильного карбюраторного двигателя ВАЗ-2106 с целью оценки влияния разработанного магнитного активатора топлива на изменение топливно-экономических, мощностных и экологических показателей работы двигателя. Активатор устанавливался в разрез топливпровода между карбюратором и топливным насосом. Испытания активатора заключались в снятии внешней и частичной скоростных характеристик двигателя на обкаточно-тормозном стенде КИ-5543 в соответствии с ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Стендовые испытания» с изменениями 2008 года в двух комплектациях системы питания: штатное состояние и с магнитным активатором топлива.

Содержание токсичных компонентов СО и СН в отработавших газах определялось при работе двигателя на холостом ходу для двух частот вращения коленчатого вала: минимальной nmin = 850-900 мин-1 и повышенной nпов = 3000 мин-1.

Топливо - бензин «Лукойл» АИ-92 (ГОСТ Р 51105-97) из одной партии.

Температуры охлаждающей жидкости и моторного масла соответствовали значениям, установленным заводом-изготовителем.

По результатам проведенных испытаний выявлено, что при использовании магнитного активатора частота вращения коленчатого вала уменьшилась на 0,25 %, крутящий момент увеличился на 4,2 %, мощность двигателя увеличилась на 3,9 %, удельный расход топлива уменьшился на 6,2 %, содержание углекислого газа в выхлопных газах снизилось на 14,35 %, содержание углеводородов снизилось на 22,6 %.

Такие результаты объясняются тем, что топливо, проходя через камеру активатора, становится мелкодисперсным. Процесс сгорания топлива происходит с повышенной скоростью и более полно, в связи с чем, увеличивается его теплотворность и, соответственно, возрастает мощность. В камере активатора находится устройство, создающее электромагнитное поле, пульсирующее с большой частотой, которое резко увеличивает собственное колебание молекул топлива, вследствие чего уменьшается образование нагара и закоксовывание двигателя .

Разработанная научно-образовательная технология магнитной активации топлива является инновационной в своей отрасли и позволяет студентам глубже вникнуть в физику магнитных явлений, теорию рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания и теорию эксплуатационных свойств автомобиля. При проведении экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях с использованием соответствующего оборудования студенты учатся планированию и проведению эксперимента, а также правильной обработке экспериментальных данных.

Список литературы

1. Помазкин В.А. Неспецифические воздействия физических факторов на объекты биотехносферы: Монография / В.А. Помазкин // Оренбург, ИПК ОГУ, 2001, С. 315.

2. Патент RU №2096339 С1, МПК С 02 F 1/48. Аппарат Помазкина для магнитной обработки жидкостей / В.А. Помазкин (РФ). - №1994013168/25. - Заявлено 15.04.1994 - Решение о выдаче патента от 01.09.1996 г. - Опубл. 20.11.1997 г., Бюл. № 32. - 4 с.

3. Магнитная обработка топлива - как способ улучшения эксплуатационных показателей автомобильных двигателей / Е.В. Цветкова, В.А. Помазкин, К.В. Щурин, А.Н. Гулин // Сборник материалов международной научной конференции «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации», часть 6: Оренбург, 2010, С.208-212.

4. Патент RU№2411190 С1, МПК С 02 F 1/48. Магнитный активатор жидких сред / В.А. Помазкин, К.В. Щурин, Е.В. Цветкова (РФ). - №2009124037/05. - Заявлено 23.06.2009 - Решение о выдаче патента от 01.09.2010 г. - Опубл. 10.02.2011 г., Бюл. № 4. - 2 с.

5. Манаков, Н.А. Улучшение эксплуатационных показателей автомобильных двигателей в результате магнитной активации топлива / Н.А. Манаков, К.В. Щурин, Е.В. Цветкова // Журнал «Естественные и технические науки» №2, 2012. М: «Спутник +» С. 485-487. ISSN 1684-2626.

6. Применение магнитной активации топлива в обслуживании транспортно-технологических машин: сб. докл. РНПК «Проблемы функционирования систем транспорта» / Е.В. Цветкова. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2011. - С. 439 - 442.

Размещено на Allbest.ru