Теоретическое обоснование принципа действия синергетиков топлив R&T

Нашими учеными было впервые обнаружено явление спонтанной самоорганизации в жидкостях и газах под действием сверхнизких концентраций орто-спинпротонных изомеров. Вещества, способные вызывать данный эффект, представляют собой органические соединения, содержащие группы -СН2-, в которых атомы водорода имеют параллельный ядерный спин. Такие соединения были названы синергетиками. Синергетики вводятся в органические жидкости и водные растворы в концентрации 0,5…1,0 ppm или в газы в составе летучих веществ при температурах 50…5000 град С в концентрации 1…2 ppm. Возникающая при этом самоорганизация молекулярного движения проявляется в появлении в жидкостях и газах динамических волновых структур и появлении перераспределения молекул по энергиям, существенно отличным от равновесного. Исследования жидкостей проводились методами ИК-спектроскопии Фурье в дальнем инфракрасном диапазоне, комбинационного светорассеяния, а также определением изменения энергии активации по зависимостям вязкости от температуры. Газы исследовались акустическими методами. В ходе экспериментов было выявлено, что в зависимости от концентрации синергетика энергия активации вязкого трения жидкостей снижается, достигая минимального значения, а затем, по мере увеличения концентрации возвращается к исходным значениям. Максимальное снижение энергии активации составляет 8 Дж/моль*К. Такую же величину дает смещение спектральных линий. Также было установлено, что средний размер динамических кластеров составляет порядка 150 нм, что соответствует среднему расстоянию между молекулами синергетика в жидкостях. При исследовании газов было обнаружено, что наличие синергетиков в определенных концентрациях вызывает увеличение скорости звука в газовой фазе. Расчет адиабатической сжимаемости показал, что в пределе уменьшение теплоемкости газов составляет также порядка 8 Дж/моль*К.

Точный механизм рассматриваемого явления до конца еще не выяснен. В соответствии с наукой о самоорганизации – Синергетикой – необходимым условием существования устойчивых неравновесных состояний с пониженной энтропией является наличие в системе положительной обратной связи. При этом поведение системы описывается системой дифференциальных уравнений с порядком не ниже второго, решениями которых являются динамические волновые процессы. По всей видимости, именно молекулы синергетика выполняют функцию такой обратной связи за счет квантового взаимодействия между орто-спинпротонными группами, а концентрации, в которых наблюдается эффект, соответствуют среднему расстоянию между молекулами синергетика, равному длине некоторой характеристической волны, при которой происходит их синхронизация, и коэффициент обратной связи оказывается больше единицы. При этом в жидких средах длина характеристической волны определяется частотой колебаний групп -СН2- и скоростью распространения упругой волны, тогда как для газовых сред имеет место электромагнитная характеристическая волна, длина которой определяется скоростью света. Этим объясняется столь значительное – на три порядка – различие в эффективных концентрациях синергетика для жидкостей и газов.

Из полученных данных можно сделать выводы, что синергетик способен вызвать снижение энтропии среды, в которую он помещен, что может быть использовано на практике в самых различных областях. По сути, любая созидательная деятельность является борьбой с энтропией – главным врагом любой упорядоченности. В данном контексте под энтропией понимается мера хаоса, которая имеет вполне конкретное математическое значение.

Приведем несколько примеров.

С позиции статистической термодинамики полная энтропия любой макроскопической системы равна натуральному логарифму всех возможных микроскопических состояний элементов, ее составляющих (S=lnW). В то же время классическая термодинамика определяет энтропию как отношение полной теплоты системы к ее абсолютной температуре (S=Q/T). Оба понятия энтропии

синонимичны. В равновесных системах, например в замкнутом объеме газа при определенной температуре, функция распределения молекул по энергиям стремится принять вид колоколообразной функции нормального распределения, когда число микросостояний молекул максимально. Если в таком газе произойдет самоорганизация с образованием динамических волновых структур, функция

распределения молекул по энергиям примет более сложный вид с двумя, тремя и т.д. максимумами вместо одного. В этом случае при той же средней температуре число микросостояний уменьшится, следовательно, уменьшится и энтропия. Такой газ можно рассматривать как несмешиваемую смесь двух, трех и т.д. газов с различными температурами. Весь объем этого газа окажется состоящим из объемных бегущих волн, чем-то наподобие движущейся калейдоскопической картины. И такой самоорганизованный газ будет обладать особыми свойствами. В частности, у него будет пониженная теплоемкость, поскольку теплоемкость газа пропорциональна его энтропии, что следует из базовых постулатов термодинамики. Кроме того, в таком газе скорость звука будет больше, поскольку она пропорциональна адиабатической сжимаемости газа γ, которая равна отношению теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме

(γ=Cp/Cv)

и, в то же время,

Cp=Cv+R,

где R – универсальная газовая постоянная (R=8.314 Дж/моль*К ).

То есть

γ=1+R/Cv ,

и чем меньше теплоемкость, тем больше γ, соответственно тем больше и скорость звука при данной температуре. Это имеет большое практическое значение, поскольку в большинстве тепловых машин с рабочим телом в виде газа (бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания, турбины и др.) именно адиабатическая сжимаемость определяет долю полезной работы, которую может совершить машина в данных условиях от общего количества теплоты, переданной газу. Рассмотрим бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Известно, что работа такого двигателя описывается в идеале термодинамическим циклом Отто. Цикл Отто состоит из четырех процессов, следующих один за другим. Это адиабатическое сжатие смеси паров бензина с воздухом при движении поршня от нижней мертвой точки к верхней (от НМТ к ВМТ), горение при постоянном объеме, адиабатическое расширение продуктов сгорания при движении от ВМТ к НМТ с совершением полезной работы и выхлоп при постоянном объеме. Этот цикл описывается системой дифференциальных уравнений, одним из решений которой является выражение для КПД цикла:

η=(1-N1-γ)*100%,

где η – КПД цикла в процентах, а N – степень сжатия.

Нетрудно рассчитать, что при теплоемкости продуктов сгорания Cp=40 Дж/моль*К и степени сжатия N=10 адиабатическая сжимаемость γ будет составлять около 1.2, а КПД около 36,9%. В реальных двигателях существуют дополнительные потери. Это потери на трение, на нагрев двигателя, неполное сгорание топлива. В современных автомобилях эти дополнительные потери не превышают 2.5%, то есть КПД реального двигателя со степенью сжатия 10 составляет 34.4%. И любое техническое усовершенствование может повысить КПД лишь в пределах этой разницы. Однако если в топливо ввести синергетик с таким расчетом, чтобы к моменту начала движения поршня от ВМТ к НМТ он оказался в газообразных продуктах сгорания в эффективной концентрации, теплоемкость Cv должна снизиться, как следует из опытных данных, примерно до 32 Дж/моль*К, адиабатическая сжимаемость γ увеличится до 1.26, а КПД цикла возрастет до 45%. Учитывая, что дополнительные потери в двигателе останутся на прежнем уровне, КПД реального двигателя, работающего на топливе с синергетиком, составит42.5%. Поскольку при росте КПД снижение удельного расхода топлива определяется по формуле ΔG=(1- η1/ η2), оказывается, что расчетное снижение удельного расхода при использовании синергетика составит 19%. И это без каких-либо доработок двигателя! Аналогичные расчеты для дизельных двигателей показывают, что в пределе снижение расхода топлива должно составить 25%.

Другим примером практической значимости синергетиков может быть работа водогрейных или паровых котлов.

Здесь базовым показателем являются тепловые потери с уходящими газами. Поскольку температура уходящих газов, как правило, автоматически поддерживается на одном уровне (около1400С), снижение удельного расхода топлива за счет применения синергетика можно определить по формуле:

ΔG=(1-Cv2/Cv1)*100%.

Принимая Cv1=40 Дж/моль*К и Cv2=32 Дж/моль*К, получим ΔG=20%. И это опять же без переделки или перенастройки котлов!

Также следует отметить и другой аспект снижения энтропии – изменение состава отработавших газов. Известно, что при горении топлива помимо основной реакции окисления протекают побочные реакции, приводящие к появлению в отработавших газах токсичных компонентов – окислов азота и угарного газа. Течение этих побочных реакций подчиняется основным законам термохимии, в которых фигурирует энтропия. Термохимические расчеты довольно сложны и здесь не приводятся, однако выводы таковы, что снижение энтропии продуктов сгорания должно однозначно приводить к снижению концентрации токсичных компонентов в продуктах сгорания.

Для практической проверки верности приведенных выкладок нами были разработаны топливные синергетики для бензина, дизельного топлива и мазута. Различия между этими тремя видами продукта состоят в том, что содержание орто-спинпротонных изомеров в них рассчитаны, исходя из того, что при дозировке в топливо 10 мл/1 м3 их концентрация в газообразных продуктах сгорания должна составить определенную ранее эффективную концентрацию. Все три типа были многократно испытаны как на стендах, так и в натурных условиях. Помимо топливной экономичности оценивалось влияние синергетиков на мощность двигателей, крутящий момент на валу, состав уходящих и выхлопных газов. Статистическая обработка результатов многочисленных испытаний показала, что практические эффекты от применения синергетиков в основном совпадают с приведенными выше теоретическими выкладками.

Так, для бензиновых двигателей наблюдается:

• снижение удельного расхода топлива от 8 до 15%,
• увеличение мощности и крутящего момента на 10…12%,
• сокращение угарного газа в выхлопе на 20…30%, а оксидов азота на 20…30%.

Кроме того, выявлено снижение эмиссии углеводородов на 15…20%, расхода масла на угар на 15…30% и увеличение моторесурса двигателей на 30…40%.

Для дизельных двигателей снижение удельного расхода топлива составляет от 10 до 20%, увеличение мощности – 5…7%, снижение эмиссии угарного газа – 20…30%, оксидов азота – 15…20%.

Снижение расхода масла составляет 30…40%, снижение дымности выхлопа – до 40%, эмиссии углеводородов – на 30…40%, увеличение моторесурса двигателей – на 30…50%.

Испытания на мазутных котельных и печах показали:

• снижение удельного расхода топлива на 10…20%,
• уменьшение эмиссии оксидов азота – на 20…30%.

Также были выявлены:

• появление противотурбулентных свойств мазута с повышением его текучести в форсунках на 20…50%;
• рост температуры ядра факела на 100…2000С с одновременным укорочением факела без ущерба поверхностям теплообмена;
• очистка поверхности теплообмена от сажистых и зольных отложений;
  подавление низкотемпературной и высокотемпературной коррозии;
  очистка топливной аппаратуры, трубопроводов и стенок резервуаров от асфальто-смолистых отложений.

Примечательно, что рассчитанная для газовой фазы концентрация синергетика в мазуте совпала с его эффективной концентрацией для жидкости, чем и объясняются противотурбулентные и моющие эффекты, а также улучшение распыла.

Еще одним достижением наших ученых стала разработка синергетиков для водных сред. Изначально предполагалось, что эти препараты можно будет использовать в газовых и угольных котлах, распыляя водный раствор непосредственно в зону горения или в первичный воздух. Затем появилось теоретическое обоснование эффекта повышения нефтеотдачи пластов при введении водного синергетика в пластовую воду, используемую для нефтевытеснения.

Суть этого обоснования сводится к следующему.

При нефтевытеснении пластовой водой имеет место трехфазная система: порода-нефть-вода. В этой системе вода имеет значительно большее сродство с породой, чем нефть, поскольку все нефтеносные пласты состоят из гидрофильных соединений. Нефть удерживается в порах твердой породы только за счет дисперсионных сил поверхностного натяжения, которые тесно связаны с энтропией – чем выше энтропия, тем труднее происходит вытеснение нефти водой. Следовательно, снижение энтропии хотя бы одного компонента системы должно сдвигать процесс нефтевытеснения в сторону облегчения. Для проверки этой гипотезы нами был проведен ряд работ на реальных кернах нескольких месторождений. При правильном подборе концентрации синергетика дополнительный выход нефти составил от 7 до 15%. Кроме того, было обнаружено резкое (в два-три раза) падение вязкости водонефтяных эмульсий, приготовленных на воде с синергетиком. Также наблюдалось заметное увеличение проницаемости керна. Испытания водных синергетиков на угольных и газовых котлах выявили ожидаемые эффекты – снижение удельного расхода топлива и уменьшение токсичности уходящих газов. Однако среднее снижение расхода топлива составило от 5 до 9%, что существенно ниже ожидаемого. Мы связываем это с проблемой равномерного распределения синергетика в газовой фазе. Она требует инженерного решения, над которым в настоящее время работают специалисты. Пристальное изучение воды, содержащей синергетик в эффективной концентрации, позволило обнаружить еще один аспект ее свойств – высокую биологическую активность. Растения, которые хотя бы однократно поливали такой водой, развивались заметно быстрее контрольных. Мы разработали синергетик для сельскохозяйственного использования, на основе соединений, применяемых в пищевой промышленности. Этот продукт полностью безвреден для растений, животных и человека.

Полевые испытания на сельскохозяйственных культурах показали, что обработка раствором синергетика посевов и развивающихся растений позволяет увеличивать урожайность овощей и зерновых на 10…15%, при этом существенно повышается сопротивляемость культур к различным заболеваниям.

В настоящее время компанией R&T в промышленном масштабе производятся топливные синергетики для бензиновых и дизельных двигателей, а также для мазутных котлов и печей с эффективной дозировкой 10 миллилитров на 1000 литров топлива. Также выпускаются водные синергетики для повышения нефтеотдачи с дозировкой 1 миллилитр на 1000 литров пластовой воды и синергетик для сельского хозяйства с дозировкой 1 миллилитр продукта на один гектар посевных площадей при однократном распылении или поливе.