Методика нормирования потерь топлива при хранении в эластичных резервуарах полевого склада горючего

The technique of rationing of losses of fuel during storage in elastic reservoirs and field fuel depot

Dmitry Kolotilin

research fellow, Federal autonomous institution 25th. State research institute of chemometology of the Ministry of defense of the Russion Federation, Russia, Moscow

Alexander Dedov

doctor of technical Sciences, senior researcher, Federal autonomous institution 25th. State research institute of chemometology of the Ministry of defense of the Russion Federation, Russia, Moscow

Ivan Ashmetkov

junior researcher, Federal autonomous institution 25th. State research institute of chemometology of the Ministry of defense of the Russion Federation, Russia, Moscow

Аннотация. В статье рассмотрены стандартные методики учета потерь топлива в эластичных резервуарах с учетом их недостатков. Предлагается новая методика учета потерь, делающая упор на кратко­временное хранение топлива (7-9 дней).

Abstract. The article describes the standard methods of accounting for fuel losses in elastic tanks, taking into account their shortcomings. A new method of accounting for losses, focusing on short-term storage of fuel (7-9 days), is proposed.

Ключевые слова: проницаемость; топливо; моделирование.

Keywords: Permeability; fuel; modeling.

По сравнению с металлическими и резино-тканевыми резервуарами для хранения топлива, эластичные резервуары на основе термопластич­ного полиуретана имеют меньшую массу и объем в незаполненном состоянии, что упрощает их транспортирование и развертывание (рисунок 1). Одним из основных недостатков эластичных резервуаров является относительно высокая проницаемость полимерной оболочки, что приводит к потерям топлива при хранении. Возможны два принципи­альных подхода для оценки потерь в эластичных резервуарах, связанных с натурными испытаниями и моделированием кинетики процесса.

Рисунок 1. Общий вид эластичного резервуара для полевого склада горючего

Оценка потерь топлива при проведении натурных испытаний требует длительных экспериментов. Это связано с широкой номенкла­турой полимеров, используемых в производстве эластичных резервуаров, различными типами топлив и разнообразными условиями эксплуатации резервуаров. Для нормирования потерь топлива особую актуальность имеет моделирование кинетики процесса, установление зависимости кинетики от химической природы топлива и условий хранения.

Процесс потерь протекает в две стадии (рисунок 2). На первой стадии топливо растворяется в полимерной оболочке резервуара. Процесс продолжается до достижения равновесной растворимости топлива в полимере. После достижения равновесной растворимости, топливо появляется на внешней поверхности и начинается второй этап, связанный с испарением выделившегося топлива.

Рисунок 2. Схема процесса потерь топлива

Стандартная методика определения кинетики потерь предусмат­ривает получение зависимостей в системе координат «изменение массы/время» (рисунок 3). По форме кинетических зависимостей можно выделить две стадии:

·      первая стадия отражает процесс с переменной скоростью потерь (нестационарная стадия);

·      вторая стадия отражает процесс с постоянность скоростью потерь (стационарная стадия).

Рисунок 3. Общий вид графика кинетики потерь топлива при стандартных координатах «Изменение массы/время»

Установлено, что модели для прогнозирования кинетики потерь получены при использовании параметров, рассчитанных из второго участка кинетических зависимостей. Из этих данных рассчитывается поток переноса вещества через полимерную мембрану и рассчитывается коэффициент диффузии. На основании рассчитанного коэффициента диффузии, получены модели, которые описывают кинетику потерь в стационарной области или при времени, большем времени запаздывания (τ_зап), где время запаздывания – время стабилизации стационарного процесса.

Из рассмотренного механизма вытекает требование к перспектив­ной модели. Она должна обеспечить установление продолжительности каждой стадии процесса, количество топлива, которое теряется на каждой стадии и скорость каждой стадии.

Стандартные модели имеют ограниченное применение для прогнозирования начального периода процесса потерь. Кроме того, эти модели не разделяют процесс потерь на рассмотренные выше стадии. Зачастую практическое значение имеет прогноз нестационарного периода потерь, который по своей продолжительности в среднем приближается ко времени хранения топлива в полевых условиях (7-8 суток). Проведенные эксперименты показали, что для толстостенных изделий (резервуары для буксировки горючего по воде, десантируемые резервуары) время запаздывания в ряде случаев больше времени хранения топлива в полевых условиях.

Поэтому актуальной является решение научной задачи разработки методики нормирования потерь при не стационарном режиме. В основу подхода положен известный механизм переноса низкомолекулярных веществ в полимерных материалах, который определяет зависимость потерь от скорости диффузии топлива в полимере. Согласно этому, предложено получение кинетических зависимостей в системе условного времени, равного квадратному корню из времени процесса.

Общий вид зависимости в оной системе координат приведен на рисунке 4. В данной системе сложная зависимость А (показ) трансформируется в зависимость, состоящую из двух линейных участков. При этом начальный участок выходит не из начала координат, как на зависимости А (показ), а после определенного времени процесса (показ) и продолжается до времени перехода, который отображается другим линейным отрезком.

Рисунок 4. Общий вид графика кинетики потерь топлива при координатах «Изменение массы/ корень квадратный из времени»

Таким образом удалось разделить процесс на стадии растворения топлива и стадию улетучивания топлива. Зная время растворения топлива, определяемое как пересечение начального отрезка кинетической зависимости с осью абсцисс (показ), и зная количество топлива, которое растворяется в полимере, легко определить скорость растворения и сопутствующие потери.

Модель, которая используется для прогнозирования потерь, имеет следующий вид (1):

                                                                                                            (1)

где:   Q₁ – количество растворенного топлива в полимерной оболочке, а Q₂ это количество топлива, которое испаряется. Таким образом, задача сводится к определению равновесной растворимости топлива в полимерной оболочке резервуара и в количестве испаряемого топлива. Уравнение (2), которое описывает перенос топлива, имеет вид:

                                                                               (2)

где:   k– условная скорость процесса в шкале условного времени.

Очевидно, что модель действует до времени перехода изменения наклона линейного участка или перехода кинетики процесса, который отражается другим линейным участком.

В исследовании были поставлены две задачи:

· определения возможности использования условной скорости для прогнозирования кинетики потерь при различной температуре топлива;

· исследования возможности применения условной скорости для прогнозирования кинетики потерь топлива различного состава при одной температуре.

В качестве объектов исследования использовали полимерные пленки на основе термопластичного полиуретана 2080, кинетику потерь определяли по стандартной методике по требованиям ГОСТ 27896, связанной с непосредственным контактом топлива с полимерной мембраной и при непрерывном обдуве поверхности пленки нагретым воздухом.

Эксперимент проводили в течении 16 суток, что значительно больше времени хранения топлива в условиях развертывания полевого склада.

Результаты выполнения первой задачи представлены на рисунке 5.

Рисунок 5. Кинетическая зависимость потерь бензина Регуляр-92 через пленку ТПУ 2080 при 25 (○) и 50 °С (●) в координатах обычного и условного времени

Видно, что температура топлива влияет как на время стадии растворения в полимерной оболочке и на условную скорость. Кроме того, установлено, что продолжительность этапа процесса потерь, кинетика которого отражается начальным линейном участком кинетической зависимости приближается к 9 суткам, что сопоставимо со временем хранения топлива в полевых условиях.

Математическая обработка полученных начальных отрезков кинетической зависимости обеспечила получение коэффициентов (2) которые представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Зависимость времени запаздывания и условной скорости диффузии бензина Регуляр-92 через пленку ТПУ 2080 от температуры

Результаты выполнения второй задачи представлены на рисунке 6. В качестве модельного топлива использовались смеси гексан-толуол с различным содержанием компонентов. На рисунке 6 показаны кинетические зависимости потерь топлива в предложенной системе координат «Изменение массы/ корень квадратный из времени».

Рисунок 6. Кинетическая зависимость системы потерь модельной системы гексан-толуол в координатах условного времени при 40 °С: 1 – 50% гексана, 50% толуола; 2 – 30% гексана, 70% толуола; 3 – 10% гексана, 90% толуола

На рисунке 7 отображены зависимости условной скорости от содер­жания компонентов смеси при температуре эксперимента (60 градусов).

В результате работы получена научная основа методики испытаний полимерных материалов на проницаемость, повышена точность прогноза потерь топлива за относительно короткий период хранения, что особенно актуально при расчете десантируемых эластичных резервуаров.

Окончательные выводы требуют проведения экспериментальных работ по охвату новых видов топлива, толщин материалов и температур эксплуатации.

По докладываемым материалам вышло две статьи, еще две готовятся к печати.

Рисунок 7. Зависимость условной скорости потерь от состава топлива в модельной системе гексан-толуол при 60 °С