Методика формирования оптимального состава АСКТ

Методика формирования оптимального состава АСКТ

В.В. Разносчиков,

старший научный сотрудник ЦИАМ им. П.И. Баранова, доцент, к.т.н,

И.А. Демская,

инженер ЦИАМ им. П.И. Баранова

В статье представлена математическая модель теплофизических свойств топлив и индивидуальных углеводородов, а также их смесей в любых соотношениях. Представлены результаты опытных экспериментов по определению теплофизических свойств газовых топлив. Выполнено оптимизационное исследование по формированию парето-множества наилучших составов авиационного сконденсированного топлива.

Ключевые слова: математическая модель, газовые топлива.

Technique of optimum structure aviation condensed fuel formation

V.V. Raznoschikov, I.A. Demskaya

The paper represents the mathematical model of thermo-physical properties of fuels and individual hydrocarbons and also their mixes in various ratio. Results of experiments by determination thermo-physical properties of gas fuels are submitted. Optimization research on formation of pareto-set of the best structures of aviation condensed fuel is performed.

Keywords: mathematical model, gas fuel.

Начиная с середины 70-х гг. в нашей стране и за рубежом ведутся работы по созданию нового авиационного сконденсированного топлива (АСКТ) для летательных аппаратов различного целевого назначения. В технических условиях на АСКТ (ТУ 39-154791) предусмотрено ограничение на содержание пропана - не более 7,2 %, так как он в основном и определяет давление насыщенных паров в топливном баке при плюсовых температурах. Содержание других компонентов не регламентируется. Основным сырьем для получения АСКТ является попутный

нефтяной газ. По ряду эксплуатационных показателей АСКТ превосходит авиакеросин. Это топливо дешевле - его себестоимость соизмерима с себестоимостью автопропана, оно экологически чище и менее агрессивно по отношению к конструкционным и уплотнительным материалам. Требования, предъявляемые к АСКТ, очень разнообразны и определяются эксплуатационной спецификой авиационной техники. Несмотря на существующий ГОСТ на АСКТ, предварительный анализ, представленный в статье, показал, что его состав необходим

оптимизировать для получения максимальной массовой и объемной теплоты сгорания топлива.

Методика расчета математической модели и ее верификация

В справочных материалах недостаточно данных по свойствам индивидуальных углеводородов (ИУ) и их смесей. Как правило, они разбросаны по многим литературным источникам. Кроме того, нередки случаи, когда по одной и той же характеристике в различных источниках даются разные величины, а для некоторых ИУ и их смесей вообще отсутствуют данные по теплофизи-ческим свойствам. В предлагаемой методике систематизированы и обобщены результаты работ, связанных с теплофизическим расчетом свойств индивидуальных углеводородов и их смесей. В результате анализа многочисленных литературных источников, основные из которых представлены [1-5], отобраны данные по основным теплофизическим свойствам, разработана математическая модель (ММ) расчета свойств ИУ и их смесей (далее ММ топлив), блок-схема которой представлена на рис. 1. Каждая из используемых методик расчета теплофизических свойств в процессе проверки их на адекватность дорабатывалась авторами.

ММ топлив позволяет рассчитать теплофизические (теплота сгорания Ни , плотность, давление насыщенных паров, энтальпия, теплоемкость, теплота испарения, сила поверхностного натяжения) и транспортные (вязкость, теплопроводность и др.) свойства как индивидуальных веществ (водород Н2, алканы СлН2л+2 и т.п.), так и топлив (керосины, синтетически сжиженное топливо из

I ,.ifffflTmTTTr„- Д|Дн4Д1<

«Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (23) октябрь 2011 г.

Рис. 1. Блок-схема ММ теплофизических свойств топлив

биосырья - СЖТБ, синтетически сжиженное топливо из газового сырья

- СЖТГ, АСКТ, сжиженный природный газ - СПГ) [6]. Теплофизические свойства ИУ и их смесей рассчитываются в широком диапазоне температур и давлений в жидком и газообразном состояниях. ММ расчета теплофизических свойств ИУ и их смесей относится к классу тех обеспечивающих основной расчет моделей, в которых они применяются

- например, в ММ топливных систем летательного аппарата (ЛА), расчета стоимости жизненного цикла, элементов двигателя и определения эмиссии вредных веществ.

В доказательство адекватности работы ММ топлив представлены

результаты расчета плотности (рис. 2). В качестве примера были взяты этилен (С2Н4) и пропилен (СН) и их соотношение (50 % СН

3 6 2 4

- 50 % С3Н6). Погрешность расчета не превышает 1 %.

Графики для смеси этилена и пропилена (рис. 3) разделены на

жидкую и газообразную области, так как температура перехода этилена и пропилена из одной фазы в другую различна. Диапазон температур этиленпропиленовой смеси в жидком состоянии 110...160 К (рис. 3а), а в газообразном 230.600 К (рис. 36).

а б

Рис. 2. Зависимость плотности ^^ (а) и (б) и погрешности ее расчета от температуры при р = 0,1 МПа

«Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (23) октябрь 2011 г.

Для утверждения достоверности расчета теплофизических свойств ИУ и их смесей по данной ММ топлив авторами было решено проверить ее на адекватность, проведя ряд лабораторных экспериментов согласно установленному ГОСТу (ГОСТ 2517-85 для нефти и нефтепродуктов).

Постановка задачи оптимизации

Оптимизационное исследование по определению наилучших составов газового топлива проводилось для двух задач:

• анализа предварительного состава сконденсированного газового топлива компании ООО «СИБУР» [8];

Рис. 4. Результаты эксперимента:

и их смесей от температуры; б - зависимость погрешности расчета плотности С10Н22 и С11Н24 и их смесей от температуры

а - зависимость плотности С10Н22 и С11Н24

Для экспериментов в качестве образцов были взяты декан и унде-кан и их различные соотношения (рис. 4). Погрешность расчета не превышает 2 %.

• формирования составов вы-сококипящего АСКТ.

В качестве критерия для оптимизационного исследования [9] первой задачи выбраны объемная

и массовая теплота сгорания, вектором варьируемых переменных являются массовые доли (0,0001...1) компонентов исследуемой смеси углеводородного топлива (пропан, изобутан, нормальный бутан, изо-пентан, нормальный пентан, гексан). Ограничивающими параметрами определено агрегатное состояние (жидкое) компонентов смеси топлива. Все компоненты смеси должны находиться в жидком состоянии, для этого необходимо соблюдать давление 1 МПа.

В качестве критерия во второй задаче выбраны объемная и массовая теплота сгорания, вектором варьируемых переменных являются массовые доли (0,0001.1) компонентов исследуемой смеси углеводородного топлива (пентан, изопентан, гексан, изогексан, гептан), ограничивающими параметрами определено агрегатное состояние (жидкое) компонентов смеси топлива при давлении 0,1 МПа.

Анализ оптимизационных исследований

Представленные компанией ООО «СИБУР» составы топлива являются, по оценкам авторов (рис. 5), близкими к оптимальному парето-множеству, но какой конкретно состав требуется производить может дать исследование в составе технического объекта, на котором будет использоваться топливо. Возможно, состав топлива будет определяться исходным сырьем, и этот факт будет ограничивать область оптимальных составов топлив.

Оптимизационное исследование по наилучшему составу АСКТ (пентан, изопентан, гексан, изогексан, гептан) представлено в виде области, ограниченной линией, выше которой не может быть лучших

НИ ЙЯЯВВР Л Ф вя# Щ

«Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (23) октябрь 2011 г.

МДЖ/К1

46

45.2

Ч

II pf.l 1 ООО п шш СиЛур" А

Црцишса (НИ! "<М] т№ TL

24Ш> ИДж/м3

Рис. 5. Зависимость массовой теплоты сгорания от объемной теплоты сгорания при р = 1 МПа

Н„, МДж/кг

453

45,2 45.1 45

Ji

г i J*

V

у

5

2900(1 Н» 10000 Ну, МДк/^'

Рис. 6. Зависимость массовой теплоты сгорания от объемной теплоты сгорания при р = 0,1 МПа

Состав топлива (массовая доля) и параметры Вариант -1-1-1-1-1-

"C5H12 'C5H12 nC6H 6 14 'C6H14 6 14 "C7H16 P20, кг/м3 H„, МДж/кг Hv, МДж/м3

1 0,79 0,01 0,06 0,01 0,13 634,09 45,31 28731,9

2 0,46 0,01 0,47 0,01 0,05 643,63 45,24 29119,6

3 0,29 0,01 0,30 0,01 0,39 657,54 45,14 29682,4

4 0,13 0,01 0,14 0,01 0,71 670,75 45,04 30213,1

5 0,01 0,01 0,01 0,01 0,96 680,97 44,97 30622,7

составов, так как каждая точка на этой линии отражает максимально возможные массовую и объемную теплоту сгорания (рис. 6).

Для примера некоторые лучшие составы топлив, отмеченные вариантами на графике, даны в таблице.

Проведенное оптимизационное исследование по формированию парето-множества для АСКТ показало, что каждая полученная точка отражает состав смесевого топлива с максимально возможными массовой и объемной теплотой сгорания и дает основание для формирования технического условия на новое топливо.

Проверка адекватности ММ показала высокий уровень точности, о чем свидетельствуют сравнения расчетов с результатами,

полученными экспериментально. позволяет рассмотреть множество

Особенностью разработанной ММ возможных вариантов и обоснован-

топлив является ее органичное но определить оптимальный состав

взаимодействие с пакетом много- топлива по выбранным критериям

параметрической оптимизации, что эффективности.

Литература

1. Бакулин В.Н., Дубовкин Н.Ф., Котова В.Н., Яновский Л.С. и др. Энергоемкие горючие для авиационных и ракетных двигателей. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 400 с.

2. Дубовкин Н.Ф., Яновский Л.С., Галимов Ф.М. и др. Авиационные криогенные углеводородные топлива. - 1998. - 225 с.

3. Дубовкин Н.Ф., Яновский Л.С., Галимов Ф.М. и др. Инженерные методы определения физико-химических и эксплуатационных свойств топлив. - 2000. - 378 с.

4. Дубовкин Н.Ф. Справочник по теплофизическим свойствам углеводородных топлив и их продуктов сгорания. - М.: Л., Госэнергоиздат, 1962. - 288 с.

5. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие / Пер. с англ. Под ред. Б.И. Соколова. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1982. - 592 с.

6. Разносчиков В.В., Чепанов А.И. Анализ использования криогенных и газовых топлив в силовых установках магистральных самолетов // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. - М.: Изд. МГТУ ГА. - 2008. - № 134.- C. 10-15.

7. Веб-ресурс «National Institute of Standards and Technology». - http://www. nist.gov

8. Веб-ресурс Компании ООО «СИБУР» - http://www.sibur.ru

9. Веб-ресурс Компании «Сигма-Технология» - http://www.iosotech.com/ru

«Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (23) октябрь 2011 г.

^^ Ä Ö IP* w ВШш вВВ ИИ