Энерго-экологический критерий для комплексной оценки эффективности использования сжиженного нефтяного газа в дизелях

Омский государственный университет путей сообщения

ЭНЕРГО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИТЕРИЙ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЖИЖЕННОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА В ДИЗЕЛЯХ__________________________

В статье предложен критерий, являющийся комплексным показателем эффективности работы дизеля на сжиженном нефтяном газе и его смеси с дизельным топливом и присадками, учитывающий как эффективные показатели, так и экологическую составляющую используемого топлива в виде соотношений вредных выбросов двигателя.

Ключевые слова: дизельный двигатель, сжиженный нефтяной газ, теплота сгорания, коэффициент снижения токсичности.

К альтернативным топливам, пригодным для использования в стационарной и транспортной энергетике, включая поршневые двигатели внутреннего сгорания, можно отнести большую группу газообразных (углеводородные газы, аммиак), синтетические спирты (метанол, этанол), жидкий аммиак, жидкие топлива из углей и других твердых горючих ископаемых, жидкие органические кислотосодержащие соединения, водотопливные эмульсии, угольные суспензии и др.

Из анализа работ [1,2,3] следует также, что возможен различный подход к вопросу классификации топлив по различным критериям (роду топлива, агрегатному состоянию, методам получения и использования, отраслевому назначению и др.).

Применительно к альтернативным топливам, очевидно, важнейшей является их классификация по энергетическим показателям (массовым и объемным), когда при рассмотрении такие топлива подразделяют на три группы: высокой, средней (на уровне современных топлив для двигателей) и низкой энергоемкости (МДж/ кг) и энергоплотности (МДж/м:1) [2].

По массовой энергоемкости в первую группу входят водород и его добавки к традиционным моторным топливам, а также смеси с высокоэнергетическими компонентами; во вторую - углеводородные газы и смеси на основе нефтяных топлив.

Среднюю энергоплотность имеют сжиженные газы и смеси современных моторных топлив. Группу топлив с низкими энергетическими показателями составляют, в основном, вторичные ресурсы, спирты, аммиак и гидридные энергоносители, имеющие невысокую калорийность.

Низкокипящие углеводородные газы и водород имеют высокую энергоемкость, но низкие объемные энергетические показатели из-за малой плотности.

Ниже в таблице приведены основные обобщенные физико-химические и эксплуатационные свойства ряда альтернативных топлив для возможного использования их в энергетических установках, в том числе и поршневых ДВС.

Основным показателем, характеризующим эффективность топлива с энергетической точки зрения, является удельное тепловыделение, т.е. количествотепла, которое выделяется при сгорании единицы

массы или объема топлива. Для оценки энергетических свойств моторных топлив наиболее широко используется величина теплоты сгорания (или теплотворная способность) Нц, представляющая собой количество тепла, создающегося при полном сгорании топлива в кислороде при стехиометрическом соотношении. Однако величина Ни служит характеристикой энергоемкости топлива и не отображает влияние состава горючей смеси, что особенно важно в случае топлив различной природы. Более объективный энергетический параметр — удельная теплота сгорания смеси (топливо + окислитель), известная под названием теплопроизводительности топливной смеси Нсм.

Теплопроизводительность может быть рассчитана по теплоте сгорания с учетом стехиометрического коэффициента и коэффициента избытка окислителя. Теплота сгорания обычно определяется расчетным путем по полуэмпирическим уравнениям (например, по формулам Менделеева), либо экспериментально при сжигании в калориметрической бомбе (ГОСТ 21261 -75). Однако в этом случае не учитываются условия в камере сгорания, в частности, степень диссоциации, определяемая родом топлива, что ведет к завышению значений Ни и Нсм. По известному термодинамическому положению между полной энтальпией топливной смеси и ее теплопроизво-дительностью имеется однозначная связь — теплопроизводительность равна разности значений энтальпий топливной смеси и продуктов сгорания или, другими словами, разности их стандартных теп-лотобразования [2]:

Т_1 = т _т

СМ III ПС*

После подстановки формул энтальпий компонентов получим уравнение для расчета весовой тепло-производительности:

и у‘„ ,

си гг т '

Мт+а10мок

В формулах (1), (2) 1П1 и 1пс - соответственно энтальпии топливной смеси и продуктов сгорания при

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 «0). 2009

температуре приведения Т, равной 298,15 К; 1иТ и 10К -полная энтальпия моля топлива и окислителя;

— МОЛЬНЫЙ стехиометрический коэффициент; 1^ и ц()к — молекулярный вес топлива и окислителя; дт и 1т — весовая доля т-го компонента в продуктах сгорания и его энтальпия.

Наиболее высокими энерго-массовыми показателями характеризуется водород: его теплота сгорания почти втрое выше, чем у бензина. За водородом в порядке убывания значения Ни следуют этанол, метанол и аммиак, причем теплота сгорания последнего почти в 7 раз ниже по сравнению с водородом.

Массовые теплопроизводительности при этом отличаются меньше — всего на 30 %.

Иная картина наблюдается при сравнении объемных энергетических характеристик. Наиболее высокая энергоплотность у жидких топлив.

Общей закономерностью для всех топлив, приведенных в таблице, является характер зависимости объемной теплопроизводительности от состава топ-ливо-воздушной смеси, которая имеет максимум в области стехиометрических соотношений.

При обеднении смеси значения Нт сближаются и при значении а, равном 5, они отличаются лишь на 8 - 12% [2].

Ввиду отсутствия стандартной методики в части определения эффективности применения сжиженного нефтяного газа как для экономии дорогого дизельного топлива, так и для одновременного снижения ущерба, причиняемого загрязнением окружающей среды в районе эксплуатации дизелей подвижного состава, комплексную (обобщенную) оценку энер-го-экологических показателей работы дизеля нами предлагается оценивать на основе анализа системы «дизель — сжиженный нефтяной газ — окружающая среда» [4).

Тогда без учета изменения экологических показателей, но с учетом причинно-следственных связей, в качестве критерия может быть предложен на основе теоремы умножения вероятностей энергетический показатель дизельного двигателя втаком виде:

г/г „ „си

- ЧптПі

где чпт — КПД производства сжиженного нефтяного газа;

— эффективный КПД дизеля при работе на сжиженном нефтяном газе (либо его смесях с дизельным топливом и присадками).

Значение г]пт можно определить на основе общей структурной зависимости, предложенной фирмой «Дженерал Моторе» для оценки КПД производства смесевоготоплива [5]:

<2:

ог+є^+єе

гАе 2.", 0,", (£ж, - соответственно высшая теп-

лота сгорания полезной части топлива (СНГ) и исходного материала (подготовленной к перегонке нефти), энергия, эквивалентная затратам на производство СНГ и на эксплуатацию установки по производству смесевого топлива.

Эффективный КПД дизеля, работающего на сжиженном нефтяном газе (либо на его смеси с дизельным топливом) определяется по формуле [3]:

Пс =

3600л £«& Р,

где р, — соответственно, индикаторный расход топлива дизелем, низшая теплота сгорания используемого топлива или смеси, средние эффективное и индикаторное давления в цилиндре дизеля.

В общем виде комплексный энерго-экологичес-кий показатель тогда выражается на основе той же теоремы умножения вероятностей:

где Кт, - коэффициент снижения токсичности ПО 1-му компоненту вредных выбросов дизеля (N0^1 СО, СН, сажа, альдегиды), который оценивается так:

Таблица

Физико-химические и эксплуатационные свойства альтернативных и перспективных топлив

Характеристики Бензин Природный газ Сжиженный газ Водород (жидкий) Метанол Этанол

Плотность при 15 °С, г/см1 0,7-0,8 0,6810 1 0,532 0,07 0,79 0,79

Температура

кипения, °С 35-195 -162 -42 -252,8 64,7 78,37

застывания, °С -(60-80) -182 -187 -259,1 -97,8 -114,6

Теплота испарения, ккал/кг 69-73 - 92,8 107 263 214

Энергоемкость с учетом диссоциации, ккал/кг 10118 11703 10900 28160 4708 5962

Энергоплотность с учетом диссоциации, ккал/кг 8410 8,192 5800 1998,5 3743 4769,6

Энергоэквивалент 76 л бензина:

объем топлива, л 76 415* 100 275 147 110

масса топлива, кг 53,1 37,2 51,1 19,5 117 88

топлива и бака, кг 68 500 85 136 141 107

ПДК паров, мг/мг3 100 - 1800 - 5,0 1000

Условия хранения Нормальные Нормальные 1,4МПа/38°С -253 °С Нормальные Нормальные

КПД получения топлива 0,83 1,0 0,5 0,5 0,66 0,75

КПД использования топлива, % 9,4 9.9 10,7 10,2 12,1 10,3

Общий КПД топлива, % 7,8 9,9 5,4 5,1 8,0 7,7

142

В сжатом виде

С -С К -і+Ьц_Ьі

где С„, С|2 - концентрации /-го компонента при работе дизеля на СНГ или его смеси с дизельным топливом и присадкой.

Обобщив формулы (1) — (7), можно получить окончательное выражение для оценки энерго-экологичес-кого критерия работы дизеля на топливной смеси в виде:

*Г = [0-£)7« + 07.“}7Г

100%,

где£ — массовая доля конденсата в продуктах сгорания топлива либо смеси.

Таким образом, при переводе энергетических установок (транспортных и стационарных) на альтернативные, смесевые и другие новые нетрадиционные топлива необходима комплексная оценка эффективности их работы, отражающая как экологические, так и экономические показатели.

Таким комплексным показателем является предложенный критерий К”, являющийся инвариантным к роду топлива, а эффективность сжигания нового топлива учитывает экологическую составляющую используемого топлива в виде соотношений компонентов вредных выбросов двигателя.

1. Большаков Г. Ф., Гулин Е. И., Торичнев Н. Н. Физико-химические основы применения моторных, реактивных и ракетных топлив. — Л. : Химия, 1965. — 270 с.

2. Терентьев Г. А., Трюков В. М., Смаль Ф. В. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов. — М. : Химия, 1989. - 272 с.

3. Теория двигателей внутреннего сгорания / Н. X. Дьяченко, А. К. Костин, Б. П. Пугачев и др. — Л. : Машиностроение, 1974. - 551 с.

4. Ведрученко В. Р., Крайнов В. В., Кокшаров М. В., Ки-риенков А. В. Энерго-экологическая эффективность мероприятий по экономии топлива и тепловых ресурсов котельных установок // Вопросы теплоэнергетики и топливоиспользования : межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. — Омск, 1999. - С. 10 — 17.

5. Скотт У. М. Новые виды топлива для автомобильных дизелей // Перспективные автомобильные топлива : пер. с англ. — М. : Транспорт, 1982. — С. 223 - 248.

ЛУКЬЯНЧЕНКО Вячеслав Вячеславович, аспирант кафедры «Локомотивы».

E-mail: Omsk_develop@mail.ru

Дата поступления статьи в редакцию: 14.05.2009 г.

© Лукьянченко В.В.

УДК 629.424.1

Е. И. СКОВОРОДНИКОВ

A. В. ЧУЛКОВ

B. А. МИХЕЕВ С. И. АХМЕТОВ

Омский государственный университет путей сообщения

РАЗРАБОТКА

МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ И РАСХОДА ТОПЛИВА МАГИСТРАЛЬНЫХ ТЕПЛОВОЗОВ_________________________

В статье приведен краткий анализ режимов работы магистральных тепловозов в эксплуатации. Показана возможность применения математического моделирования для формирования режимов работы тепловоза и расчета удельного расхода топлива с учетом конкретных условий эксплуатации на заданном полигоне.

Ключевые слова: магистральный тепловоз, режимы работы силовых установок, расход топлива на тягу, математическое моделирование.

Режимы работы тепловозов определяются реальными условиями эксплуатации на обслуживаемом полигоне. При этом факторы, оказывающие воздействие на режимы работы тепловозов можно разделить на постоянно действующие (протяженность участков обслуживания, план и профиль пути на

участке, установленные скорости движения по участку и другие) и изменяющиеся во времени (параметры атмосферного воздуха, наличие временных ограничений и их характер, техническая и участковая скорости, масса и количество осей в составе поезда и другие) [ 1 ].