Оптимизация теплосодержания СУГ в автомобильном газовом баллоне для обеспечения бесперебойной работы ГБА

щ

Научные разработки и исследования

Оптимизация теплосодержания СУГ в автомобильном газовом баллоне для обеспечения бесперебойной работы ГБА

Н.Г. Певнев,

зав. кафедрой, профессор Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ), д.т.н., В.И. Гурдин,

профессор СибАДИ, д.т.н., М.В. Банкет,

аспирант СибАДИ

Optimization quantity of heat of the liquefied petroleum gas and automobile gas cylinder with the purpose of maintenance of uninterrupted job gas of the automobile

N.G. Pevnev, V.I. Gurdin, M.V. Banket

Статистический и аналитический методы контроля за

обеспечением бесперебойной работы ГБА выявили следующие причины отказов. Известны случаи отказа работы ГБА из-за прекращения подачи СУГ в двигатель. Причиной является понижение давления в автомобильном газовом баллоне и системе питания вследствие снижения температуры окружающего воздуха.

Результаты анализа литературных источников не дают информации по отказам ГБА из-за понижения температуры окружающей среды. При наблюдении за эксплуатацией ГБА в Омске были выявлены причины отказов. Установлено, что превалирующими являются отказы по причине снижения давления в газовом баллоне, которое обусловлено следующими факторами:

заправка на АГЗС газовым топливом, не соответствующим сезону и требованиям ГОСТ Р 52087-2003 (ПА);

резкое понижение температуры окружающего воздуха в зимнее время в утренние часы.

Показатели СУГ зависят от компонентов, содержащихся в нем, и от температуры окружающей среды, при которой используется газовое топливо.

В данной работе принято, что в газовом баллоне не происходят химические превращения, а изменяются лишь параметры жидкой и паровой фаз СУГ [1]. Влияние различных факторов на работу ГБА представлено в виде блок-схемы на рис. 1.

Исходя из основных характеристик СУГ, рассмотрим процессы, происходящие в автомобильном газовом баллоне.

В автомобильном газовом баллоне СУГ находится в двух агрегатных состояниях: жидком и парообразном. При влиянии различных факторов на газовый баллон происходит изменение агрегатного состояния СУГ и теплосодержания системы (рис. 2, стационарные условия).

Представленная схема формирования агрегатного состояния СУГ возможна при температуре окружающего воздуха выше температуры жидкой фазы входящих компонентов. Температура окружающего воздуха воздействует на газовый баллон, изменяя температуру стенок баллона, что в свою очередь приводит к изменению

In job the results of an experimental research and mathematical accounts allowing to establish law of quantity of heat for maintenance of constant given pressure in a gas cylinder at change of temperature of air are submitted.

Keywords: the gas automobile, automobile inner tube, liquid phase, steam phase, liquefied petroleum gas, tubular electroheater, temperature of air, quantity of heat.

Рис. 1. Блок-схема влияния внешних факторов на работу ГБА

В работе представлены результаты экспериментального исследования и математических расчетов, позволяющие установить закономерность изменения количества тепла для поддержания постоянного заданного давления в газовом баллоне при изменении температуры окружающего воздуха.

Ключевые слова: газобаллонный автомобиль (ГБА), автомобильный газовый баллон, жидкая фаза, паровая фаза, сжиженный углеводородный газ (СУГ), трубчатый электронагреватель (ТЭН), температура окружающего воздуха, количество теплоты.

ЧЙ! ЯНИИНР ШОЮ .¡¿^^¡ь. ШЩ) «Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (16) июль 2010 г.

Рис. 2. Формирование агрегатного состояния СУГ в газовом баллоне: ^ - температура жидкой фазы СУГ, °С; 1воз - температура окружающего воздуха, °С; Рпф - давление паровой фазы СУГ, МПа; д - тепловой поток, кДж; Б - толщина стенки баллона, мм; Бпф -толщина паровой фазы СУГ, мм; при 1воз >^ф

температуры паровой и жидкой фаз СУГ. Жидкая фаза СУГ состоит в основном из пропана и бутана. При повышении температуры происходит испарение более легких фракций СУГ, преимущественно пропана, вследствие чего изменяется давление паровой фазы в баллоне.

Для стабильной работы ГБА на СУГ при подаче газового топлива через электромагнитные форсунки согласно требованиям ГОСТ Р 52087-2003 необходимо обеспечить избыточное давление насыщенных паров газа от 0,2 до 0,3 МПа в интервале температур от +35°С до -30°С.

Для обеспечения круглогодичной эксплуатации автомобильного транспорта на СУГ рекомендован вариант поддержания заданного давления в автомобильном газовом баллоне с помощью ТЭН с автоматическим поддержанием давления насыщенных паров [2]. Выбор нагревателя для поддержания заданного давления в газовом баллоне необходимо производить, исходя из следующих условий:

Граничные условия

Определение теплопотерь

Определение параметров ТЗН —*—

Выдор ТЗН

Согласование с условиями эксплуатации

Нет

Установка 6 газовый баллон ГБА

Рис. 3. Блок-схема расчета параметров ТЭН

температуры окружающего воздуха;

объема газового баллона, установленного на ГБА;

места расположения газового баллона на ГБА.

После определения указанных граничных условий производится расчет теплопотерь и параметров ТЭН. С учетом расчетных параметров проводится выбор ТЭН. Блок-схема расчета параметров ТЭН представлена на рис. 3.

Выбор ТЭН производится согласно следующим требованиям:

среда - СУГ;

напряжение - 14 В;

мощность (расчетная), Вт;

размеры ТЭН (расчетные) - диаметр нагревателя круглого сечения, диаметр спирали нагревателя, длина проволоки нагревателя (мм) [3].

Расчет параметров ТЭН, а значит и выбор его зависят от количества тепла, необходимого для нагрева СУГ, корпуса автомобильного газового баллона, а также от количества тепла, поглощенного СУГ и корпусом баллона из внешней среды.

Количество теплоты, необходимое для повышения температуры СУГ до заданной величины с учетом тепловых потерь нагревательного элемента, Дж:

а

ПБС ~ С ПБС ' М ПБС 0К tн ),

где С - массовая теплоемкость жидкой фазы СУГ,

Дж

кг-

МПБС - масса СУГ, кг; tk - конечная температура жидкой фазы СУГ, °С; ^ - начальная температура жидкой фазы СУГ, °С.

Количество теплоты, необходимое для повышения температуры корпуса баллона с учетом потерь, Дж:

Дж

Обш, = СбШ1-мбш{1К-гИ),

где С6л - массовая теплоемкость материала бака, М - масса баллона, кг.

6ал '

Количество тепла, поглощенного корпусом автомобильного газового баллона извне (из окружающей среды), Дж:

кг-

4 =

( ,-г

п.ф в

5; 5 1 х, Я а2

где tnф - температура паровой фазы СУГ, °С; tв - температура окружающего воздуха, °С; - толщина паровой фазы СУГ, м; 5 - толщина стенки газового баллона, м; Х'1 - коэффициент теплопроводности паровой фазы, Дж/(м-°С); X - коэффициент теплопроводности стенки баллона, Дж/(м^°С); а2 - коэффициент теплопередачи от наружной поверхности газового баллона к окружающему воздуху, Дж/(м^°С).

При снижении температуры окружающего воздуха поглощение тепла газовым баллоном уменьшается ^ - удельный тепловой поток), тем самым изменяя давление паровой фазы СУГ. При этом толщина паровой фазы СУГ также изменяется. Для исследуемого состава газа (50% пропана, 50% бутана) температура -21°С является критической, так как паровая фаза у стенки баллона исчезает полностью (рис. 5, Б - толщина паровой фазы).

«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (16) июль 2010 г.

ЯВД^ИШ» .....тлтпД^к, ^дт-яДЬИШт

Рис. 4. Зависимость количества тепла, поглощаемого корпусом автомобильного газового баллона извне, от температуры воздуха

Рис. 5. Зависимость толщины паровой фазы СУГ от температуры воздуха

состава СУГ при постоянном объеме газового баллона и объеме СУГ в баллоне показана на рис. 4.

Полное количество теплоты, необходимое для стабилизации давления, Дж:

Ц2шс+0*и+4)

<2=-

V

где п - КПД нагревательного элемента.

В зависимости от температуры воздуха поглощение тепла через корпус газового баллона будет различно. Зависимость количества тепла, поглощаемого корпусом автомобильного газового баллона, от температуры воздуха, то есть внешней среды, для различного компонентного

Для оптимизации теплосодержания СУГ при использовании дополнительного источника тепла (ТЭН) необходимо установить зависимость изменения давления в газовом баллоне от количества тепла, искусственно подаваемого (0ТЭН = 0ПБС + 0бал) и естественно поглощаемого (я). Для этого необходимо задаться граничными условиями:

объем газового баллона - стандартный автомобильный газовый баллон У = 50 л;

бал '

объем СУГ в баллоне - УСГ = 40 л;

необходимое давление в газовом баллоне - Рпф = 0,3МПа;

температура окружающего воздуха от -40°С < 1:возп <14°С V;

место установки газового баллона на автомобиле (рассматриваются стационарные условия, то есть на баллон не действуют сила ветра и дополнительные источники тепла, кроме тепла от ТЭН и окружающего воздуха).

В зависимости от места установки баллона температура окружающего воздуха, а значит и температура СУГ в баллоне, будут изменяться. Под температурой окружающего воздуха понимается температура воздуха, окружающего газовый баллон. Например, если газовый баллон установлен в багажном отделении автомобиля, то под температурой окружающего воздуха понимается температура воздуха в багажном отделении; если газовый баллон установлен на раме автомобиля, необходимо учитывать скорость ветра, которая воздействует на баллон, изменяя температуру окружающего воздуха. Учет производится согласно методике, разработанной Научно-исследовательским институтом охраны труда РГСУ («НИИОТ РГСУ»).

На рис. 6 представлена характеристика изменения количества тепла, искусственно подаваемого (ОТЭН = 0ПБС + Обал) и естественно поглощаемого (д), для поддержания постоянного давления в автомобильном газовом баллоне при изменении температуры окружающего воздуха.

Расчет количества тепла произведен согласно уравнению Фурье [4, 5] и получен на основе экспериментальных данных.

Полученные в ходе исследований результаты эксперимента использовались для построения графиков на рис. 4 и 5. Для повышения точности эксперимента он проводился несколько раз. Математическая обработка

Таблица

Температура с учетом поправок на скорость ветра

Скорость ветра Температура, °С

м/с км/ч 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50

2 7 -1 -6 -11 -16 -21 -27 -32 -37 -42 -47 -52

3 11 -4 -10 -15 -21 -27 -32 -38 -44 -49 -55 -60

5 18 -9 -15 -21 -28 -34 -40 -47 -53 -59 -66 -72

8 29 -13 -20 -27 -34 -41 -48 -55 -62 -69 -76 -83

11 40 -16 -23 -31 -38 -46 -53 -60 -68 -75 -83 -90

15 54 -18 -26 -34 -42 -49 -57 -65 -73 -80 -88 -96

^Рв ЯНИИНР ШОЮ ИИ1Л «Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (16) июль 2010 г.

экспериментальных данных проводилась по методике [6] при а = 0,95 и п = 4. Значение критерия Стьюдента определялось по таблице из источника [6]. Расчет величины доверительных интервалов проводился по методике, приведенной там же.

Выводы

1. Впервые рассмотрен процесс формирования агрегатного состояния СУГ в газовом баллоне.

2. Уточнена методика выбора ТЭН с учетом теплосодержания СУГ в автомобильном баллоне.

3. Выявлена закономерность изменения количества тепла для поддержания постоянного заданного давления в газовом баллоне при изменении температуры окружающего воздуха.

Литература

1. Кудинов В.А., Кармашев Э.М. Техническая термодинамика. - М.: Высшая школа, 2000. - 261 с.

2. Певнев Н.Г., Банкет М.В. Повышение эксплуатационной надежности газобаллонных автомобилей при низких температурах окружающего воздуха. Транспорт на альтернативном топливе: Международный научно-технический журнал. - М:. 2009, № 5 (10). - С. 20-23.

3. Певнев Н.Г., Банкет М.В. Методика расчета трубчатого электронагревателя сжиженного газа для автомобильного баллона. Автомобили специальные и технологические машины для Сибири и Крайнего Севера. Материалы 59-й Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров. Омск: Издательство «СибАДИ», 2007. - С. 43-52.

4. Арнольд Л.В., Михайловский Т.А., Селиверстов В.М. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: Высшая школа, 1979. - 446 с.

5. Ерофеев В.Л., Семенов П.Д., Пряхин А.С. Теплотехника: Учебник для вузов. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. - 456 с.

6. Рогов В.А., Позняк Г.Г. Методика и практика технических экспериментов. - М.: «Академия», 2005. - 283 с.

КОМПЛЕКС УСЛУГ ПО ОФОРМЛЕНИЮ АЗС и АГЗС

Проектирование

Производство

Монтаж

Гарантийное и постгарантийное обслуживание

г. Пермь, ул. Героев Хасана, 105, корп. 70 Тел: +7 (342) 249-44-26, 249-44-27 www.paritet-stroy.org

Серийное качество. Индивидуальный подход.

Паритет

ГРУППА КОМПАНИЙ

«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (16) июль 2010 г.