Устройство отвода отработавших газов двигателей внутреннего сгорания в атмосферу

Полезная модель относится к устройствам снижения приземной концентрации отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.
Отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания содержат более 300 наименований компонентов загрязняющих атмосферу. При контроле работы дизельных двигателей нормируются: углерода оксид, углеводороды (по керосину), азота оксиды, сажа, ангидрид сернистый, бенз(а)пирен.
Анализ уровня их влияния на приземный слой показывает, что наибольшее негативное влияние оказывают оксиды азота, в частности, диоксид азота. Критические ситуации по загрязнению атмосферы возникают при одновременной работе группы двигателей большой мощности, например, при работе буровых установок с дизельным приводом расположенных вблизи населенных пунктов.
Суммарная мощность работающих двигателей буровой установки может достигать 1500-2500 кВт.
Приземная концентрация загрязняющих веществ в районах населенных пунктов зависит от их удаленности от места проведения буровых работ. При расстоянии между буровой установкой и ближайшими жилыми домами около полукилометра концентрация диоксида азота превышает допустимый норматив в 2-3 раза, а по остальным компонентам находится в пределах санитарных норм. [1]
Уменьшить приземную концентрацию можно путем снижения величины выбросов окислов азота. В двигателях ДВС это можно сделать путем рециркуляции отработавших газов. Метод рециркуляции достаточно эффективен, позволяет снизить выбросы окислов азота до 65%.
Его основной недостаток заключается в сложности технической реализации процесса рециркуляции. На двигателе необходимо дополнительно монтировать систему, подающую отработавшие газы из выпускного трубопровода во впускной трубопровод двигателя внутреннего сгорания. За выпускным трубопроводом в потоке отработавших газов последовательно устанавливают турбину турбонагнетателя и турбину турбокомпаунда, используемые в качестве двух преобразователей энергии для поглощения энергии отработавших газов. Управление работой двигателя внутреннего сгорания в режиме высокой или средней нагрузки осуществляется таким образом, чтобы при определенной выходной мощности он работает с повышенной нагрузкой и пониженной частотой вращения коленчатого вала по сравнению с частотой вращения, обычно выбираемой для указанной определенной выходной мощности. Повышение температуры отработавших газов, достигаемое за счет работы двигателя внутреннего сгорания с пониженной частотой вращения коленчатого вала, осуществляется до первой температуры, достаточной для привода по меньшей мере двух турбин и установления за этими турбинами определенной температуры отработавших газов. Охлаждение отработавших газов на двух турбинах благоприятствует снижению концентрации окислов азота в системе нейтрализации отработавших газов. [2]
Снижение содержания загрязняющих веществ в отработавших газах двигателей можно также выполнить путем их нейтрализации с применением каталитических устройств, комбинированных систем очистки газов, а также с использованием альтернативных топлив и масел. [3]
При проведении буровых работ разработка дополнительных методов снижения выбросов загрязняющих веществ при работе дизельных приводов не отвечает основным задачам производства, поэтому для решения вопросов достижения допустимых уровней загрязнения воздушной среды целесообразно использовать простейшие методы и устройства, которые позволяют в полевых условиях получить необходимые результаты.
Теория и практика рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере показывают, что уменьшить их приземную концентрацию можно увеличением высоты выброса источника загрязнения и объемной скорости газового потока.
В патенте РФ 2203453, принятого в качестве прототипа, предлагается устройство для отвода дымовых и/или промышленных газов в атмосферу содержащее нагнетатель воздуха, выход которого подсоединен к нижней части вертикальной трубы. В стволе трубы установлено по меньшей мере два эжектора, разнесенных по высоте, при этом всасывающий вход по меньшей мере одного эжектора через газопроводы сообщен с устройствами забора отводимых газов. [4]
Особенностью предлагаемого устройства является то, что в стволе трубы установлено по меньшей мере две ступени инжекции, что позволяет, с одной стороны, забирать загрязненный воздух из разных точек производственного помещения, где образуются промышленные или дымовые газы, с другой стороны, несколько ступеней инжекции позволяют лучше перемешивать газы между собой и с холодным воздухом и добиваться снижения концентрации вредных примесей уже в стволе трубы.
Недостатком данного предложения является усложнение конструкции трубы, за счет увеличения количества присоединяемых источников выбросов загрязняющих веществ и увеличения устройств дополнительных инжекционных элементов.
Технической задачей предлагаемого решения является уменьшение приземной концентрации загрязняющих веществ, путем увеличения высоты выброса источника загрязнения и объемной скорости газового потока при простой конструкции данного устройства.
Технический результат достигается за счет того, что устройство отвода отработавших газов двигателей внутреннего сгорания в атмосферу, содержит вертикальную трубу с нагнетателем воздуха в ее основании и нижняя часть ее выполнена в виде трубы Вентури в цилиндрической части пережима которой расположены патрубки ввода отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Площадь сечения каждого из патрубков ввода отработавших газов составляет не менее площади сечения выхлопной трубы подсоединенного двигателя, а площадь сечения пережимного участка трубы Вентури равна или более суммы площадей сечения всех патрубков подсоединенных двигателей.
Поставленная задача решается таким образом, что выпускные трубопроводы двигателей подсоединяются к вертикальной трубе рассеивания загрязняющих веществ с нагнетателем воздуха в ее основании, а ее нижняя часть выполнена в виде трубы Вентури. В цилиндрической части пережима трубы Вентури расположены патрубки ввода отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Площадь сечения каждого из патрубков ввода отработавших газов двигателей составляет не менее площади сечения выпускного трубопровода подсоединенного двигателя, а площадь сечения пережимного участка трубы Вентури равна или более суммы сечения всех патрубков подсоединенных двигателей.
Конструкция устройства показана на Фиг. 1.
В основании трубы рассеивания - 1 загрязняющих веществ группы двигателей внутреннего сгорания установлен нагнетатель воздуха - 2. В нижней части трубы рассеивания смонтирована труба Вентури 3.
На пережимном участке - 4 трубы Вентури, монтируемой в нижней части трубы рассеивания отработавших газов ДВС, расположены патрубки ввода отработавших газов ДВС - 5. (ДВС на рисунке не представлены). Количество патрубков выбирается в зависимости от числа присоединяемых ДВС.
Работа устройства проводится в следующем порядке.
Первоначально включается нагнетатель воздуха (2), производительность которого должна превышать суммарный объем отработавших газов всех подсоединенных ДВС. При движении воздушного потока по трубе Вентури на пережимном ее участке трубы создается разряжение происходит эжекция отработавших газов ДВС, что способствует нормализации их работы, а также улучшается работа двигателя, за счет уменьшения давления выхлопных газов на выходе, в результате чего уменьшается расход горючего.
Пример работы буровой установки.
Вариант 1. Бурова установка БУ ЗД-86-1 работает на дизельном приводе: три двигателям СА - 30, при номинальной мощности каждого 660 л. с. и два двигателя типа В-500ТК-С4ТМК мощностью 450 л. с. Расстояние от буровой установки до ближайших домов жилого поселка - 550 м.
Расчет рассеивания отработавших газов двигателей, проведенный по программе УПРЗА «Эколог» версия 4, проводился при следующих условиях: установка работает в штатном режиме. Выброс отработавших газов производится через индивидуальные трубы каждого двигателя на высоте 5 м. Диаметр выхлопной трубы каждого двигателя равен 0,08 м. Концентрация загрязняющих веществ на границе жилой зоны, составляют: 2,01 ПДК - азота диоксид, 0,19 - сажа, сера диоксид - 0,11 ПДК, углерода оксид - 0,07 ПДК, бенз(а)пирен - 0,07 ПДК, формальдегид - 0,13 ПДК и керосин - 0,13 ПДК.
Таким образом концентрация всех веществ, кроме азота диоксид - 2,01 ПДК, не превышает санитарных норм.
3
Вариант 2. Выброс отработавших газов проводится через трубу рассеивания показанную на рис 1. Высота трубы - 22 м диаметр устья - 0,6 м. В основании трубы имеется вентилятор высокого давления типа ВВД производительностью 17000 м/час. В нижней части трубы рассеивания установлена труба Вентури. Выпускные патрубки двигателей подсоединены к пережимному участку трубы Вентури. Диаметр пережима трубы равен 0,4 м.
Режим работы дизельных двигателей буровой установки и условия расчета рассеивания веществ в атмосфере сохраняются согласно варианту 1.
Концентрация загрязняющих веществ в жилом поселке, составляют: 0,65 ПДК - азота диоксид, 0,06 - сажа, сера диоксид - 0,04 ПДК, углерода оксид -0,02 ПДК, бенз(а)пирен - 0,02, формальдегид -0,04 ПДК и керосин - 0,04 ПДК.
В данном случае уровень концентрации всех загрязняющих веществ в жилой зоне полностью удовлетворяют требованиям санитарных нормативов.
Литература.
1. Методическое пособие по расчету, нормированию и контролю выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух. С. Петербург 2013
2. Патент РФ 2472010 - Способ и устройство для снижения содержания оксидов азота в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания транспортного средства.
3. Чернецов Д.А. Оптимизация параметров комбинированного устройства снижения токсичности отработавших газов дизелей. / Д.А, Чернецов, В.П. Капустин / Тракторы и сельхозмашины. / 2013 - №3, - С 5-8
4. Патент РФ 2203453 - Устройство для отвода дымовых и/или промышленных газов в атмосферу.