CC BY
37
УДК 621.436
Е. И. Сковородников, А. С. Анисимов, Ю. Б. Гришина
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОПЛИВНЫХ СМЕСЕЙ РАЗЛИЧНОГО ЭЛЕМЕНТАРНОГО СОСТАВА
В статье изложена методика (щепки термодинамических характеристик комбинированного топлива для двигателей внутреннего сгорания, состоящего из стандартного дизельного топлива и различного количества альтернативных добавок, предложена методика расчета среднего мольной теплоемкости, теплоты сгорания и теоретически необходимого количества воздуха для сгорания единицы топлива в зависимости от процентного содержания альтернативного добавки
В настоящее время в связи с проблемой экономии энергоресурсов и, в частности, топлива, получаемого из нефти, ведутся исследования в области поиска новых видов альтернативного топлива и возможности их использования для всех типов силовых энергетических установок.
Дизельные двигатели в настоящее время являются наиболее эффективными силовыми установками для получения механической энергии из углеводородного топлива. Однако поскольку разведанные ресурсы нефти ограничены, и, следовательно, ограничены возможности расширения ресурсов дизельного топлива за счет переработки нефтяного сырья, совершенно очевиден повышенный интерес к использованию в дизельных двигателях новых видов рабочего тела, представляющего собой смесь воздуха, дизельного топлива и различных присадок, способствующих совершенствованию процесса сгорания, повышению топливной экономичности и снижению количества вредных выбросов и парниковых газов в отработавших газах.
Особое внимание в настоящее время уделяется использованию природного газа, различным видам биотоплива, применению воды в топливной смеси и отработавших газов, несмотря на то, что они могут покрыть лишь малую часть общего спроса на топливо. Предполагается, что их использование может способствовать улучшению состояния окружающей среды, особенно если принять во внимание новые технологии производства. В современной технической литературе [ 1 ] возможность и эффективность применения различных альтернативных топливных смесей доказывается по результатам каких-либо единичных экспериментов, на каких-либо типах двигателей и на каких-либо режимах работы энергетической установки.
Известно, что величина теплоты сгорания углеводородной топливной смеси в цилиндре дизеля будет определяться по элементарному химическому составу с использованием формулы Д. И. Менделеева. Как показывает практика, использование различных видов альтернативного топлива или топливных добавок в дизельных двигателях практически невозможно без запальной дозы дизельного топлива; причем величина этой запальной дозы будет различна при использовании различного вида добавок.
В настоящей статье приведены теоретические исследования по оценке физико-химических свойств и эффективности использования различных видов углеводородного топлива, в котором основной составляющей топливной смеси является стандартное дизельное топливо. Предполагается, что часть альтернативного топлива или какой-либо другой добавки подается в газообразном виде непосредственно в воздушный коллектор. Такая система питания дизелей практически реализуется без существенного изменения типовой системы топливоподачи.
В общем случае для двух- и четырехтактных двигателей величина цикловой подачи топлива в дизель определяется по величине эффективной мощности, частоте вращения коленчатого вала дизеля и удельному расходу топлива для расчетного режима работы, кг/цикл:
Ь{цД)=ЬеКет/(2-60п1), (1)
где Ъ - удельный расход топлива дизелем, кг/(кВт-ч); N - эффективная мощность дизеля,
кВт; г - тактность двигателя; п - частота вращения коленчатого вала дизеля, мин _1; г - число цилиндров дизеля.
При замещении К процентов дизельного топлива какой-либо альтернативной добавкой расход дизельного топлива может быть снижен примерно на такую же величину. В этом случае количество тепла, полученное при сгорании топливной смеси, кДж/цикл,
Г V \
)
йН = я(д)|г,(д)_^г,(д) \ + Л^ншЬ009 (2)
и ц ЮО л
к_ 100
где Н(иир>- соответственно теплота сгорания дизельного топлива и альтернативной до-
бавки, кДж/кг.
При выполнении теоретических модельных расчетов предполагается, что в качестве добавки к топливу могут быть использованы биотопливо состава СН4= 87 %, СО2 = 13 % ; биотопливо состава СН4 = 50 % и СС>2 = 50 %; водяные пары Н2О; отработавшие газы дизеля (N2 = =74,25 %, Н20 = 3,94 %; С02 = 9,94 %; 02 = 11,83 % ); природный газ СН4 = 100 %.
Молярная масса и газовая постоянная альтернативных добавок к дизельному топливу представлены в таблице 1. Для рабочего тела молярная масса и газовая постоянная рабочего тела определяются как для смеси однородных газов, состоящих из паров топлива, воздуха и альтернативной добавки.
Таблица 1 - Термодинамические параметры присадок к дизельному топливу
Наименование составляющей Молярная масса Газовая
горючей смеси цсм, кг/кмоль постоянная Я, Дж/(кг-К)
Биотопливо состава 19,680 422,5
СН4 = 87 %, С02 = 13 %
Биотопливо состава 30,027 276,9
ОД = 87 %, С02 = 13 %
Водяные пары Н20 18,006 461,5
Отработавшие газы состава:
N2 = 74,254 %, Н20 = 3,938 %; 29,667 280,2
С02 = 9,936 %; 02 = 11,829 %
Природный газ СН4 = 100 % 16,043 518,2
Как уже отмечалось, применение альтернативного топлива в дизельных двигателях невозможно без запальной дозы стандартного дизельного топлива, минимальная величина которой должна быть достаточной для тепловой диссоциации составляющих топливной смеси до горючих элементов, способных окисляться кислородом воздуха.
Для контроля динамики термодинамических параметров рабочего цикла предполагаем, что альтернативное топливо в заранее отмеренном количестве, или объеме, подается в воздушный ресивер в газообразном состоянии. В этом случае возможно два варианта использования добавок к дизельному топливу:
при сохранении цикловой подачи дизельного топлива добавка в цилиндр дизеля определенной доли альтернативного топлива для повышения индикаторного коэффициента полезного действия дизеля и улучшения экологических характеристик;
снижение величины цикловой подачи дизельного топлива и добавление некоторой доли альтернативного топлива с целью сохранения величины эффективной мощности дизеля, повышения экономичности и снижения экологического воздействия на окружающую среду.
Затраты тепловой энергии, полученной при сгорании дизельного топлива, на тепловую диссоциацию присадок с учетом предположения о том что в результате диссоциации будут получены молекулы или атомы отдельных химических элементов, могут быть рассчитаны по следующей методике [2]. Для биотоплива, состав которого предполагает смесь метана и диоксида углерода (СН4 = = 87 %, СО2 =13 %), образование отдельных химических элементов проходит по следующей схеме: диссоциация молекулы метана на молекулу углерода С и четыре молекулы водорода Н с затратой энергии 1641798 кДж/кмоль; диссоциация диоксида углерода на атомарный углерод С и молекулярный кислород О2 с затратой энергии 1597521
кДж/кмоль; диссоциация молекулярного кислорода на два атома кислорода с затратой энергии 493953 кДж/кмоль; общая затрата тепловой энергии на диссоциацию молекулы СО2 на атомы углерода и кислорода составит 2091474 кДж/кмоль. Таким образом, общая энергия диссоциации молекулы биотоплива составит 3733272 кДж/кмоль. По результатам диссоциации элементарный состав горючей смеси будет иметь вид: С = 0,68722, Н = 0,21837, О = 0,09441. Дополнительная энергия , которая может быть получена при сгорании этой смеси, определится по формуле Менделеева и составит 44769 кДж/кг, теоретически необходимое количество воздуха для сгорания Х(0БТ) составит 0,5187 кмоль/кг.
Для природного газа, в состав которого входит в основном метан (плотность
о
рСщ =0,7168 кг/м , газовая постоянная ЯСН4 =518,23 Дж/(кг-К)) энергия тепловой диссоциации составит 1641798 кДж/кмоль. Предполагается, что под действием тепловой энергии из молекулы метана (СН4) могут быть получены четыре атома водорода (Н) и одноатомный углерод (С), тогда элементарный состав горючей смеси будет иметь вид: С = 0,749, Н = 0,251. Согласно формуле Менделеева тепло Ни, которое может быть получено при сгорании природного газа, составит 51252,58 кДж/кг. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания природного газа £(0пр г) = 0,596 кмоль/кг.
Для водяных паров (молярная масса Мя2о = 18,016 кг/кмоль, газовая постоянная Ящо = 462 Дж/(кг-К)) суммарная энергия диссоциации, затраченная на последовательное образование одноатомного кислорода и водорода, составит 1350831 кДж/кмоль. Элементарный состав горючей смеси: Н = 0,11, О = 0,89, удельная теплота сгорания которой Ни составит = 1641,8 кДж/кг, теоретически необходимое количество воздуха для сгорания единицы горючей смеси Ь0 = 0 кмоль/кг.
Для отработавших газов в случае рекуперации использованы следующие характеристики: /лот = 29,667 кг/кмоль, Лог = 280,24 Дж/(кг-К). Процентный состав отработавших газов,
рассчитанный по методу равновесного состава [3], для дизелей маневровых и магистральных тепловозов представлен в таблице 1.
Как и для стандартного углеводородного топлива, теплота сгорания и теоретически необходимое количество воздуха дня сгорания единицы топливной смеси определятся по выражениям:
С использованием приведенной выше методики рассчитаны элементарный химический состав и термодинамические свойства топливных смесей, состоящих из дизельного топлива среднего элементарного состава (С = 0,845; Н = 0,136; О = 0,012; Б = 0,006) и различных альтернативных добавок. Законы изменения элементарного состава топлива, теплоты сгорания и теоретически необходимого количества воздуха для сгорания единицы топлива для произвольного количества альтернативной добавки приведены в таблице 2. Изменение элементарного химического состава и термодинамических параметров топливных смесей при различной величине добавки представлено в таблице 3, на основании которой можно заключить:
практически для всех видов топливной смеси увеличение количества альтернативной добавки приведет к существенному расходу тепла на тепловую диссоциацию, а следовательно, к существенному снижению теплоты сгорания топливной смеси;
теоретически необходимое количество воздуха для сгорания единицы топлива уменьшается, что при сохранении цикловой подачи дизельного топлива приведет к уменьшению коэффициента избытка воздуха для сгорания, к снижению полноты сгорания топлива, к увеличению дымления дизеля, к ухудшению его экологических характеристик, к увеличению количества вредных выбросов в отработавших газах.
#м =33913С + 1О2995#-1О885(0-5); Ь0 = 0,397С + 1,19Я + 0,1495 - 0,1490 .
(3)
(4)
Таблица 2 - Термические характеристики топливных смесей
Вид топливной смеси Элементарный состав рабочего тела, в долях Теплота сгорания (Ни, кДж/кг) и количество воздуха для сгорания топлива (Ьо, кг/кмоль)
Дизельное топливо + природный газ С = 0,845 - 9,4-10~4С1 Н= 0,1362- 11,4-10 4а 0 = 0,0108 + ю 2а 8 = 1-С-Н-О Ни = -1,86с/2 -196к/ + 42332 Ьа =-9-Ю"6 й?2+1,2-10"3 ¿/ + 0,496
Дизельное топливо + биотопливо (87 % СН4; 13 % С02) С = 0,8452- 44,6-10 Л1 Н= 0,1364- 6,8-10 Л1 О = 0,012 + 0,52-10 Л1 8 = 1-С-Н-О Я„ = -10, 28Й?2 -1223,6¿/ + 42197 4 =-1,4-Ю"5 ¿/2-3,1-Ю"3 ¿/ + 0,496
Дизельное топливо + биотопливо (50 % ОД; 50 % С02) С = 0,8452- 44,6-10 Л1 Н= 0,1364- 6,8-10 Л1 0 = 0,021 + 0,52-10 Л1 8 = 1-С-Н-О Ни = -2,1 2Й?2 -1142, Ай + 42319 4 =-1,4-Ю"5 ¿/2-3,1-Ю"3 ¿/ + 0,496
Дизельное топливо + пары воды С = 0,8452- 44,6-10 Л1 Н= 0,1364- 6,8-10 Л1 0 = 0,021 + 0,52-10 Л1 8 = 1-С-Н-О Я„ =-5,403Й?2 -1087,1Й? + 42418 4 = 1,4-Ю"4 ¿/2-6,4-Ю"3 ¿/ + 0,496
Дизельное топливо + отработавшие газы С = 0,8452- 44,6-10 Л1 Н= 0,1364-6,8-10 О = 0,012 + 0,52-10 Л1 8 = 1-С-Н-О Ни = -7,04г/2 - 590, 69¿/ + 42035 Ь0 =-1,5-10~5б/2 -3,054• 10"3¿/ + 0,496
Таблица 3 - Энергия диссоциации, теплота сгорания, теоретически необходимое количество воздуха для сгорания единицы топливной смеси
Вид топливной Характеристика топливной смеси
элементарный состав смеси, в долях н ,
смеси С Н О 8 кДж/кг и ' кДж/кг , о' кг/кмоль
Дизельное топливо + водяные пары
ДТ+1%Н20 0,837 0.136 0.021 0.006 745,8 41443 0,492
ДТ+3% Н20 0,820 0,135 0,038 0,006 2237,4 39132 0,481
ДТ+5% Н20 0,803 0,135 0,056 0,006 3728,6 36822 0,472
ДТ+7% Н20 0,786 0,134 0,073 0,006 5220,0 34512 0,462
ДТ+9% Н20 0,769 0,134 0,091 0,005 6711,0 32201 0,452
Дизельное топливо + отработавшие газы
ДТ+5% ОГ 0,823 0,133 0,038 0,006 1726 38643 0,480
дт+ю%ог 0,801 0,130 0,064 0,005 3512 34692 0,464
ДТ+15% ОГ 0,778 0,127 0,090 0,005 5178 32829 0,447
ДТ+20% ОГ 0,756 0,122 0,116 0,005 6904 26906 0,429
Дизельное топливо + биотопливо (СН4 = 50%, С02 = 50%)
ДТ+5% БГ 0,823 0,133 0,038 0,006 4596 36637 0,480
ДТ+10% БГ 0,801 0,130 0,064 0,005 9191 30614 0,464
ДТ+15% БГ 0,778 0,127 0,090 0,005 13787 24714 0,447
ДТ+20% БГ 0,756 0,122 0,116 0,005 18383 18629 0,429
Дизельное топливо + биотопливо (СН4 = 87%, С02 = 13%)
ДТ+5% БГ 0,823 0,133 0,038 0,006 5818 35415 0,480
ДТ+10% БГ 0,801 0,130 0,064 0,005 11635 29598 0,464
ДТ+15% БГ 0,778 0,127 0,090 0,005 17452 21049 0,447
ДТ+20% БГ 0,756 0,122 0,116 0,005 23270 13742 0,429
Дизельное топливо - Ь природный газ
ДТ+5% ПГ 0,840 0,142 0,011 0,006 10479 32580 0,502
ДТ+10% ПГ 0,836 0,148 0,011 0,006 20957 22500 0,507
ДТ+15% ПГ 0,831 0,153 0,010 0,005 31436 12450 0,511
ДТ+20% ПГ 0,826 0,159 0,010 0,005 41914 2401 0,516
В таблице 2 d - процент альтернативной добавки к дизельному топливу, в таблице 3 Н(£>) - энергия диссоциации; Ни - теплота сгорания, Ь0 - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания единицы топливной смеси.
Теплоемкость рабочего тела на линиях сжатия, сгорания-расширения из предположения, что альтернативное топливо подается в процессе наполнения, будет зависеть как от текущей температуры рабочего тела, так и от элементарного состава рабочей смеси. В общем случае средняя мольная теплоемкость, а следовательно, и средняя изобарная теплоемкость рабочего тела есть функция двух переменных, а именно доли альтернативного топлива в составе смеси и соответствующей температуры. Построение этих двухфакторных зависимостей выполнено в следующей последовательности.
С использованием табулированных значений средней мольной теплоемкости составляющих рабочего тела [4] и метода наименьших квадратов построены аналитические зависимости вида 7 = ЬТ + с, значения коэффициентов регрессии Ъ и с которых приведены в таблице 4.
Средняя мольная теплоемкость смеси с(()см) рассчитывается по выражению:
с<?\ (5)
где й - доля альтернативного топлива в рабочей смеси;
с^, с^ - соответственно средняя мольная теплоемкость воздуха и альтернативной добавки.
Таблица 4 - Коэффициенты регрессии аппроксимирующих выражений вида Г = ЬТ + с
Термодинамическая функция газа Значения коэффициентов регрессии для рабочего тела
Ъ с
Чистый воздух ( N2 , О2 )
Удельная массовая теплоемкость с,,, кДж/(кг-К) 0,000269 0,634
Удельная мольная теплоемкость с,,, кДж/(кмоль-К) 0,0078 18,36
Удельная энтропия я, кДж/(кг-К) 0,002269 6,121
Удельная энтальпия / кДж/кг 0,986744 - 6,964
Чистые продукты сгорания (С02, Н20, 02, N2 )
Удельная массовая теплоемкость су, кДж/(кг-К) 0,000396 0,653
Удельная мольная теплоемкость су, кДж/(кмоль-К) 0,0115 18,96
Удельная энтропия я, кДж/(кг-К) 0,002429 6,083
Удельная энтальпия /, кДж/кг 0,624044 216,509
Водяные пары (Н20)
Удельная массовая теплоемкость с,,, кДж/(кг-К) 0,000782 1,147
Удельная мольная теплоемкость с,,, кДж/(кмоль-К) 0,0141 20,66
Удельная энтропия я, кДж/(кг-К) 0,004227 - 0,895
Удельная энтальпия /, кДж/кг 1,684320 -687,739
Диоксид углерода (С02)
Удельная массовая теплоемкость с,,, кДж/(кг-К) 0,000738 0,481
Удельная мольная теплоемкость с,,, кДж/(кмоль-К) 0,0325 21,169
Удельная энтропия я, кДж/(кг-К) 0,002229 - 0,498
Удельная энтальпия /, кДж/кг 0,968925 -293,471
Кислород (02)
Удельная массовая теплоемкость с,,, кДж/(кг-К) 0,000307 0,581
Удельная мольная теплоемкость с,,, кДж/(кмоль-К) 0,0098 18,592
Удельная энтропия я, кДж/(кг-К) 0,002131 -0,451
Удельная энтальпия /, кДж/кг 0,942090 - 270,280
Метан (СН4)
Удельная массовая теплоемкость с,,, кДж/(кг-К) 0,004548 0,439
Удельная мольная теплоемкость с,,, кДж/(кмоль-К) 0,073 7,043
Удельная энтропия я, кДж/(кг-К) 0,007176 - 1,822
Удельная энтальпия /, кДж/кг 1,605060 - 562,559
Построение двухфакториых зависимостей, характеризующих изменение средней мольной теплоемкости от элементарного состава и от температуры рабочей смеси, выполнено с использованием основных положений теории планирования эксперимента. Функция отклика для всех видов альтернативного топлива записана в виде:
с^см) = а{) + а{ Х{ + а2Х2 + аъХхХ2 , (6)
где Х\, Х2 - соответственно доля альтернативного топлива и температура рабочего тела, представленные в кодированных переменных; ао, а\, аъ - коэффициенты регрессии.
Для обеспечения однозначности расчетов примем, что доля альтернативной добавки к дизельному топливу (фактор Х\) изменяется от 0 до 0,5, а изменение температуры, фактор Х2, - от 300 до 1000 К При построении линейной модели применим симметричный двухуровневый план эксперимента, который предусматривает проведение опытов на двух уровнях (верхнем и нижнем), симметричных относительно уровня Х({<}> = 0,25, Х^ = 650, выбранных в качестве исходных.
Тогда для выбранного размаха выборки АХ{0) = 0,5 , АХ^0) = 700, для рассчитанных интервалов их изменения ДА^=0,25, ЛХ2 =350 матрицы планирования эксперимента представлены в таблице 5.
Таблица 5 - Матрицы планирования эксперимента для оценки средней мольной теплоемкости рабочей смеси
Кодированное значение фактора Значение функции отклика
доля альтернативной добавки температура рабочего тела Т, К средняя мольная теплоемкость смеси кДж/(кмоль-К)
Воздух + природный газ (СН4)
-1 -1 0,7147
+1 -1 1,2591
-1 +1 0,9030
+1 +1 2,9450
1 2 3
Воздух + чистые продукты сгорания(С02, Н20, 02, N2)
-1 -1 0,7147
+1 -1 0,7433
-1 +1 0,9030
+1 +1 0,9760
Воздух + водяные пары (Н20)
-1 -1 0,7147
-1 +1 1,0482
+1 +1 1,4160
+1 -1 0,9030
Воздух + биотопливо состава 0,87-СН4+ 0,13-С02
-1 -1 0,7147
-1 +1 1,1875
+1 +1 0,9030
+1 -1 2,7002
Воздух + биотопливо состава 0,50СН4+ 0,50-С02
-1 -1 0,7147
-1 +1 0,9838
+1 +1 0,9030
+1 -1 2,0030
= (хгп ■ -ХГ)М;
(в) ОС-у ( т^тах V1
= (Х2тт - X"')/АХ2;
Х2 ^ = (х2тах -хг)/ах2
Кодированные значения факторов при двухуровневом планировании (см. таблицу 5) рассчитаны по выражениям:
(7)
(8)
По результатам планирования эксперимента получены уравнения регрессии, связывающие величину средней мольной теплоемкости рабочей смеси с долей альтернативной добавки и температурой смеси. Значимость коэффициентов регрессии проверена по критерию Стью-дента, а адекватность принятой формы модели - по критерию Фишера.
Таким образом, по результатам планирования эксперимента для рабочей смеси, состоящей из воздуха и природного газа, удельная теплоемкость определяется как в кодированных, так и в физических переменных по выражениям, кДж/(кг-К):
си = 1,46+ 0,65^ + 0,47Х2 +0,37X^2 ; (9)
=0,6243-0,14836;/ +0,00029Г +0,0042927б/. (10)
Для смеси воздуха и чистых продуктов сгорания, кДж/(кг-К),
си =0,83 + 0,03^ +0,11X2+0,01^X2; (11)
= 0,6143 + 0,04572с1 + 0,00029Г + 0,000116Td ; (12)
для смеси воздуха и водяных паров, кДж/(кг-К),
=1,02 + 0,21^+0,14X2+0,04X^2; (13)
=0,6243 + 0,542Ш + 0,00029Г + 0,000464Гб/; (14)
для смеси воздуха и биотоплива состава 0,87-СН4+0,13-С02
си =1,38 + 0,57^+0,43X2+0,33X^2; (15)
=0,6243-0,17124;/ +0,00029Г +0,003828Гб/; (16)
для смеси воздуха и биотоплива состава 0,50-СН4+0,50-С02
=1,15 + 0,34^+0,30X2+0,21X^2; (17)
=0,6429-0,1999;/ +0,000261Г + 0,002436Гб/. (18)
Удельная мольная теплоемкость рабочих смесей различного элементарного состава определяется с учетом молярной массы смеси, которая определяется по процентному содержанию составляющих смеси.
Для смеси воздуха и природного газа, кДж/(кмоль-К),
с™ =18,08-12,23б/ + 1,92б/2 + (8,4-Ю"3-3,75-Ю"3 с/-5,54-Ю"2 б/2)Г; (19)
для смеси воздуха и чистых продуктов сгорания (рециркуляция газов), кДж/(кмоль-К),
с(и1} =17,8 + 1,4^ + 3,6-10"3^2+(8,4-10"3+3,4-10"3^ + 9,3-10"6^2)Г; (20)
для смеси воздуха и водяных паров, кДж/(кмоль-К),
с™ =18,08 + 8,89^-5,94^2+(8,4-10"3 +1,023-10"2^-5,М0"3^2)Г; (21)
для смеси воздуха и биотоплива состава 0,87СН4+0,13С02, кДж/(кмоль-К),
с^ = 18,08-10,733б/ + 1,59б/2+(8,440~3 +0,1082б/ + 3,55-10~2б/2)Г; (22)
для смеси воздуха и биотоплива состава 0,50СН4+0,50С02, кДж/(кмоль-К),
с™ = 18,62-5,11б/-0.21б/2 + (7,56-10~3 + 7,08-10~2б/ + 2,58-10~3б/2)Г. (23)
При выполнении теплового расчета двигателя внутреннего сгорания необходимо оценивать величину средней мольной изохорной и изобарной теплоемкости рабочей смеси и продуктов сгорания в рассматриваемый момент рабочего цикла.
Для процесса сжатия, когда доля сгоревшего топлива практически равна нулю (Ах = 0), уравнения для определения средней мольной изохорной теплоемкости будет иметь вид, кДж/(кмоль-К):
г (1,64Ах + уг )С{:т) + [а(1 + уг)-(Ах - уг)]
сс(\ + у,.) + 0,064Ах + V*)
где С{ист\ С(<)'!) - соответственно средняя мольная теплоемкость чистых продуктов сгорания и сухого воздуха, кДж/(кмоль-К);
Тс - текущая температура рабочего тела в процессе сжатия, К; Ах - доля сгоревшего топлива на линии сжатия; у г— коэффициент остаточных газов; а - коэффициент избытка воздуха для сгорания топлива.
Подставив в уравнение (24) полученные ранее значения для средней мольной теплоемкости и проведя некоторые преобразования, получим выражения для коэффициентов регрессии в случае применения в дизельных двигателях комбинированных видов топлива:
аис =-!-(с1уг + съа - с4ас1 + с5ас!2 + съауг - сАау}4 + с5ау}42 + съуг + сАу}Л - с5у}42); (25)
а(\ + уг)
1 (с2уг + с6а - с7а<3 - с^ай2 + с6ауг - спау}4 - с^ау}Л2 - с6уг + спу}4 + с%у}42). (26)
а{\ + ук)
При расчете процесса сгорания топлива в цилиндре двигателя, когда доля сгоревшего топлива может достигать единицы (Ах =1), значения коэффициентов регрессии уравнения мольной теплоемкости Си2 = аи2 + Ь2Т2 могут быть представлены в виде:
1 2
а=-(1,064с1Ах + с1г„ +с,а - сАасI + смс1 +
а(\ + уг) + 0,064Ах 1 1/7 3 4 5 (27)
+с3ауг - сАау}Л + съау}42 - с3Ах + с4б/Ах - с5б/2Ах - съуг + сАу}Л - с5у}Л2);
1 2
Ъ2 = —---(с2уг + с6сс + с-¡у Л - с%ай + с6ауг - с7ссЛ -
а(\ + уг) + 0,064 Ах (28)
-с8аугс12 + с6Ах + с7б/Ах + с8б/2Ах + с6у+ с1ау+ с8угс12).
Коэффициенты с\, С2, сз, ..., ст, сз для различных видов топлива представлены в таблице 6.
Приведенные уравнения позволяют оценить интенсивность теплообмена между рабочим телом и деталями двигателя в процессе сгорания, если полагать, что доля сгоревшего топлива зависит от продолжительности сгорания, т. е. предположить, что Ах = уаг и распределена по какому-либо известному закону выгорания, например по закону Вибе.
В классической теории расчета рабочего цикла двигателя Гриневецкого - Мазинга сделано предположение, что к концу видимого сгорания доля сгоревшего топлива равна единице, что не соответствует действительности при расчете серийных моделей двигателей. Максимальное значение Ах в выражениях (27), (28) может составлять 0,87 - 0,89.
Обозначение Значение коэффициентов для топливной смеси
коэффициента 1 2 3 4 5
С1 18,96 18,96 18,96 18,96 18,96
С2 0,0115 0,0115 0,0115 0,0115 0,0115
Сз 18,08 18,08 18,62 18,08 17,79
с4 12,235 10,733 5,11 8,89 1,37
С5 1,916 1,59 1,21 5,94 0,0036
Сб 0,0084 0,0084 0,0076 0,0084 0,0084
Су 0,0037 0,0108 0,0108 0,01023 0,0034
С8 0,0554 0,0355 0,0258 0,0051 0,0000093
Примечание: 1 - дизельное топливо + природный газ; 2 - дизельное топливо + биотопливо (87% мета-
на+13% диоксида углерода); 3 - дизельное топливо + биотопливо (50 % метана, 50 % диоксида углерода); 4 -
дизельное топливо - пары воды; 5 - дизельное топливо + отработавшие газы
Для процесса расширения, когда в цилиндре двигателя догорает часть топлива, изменение средней мольной теплоемкости, как и ранее, описывается выражением вида СиЬ = аиЬ + ЪъТъ, коэффициенты регрессии которого рассчитываются по выражениям:
1 2
а„г, =-(1.064с,Ад- + с,у. +с,а -слас! л-смё =
оЬ а(1 + уг) + 0,064Ах' 1 з/, з 4 з (29)
+с3ауг - сАаугс! + с5аугЛ2 - с3Ах + с4с/Ах - с5с/2Ах - с3уг + с4угс/ - с5угс/2);
1 2
ьъ = ~7л-Л пп^.л &064с2Ах + с2уг + с6а + спугй-с%ай +
а(\ + уг) +0.064Ах (30)
+с6ауг - с7ас1 - с%осугс12 + с6Ах + спйАх + с8б/2Ах + с6с1уг + ^ау^Л + с%с11уг).
Как показано в формулах (25) - (30), средняя мольная теплоемкость рабочего тела определяется коэффициентом избытка воздуха для сгорания топлива, законом выгорания топлива в цилиндре двигателя, коэффициентом остаточных газов и др. Качественные изменения коэффициентов регрессии при добавке альтернативных смесей в пределах 20 % приведены на рисунке 1. Наиболее существенное различие в термодинамических параметрах рабочего процесса дизеля следует ожидать при работе на режимах, близких к номинальному.
Таким образом, выполненные теоретические исследования позволяют заключить, что изменение физико-химических свойств топлива, которое будет иметь место при добавлении какой-либо присадки, приводит к изменению его удельной мольной и изобарной теплоемкости, увеличению интенсивности теплообмена между рабочим телом и деталями цилиндро-поршневой группы;
изменение удельной теплоемкости приведет к изменению работы, совершаемой рабочим телом в процессах сжатия и сгорания-расширения;
изменение теплоты сгорания топливной смеси, несомненно, приведет к изменению мощности энергетической установки, изменению ее экономичности и, возможно, к изменению количества вредных выбросов в отработавших газах дизеля;
изменение термодинамических параметров рабочего тела в начале сжатия приведет к изменению значения максимального давления и максимальной температуры сгорания, что может увеличить динамическую и тепловую напряженность деталей дизеля.
20
19
а)
18
Э-УС
17
16
20
ч' N
чч \ ч4 . > N X *. >> N X ■ч
V X \ X X N
19
В)
18
д-уг
17
— •__
Ч" ^ч" -
ч- . ч ч
12 1 ^
б)
6 К 12 15
Пк-
0.009
0,008
0,007
0.006
0,005
0.004
\ - чч. -^ч—
ч \ * * • «
ч \ \ ^ \ X . \ \ ч \ \ N Ч N
\ \\ \ \
\
6 8 12 1 ^ Пк-
Г)
Рисунок 1 - Коэффициенты регрессии уравнений средней мольной теплоемкости при добавке 20 %
присадки:-- дизельное топливо (ДТ); — • — - ДТ + биотопливо (87 % - СН4, 13 % - С02);
— • • — - ДТ + биотопливо (50 % - СН4, 50 % - С02);------ДТ + природный газ;
.....- ДТ + отработавшие газы;----ДТ + вода
Очевидно, что окончательное решение о возможности и, самое главное, о целесообразности использования альтернативных топливных смесей в транспортных двигателях внутреннего сгорания может быть принято только после сравнительной оценки термодинамических, экономических и экологических параметров рабочего цикла дизеля, работающего при одинаковых нагрузочных режимах на различных видах топливной смеси.
Список литературы
1. Работа дизелей на нетрадиционных топливах [Текст] / В. А. Марков, А. И. Гайворон-ский и др. - М.: Легион - Автодата, 2008. - 464 с.
2. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: Справочник [Текст] / Под ред. Л. В. Гурвич. - М., 1962. - 1480 с.
3. Звонов, В. А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания [Текст] / В. А. Звонов. -М.: Машиностроение, 1981. - 159 с.
4. Термодинамические свойства газов: Справочное пособие [Текст] / М. П. Вукалович, В. А. Кириллин и др. - М.: Машиностроение, 1953. - 1953 с.
УДК 629.47: 658.2
В. А. Смирнов, А. С. Талызин
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ РЕМОНТЕ И ТЕХНИЧЕСКОМ ОБСЛУЖИВАНИИ ЛОКОМОТИВОВ
В статье рассматриваются вопросы энергосбережения в локомотивном хозяйстве, анализируется технологическое потребление топливно-энергетических ресурсов на ремонтных предприятиях, формулируются основные направления повышения энергетической эффективности на основе предлагаемой классафакагрш энергетических затрат, приводятся типовые мероприятия по экономии топливно-энергетических ресурсов, основанные на результатах практического опыта работы специалистов ОмГУПСа в данном направлении.
На завершающем этапе структурного реформирования ОАО «РЖД» перед локомотивным хозяйством компании поставлен ряд серьезных задач по модернизации деятельности ремонтных предприятий, среди которых особое значение имеет оптимизация себестоимости и качества предоставляемых услуг по текущему ремонту и техническому обслуживанию локомотивов.
Реализация поставленных задач в первую очередь предполагает повышение уровня механизации и автоматизации производства, внедрение современного технологического оборудования, средств неразрушающего контроля и диагностирования, что влечет рост энергопотребления и доли энергетической составляющей в себестоимости конечной продукции. Практика энергетического аудита локомотиворемонтных предприятий показала, что достижение высоких результатов в области экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) возможно только при условии комплексного и всестороннего анализа всех аспектов деятельности предприятия и в первую очередь технологических процессов производства.
С точки зрения энергообеспечения локомотиворемонтное предприятие представляет собой технологическую энергетическую систему, включающую в себя комплекс технологического оборудования, нормативно-методических и технологических документов, технологических процессов основного и вспомогательного производства, где квалифицированными кадрами используются ТЭР дня преобразования материалов и комплектующих в конечную продукцию [1].
Основными видами ТЭР, потребляемыми в технологии локомотиворемонтного производства являются электрическая энергия, сжатый воздух, техническая вода, водяной пар, горючие газы и их смеси, дизельное и котельно-печное топливо (рисунок 1).
