CC BY
226
В. П. АртамоноВ, Е. Ю. Перекопная, А. А. Абишев, А. Г. Бакиров, Н. К. Кулумбаев
Мыс унтагын алудыц гидрометаллургияльщ YPДiсiн зерттеу
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекеттiк университет^ Павлодар к.
Материал 10.09.12. баспаFа tyctî.
V. P. Artamonov, E. Y. Perekopnaya, A. A. Abishev, A. G. Bakirov,
N. K. Kulumbaev
Research of the process of hydrometallurgical production of the copper powder
Pavlodar State University after S. Toraigyrov, Pavlodar.
Material received on 10.09.12.
ekî eœHmmi мыстыц тотыцсыздану урдктщ зертту жэне мыс унтагыныц алынуы жYргiзiлген. Тотыгу-тотыцсыздану шарттарын взгерткен сайын унтацтыц физика-механикалыц цасиеттерж эсер етуге болады.
The study of the cupric copper recovery to produce copper powder. It is shown that by changing the conditions of the oxidation-reduction reaction the physical properties of the powder can beaffected.
УДК 624.044.43
Д.С. БАХТИЯРОВА, Б.К. ОМАРОВА, Е.Т. ХАСЕНОВ, А.К. КАРАКАЕВ
ДИМЕТИЛОВЫЙ ЭФИР КАК АЛЬТЕРНАТИВНОЕ ТОПЛИВО ДЛЯ ДИЗЕЛЕЙ
В статье представлен теоретический анализ при использовании диметилового эфира как альтернативное дизельное топливо.
В последние годы все большее внимание исследователей привлекает использование диметилового эфира (ДМЭ) в качестве топлива для дизелей. Этот интерес вызван не только необходимостью замены традиционных нефтяных топлив альтернативными, но и возможностью существенного улучшения показателей токсичности отработавших газов (ОГ), некоторые из которых с
14
трудом поддаются кардинальному улучшению при работе дизеля на дизельных топливах. В многочисленных исследованиях проведено сравнение ДМЭ с другими моторными топливами, изучены его физико-химические свойства, процессы подачи, распыливания и сгорания. Проведены безмоторные исследования систем подачи ДМЭ в дизель, экспериментальные исследования дизелей на ДМЭ и его смесях с другими топливами - жидкими (дизельное топливо, синтетические топлива, спирты, масла) и газообразными (природный газ, синтез-газ). Оценены экологические качества дизелей, работающих на ДМЭ. Интенсивные исследовательские работы по использованию ДМЭ в качестве топлива для дизелей проводятся в России - в МГТУ им. Н. Э. Баумана, ФГУП «НИИД», ФГУП «НАМИ», ГТУ «МАДИ», ООО «ВНИИГАЗ».
ДМЭ является простейшим эфиром и имеет формулу состава СН3-О-СНз (или С2Н6О). При нормальных атмосферных условиях ДМЭ находится в газообразном состоянии, но сжижается уже при давлении 0,53 МПа. ДМЭ практически нетоксичен и не загрязняет окружающую среду. В 1987 году был подписан Монреальский протокол, запрещающий производство озоноразрушающих соединений. ДМЭ имеет нулевой потенциал озоно-разрушения в атмосфере - ODP. В 1997 году принят Киотский протокол, направленный на ограничение парникового эффекта нашей планеты. ДМЭ имеет нулевой потенциал глобального потепления - GWP.
В молекуле ДМЭ два метиловых радикала СН3 соединены атомом кислорода, а его доля в этой молекуле составляет около 35%. Поэтому при сгорании ДМЭ в дизеле практически не образуются сажа, но из-за значительного содержания кислорода ДМЭ имеет низкую теплоту сгорания.
Диметиловый эфир может быть получен из любого углеводородного сырья (в том числе - из биомассы), но основным сырьем для производства ДМЭ в России является природный газ (продукт его окисления - синтез-газ). Природный газ (метан СН4) реагирует с кислородом и водяным паром с образованием монооксида СО и диоксида СО2 углерода по реакциям:
СН4 + 1,5 О2-»СО + 2 Н2О;
СН4 + Н2Он> 3 Н2 + СО; СО + Н2 О -> со2 + н2.
При последующем каталитическом синтезе из СО и СО2 через промежуточное получение метанола СН3ОН образуется ДМЭ (СН3ОСН3):
3 Н2 + СО2 СН3ОН + 2 Н2О;
Н20 + СО -> ■ Н2 + СО2; 2 СН3ОН СН3ОСН 3 + Н2О.
Технология производства этого топлива разработана датской фирмой НаЫог Topsoe. Пока промышленное производство ДМЭ осуществляется
15
исключительно на стационарных установках. Однако быстрый прогресс в технологии производства ДМЭ (в частности, снижение давления синтеза с 32 до 9 МПа, переход на низкотемпературный катализатор и т. д.) может привести к появлению компактных реакторов ДМЭ, которые можно будет разместить на борту транспортного средства. Работы в этом направлении проводятся рядом зарубежных фирм, в частности, фирмой Volvo.
Применительно к рабочим процессам в ДВС актуальны свойства жидкого или газообразного ДМЭ, условия фазовых превращений, растворимости, химической активности и др. Ниже обсуждаются свойства, важные в отношении протекающих в дизеле процессов.
Свойства ДМЭ как моторного топлива. Сопоставление характеристик ДМЭ с ДТ показывает, что благодаря высокому цетановому числу (более 55) ДМЭ является ценным топливом для дизелей, а высокое содержание кислорода в молекуле ДМЭ и отсутствие связи углерод-углерод позволяет получить бездымное сгорание. Наличие кислорода в молекуле и связанное с этим пониженное стехиометрическое соотношение (LO=9) приводит к уменьшению поверхности пламени в цилиндре дизеля и возможности снижения выбросов оксида азота.
Однако ДМЭ как топливо имеет ряд существенных недостатков. Из-за низкой температуры кипения усложняется топливная система, появляется возможность утечек топлива и образования взрывоопасной смеси при концентрации ДМЭ в воздухе выше 3,4 %. Это означает, что работа на ДМЭ требует таких же мер предосторожности, как и на сниженном нефтяном газе. Из-за меньшей плотности и теплотворной способности ДМЭ требуется увеличение объемней подачи в 1,85 раза. Важно также отметить малую вязкость ДМЭ и, следовательно, необходимость использования противоизносных присадок.
Свойства смесей ДМЭ и дизельного топлива представляют самостоятельный интерес, так как по технологическим или стоимостным соображениям этот эфир может быть целесообразнее подавать не в чистом виде, а в смеси с ДТ (такая ситуация была, в частности, в Москве в 2004-2006 г.). По этой причине в МГТУ им. Н.Э.Баумана изучались свойства смесей ДМЭ и ДТ.
Простые соображения о линейной связи свойств от содержания компонентов в смеси справедливы, например, для вычисления плотности и теплотворной способности смеси ДМЭ и ДТ.
Однако для других важных свойств зависимости сложнее. Так, разработанные в МГТУ модели состояния многофазных смесей позволяют рассчитать сжимаемость, скорость звука, вязкость смесей в функции их содержания, параметров среды. Небольшие добавки ДМЭ поначалу
16
сильнее разжижают смесь и увеличивают ее сжимаемость (снижают скорость звука), чем последующий рост доли ДМЭ.
Интересные результаты получены в МГТУ им. Н.Э. Баумана Жердевым А. А., Глуховым С. Д., Шарабуриным А. В., Лелюхом А. А. [1]. Согласно закону Рауля давление насыщенных паров смеси должно изменяться пропорционально мольному содержанию компонентов. При температурах +100°С...+200°С смеси ДМЭ и ДТ приблизительно соответствовали этому закону, а при пониженных и повышенных температурах наблюдались отклонения от закона Рауля: при низких температурах - в сторону существенного завышения давления, при высоких температурах и содержаниях ДМЭ более 20 % - в сторону занижения давления относительно теоретического.
Для хранения и подачи заранее приготовленной гомогенной смеси ДМЭ и ДТ необходима такая же газобаллонная арматура, как и для чистого ДМЭ.
Не менее интересное поведение важных для топливоподачи упругих свойств ДМЭ наблюдается при выделении из него паров (газовой фазы). К сожалению, в топливной аппаратуре это весьма вероятно, но крайне нежелательно. Как следует из расчетных результатов Грехова Л.В., Калинина Д.Н., Борисенко Н.Е., скорость звука (и сжимаемость) смеси резко изменяются при малейшем газосодержании.
Особенности топливной аппаратуры и топливоподачи диметилового эфира.
Отличие свойств ДМЭ от свойств ДТ приводит к необходимости модернизации существующей топливоподающей аппаратуры (ТПА) или созданию её новых образцов. Ввиду меньшей теплотворной способности приходится подавать ДМЭ в 1,47 раза большем по массе или в 1,85 раза большем по объему по сравнению с ДТ. Переразмеривать топливный насос высокого давления (ТНВД) систем непосредственного действия приходится также и из-за повышенной сжимаемости ДМЭ. Ситуацию несколько смягчает более низкое потребное давление впрыскивания. Приходится учитывать резкое повышение утечек и ускорение износа деталей из-за на порядок меньшей вязкости. Высокое давление насыщенных паров предъявляет повышенные требования ко всем процессам, где возможно вакуумирование: в линии высокого давления (ЛВД) в периоды между впрыскиваниями, в плунжерной полости при наполнении, при перекачке в линию низкого давления (ЛНД). Дополнительные трудности обусловлены сильной (и неблаго-приятной) зависимостью этих свойств ДМЭ от температуры. Хранение и подача ДМЭ по ЛНД, заправка, обеспечение безопасности эксплуатации требуют реализации технических решений, используемых при подаче сжиженных и сжатых газов. Приходится считаться с химической активностью ДМЭ по отношению к уплотнениям и пластмассам.
17
Р.т
жидкий ДМЭ, Р5
масля
ный
насос
р, Т - подаваемого
{ ДМЭ
л 0
азот, 10 атм
Г--Г- 1 Л >
у---' ; -У V_;
г, 10 атм
р-впрыскиваемого ДМЭ
бак для маспа
Рисунок 1 - Система хранения и подачи ДМЭ по линии низкого давления с опытной аккумуляторной системой с гидроприводными
насос-форсунками
Фирмой AVL рассмотрены возможности различных вариантов высоконапорной топливной аппаратуры, которые обеспечиваются унифицированной системой хранения и подачи ДМЭ под низким давлением. Она представлена на левой части рисунке 1 [1].
Баллон для хранения ДМЭ может быть надут сжатым азотом (1 МПа) или иметь встроенный топливоподкачивающий насос. Альтернативное решение - баллон с подпором сжатым пропаном. Такую систему подкачки авторы назвали «термодинамическим насосом». Он представляет собой баллон, который можно считать гидрогазоаккумулятом с разделительной мембраной (рисунок 2). Над мембраной находится пропан под своим давлением насыщенных паров, под мембраной - ДМЭ. Мембрана исключает растворение и расходование пропана. Его давление обеспечивает нахождение ДМЭ только в жидкой фазе и гарантированную подачу в ТНВД (давление насыщенных паров пропана больше такового у ДМЭ на 50 - 100% при температурах -20-(+)50ОС.
18
Рисунок 2 - Топливная система для подачи ДМЭ с «термодинамическим насосом» в баллоне: 1 - топливный баллон; 2 - пропан в газовой фазе; 3 - мембрана; 4 - ДМЭ в жидкой фазе;
5 - насос; 6 - аккумулятор системы Common-Rail; 7 - соленоиды! форсунки; 8 - регулятор давления в аккумуляторе
Гидравлический управляющий модуль унифицированной системы топливоподачи ДМЭ (рис. 9.11) снабжен насосом среднего давления, сжимающим ДМЭ до давления р=2-3 МПа для подачи в рядный ТНВД (в данном случае - в насос-форсунки с гидроприводом плунжера) или до давления р=30 МПа для подачи в аккумулятор системы Common Rail. Во всех системах имеются утечки, приводящие к испарению эфира в атмосферу. Они собираются в газосборник и перекачиваются компрессором в основной баллон. Таким образом, устраняется взрыво- и пожароопасность, так как горючая смесь образуется при смешении ДМЭ с воздухом уже при концентрации ДМЭ в 3,5 %.
Все системы топливоподачи имеют возврат (слив) жидкого ДМЭ: это либо циркуляция топлива, необходимая для охлаждения и стабилизации наполнения плунжерных полостей, либо расход на управление (в системе Common Rail). Слив происходит под давлением, близким к давлению в гидравлическом управляющем модуле - 1 МПа. Процессы перекачки, нахождение ДМЭ в нагретых элементах ТПА вынуждают применять теплообменник-холодильник.
С точки зрения выбора типа высоконапорной части ТПА фирмой AVL приводятся следующие сведения и соображения. В насос-форсунках для уменьшения утечек использован масляный затвор в зазоре плунжерной пары. Он был эффективен в процессе работы дизеля, но приводил к утечкам при снятии давления масла. В рядном ТНВД из-за больших
19
утечек в горячем состоянии не удавалось достигнуть необходимой цикловой подачи. Герметичные уплотнения иного типа, помимо щелевого, не обеспечивают надёжность работы при характерных давлениях и скоростях плунжера. Кроме того, при нагреве ДМЭ требуется изменять активный ход плунжера. По этим причинам применение рядного ТНВД фирмой AVL признано малоперспективным и ее усилия были направлены на создание систем - Common Rail и насос-форсунок с гидроприводом плунжеров.
На правой части рисунка 1 представлена система с насос-форсунками с гидроприводом плунжеров (мультипликаторами давления). Для привода поршня гидроцилиндра используется масло с давлением 20 МПа. Особенностью насос-форсунки является приме-нение управляющего клапана с двумя противоположно действующими электромагнитами. Это позволяет обеспечить требуемое быстродействие клапана, управляющего подачей масла, а также использовать неработающую катушку в качестве датчика перемещения клапана. Согласно расчётам в опытном дизеле FM 5308 топливоподача с помощью плунжера диаметром 12 мм через сопла различного размера должна обеспечиваться в объеме 280 мм за цикл для ДТ и 543 мм3 для ДМЭ.
Несмотря на меньшие возможности, несомненные достоинства для подачи ДМЭ имеют рядные и индивидуальные ТНВД. К ним относятся в первую очередь их освоенность производством и возможность скорейшего внедрения. То обстоятельство, что высокое давление создается в период не более 1/20 времени цикла дизеля и может не накапливаться в больших объемах ЛВД, существенно упрощает топливную систему в целом и позволяет снизить негативные эффекты (как это сделано в системе топливо-подачи МГТУ им. Н.Э. Баумана). Проблемы, связанные с регулированием опережения впрыскивания и активного хода плунжера могут быть решены системой электронного управления. Альтернативный подход, использованный в исследовательских системах - две независимые системы впрыскивания ДТ и ДМЭ, включая самостоятельные форсунки.
При исследовании подачи смесей ДТ и ДМЭ в работе были выяснены оптимальные параметры сопел для дизеля размерности S/D=11,5/10 с цилиндровой мощностью N=11 кВт при 2300 мин-1. Начав исследование от исходных параметров ТПА (dm=8,5 мм, ic/dc=4/0,3), для ДМЭ были получены новые оптимальные по расходу топлива значения dm =9,5 мм, ic/dc=5/0,32. Приходится учитывать, что при переходе на лёгкие топлива индии-видуальные свойства насосных секций становятся все более существенными и неравномерность подачи по секциям возрастает на 5-10 % на номинале и на 20-25 % на частичных режимах. Аналогичные изменения происходят и в отношении стабильности подачи по времени работы. Практически стабилизацию подачи
20
по времени и по цилиндрам удаётся обеспечить путем более тщательной комплектации плунжерных пар, клапанов, распыли-телей, трубопроводов по их гидравлическим характеристикам. Уже давно использовалось предложение обеспечивать смазку для предотвращения износа прецизионных деталей путем введения в зону трения (или маловязкое топливо) присадок. В простейшем случае - это масло или ДТ. В настоящее время для той же цели применяются более эффективные антиизносные присадки, например, Lubrizol. Эту присадку применила фирма ЛУЪ, она же используется на автомобилях, работающих на чистом ДМЭ с системами топливоподачи, разработанными НАМИ и НИИД.
Расчётное исследование показало, что при переходе с ДТ на ДМЭ из-за различия в плотности этих топлив параметры подачи меняются мало, но из-за различия в их сжимаемости изменяются цикловая подача, продолжительность подачи и давление впрыскивания. Это вызвано совместным действием нескольких факторов, в том числе, увеличением активного хода плунжера (при корректировании величины цикловой подачи ДМЭ). При подаче ДМЭ отмечено влияние длины нагнетательного трубопровода на показатели топливоподачи. В интервале частот вращения вала ТНВД 500-1000 мин-1 показатели процесса топливоподачи изменяются слабо, а при изменении положения рейки ТНВД цикловая подача и её продолжительность меняются по линейному закону. Экспериментально подтверждено влияние давления начала впрыскивания РФО на параметры топливоподачи при постоянном активном ходе плунжера. Этот эффект используется для повышения производительности системы подачи ДМЭ и компенсации потерь мощности дизеля. Как показала практика НАМИ, с исходным давлением начала впрыскивания РФО запустить двигатель не удаётся. Приходилось снижать РФО с 22 до 12 МПа.
Следует отметить эффективность ДМЭ в отношении снижения нормируемых токсичных компонентов, простоту применения нейтрализаторов ввиду отсутствия сажи в ОГ, уменьшение парникового эффекта, эффективность применения в смесях с другими топливами, возможность получения ДМЭ из различного энергетического сырья (в том числе, из возобновляемого), перспективы снижения стоимости при крупнотоннажном производстве. В настоящее время ДМЭ рассматривается как перспективное топливо для дизелей транспортного назначения, а также дизелей различных стационарных установок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Работа дизелей на нетрадиционных топливах / В. А. Марков, А. И. Гайворонский, Л. В. Грехов и Н. А. Иващенко. - М.: Легион-Автодата, 2008.- С. 58-б3.
21
Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар. Материал поступил в редакцию 10.09.12.
Д. С. Бахтиярова, Б. К. Омарова, Е. Т. Хасенов, А. К. Каракаев Макалада альтернатива дизель жылуы Yшiн диметилд1 эфирд1 колдану аркасында теориялык талдау жасалFан
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университетi, Павлодар к.
Материал 10.09.12 баспаFа тYстi.
D. S. Bakhtiyarova, B. K. Omarova, E. T. Khasenov,A. K. Karakayev Dimethyl ether as an alternative fuel for diesel engines
Pavlodar State University after S. Toraigyrov, Pavlodar.
Material received on 10.09.12.
Мацалада альтернативтi дизель жылуы yшiн диметилдi эфирдi крлдану арцасында теориялыц талдау жасалган.
The paper presents a theoretical analysis of using dimethyl ether as an alternative diesel fuel.
УДК 624.074.43
С. К. ЕЛЬМУРАТОВ, А. Ф. ЕЛЬМУРАТОВА, Т. Н. ЕРМАНОВ, А. Е. ДЖАХАЕВ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ОРТОТРОПНЫХ ПЛАСТИН
В работе рассчитывается прямоугольная ортотропная пластина на действие поперечных сосредоточенных динамических нагрузок с учетом локальных и распределенных масс при различных граничных условиях.
Задачи исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) ортотропных пластин сопряжены со значительными математическими и техническими трудностями, поскольку уравнения, описывающие их НДС, имеют достаточно высокий общий порядок. С усложнением схемы загружения
22
