CC BY
25
УДК 629.735.067
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ГРУПП АТОМОВ УГЛЕВОДОРОДНЫХ МОЛЕКУЛ НА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АВИАТОПЛИВА
Ю.С. КИРДЮШКИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Чинючиным Ю.М.
В данной статье приведены принципы расчета термодинамических показателей авиатоплив, связанных с их производством и эксплуатацией, произведенных на основе альтернативных (возобновляемых) источников энергии (биомассы).
Ключевые слова: метод влияния групп атомов, построение суррогатной модели, альтернативные авиатоплива, биотоплива для реактивных двигателей, термодинамические параметры топливных смесей.
Введение
В статье [1] изложен принцип построения суррогатной модели и предложен метод расчета термодинамических параметров углеводородных смесей на основе анализа групп атомов, составляющих молекулы углеводорода, принятые за основу суррогатных (упрощенных) моделей альтернативных топливных смесей. Представлен алгоритм теоретического определения термодинамических параметров углеводородных топливных смесей, раскрыт принцип применения метода Джобэка. Отмечено, что очередным шагом при проведении сравнительного анализа доступных альтернативных топливных смесей является оценка влияния групп атомов, составляющих углеводородные молекулы, на термодинамические свойства авиатоплива.
Характеристика метода Джобэка
Такие показатели, как энтальпия образования - И/огтаиоп и свободная энергия Гиббса -О/огтаиоп сравниваемых альтернативных видов топлива были вычислены с использованием метода воздействия групп атомов и атомарных связей на термодинамические свойства молекул топлива. Метод, принятый для теоретического обоснования термодинамических параметров молекул углеводорода, принято называть методом Джобэка.
Согласно методу Джобэка основные термодинамические свойства вещества, состоящего из углеводородных соединений, могут быть рассчитаны, исходя из его молекулярной структуры. В зависимости от типов атомарных связей в молекулах (насыщенные и ненасыщенные углеводороды, ароматические углеводороды и т.д.), а также количества атомов, составляющих топливную смесь, определяются искомые значения.
Расчеты с использованием метода воздействия групп атомов - метода Джобэка подразумевают определение заданного термодинамического значения, исходя из принятых коэффициентов, соответствующих количеству и типу связей атомов угля, входящих в состав углеводородных молекул топливных смесей, табл. 1.
На основе приведенных в табл. 1 коэффициентов энтальпия образования - «И/огтацоп», принятой молекулы углеводорода, рассчитывается по следующей формуле
+ (1)
где 68,29 - коэффициент, добавляющийся к суммарному значению, полученному при составлении теоретической модели молекулы углеводорода.
Таблица 1
Коэффициенты, принятые в расчете термодинамических параметров образования (энтальпия и энергия Гиббса) комплексных углеводородов
Group Тс Рс Ть "I'm Inform ^fsini a b с d
Critical State Data Temperatures of Phase Transitions Chemical Caloric Properties Ideal Gas Meat Capacities
Non-ring groups
-СНд 0.0141 -0.0012 65 23.50 -5.10 -76.45 -43.96 1.95E+1 -0.O0E-3 1.53E-4 -9.67E-0
-сн2- 0.01 ВЭ 0.0000 56 22.00 11.27 -20.64 0.42 -9.09E-1 9.50E-2 -5.44E-5 1.19E-0
>СН- 0.0164 0.0020 41 21.74 12.64 29.09 50.36 -2.30ЕИ 2.04E-1 -2.65E-4 1.20E-7
0.0067 0.0043 27 10.25 46.43 02.23 116.02 -6.62ЕИ 4.27E-1 -6.41 E—4 3.01 E-7
=CH<;subo2<^sub- 0.0113 -0.0020 56 10.1В -4.32 -9.630 3.77 2.36E+1 -3.B1E-2 1..72E-4 -1.03E-7
=СН- 0.0129 -0.0006 46 24.96 0.73 37.97 40.53 -0.00 1.05E-1 -9.63E-5 3.56E-B
0.0117 0.0011 за 24.14 11.14 03.99 92.36 -2.В1ЕИ 2.0BE-1 -3.06E-4 1.46E-7
=с= 0.0026 0.0020 36 26.15 17.70 142 14 136.70 2.74E+1 -5.57E-2 1.01E-4 -5.O2E-0
-СИ 0.0027 -0.0000 46 9.20 -1110 79.30 77.71 2.45E+1 -2.7 IE-2 1 11E-4 -6.70E-0
■С- 0.0020 0.0016 37 27.30 64.32 115.51 109.02 7.07 2.01 E-2 -0.33E-6 1.39E-9
Ring groups
-СН2- 0.0100 0.0025 4В 27.15 7.75 -26.00 -3.60 -6.03 B.54E-2 -0.OOE-6 -1.0OE-0
>СН- 0.0122 0.0004 за 21.70 19.00 0.67 40.99 -2.05ЕИ 1.62E-1 -1.60E-4 6.24E-0
0.0042 0.0061 27 21.32 60.15 79.72 07.00 -9.09ЕИ 5.57E-1 -Э.00Е-4 4.69E-7
=СН- 0.0082 0.0011 41 26.73 0.13 2.09 11,30 -2,14 5.74E-2 -1.64E-6 -1.59E-0
=с< 0.0143 0.0000 32 31.01 37.02 46.43 54.05 -0.25 1.01E-1 -1.42E-4 6.7BE-B
Свободная энергия Гиббса - «Gformation» процесса образования вещества рассчитывается как
=53.88 + 20, (2)
В свою очередь, удельная теплоемкость при постоянном давлении - «Ср» согласно методу Джобэка рассчитывается следующим образом
Cp=Yat -37.93+ [^й. +0.210]Г + [^сг -3.91х 10“4]Г2 +[£< +2.06х10“7]Г3. (3)
Таким образом, при помощи метода Джобэка были рассчитаны термодинамические параметры образования отдельных молекул углеводорода. Рассчитанные значения для определенных топливных смесей были получены на основе предложенной их суррогатной модели (табл. 2) и их определение оказалось необходимым для последующего расчета таких эксплуатационных параметров топлива, как:
• температура пламени при адиабатических условиях;
• топливная теоретическая эффективность;
• максимальная теоретическая работа топлива;
• минимальная работа, затраченная на производство топлива.
Таблица 2
Принятый молекулярный состав сравниваемых альтернативных топлив
Name of molecular groups Fuel types surrogated
№ А-1 Bio-SPK Sasol SPK Sasol GTL
N-paraffin
n-Nonane 3.5% 20%
n-decane 27% 2.5% 20%
u-undecane 2% 5%
n-dodecane 27% 2%
Cycloparaffin
Methyl cyclohexane 27%
Cydododecane 5%
Cyclotridecane 5%
Iso-paraffin
Dimethyl C9-C14 45% 55% 55%
Pentamethyl C9-C14 45% 35%
Polyaromatic
Acenaphthene 19%
Теоретическая эффективность топлива
Понятие теоретической эффективности топлива связано с анализом распределения энергии в процессе его сжигания. В процессе сжигания топлива - переводе энергии из потенциальной
(химической) в кинетическую вырабатывается энтропия. Как показано на рис. 1, теоретическая
эффективность топлива рассчитывается на основе полученной энергии в процессе сжигания топлива и с учетом вырабатываемой энтропии.
В общем случае выражение теоретической эффективности выводится через выражения энергетического баланса и баланса энтропии
/Ж1 + 1ЖК = ЖоШ; 1)8А + = 1)8/п.. (4)
Откуда
Ках=Щ?-Г°хД^, (5)
а следовательно,
РГшах=Ы0М0)-Т°ЫА$0). (6)
Формула (6) выражает понятие Экзэргии.
Баланс энергии сводится к общему значению выработанной энтропии, при этом последняя рассчитывается по формуле
Рис. 1. Распределение энергии в процессе сжигания топлива:
DEA - энергия топлива, высвобождающаяся при сжигании;
DE - энергия, затраченная на поддержание резервуара
Под резервуаром (рис. 1) подразумевается система с определенными термодинамическими условиями и границами и соответствующая им формирующаяся энтропия.
Таким образом, энтропия образования определенного вещества, определяется по формуле
= X А^/,1' —+ £а£/,1'•
2=1
И,
la 2=1
И,
(8)
1 а
Следовательно, и значение теоретической эффективности топлива рассчитывается по формуле
’ " " О Пп
-(I sbg*uv ^ +1 sAg^v - Г0М
П, =
7=1
И
1 а 7=1
И
In-
let
-CL^s
i=1
II
fr
iR
II
(9)
1 a i=1
fr
iP
II
)
la
В последующих публикациях будет приведен сам расчет, на основе которого был сделан сравнительный анализ наиболее приемлемого авиатоплива, произведенного на основе альтернативных (устойчивых) источников энергии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кирдюшкин Ю.С. Построение модели сравнительного анализа для выбора альтернативных видов авиатоплив // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2012. - № 178.
2. ffinder J., Rahmes Т. Evaluation of Bio-Derived Synthetic Paraffinic Kerosene (Bio-SPK). The Boeing Company. Sustainable Biofuels Research Technology Program. USA. - 2009.
3. Клиффорд А.М. и др. Сравнительный анализ полусинтетических топлив для реактивных двигателей, 2008 // Cliord A. Moses. Comparative evaluation of semi-synthetic Jet fuels. Texas, USA. - 2008.
COMPARATIVE ANALISYS FOR ALTERNATIVE JET FUELS
Kirdyushkin Y.S.
The article shows fundamental of the comparative analisys for modern alternative jet fuels based on comparison of thermodynamic properties for their production and application, providing description for the group contribution method -so called Joback method used to obtain thermodynamical properties of hydrocarbons theoretically.
Key words: comarative analisys, group contribution method, alternative jetfuel, biojet HEFA fuel, biofuel for aircraft.
Сведения об авторе
Кирдюшкин Юрий Сергеевич, 1985 г.р., окончил МГТУ ГА (2008), аспирант МГТУ ГА, автор 13 научных работ, область научных интересов - применение альтернативных видов топлив в сфере гражданской авиации.
