CC BY
15(Щ
Транспорт на СУГ
Повышение эффективности эксплуатации ГБА в зимнее время
Н.Г. Певнев,
профессор, зав. кафедрой СибАДИ, д.т.н.,
В.И. Гурдин,
профессор СибАДИ, д.т.н.,
М.В. Банкет,
аспирант СибАДИ
В работе представлены результаты теплового расчета, в котором определено необходимое количество теплоты, требуемой для стабилизации давления СУГ в газовом баллоне, и экспериментальные результаты, подтверждающие теоретические расчеты и работоспособность устройства стабилизации давления СУГ в баллоне.
Ключевые слова: сжиженный углеводородный газ, газобаллонный автомобиль, автомобильный газовый баллон, трубчатый электронагреватель, тепловой расчет, математическая модель, количество теплоты для стабилизации давления в газовом баллоне, эксперимент, экспериментальная установка.
Increase of efficiency of operation the gas vehicle in a winter season
N.G. Pevnev, V.I. Gurdin, M.V. Banket
In job the results of thermal account are submitted, in which the necessary amount of heat required for stabilization of pressure LPG in a gas cylinder and experimental results, directed on confirmation of theoretical accounts, and also serviceability of the device of stabilization of pressure LPG in a cylinder is determined.
Keywords: liquefied petroleum gas, the gas vehicle, automobile gas cylinder, tubular electroheater, thermal account, mathematical model, quantity(amount) of heat for stabilization of pressure in a gas cylinder, experiment, experimental installation.
Работа газобаллонных автомобилей (ГБА) на сжиженном углеводородном газе (СУГ) дает возможность снизить количество
вредных выбросов, что приводит к улучшению экологической обстановки, позволяет снизить износ цилиндропоршневой группы,
Результаты теплового расчета для различных объемов жидкой фазы СУГ
увеличить пробег между заменами моторного масла, продлить срок службы свечей зажигания и деталей системы впрыска, а также значительно сократить затраты на топливо.
В настоящее время современные автомобили оснащены инжекторной системой питания. Контроль за бесперебойной работой системы впрыска газа в условиях эксплуатации ГБА в Омске позволил установить причины отказов, большинство которых происходит из-за снижения давления в газовом баллоне, что обусловлено следующими факторами:
• несоответствие газового топлива на АГЗС сезону и требованием ГОСТ Р 52087-2003;
• резкое понижение температуры окружающего воздуха в зимнее время.
При подаче СУГ через газовые форсунки для бесперебойной работы и в соответствии с ГОСТ Р 52087-2003 необходимо обеспечить избыточное давление насыщенных паров газа от 0,1 до 0,15 МПа в интервале температур 35...-30 °С.
С учетом продолжительности зимнего периода в условиях Сибири использование СУГ становится проблематичным в течение 5-6 мес. [1]. В этом случае эксплуатационные затраты на топливо увеличиваются в результате использования дорогостоящего бензина. Для решения возникшей проблемы необходимо стабилизировать
Объем жидкой фазы СУГ, Vovr' л Площадь поверхности газового баллона, занимаемая жидкой фазой СУГ, м2 Тепловой поток от ТЭН, проходящий через газовый баллон с СУГ к окружающему воздуху 10, Дж Полное количество теплоты, необходимое для стабилизации давления СУГ 0п, Дж
10 0,223 312,8 387,9
20 0,467 657,2 612,2
30 0,700 987,7 828,7
40 0,893 1279,6 1044,9
Рис. 1. Расчетное количество теплоты, необходимой для поддержания постоянного давления СУГ в газовом баллоне при изменении температуры окружающего воздуха и различных объемах жидкой фазы СУГ в баллоне: р, , р2 , р3 , р4 - давление насыщенных паров СУГ при объеме СУГ в баллоне 10, 20, 30, 40 л соответственно
Давление насыщенных паров СУГ в газовом
баллоне, МПа.....................более 0,15
Температура окружающего воздуха, °С..............................-40...14
При этом газовые баллоны на автомобили устанавливают таким образом, что на них не действуют сила ветра и дополнительные источники теплоты, кроме теплоты от ТЭН и окружающего воздуха.
Теплота, поступающая от ТЭН, расходуется на испарение жидкой фазы СУГ 0СУГ , нагрев стенок баллона Обал и теплообмен с окружающей средой Ое .
Расчетная зависимость изменения давления СУГ в баллоне от количества теплоты,необходимой
давление в баллоне за счет подогрева жидкой фазы СУГ.
Анализ устройств, применяемых для поддержания давления СУГ в системе ЖКХ и на автомобильном транспорте, показал, что наиболее подходящим для подогрева жидкой фазы газа является трубчатый электронагреватель (ТЭН) [2-4].
Для автомобильного газового баллона при различных условиях эксплуатации ГБА нужно определить количество теплоты, необходимой для стабилизации давления СУГ, и этим руководствоваться при выборе ТЭН.
Тепловые расчеты по разработанной ранее методике [5] показали результаты, приведенные в таблице. При этом были использованы следующие граничные условия:
Компонентный состав смеси, %
пропан..............................................33
бутан..................................................67
Объем стандартного автомобильного газового баллона, л............................................50
Рис. 2. Математическая модель для расчета необходимого количества теплоты, требуемой для стабилизации давления в газовом баллоне: у - место расположения газового баллона; 1/СУГ - объем СУГ в баллоне; 1/6ал - объем газового баллона; воз - температура окружающего воздуха; ив - скорость ветра; рСУГ - давление насыщенных паров СУГ в газовом баллоне; йа - общее количество теплоты, необходимое для испарения СУГ; тСУГ - масса СУГ в баллоне; тбал - масса баллона; ССУГ - массовая теплоемкость жидкой фазы СУГ; Сбал - массовая теплоемкость материала баллона; - мощность, необходимая для испарения газа; вг - мгновенный расход СУГ; т - время, необходимое для стабилизации давления СУГ в баллоне; №ТЭН - мощность ТЭН; I - длина проволоки нагревателя;
- диаметр нагревателя круглого сечения; Ю - суммарный тепловой поток, проходящий от ТЭН через газовый баллон с СУГ к окружающему воздуху; ?СУГжф - температура жидкой фазы СУГ; ?СУГпф - температура паровой фазы СУГ; ?ТЭН - температура ТЭН
б
Рис. 3. Принципиальная схема (а) и общий вид (б) экспериментальной установки: 1 - газовый баллон; 2 - входной газовый фильтр; 3 - блок арматуры; 4 - заправочная магистраль; 5 - выносное заправочное устройство; 6 - расходная магистраль; 7 - образцовый манометр; 8 - термопара паровой фазы; 9 - измеритель температуры; 10 - клеммы ТЭН; 11 - датчик давления; 12 - электрическая схема защиты ТЭН; 13 - АКБ и генераторная установка; 14 - датчик уровня газа; 15 - трубчатый электронагреватель; 16 - термопара жидкой фазы
для подогрева жидкой фазы газа при разных объемах СУГ в баллоне, представлена на рис. 1.
Для уменьшения воздействия температуры окружающего воздуха на температуру СУГ и давление насыщенных паров газа в газовом баллоне предлагается произвести регулирование теплообмена за счет подогрева жидкой фазы газа и теплоизоляции автомобильного газового баллона [5].
Для определения эффективности применения теплоизоляции был проведен расчет теплового потока (рис. 2), проходящего
от ТЭН через газовый баллон с СУГ в окружающую среду при использовании теплоизоляционного материала £от .
В результате расчетов установлено, что при применении теплоизоляционного материала с защитным кожухом суммарный тепловой поток, проходящий от ТЭН через газовый баллон с СУГ в окружающую среду, снизился на 237,7 кДж (на 24 %). Предложенные мероприятия позволяют сохранить теплоту, подводимую к СУГ в газовом баллоне, и осуществить бесперебойную работу двигате-
ля газобаллонного автомобиля в зимнее время года.
Для проверки теоретических расчетов был проведен эксперимент на установке (рис. 3), задачей которого была оценка работоспособности предложенной системы подогрева СУГ и сходимости расчетных показателей необходимого количества теплоты для стабилизации давления СУГ в баллоне с фактическими.
Методика проведения, техническое обеспечение эксперимента и принцип работы экспериментальной установки изложены в выполненных и опубликованных ранее работах [6, 7].
В экспериментальной установке использовался ТЭН потребляемой мощности 0,8 кВт. Мощность ТЭН выбрана по результатам расчетов с использованием математической модели.
В результате экспериментов были получены данные по изменению давления насыщенных паров СУГ в процессе нагрева жидкой фазы (рис. 4) и работоспособности устройства стабилизации давления СУГ в баллоне. Кроме того, были проведены дополнительные испытания с применением теплоизоляции -шерстяного войлока, крепление которого к корпусу газового баллона осуществляется с помощью брезента.
Математическая обработка экспериментальных данных проводилась по методикам [8, 9,] при доверительной вероятности а=0,90 и числе экспериментов п=5. Значение а соответствует требованиям к инженерным испытаниям [10]. Значение критерия Стьюден-та определялось по таблице из [9]. Расчет доверительных интервалов проводился по методике, приведенной в [9].
Рис. 4. Изменение давления насыщенных паров СУГ в зависимости от времени работы ТЭН: р, - кривая давления с применением теплоизоляции; р2 - кривая давления без теплоизоляции
Как показал эксперимент, при выбранной мощности ТЭН давление СУГ в баллоне стабилизируется до заданной величины 0,15 МПа за 17 мин при применении тепло-
изоляции и за 24 мин без ее применения.
По результатам теоретических и экспериментальных исследований установлено:
1. Давление СУГ в баллоне зависит от его состава, температуры окружающего воздуха, мощности ТЭН, объемов СУГ в баллоне и самого баллона.
2. Разработанное устройство для стабилизации давления СУГ в баллоне позволяет обеспечить давление насыщенных паров газа при различных температурах окружающего воздуха в зимнее время.
3. Проведенный эксперимент подтвердил правильность выполненных ранее расчетов необходимого количества теплоты для стабилизации заданного давления СУГ в баллоне.
4. При заданной доверительной вероятности давление в баллоне колеблется с доверительным интервалом 0,0058 МПа.
5. При применении теплоизоляции на автомобильном газовом баллоне расход теплоты от ТЭН уменьшается на 24 % и время нагрева - на 29 %.
Литература
1. Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт охраны труда. Организация работы персонала на открытом воздухе в условиях низких температур. [Электронный ресурс]. Дата обновления 01.07.2011. - URL: http://www.niiot.ru (дата обращения: 11.08.2011).
2. Певнев Н.Г. Техническая эксплуатация газобаллонных автомобилей: Учебное пособие. Омск: Изд-во СибАДИ, 2002. - 218 с.
3. Ерохов В.И. Система питания двигателя внутреннего сгорания сжиженным газовым топливом // АГЗК+АТ. - 2008. - № 2 (38). - С. 55-60.
4. Певнев Н.Г., Банкет М.В. К выбору испарителя жидкой фазы сжиженного нефтяного газа в автомобильном баллоне при отрицательных температурах окружающего воздуха // Вестник СибАДИ. - 2009. -№ 1 (11). - С. 5-9.
5. Певнев Н.Г., Гурдин В.И., Банкет М.В. Регулирование теплообмена в газовом баллоне при эксплуатации ГБА в зимнее время // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010. - № 5 (17). - С. 12-15.
6. Певнев Н.Г., Банкет М.В. Методика проведения и техническое обеспечение эксперимента по поддержанию заданного давления СУГ в автомобильном баллоне. Материалы 63-й научно-технической конференции ГОУ СибАДИ. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2009. - 72-75 с.
7. Певнев Н.Г., Банкет М.В. Повышение эксплуатационной надежности газобаллонных автомобилей при низких температурах окружающего воздуха // Транспорт на альтернативном топливе. - 2009. - № 5 (10). - С. 20-23.
8. Баврин И.И. Теория вероятностей и математическая статистика. - М.: Высшая школа, 2005. - 160 с.
9. Белов А.А. Теория вероятностей и математическая статистика / А.А. Белов, Б.А. Баллод, Н.Н. Елизарова. - М.: Феникс, 2008. - 318 с.
10. Зайцев С.А., Куранов А.Д., Толстов А.Н.
Нормирование точности / С.А. Зайцев, А.Д. Куранов, А.Н. Толстов. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 256 с.
«Транспорт на альтернативном топливе» № 1 (25) февраль 2012 г.
11^ ffHi ОТПИТ I мтШ| Т1Г1Г Т^П^ПТГТШИВВ!>1%-
