CC BY
33
УДК 44.31.35
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ ТОПЛИВ МАШИННО-ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ АПК
A.Т. Манташов, канд. техн. наук;
B.М. Деменев,
ФГБОУ ВО Пермская ГСХА,
ул. Петропавловская, 23, г. Пермь, Россия, 614990
E-mail: tsat@pgsha.ru
Аннотация. Использование альтернативных горючих, а также применение различных присадок, изменяющих свойства топлив, требует иного подхода при оценке их экологических и энергетических качеств. Здесь одним из возможных направлений является использование более достоверного метода расчета состава и параметров продуктов сгорания топлива. С целью более широкого анализа зависимости энергетических характеристик ДВС от состава топлива необходимо использовать численный метод расчета термодинамических и теплофизических свойств ПС с включением в горючее новых химических соединений. В статье приведен алгоритм расчета и дан пример вычисления состава продуктов сгорания и их параметров состояния методом последовательных приближений для топлива: природный газ и воздух. Пример расчета можно применить в качестве алгоритма при определении состава и параметров ПС при использовании в ДВС различных горючих, в том числе и альтернативных, даже с присадками, изменяющими их свойства. Сформулированы выводы по работе.
Ключевые слова: условная химическая формула (УХФ), стехиометрическое соотношение компонентов топлива, коэффициент избытка окислителя, продукты сгорания (ПС), уравнения материального баланса, метод последовательных приближений.
Введение. Требования к экологическим и энергетическим свойствам химических топлив постоянно повышаются, например, [ 3 ]. Для их реальной оценки необходимо знать достоверный состав и параметры продуктов сгорания не только используемых, но альтернативных горючих. Кроме того, внесение химических компонентов в горючее с целью изменения октанового числа бензина и цетанового числа дизельного горючего изменяют состав продуктов сгорания. Используемые методики для расчета параметров и состава ПС [3, 5, 7, 8, 10, 11, 12] дают результаты, отличающиеся от расчетных данных по методике [1]. Так, например, в расчетах, приведенных в [3, с. 119], температура горения Тк = 2200 К, а в [6, с. 441], её значение равно 1 75 0 К . Также отличаются значения газовой постоянной и теп-лоемкостей. Следовательно, задача достоверности расчета состава ПС и их параметров в поршневых двигателях актуальна. Цель работы — показать использование методики расчета параметров продуктов сгорания топлива поршневых ДВС [1, 6].
Методика. Исходными данными для расчета являются:
- горючее и окислитель, заданные химической или условной химической формулой;
- коэффициент избытка окислителя а ;
- давление, при котором осуществляется сгорание топлива рк .
В процессе расчета необходимо определить состав продуктов сгорания, т.е. количество химических элементов и их соединений, температуру Тк, газовую постоянную Я и показатель адиабаты к продуктов сгорания.
Определение состава ПС. Здесь предпочтительнее использовать метод, изложенный в [1], где расчет состава продуктов сгорания проводится в такой последовательности.
1. В зависимости от заданного топлива и коэффициента избытка окислителя назначается ориентировочная температура продуктов реакции.
2. Устанавливается качественный состав продуктов сгорания. Если а >1, то газовая
смесь должна содержать горючие элементы, продукты полного, а также и неполного окисления. При а <1 в смесь должны входить, кроме продуктов полного окисления, и окислительные элементы. При температуре выше 2000-2500К в смеси будут находиться продукты диссоциации.
3. Записываются уравнения для расчета состава. Это, во-первых, группа уравнений, выражающих закон сохранения вещества при химических реакциях и называющихся уравнениями материального баланса. Во-вторых, это группа уравнений диссоциации, записываемых при помощи констант равновесия. Дополнительным уравнением для расчета состава является закон Дальтона. Общее число уравнений должно быть равно числу установленных в продуктах сгорания веществ.
4. Одним из известных методов решают полученную систему и определяют состав при ориентировочно выбранной температуре.
При расчете состава продуктов сгорания топлива принимаются следующие допущения: реакция горения предполагается изобарной;
— продукты реакции находятся в химическом и энергетическом равновесии;
процесс горения принимается адиабатным.
Определение температуры ПС. Для установления истинной температуры и состава смеси газов используется уравнение теплового баланса, выражающего собой закон сохранения энергии. Здесь сравнивается энтальпия продуктов сгорания при назначенной температуре с полной энтальпией топлива. Выбранная температура и вычисленный состав продуктов сгорания будут истинными лишь в случае равенства указанных энтальпий.
Определение Я и к. По найденному истинному составу ПС определяют молярную массу смеси газов ц, а по ней - газовую постоянную Я; вычисляют теплоемкости смеси ср см. и су см. и их отношение, т.е. к.
Пример. Целью расчета является определение параметров продуктов сгорания углеводородного горючего и азотсодержащего окислителя.
Исходные данные:
- топливо, в котором в качестве горючего используется природный газ, выраженный
условной химической формулой С62,5Н250 , и имеющий значение энтальпии 1г = -4618 кДж/кг; в качестве окислителя - воздух К53>9 Ом,5 с ¡ок = 1,046 кДж/кг.
- коэффициент избытка окислителя а = 0,9 ;
- давление, при котором осуществляется сгорание топлива рк = 5 МПа.
Расчет состава ПС. Для приведенных исходных данных температуру в камере в первом приближении выберем 7,= 2300 К. При такой температуре диссоциация молекул продуктов сгорания практически отсутствует, тогда ожидаемый состав ПС будет включать Ы2, С02, Н20, Н2, СО. Выразим его количественное содержание парциальными давлениями р м2, р с о 2 ,р н 2 о ,Р н2,Р с о. Имеем пять неизвестных, следовательно, для их определения нужно иметь пять уравнений.
В основу уравнения материального баланса положен закон сохранения вещества, который устанавливает, что в термодинамических системах с постоянной массой реагирующих веществ число грамм-атомов любого химического элемента в топливе равно числу грамм-атомов этого элемента в продуктах сгорания.
Число грамм-атомов для каждого элемента в топливе определяется как
, _ ^¿гор + а Ко ок
1т ~ 1+ аК0 ' где Ь ¿т , Ь ¡Г0р, Ь ^ 0к - число грамм-атомов 1-го элемента в топливе, горючем и окислителе, соответственно;
К0 - стехиометрическое соотношение компонентов топлива.
Для исходных компонентов топлива определим К0 .
£ЬгУ0гор_ 62,54-4 + 2 5 0 ■ 0_
Кп = —
£Ьг ■ у^о
= 17,24-
1 4, 5 ■ (- 2 ) КГ ок
КГ гор
Вычислим число грамм-атомов азота в условной химической формуле топлива:
Ь№ор + а К0 Ь; ок 0 + 0,9 ■ 17,24 ■ 53,9
Ьы-т — 1
1 + а К0
= 50,62.
1 + 0,9 -17,24
Аналогично найдем Ьс т = 3 , 7 8; Ь0т = 13,62; ЬНт = 15,13.
Отсюда УХФ топлива будет иметь вид:
С3,78 Н15,13 013,62 N50,62 .
Для рассматриваемого примера запишем рабочие уравнения материального баланса в виде:
2 Рн2о + 2 рН2
В =
Рсо2 + Veo
С =
2 Рсо2 + Рсо + Рн2 Рсо2 + Рсо
D =
2 Р.
Ny
(1)
( 2 )
( )
Рсо2 + Рсо г, ЬНт Ь0т bNT
где В =-—,С = -—.D =-—.
°С т °С т °С т
При сгорании топлив с недостатком окислителя между продуктами неполного окисления протекает реакция с образованием водяного газа. Запишем уравнение этой реакции и константу ее равновесия:
CO2 +H2 = СО + H2O , К2 а
Рсо Рн2о рсо2 Рн2
расчета. Другой температуре будет соответствовать другой состав ПС.
В решаемой задаче температура в первом приближении задана, задавать некоторые парциальные давления газов нет необходимости, т.к. решение пяти уравнений с пятью неизвестными не вызывает особой трудности.
Выразим в системе (1) - (5) через р с0 парциальные давления остальных четырех газов:
п Рк Рм2 = О ■
В +D +2'
( )
Рсо7 =
2рк
В +D+2
Рсо;
( )
Р^о = ^ (С - 2) - рсо ; (8)
Рн,
_ 2 рк
(4)
Пятым уравнением является уравнение, выражающее закон Дальтона:
Рк = Рм2 + р СО 2 + Рн20 + Рн2 + р со . (5)
Полученная система уравнений (1) - (5) позволяет определить парциальные давления всех веществ, входящих в состав продуктов сгорания для заданных давления и температуры. Температура в явном виде не входит в уравнения, но от нее зависит константа равновесия К2а .
Распространенными методами решения полученной системы являются метод последовательных приближений и метод малых отклонений.
Сущность метода последовательных приближений заключается в следующем. Вначале приближенно задают температуру ПС и несколько значений парциальных давлений газов. Это дает возможность сократить число уравнений в системе и решить ее путем исключения переменных. Затем найденные значения парциальных давлений газов подставляют в первоначально исключенные уравнения и определяют давления газов, которые задавали приближенно. Далее полученные уточненные давления снова вводят в уравнения и повторяют все ранее проделанные операции. Эти последовательные приближения проводят до тех пор, пока найденный состав не будет отличаться от предыдущего приближения менее чем на требуемую погрешность
5 +D + 2 ^ B - C + 2) - Р". (9)
Условная химическая формула топлива известна, тогда
В =
JC т
15,13 3,78
= 4,00;
ЬПт 13,62 С = --— = —— = 3,60; Ъс т 3,78
D =
50,62
= 13,39.
ЬСт 3,78 Из приложения работы [9 c. 657] константа а при Тк = 2300 К равна:
рс о рн2 о = 5 747 рсо 2 р н 2 ' ■
(10)
Подставив выражения парциальных давлений (7), (8) и (9) в (10), получим квадратное уравнение относительно давления :
Рсо2 -10,48 рсо + 61 = 0.
Решив это уравнение, найдем рсо = , а по нему определим парциальные давления газов , = =0,967 МПа и рН2 = 0,0 64 М П а . Из (6) находим
Определение температуры ПС. Для оценки соответствия заданной в первом приближении температуры и полученных парциальных давлений истинным значениям воспользуемся уравнением теплового баланса:
íx = ínc (11)
Определим энтальпию топлива: ir + а ■ К0 ■ i0K
lm ' 1 + а ■ К0 -4618 + 0,9 ■ 17,24 ■ 1,046
1 + 0,9 ■ 17,24
= -279
кДж
кг
Из приложения работы [4 с.462] при Тк = 2300 К выберем энтальпии входящих в ПС газов. Определим энтальпию продуктов сгорания и сравним полученное значение с энтальпией топлива:
£мгРг 1 3 3 6 кг
Мсм = —-= —— = 26,72 ■
Рем
кмоль
^ттг
£ I г Р г М г
249000 кДж
= -186 ——.
1336
КГ
£Рг М г
Так как энтальпии не равны, то необходимо провести аналогичный расчет второго и третьего приближений по температурам.
Зададим температуры = 2200 К и 7," = 2100 К. Расчеты состава ПС во втором и третьем приближениях дают значения энтальпий:
кДж кДж ¿" = —292-и V" = —397-.
кг
кг
Графическое решение уравнения (11), см. рис.1, устанавливает истинную температуру продуктов сгорания: Тк = 2210 К. Парциальные давления газов ПС имеют значения: Рм2 = 3,45 3 М п а,рИ20 = 0,962 МПа , рСо2 = = 0,3 79 М П а, рсо = 0, 1 3 7 М П а и р„2 = = 0,069 М П а .
Определение Я и к. Вычислим молярную массу смеси в ПС:
Газовая постоянная продуктов сгорания определяется как
Я = 7Т= = 311 «кг К) .
¡л см ¿ь,7г
Вычислим массовую теплоемкость смеси газов ПС при постоянном давлении.
£с„ г мгрг 2 05 1 Срсм = V,, „ = = 1 "5 3 5 кДж/(кГ ■ К) ^ г Рг 1 3 3 6
Теплоемкость при постоянном объеме определим по уравнению Майера:
см = ср см - Д = 1 5 3 5 - 3 1 1 = 12 2 4 Дж/(кг-К).
Вычислим показатель адиабаты:
к= Ср™ = 1536 = с 1224
Таким образом, рассчитаны параметры продуктов горения природного газа в воздухе при давлении 50 бар, именно:
Тк = 2210 К, Я = 311 Дж/(кг- К), к = 1,25 .
2100 2150 2200 2250 2300 Т .К
Рис. 1. Зависимость энтальпии продуктов сгорания от температуры
Результаты. В результате расчета получены энергетические параметры продуктов сгорания и установлено не только наличие, но и количественная величина токсичного продукта СО. Сходимость полученных значений с результатами их расчета по первоисточнику [6, с. 552] высокая.
Выводы. 1. Пример расчета можно применить в качестве алгоритма при определении состава и параметров ПС при использовании в
ДВС различных горючих, в том числе и альтернативных, даже с присадками, изменяющими их свойства.
2. С целью более широкого анализа зависимости энергетических характеристик ДВС от состава топлива необходимо использовать численный метод расчета термодинамических и теплофизических свойств ПС [ ] с включением в горючее новых химических соединений.
Литература
1. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей : учебник для вузов / под ред. акад. В.П. Глушко. M. : Mашиностроение, 198Q. 535 с.
2. Болдырев О.И. Mатематическая модель расчета термодинамических параметров гомогенной смеси продуктов сгорания углеводородного топлива в термодинамическом цикле газотурбинных двигателей // Mолодой ученый. 2Q11. № 11. С. 31-35.
3. Галиев Р.Г., Хавкин В.А., Данилов АЖ. Требования к бензинам и дизельным топливам. URL: WWW.persnalazc.ru (дата обращения: Q2.Q9.2Q15).
4. Квасников А.В. Теория жидкостных ракетных двигателей : учебное пособие для вузов. Л. : Судпромиздат, 1959. 541 с.
5. Кулешов А.С. Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС: дис. ... д-ра техн. наук. M., 2Q11. 228 с.
6.Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания : справочник. / В.Е. Алемасов [и др.]; под ред. акад. В.П. Глушко. M. : АН СССР, 1973. Т. 3. б23 с.
7. Двигатели внутреннего сгорания : учебник для вузов / А.С. Хачиян [и др.]; под ред. В.Н.Луканина. 2-е изд. M. : Высшая школа, 1985. 311 с.
8. Шароглазов Б.А., Фарафонтов M^., Клементьев В.В. Двигатели внутреннего сгорания: теория, моделирование и расчет : учебник для вузов / под ред. Б.А. Шароглазова. Челябинск : ЮУрГУ, 2QQ4. 344 с.
9. Шевелюк M.K Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей : учебное пособие для вузов. M. : Оборонгиз, 196Q. б89 с.
10. Kalan M., Pecha L., Howard T. Исследование свойств циклов двигателя: интернет-изд. 2Q14. URL: www.udallas.edu/ ...engineering/thermodynamic. (дата обращения: 1Q.Q9.2Q15).
11. Программное обеспечение разработки Lotus: [ Э л e кт р о н н Ы1 й р e сур с]. URL: http://www.lesoft.co.uk (дата обращения: 11.Q9.2Q15).
12. Xiaohong Wang, Qiong Lu, Guangzhi Wu, Jialing Shi, Zhi Sun. Термодинамический расчет и экспериментальные исследования синтеза сгорания // Journal of Alloys and Compounds : электрон. журн. 2Q15. № 8. URL: www.sciencedirect.com/.. ./s092583881501069...
IMPROVEMENT OF ASSESSING METHODS OF ENVIRONMENTAL AND ENERGETIC QUALITIES FOR TRACTOR FUELS UNITS INAGRO-INDUSTRIAL COMPLEX
A.T. Mantashov, Cand. Ing. Sci., V.M. Demenev,
Perm State Agricultural Academy 23 Petropavlovskaya St., Perm 614990 Russia E-mail: tsat@pgsha.ru
ABSTRACT
Use of alternative flammable, as well use of different additives that change the properties of fuels require a different approach when assessing their environmental and energy qualities. Here is one of possible directions is the use of a more accurate method of calculating the composition and parameters of the products of fuel combustion. In order to analyze the dependence of combustion engine's energy characteristics on fuel composition, numerical technique is required to apply for calculating thermodynamic and thermophysical properties of combustion residues with introduction of new
chemical compounds into fuel. The paper contains the algorithm of calculating and an example of calculating combustion products composition and their state parameters using method of successive approximations: natural gas and air. Example of calculation of an algorithm can be applied in determining the composition and parameters of the combustion residues when using various flammable in combustion engines, including alternative, even with additives that modify their properties. Some conclusions on work were drawn.
Key words: relative chemical formula, stoichiometric ratio offuel components, oxidant excess coefficient, combustion residue, material-balance equation, method of successive approximations.
References
1. V.E. Alemasov. Teorija raketnyh dvigatelej (Rocket motor theory): learning guide for higher institutions / V.E. Ale-masov, A.F. Dregalin, A.P. Tishin / under ed. V.P. Glushko. M.: Mashinostroenie, 1980, 535 p.
2. O.I. Boldyrev. Matematicheskaja model rascheta termodinamicheskih parametrov gomogennoj smesi produktov sgoranija uglevodorodnogo topliva v termodinamicheskom cikle gazoturbinnyh dvigatelej (Mathematical model of thermo-dynamic properties calculation of homogeneous mixture of combustion products of hydrocarbon fuel in thermodynamical cycle of gas-turbine engine) // Molodoj uchenyj, 2011, № 11, pp. 31-35.
3. R.G. Galiev, V.A. Havkin, A.M. Danilov, Trebovanija k benzinam i dizelnym toplivam (Requirements for petrol and diesel). URL: WWW.persnalazc.ru (date retrieved: 02.09.2015).
4. A.V. Kvasnikov, Teorija zhidkostnyh raketnyh dvigatelej (The theory of liquid rocket engines): learning guide for higher institutions, L.: Sudpromizdat, 1959, 541 p.
5. A.S. Kuleshov, Razvitie metodov rascheta i optimizacija rabochih processov DVS (Development of methods of calculation and optimization of working processes of internal combustion engines): Dissertation of Dr.Tech.Sci. M., 2011, 228 p.
6. Termodinamicheskie i teplofizicheskie svojstva produktov sgoranija (Thermodynamic and thermophysical properties of combustion products): information book / V.E. Alemasov [et al.]; under ed. of V.P. Glushko. M. : AN SSSR, 1973, Vol. 3. 623 p.
7. Dvigateli vnutrennego sgoranija (Internal combustion engines): learning guide for higher institutions / A.S. Hachijan [et al.]; under ed. of V.N. Lukanina, 2nd edition. M. : Vysshaja shkola, 1985, 311 p.
8. B.A. Sharoglazov, M.F. Farafontov, V.V. Klementev, Dvigateli vnutrennego sgoranija: teorija, modelirovanie i raschet (Internal combustion engines: theory, modeling and calculation): learning guide for higher institutions / under ed. of B.A. Sharoglazova. Cheljabinsk : JuUrGU, 2004, 344 p.
9. M.I. Sheveljuk, Teoreticheskie osnovy proektirovanija zhidkostnyh raketnyh dvigatelej : learning guide for higher institutions, M.: Oborongiz, 1960, 689 p.
10. M.Kalan, L.Pecha, T. Howard, Issledovanie svojstv ciklov dvigatelja (Studying of the properties of engine cycles): e-resource, 2014. URL: www.udallas.edu/ ...engineering/thermodynamic. (Date retrieved: 10.09.2015).
11. Software development Lotus: [e-resource]. URL: http://www.lesoft.co.uk (Date retrieved: 11.09.2015).
12. Xiaohong Wang, Qiong Lu, Guangzhi Wu, Jialing Shi, Zhi Sun. Termodinamicheskij raschet i jeksperimental'nye issledovanija sinteza sgoranija (Thermodynamic calculation and experimental studies of synthesis combustion) // Journal of Alloys and Compounds: electronic journal, 2015, № 8, URL: www.sciencedirect. com/. ../s092583881501069...
