Содержание к диссертации
Введение
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ. 12
1.1 СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПОДХОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ .12
LL1 Снижение удельного эффективного расхода топлива 14
1.1.2 Улучшение качества смесеобразования и сгорания в бензиновом двигателе 15
1.1.3 Системы нейтрализации продуктов сгорания топлива [62, 68] 19
1.1.4 Повышение качества изготовления отдельных узлов и деталей 22
1.1.5 Использование метанола в качестве топлива бензиновых ДВС 23
1.1.6 Предлагаемый конструктивный способ снижения выбросов СИ и снижения общего выброса токсических веществ за счет повышения эффективного коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания 25
1.2 ВЫВОДЫ 32
1.3 ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 33
2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ МЕТИЛОВОГО СПИРТА ИЗ ОТХОДОВ ОСНОВНОГО ПРОИЗВОДСТВА ПРЕДПРИЯТИЙ
ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 34
2.1 ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ПРЕДПРИЯТИЙ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ. 35
2.2 ПРОЦЕСС ГАЗИФИКАЦИИ ДРЕВЕСИНЫ. ГАЗОГЕНЕРАТОРЫ ПРЯМОГО ПРОЦЕССА 36
2.3 ОЧИСТКА ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА 39
2.4 ЭНЕРГОХИМИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ 39
2.5 ПРЕДЛАГАЕМЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ВИДА ТОПЛИВА-МЕТАНОЛА НА БАЗЕ ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫК УСТАНОВОК, ВХОДЯЩИХ В СОСТАВ ЭНЕРГОХИМРГШСКИХ КОМПЛЕКСОВ 41
2.6 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАНОЛА ИЗ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА 43
2.7 СТЕПЕНЬ УДОВЛЕТВОРЕНИЕ СОБСТВЕННЫХ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОТРЕБНОСТЕЙ ПРИ ПОЛНОЙ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ОСНОВНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА СУСЛОНГЕРСКОМ ЛЕСОКОМБИНАТЕ РЕСПУБЛИКИ МАРИЙ Эл 47
2.8 ВЫВОДЫ 49
3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ДИСКРЕТНОГО МАССОВОГО НАПОЛНЕНИЯ РАБОЧИМ ТЕЛОМ РЕЗЕРВУАРА 50
3.1. МОДЕЛЬ ОТКРЫТОЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 50
3.2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА СЖАТИЯ ГАЗА В КОМПРЕССОРНОМ ЦИЛИНДРЕ, ОСУЩЕСТВЛЯЮЩЕМ ДИСКРЕТНОЕ
МАССОВОЕ НАПОЛНЕНИЕ РЕЗЕРВУАРА 51
3.2.1. Влияние вредного объема компрессорного цилиндра на энергетические показатели процесса сжатия и вытеснения газа из компрессорного цилиндра 56
3.2.2. Масса газа, остающегося во вредном объеме компрессорного цилиндра, по мере увеличения давления в выпускном, трубопроводе 57
3.3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗА ТЕЛИ ПРОЦЕССА ДИСКРЕТНОГО МАССОВОГО НАПОЛНЕНИЯ РАБОЧИМ ТЕЛОМ РЕЗЕРВУАРА 59
ЗА. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ДИСКРЕТНОГО МАССОВОГО НАПОЛНЕНИЯ РЕЗЕРВУАРА 64
3.4.1. Графическая интерпретация процесса сжатия газа в герметичном цилиндре, являющегося ЗТС, и процесса дискретного массового наполнения газом резервуара, являющегося ОТС 66
3.4.2 Численный эксперимент по исследованию процесса дискретного массового наполнения газом резервуара по данным реального физического эксперимента 69
3.4.3. Результаты численного эксперимента по сравнению удельных затрат энергии на сжатие рабочего тела и удельных затрат энергии на дискретное массовое наполнение рабочим телом резервуара 72
3.4.4. Определение эффекта от замены процесса сжатия процессом дискретного массового наполнения 74
3.5. ВЫВОДЫ 81
4. МЕТОДИКА И ПРОГРАММА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ДИСКРЕТНОГО МАССОВОГО НАПОЛНЕНИЯ ВОЗДУХОМ РЕЗЕРВУАРА 82
4.1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ. 82
4.2. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕОБХОДИМОГО ЧИСЛА НАБЛЮДЕНИЙ 82
4.3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОЦЕССА ДИСКРЕТНОГО МАССОВОГО НАПОЛНЕНИЯ ВОЗДУХОМ РЕЗЕРВУАРА 85
4.3.1. Параметры компрессора 89
4.3.2. Определение объема резервуара и соединительной аппаратуры 89
4.3.3. Определение объема ресивера компрессора 91
4.3.4. Определение объема диафрагменной камеры 93
4.3.5. Измерительная аппаратура 95
4.3.6. Герметичность установки 96
4.4 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА 96
4.5 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА 98
4.5.1 Определение коэффициента подачи компрессора 98
4.5.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ ВОЗДУХА, ПОСТУПИВШЕГО ИЗ ДИАФРАГМЕННОГО БЛОКА В РЕЗЕРВУАР В ПРОЦЕССЕ ЕГО ДИСКРЕТНОГО НАПОЛНЕНИЯ ВОЗДУХОМ. 104
4.5.3 Определение средних политроп пр] и пр2 процессов наполнения воздухом резервуаров объемами Vp\ и Vp2 108
4.5.4 Сходимость теоретических и экспериментальных данных 110
4.5.5 Сравнение затрат термодинамической работы на повышение давления воздуха методом разового сжатия в компрессорном цилиндре и методом дискретного массового наполнения резервуара 112
4.6. ВЫВОДЫ 116
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА 117
5.1 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ПРЕДЛАГАЕМОЙ КОНСТРУКЦИИ 117
5.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ОТ ЗАМЕНЫ ЧАСТИ КАРБЮРАТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТРАДИЦИОННОЙ КОНСТРУКЦИИ НА ДВИГАТЕЛИ ПРЕДЛАГАЕМОЙ КОНСТРУКЦИИ в ГОРОДЕ ЙОШКАР-ОЛА : 118
5.3 ОБЩИЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ 121
5.4 ВЫВОДЫ 123
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ: 124
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК; 126
ПРИЛОЖЕНИЯ 136
- Системы нейтрализации продуктов сгорания топлива [62, 68]
- ПРЕДЛАГАЕМЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ВИДА ТОПЛИВА-МЕТАНОЛА НА БАЗЕ ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫК УСТАНОВОК, ВХОДЯЩИХ В СОСТАВ ЭНЕРГОХИМРГШСКИХ КОМПЛЕКСОВ
- Влияние вредного объема компрессорного цилиндра на энергетические показатели процесса сжатия и вытеснения газа из компрессорного цилиндра
Введение к работе
Машинотракторный парк современных деревообрабатывающих предприятий включает в себя:
стационарные машины - транспортеры и конвейеры с электроприводом;
мобильные машины - погрузчики с электрическим приводом или приводом от двигателей внутреннего сгорания.
По удельной грузоподъемности, то есть по отношению массы груза, которую может поднять единица массы погрузчика, преимуществом обладают погрузчики с приводом от двигателей внутреннего сгорания (ДВС) [10], поэтому, при прочих равных условиях, их использование предпочтительнее. Однако отечественные автопогрузчики оснащаются в основном ДВС с принудительным воспламенением - бензиновыми двигателями [10], которые являются более токсичными по сравнению с дизельными ДВС.
Поэтому актуальным является вопрос снижения токсичности продуктов сгорания топлива бензиновых ДВС погрузчиков, работающих на деревообрабатывающих предприятиях. Так же желательно, чтобы снижение токсичности было достигнуто за счет утилизации отходов основного производства этого деревообрабатывающего предприятия.
Производители ДВС, в связи с ужесточением законодательства по требованиям к токсичности отработавших газов, свои новые изделия стремятся сделать экологически более чистыми и в этом направлении к настоящему моменту фактически достигнут предел совершенства бензиновых ДВС за счет использования микропроцессорных систем управления топливоподачеи и зажиганием, за счет использования полного расширения продуктов сгорания топлива и за счет использования систем нейтрализации продуктов сгорания топлива.
Решение задач, по обеспечению требуемой чистоты отработавших газов, достигается за счет увеличения количества потребляемого топлива, то есть за счет потребления невозобновимых источников энергии. Дополнительное топ-
ливо расходуется, например, на преодоление гидравлических сопротивлений, которое создает каталитический нейтрализатор отработавших газов, устанавливаемый в выпускной трубопровод автомобиля и служащий для снижения выбросов монооксида углерода, несгоревших углеводородов и окислов азота.
Более радикальное снижение токсичности отработавших газов, при постоянном повышении качества деталей, может быть достигнуто за счет изменения конструкции бензиновых ДВС - за счет изменения формы камеры сгорания и ее размещения. Однако такие изменения в конструкции приводят к еще большему увеличению потребления топлива, ввиду увеличения пар или поверхностей трения и делают ДВС этих конструкций неконкурентоспособными по отношению к бензиновым ДВС, выпускаемым сегодня.
Применение в качестве топлива метилового спирта позволяет несколько улучшить экологические показатели бензинового ДВС за счет более низкой удельной теплоты сгорания, что приводит к снижению выбросов окислов азота, при полном отсутствии в отработавших газах монооксида углерода и тетра-этилсвинца. Однако, выбросы несгоревших углеводородов сохраняются практически на прежнем уровне, как и при работе на бензине, и уменьшить их количество в отработавших газах можно лишь изменив конструкцию ДВС, что связано с увеличением расхода топлива.
Таким образом, к настоящему времени резервы совершенствования бензинового ДВС с целью улучшения его экологических характеристик, даже в случае перехода на метиловый спирт, фактически исчерпаны.
Сделать бензиновый ДВС экологически более совершенным без ухудшения показателей экономичности его работы можно, если компенсировать затраты энергии на улучшение экологических характеристик за счет снижения затрат энергии на протекание одного из процессов, составляющих рабочий цикл ДВС, - всасывания, сжатия, смесеобразования и сгорания, расширения, выпуска. Процессы всасывания и выпуска протекают с затратами энергии на преодоление сил трения между поршнем и стенкой цилиндра, на преодоление разности
7 давлений в над- и подпоршневом пространстве, и улучшение протекания этих
процессов дает незначительный результат, при этом и возможности улучшения сильно ограничиваются габаритными размерами и параметрами конструкционных материалов ДВС. Улучшение процессов смесеобразования и сгорания в бензиновых двигателях еще можно улучшить за счет осуществления непосредственного впрыска топлива в цилиндр, что и пытаются в настоящий момент внедрить ведущие западные двигателестроительные компании. Процесс расширения, осуществляемый в цилиндре ДВС, как показывают исследования [24], является наиболее оптимальным с энергетической точки зрения. Таким образом, резервом улучшения может служить лишь процесс сжатия рабочего тела.
Как показывают проведенные автором экспериментальные исследования, замена процесса сжатия рабочего тела в камере сгорания надпоршневого типа, на процесс дискретного массового наполнения из компрессорного цилиндра рабочим телом выносной камеры сгорания, расположенной в головке ДВС, может значительно сократить затраты энергии на осуществление рабочего цикла. Это применимо как к ДВС, работающему на дизельном топливе или бензине, так и к ДВС, работающему на метаноле.
Метиловый спирт выгоднее всего производить в местах расположения предприятий деревообрабатывающей промышленности и изготавливать его из отходов основного производства деревообрабатывающих предприятий, которые в больших количествах засоряют территории лесоперерабатывающих предприятий. Для этого первоначально необходимо из древесных отходов получить генераторный газ со значительным процентным содержанием монооксида углерода и водорода, выделить из смеси газов монооксид углерода и водород и синтезировать метиловый спирт согласно имеющейся технологии его производства в химической промышленности.
Цель настоящей работы состоит в технико-технологическом обосновании совершенствования экологических характеристик тепловых двигателей маши-
8 нотракторного парка деревообрабатывающих предприятий при использовании
отходов основного производства.
Объекты и предмет исследования. Объектами исследования являются тепловые двигатели машинотракторного парка деревообрабатывающих предприятий. Предметом исследования являются экологические характеристики ДВС с дискретным массовым наполнением рабочим телом выносной камеры сгорания, при использовании в качестве топлива метанола, полученного в результате переработки отходов производства деревообрабатывающих предприятий.
Методы исследования. Теоретические методы исследования основаны на
научных положениях термодинамики открытых систем, статистической физики и используют теорию дифференциальных уравнений в конечных разностях, прикладные пакеты компьютерных программ Delphi 4.0, Statistica, Excel, Math-CAD.
Проводилось сравнение результатов теоретического анализа процесса дискретного массового наполнения герметичного резервуара с данными лабораторных исследований.
Научная новизна.
Разработана технологическая схема получения метилового спирта из отходов основного производства деревообрабатывающих предприятий.
Разработан конструктивный способ уменьшения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания и способ дискретного массового наполнения рабочим телом выносной камеры сгорания.
Разработана методика определения суммарных затрат термодинамической работы на процесс дискретного массового наполнения рабочим телом герметичного теплоизолированного резервуара, являющегося в про-
9 цессе его наполнения из компрессорного цилиндра открытой термодинамической системой.
Определен эффект от замены процесса сжатия идеального газа в герметичном теплоизолированном цилиндре поршневой машины на процесс дискретного массового наполнения герметичного теплоизолированного резервуара.
Определен экологический эффект от использования метилового спирта в качестве моторного топлива, полученного в результате переработки годового объема отходов основного производства деревообрабатывающих предприятий Республики Марий Эл.
Достоверность результатов. Обоснована совпадением результатов теоретических расчетов с опытными данными, полученными в результате лабораторных исследований. Полученные результаты имеют сходимость с данными, полученными другими исследователями, работавшими в этой же области.
Научная ценность работы. Заключается в разработке методики расчета суммарных затрат термодинамической работы на процесс дискретного массового наполнения герметичного теплоизолированного резервуара из компрессорного цилиндра и доказательстве снижения удельной токсичности отработавших газов ДВС, работающего на метаноле, при замене процесса разового сжатия (повышение давления в закрытой термодинамической системе), на процесс дискретного массового наполнения (повышение давления в открытой термодинамической системе).
Практическая ценность работы. Предложенные методики расчета и зависимости могут быть использованы в практике проектирования двигателей внутреннего сгорания со сниженной удельной токсичностью отработавших газов, а предложенная технологическая схема может быть использована для по-
10 лучения метилового спирта из отходов производства деревообрабатывающего
предприятия.
На защиту выносятся:
экологический эффект от использования метилового спирта в качестве моторного топлива, полученного в результате переработки годового объема отходов основного производства деревообрабатывающих предприятий Республики Марий Эл.
технологическая схема синтезирования метанола из генераторного газа, полученного в результате газификации древесных отходов деревообрабатывающих предприятий.
методика определения суммарных затрат термодинамической работы на процесс дискретного массового наполнения рабочим телом герметичного теплоизолированного резервуара и результаты численного эксперимента по определения эффекта от замены процесса сжатия идеального газа в герметичном теплоизолированном цилиндре поршневой машины на процесс дискретного массового наполнения рабочим телом герметичного теплоизолированного резервуара.
способ уменьшения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания и способ дискретного массового наполнения выносной камеры сгорания.
Результаты приведенных исследований докладывались, обсуждались и были одобрены на второй международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» (Казань, 2001 г), на всероссийских междисциплинарных научных конференциях - Четвертых, Пятых, Шестых и Седьмых Вавилов-ских чтениях (Йошкар-Ола, 2000-2003 гг.).
Результаты исследований применены при теоретической разработке ДВС, использующего свойства открытых термодинамических систем на ОАО «КамАЗ», в учебном процессе МарГТУ.
По материалам диссертации подана одна заявка на изобретение и опубликовано одиннадцать печатных работ.
Личный вклад автора. Заключается в разработке методики определения суммарных затрат термодинамической работы на процесс дискретного массового наполнения рабочим телом герметичного теплоизолированного резервуара; предложена конструкция ДВС, работающего на метаноле и использующего для повышения давления рабочего тела метод дискретного массового наполнения выносной камеры сгорания (ВКС); показано снижение удельного количества вредных выбросов такого ДВС, при его работе на метаноле, по сравнению с удельными вредными выбросами ДВС традиционной конструкции и аналогичными геометрическими параметрами, также работающем на метаноле.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения; пяти глав, содержащих основные логические обоснования, зависимости и практический материал; заключения с выводами и рекомендациями; списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы - 189 страниц машинописного текста, включая 41 рисунок, 13 таблиц, библиографию из И 7 наименований и приложения на 51 странице.
Системы нейтрализации продуктов сгорания топлива [62, 68]
Существует несколько типов нейтрализаторов, применяемых для снижения токсичности продуктов сгорания топлива: окислительные (для окисления монооксида углерода СО и несгоревших углеводородов СН), восстановительные (для восстановления азота из его окислов NOx) и трехкомпонентные, в которых нейтрализуются СО, СН и NOx. Наиболее эффективными являются трехкомпонентные нейтрализаторы (рис. 1.6), но для их эффективной работы требуется поддерживать коэффициент избытка воздуха постоянно равным 1. Такое постоянство коэффициента избытка воздуха обеспечивают электронные системы управления центральным и распределенным впрыска топлива, снабженные датчиком свободного кислорода, устанавливаемым в выпускном коллекторе перед нейтрализатором. Поэтому трехкомпонентные нейтрализаторы применяются на бензиновых двигателях, снабженных системами впрыска топлива. Тенденция мирового производства бензиновых ДВС с распределенным впрыском топлива такова, что в скором времени эти ДВС найдут наиболее широкое применение, ввиду наименьшей токсичности их отработавших газов.
В камере окисления СО и СН происходит их окисление до углекислого газа и водяного пара. Конструктивно нейтрализатор состоит из металлического корпуса 1 с фланцами (рис.1.7), в котором находится собственно носитель 2, покрытый активным каталитическим слоем 3. Наибольшее распространение в настоящее время получили носители из термостойкой керамики. Монолит носителя изготавливается методом экструдирования (выдавливания), имеет обычно овальную или круглую форму. Он пронизан квадратными каналами (обычно 31, 46, 62, 93 ка-нала или более на 1 см площади поперечного сечения), расположенными по направлению протекания продуктов сгорания топлива.
Обычно материал активного каталитического слоя в камере восстановления NOx - родий, в камере окисления СО и СН - платина.. Устройство каталитического нейтрализатора: 1 -металлический корпус; 2-носитель; 3 - активный каталитический слой
К недостаткам каталитического нейтрализатора можно отнести низкую механическую прочность, ввиду хрупкости керамической структуры, значительное время прогрева до рабочей температуры (выше 250 С), резкое снижение срока службы в случае наличия в топливе свинца и его соединений.
Таким образом, на основании анализа, проведенного предыдущих и текущем пунктах, можно сделать следующий вывод: минимум токсичности отработавших газов поршневого бензинового ДВС, производимого сегодня, достигается)? бензинового ДВС с полным расширением продуктов сгорания топлива, оснащенного системой распределенного впрыска топлива (включающую электронную систему управления зажиганием) и трёхкомпонентным нейтрализатором продуктов сгорания топлива. Дальнейшее совершенство бензиновых ДВС связано с заменой способа внешнего смесеобразования, когда горючая смесь приготавливается вне пространства цилиндра, на внутреннее смесеобразование [68], когда горючая смесь приготавливается во внутренней полости цилиндра в конце процесса сжатия непосредственно перед началом сгорания топлива. Это позволит отказаться от применения антидетонирующей добавки -тетраэтилсвинца и тем самым снизить загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами и продлить срок службы нейтрализаторов.
Качество изготовления некоторых узлов и деталей оказывает значительное влияние на токсичность продуктов сгорания топлива. Например, от качества деталей цилиндропоршневой группы в значительной степени зависит количество смазочного масла, которое попадает из картера в камеру сгорания при работе двигателя. Попадание смазочного масла в камеру сгорания и его участие в процессе сгорания топлива приводит к значительному увеличению токсичности продуктов сгорания топлива, в частности к увеличению содержания в них не-сгоревших углеводоров.
Увеличение шероховатости внутренней поверхности головки двигателя, боковой поверхности цилиндра и днища поршня, являющихся частями камеры сгорания, приводит к увеличению площади боковой поверхности камеры сгорания и увеличению количества тепла, отводимого в процессе сгорания в стенки камеры сгорания, что приводит к снижению максимальной температуры и максимального давления конца процесса сгорания, что ведет к снижению эффективного КПД двигателя и увеличению удельного выброса продуктов сгорания топлива и токсических составляющих этих продуктов.
Кроме того, увеличение шероховатости поверхности приводит к увеличению степени неоднородности топливовоздушной смеси в пристеночных зонах, что при ее сгорании ведет к увеличению выброса токсических составляющих продуктов сгорания топлива.
Наличие на шероховатых стенках смазочного масла и его сгорание приводит к закоксовыванию неровностей и увеличению степени черноты стенки, что приводит к увеличенной теплопередаче методом излучения в процессе сгорания, что также снижает максимальные температуру и давление в конце процесса сгорания и в итоге приводит к снижению индикаторного и эффективного КПД две.
Нефтедобывающая отрасль вносит значительный вклад в загрязнение окружающей среды, потребители топлива - автотранспортные средства и промышленные предприятия загрязняют окружающую среду, деревообрабатывающие производства отходами основной деятельности также загрязняют окружающую среду.
Снизить негативное влияние всех перечисленных факторов на окружающую среду позволит переработка отходов производства деревообрабатывающей промышленности для получения метанола и его использования в качестве моторного топлива.
После исчерпания органических невозобновимых источников энергии (нефть, газ, уголь) - автотранспортные средства и объекты теплоэнергетики, использующие невозобновимые источники энергии, не превратятся в технологический мусор, если в качестве топлива будут использовать вещества, полученные методом синтеза из возобновимых источников энергии. Например, метиловый спирт, который можно получать из продуктов газификации древесины.
Предлагаемый способ получения альтернативного вида топлива-метанола на базе газогенераторнык установок, входящих в состав энергохимргшских комплексов
Схема установки для получения метанола на базе энергохимического комплекса (ЭХК) ЦНИЛХИ-ЦНИИМЭ представлена на рис.2.4. Установка включает в себя собственно ЭХК с газогенератором (ГГ) и газовым дизелем (ГД), установку по осушению и удалению из генераторного газа кислорода и сероводорода 2, установку по молекулярному разделению генераторного газа 3, газовые компрессоры 4, реактор для синтезирования метилового спирта 5, станцию заправки углекислых огнетушителей 6, резервуар сжатого азота 7.
Работает предлагаемая установка следующим образом ЭХК производит генераторный газ, который направляется не в газовые дизели ЭХК, а через обес-кислороживатель генераторного газа, в нижнюю часть установки молекулярного разделения генераторного газа. В ней при движении вверх более теплого по сравнению с атмосферным воздухом генераторного газа происходит его разделение на отдельные газы (на рис.2.4 приведены размеры пор молекулярных сит).
Далее часть монооксида углерода и все углеводороды направляются в газодизели ЭХК для их сжигания. Углекислый газ идет на станцию заправки огнетушителей, азотом наполняется емкость для продувки линий сжатия монооксида углерода и водорода перед началом синтезирования метилового спирта. Водород и монооксид углерода сжимаются в отдельных магистралях до давления 500 атмосфер и направляются в реактор, где при температуре в 600 К на катализаторе из окиси хрома и окиси цинка или на катализаторе из меди, цинка и хрома идет синтезирование метилового спирта. Описанная выше технология получения метилового спирта является типовой и применяется на многих химических предприятиях [56]. Нетиповым элементом в рассмотренной технологической схеме является молекулярное разделение генераторного газа.
Основу установки молекулярного разделения составляют цеолитовые молекулярные сита [12], которые пропускают через себя лишь молекулы тех газов, чьи размеры меньше размеров пор в молекулярном сите. Примерный состав генераторного газа приведен в таблице 2.2. Кинетический диаметр молекул газов при температуре 300 К, входящих в состав генераторного газа, приведен в таб 43 лице 2.3 [12]. Наиболее близкие по кинетическому диаметру пор цеолиты природного и синтетического происхождения для фильтрации молекул этого газа также приведен в таблице 2.3, там же приводится кинетический диаметр их пор.
Кинетический диаметр молекул некоторых газов Компоненты генераторного газа СО со2 сн41 н2 N2 Кинетический диаметр молекул газа, нм 0,37 6 0,33 0 0,38 0 0.28 9 0,364 Синтетический цеолит для сепарирования газа P-W Sr-D Na-D Ва-G P-W Кинетический диаметр оор синтетического цеолита, нм 0,38 0,35 0,43 0,30 0,38 Природный цеолит для сепарирования газа н я ч о ЦеолитN-A Цеолит N-A Гидросодалит я я Кинетический диаметр пор природного цеолита, нм 0,39 0,43 0,43 0,26 0,37
Стабильность структуры при нагреве до температуры, С 350 700 700 800 800
На выходе из реактора синтезирования метилового спирта помимо основного продукта образуется диметиловый эфир (до 2%), высшие спирты, а также вода до 6%. Наличие диметилового эфира в синтезированном продукте является положительным. При работе двигателя на спиртовом топливе возникают трудности с его запуском [75]. Введение в состав топлива нескольких процентов диметилового эфира позволяет улучшить пусковые качества двигателя [75].
Согласно данным [14] при заготовке древесины в республике Марий Эл в 2001 году количество отходов в виде коры составило 10% от объема заготов-ленной древесины, то есть 60 тыс. м , количество отходов основного производства в виде стружки и опилок составило также 10%, то есть 60 тыс.м3. Средняя плотность коры хвойных пород деревьев в абсолютно сухом состоянии состав-ляет рКгХ.д. =680 кг/м , средняя плотность древесины хвойных пород в абсолютно сухом состоянии составляет рх$ =470 кг/м3, средняя плотность коры лиственных пород деревьев в абсолютно сухом состоянии составляет Рк.л.д. -736 кг/м3, средняя плотность древесины лиственных пород в абсолютно сухом состоянии составляет рл$ =600 кг/м . Значения для абсолютно сухой коры и древесины приводятся потому, что прежде чем поступить в газогенератор измельченные древесные отходы высушиваются в барабанной сушилке.
Как следует из того же [14] соотношение между лиственными и хвойными породами деревьев в общем объеме лесозаготовок составляло %л =60% лиственных и Хх =40% хвойных, при общем объеме лесозаготовок в )2 = 600 тыс. м в год. Тогда количество отходов составляет Qomx = 0,2 Q 120 тыс. м в год.
Следовательно, масса отходов в 2001 году приблизительно составила Мотх = Qomx Рг = 75696 тонн. Согласно [23] газификация 1 кг абсолютно сухой древесины дает не менее 1,6 м генераторного газа, а газификация 1 кг абсолютно сухой коры дает не менее 1,4 м3 генераторного газа. Так как соотношение между корой и стволовой древесиной в общем объеме отходов одинаково (по 10%), то средний выход генераторного газа при сжигании 1 кг древесины составит 1,5 м3.
При газификации всей годовой массы отходов Мотх выделится К тх = 1,5 - Afomx =1,5-75696000 = 113544000 м3 генераторного газа.
Имеются данные о составе генераторного газа, полученного в результате газификации отходов примерно такого же фракционного состава, как и в нашем случае [64]; 25% коры и 75 % щепы елового происхождения (в нашем случае 50% коры и 50% щепы). Состав генераторного газа получался следующим; С02 - 4,95%; СО - 23,6%; СН4 - 1,25%; Н2 - 9,8%; 02 - 0,2%; N2 - 54,63%.
Влияние вредного объема компрессорного цилиндра на энергетические показатели процесса сжатия и вытеснения газа из компрессорного цилиндра
первом рабочем ходе поршня 7 (рис.3.1) давление на выходе из компрессорного цилиндра 4 равно атмосферному ра и поэтому повышения давления в компрессионном цилиндре практически не происходит. При этом после выталкивания газа из рабочего объема, во вредном объеме остается газ массой:
Теперь предположим, что в 1-м такте в компрессорном цилиндре 4 необходимо сжать газ до давления рс,, величина которого определяется давлением, создавшимся в резервуаре 1 после (/-і)- го такта сжатия в компрессорном цилиндре и выталкивании оттуда газа.
Если процесс сжатия газа в компрессорном цилиндре 4 (рис.3.1) полит V4
Полагая давление ра - const и твр = const можно сказать, что зависимость между массой воздуха, оставшейся во вредном объеме компрессорного цилиндра 4 после завершения і - го такта сжатия и выталкивания пропорциональна степенной функции от давления, создаваемого в компрессорном цилиндре 4 в 7-м такте сжатия и выталкивания. График зависимости д от давления,
до которого осуществляется сжатие в компрессорном цилиндре 4, построенный методом численного моделирования, показан на рис.3.5.
Тогда, масса газа, поступающая в / - м такте сжатия и выталкивания из компрессорного цилиндра 4 в резервуар 1 с учетом вредного объема составит:
Предположим, что стенки резервуара 1 (рис.3.1) абсолютно не воспринимают тепло, и что через них отсутствуют любые утечки массы рабочего тела. Рабочим телом в нашем случае является идеальный газ, далее просто газ. Предположим, что в резервуар вталкивается тот же газ, что и содержится в нем. В первом приближении будем также полагать, что изобарные и изохорные теплоемкости Ср и Cv не зависят от температуры газа, что влияние скорости подачи газа на процесс повышения давления отсутствует, что отсутствуют также и гидравлические сопротивления по всей длине трубопровода, а сам он не создает дросселирования при выталкивании газа из компрессорного цилиндра в резервуар.
Притекающий из компрессорного цилиндра газ вносит в резервуар теплоту в виде внутренней энергии и совершает над газом, содержащемся в резервуаре, работу, за счет увеличения концентрации молекул. То есть, при выталкивании поджатого в компрессорном цилиндре газа над газом, содержащемся в резервуаре, совершается работа и осуществляется подогрев газа.
Таким образом, над газом, содержащемся в резервуаре, работу совершает газ, притекающий из компрессорного цилиндра, он же передает теплоту.
і Над газом, содержащемся в цилиндре поршневого ДВС, являющемся закрытой термодинамической системой, работу совершает твердое тело -поршень, и теплоту ему передают твердые тела — стенки цилиндра и поршень. В этом заключается принципиальное различие в осуществлении процессов повышения давления методом сжатия и методом дискретного массового наполнения.
При перетекании в резервуар газа, поджатого в компрессорном цилиндре в 1-м такте, происходит изменение внутренней энергии газа, находящегося в резервуаре. Оно происходит за счет притока энтальпии газа из компрессорного цилиндра: где энтальпия подводимого из компрессионного цилиндра газа в /- м такте сжатия и выталкивания: истинная изобарная теплоемкость, температура и масса газа,
поступающего из компрессорного цилиндра в / - м такте сжатия и выталкивания; зависимости для определения истинной изобарной теплоемкости воздуха и основных продуктов сгорания углеводородных топлив приведены в [11]; для
dUj - изменение внутренней энергии газа, находящегося в резервуаре, вызванное притоком туда энтальпии dJ± из компрессорного цилиндра в /- м такте. Оно является полным (точным) дифференциалом изменения [96, 97]:
dUt = Ui-Ui-i - CvMfi - CVi_fl MiA, (3.3.3)
где Uі - внутренняя энергия газа, который будет находиться в резервуаре после і - го такта сжатия и выталкивания из компрессорного цилиндра;
- молярная масса газа, поступающего из компрессорного цилиндра в резервуар; Чк)пост Чк]вр- і(к)вал Чк)деф числ поступательных, вращательных степеней
свободы молекулы газа, поступающего из компрессорного цилиндра в резервуар; число валентных степеней свободы (изменения расстояний по связям атомов); число деформационных степеней свободы (изменения углов по связям атомов в молекуле) соответственно;
