Содержание к диссертации
Введение
1 Применение метанола в качестве топлива для дизельных двигателей 7
1.1 Альтернативные моторные топлива как средство решения экологических и экономических проблем 7
1.2 Способы применения метанола, как топлива в дизелях. сравнительная оценка способов 17
1.3 Выводы. цели и задачи исследования 29
2 Обзор конструкций устройств для питания двигателей испаренным топливом и выбор принципиальной схемы испарителя метанола 33
2.1 Классификация устройств для питания двигателей испаренным топливом 33
2.2 Обзор конструкций испарителей систем питания двигателей... 36
2.3 Выбор типа и принципиальной схемы испарителя для системы питания дизеля испаренным метанолом 46
3 Математическая модель пористого испарителя метанола 53
3.1 Краткий анализ работ, связанных с исследованием теплообмена в пористых структурах 53
3.2 Математическая модель процесса испарения 66
3.3 Математическая модель теплообмена в теплоотдающеи части испарителя 73
3.4 Математическая модель и методика расчета пористого испарителя метанола 77
4 Расчетно-эксперименталыюе исследование работы испарителя метанола 86
4.1 Экспериментальное исследование процесса испарения метанола из пористых структур 86
4.2 Экспериментальное исследование теплообмена при вынужденной конвекции воды через пористую структуру 93
4.3 Экспериментальное исследование работы испарителя метанола 99
4.4 Расчетное исследование испарителя метанола. оптимизация конструкции испарителя 107
5 Исследование экологических и технико-экономических показателей дизеля с системой питания испаренным метанолом 119
5.1 Моторный стенд для проведения исследований 119
5.2 Результаты испытаний дизеля с дополнительной системой питания 126
5.3 Методика комплексной оценки эффективности применения альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания 140
5.4 Разработка рекомендаций по проектированию систем питания дизелей испаренным метанолом и выбору законов управления системой 147
Заключение 160
Список литературы 162
- Способы применения метанола, как топлива в дизелях. сравнительная оценка способов
- Выбор типа и принципиальной схемы испарителя для системы питания дизеля испаренным метанолом
- Математическая модель теплообмена в теплоотдающеи части испарителя
- Экспериментальное исследование теплообмена при вынужденной конвекции воды через пористую структуру
Введение к работе
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и, в частности, дизельные двигатели являются одним из основных источников загрязнения окружающей среды. Сжигая нефтяное топливо, запасы которого постоянно уменьшаются, они выбрасывают в атмосферу большое количество вредных веществ.
Одним из путей снижения вредного воздействия отработавших газов (ОГ) на окружающую среду и экономии ресурсов дизельного топлива (ДТ) является применение в качестве топлива метилового спирта. Преимуществами метанола являются: наличие обширной сырьевой базы, отработанных технологий и производственных мощностей для его синтеза; удобство использования, так как метанол в нормальном состоянии - жидкость; одновременное снижение выбросов основных токсичных компонентов дизельного выхлопа - оксидов азота и твердых частиц.
Перевод парка дизельных двигателей на питание метанолом в ближайшем будущем невозможен, так как это требует существенного увеличения уровня производства метанола, развития сети заправочных станций, а также сложной доработки или замены существующих дизелей. В связи с этим в настоящее время целесообразна разработка способов и устройств для частичной замены дизельного топлива метанолом при сохранении возможности работы двигателя на дизельном топливе.
Существует несколько способов частичной замены дизельного топлива метанолом. Основные из них:
- использование эмульсии метанола в дизельном топливе;
- использование продуктов каталитического разложения метанола;
- подача испаренного метанола на впуск дизеля.
Сравнительная оценка приведенных выше способов по критерию комплексной экономической эффективности, учитывающему изменение затрат на топливо и изменение экономического ущерба от выброса вредных ве ществ в атмосферу при использовании того или иного способа, показала, что
наиболее эффективным на ближайшую перспективу является подача испаренного метанола на впуск дизеля.
Применение систем питания дизелей испаренным метанолом, по литературным данным, позволило бы уменьшить потребление дизельного топлива на 30,..50 % , снизить выбросы оксидов азота и твердых частиц, а также создать инфраструктуру для производства и распределения метанола и накопить опыт работы с этим видом топлива.
Анализ работ отечественных и зарубежных ученых по использованию испаренного метанола в двигателях показал, что во-первых основная часть исследований проводилась на двигателях с искровым зажиганием, а работа дизелей с добавкой испаренного метанола исследована недостаточно, во-вторых необходима разработка компактной и надежной конструкции испарителя для систем питания дизеля метанолом.
Анализ конструкций устройств для испарения жидкостей показал, что наилучшими энергетическими показателями обладают испарители на основе пористых структур, однако в ходе патентного поиска не было найдено конструкций, способных работать в составе систем питания дизеля испаренным метанолом. Обзор теоретических исследований по теплообмену в пористых средах показал, что эти вопросы глубоко исследованы в тепловых трубах и системах пористого охлаждения и тепловой защиты. Модели и методики расчета пористых испарителей найдены не были.
Целью настоящей работы является улучшение экологических показателей дизеля подачей испаренного метанола на впуск.
В диссертации впервые разработаны методики комплексной оценки эффективности применения альтернативных топлив в ДВС; экспериментально получены зависимости, характеризующие влияние доли метанола в общем расходе топлив и угла опережения впрыска топлива на экологические и технико-экономические показатели дизеля; разработана математическая мо
дель и методика расчета пористого испарителя метанола; экспериментально установлены взаимосвязь между тепловым потоком, пористостью и интенсивностью теплообмена при испарении метанола из пористых структур, а также взаимосвязь между параметрами пористой структуры и интенсивностью теплообмена при вынужденной конвекции воды в волокновой медной пористой структуре.
Проведенные исследования позволяют решать следующие практические задачи:
1. Производить комплексную экологическую и технико-экономическую оценки эффективности применения альтернативных топлив в ДВС.
2. Производить расчеты пористых испарителей метанола.
3. Разрабатывать конструкции модульных пористых испарителей метанола для дизельных двигателей.
4. Проектировать системы питания дизелей испаренным метанолом.
5. Выбирать закон подачи метанола в дизель для удовлетворения заданных требований по токсичности выхлопа и экономии дизельного топлива.
Способы применения метанола, как топлива в дизелях. сравнительная оценка способов
Эмульсии спиртов в дизельных топливах - наиболее простой способ использования метанола в дизелях. Особенностью эмульсий является необходимость в наличии эмульсификатора, который расширяет пределы допустимого содержания воды в метаноле, по сравнению с растворами без эмульсификаторов. Главными недостатками эмульсий являются высокая стоимость эмульсификаторов и ухудшение физических свойств при низких температурах. Эмульсии, особенно содержащие воду, имеют тенденцию к повышению вязкости при температуре около О С. Для создания стабильной эмульсии необходимо примерно равное количество эмульсификатора и спирта, поэтому большое значение имеет влияние эмульсификатора на вредные выбросы двигателя и его экономические показатели.
Эмульсии спиртов бывают двух типов [54]: стабильные и нестабильные. Стабильные эмульсии являются микроэмульсиями и нуждаются в поверхностно-активных веществах, они не разделяются при нормальных условиях. Нестабильные эмульсии разделяются, если их не перемешивают в течение определенного периода. Преимущество нестабильных эмульсий состоит в том, что они не требуют дорогих поверхностно-активных веществ. Для получения нестабильных эмульсий используют специальные устройства - эмульгаторы, устанавливаемые в топливную систему дизеля [53]. Стабильные эмульсии легко перекачиваются обычным топливным насосом дизельного двигателя и топливовпрыскивающей системой. При использовании нестабильных эмульсий возникают проблемы, связанные с необходимостью очистки топливопроводов для предотвращения разделения эмульсии после остановки двигателя. Последующий запуск с разделившейся эмульсией может вызвать пропуски вспышек, нестабильную работу двигателя. Изменение конструкции двигателя для работы на эмульсиях не требуется, однако необходимо дооборудование топливного насоса переключателем, обеспечивающим соответствующую подачу в зависимости от рода топлива.
Эмульсии имеют, по сравнению с дизельным топливом, более низкую теплоту сгорания и цетановое число, например при содержании 20 % метанола в топливе его теплота сгорания на 16 % ниже, чем теплота сгорания ди 19 зельного топлива, а цетановое число составляет 30 единиц. Применение эмульсий приводит к снижению мощности двигателя. Добавка 20 % метанола понижает мощность примерно на 7.. Л1 % , и КПД двигателя примерно на 5 % [62,63]. Отмечается повышение выбросов NOx, так как снижается цетановое число топлива, увеличивается период задержки воспламенения, максимальные давление и температура цикла [64]. Выбросы углеводородов также повышаются из-за более высокой теплоты парообразования, что вызывает замедленное испарение и смешивание топлива с воздухом. Выбросы оксида углерода в основном не изменяются при мощности ниже номинальной. При полной нагрузке выбросы СО снижаются из-за повышения коэффициента избытка воздуха. Выбросы сажи в основном снижаются пропорционально количеству спирта в эмульсии [53,54]. Это можно объяснить тем, что метанол являясь кислородсодержащим топливом сгорает без дыма на большинстве рабочих режимов.
Продукты каталитического разложения (ПКР) спирта. Метанол может подвергаться разложению при повышенных температурах в присутствии катализатора, при этом образуются водород и оксид углерода. Реакция разложения метанола эндотермическая, поэтому возможно осуществление термохимической регенерации теплоты отработавших газов следующим образом. Метанол из топливного бака поступает в термохимический реактор, обогреваемый проходящими через него отработавшими газами, где в присутствии катализатора разлагается на моноксид углерода и водород по реакции:
Так как реакция идет с поглощением теплоты, то ее продукты имеют теплоту сгорания выше на 22 %, чем исходное вещество - метанол, то есть происходит преобразование тепловой энергии отработавших газов в химическую энергию получаемого синтез-газа [55]. Синтез-газ, смешиваясь с возду 20 хомэ направляется в цилиндры двигателя, где воспламеняется запальной порцией дизельного топлива и, сгорая, выделяет накопленную энергию. Таким образом часть теплоты отработавших газов возвращается в цикл двигателя. Описанный выше способ позволяет повысить КПД двигателя до уровня 45...50% (на номинальном режиме) и существенно снизить выбросы токсичных компонентов. Недостатками способа являются усложнение конструкции и то, что осуществление реакции возможно при температурах выше 250 С, то есть не на всех режимах работы дизеля. При добавке продуктов конверсии метанола на впуск дизеля уменьшаются выбросы сажи при увеличении выбросов NOx, СО и СН [61,74].
Подача испаренного метанола на впуск. Среди других методов использования метанола в дизельных двигателях данный является особенно привлекательным так как сохраняется возможность работы на чистом дизельном топливе, а также возможен плавный переход с однотопливного режима на двухтопливный [51]. Метанол испаряется в специальном устройстве - испарителе за счет теплоты отработавших газов или охлаждающей жидкости и подается во впускной трубопровод. Применение такой системы позволяет конвертировать практически любой дизельный двигатель для работы с добавкой метанола без существенных затрат. Модернизированный дизель по характеристикам приближается к газовым двигателям с низкой токсичностью выхлопа и высокими экономическими показателями. К недостаткам способа можно отнести невозможность работы системы на непрогретом двигателе и опасность конденсации метанола на стенках трубопровода, что может привести к повышенному износу цилиндро-поршневой группы.
Выбор типа и принципиальной схемы испарителя для системы питания дизеля испаренным метанолом
На основе приведенного анализа литературы по теплообменным аппаратам предназначенным для парообразования, а также патентной информации с учетом названных требований был выбран испаритель выполненный на основе пористых структур. Данный выбор сделан по следующим соображениям: - пористый испаритель является наиболее компактным (его габаритный объем будет в 2... 10 раз меньше, чем у испарителей другого типа с аналогичной производительностью), так как значения коэффициента теплоотдачи при испарении из пористых структур наивысшие; - пористый испаритель обеспечивает наиболее качественное испарение, так как пористая структура удерживает жидкое топливо внутри себя капиллярными силами и, тем самым, препятствует уносу капель; - пористый испаритель имеет малую инерционность, так как объем топлива, находящегося внутри него не велик и не требуется длительного промежутка времени для нагрева и испарения топлива при переходе на режим с большим его расходом; - пористый испаритель удобен для использования на транспортных средствах, так как его показатели не зависят от положения в пространстве, то есть он будет устойчиво работать при движении на подъеме или спуске, а также при ускорениях и замедлениях.
К настоящему времени разработаны технологии производства различных типов пористых структур: порошковых, волокновых, сетчатых, ячеистых. В связи с этим важным вопросом является выбор пористой структуры для испарителя метанола. Анализ литературы по пористым материалам [39,40] позволил сделать вывод, что наиболее приемлемой является волокно-вая структура по следующим причинам: волокновые структуры обладают лучшими тепловыми характеристиками - имеют высокую теплопроводность и позволяют подводить большее количество теплоты к единице поверхности; возможно получение высокопористых (более 0,9) структур; волокновые структуры менее подвержены разрушению и истиранию, что особенно актуально в условиях работы на двигателе.
Таким образом анализ конструкций с учетом условий работы испарительной системы питания на дизельном двигателе позволяет выбрать следующие конструктивные особенности: устройство должно выполнять только функцию испарителя так как в таком случае существенно упрощается его компоновка на двигателе, в качестве источника теплоты должна использоваться охлаждающая жидкость, так как ее применение позволяет создать компактную конструкцию и избавляет от проблемы снижения производительности вследствие отложения сажи на поверхности теплообмена в случае применения отработавших газов; для парообразования должен использоваться способ испарения из пористой структуры, так как этот способ обладает наилучшими энергетическими показателями и позволяет создать очень компактную конструкцию; для регулирования подачи топлива должен использоваться способ регулирования подачи жидкости, так как он наиболее просто реализуется. Использование приведенных рекомендаций позволит создать простую, компактную и надежную систему питания дизеля испаренным метанолом и тем самым улучшить экологические показатели двигателя. На основе приведенных рекомендаций разработана принципиальная схема испарителя метанола, приведенная на рис. 2.8. Через нижнюю, теплоотдающую, часть испарителя 1, которая представляет собой пористую структуру из высокотеплопроводного материала, прокачивается греющий теплоноситель - охлаждающая жидкость двигателя. Теплота от теплоносителя передается теплоотдающей пористой структуре 1 путем конвективного теплообмена, а затем теплопроводностью через разделительную теплопрово» дящую перегородку 2 к верхней, испарительной, пористой структуре 3, в которую подается жидкий метанол и в которой происходит его испарение. Полученные пары отводятся от испарителя во впускной патрубок двигателя.
Более детально конструкция испарителя метанола представлена на схеме (рис. 2.9). Как видно из рисунка, испарительная 1 и теплоотдающая 2 пористые структуры закрыты крышками 4 и 5, зажимающими между собой теплопроводящую разделительную перегородку 3. Жидкий метанол подается в испаритель через патрубок 6. Попадая в испарительную пористую структуру 1, метанол распространяется по всему ее объему под действием капиллярных сил. Для отвода паров метанола из испарительной пористой структуры 1 в ней выполнены продольные каналы 10, таким образом в испарителе принята противоточная схема подвода теплоты и испаряемой жидкости. То есть жидкость поступает сверху к нижним слоям испарительной пористой структуры, которая обогревается теплоотдающей пористой структурой снизу. Такая схема работы обеспечивает более высокую производительность испарителя [2]. Образовавшиеся пары метанола отводятся из испарителя через патрубок 7. Теплоноситель подводится к теплоотдающей пористой структуре 2 через патрубок 8 и отводится через патрубок 9. Для равномерного распределения теплоносителя по всему объему теплоотдающей пористой структуры в крышке 5 выполнены карманы 11 и 12.
Представленная схема испарителя метанола на основе пористых структур является принципиально новой. Разработка конструкции такого испарителя для системы питания дизельного двигателя требует проведения предварительного расчета. Таким образом необходима математическая модель, описывающая процессы происходящие в испарителе, а также методика его расчета.
Математическая модель теплообмена в теплоотдающеи части испарителя
Исследования испарения метанола из пористых структур имели своей целью определение коэффициента теплоотдачи при испарении, а также проверку достоверности математической модели процесса испарения (см. гл.3.) Для проведения экспериментов была разработана установка, моделирующая условия работы испарительной части испарителя метанола. Объектом исследования являлись пористые пластинки, выполненные в виде дисков диаметром 20 мм из спеченных волокон. Диск заключался в специальную капсулу (рис. 4.1), к которой с одной стороны подводилась теплота, а с другой испаряемая жидкость.
Корпус капсулы 1 выполнен в виде стакана, на дно которого помещается пористый диск 2 и прижимается специальной втулкой 3 с отверстиями для подвода метанола. Сверху капсула закрывается крышкой 4 со штуцером 5. В боковой стенке корпуса капсулы выполнена специальная канавка для сбора пара и, сообщающийся с ней, штуцер 6 для отвода пара в конденсатор. Капсула устанавливается на электрический нагреватель. Таким образом теплота подводится к днищу капсулы, и через него к нижней грани пористого диска 2. Испаряемый метанол подводится к верхней грани диска и испаряется внутри пористой структуры. Пар, выходящий из боковой поверхности диска, собирается в канавке корпуса капсулы и отводится через штуцер 6 к конденсатору. В поверхности днища корпуса капсулы 1 со стороны пористого диска зачеканена термопара 7 для измерения температуры поверхности нагрева. На рис.4.2 представлена схема установки для исследования испарения метанола из пористых структур. пары, установленной в капсуле 6. В трубопроводе, соединяющем капсулу с конденсатором, имеется прозрачный участок 14 для визуального контроля полноты испарения метанола. Установка была смонтирована в вытяжном шкафу для предотвращения попадания паров метанола в помещение лаборатории.
Установка работает следующим образом. Метанол из бака 1 через расходный вентиль 2, расходомер 3, регулятор расхода 5 подается к капсуле 6, к которой подводится теплота от нагревателя 7. Образующийся пар отводится по трубопроводу через прозрачный участок 14 в конденсатор 8, где конденсируется и сливается в бак 9.
Эксперименты проводились в следующем порядке. Для каждой снимаемой точки устанавливалось напряжение питания нагревателя (то есть тепловой поток к пористой пластине) и к капсуле подводился метанол. Постепенным уменьшением расхода достигался режим, когда метанол испарялся полностью, что проверялось визуально по отсутствию капель в прозрачном участке трубопровода. При этом расходе снимались показания приборов. Этот режим выбран для снятия замера, так как толщина слоя пара над поверхностью нагрева минимальна, следовательно разность температуры поверхности нагрева и температуры кипения метанола соответствует минимальному теплоперепаду необходимому для полного испарения подводимого метанола (при дальнейшем уменьшении расхода метанола температура поверхности нагрева резко возрастает вследствие увеличения толщины парового слоя, который обладает низкой теплопроводностью). Описанный подход был определен на основании разработанной математической модели процесса испарения. В каждой точке выполнялось несколько замеров. Полученные показания обрабатывались для получения значения коэффициента теплоотдачи при испарении метанола из пористой структуры по следующей формуле, кВт/(м2оС):
Согласно математической модели, при расчете принято допущение, что испарение идет из слоя пористого диска непосредственно у поверхности нагрева равномерно по всей площади. Точность определения аи составляла 1,5 % вследствие погрешностей измерения температуры и расхода жидкости.
Достоверность данной методики была проверена сопоставлением данных, полученных на установке при испарении дистиллированной воды из пористой сетчатой структуры из латуни с пористостью 0,66 и толщиной 4,5 мм, с данными для этой же структуры из статьи [2]. Расхождения не превышали 10 % (рис.4.3), что свидетельствует о достоверности методики и математической модели процесса испарения.
Исследования процесса испарения метанола проводились на образцах пористой волокновой структуры из нержавеющей стали. Все образцы были выполнены в виде дисков диаметром 20 мм. Диаметр волокон составлял 70 мкм. Толщина варьировалось в диапазоне от 0,8 до 3,0 мм, пористость от 0,55 до 0,85.
В результате предварительных исследований было выявлено, что толщина пористой структуры не оказывает влияния на коэффициент теплоотдачи при испарении из пористой структуры. Это можно объяснить тем, что испарение идет непосредственно у поверхности нагрева в очень тонком слое пористой структуры, а остальная ее часть заполнена жидкостью. Дальнейшие исследования были направлены на изучение влияния пористости на интенсивность процесса испарения. С этой целью были проведены эксперименты на шести пористых дисках. Для каждого из них была построена зависимость коэффициента теплоотдачи от теплового потока.
Экспериментальное исследование теплообмена при вынужденной конвекции воды через пористую структуру
Таким образом, разработанная методика позволяет при минимальных затратах времени оценивать относительную экономическую эффективность применения альтернативных топлив в ДВС и прогнозировать эффективность использования этих топлив в будущем, то есть определять момент, когда применять топливо экономически целесообразно. Кроме того с помощью данной методики можно выбирать способы использования топлива и законы регулирования подачи топлива в двигатель.
Оборудование дизеля системой питания испаренным метанолом требует выработки закона подачи метанола в зависимости от режима работы двигателя. Выбор закона подачи обусловливается: - типом двигателя (транспортный или стационарный); - условиями его эксплуатации; - особыми требованиями, предъявляемыми к двигателю (экономия дизельного топлива, высокий КПД, низкие выбросы оксидов азота и сажи и т.п.). Оптимальные законы регулирования должны обеспечивать решение одной из перечисленных ниже задач: - достижение максимального КПД двигателя; - обеспечение минимального приведенного выброса вредных веществ; - замена максимально возможного количества дизельного топлива. Реализация таких законов регулирования возможна при условии применения системы управления на основе микропроцессорной техники. Как первый шаг на пути использования метанола в дизельных двигателях, можно рассматривать системы питания с постоянной и ступенчатой подачей метанола. Такие системы будут простыми и относительно недорогими. Для дальнейшего анализа были выбраны следующие законы подачи метанола: - постоянная подача метанола на всех режимах; - двухступенчатая подача; - трехступенчатая подача; - подача, обеспечивающая максимальный КПД; - подача, обеспечивающая минимальный приведенный выброс вредных веществ; - подача, обеспечивающая максимальную долю заменяемого топлива (при условии, что максимальное давление сгорания не будет превышать этот показатель при использовании дизельного топлива более чем на 15 %).
Закон с постоянной подачей метанола является наиболее простым для реализации. После запуска и прогрева двигателя метанол начинает подаваться в испаритель, а затем во впускной трубопровод, причем подача не зависит от режима работы двигателя. Расход метанола подбирается из условия обеспечения устойчивой работы двигателя на холостом ходу, так как этот режим является критическим по запальной дозе дизельного топлива. В данной работе расход выбран таким, чтобы на холостом ходу доля метанола F в общем расходе топлив не превышала 0,6.
Законы с двумя и тремя ступенями регулирования являются модификациями закона с постоянной подачей. Поле рабочих режимов двигателя разделяется, соответственно, на две или три области по величине нагрузки. Для каждой из областей задается постоянная подача метанола, причем количество подаваемого метанола определяется по режиму с минимальной нагрузкой в данной области. На этом режиме подача метанола соответствует доле метанола F примерно равной 0,6. Оба закона подачи могут быть реализованы с помощью двух электромагнитных клапанов настроенных на различную пропускную способность.
Законы подачи для обеспечения максимального КПД, минимального приведенного выброса, максимальной доли заменяемого топлива направлены на удовлетворение требований по экологичности и экономичности двигателя. Подача метанола для реализации этих законов подбиралась на каждом режиме таким образом, чтобы удовлетворить сформулированные выше требования. Выбор осуществлялся с использованием аппроксимирующих зависимостей в виде: для КПД - re =J{F)9 для выбросов оксидов азота - е 0х = f{F), твердых частиц - ее -ДР) полученных в результате предварительных испытаний для каждого режима 13-й ступенчатого цикла для угла опережения впрыска топлива 28 град, п.к.в. Использованные в расчетах аппроксимирующие зависимости приведены в табл. 5.5. Для расчетов показателей двигателя при других углах опережения впрыска топлива значения, полученные по аппроксимирующим зависимостям, умножались на соответствующие коэффициенты, которые были определены по результатам описанных в 5.2. исследований.
