книги / Метанол как топливо для транспортных двигателей
..pdf363 |
2,546- Ю 5 |
720,5 |
0,3387 |
773,1 |
1818,8 |
1045,7 |
4,516 |
7,396 |
373 |
3,524-I05 |
709,2 |
0,2475 |
801.4 |
1822,8 |
1021,4 |
4,593 |
7,330 |
383 |
4,790'ÎO5 |
697,4 |
0,1838 |
831.5 |
1826,1 |
994.6 |
4,672 |
7,268 |
‘Ю З |
8 , 3 7 6 - Ю 5 |
672,0 |
0,1063 |
898.0 |
1831.4 |
993.4 |
4,840 |
7,155 |
423 |
1,384-10б |
643,1 |
0,06404 |
958.0 |
1834.2 |
876.2 |
4,983 |
7,054 |
443 |
2,186-10® |
610,1 |
0,03938 |
1036.7 |
1831.5 |
794,8 |
5,162 |
6,955 |
463 |
3,308*I06 |
569,8 |
0,02420 |
1137.7 |
1817.3 |
679.6 |
5,380 |
6,847 |
483 |
4,832-I06 |
517,9 |
0,01427 |
1211,9 |
1776.4 |
524.5 |
5,616 |
6,701 |
503 |
6,882-I06 |
433,8 |
0,007538 |
1375.0 |
1688,3 |
313.3 |
5,856 |
-6,479 |
|
8.I03-106 |
274,7 |
0,00364 |
1532.0 |
1532,0 |
0 |
6,170 |
6,170 |
бензина в зависимости от его-состава различна и составляет в
среднем 100 мг/м^. Метанол при попадании в почву или воду легко растворяется, хорошо очищается биологически.
Интерес к промышленному метанолу-сырцу, содержащему в ос
новном метанол и воду, обусловлен возможностью использования его для топливных целей без предварительной ректификации, что явля ется экономически целесообразным. По своим свойствам водно-мета-
нольные растворы значительно отличаются от безводного метанола. По мере увеличения содержания воды в метаноле температура затвер* девания растворов понижается до 136 К5[2 ] . Плотность растворов
возрастает с понижением температуры и уменьшается с повышением
концентрации метанола.
2.2.Расчет термодинамических параметров продуктов сгорания метанола
Для решения ряда задач, связанных с анализом и моделирова нием процессов сгорания в цилиндре двигателя, расчетом образова ния токсичных веществ и др., необходимо знать равновесный состав и термодинамические параметры (теплоемкость и энтальпию) продук тов сгорания. Четкие представления о механизме реакций окисления
топлив как углеводородных, так и неуглеводородкых в процессе cro-i рания в цилиндре двигателя отсутствуют. Определенное распростра нение получили энергетические методы расчета процесса сгорания, основанные на определении скорости выгорания топлив с использова-* нием опытных коэффициентов и позволяющие получить, в лучшем слу чае, расчетную индикаторную диаграмму давления в цилиндре двига
теля. Однако состав и термодинамические параметры продуктов сго рания при этом не определяются.
Более совершенными являются термодинамические расчеты про цесса сгорания, которые позволяют также определять равновесный состав продуктов сгорания для любых заданных условий (состава смеси, состава топлива, температуры и давления) с учетом диссо циации. Имеющиеся в справочной литературе данные по составам про дуктов сгорания и их теплоемкостям относятся в большинстве слу
чаев к |
углеводородным топливам [10; 13; |
14]. Использовать эти |
данные |
для определения термодинамических параметров как метанола, |
|
так и других альтернативных топлив нел ь зя так как химические |
||
структуры этих топлив, а следовательно, |
и составы продуктов 'iro- |
|
рання будут существенно отличаться от углеводородных топлив и
составових продуктов |
сгорания. Расчет по равновесным концентра |
циям представляет |
возможность оценить влияние тех или иных |
факторов на состав продуктов сгорания. За основу взята методика расчета равновесных составов продуктов сгорания углеводородных топлив структуры C n W m = I [17] , и в нее внесены дополнения,
которые позволяют выполнять расчеты для топлив элементарного со
става С |
+ И |
+ О |
+ N |
= I. Элементарный состав для метанола: |
|||||
С = 0,375; |
Ц - 0,125; |
0 = 0,5; |
Н |
= 0. |
Разработанная методика |
||||
позволяет |
определять |
расчетным |
путем |
равновесные (по 18 компо |
|||||
нентам) концентрации |
продуктов |
сгорания, |
их энтальпию, |
истинную |
|||||
и среднюю |
теплоемкости |
и получать |
зависимости в виде |
полиномов |
|||||
второй степени для концентраций продуктов сгорания и их термоди
намических параметров от |
режимных факторов (температурыТ , со |
||
става смеси оС |
> давления |
р |
). |
Программа |
расчета этих |
параметров разработана на языке |
|
Фортран-17 для ЭВМ серии ii£. Чтобы рассчитать равновесный состав
продуктов |
сгорания |
по |
18 компонентам СО^ |
, |
,С О , л/0, M Q , |
|||
ОН, |
|
. |
Ог |
, ЦЫ03 , 0 |
, |
Н , На |
О, , Ы , С |
|
h/Н а» H C N |
необходимо составить |
систему |
из |
18 уравнений. |
||||
Для этого |
используются |
14 уравнений |
равновесия, |
3 уравнения мате |
||||
риального баланса й уравнение Дальтона, устанавливающее связь
методу полным давлением смеси и парциальными давлениями отдельных
компонентов. Расчетные характеристики топлива определяются соот ношениями
с_
К 0* 12
X -
2сЬКа+ "yg“ f " 7,57оС АСо
Константы равновесия, входящие в уравнения равновесия, подсчиты ваются по константам диссоциации, приведенным для индивидуальных веществ [51]. Расчет равновесного состава выполняется в зависимо сти от температуры Т ; состава смесиcL и давления в цилиндре
р , являющихся определяющими. При отклонении любого из приве
денных параметров от данного значения необходимо вновь решить си
стему иэ 18 уравнений. Это связано с трудностями расчета процес са сгорания в цилиндре двигателя, в течение которого температура и давление существенно меняются. Вместе с тем такой подход за трудняет анализ влияния коэффициента избытка воздуха, температу
ры и давления на равновесную концентрацию отдельных компонентов.
В связи с этим было применено математическое планирование много факторного эксперимента, суть которого и используемые планы опи саны в работе (53] . В результате расчетов получены аппроксимиру
ющие уравнения для равновесных концентраций |
СО , |
СОг , Ог 1ч1г f |
||||||
Мг 0 |
» Н2 • ^ |
в зависимости от T |
, cL |
Р |
в виде поли |
|||
нома второй степени: |
|
|
|
|
|
|||
|
|
у*a0+aj+a44Tz+ai2TcC+and.*+а3р+ |
|
|||||
|
|
+о*5Тр + o23otp |
<Эцрг♦ 02oé |
|
|
|||
где |
Т , |
с/ , р |
- натуральные значения параметров. |
|
||||
|
Пересчет натуральных параметров в нормированные Х 1 |
, х е , |
||||||
|
осуществляется следующим образом (на примере изменения Т ).■ |
|||||||
Пусть Т |
изменяется от Tmin |
до |
Тт ах |
За начальное |
(сред |
|||
нее) |
значение параметра принимается |
|
|
|
|
|||
Г. Tmax+ Tmin
н" 2
При проведении расчетов на трех уровнях шаг изменения параметра
д Te(TmoJC~Trm‘a ) / ^
Нормированные значения параметра определяются из соотношения
г |
т - Т„ |
|
|
д Г |
1 |
|
|
где Т - значение параметра, |
выбранное для расчета. |
||
Для получения лучшей адекватности модели аппроксимации про |
|||
водились для двух диапазонов |
оС: |
< 1 ; оС >■ î . Расчет равно |
|
весного состава продуктов сгорания метанола выполнялся для следу
ющих значений параметров: |
Т = 1700 ...3300 К; оС = 0,6 . . . 1,0 и |
||
1 , 0 ...2 ,0 ; р |
= |
0 ,5 ...6 ,5 |
МПа. |
В табл. |
2.3 |
в качестве примера приведен ортогональный план |
|
для определения коэффициентов аппроксимирующего полинома второй степени функции от трех параметров (для равновесной концентрации
со
сл
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.3 |
Номер |
Нормированные значения |
т , К |
o£<r Î |
> I |
р , ЬШа |
Объемное |
Объемное |
|||
расче- |
|
параметров |
х3 |
содержание |
содержание |
|||||
та |
|
хг |
|
(Ху) |
р у |
|
CJQ |
[ С О ] % |
[ С 0 ] „ г |
|
I |
I |
I |
|
I |
3300 |
1,0 |
2,0 |
6,5 |
4,99 |
4,96 |
2 |
I |
I |
-I |
-I |
3300 |
1.0 |
2,0 |
0,5 |
7,12 |
6,92 |
3 |
I |
-I |
-I |
I3300 |
0,6 |
1,0 |
6,5 |
И , 62 |
И , 68 |
|
4 |
Ï |
I |
3300 |
0,6 |
1,0 |
0,5 |
12,08 |
12,39 |
||
5 |
-I |
I |
Ï |
1700 |
1.0 |
2,0 |
6,5 |
0,012 |
0,304 |
|
6 |
-I |
|
-I |
1700 |
1,0 |
2,0 |
0,5 |
0,028 |
0,062 |
|
7 |
-I |
-I |
|
I |
Г700 |
0,6 |
1,0 |
6,5 |
9,47 |
10,07 |
8' |
-I |
-I |
0 |
- г |
1700 |
0,6 |
1.0 |
0,5 |
9,47 |
9,49 |
9 |
0 |
0 |
0 |
2500 |
0,8 |
1,5 |
3,5 |
5,47 |
5,42 |
|
10 |
I |
|
0 |
3300 |
0,8 |
1,5 |
3,5 |
7,94 |
8,31 |
|
ÎI |
-I |
0 |
|
0 |
Г700 |
0,8 |
1,5 |
3,5 |
4,56 |
4,22 |
12 |
0 |
1 |
|
0 |
2500 |
1,0 |
2,0 |
3,5 |
10,83 |
1.91 |
13 |
0 |
-I |
|
0 |
2500 |
2.6 |
1,0 |
3,5 |
9,94 |
|
14 |
0 |
0 |
|
I |
2500 |
0,8 |
1,5 |
6,5 |
5,45 |
5,24 |
15 |
0 |
0 |
|
-I |
2500 |
0,8 |
1,5 |
0,5 |
5,58 |
5,83 |
Компо Коэф |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ненты |
фици |
К о |
э ф ф и I( |
и е н |
т |
н |
|
|
||
продуент |
|
|
||||||||
«гфпа |
избы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
п1Uа |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
сгора тка |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ния |
воз |
|
|
|
|
|
|
а , |
|
|
(моль духа |
а с |
|
|
О н |
|
|
|
|||
ные |
|
|
|
|
|
|
|
|||
доли) |
o i^ I |
0,0131 |
0,12- i ( H |
0,231-10' |
' |
0,923 |
-0,49-ГО"4 |
|||
Is/, |
||||||||||
|
сА-->1 |
0,398 |
0,763-Ï0"4 |
0,26 -IO"7 |
0,267 |
0,883-IO-5 |
||||
Нг0 |
оС< I -0,296 |
0,Î98-10"3 -0,39-îO"7 |
0,627 |
-0,648-IO"4 |
||||||
cL> I |
0,397 |
0,604-IO"4 -0,294-ÏO-7 -0,276 |
0,277-IO"4 |
|||||||
|
||||||||||
С0г |
оС<I -0,166 |
0,959-I0"4 -0.I68-I0"7 0,331 |
-0,609-10"4 |
|||||||
оL > i |
0,164 |
0,569-IO"4 -0,281-IO*7 -0,123 |
0,384-I0“ 4 |
|||||||
со |
d -^ l |
0,402 |
0,798-10"4 |
0.I27-I0"7 -0,519 |
0,578-IO"4 |
|||||
cL> i |
0,073 |
0,526-IO"4 |
0,249-IO-7 -0,0421 |
-0.277-10"4 |
||||||
Ог |
o U i |
0,0939 |
-Q,477«I0“ 4 |
0,709-IO-8 -0,1398 |
0,297-IO"4 |
|||||
oL> J |
-0,277 |
0,244-10"4 |
0,562-ÏO-0 0,285 |
-0,361-ÏO"4 |
||||||
W2 |
OCÎ-I |
0,606 |
-0,115-IO-3 |
0,155-Ю"7 -0,931 |
0,601-IO"4 |
|||||
0,0316 |
-0.I35-I0"4 |
0,103-W"8 -0,0318 |
-0,158-ÎO"4 |
|||||||
|
oL<I |
0,0708 |
-Ô,461•ÎO"4 |
о.егы о*8 -0,0722 |
0,189-ÎO"4 |
|||||
№ |
(k> l |
0,0196 |
-0,389-ÎO"4 |
0,814-10"® |
-0,0184 |
o ,m -io * 4 |
||||
со |
прй |
cL -cl). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициенты аппроксимирующих полиномов для равновесных |
|||||||||
концентраций |
СОг f |
о, |
Но |
* Н< |
СО |
4 ,0 |
. но |
|||
приведены в табл. 2.4. Анализ полиномов показывает, что с наимень
шей погрешностью в данном интервале изменения заданных параметров
описываются |
концентрации компонентов |
, С 0 2 |
, |
Н ^ О |
, значи |
||
тельные как |
при |
d |
-si, так и при |
1. Для других |
компонен |
||
тов погрешности |
имеют место в тех случаях, |
когда |
их |
равновесные |
|||
концентрации |
близки |
0, т.е. при ci = Ï и |
Т = 2000 К. В реаль |
||||
ных условиях при сгорании топлива в цилиндре двигателя температу ра значительно выше. Проверка адекватности полученного аппрокси мирующего полинома расчетным'* данным по системе уравнений может быть проведена сравнением концентраций, полученных по обоим мето дам (табл* 2.3), или путем анализа графиков. Применение F -кри-
Таблица 2.4
п о ; г и н о м а
0-22 |
|
|
^ 2 3 |
О з з |
|
|
|
||
0,334 |
0,578*10“d |
0,335-10"° 0,172*i0"d |
-0,246*10“® |
|
-0,078 |
-0,291 - К Г 3 |
0,348 - КГ6-0,788-Ю -4 |
-0,339*10"® |
|
-0,304 |
-0,789- К Г 3 |
0,544-10"6 0,153-Ю"4 |
-0,313-Ю"5 |
|
0,0411 |
-0,168-Ю-3 |
0,454КГ6 -0,247-К Г 3 |
-0,476-10“® |
|
- 0 . 06И |
-0,544-10“3 |
0,207-10"® 0,357-10“3 |
-0,170-10“® |
|
0,177 - Ю2 -0,2 1 7 - К Г 3 |
0,271-10"6 |
-0,705-Ю -4 |
-0,247-10“® |
|
0,119 |
0,476- К Г 3 |
-0,138-КГ6 -0,382-Ю"3 |
0,115-10“® |
|
0,0344 |
0,214КГ3 |
-0,222-10"6 |
0,33 •10-4 |
0,194-10“® |
0,0566 |
0,216 - К Г 3 -0,920-10-7 -0,101 * Ю “3 |
0,465*10“® |
||
-0,0433 |
-0,881- К Г 4 -0,684- КГ7 |
0,130-10“3 |
0,580*10“® |
|
0,375 |
0,429- К Г 3 |
-0,143-10*^ -0,189-10“3 |
-0,189*10“® |
|
0,0217 |
0,291 - К Г 4 |
-0,152*10"® |
0,104- К Г 3 |
0,157*10“® |
0,0233 |
0,645- К Г 4 |
-0,520- Ю " 7 |
0,361 - Ю " 4 |
0,113- К Г 7 |
-0,0140 |
-0,775 - К Г 4 |
-0,202-ТО"7 |
0,605*10“4 |
0,501-10“® |
терпя Фишера в данном случае исключено, так как отсутствует прак тически дисперсия воспроизводимости.
Равновесные концентрации продуктов сгорания метанола покаааны на рис* 2.1. Здесь же отмечены концентрации, полученные по аппроксимирующим зависимостям. Сравнение равновесных составов, рассчитанных путем решения системы из 18 уравнений tfш'ЯОЛушОмам; показывает хорошее совпадение результатов. Сравнение равновесных составов продуктов сгорания метанола и бензина показано на рис.
2.2 и 2.3. Наибольшее различие отмечается по Нг0, , СС^
Равновесные |
концентрации продуктов сгорания метанола и бензина |
|
В пересчете |
на |
сухие продукты приведены на рис. 2-4. Пересчет |
выполняется по |
формуле |
|
Рис. 2.Л. Равновесные концентрации сгорания метанола при |
р = 3,5 МПаСмольные |
доли): |
|
||||||||
Рис. Z.2. |
“Г |
= 1900 |
К ;_____ - |
Т = |
3300 К; |
• |
- тончи, |
полученные |
по полиномам |
1900 К и |
|
Сравнение |
равновесных |
составов продуктов |
сгорания |
метанола |
и бензина |
при 7 |
|||||
|
р |
= 3,5 |
г/Ша (мольные |
доли): |
_ _ _ _ _ |
- метанол; ____ - бензин |
|
|
|||
['Zi ]ёл
|
|
|
|
|
C |
* ~ |
|
|
|
|
|
|
|
|
( 2 . 1) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где |
O |
J |
c |
и |
|
! |
> ] |
* |
- |
концентрации |
компонентов |
в сухих |
|||||||
и влажных |
продуктах |
сгорания; |
|
|
|
“ концентрация |
водяных |
||||||||||||
паров в продуктах сгорания. В сухих продуктах сгорания различие |
|||||||||||||||||||
меаду концентрациями компонентов значительно меньшее, чем во |
влад. |
||||||||||||||||||
ных. |
Анализ равновесных составов продуктов сгорания метанола при |
||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||
переменных значениях |
Т |
> о£ |
> р |
показывает, |
что определяю |
||||||||||||||
щее влияние на него оказывают температура и состав |
смеси, |
влияние |
|||||||||||||||||
давления менее значительно. В процессе сгорания температуры в ци |
|||||||||||||||||||
линдре двигателя могут быть в.пределах Î500...3300 К при давлени |
|||||||||||||||||||
ях 0,5...6,5 МПа. Нижние |
пределы |
температур |
и давлений |
относятся |
|||||||||||||||
к продуктам сгорания на линии расширения |
- |
выпуска, |
т.е. |
к отра |
|||||||||||||||
ботавшим-газам. |
При |
значениях Т < 2000 К |
и |
р |
= |
0,5..Л , 0 |
МПа |
||||||||||||
происходит закалка компонентов продуктов сгорания. В целях опре |
|||||||||||||||||||
деления температуры, |
при |
которой |
состав продуктов |
сгорания близок |
|||||||||||||||
к экспериментальному, |
был |
выполнен расчет |
равновесных составов |
||||||||||||||||
продуктов |
сгорания для |
Т |
= |
1500...1900 |
К |
и |
р |
= |
0,5 |
МПа, |
т.е. |
||||||||
для |
условий, |
соответствующих параметрам газов |
на линии |
расширения |
|||||||||||||||
и за |
цилиндром двигателя. |
Проводилось |
сравнение концентраций |
|
рав |
||||||||||||||
новесного состава с экспериментальными данными по составу отрабо |
|||||||||||||||||||
тавших газов при работе двигателя на метаноле, |
а |
также |
с |
составом |
|||||||||||||||
продуктов |
сгорания, |
определенном |
согласно |
уравнениям стехиометрии |
|||||||||||||||
П О 1 . Для cL < 1 |
величина |
К* |
|
|
|
|
|
определялась |
по рав |
||||||||||
новесному составу продуктов сгорания. Концентрации продуктов сго |
|||||||||||||||||||
рания, полученные по |
равновесию и по |
уравнениям стехиометрии, |
|
||||||||||||||||
были пересчитаны на сухие продукты по формуле |
(2.1) |
в целях |
срав |
||||||||||||||||
нения их с экспериментальными данными состава отработавших газов |
|||||||||||||||||||
двигателя |
при |
работе |
на метаноле. Результаты сравнительного |
ана-~ |
|||||||||||||||
лиэа составов продуктов сгорания метанола |
приТ .= 1700 К |
пред |
|||||||||||||||||
ставлены на рис. 2.5. Различие в |
составах |
продуктов |
сгорания, |
по |
|||||||||||||||
лученных расчетным путем и экспериментально, |
можно |
объяснить |
|
не- |
|||||||||||||||
гомогенностью смеси. Анализ выполненных расчетов показывает, |
|
что |
|||||||||||||||||
при Т = 1700 К и ниже наблюдается хорошее совпадение равновесных |
|||||||||||||||||||
концентраций продуктов сгорания с полученными по уравнениям сте |
|||||||||||||||||||
хиометрии |
и определенными экспериментально. |
Поэтому |
состав |
продук- |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|