Конкурентоспособность моторных топлив (в связи с уничтожением природных ресурсов)

Макаров Андрей Фадеевич, аспирант-заочник СамГТУ, Ст.научн.сотр. лаборатории безопасности взрывных работ НЦ ВостНИИ (БВР и ГКИ ВМ и СВ)

Рассматривается экономический аспект возможного применения "альтернативных" моторных топлив и циклов тепловых машин в связи с уничтожением дешёвых нефтяных ресурсов и глобальным экологическим кризисом.

В настоящее время для преобразования химической энергии в механическую работу используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) – разновидность тепловых машин. В качестве топлива в ДВС могут использоваться горючие вещества (углеводороды, спирты, газы и пр.) в смеси с зарядами сжатого воздуха или другого окислителя. При расширении продуктов вспышек в ДВС часть тепловой энергии рабочего тела преобразуется в механическую работу перемещения поршня, вращения турбины или – в кинетическую энергию газов, истекающих из ракетного сопла.

Экономическую конкурентоспособность (К) топлив-горючих можно определить как отношение удельной теплотворной способности моторного горючего (Q) к стоимости 1 кг (С), умноженное на показатель КПД (h ) цикла тепловой машины: К =h Q/С. За 1 примем показатели бензиновых ДВС (Кб=1). Другие факторы: экологичность цикла, ограниченность сырьевых ресурсов, масса силовой установки, эксплуатационные затраты, безопасность – также существенно влияют на показатель эффективности.

В качестве примера сравним конкурентоспособность бензина, этилового, метилового спирта и природного газа (ДВС по циклу Н.Отто), а также дизтоплива (ДВС по циклу Р.Дизеля). Результат представляет определённый интерес, т.к. во всём мире, отравляя биосферу, в ДВС сжигается свыше 1млрд.тонн углеводородных горючих в год. Всего извлекается из земных недр около 70 млн. баррелей нефти в сутки (~4 млрд. т ежегодно) [1].

В бензиновых ДВС показатель КПД составляет h =30-35% (расширение продуктов вспышки в e ~8-10 раз). Низшая теплота сгорания (вода – пар) в "бесплатном" воздухе для бензина, этанола, метанола и метана составляет: (-СН2-)n – 10500, С2Н5ОН – 7200, СН3ОН – 5300, СН4 – 13100 ккал/кг. Однако в условиях ДВС сгорают переобогащённые топливные смеси, поэтому реальную энергоотдачу горючих веществ, Q, примем на ~10% ниже: 9500, 6500, 4800, 12000 ккал/кг (с учётом потерь на образование СО и СНх). Стоимость 1кг горючих по уровню среднемировых цен в бензиновом эквиваленте ~1 доллар за 1 литр (~750г) [1] составляет: этанол - 1,2, метанол - 2,0, метан ~0,1. Отношение Кальт./Кб – характеризует эффективность "альтернативного топлива" и составляет: для этанола: Кэт.с./Кб =0,57, для метанола: Км.с./Кб =0,25, для метана: Км/Кб =12,6. Достоинством "альтернативных топлив" является более экологичный выхлоп ДВС: для этанола до 3-5 раз, для метанола и метана – до 8-10 раз. Для этанола Кэт.с. оказывается почти в 2 раза ниже, но на опыте Бразилии, полностью перешедшей на этот вид возобновляемого моторного горючего, – этанол перспективен. Сырьевая база синтетического метанола ограничена ресурсами угля, метанол ядовит и требует защитных мер. Очень высокая эффективность метана – компенсируется увеличением массы и объёма (газобаллонного) бака в 10-15 раз, а также затратами на газобаллонное оборудование. Кроме того, удельная мощность ДВС на газо-воздушном топливе ниже бензо-воздушных ДВС на ~20%. Наконец, все сжатые или криогенные горючие газы взрывоопасны. Особенно это относится к водороду. Перспективные гидридные баки интерметаллидов вмещают лишь до ~2-3% водорода по массе [2,3].

Эффективность дизельного топлива оказывается выше бензина в Кд.т./Кб ~1,5 раза. Сгорание доз распыляемого горючего происходит в избытке воздушного заряда, расширение продуктов вспышки e ~20, КПД цикла Дизеля достигает h ~40%. Выхлоп дизелей менее опасен бензиновых ДВС, отработавшие газы могут очищаться через поглотительные растворы, но масса и стоимость дизелей несколько выше. Кроме того, в связи с уничтожением нефтяных ресурсов, все нефтяные горючие через ~20-30 лет будут неконкурентоспособны [1]. Экономика "биодизельных", "биогазовых" и "синтетических жидких топлив" (СЖТ) – уступает сегодняшней эффективности бензина.

Определённый интерес представляют паровые двигатели внешнего сгорания. Достоинством паровых машин является их "всеядность", вплоть до дешёвого каменного угля, уничтожение которого растянется на 100-150 лет. КПД паровых машин может достигать до 15-20% - при достаточном перегреве рабочего тела-пара перед подачей на газорасширительный механизм (цилиндр, турбину) и ранней "отсечкой" пара в расширительном цилиндре. Экологичность цикла внешнего сгорания превышает показатели ДВС на ~2 порядка и более. Однако, недостатки паровых машин – громоздкость испарителей, теплообменников и пароперегревателей, инерционность всего "оборотного" цикла – сложная конструкторская задача.

…Но оказывается, что существует "хорошо забытый" цикл работоотдачи унитарных топлив, изобретённых раньше ДВС и раньше паровых машин.

Унитарные топлива – пороха, взрывчатые вещества и пиротехнические топлива – это смеси окислитель+горючее. Топливо – окислительсодержащее, конденсированное, а не газофазное. Такты сжатия, продувки, зарядки – отсутствуют. Если жидкое топливо-порох превращается в газы на 100%, то расширение рабочего тела в цикле может достигать до e ~103, что до ~102 раз превышает расширение газофазных зарядов в атмосферных ДВС, или перегретого пара – в паровых цилиндрах и турбинах.

…Но оказывается, что расширение продуктов сгорания конденсированных топлив может быть выше газофазных зарядов в ДВС на 2 порядка (не только в 2 раза).

Работоотдача топлива-пороха в адиабатном цикле вычисляется как:

А =Q{1-(V1/V2)к-1} =Q{1-(Р2/Р1)(к-1)/к} =Q{1-(Т2/Т1)},

где: V1,P1,T1 и V2,P2,T2 – объём, давление и абс.температура газов соответственно в начале и в конце цикла расширения (вода – пар), Q – теплота сгорания (газопревращения) топлива-пороха, к~1,3 – показатель адиабаты [4]. В теории ДВС [5] выражение для КПД адиабатного расширения h t = 1 –1/(V2/V1)к-1 равносильно вышеприведённому: h t=А/Q = 1–(V1/V2)к-1, что при расширении рабочего тела в e ~V2/V1=50-100 раз соответствует КПД h t=А/Q ~68-74%. Поскольку других "паразитных" тактов сжатия-продувки-зарядки и потерь уже нет, цикл топлива-пороха – это цикл чистого расширения, это прямое преобразование химической энергии в механическую работу.

Оказывается, что в теории тепловых машин проще топлива-пороха быть не может ничего.

Изобрести топливо-порох целесообразно на водной основе, в виде раствора, где вода-растворитель – "хорошее" рабочее тело и регулятор температуры сгорания: ОКИСЛИТЕЛЬ+ГОРЮЧЕЕ+РАСТВОРИТЕЛЬ. Самый безопасный окислитель – нитрат аммония NH4NO3 (аммиачная селитра, АС), а горючие – дешёвые растворимые вещества: карбамид СО(NH2)2, спирты R-OH, аммиак NH3, амины, каменноугольная пыль и пр. Стехиометрические водо-нитратные смеси (ВНС) из-за высокой плотности жидкой фазы могут только гореть (под давлением), но не детонировать.

…Но оказывается, что топливом могут быть растворы, дисперсии, пены, эвтектики и легкоплавкие смеси типа ОКИСЛИТЕЛЬ + ГОРЮЧЕЕ.

Процесс сгорания легкоплавкой (1080С) стехиометрической смеси АС/карбамид 80:20 описывается уравнением:

3NH4NO3 + CO(NH2)2 = 8H2O (пар) + 4N2 + CO2 + 760 ккал/кг.

В отсутствии катализаторов при обычных условиях ВНС-топливо не горит, только плавится (воспламенение при ~2500C), водонаполненные смеси и плавы ВНС не детонируют, ВНС стабильны при хранении, ВНС безопасны для человека – на уровне растворов азотных удобрений (3-4-й класс опасности).

…Но оказывается, что унитарные топлива-растворы могут быть безопаснее бензина, газа, или спирта.

Схема тепловой машины по циклу "чистого расширения" – как газорасширительной машины открытого цикла – это мини-реактор сгорания раствора + паро-газовый исполнительный механизм. Пароперегреватели, топки, котлы и конденсаторы – отсутствуют. Рабочее тело пар+газы с необходимыми начальными параметрами Р1, Т1 из реактора поступает в цилиндры или на турбину. Для 50-кратного адиабатного расширения газов (ε =V2/V1=50, КПД h t=68%) до конечного давления Р2=1атм. при температуре Т2=1000С (вода – пар) необходимо начальное давление Р1=158 атм. и температура Т1~9000C (12000К). Это соответствует индикаторному давлению бензо-воздушных вспышек в существующих атмосферных ДВС со снижением теплонапряжённости цикла в 2,5–3 раза, что позволяет отказаться от охлаждения рабочей зоны – как в паровых машинах.

…Но оказывается, что "подвод давления" к рабочему телу – эффективнее классического "подвода тепла" в атмосферных циклах газо-тепловых машин.

Диапазон регулируемых параметров в реакторе: Т1~400-23000С - регулируется содержанием воды в топливе-растворе (до ~50% воды); Р1~20-104атм. - регулируется расходом топлива-раствора (до ~10г/с и более). Отметим, что замена реактора испарения паровых машин на мини-реактор "жидкого пороха" – равносильна унификации окислителя, горючего, рабочего тела, системы охлаждения, пароперегревателей, топок, котлов и конденсаторов. Марки высоколегированной стали для аммиачных и азотно-кислотных реакторов крупнотоннажных азотных производств под высоким давлением и температуре чрезвычайно агрессивных сред служат ~10 лет [7]. При сжигании нейтральных топлив-растворов срок эксплуатации мини-реактора без кап.ремонта будет сравним со сроком службы самого транспортного средства или силовой установки.

…Но оказывается, что идея паровой машины – изначально "подстроена" под растворы унитарных топлив с открытым циклом сверхкритического пара.

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: рефераты по психологии, реферат по труду.





1  2  3 | Следующая страница реферата