Конкурентоспособность моторних палив (у зв'язку з знищенням природних ресурсів)

Конкурентоспособность моторних палив (у зв’язку з знищенням природних ресурсов)

Макаров Андрій Тадейович, аспирант-заочник СамГТУ, Ст.научн.сотр. лабораторії безпеки вибухових робіт НЦ ВостНИИ (БВР і ГКИ ВМ і СВ) Рассматривается економічний аспект можливого застосування «альтернативних «моторних палив і циклів теплових машин в зв’язку зі знищенням дешевих нафтових ресурсів і глобальною екологічною кризисом.

В час для перетворення хімічної енергії в механічну роботу використовуються двигуни внутрішнього згоряння (ДВС) — різновид теплових машин. Як паливо в ДВС можна використовувати горючі речовини (вуглеводні, спирти, гази тощо.) в суміші з зарядами стиснутого повітря, або іншого окислювача. При розширенні продуктів спалахів в ДВС частина теплової енергії робочого тіла перетворюється на механічну роботу переміщення поршня, обертання турбіни чи — в кінетичну енергію газів, спливання з ракетного сопла.

Экономическую конкурентоспроможність (До) топлив-горючих можна з’ясувати, як ставлення удільної теплотворної спроможності моторного пального (Q) до вартості 1 кг (З), помножена на показник ККД (h) циклу теплової машини: До =h Q/С. За 1 приймемо показники бензинових ДВС (Кб=1). Інші чинники: екологічність циклу, обмеженість сировинних ресурсів, маса силовий установки, експлуатаційні витрати, безпеку — також істотно впливають на показник эффективности.

В як приклад порівняємо конкурентоспроможність бензину, етилового, метилового спирту і газу (ДВС по циклу Н. Отто), і навіть дизпалива (ДВС по циклу Р. Дизеля). Результат представляє певний інтерес, т.к. в усьому світі, отруюючи біосферу, в ДВС спалюється понад 1млрд. тонн вуглеводневих горючих на рік. Усього вилучають із земних надр близько 70 млн. барелей нафти на добу (~4 млрд. т щорічно) [1].

В бензинових ДВС показник ККД становить h =30−35% (розширення продуктів спалаху e ~8−10 раз). Нижча теплота згоряння (вода — пар) в «безкоштовному «повітрі для бензину, етанолу, метанолу і метану становить: (-СН2-)n — 10 500, С2Н5ОН — 7200, СН3ОН — 5300, СН4 — 13 100 ккал/кг. Однак за умов ДВС згоряють переобогащённые паливні суміші, тому реальну енерговіддачу горючих речовин, Q, приймемо на ~10% нижче: 9500, 6500, 4800, 12 000 ккал/кг (з урахуванням втрат освіту ЗІ і СНх). Вартість 1 кг горючих по рівню середньосвітових цін бензиновому еквіваленті ~1 долар за 1 літр (~750г) [1] становить: етанол — 1,2, метанол — 2,0, метан ~0,1. Ставлення Кальт./Кб — характеризує ефективність «альтернативних палив «і як: для етанолу: Кэт.с./Кб =0,57, для метанолу: Км.с./Кб =0,25, для метану: Км/Кб =12,6. Перевагою «альтернативних палив «є экологичный вихлоп ДВС: для етанолу до 3−5 раз, для метанолу і метану — до 8−10 раз. Для етанолу Кэт.с. виявляється майже 2 рази менше, але досвіді Бразилії, повністю перейшла цей вид поновлюваного моторного пального, — етанол перспективний. Сировинна база синтетичного метанолу обмежена ресурсами вугілля, метанол уїдливий і вимагає захисних заходів. Дуже високою ефективністю метану — компенсується збільшенням є і обсягу (газобаллонного) бака в 10−15 раз, а також витратами газобаллонное устаткування. З іншого боку, питома потужність ДВС на газо-воздушном паливі нижче бензо-воздушных ДВС на ~20%. Нарешті, все стислі чи кріогенні горючі гази вибухонебезпечні. Особливо це стосується водню. Перспективні гидридные баки интерметаллидов вміщають лише до ~2−3% водню щодо маси [2,3].

Эффективность дизельного палива буде вищою бензину на Кд.т./Кб ~1,5 разу. Від згоряння доз распыляемого пального відбувається у надлишку повітряного заряду, розширення продуктів спалахи e ~20, ККД циклу Дизеля сягає h ~40%. Вихлоп дизелів менш небезпечний бензинових ДВС, які відпрацювали гази можуть очищуватися через поглотительные розчини, але маса кафе і вартість дизелів трохи вища. Крім цього у зв’язки України із знищенням нафтових ресурсів, все нафтові горючі через ~20−30 років будуть неконкурентоспроможні [1]. Економіка «біодизельних », «біогазових «і «синтетичних рідких палив «(СРП) — поступається сьогоднішньої ефективності бензина.

Определённый цікаві парові двигуни зовнішнього згоряння. Перевагою парових машин був частиною їхнього «всеїдність », до дешевого кам’яного вугілля, знищення якого розтягнеться на 100−150 років. ККД парових машин може досягати до 15−20% - при достатньому перегрів робочого тела-пара перед подачею на газорасширительный механізм (циліндр, турбіну) і необхідність ранньої «отсечкой «пара в розширювальному циліндрі. Екологічність циклу зовнішнього згоряння перевищує показники ДВС на ~2 порядку й більш. Проте, недоліки парових машин — громіздкість випарників, теплообмінників і пароперегревателей, інерційність всього «обігового «циклу — складна конструкторська задача.

…Но виявляється, що є «добре забутий «цикл работоотдачи унітарних палив, изобретённых раніше ДВС і зараз парових машин.

Унитарные палива — пороху, вибухові речовини і піротехнічні палива — це суміші окислитель+горючее. Паливо — окислительсодержащее, конденсированное, а чи не газофазное. Такти стискування, продувки, зарядки — відсутні. Якщо рідке топливо-порох перетворюється на гази на 100%, то розширення робочого тіла в циклі може становити до e ~103, щодо ~102 разів перевищує розширення газофазных зарядів в атмосферних ДВС, чи перегрітого пара — в парових циліндрах і турбинах.

…Но виявляється, що розширення продуктів згоряння конденсованих палив може бути вище газофазных зарядів в ДВС на 2 порядку (у 2 раза).

Работоотдача топлива-пороха в адиабатном циклі обчислюється как:

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

где: V1, P1,T1 і V2, P2,T2 — обсяг, тиск і абс. температура газів відповідно початок і наприкінці циклу розширення (вода — пар), Q — теплота згоряння (газопревращения) топлива-пороха, к~1,3 — показник адиабаты [4]. Теоретично ДВС [5] вираз для ККД адиабатного розширення h t = 1 -1/(V2/V1)к-1 рівносильне вышеприведённому: h t=А/Q = 1-(V1/V2)к-1, що з розширенні робочого тіла в e ~V2/V1=50−100 раз відповідає ККД h t=А/Q ~68−74%. Оскільки інших «паразитних «тактів сжатия-продувки-зарядки й гіркоти втрат ми маємо, цикл топлива-пороха — це цикл чистого розширення, це пряме перетворення хімічної енергії в механічну работу.

Оказывается, що у теорії теплових машин простіше топлива-пороха не може ничего.

Изобрести топливо-порох доцільно водному основі, як розчину, де вода-растворитель — «хороше «робоче тіло і регулятор температури згоряння: ОКИСЛИТЕЛЬ+ГОРЮЧЕЕ+РАСТВОРИТЕЛЬ. Найбезпечніший окислювач — нітрат амонію NH4NO3 (аміачна селітра, АС), а горючі - дешеві розчинні речовини: карбамід СО (NH2)2, спирти R-OH, аміак NH3, аміни, кам’яновугільна пилюка та ін. Стехиометрические водо-нитратные суміші (ВНС) через високе щільності рідкої фази можуть нині лише горіти (під тиском), але з детонировать.

…Но виявляється, що паливом може бути розчини, дисперсії, піни, эвтектики і легкоплавкие суміші типу ОКИСЛЮВАЧ + ГОРЮЧЕЕ.

Процесс згоряння легкоплавкой (1080С) стехиометрической суміші АС/карбамид 80:20 описується уравнением:

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

В відсутності каталізаторів при умовах ВНС-топливо не горить, лише плавиться (запалення при ~2500C), водонаполненные суміші і плавы ВНС не детонують, ВНС стабільні при зберіганні, ВНС безпечні в людини — лише на рівні розчинів азотних добрив (3−4-й клас опасности).

…Но виявляється, що унітарні топлива-растворы може бути безпечніше бензину, газу, чи спирта.

Схема теплової машини по циклу «чистого розширення «- як газорасширительной машини відкритого циклу — це мини-реактор згоряння розчину + паро-газовый виконавчий механізм. Пароперегреватели, топки, казани і конденсатори — відсутні. Робоча тіло пар+газы з необхідними початковими параметрами Р1, Т1 з реактора вступає у циліндри чи турбіну. Для 50-кратного адиабатного розширення газів (? =V2/V1=50, ККД h t=68%) до кінцевого тиску Р2=1атм. за нормальної температури Т2=1000С (вода — пар) необхідно початкова тиск Р1=158 атм. і температура Т1~9000C (12 000К). Це відповідає индикаторному тиску бензо-воздушных спалахів в існуючих атмосферних ДВС зі зниженням теплонапряжённости циклу в 2,5−3 разу, що дозволяє відмовитися від охолодження робочої зони — як і парових машинах.

…Но виявляється, що «підвід тиску «до робочого тілу — ефективніше класичного «підвода тепла «в атмосферних циклах газо-тепловых машин.

Диапазон регульованих параметрів в реакторі: Т1~400−23 000С — регулюється змістом води в топливе-растворе (до ~50% води); Р1~20−104атм. — регулюється витратою топлива-раствора (до ~10г/с і більше). Зазначимо, що заміна реактора випаровування парових машин на мини-реактор «рідкого пороху «- рівносильна уніфікації окислювача, пального, робочого тіла, системи охолодження, пароперегревателей, топок, котлів і конденсаторів. Марки високолегованої сталі для аміачних і азотно-кислотных реакторів великотоннажних азотних виробництв під високим тиском і температурі надзвичайно агресивних середовищ служать ~10 років [7]. При спалюванні нейтральних топлив-растворов термін експлуатації мини-реактора без кап. ремонта буде порівняємо яка відслужила вже самого транспортний засіб чи силовий установки.

…Но виявляється, ідея паровий машини — спочатку «підбудована «під розчини унітарних палив з відкритою циклом сверхкритического пара.

Наконец, доцільна утилізація відпрацьованих парів та його «безплатного «конденсаційного тепла (1000С) на розчиненні і підігріванні порцій робочого розчину у зустрічному теплообменнике труба-в-трубе. Це дозволить завантажувати паливний бак кристаллизованными порціями палива (кулі, циліндри, эллипсоиды) із вмістом «баластної «воды-растворителя ~3−5% навіть від температури довкілля. Акумуляція «безплатного «конденсаційного тепла і кілька (1000С) відпрацьованих газів на розчиненні і підігріванні розчину — підвищить энергонасыщенность палива на 10−15%, із ~850−900 ккал/кг тепла і ~1000 л/кг газових продуктів, що він відповідає показниками бездимних пироксилиновых порохов.

…Оказывается, що энергонасыщенность топлива-раствора може бути як у бездимного пороха.

Оценим економічні показники застосування легкоплавкой суміші АС/карбамид 80:20 в порівнянні з горючим-бензином.

Исходные дані для унітарного топлива-ВНС:

1. Теплота згоряння безводній суміші АС/карбамид 80/20 становить 760 ккал/кг (вода — пар). Розчинник — «безплатна «вода (пар) з відпрацьованих газів, й у циклі растворение-сгорание-растворение до уваги береться. Акумуляція тепла при розчиненні 1 кг сухий суміші в «оборотном «розчиннику — 60 Ккал, акумуляція тепла при підігріванні 1 кг 85%-ого розчину ВНС до 1000С «безплатним «теплом відпрацьованих газів — 50 Ккал. Отже, энергонасыщенность гарячого топлива-раствора у його підготовки зростає на 60+50=110 ккал/кг, а теплота згоряння гарячого розчину в перерахунку на сухі компоненти, загружаемые в паливний бак, становитиме 760+110 = 870 ккал/кг.

2. Термодинамічний ККД циклу адиабатного розширення робочого тіла в? =V2/V1~50 раз становить 68%, в? =V2/V1~100 раз — 74%. Система жидкостного охолодження відсутня, втрати у тактах сжатия-продувки-зарядки — відсутні. Для розрахунку приймемо значення ККД h =65%.

3. Вартість розчинів синтезу АС з концентрацією ~95% перед стадією грануляції в циклі існуючих азотних підприємств на європейському ринку не перевищує 80 дол./т (орієнтовно ~50 дол./т). Вартість плавів карбаміду перед стадією грануляції приймемо 100 дол./т. Середньозважену відпускну ціну топлива-смеси АС/карбамид 80:20 (з вологістю до ~5%) приймемо 85 дол./т, чи 0,085 долл./кг.

Отношение показників економічну ефективність для топлива-ВНС і горючего-бензина Квнс/Кб = {h внс Qвнс/Свнс}: {h б Qб/Сб} составляет:

Квнс/Кб = {(870 * 65) / 0,085}: {(9500* 35) / 1,33} = 2,7.

Таким чином, еквівалентні витрати «на паливо «для топлива-ВНС будуть нижчий за 2,7 разу. У цьому масовий витрата дешевого топлива-ВНС проти дорогим бензином зросте в (9500ккал/кг * 35%): (870ккал/кг * 65%) = 5,9 раз. При щільності ВНС r внс=1,45г/см3 (що у 2 разу вищу щільності бензину r б~0,75г/см3), обсяг бака збільшиться в 3 разу. У економічному плані: заміна які спалюють в ДВС вуглеводневих горючих (~1,2 млрд. т.) на еквівалентну кількість (7 млрд. т.) топлива-раствора в парових «сверхкритических «двигунах дала б економію ~1 трильйон доларів. Надалі, принаймні знищення нафтової сировини, ефективність ВНС-топлива буде лише збільшуватися (Квнс/Кб > 2,7).

…Но виявляється, що цикл «чистого розширення «топлива-пороха вже нині в 2,7 разу економічніше циклів атмосферних нафтових ДВС.

Дополнительные переваги топлива-раствора:

1. ЕКОЛОГІЧНА ШКІДЛИВІСТЬ продуктів згоряння ВНС-топлив на 2−3 порядку нижче небезпеки відпрацьованих газів бензинових ДВС і газів детонирующих аммиачно-селитренных ВР. Експериментальне визначення ЗІ і NOx у газовій фазі сгорающего плаву АС/карбамид 80:25 (+5% каталізатора) виявляє зниження концентрації ЗІ проти бензиновим вихлопом на 3 порядку, а, по NOx — на ~2 порядку — проти дизельним. Різке зниження виходу отруйних газів відомо, і для водонаповнених детонирующих ВР [6]. Від згоряння горючих речовин, у рідкому окислителе-NH4NO3 (35%N2, 20%О2, 45%Н2О) можна з горінням в рідкому повітрі (76%N2, 23%О2). Частка вуглецю в ВНС-топливе становить 4,0−5,5% (0% - для горючего-аммиака NH3), що у ~20 разів менше «углеродистости «бензину, і дизпалива. Молекулярна гомогенізація со-растворимых інгредієнтів ВНС — сприяє повноті екзотермічних реакцій вже у конденсованої фазі. ВНС-топлива — як засіб акумуляції і збереження малоуглеродных енергоносіїв — невідома різновид водневої енергетики. Сировинна базу й весь азото-водородный цикл ВНС — природним чином вписав у кругообіг азоту та води та теплової баланс планети. Повна заміна бензину, і дизпалива на топливо-ВНС знизить викиди у повітря Землі: СО2 — на ~2 млрд. тонн, ЗІ - на ~80 млн. тонн, NOx — на ~30 млн. тонн, СНх — на ~50 млн. тонн ежегодно.

…Но виявляється, що топливо-раствор то, можливо водневим топливом.

2. ДОСЯЖНОЮ Є ПОТУЖНІСТЬ «порохових «машин — набагато перевищує показники атмосферних ДВС і обмежена лише конструкційної міцністю газо-/гидро/расширительного механізму. Незалежність «пороховий «потужності від «оборотистости «валу двигуна — різко спрощує привід до движителю (колесу, гвинту, водомёту, гидроцилиндру, гидромотору тощо.). Зниження «механічних «втрат потужності трансмісії на 50% - по аналогії з приводом парових машин — еквівалентно додаткового збільшення ефективності ВНС-цикла тоді як атмосферними ДВС в ~1,5 разу, тобто. Квнс/Кб ³ 4.

…Но виявляється, що «пороховий «двигун — набагато простіше атмосферних ДВС.

Оказывается, що аммиачно-селитренные суміші, використовувані спочатку як добрива, що ½ століття — як найбільш дешевий генератор вибуху, в газо-механическом еквіваленті топлива-раствора — найбільш дешевий джерело механічної роботи. Цикл прямого перетворення хімічної енергії в механічну роботу — ефективніше розроблюваних технологій электротопливных елементів, «біопалива «і електромобілів з мільярдними ассигнованиями.

…Но виявляється, що можливі інновації зі світовою ефективністю ~1трлн. доларів на рік, корисні для довкілля, а чи не що знищуємо её.

3. Газо-тепловые двигуни на унітарній топливе-растворе можуть працювати незалежно від довкілля: під водою, в шахтах, в стратосфері, на Місяці. Порівняно з такими відомими «оборонними «ДВС на вибухонебезпечних, токсичних і дефіцитних топливах-ВВ (нитрометан СН3NO2, перекис водню Н2О2, похідні гидразина N2H4, органічні нітрати RONO2) вартість ВНС-топлив нижче на ~2 порядку, а безпеку поводженні з водосодержащими сумішами і плавами — нижче небезпеки гранульованої аміачної селитры-удобрения (світова продукція ~20 млн. т на рік) і від бензина.

В час азотна промисловість — одне з провідних галузей переважають у всіх індустріально розвинених країн [7]. Необхідний водень для синтезу аміаку отримують конверсією газу з водяником пором за схемою: СН4 + Н2О «ЗІ + 3Н2, у своїй частка вартості газу на азотних виробництвах сягає до 50−70%. У той самий час, у межах водневої енергетики відомі різні засоби одержання первинного водню із води, зокрема. конкурентоспроможні з природного газу [3, 8]. Здешевлення первинного сырья-Н2 — означає додаткове здешевлення синтетичних ВНС-топлив — дешевих і технологічних акумуляторів енергії ідеального — водневого — топлива.

В час світова азотна промисловість виробляє близько 200 млн. т аміаку на рік. Повна заміна вуглеводневих горючих на топлива-ВНС зажадає збільшення потужностей світової азотної промисловості на 2 порядку. Проте, ВНС-топлива конкурентні з бензином вже нині, коли запаси дешевого нафтового сировини не знищені. Вочевидь, що за 15−20 років над ринком транспортних і силових технологій затребувані самі дешеві, ефективні й безпечні технічні рішення. Контроль паливних технологій — можливість світового контроля.

Список литературы

" Пошук ", № 12 (774) 26.03.2004 г., с. 7.

Мищенко А.І. Застосування водню для автомобільних двигателей.-Киев: Наукова думка, 1984.

Шпильрайн Э.Э., Малышенко С. П., Кулешов РР. Введення ЄІАС у водневу енергетику. -М.: Энергоатомиздат, 1984.

Андреев К.К. Бєляєв А.Ф. Теорія вибухових речовин. -М.: Оборонгиз, 1960, з. 449−453.

Ваншейдт В.А. Дизелі. Довідкове посібник конструктора. М.-Л., 1957.

Кук М. А. Наука про промислових вибухових речовинах. -М.: Надра, 1980, з. 13, 425−434.

Под ред. Семенова В. П. Виробництво аміаку. М.: Хімія, 1985, з 7−8-го.

Студенников В.В., Кудымов Г.І. «Воднева енергетика: етап практичних рішень », «МИС-РТ «-1999 р., Сб.№ 18−2.

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із сайту internet.