Расчетная оценка теплофизических свойств биогаза, используемого в качестве топлива для транспорта
В статье приведен оригинальный метод и результаты расчета теплофизических свойств биогаза, используемого в качестве топлива для транспортных поршневых установок. У статті викладено оригінальний метод та результати розрахунку теплофізичних властивостей біогазу, що використовується у якості палива для...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Дата: | 2011 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2011
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60322 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Расчетная оценка теплофизических свойств биогаза, используемого в качестве топлива для транспорта / А.М. Левтеров, В.С. Маринин, К.Р. Умеренкова // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 2. — С. 78-83. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859987367519059968 |
|---|---|
| author | Левтеров, А.М. Маринин, В.С. Умеренкова, К.Р. |
| author_facet | Левтеров, А.М. Маринин, В.С. Умеренкова, К.Р. |
| citation_txt | Расчетная оценка теплофизических свойств биогаза, используемого в качестве топлива для транспорта / А.М. Левтеров, В.С. Маринин, К.Р. Умеренкова // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 2. — С. 78-83. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | В статье приведен оригинальный метод и результаты расчета теплофизических свойств биогаза, используемого в качестве топлива для транспортных поршневых установок.
У статті викладено оригінальний метод та результати розрахунку теплофізичних властивостей біогазу, що використовується у якості палива для транспортних поршневих двигунів.
In the paper a unique method and results are presented for thermopysical properties of biogas for vehicular piston installations.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:29:20Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №278
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
УДК 532+541.11
Левтеров А.М., Маринин В.С., Умеренкова К.Р.
Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины
РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БИОГАЗА,
ИСПОЛЬЗУЕМОГО В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ДЛЯ ТРАНСПОРТА
У статті викладено
оригінальний метод та резуль-
тати розрахунку теплофізичних
властивостей біогазу, що
використовується у якості пали-
ва для транспортних поршневих
двигунів.
В статье приведен оригиналь-
ный метод и результаты расчета
теплофизических свойств биогаза,
используемого в качестве топлива
для транспортных поршневых уста-
новок.
In the paper a unique method and
results are presented for thermopysical
properties of biogas for vehicular piston
installations.
D – массовая плотность;
D – параметр приведения для массовой плот-
ности;
E – параметр приведения для температуры;
f0 – свободная энергия системы ТС;
f – свободная энергия;
G – энергия Гиббса;
I – групповой интеграл;
k – постоянная Больцмана;
M – молярная масса компонента;
N – число частиц;
NA – число Авогадро;
p – давление;
Р – параметр приведения для давления;
R = R0/M;
R0 – универсальная газовая постоянная;
T – температура;
v – молярный объем;
z – фактор сжимаемости;
β = 1/(kT);
ε, σ – параметры потенциала межмолекулярно-
го взаимодействия;
μ – химический потенциал;
ρ = NA/v – плотность числа частиц.
Индексы верхние :
* – приведенные величины.
Индексы нижние :
1 – первый порядок теории возмущений;
2 – второй порядок теории возмущений;
L – жидкость;
S – насыщенный пар;
V – пар.
АМТ – альтернативные моторные топлива;
БГ – биогаз;
ДВС – двигатель внутреннего сгорания;
ЛД – Леннард-Джонс;
МТВ – модифицированная теория возмуще-
ний;
ПГ – природный газ;
ТС – твердые сферы.
˜
˜
Состояние проблемы. Рост темпов ис-
пользования альтернативных топлив для те-
пловых преобразователей энергии неизбежен
и является следствием объективного процесса
сокращения мировых запасов нефти и необ-
ходимости снижения уровня загрязнения окру-
жающей среды как самими нефтяными топлива-
ми, так и вредными составляющими продуктов
их сгорания. Одним из достаточно распростра-
ненных видов альтернативного топлива для
транспортных двигателей рассматривается
биогаз, получаемый различными способами
из биомассы, которая в большинстве случа-
ев представляет собой отходы жизнедеятель-
ности человека и является возобновляемым
ресурсом. При использовании БГ в качестве
топлива для транспорта решаются задачи час-
тичного замещения им нефтяного топлива,
существенного снижения токсичности от-
работавших газов транспортных двигателей,
рациональной утилизации отходов, улучше-
ния экологии среды обитания. Об этом свиде-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №2 79
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
тельствует опыт многих стран и публикации в
научно-технической литературе [1-5].
Процессы получения, кондиционирова-
ния, транспортирования и использования БГ
в поршневых двигателях далеки от совершен-
ства, одной из причин чего является отсутствие
простого, удобного в пользовании метода опи-
сания изменяющихся во времени теплофизиче-
ских свойств этого вида топлива.
Методам расчета парожидкостного равно-
весия и теплофизических свойств посвящена
весьма обширная литература, в том числе и
справочная. Анализ изложенных в литературе
методов [6-8] показал, что:
– описание термодинамических свойств
жидкостей, газов и их смесей, а также фазовых
превращений, базируется на применении тер-
модинамического метода исследования физи-
ческих свойств и агрегатных состояний тел и
осуществляется путем построения эмпириче-
ских уравнений, применимых для ограничен-
ных областей состояний;
– для расчетов необходим большой объем
исходной информации о свойствах компонен-
тов и их смесей.
Постановка задачи. Одним из важных
условий успешного использования БГ являет-
ся создание современных инженерных методов
расчета парожидкостного равновесия и термо-
динамических свойств многокомпонентных
смесей. Эти методы расчета должны удовлет-
ворять одновременно таким требованиям, как
точность и возможность применения в широ-
ком диапазоне давлений, температур и соста-
вов.
Метод и результаты расчета. В ИПМаш
НАН Украины разработана методика опреде-
ления термодинамических свойств и фазовых
равновесий реальных многокомпонентных
смесей углеводородов – ПГ и БГ [9]. Эта ме-
тодика основана на оригинальной статистико–
механической модификации термодинамиче-
ской теории возмущений. Многокомпонентные
углеводородные смеси рассматриваются как
совокупность частиц различных размеров,
взаимодействие между которыми описывается
стандартным потенциалом ЛД.
Метод теории возмущений основан на ис-
пользовании достаточно простых модельных
систем (для свойств которых известны точ-
ные аналитические выражения) в качестве ну-
левых приближений. Тот факт, что структур-
ные свойства реальных систем (ПГ и БГ) опре-
деляются главным образом отталкивательным
взаимодействием [10], позволяет учесть вкла-
ды межмолекулярных сил притяжения путем
их статистического усреднения по состояниям
базисной системы (с отталкивательным взаи-
модействием). В качестве нулевого приближе-
ния МТВ используется система твердых сфер
(ТС) с постоянным диаметром [9]. Это упро-
щает расчеты теплофизических характеристик,
получаемых на основе выражения для свобод-
ной энергии исходной системы F=Nf;
2
0 1
* ,
* *
If f I
T T
ρ β = β + +
(1)
где T*=kT/ε; ρ*=ρε3.
Быстрая сходимость рядов МТВ типа (1)
позволяет ограничиться малым количеством
членов в дополнение к нулевому: для термиче-
ских величин – первого порядка (I1): для кало-
рических и смешанных – второго порядка (I2).
Фактор сжимаемости z, входящий в уравне-
ние состояния р(v,T) = (NAkT/v)z(v,T), равен
( ) *
** * * *( ) ( ) ,
T
z p T f= ρ = ρ ∂ β ∂ρ (2)
где p* = pσ3/ε, ρ* = NAσ3/v.
В рамках предложенной схемы теории
возмущений получены аналитические вы-
ражения, описывающие термодинамические
свойства и фазовые равновесия жидкость-пар
ЛД-системы, моделирующей реальные систе-
мы – ПГ и БГ.
Равновесие фаз обеспечивается равенством
давлений p и химических потенциалов μ сосу-
ществующих фаз:
* * * *
* * * *
( , ) ( , ) ;
( , ) ( , ) ,
L V
L V
p T p T
T T
ρ = ρ
βµ ρ = βµ ρ
(3)
где βμ = G/NkT.
Детальные расчеты проведены путем чис-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №280
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ленного решения системы уравнений (3). При
этом p* = T*ρ*z, а химический потенциал равен
βμ = βf + z.
Для описания p, D, T – соотношений и рав-
новесий жидкость–пар компонентов ПГ и БГ
применена изложенная выше модифицирован-
ная схема теории возмущений в ее первом по-
рядке. Соотношения между параметрами сос-
тояния T*, ρ*, p*, ЛД–системы и температурой,
массовой плотностью и давлением (T, D, p)
для компонента с молярной массой M и параме-
трами ε, σ имеют вид
*
* 3
* 3
/ / ,
/ ,
/ / ,
T kT T E
D D
p p p P
= ε =
ρ = ρσ =
= σ ε =
%
%
(4)
где E = ε/k, ( )3/ AD M N= σ% , P RED=% % .
Плотности жидкой и паровой фаз на линии
Табл. 1. Экспериментальные и расчетные значения молярных объемов углеводородных смесей
Расчет по МТВ
Состав смеси.
Мольные доли
компонентов, %
Т, K Р, МПа
Vэксп,
м3/кмоль
Vрасч,
м3/кмоль
Погреш-
ность, %
CH4=72,27
C2H6=4,551
C3H8=2,474
n–C5H12=5,205
C7H16=3,65
C10H22=2,814
N2=3,02
CO2=3,015
H2S=3,001
338,71 22,62 0,09469 0,096 1,38
CH4=77,43
C2H6=5,74
C3H8=2,99
n–C5H12=4,66
C7H16=3,59
C10H22=2,63
H2S=2,96
338,71 21,75 0,1003 0,1004 0,09
CH4=80,97
C2H6=5,66
C3H8=3,06
n–C5H12=4,57
C7H16=3,3
C10H22=2,44
366,45 21,63 0,1134 0,1134 0,00
Средняя погрешность, / , %Nδ = Σ δ 0,49
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №2 81
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Табл. 2. Термодинамические свойства биогаза. Состав в мольных долях (метан – 0,400,
углекислый газ – 0,550, вода – 0,020, сероводород – 0,020, водород – 0,005, азот – 0,005)
Плотность (кг/м3)
Температура
(K)
Давление (МПа)
0,100 1,000 3,000 5,000 10,000
273,15 1,40 14,58 47,99 90,17 510,83
500,00 0,77 7,69 23,27 39,11 79,66
1000,00 0,38 3,82 11,41 18,95 37,51
1500,00 0,26 2,55 7,60 12,62 24,97
2000,00 0,19 1,91 5,71 9,47 18,77
2500,00 0,15 1,53 4,57 7,59 15,05
Энтальпия (кДж/кг)
Температура
(K)
Давление (МПа)
0,100 1,000 3,000 5,000 10,000
273,15 274,15 267,18 250,01 229,18 54,59
500,00 560,59 557,93 552,04 546,23 532,05
1000,00 1403,89 1403,40 1402,35 1401,35 1399,07
1500,00 2434,82 2434,97 2435,34 2435,72 2436,78
2000,00 3792,38 3792,85 3793,89 3794,94 3797,62
2500,00 6497,93 6498,58 6500,02 6501,47 6505,11
Энтропия (кДж/кг·K)
Температура
(K)
Давление (МПа)
0,100 1,000 3,000 5,000 10,000
273,15 6,478 5,861 5,536 5,354 4,657
500,00 7,232 6,626 6,330 6,187 5,983
1000,00 8,380 7,777 7,488 7,353 7,167
1500.00 9,212 8,610 8,322 8,188 8,004
2000,00 9,985 9,383 9,095 8,961 8,779
2500,00 11,173 10,572 10,284 10,150 9,968
Коэффициент теплового расширения (1/K)
Температура
(K)
Давление (МПа)
0,100 1,000 3,000 5,000 10,000
273,15 3,712 4,124 5,406 7,782 16,797
500,00 2,010 2,051 2,142 2,234 2,459
1000,00 1,003 1,005 1,009 1,012 1,020
1500,00 0,668 0,668 0,668 0,667 0,665
2000,00 0,501 0,501 0,500 0,499 0,496
2500,00 0,401 0,401 0,400 0,399 0,397
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №282
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Изобарная теплоемкость (кДж/кг·K)
Температура
(K)
Давление (МПа)
0,100 1,000 3,000 5,000 10,000
273,15 1,122 1,158 1,276 1,510 3,967
500,00 1,409 1,418 1,438 1,460 1,516
1000,00 1,911 1,913 1,918 1,922 1,932
1500,00 2,239 2,240 2,241 2,243 2,248
2000,00 3,512 3,512 3,513 3,514 3,517
2500,00 8,139 8,140 8,140 8,141 8,142
Изохорная теплоемкость (кДж/кг·K)
Температура
(K)
Давление (МПа)
0,100 1,000 3,000 5,000 10,000
273,15 0,856 0,853 0,847 0,840 0,888
500,00 1,146 1,146 1,147 1,148 1,150
1000,00 1,649 1,649 1,649 1,649 1,650
1500,00 1,977 1,977 1,977 1,977 1,977
2000,00 3,250 3,250 3,250 3,250 3,250
2500,00 7,877 7,877 7,877 7,877 7,877
Продолжение табл. 2
насыщения определяются из условий равен-
ства давлений и химических потенциалов фаз:
( , ) ( , ) 0;
( , ) ( , ) 0,
L V
L V
p D T p D T
D T D T
− =
µ −µ =
(5)
а плотность вещества D(p, T), кг/м3 в однофаз-
ной области в термодинамическом состоянии p,
МПа и T, К – из уравнения
p(D,T) – p = 0. (6)
Зависимости ортобарических плотностей
DL(T), DV(T), давления насыщенного пара
pS(T) = p(DL,T), плотностей D(p, T) по изобарам
и изотермам находятся из решения системы
нелинейных уравнений (5) и из уравнения (6).
В табл. 1 полученные расчетным путем
значения молярного объема углеводородной
смеси, соответствующей возможному составу
ПГ и БГ, сравниваются с экспериментальными
данными, приведенными в [11]. Погрешность
расчета показывает хорошее согласие экспери-
ментальных и расчетных значений.
Выводы
Совокупность приведенных результатов
показывает, что в целом описание термодина-
мических свойств смесей может быть успешно
проведено в рамках разработанного метода. По
всему комплексу свойств этот метод имеет зна-
чительные преимущества перед существующи-
ми модельными и эмпирическими методами.
При использовании метода необходимо ми-
нимальное количество исходных данных (дав-
ление, температура, состав смеси).
Метод применим для обширного класса
веществ и их смесей в широком диапазоне со-
стояний.
Получаемые в результате расчетов харак-
теристики могут быть использованы для ана-
лиза и оценки качества протекания процессов
рабочих циклов ДВС, включая стадии подачи
топлива к дозирующим устройствам и сме-
сеобразования. Результаты такого анализа об-
легчают определение конструктивных параме-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №2 83
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
тров элементов и систем, а также оптимизацию
процессов, которые имеют место в топливных
аккумуляторах, коммуникациях, дозирующих
устройствах и цилиндрах двигателей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Маляренко В.А. Розвиток біоенергетики –
важливий шлях підвищення сільгоспвиробни-
ка / В.А. Маляренко, О.І. Яковлев, І.Г. Жданов
// Энергоснабжение, энергетика, энергоаудит. –
2006. – № 12. – С. 8-20.
2. Lelf Ohlsson Forstudieprojekt dvs mojlig-
heter till produktion dv biodrivmedel i Gavleors
lan / Ohlsson Lelf // Gavle Dala Energikontor.–
2006.– № 5.– Р. 1-4.
3. Кириллов Н.Г. Биогаз – ресурс возобнов-
ляемой энергии / Н.Г. Кириллов // Информаци-
онный бюллетень. – 2002. – № 2(10). – 35 с.
4. Девид Уайлв. Шведский путь в постнеф-
тяное будущее / Девид Уайлв // Sweden Today.
– 2006. – № 7. – С. 5-11.
5. Амитан В.Н. Биотехнологический ком-
плекс для получения биоудобрений, биогаза и
биодобавок из биомассы / В.Н. Амитан // Энер-
госбережение. – 2004. – № 7. – С. 26-27.
6. Рид Р. Свойства газов и жидкостей / Р. Рид,
Дж. Праусниц, Т. Шервуд . – Л.: Химия, 1982. –
592 с.
7. Гуревич Г.Р. Справочное пособие по рас-
чету фазового состояния и свойств газоконден-
сатных смесей / Г.Р. Гуревич, А.И. Брусилов-
ский. – М.: Недра, 1984. – 264 с.
8. Смирнова Н.А. Молекулярные теории рас-
творов. – Л.: Химия, 1987. – 336 с.
9. Маринин В.С. Теплофизика альтернатив-
ных энергоносителей. – Харьков: Форт, 1999.
– 212 с.
10. Крокстон К. Физика жидкого состояния.
– М.: Мир, 1978. – 400 с.
11. Jarborough L. Vapor-liquid equilibrium
data for multicomponent mixture containing
hydrocarbon and non-hydrocarbon components //
AIChE J. – 1972. – Vol. 17, № 2. – Р. 129–133.
Получено 29.04.2010 г.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-60322 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:29:20Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Левтеров, А.М. Маринин, В.С. Умеренкова, К.Р. 2014-04-14T07:01:28Z 2014-04-14T07:01:28Z 2011 Расчетная оценка теплофизических свойств биогаза, используемого в качестве топлива для транспорта / А.М. Левтеров, В.С. Маринин, К.Р. Умеренкова // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 2. — С. 78-83. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60322 532+541.11 В статье приведен оригинальный метод и результаты расчета теплофизических свойств биогаза, используемого в качестве топлива для транспортных поршневых установок. У статті викладено оригінальний метод та результати розрахунку теплофізичних властивостей біогазу, що використовується у якості палива для транспортних поршневих двигунів. In the paper a unique method and results are presented for thermopysical properties of biogas for vehicular piston installations. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Нетрадиционная энергетика Расчетная оценка теплофизических свойств биогаза, используемого в качестве топлива для транспорта Estimation of thermophysical properties of biogas for transport fuel Article published earlier |
| spellingShingle | Расчетная оценка теплофизических свойств биогаза, используемого в качестве топлива для транспорта Левтеров, А.М. Маринин, В.С. Умеренкова, К.Р. Нетрадиционная энергетика |
| title | Расчетная оценка теплофизических свойств биогаза, используемого в качестве топлива для транспорта |
| title_alt | Estimation of thermophysical properties of biogas for transport fuel |
| title_full | Расчетная оценка теплофизических свойств биогаза, используемого в качестве топлива для транспорта |
| title_fullStr | Расчетная оценка теплофизических свойств биогаза, используемого в качестве топлива для транспорта |
| title_full_unstemmed | Расчетная оценка теплофизических свойств биогаза, используемого в качестве топлива для транспорта |
| title_short | Расчетная оценка теплофизических свойств биогаза, используемого в качестве топлива для транспорта |
| title_sort | расчетная оценка теплофизических свойств биогаза, используемого в качестве топлива для транспорта |
| topic | Нетрадиционная энергетика |
| topic_facet | Нетрадиционная энергетика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60322 |
| work_keys_str_mv | AT levterovam rasčetnaâocenkateplofizičeskihsvoistvbiogazaispolʹzuemogovkačestvetoplivadlâtransporta AT marininvs rasčetnaâocenkateplofizičeskihsvoistvbiogazaispolʹzuemogovkačestvetoplivadlâtransporta AT umerenkovakr rasčetnaâocenkateplofizičeskihsvoistvbiogazaispolʹzuemogovkačestvetoplivadlâtransporta AT levterovam estimationofthermophysicalpropertiesofbiogasfortransportfuel AT marininvs estimationofthermophysicalpropertiesofbiogasfortransportfuel AT umerenkovakr estimationofthermophysicalpropertiesofbiogasfortransportfuel |