_Улучшение энерго-экологических характеристик автомобилей. Государственный технический

• Название: Государственный технический
• Дата: 15.09.2022
• Размер: 3.39 Mb.
• Имя файла: _Улучшение энерго-экологических характеристик автомобилей.pdf
• Тип: Учебное пособие; #678721
• страница: 13 из 25

Хранение на борту автомобиля
Проблема хранения ПГ на борту автомобиля заключается в его газообразном состоянии при стандартных условиях
1
Плотность ПГ при стандартных условиях почти в 1000 раз меньше плотности жидких топлив. Поэтому приходится применять способы увеличения плотности хранения ПГ на борту автомобиля.
Природный газ можно хранить на борту автомобиля:

в компримированном (сжатом) до 20…38 МПа виде в высокопрочных баллонах; в этом случае говорят о
«компримированном природном газе» – КПГ;
1
Стандартные условия − 25°C, 100 кПа.

136

в сжиженном виде при температуре –160°С…–122°С и давлении
0,2
…1,0 МПа в термоизолированных сосудах; в этом случае говорят о «сжиженном природном газе» – СПГ;

в адсорбированном виде при давлении около 3,5…4,4 МПа в
ёмкостях различной конфигурации; в этом случае говорят об
«адсорбированном природном газе» – АПГ.
По сравнению с жидкими топливами системы хранения ПГ на борту автомобиля отличаются:

большим занимаемым объёмом;

большей массой;

большими затратами энергии на заправку.
Плотность метана при стандартных условиях − 0,6682 кг/м³
(
удельная низшая теплота сгорания − 32,74 МДж/м
3
или ≈49 МДж/кг). При давлении 20 МПа и температуре 25°С метан имеет плотность хранения
135 кг/м³ (6615 МДж/м
3
).
Адсорбированный ПГ при 4,0 МПа имеет плотность хранения до 110 кг/м
3
(5390
МДж/м
3
).
Сжиженный метан при температуре –168°С имеет плотность 415 кг/м³ (20335 МДж/м
3
).
Для сравнения – плотность бензина составляет порядка 750 кг/м
3
, а удельная низшая теплота сгорания − ≈44 МДж/кг, т.е. плотность хранения энергии составляет ≈33000 МДж/м
3
Таким образом, для замены 50-литрового бензобака потребуется:
81- литровый «термос» для СПГ или 306-литровая ёмкость для АПГ или
249- литровый баллон для КПГ.
В реальных системах хранения указанные показатели на 15…30% хуже.
Удельный вес систем хранения КПГ при использовании различных баллонов составляет:

цельнометаллических баллонов – порядка 6 кг/СТДм
3
,

стальных баллонов с обмоткой из стекловолокна – порядка 4,0 кг/СТДм
3
,

цельноалюминиевых баллонов – порядка 3,2 кг/СТДм
3
,

алюминиевых баллонов с обмоткой из стекловолокна – порядка
3,0 кг/СТДм
3
,

цельнокомпозитных баллонов с обмоткой из стекловолокна – порядка 1,8 кг/СТДм
3
,

137

цельнокомпозитных баллонов с обмоткой из углеродного волокна – порядка 1,2 кг/СТДм
3
,

алюминиевых баллонов с обмоткой из углеродного волокна – порядка 0,9 кг/СТДм
3
Благодаря использованию новых высокопрочных материалов удельный вес систем хранения КПГ удалось снизить почти в шесть раз.
Однако стоимость лёгких баллонов для хранения КПГ возрастает примерно в той же степени.
Удельный вес систем хранения АПГ с учётом массы сосуда и адсорбента составляет порядка 5,7 кг/СТДм
3
Удельный вес систем хранения СПГ составляет порядка 0,56…0,91 кг/л.
Для сравнения, удельный вес бензобака составляет порядка
0,15…0,2 кг/л.
Теоретически вычисленные в работе [78] затраты энергии на сжатие ПГ от 0,1 МПа до 20 МПа составляют порядка 788 кДж/СТДм
3
, на заправку с адсорбцией ПГ до 3,5МПа – от 450 до 600 кДж/СТДм
3
, на сжижение ПГ до –168
О
С – от 1560 до 3200 кДж/СТДм
3
Конкретные значения затрат энергии на заправку АПГ и СПГ зависят от организации технологического процесса заправки и эффективности применяемого оборудования.
КПГ – компримированный природный газ
Природный газ, как и любой другой, может быть сжат при помощи компрессора. При этом занимаемый им объём значительно уменьшается.
Природный газ традиционно сжимается до давления 20…25 МПа, что приводит к сокращению объёма в 200…250 раз.
К автомобильной газонаполнительной компрессорной станции
(АГНКС) природный газ, как правило, подводят от магистрального газопровода, дожимают компрессором до 20 МПа и осушают его. На станции КПГ хранят в буферном баллоне высокого давления, из которого газ закачивают в баллоны автомобиля.
АПГ – адсорбированный природный газ
Для задачи аккумулирования ПГ (метана) наиболее подходящими являются микропористые адсорбционные материалы ввиду отсутствия у

138 молекул метана специфических взаимодействий, в частности электростатического взаимодействия, индуцированного дипольным или квадрупольным моментом. Вследствие этого адсорбция метана возможна лишь за счёт дисперсионных сил, возникающих в микропорах, обладающих высокими характеристическими энергиями. В настоящее время основными представителями таких адсорбентов являются микропористые углеродные адсорбенты, синтетические цеолиты и силикагели, которые производятся в промышленных масштабах и широко применяются в индустриях различных отраслей, а также перспективные микропористые материалы, синтезируемые в настоящее время в незначительных количествах: углеродные нанотрубки, фуллерены, а также MOF (металлорганические) и COF (ковалентные органические) структуры [78].
Природный газ адсорбируется в нанопористых структурах адсорбента. В случае активированного угля диаметр пор составляет от
12 до 35 ангстрем. Адсорбент должен обладать большой площадью контакта с метаном (1200…2500 м
2
/г) и содержать как можно меньше пустот. Более эффективными являются монолитные спрессованные адсорбенты с плотностью до 1,06 г/см
3
(рис. 36).
При использовании в качестве адсорбента активированного угля,
АПГ при 3,5 МПа и 20°С имеет плотность хранения до 110 кг/м
3
. При использовании в качестве адсорбента MOF-структур, АПГ при 3,5 МПа и
20
°С имеет плотность хранения до 130 кг/м
3
С увеличением давления хранения ПГ в сосуде эффективность адсорбционного концентрирования падает, и характеристики сжатого и адсорбированного природного газа сближаются. Как правило, давление в
3,5 МПа (35 бар) считается наиболее оптимальным для хранения АПГ.
Степень адсорбции метана на поверхности адсорбента зависит и от температуры (рис. 37). Снижение температуры с 20°С до −20°С позволяет снизить давление хранения примерно в 3 раза с сохранением того же количества газа. Данное обстоятельство позволяет говорить о возможности увеличения плотности хранения АПГ как за счёт применения новых, более эффективных адсорбентов, так и за счёт изменения условий хранения АПГ.

139
Рис. 36. Зависимость плотности хранения метана от давления в баллоне.
АУ − активный уголь; АУМ − активный уголь монолитный [
79
]
Рис. 37. Изотермы адсорбции метана (в масс. %) на активированном
углеродном волокне ACF3 при различных температурах [
80
]

140
Основные технические проблемы реализации адсорбционных систем аккумулирования ПГ [78]:

тепловые эффекты адсорбции и десорбции, понижающие эффективность и, соответственно конкурентоспособность адсорбционных систем;

селективность адсорбции, которая приводит к неравномерному поглощению компонентов газовой смеси (природного газа), т.е. к накоплению «вредных» примесей в микропорах и снижению величины адсорбции метана (как основного и наиболее полезного компонента природного газа), особенно при циклической нагрузке.
В процессе адсорбции адсорбент способен значительно нагреваться (на 30…60°С). При повышении температуры адсорбционные свойства адсорбентов уменьшаются, т.е. выделяющаяся при адсорбции теплота уменьшает количество аккумулируемого газа, что препятствует процессу аккумулирования. Аналогично при десорбции поглощается примерно такое же количество теплоты, сколько и выделяется при адсорбции.
Уменьшение температуры адсорбента вследствие поглощения теплоты затрудняет процесс «выдачи» адсорбентом аккумулированного газа. При низких температурах окружающей среды это также приводит к большому остаточному количеству ПГ в сосуде.
Чтобы сократить количество остаточного газа целесообразно нагревать адсорбер при десорбции до температур от 50°С до 100°С или применять дополнительный вакуумный насос для откачки ПГ из сосуда [78].
Нагрев при адсорбции и охлаждение при десорбции можно ограничить, используя либо технические средства, например, теплообменник, помещённый внутрь адсорбера, либо с помощью самой организации данных процессов, например, увеличивая время заправки или изменяя расход ПГ.
Другой проблемой в реализации адсорбционных систем аккумулирования ПГ является селективность адсорбции. Применение неочищенного природного газа может существенно повлиять на работоспособность адсорбционных систем. Различные примеси в ПГ могут накапливаться и менять свою концентрацию в адсорбате в результате многочисленных заправок. Таким образом, при каждой последующей заправке адсорбционная система на природном газе всё

141 сильнее отклоняется от системы, работающей на «чистом» метане.
Данное обстоятельство указывает на целесообразность очистки ПГ
(как минимум − от высококипящих углеводородов) и заправки адсорбционных систем очищенным метаном.
На эффективность работы АПГ-систем большое внимание оказывает не только режим хранения и эксплуатации, но и режим заправки и опорожнения сосуда (рис. 38). Выбор оптимального варианта зависит от многих разнородных факторов, что затрудняет принятие окончательного решения.
Рис. 38. Классификация заправки, хранения и эксплуатации АПГ-систем [78]

142
Тем не менее, использование АПГ в мире постепенно расширяется, что указывает на имеющийся потенциал данной системы хранения ПГ на борту автомобиля.
СПГ – сжиженный природный газ
СПГ получают из природного газа путём сжатия с последующим охлаждением. Процесс сжижения идет ступенями, на каждой из которых газ сжимается в 5…12 раз, затем охлаждается и передаётся на следующую ступень. Собственно сжижение происходит при охлаждении после последней стадии сжатия.
В процессе сжижения используются различные виды установок − дроссельные, турбодетандерные, турбинно-вихревые и пр.
Технология сжижения ПГ оказывает некоторое влияние на его состав. Во-первых, СПГ не одорируют, т.к. одорант при температурах хранения СПГ переходит в твёрдое состояние. Во-вторых, относительная доля метана в СПГ возрастает, т.к. некоторые фракции при сжижении удаляют (согласно [72], СПГ марки «А» должен содержать не менее 99% метана, марки «Б» − не менее 80% метана, а марки «В» − не менее 75% метана). Поэтому СПГ − более однородное и чистое топливо, чем КПГ.
Плотность СПГ примерно в 615 раз выше плотности ПГ при стандартных условиях. Требуется примерно 1,55 л СПГ для замены 1 л бензина и примерно 1,67 л СПГ для замены 1 л дизельного топлива [81].
Сжиженный ПГ хранится в термоизолированных сосудах при температуре –160°С…–125°С и давлении 0,2…1,0 МПа. Несмотря на применяемые методы многослойной вакуумной термоизоляции, тепло окружающей среды постепенно проникает в сосуд и приводит либо к повышению давления в сосуде, либо к «выкипанию» некоторого количества ПГ, которое затем удаляется из сосуда при помощи клапана вентиляции. Время, которое сосуд может удерживать СПГ до необходимости сброса давления, называется временем удержания.
Согласно нормативным требованиям, установленным в США и Канаде, время удержания для автомобильных сосудов СНГ составляет не менее
5 дней.
Поскольку СПГ представляет собой смесь газов, имеющих различную температуру кипения, то при «выкипании» и сбросе в атмосферу из бака удаляются более летучие компоненты (главным

143 образом метан), что приводит к постепенному изменению состава СПГ в сторону уменьшения доли метана. Этот процесс получил название
«выветривание» (англ. weathering). Выветривание может негативно повлиять на работу ДВС. Поэтому к СПГ нужно относиться как к
«скоропортящемуся» продукту. Автомобиль, работающий на СПГ, должен регулярно использоваться.
Чем больше доля метана в составе СПГ, тем в меньшей степени происходит «выветривание». Это обстоятельство необходимо учитывать при разработке стандартов качества на СПГ.
СПГ в сосуде находится в состоянии насыщения, т.е. в состоянии равновесия жидкой и газообразной фаз. В этом состоянии отвод теплоты приводит не к снижению температуры, а к конденсации паров. Подвод теплоты, соответственно, приводит не к росту температуры, а к испарению жидкости. Состояние насыщения зависит от температуры и давления (рис. 39). С увеличением давления и температуры плотность паровой фазы увеличивается, а плотность жидкой фазы уменьшается. В критической точке
1
плотность метана составляет 162 кг/м
3
Обычно СПГ хранится на борту автомобилей при давлении
0,69 МПа (100 psi) и соответствующей температуре насыщения −129°С.
Плотность жидкой фазы при этом составляет 373 кг/м
3
. Данные параметры выбраны, исходя из удобства использования такого давления в системе питания ДВС, хотя и являются компромиссными с точки зрения меньшей плотности СПГ.
При заправке СПГ подаётся в верхнюю часть ёмкости − в зону насыщенных паров. Охлаждение насыщенных паров приводит к их конденсации, так что давление при заправке не увеличивается. Ёмкость не заполняется до конца, остаётся некоторое пространство, позволяющее СПГ расширяться при подъёме температуры.
Для уменьшения эффекта «выветривания» метана подача топлива из ёмкости в систему питания ДВС осуществляется не из зоны паров, а из зоны жидкости (т.е. из нижней части ёмкости).
1
В критической точке плотность жидкости и её насыщенного пара становятся равны, а поверхностное натяжение жидкости падает до нуля, поэтому исчезает граница раздела фаз жидкость-пар. При температуре выше критической газ невозможно сконденсировать ни при каком давлении.

144
Рис. 39. Кривая насыщения для 100% метана определяет условия, при
которых могут сосуществовать жидкая и паровая фазы [81]
Из СПГ можно легко получить КПГ, сжимая СПГ относительно небольшим насосом (примерно с баскетбольный мяч) до требуемого давления и затем испаряя его в теплообменнике. Этот процесс, называемый регазификацией СПГ, гораздо менее энергозатратен, чем процесс сжатия газообразного ПГ. В некоторых случаях такой вариант получения КПГ будет оптимальнее с точки зрения рассмотрения жизненного цикла или при условии эксплуатации смешанного парка автомобилей, работающих как на КПГ, так и на СПГ.
При этом, однако, следует учитывать разницу в содержании масла в
КПГ, полученного традиционным сжатием в компрессорах, и КПГ, полученного из СПГ. При сжатии в компрессорах, КПГ захватывает с собой частички масла, используемого для смазки компрессора («унос» масла), а при получении КПГ из СПГ такого эффекта нет. В системах питания ДВС с впрыском ПГ через форсунки это может стать проблемой, т.к. подвижная игла форсунки требует смазки.

145
Таким образом, СПГ имеет наивысшую плотность хранения энергии из всех систем хранения ПГ на борту автомобилей. Это позволяет существенно увеличить запас хода автомобилей, работающих на СПГ, до величин, сопоставимых с запасом хода дизельных автомобилей.
Пропан-бутан (сжиженный углеводородный газ, СУГ)
Получение
СУГ представляет собой смесь пропана С
3
Н
8
и бутана С
4
Н
10
, извлекаемую из конденсатных фракций природного газа, из попутных нефтяных газов, из газов, получаемых в процессах стабилизации нефти и газового конденсата, из нефтезаводских газов, получаемых с установок переработки нефти.
СУГ обычно рассматривается как побочный продукт переработки природного газа и нефти, т.е. невозобновляющихся источников энергии.
Свойства
Помимо пропана и бутана СУГ содержит по массе порядка 6% других углеводородов – этана, этилена, пропилена, бутилена и их изомеров, то есть состав СУГ неоднороден и непостоянен.
СУГ – смесь лёгких углеводородов, которые, будучи газами при нормальных условиях, легко сжижаются при умеренном повышении давления или при снижении температуры. У пропана критическая температура – 96,8°C, у бутана – 152,0°C, что позволяет легко сжижать эти газы и хранить в жидком состоянии при относительно невысоком давлении 0,34…1,6 МПа.
В России установлены две марки СУГ автотранспортного применения [82]: ПА − пропан автомобильный и ПБА − пропан-бутан автомобильный
1
. ПА используется в зимнее время, а ПБА – в летнее.
По физико-химическим и эксплуатационным показателям СУГ должны соответствовать требованиям и нормам, указанным в табл. 11.
1
В международной практике используется название «Autogas».

146
Таблица 11
Физико-химические и эксплуатационные показатели сжиженных углеводородных газов
Наименование показателя
Норма для марки
Метод испытания
ПА
ПБА
1.
Массовая доля компонентов, %:
- пропана
- сумма непредельных углеводородов, не более
85

10 6
50

10 6
По ГОСТ 10679 2.
Объёмная доля жидкого остатка при 20°С, %, не более
0,7 1,6
По ГОСТ Р 52087-
2003 3.
Давление насыщенных паров, избыточное, МПа, при температуре: плюс 45°С, не более минус 20°С, не менее минус 30°С, не менее
-
-
0,07 1,6 0,07
-
По ГОСТ Р 50994 или ГОСТ 28656 4.
Массовая доля сероводорода и меркаптановой серы, %, не более, в том числе сероводорода, не более
0,01 0,003
По ГОСТ 229S5 или
ГОСТ Р 50802 5.
Содержание свободной воды и щёлочи
Отсутствие
По ГОСТ Р 52087-
2003
СУГ не имеет запаха, и поэтому в целях безопасности его одорируют тиолами.
СУГ образуют с воздухом взрывоопасные смеси при концентрации паров пропана от 2,3% до 9,5%, нормального бутана от 1,8% до 9,1% (по объёму), при давлении 0,1013 МПа и температуре 15°С…20°С.
Пропан-бутан тяжелее воздуха в 1,5…2 раза и при утечке скапливается у земли, создавая взрывоопасные условия. Поэтому газобаллонные автомобили хранят на открытых стоянках, а ремонтные зоны оснащают хорошей вентиляцией.
Температура самовоспламенения пропана в воздухе составляет
470°С, нормального бутана − 405°С.
Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны (в пересчете на углерод) предельных углеводородов (пропан, нормальный бутан) − 300 мг/м
3
, непредельных углеводородов (пропилен, бутилен) −
100 мг/м
3

147
Сжиженные газы, попадая на тело человека, вызывают обморожение, напоминающее ожог. Пары сжиженного газа тяжелее воздуха и могут скапливаться в низких непроветриваемых местах.
Человек, находящийся в атмосфере с незначительным превышением ПДК паров сжиженного газа в воздухе, испытывает кислородное голодание, а при значительных концентрациях в воздухе может погибнуть от удушья.