Компресия и разреждане на газове. Природен газ - моторно гориво

Природен газСъстои се основно от метан (поне 90%) с малки примеси на етан (до 6%), пропан (до 1,7%) и бутан (до 1%).

Газът метан е безцветен и без мирис, слабо разтворим във вода, по-лек от въздуха. Отнася се за наситени въглеводороди, чиито молекули се състоят само от въглерод и водород. Високото съдържание на водород осигурява по-пълно изгаряне на горивото в цилиндрите на двигателя в сравнение с бензина и втечнения нефтен газ, така че метанът е ценно гориво за автомобили с добри антидетонационни характеристики.

Характеристики на метан.

Молекулна формула – CH 4

Моларна маса, kg/mol – 16.03

Плътност при температура 15°C и налягане 0,1 MPa:

— в газообразно състояние, kg/m 3 – 0,717

— в течно състояние, kg/l – 0,42

Въглеродно число – 2.96

Точка на кипене, °C – -161.7

Температура на самозапалване (пламване), °C – 590

Долна калоричност:

— в газообразно състояние, kJ/m3 – 33800

— в течно състояние, kJ/l – 20900

Относителна плътност (въздух) – 0,554

Корозивна активност – няма

Токсичност – нетоксичен

Температура на горене, °C – 2030

За справка . Топлина на изгаряне.

Топлина на изгаряне– количеството топлина, отделена при пълното изгаряне на 1 m 3 газ, с атмосферно наляганеи температура 20°C.

Има по-висока и по-ниска калоричност на газа. При определяне на по-високата калоричност се взема предвид цялата топлина, отделена при горенето и отнета от продуктите на горенето чрез охлаждането им до началната температура. На практика получената водна пара не кондензира и отнема част от топлината, изразходвана за нагряване на 1 kg вода от 0 до 100 ° C, което е равно на 418,6 kJ.

По време на горенето топлината се изразходва за изпаряване на влагата, съдържаща се в горивото и получена от изгарянето на водород. Следователно за характеризиране на газовите горива на практика се използва по-ниската калоричност на газа, която е стандартна стойност.

Преди да бъде използван като моторно гориво, природният газ преминава предварителна подготовка, за да се гарантира, че параметрите му отговарят на мощността на двигателя (отстраняване на примеси) и условията на съхранение в автомобила.

Тъй като природният газ се втечнява при температура от -161,7°C, а в нормални условиятова е невъзможно да се направи, при автомобили се съхранява в бутилки в компресирано състояние до 20 MPa (200 kg/cm2).

Сгъстените газове се характеризират с това, че при температура 20°C и високо налягане (20 MPa) остават в газообразно състояние.

Компресиран природен газ (компресиран природен газ).

По физико-химични показатели и съдържание на примеси природният горивен газ трябва да отговаря на ГОСТ 27577-2000 „Сгъстен природен горивен газ за двигатели с вътрешно горене“.

По физични и химични показатели газът съгласно този GOST трябва да отговаря на изискванията и стандартите, дадени в таблица 1.

Маса 1.

Не не.	Индикатори	Значение
1	2	3
1.	Долна обемна топлина на изгаряне, kJ/m 3, не по-малко	31800
2.	Относителна плътност спрямо въздуха	0,55-0,70
3.	Очаквано октаново число (по моторния метод), не по-малко	105
4.	Концентрация на сероводород, g/m 3, не повече	0,02
5.	Концентрация на меркаптанова сяра, g/m 3, не повече	0,036
6.	Маса на механични примеси в 1 m 3, mg, не повече	1,0
7.	Обща обемна част на незапалими компоненти,%, не повече	7,0
8.	Обемна част на кислорода,%, не повече	1,0
9.	Концентрация на водна пара, mg/m 3, не повече	9,0

Недостатъци и предимства на използването на компресиран природен газ в сравнение с бензина.

1. Недостатъци.

1.1. Поддържането на газ под високо налягане изисква използването на високоякостни цилиндри, които имат значително тегло и са изработени от висококачествена стомана. Теглото на един цилиндър с вместимост 50 литра с 10 m 3 газ е около 70 kg.Инсталирането на газови бутилки на автомобил води до намаляване на товароносимостта на автомобила с 10-12%, а също така намалява и обхватът на автомобила.

Бутилките за CNG са съдове под високо налягане; за бутилките от легирана стомана периодът на изпитване се определя веднъж на 5 години, а за бутилките от въглеродна стомана - веднъж на 3 години.

1.2. Тъй като топлината на изгаряне на сместа газ-въздух на метан е по-малка от топлината на изгаряне на сместа бензин-въздух (3,22 MJ/m 3 за метан с въздух и 3,55 MJ/m 3 за бензин с въздух), и поради до по-ниското съотношение на пълнене на цилиндрите, мощността на двигателя при преминаване към сгъстен газ се намалява с 18-20%.

1.3. Когато използвате газово гориво, стартирането на двигателя е трудно зимно времепри температури под 15°C. Причината е повече топлиназапалване на газовъздушната смес и по-ниска скорост на разпространение на пламъка.

1.4. За извършване на поддръжка и ремонт на автомобили с газови бутилки е необходим по-висококвалифициран обслужващ персонал. В сравнение с обслужването на бензинови и дизелови двигатели, трудоемкостта на поддръжката и ремонта на газовото оборудване се увеличава с 13-15%, а разходите с 4-6%.

1.5. Работата на двигатели със сгъстен газ е придружена от влошаване на сцеплението, динамичните и експлоатационните характеристики на превозните средства: времето за ускорение се увеличава с 25-30%; максимална скоростнамалява с 5-7%.

2. Ползи.

2.1. Газовото гориво изгаря по-пълно в цилиндрите на двигателя поради по-широките граници на запалимост на газа в сравнение с бензина. Ако границите на възпламеняване на бензин, смесен с въздух, са съответно 6,0 и 1,5%, тогава границите на възпламеняване на сгъстен газ, смесен с въздух, са при горната граница 15% и при долната граница 5%. Това дава възможност за обедняване на горимата смес до α=1,2-1,3 при режими на работа на двигателя.

В резултат на това значително се намалява токсичността на отработените газове (по отношение на съдържанието на въглеродни оксиди - 2-3 пъти, по отношение на съдържанието на азотни оксиди - с 1,2-2,0 пъти, по отношение на съдържанието на въглеводороди - с 1,1-1,4 пъти).

2.2. Сгъстеният газ не разрежда маслото в картера на двигателя, не отмива маслото от стените на цилиндъра и по този начин не влошава условията на смазване. Поради това износването на частите на двигателите, работещи с газ, е по-ниско от това на бензиновите двигатели. В резултат на това моторният живот на двигателите се увеличава с 1,3-1,5 пъти. Срокът на експлоатация на маслото също се увеличава с 1,5-2 пъти, а разходите му намаляват с 25-35 процента.

2.3. Цените на сгъстения газ са по-ниски от тези на бензина: Има икономии в разходите за гориво въпреки загубата на мощност на двигателя и намаляването на товароносимостта на автомобила.

Autotrans-consultant.ru.

Получава се сгъстен сгъстен газ различни начини: директно от газови кладенци, като продукт от рафиниране на нефт и чрез фракциониране на газов кондензат или свързан петролен газ. Компресираният природен газ може не само успешно да замени течните моторни горива, но и да ги превъзхожда по редица параметри. Основното му предимство е, че компресираният природен газ може да се използва в автомобилния транспорт без скъпа технологична обработка.

Съставът на природните газове, произведени в домашни находища, е доста сходен. Основно (82-98%) това е метан CH4 с малки примеси (до 6%) етан C2H6, до 1,5% пропан C3H8 и до 1% бутан C4H10. В свързаните газове, добивани от нефтени находища, в зависимост от района на производство, съдържанието на метан може да варира от 40 до 82%, а на бутан и пропан - от 4 до 20%.

Основният компонент, метан CH 4, се характеризира с най-висока критична температура (-82°C). Следователно, когато нормални температуриДори при високо налягане метанът не може да бъде втечнен: това изисква ниска температура.

Свойствата на метана се определят от неговата молекулна структура. Газът принадлежи към простите въглеводороди. Молекулата му съдържа максимум водород на въглероден атом. Това се дължи на високата топлопроводимост на метана, широк диапазон на запалимост и ниско съдържание на токсични компоненти. Поради високото съдържание на водород в сгъстения газ, той изгаря по-пълно в цилиндрите на двигателя от HPG и бензина. В сравнение с други въглеводородни газове, метанът е много по-лек от въздуха, така че в случай на изтичане се натрупва в горната част на помещението. Високата устойчивост на детонация на метана позволява двигателят да бъде усилен по отношение на съотношението на компресия (9,5-10,5).

По енергийни параметри 1 m3 природен газ е еквивалентен на 1 литър бензин. В същото време природният газ има много ниска обемна енергийна концентрация. Ако калоричността на 1 литър течно гориво е 31426 kJ, то за природния газ е 33,52-35,62 kJ, т.е. почти 1000 пъти по-малко. Следователно природният газ трябва да бъде компресиран до високо налягане.

В автомобилните газови компресорни станции в Русия работното налягане е 20 MPa.

За сгъстен газ се използват газови бутилки (цилиндри, фитинги, редуктори, газопроводи и др.), Предназначени за работа при високо налягане - 19,6 MPa (200 kgf / cm2). Тъй като газът от бутилката се изразходва, работното налягане в нея непрекъснато намалява.

CNG бутилките са с капацитет от 34-400 литра и са проектирани за налягане от 19,6 MPa.

Тъй като бутилките за съхранение на сгъстен газ са направени от дебели стени, батерия от осем такива цилиндъра е доста тежка. Следователно товароносимостта на превозните средства също е намалена. В същото време пробегът на CNG превозните средства става 2 пъти по-малък от този на бензин. Следователно криогенната технология за съхранение на CNG в автомобил се счита за по-обещаваща. В допълнение, тази посока се счита за крайъгълен камък по пътя към създаването на водородни двигатели.

Сгъстеният (сгъстен) природен газ (СПГ), наричан по-рано сгъстен природен газ (СПГ), се регулира от GOST 27577-2000 „Сгъстен горивен газ за двигатели с вътрешно горене“ определя физикохимичните и експлоатационните показатели на СПГ (Таблица 5.7).

Таблица 5.7 Физико-химични показатели и експлоатационни показатели на CNG

Забележка. Стойностите на индикатора са установени при температура 293K (20 °C) и налягане 0,1013 MPa .

В съответствие с GOST за CNG температурата на газа, който се пълни в бутилките на превозното средство, не трябва да надвишава 40 ° C. При температура заобикаляща среданад 35°C, температурата на зареждания газ трябва да бъде не повече от 5°C по-висока от температурата на въздуха. Температурата на CNG по време на зареждане с гориво се определя по искане на потребителите.

CNG се запалва при температура 635-645°C в горивната камера на двигателя, което е 3 пъти по-високо от температурата на запалване на бензина.

Това затруднява стартирането на двигателя, особено при ниски температури на околната среда (под -5°C). Следователно автомобилите имат резервна система за захранване с бензин. В същото време, по отношение на опасностите от запалване и пожар, CNG е много по-безопасен от бензина.

Положителните фактори при използването на CNG включват следното:

Срокът на експлоатация на моторното масло се увеличава с 1,5-2,0 пъти поради липсата на разреждане и намалено замърсяване; в резултат на това разходът на масло е намален с 30-40% в сравнение с бензиновите двигатели;

Срокът на експлоатация на двигателя се увеличава средно с 35-40% поради липсата на въглеродни отлагания върху частите на групата цилиндър-бутало;

Срокът на експлоатация на свещите се увеличава с 40%;

Ремонтният пробег на двигателя се увеличава 1,5 пъти;

Емисиите на вредни вещества, особено CO, от отработените газове са значително намалени (до 90%).

Двигателите на превозни средства с газови бутилки, работещи на CNG, ако газът е изразходван, могат бързо да преминат на работа на бензин.

Наред с предимствата могат да се отбележат следните недостатъци:

Трудоемкостта на поддръжката и ремонта се увеличава със 7-8%, а цената на автомобила се увеличава средно с 27% поради наличието на допълнително газово оборудване;

Мощността на двигателя намалява с 18-20%. Сцеплението, динамичните и експлоатационните характеристики на автомобилите се влошават: времето за ускорение се увеличава с 24-30%; максималната скорост намалява с 5-6%; максималните ъгли на преодоляване на изкачвания са намалени с 30-40%; управлението на превозно средство с ремарке става трудно; пробегът при едно зареждане с газ е намален (не надвишава 200-250 км);

Товароносимостта на превозното средство е намалена с 9-14% поради използването на стоманени бутилки с високо налягане (техният брой и тегло могат да варират);

Коефициентът на използване на пробега на превозните средства с газови бутилки е намален с 8-13% в сравнение с превозните средства с бензин;

Годишната производителност при работа в градския транспорт е намалена с 14-16% спрямо бензина.

Разгледаните характеристики на CNG като гориво за автомобили позволяват да се определи рационалната област на приложение на автомобили с газови бутилки: транспорт в големите градове и прилежащите райони (приоритет за подобряване на качеството на въздуха).

Ефективността на вътрешноградския транспорт на превозни средства с газови бутилки при обслужване на търговски, битови, комуникационни и други институции е очевидна.

Общо описание на буталните компресори. Едностепенна и двустепенна. Вредно пространство

Според характера на действие буталните компресори биват еднодействащи (или еднодействащи) и двойнодействащи. При агрегатите с едно действие се извършва едно засмукване или изпускане на ход на буталото. При компресорите с двойно действие се извършват две засмуквания или изпускания с един ход на буталото.

Въз основа на броя на степени на компресия буталните компресори се разделят на три вида: едностепенни, двустепенни и многостепенни. Етапът на компресия обикновено се нарича частта от компресора, в която газът се компресира до междинно или крайно налягане.

Конструктивно едностепенните компресори могат да бъдат вертикални и хоризонтални. По правило компресорите с хоризонтална конструкция са машини с двойно действие, а компресорите с вертикален дизайнсе отнасят за единици с едно действие.

В едностъпален еднодействащ компресор с хоризонтален типдизайн, буталото се движи вътре в цилиндъра. Цилиндърът е снабден с капак, който има смукателни и изпускателни клапани. Буталото на компресора е свързано с мотовилка и манивела. Маховикът е разположен на коляновия вал. Когато буталото се движи отляво надясно, в областта между буталото и цилиндъра възниква вакуум. Разликата в налягането между смукателния тръбопровод и цилиндъра кара вентила да се отвори, което позволява на газа да навлезе в цилиндъра. Когато буталото се движи назад отдясно наляво, смукателният клапан се затваря и газът в цилиндъра се компресира до ниво на налягане p 2. След това през клапана газът се изтласква в изпускателната линия. Цикълът завършва и се повтаря отново.

Едностепенният компресор с двойно действие е оборудван с четири клапана (два смукателни и два изпускателни). Такива машини са по-сложни, но нивото на производителност е два пъти по-високо. За целите на охлаждането цилиндърът и капаците могат да бъдат оборудвани с водни ризи. За да се увеличи производителността, тези машини могат да бъдат произведени в многоцилиндрови конструкции. Едностъпалните компресори с вертикален дизайн са по-ефективни и по-бързи от хоризонталните. Освен това заемат по-малко производствено пространство и са по-издръжливи.

Двустепенните компресори с хоризонтален тип конструкция обикновено са оборудвани с един цилиндър и етапен или диференциален тип бутало. Газът се компресира в цилиндъра от лявата страна на буталото, след което преминава през охладителя и се подава към цилиндъра от другата страна, където се компресира до ниво p 2.

Многостепенните конструкции са оборудвани с цилиндри, които са подредени последователно (тандемна система) или успоредно (комбинирана система). Има и противоположни конструкции на компресори, при които буталата се движат в противоположни посоки. Цилиндрите в конструкции от този тип са разположени от двете страни на вала.

Трябва да се отбележи, че действителният процес на компресиране на газ в компресор се различава от теорията. Така че между буталото, когато е в крайно положение, и капака на цилиндъра има известен свободен обем. Тази празнина се нарича вредно пространство. В тази междина, след завършване на впръскването, компресираният газ се разширява по време на обратния ход на буталото. Поради тази причина смукателният клапан се отваря само след като нивото на налягането падне до нивото на смукателното налягане. По този начин буталото се движи на празен ход, което намалява производителността на компресора.