Compressão e rarefação de gases. Gás natural - combustível para motores

Gás natural consiste principalmente em metano (pelo menos 90%) com pequenas misturas de etano (até 6%), propano (até 1,7%) e butano (até 1%).

O gás metano é incolor e inodoro, ligeiramente solúvel em água e mais leve que o ar. Refere-se a hidrocarbonetos saturados, cujas moléculas consistem apenas em carbono e hidrogênio. O alto teor de hidrogênio garante uma combustão mais completa do combustível nos cilindros do motor em comparação com a gasolina e o gás liquefeito de petróleo, portanto o metano é um combustível valioso para carros com boas características antidetonantes.

Características do metano.

Fórmula Molecular – CH 4

Massa molar, kg/mol – 16,03

Densidade a uma temperatura de 15°C e uma pressão de 0,1 MPa:

- em estado gasoso, kg/m 3 - 0,717

— no estado líquido, kg/l – 0,42

Número de carbono – 2,96

Ponto de ebulição, °C – -161,7

Temperatura de autoignição (flash), °C – 590

Valor calorífico líquido:

— em estado gasoso, kJ/m 3 – 33.800

— em estado líquido, kJ/l – 20900

Densidade relativa (ar) – 0,554

Atividade corrosiva – nenhuma

Toxicidade – não tóxico

Temperatura de combustão, °C – 2030

Para referência . Calor de combustão.

Calor de combustão– a quantidade de calor liberada durante a combustão completa de 1 m 3 de gás, com pressão atmosférica e temperatura 20°C.

Existe um valor calorífico maior e menor do gás. Na determinação do poder calorífico superior, é levado em consideração todo o calor liberado durante a combustão e retirado dos produtos da combustão pelo resfriamento até a temperatura inicial. Na prática, o vapor d'água resultante não condensa e leva embora parte do calor gasto no aquecimento de 1 kg de água de 0 a 100 ° C, o que equivale a 418,6 kJ.

Durante a combustão, o calor é consumido para evaporar a umidade contida no combustível e obtida a partir da combustão do hidrogênio. Portanto, para caracterizar os combustíveis gasosos na prática, utiliza-se o menor poder calorífico do gás, que é um valor padrão.

Antes de ser utilizado como combustível para motores, o gás natural passa por uma preparação preliminar para garantir que seus parâmetros correspondam ao desempenho do motor (remoção de impurezas) e às condições de armazenamento no veículo.

Como o gás natural se liquefaz a uma temperatura de -161,7°C, e em condições normais isso é impossível de fazer; nos carros ele é armazenado em cilindros em estado comprimido de até 20 MPa (200 kg/cm2).

Os gases comprimidos caracterizam-se pelo facto de a uma temperatura de 20°C e alta pressão (20 MPa) permanecerem no estado gasoso.

Gás combustível natural comprimido (gás natural comprimido).

Em termos de indicadores físicos e químicos e teor de impurezas, o gás combustível natural deve estar em conformidade com GOST 27577-2000 “Gás combustível natural comprimido para motores de combustão interna”.

Em termos de indicadores físicos e químicos, o gás de acordo com este GOST deve cumprir os requisitos e padrões indicados na Tabela 1.

Tabela 1.

Não não.	Indicadores	Significado
1	2	3
1.	Menor calor volumétrico de combustão, kJ/m 3, não menos	31800
2.	Densidade relativa ao ar	0,55-0,70
3.	Número estimado de octanas (de acordo com o método do motor), não menos	105
4.	Concentração de sulfeto de hidrogênio, g/m 3, não mais	0,02
5.	Concentração de enxofre mercaptano, g/m 3, não mais	0,036
6.	Massa de impurezas mecânicas em 1 m 3, mg, não mais	1,0
7.	Fração de volume total de componentes não combustíveis, %, não mais	7,0
8.	Fração volumétrica de oxigênio, %, não mais	1,0
9.	Concentração de vapor de água, mg/m 3, não mais	9,0

Desvantagens e vantagens da utilização do gás natural comprimido em relação à gasolina.

1. Desvantagens.

1.1. Manter o gás sob alta pressão requer o uso de cilindros de alta resistência, com peso significativo e feitos de aço de alta qualidade. O peso de um cilindro com capacidade de 50 litros com 10 m 3 de gás é de cerca de 70 kg. A instalação de cilindros de gás em um carro acarreta uma redução na capacidade de carga do veículo em 10-12% e a autonomia do veículo também é reduzida.

Os cilindros de GNV são vasos de alta pressão; para cilindros de liga de aço, o período de teste é definido uma vez a cada 5 anos, e para cilindros de aço carbono - uma vez a cada 3 anos.

1.2. Como o calor de combustão da mistura gás-ar do metano é menor que o calor de combustão da mistura gasolina-ar (3,22 MJ/m 3 para metano com ar e 3,55 MJ/m 3 para gasolina com ar), e devido à taxa de enchimento do cilindro mais baixa, a potência do motor ao mudar para gás comprimido é reduzida em 18-20%.

1.3. Ao usar combustível a gás, é difícil dar partida no motor em inverno em temperaturas abaixo de 15°C. A razão é mais aquecer ignição da mistura gás-ar e menor velocidade de propagação da chama.

1.4. Para realizar a manutenção e reparo de veículos com botijões de gás, é necessário pessoal de serviço mais qualificado. Em comparação com a manutenção de motores a gasolina e diesel, a intensidade de trabalho na manutenção e reparo de equipamentos a gás aumenta em 13-15% e os custos em 4-6%.

1.5. O funcionamento dos motores a gás comprimido é acompanhado por uma deterioração nas características de tração, dinâmicas e operacionais dos veículos: o tempo de aceleração aumenta em 25-30%; velocidade máxima diminui em 5-7%.

2. Benefícios.

2.1. O combustível a gás queima mais completamente nos cilindros do motor devido aos limites de inflamabilidade mais amplos do gás em comparação com a gasolina. Se os limites de ignição da gasolina misturada com ar forem 6,0 e 1,5%, respectivamente, então os limites de ignição do gás comprimido misturado com ar estarão no limite superior de 15% e no limite inferior de 5%. Isto torna possível esgotar a mistura combustível para α=1,2-1,3 nos modos de operação do motor.

Como resultado, a toxicidade dos gases de escape é significativamente reduzida (em termos de teor de óxidos de carbono - em 2-3 vezes, em termos de teor de óxidos de nitrogênio - em 1,2-2,0 vezes, em termos de teor de hidrocarbonetos - em 1,1-1,4 vezes).

2.2. O gás comprimido não dilui o óleo no cárter do motor, não remove o óleo das paredes do cilindro e não piora as condições de lubrificação. Portanto, o desgaste das peças dos motores a gasolina é menor do que o dos motores a gasolina. Como resultado, a vida útil dos motores aumenta em 1,3-1,5 vezes. A vida útil do óleo também aumenta de 1,5 a 2 vezes e seus custos são reduzidos de 25 a 35 por cento.

2.3. Os preços do gás comprimido são mais baixos do que os da gasolina: há economia nos custos de combustível apesar da perda de potência do motor e da diminuição da capacidade de carga do veículo.

Autotrans-consultant.ru.

O gás comprimido comprimido é obtido jeitos diferentes: diretamente de poços de gás, como produto do refino de petróleo e por fracionamento de condensado de gás ou gás de petróleo associado. O gás natural comprimido pode não apenas substituir com sucesso os combustíveis líquidos para motores, mas também superá-los em vários parâmetros. Sua principal vantagem é que o gás natural comprimido pode ser utilizado no transporte rodoviário sem processamento tecnológico dispendioso.

A composição dos gases naturais produzidos nos campos nacionais é bastante semelhante. Basicamente (82-98%) é metano CH4 com pequenas impurezas (até 6%) etano C2H6, até 1,5% propano C3H8 e até 1% butano C4H10. Nos gases associados produzidos em campos de petróleo, dependendo da área de produção, o teor de metano pode variar de 40 a 82%, e butano e propano - de 4 a 20%.

O componente principal, metano CH 4, é caracterizado pela temperatura crítica mais alta (-82°C). Portanto, quando temperaturas normais Mesmo a alta pressão, o metano não pode ser liquefeito: isto requer baixa temperatura.

As propriedades do metano são determinadas pela sua estrutura molecular. O gás é um hidrocarboneto simples. Sua molécula contém no máximo hidrogênio por átomo de carbono. Isso se deve à alta condutividade térmica do metano, ampla faixa de inflamabilidade e baixo teor de componentes tóxicos. Devido ao alto teor de hidrogênio no gás comprimido, ele queima mais completamente nos cilindros do motor do que o HPG e a gasolina. Comparado a outros gases hidrocarbonetos, o metano é muito mais leve que o ar, por isso, em caso de vazamento, acumula-se na parte superior da sala. A alta resistência à detonação do metano permite que o motor seja aumentado em termos de taxa de compressão (9,5-10,5).

Em termos de parâmetros energéticos, 1 m3 de gás natural equivale a 1 litro de gasolina. Ao mesmo tempo, o gás natural possui uma concentração volumétrica de energia muito baixa. Se o poder calorífico de 1 litro de combustível líquido for 31.426 kJ, então para o gás natural é 33,52-35,62 kJ, ou seja, quase 1000 vezes menos. Portanto, o gás natural deve ser comprimido a alta pressão.

Nas estações de compressão de gás automotivo na Rússia, a pressão operacional é de 20 MPa.

Para o gás comprimido são utilizadas unidades de cilindros de gás (cilindros, conexões, redutores, gasodutos, etc.), projetadas para operar em alta pressão - 19,6 MPa (200 kgf/cm2). À medida que o gás do cilindro é consumido, a pressão operacional nele diminui continuamente.

Os cilindros de GNV têm capacidade de 34 a 400 litros e são projetados para uma pressão de 19,6 MPa.

Como os cilindros para armazenamento de gás comprimido são feitos de paredes grossas, uma bateria de oito desses cilindros é bastante pesada. Consequentemente, a capacidade de carga útil dos veículos também é reduzida. Ao mesmo tempo, a quilometragem dos veículos a GNV torna-se 2 vezes menor que a dos veículos a gasolina. Portanto, a tecnologia criogênica para armazenamento de GNV em um carro é considerada mais promissora. Além disso, essa direção é considerada um marco no caminho para a criação de motores a hidrogênio.

O gás natural comprimido (GNC), anteriormente chamado de gás natural comprimido (GNC), é regulamentado pelo GOST 27577-2000 “Gás combustível comprimido para motores de combustão interna” que determina os indicadores físico-químicos e operacionais do GNV (Tabela 5.7).

Tabela 5.7 Indicadores físico-químicos e indicadores operacionais do GNV

Observação. Os valores do indicador foram estabelecidos a uma temperatura de 293K (20 °C) e uma pressão de 0,1013 MPa .

De acordo com o GOST para GNV, a temperatura do gás abastecido nos cilindros do veículo não deve ser superior a 40°C. A uma temperatura ambiente acima de 35°C, a temperatura do gás a ser carregado não deve ser mais de 5°C superior à temperatura do ar. A temperatura do GNV durante o reabastecimento é determinada a pedido dos consumidores.

O GNV inflama a uma temperatura de 635-645°C na câmara de combustão do motor, que é 3 vezes maior que a temperatura de ignição da gasolina.

Isto dificulta o arranque do motor, especialmente em temperaturas ambientes baixas (abaixo de -5°C). Portanto, os carros têm um sistema de energia reserva a gasolina. Ao mesmo tempo, em termos de riscos de ignição e incêndio, o GNV é muito mais seguro que a gasolina.

Os fatores positivos do uso do GNV incluem o seguinte:

A vida útil do óleo do motor aumenta 1,5-2,0 vezes devido à ausência de sua diluição e redução da contaminação; como resultado, o consumo de óleo é reduzido em 30-40% em comparação com os motores a gasolina;

A vida útil do motor aumenta em média 35-40% devido à ausência de depósitos de carbono nas peças do grupo cilindro-pistão;

A vida útil das velas aumenta em 40%;

A quilometragem de revisão do motor aumenta 1,5 vezes;

A emissão de substâncias nocivas, especialmente CO, dos gases de escape é significativamente reduzida (até 90%).

Os motores dos veículos com botijões de gás movidos a GNV, se o gás acabar, podem rapidamente passar a funcionar com gasolina.

Juntamente com as vantagens, podem ser observadas as seguintes desvantagens:

A intensidade de trabalho de manutenção e reparação aumenta 7-8%, e o preço do automóvel aumenta em média 27% devido à presença de equipamento adicional de gás;

A potência do motor é reduzida em 18-20%. As características de tração, dinâmicas e operacionais dos carros estão se deteriorando: o tempo de aceleração aumenta em 24-30%; a velocidade máxima diminui em 5-6%; os ângulos máximos de subida superados são reduzidos em 30-40%; torna-se difícil operar um veículo com reboque; a autonomia com um abastecimento de gás é reduzida (não excede 200-250 km);

A capacidade de carga do veículo é reduzida em 9-14% devido ao uso de cilindros de aço de alta pressão (seu número e peso podem variar);

A taxa de utilização de quilometragem dos veículos a gás é reduzida em 8-13% em comparação com os veículos a gasolina;

A produtividade anual ao trabalhar no transporte urbano é reduzida em 14-16% em comparação com a gasolina.

As características consideradas do GNV como combustível para automóveis permitem determinar a área racional de aplicação dos automóveis a gás: transporte nas grandes cidades e áreas adjacentes (prioridade para a melhoria da qualidade do ar).

A eficácia do transporte intraurbano em veículos com botijões de gás no atendimento ao comércio, residências, comunicações e outras instituições é óbvia.

Descrição geral dos compressores de pistão. Estágio único e dois estágios. Espaço prejudicial

De acordo com a natureza da ação, os compressores de pistão podem ser de ação simples (ou ação simples) ou dupla ação. Nas unidades de ação simples, uma sucção ou descarga é realizada por curso do pistão. Nos compressores de dupla ação, duas sucções ou descargas são realizadas em um curso do pistão.

Com base no número de estágios de compressão, os compressores de pistão são divididos em três tipos: estágio único, dois estágios e múltiplos estágios. O estágio de compressão é geralmente chamado de parte do compressor na qual o gás é comprimido a uma pressão intermediária ou final.

Estruturalmente, os compressores de estágio único podem ser verticais ou horizontais. Como regra, os compressores com design horizontal são máquinas de dupla ação e os compressores com projeto vertical referem-se a unidades de ação única.

Em um compressor de estágio único e ação simples com tipo horizontal design, o pistão se move dentro do cilindro. O cilindro é equipado com uma tampa que possui válvulas de sucção e descarga. O pistão do compressor está conectado a uma biela e uma manivela. O volante está localizado no virabrequim. À medida que o pistão se move da esquerda para a direita, ocorre um vácuo na área entre o pistão e o cilindro. A diferença de pressão entre a linha de sucção e o cilindro faz com que a válvula se abra, permitindo a entrada de gás no cilindro. Quando o pistão se move da direita para a esquerda, a válvula de sucção fecha e o gás no cilindro é comprimido a um nível de pressão p 2. Em seguida, através da válvula, o gás é forçado para dentro da linha de descarga. O ciclo termina e se repete novamente.

O compressor de estágio único e dupla ação é equipado com quatro válvulas (duas de sucção e duas de descarga). Essas máquinas são mais complexas, mas seu nível de produtividade é duas vezes maior. Para fins de refrigeração, o cilindro e as tampas podem ser equipados com camisas de água. Para aumentar a produtividade, essas máquinas podem ser fabricadas em projetos multicilindros. Os compressores de estágio único com design vertical são mais eficientes e mais rápidos que os horizontais. Além disso, ocupam menos espaço de produção e são mais duráveis.

Os compressores de dois estágios com design horizontal são geralmente equipados com um cilindro único e um tipo de estágio ou pistão diferencial. O gás é comprimido no cilindro pelo lado esquerdo do pistão, após o que passa pelo resfriador e é fornecido ao cilindro do outro lado, onde é comprimido até o nível p 2.

Os projetos de múltiplos estágios são equipados com cilindros dispostos em série (sistema tandem) ou paralelo (sistema composto). Existem também designs de compressores opostos, onde os pistões se movem em direções mutuamente opostas. Os cilindros em estruturas deste tipo estão localizados em ambos os lados do eixo.

Deve-se notar que o processo real de compressão de gás em um compressor difere da teoria. Assim, entre o pistão, quando está em sua posição extrema, e a tampa do cilindro existe um certo volume livre. Essa lacuna é chamada de espaço prejudicial. Nesta lacuna, após a conclusão da injeção, o gás comprimido se expande durante o curso reverso do pistão. Por esta razão, a válvula de sucção abre somente depois que o nível de pressão caiu para o nível de pressão de sucção. Assim, o pistão fica em marcha lenta, o que reduz o desempenho do compressor.