автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Комбинированная система снижения вредных выбросов двигателей внутреннего сгорания специальной техники, применяемой для работы в условиях ограниченных объёмов

-ьШ^.

Дыбок Максим Васильевич

На правах рукописи

КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕХНИКИ, ПРИМЕНЯЕМОЙ ДЛЯ РАБОТЫ В УСЛОВИЯХ ОГРАНИЧЕННЫХ ОБЪЁМОВ

Специальность 05.04.02 - тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - Пушкин

2006

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете

Научный руководитель:

доктор технических наук профессор Николаенко Анатолий Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор

Петриченко Михаил Романович доктор технических наук профессор Ложкин Владимир Николаевич

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «ЗВЕЗДА»

Защита диссертации состоится «27» октября 2006 г. в 1430 на заседании диссертационного совета Д220.060.05 при ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» по адресу: 196605, Санкт-Петербург-Пушкин, Академический проспект, д. 23, ауд. 2529

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан 2006г.

Учёный секретарь диссертационного совета д.т.н. профессор

Салова Т.Ю.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Применение специальной техники с ДВС в условиях ограниченных объёмов при строительстве, например, при проходке тоннелей, а также при проведении работ по уходу за растениями в условиях замкнутых объёмов (в теплицах) приводит к изменению параметров воздушной среды за счёт её загрязнения вредными выбросами, содержащимися в отработавших газах (ОГ) двигателей. Кроме того, при добыче строительных материалов для предприятий строительного комплекса, при добыче полезных ископаемых (золота, алмазов, сырья для производства минеральных удобрений и т.д.) открытым способом возникает аналогичная проблема борьбы с загрязнением атмосферы карьеров вредными выбросами ОГ двигателей. В настоящее время ее решают путем устройства соответствующих систем искусственной либо естественной вентиляции, что сопряжено со значительными материальными и энергетическими затратами и простоями техники ввиду существенного загрязнения атмосферы вредными веществами, не позволяющего обеспечить безопасную работу обслуживающего персонала. В настоящее время отечественными и зарубежными учеными предложен ряд способов улучшения экологических и технико-экономических показателей транспортных и стационарных дизелей путем конструктивных изменений собственно двигателей, их систем, в том числе систем газовыпуска, топливоподачи и топливоподготовки.

Однако отсутствие комплексности в применении предлагаемых способов не позволяет решить в полной мере вопрос сокращения вредных выбросов с ОГ и обеспечить требуемые экологические характеристики дизелей.

Таким образом, улучшение экологических и технико-экономических показателей эксплуатации двигателей за счёт применения комплексных систем снижения токсичности, связанное с уменьшением общего количества ОГ и содержания вредных выбросов в них, является актуальным.

Цель работы. Целью данной работы является разработка структуры и исследование элементов комбинированной системы снижения вредных выбросов с ОГ ДВС специальной техники, применяемой для работы в условиях ограниченных объёмов, позволяющей получить сверхсуммарный эффект от совместного применения различных способов снижения токсичности ОГ.

Основные задачи исследования. В соответствие с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Анализ источников загрязнения атмосферы и способов снижения токсичности ОГ ДВС.

2. Анализ возможностей уменьшения вредных выбросов с ОГ путем применения присадок к топливу, рециркуляции ОГ с выпуска на впуск двигателя при их охлаждении и обогащении кислородом.

3. Разработка структуры комбинированной системы уменьшения вредных выбросов и создание экспериментальной установки для её исследования.

4. Проведение экспериментальных исследований, разработка рекомендаций по определению параметров элементов комбинированной системы снижения вредных выбросов и методик расчета их габаритов.

Методика и метод исследования. Основу методики исследований составляет сочетание анализа результатов теоретических, расчетных и экспериментальных исследований физических процессов, протекающих в цилиндрах ДВС и элементах его систем. Метод исследования -расчётно-экспериментальный с использованием методик на базе современных программных продуктов для ЭВМ.

Объект исследования. В качестве объекта исследования принята экспериментальная установка на базе дизель-генератора с дизелем 84 9,5x10 и генератором мощностью 30 кВт, оснащенного комплексной системой снижения токсичности ОГ, измерительным комплексом и нагрузочным устройством.

Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие новые научные результаты:

1. Новая структура комбинированной системы снижения вредных выбросов с ОГ ДВС.

2. Оригинальная экспериментальная установка на базе дизеля 84 9,5/10, оснащенная экспериментальной системой снижения вредных выбросов, позволяющая получить количественные характеристики процессов в элементах системы.

-з-

3.Программа-методика проведения экспериментальных исследований элементов комбинированной системы снижения вредных выбросов.

4. Результаты экспериментальных исследований влияния присадки к топливу, контактной обработки ОГ в КОГ и обогащения перепускаемой части ОГ кислородом в РНГ.

5. Рекомендации по реализации процессов в элементах системы, а также методики определения расчетной концентрации присадки в топливе, габаритов контактного охладителя и реактора-нейтрализатора ОГ.

На защиту выносятся:

1. Структура комбинированной системы снижения вредных выбросов с ОГ дизелей и выполненная на ее базе оригинальная экспериментальная установка.

2. Программа-методика проведения экспериментальных исследований и результаты экспериментальных исследований элементов комбинированной системы снижения вредных выбросов (КССВВ).

3. Рекомендации по реализации процессов в элементах КССВВ.

4. Методики расчета: габаритов контактного аппарата для охлаждения ОГ; реакторов-нейтрализаторов для очистки и кислородного обогащения ОГ; рациональной концентрации присадки в топливе.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы:

Международной академией прикладных исследований при разработке рецептуры элементоорганической присадки к дизельному топливу

- ВИТУ при создании опытной комбинированной системы снижения вредных выбросов с ОГ дизелей; -при проведении плановых научно-исследовательских работ, выполнении курсового и дипломного проектирования в ВИТУ и СПбГАСЭ;

-центральным конструкторским бюро морской техники «Рубин» при разработке конструкторской документации системы снижения токсичности для оснащения станции стендовых испытаний дизелей Кронштадтского морского ордена Ленина завода (КМОЛЗ).

Реализация результатов исследований подтверждена соответствующими актами о внедрении. В работе нашли отражение результаты исследований по НИР «Спецтранс-1», «Источник-98», «Эколог-КС».

Апробация работы. Научные положения, результаты расчётных и экспериментальных исследований, составляющих основу диссертации, докладывались и обсуждались на:

- расширенных заседаниях кафедры № 92 ВИТУ;

- занятиях по командирской подготовке с офицерами 9-го факультета ВИТУ;

- Гангутских XXXII и XXXIII семинарах (1997-98г.г.);

- Международном автосалоне «Мир автомобиля. Экология, экономика и безопасность автомобиля» (1998, 1999 г.г.);

- постоянно действующих семинарах стран СНГ «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» Санкт-Петербургского аграрного университета (1995, 1998, 1999, 2000- 2005 г.г.);

- постоянно действующих семинарах кафедр №№ 23,24, 92 ВИТУ (1996-2002г.г.).

Публикации. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований

опубликованы в 13 печатных трудах, 3-х научно-технических отчетах о НИР. Новизна исследований подтверждена заявкой на изобретение, по которой получено положительное решение на выдачу патента.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованных источников. Общий объём диссертации составляет 150 стр. Список использованных источников включает 93 источника, из них 9 на иностранных языках.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы, основные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В первой главе приведен анализ источников загрязнения атмосферы, рассмотрены средства механизации, применяемые для работы в условиях ограниченных объёмов, требования по

токсичности ОГ дизельных ДВС, основные способы и пути ее снижения и сделан вывод о необходимости комбинированного использования способов снижения вредных выбросов с ОГ ДВС.

На основе анализа применения средств механизации с тепловыми двигателями для работы в условиях ограниченных объёмов, способов обеспечения требуемых параметров воздушной среды в них и систем снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, проведенного в настоящей главе, сделаны следующие выводы:

1. Суммарный выброс токсичных компонентов от комплекса машин, применяемых при возведении и эксплуатации объектов ограниченного объёма различного назначения, находится в диапазоне 3901340 кг/сут.

2. При недостаточной вентиляции ограниченных объёмов накопление токсичных веществ в них может достигать критических (пороговых) значений, что приведет к выводу из строя обслуживающего персонала и возникновению других нежелательных явлений.

3. Раздельное применение известных к настоящему времени способов снижения токсичности ОГ в подавляющем большинстве случаев не позволяет обеспечить требуемые параметры воздушной среды в местах применения специальной техники.

4. Для обеспечения нормативных параметров воздушной среды требуется проведение комплекса мероприятий, обеспечивающих существенное снижение содержания токсичных компонентов в составе ОГ, выбрасываемых двигателями в атмосферу.

С учётом сделанных выводов сформулированы задачи исследований.

Во второй главе приведен анализ возможностей уменьшения суммарного количества вредных выбросов с ОГ путем применения присадок к топливу, рециркуляции неохлажденных и охлажденных ОГ, обогащенных кислородом, технологических особенностей контактной обработки ОГ в реакторах-нейтрализаторах и предложена структура комбинированной системы снижения вредных выбросов.

Анализ имеющихся сведений относительно эффективности применения, областей использования, уровня разработки, технико-экономических и других показателей транспортных ДВС позволяет среди наиболее перспективных для внедрения мероприятий, способствующих уменьшению вредных выбросов с ОГ ДВС, выделить рециркуляцию ОГ, кислородное обогащение рабочей смеси, а также применение присадок к топливам. Причем принципиальным является то обстоятельство, что совместное применение указанных мероприятий значительно более эффективно, чем раздельное.

Действительно, некоторое увеличение дымности и снижение экономичности являются факторами, ограничивающими эффективность рециркуляции ОГ, особенно в области средних и больших нагрузок. Однако, именно по данным факторам в ряде случаев достигается максимальный эффект от применения присадок к топливам. Кроме этого, следует отметить, что рассматриваемые мероприятия эффективны не только с точки зрения снижения вредных выбросов транспортных ДВС, но могут обеспечить комплексное улучшение показателей их работы, характеристик и режимов использования.

Так, рециркуляция обогащенных кислородом ОГ позволяет значительно сократить количество потребляемого свежего воздуха, улучшить качество переходных режимов работы двигателей.

Присадки в топливо помимо снижения вредных выбросов позволяют повысить экономичность, улучшить техническое состояние, индикаторные и эффективные показатели ДВС.

Таким образом, совместное комплексное применение рециркуляции ОГ с возможным обогащением рабочей смеси кислородом, а также использование многофункциональных присадок к топливу могут способствовать значительному росту эффективности их применения и перспективности использования в транспортных ДВС

Металло- и кремнийорганические соединения, входящие в состав присадок, способствуют снижению температуры воспламенения топлива, и, соответственно, снижению необходимой концентрации кислорода в воздушной смеси. Это ведет к снижению интенсивности образования 1МОх и СО, температуры в цилиндре ДВС и сокращению времени пребывания рабочей смеси в этих условиях. Из-за увеличения скорости сгорания сокращается и время для образования N0*, что снижает их количество в ОГ. Расчеты кинетики образования и эмиссии Г\ЮХ в дизелях, выполненные по методике ЦНИДИ, подтверждают, что понижение уровня локальных максимальных температур на 150-200°К в период высокотемпературной стадии сгорания сокращает образование N0* в 1,5 раза.

Помимо N0* основным вредным веществом в ОГ практически на всех режимах работы дизелей является сажа.

Известно, что добавка к топливу водорода, метана и других газообразных и легко испаряющихся веществ приводит к снижению сажеобразования и дымности. Соединения элементоорганической

присадки являются химическими регуляторами сгорания основного топлива, изменяющими интенсивность его сгорания, что должно привести к перераспределению скоростей тепловыделения.

В этой связи следует ожидать, что соединения кремния и железа присадки будут способствовать более активному протеканию процесса выгорания или газификации сажи на стадии ее догорания по реакции:

С+02 -► С02

где: Я'- промежуточный радикал, образованный при разложении присадки.

Таким образом, применение элементоорганических присадок позволяет улучшить технико-экономические и экологические показатели работы дизелей.

Одним из перспективных мероприятий, обеспечивающих устойчивое функционирование ДВС при работе в условиях ограниченного газообмена, является рециркуляция отработавших газов с выпуска на впуск.. К достоинствам применения рециркуляции ОГ в указанных условиях эксплуатации дизелей следует, прежде всего, отнести простоту практической реализации, надежность работы, комплексное положительное влияние на характеристики рабочего процесса дизеля, позволяющее одновременно понизить общее количество, токсичность и дымность ОГ, улучшить экономические и мощностные показатели. Кроме того, на ряде специфических режимов, например, при работе в замкнутых объемах, рециркуляция ОГ, по существу, является единственно доступным средством обеспечения устойчивой работы дизелей.

При перепуске ОГ с выпуска на всасывание, согласно данным Гордеева П.А., представляется возможным обеспечить работу двигателя по нагрузочной характеристике с приблизительно постоянным коэффициентом избытка воздуха а , при котором значение индикаторного КПД (77.) будет

наилучшим в большом диапазоне изменения нагрузки.

Перепуск ОГ позволяет также снизить расход свежего воздуха на 15-20% на номинальном режиме и в 1,5-4,0 раза при работе на долевых режимах при коэффициенте избытка воздуха а = 1,6-1,8.

Поскольку при перепуске существенно снижается общий расход ОГ и увеличивается температура рабочей смеси на впуске дизеля, следует также ожидать улучшения за счет перепуска и экологических характеристик ДВС, сопровождаемого уменьшением сажеобразования, дымности, токсичности, канцерогенной опасности и т.п.

Однако возможности по рециркуляции ОГ дизелей без их дополнительной обработки ограничены.

Применение охлаждения и нейтрализации (очистка от твердых частиц и поглощение СОг) рециркулирующей части ОГ позволяет значительно увеличить количество рециркулирующих газов и за счет этого снизить общий расход свежего воздуха и ОГ, удаляемых в атмосферу. Дополнительное же обогащение рециркулирующей части ОГ кислородом позволяет улучшить мощностные, экономические, динамические и экологические характеристики двигателя, расширить диапазон режимов его использования вплоть до полной рециркуляции ОГ из выпускной системы во впускную при изоляции дизеля от окружающей среды. Один из аппаратов для нейтрализации ОГ и обогащения их кислородом представлен на рис 1.

Рис 1. Реактор-нейтрализатор отработавших газов (РНГ):

1- корпус; 2 - крышка;

3 -коническое днище;

4 -сборник-накопитель;

5 -патрубок подвода воды;

6 -перфорированный отбойник;

7 -сменная кассета с киспородосодержащим продуктом (КСП).

Представленный на рис.1 аппарат работает следующим образом. Отработавшие газы двигателя подводят в верхнюю часть корпуса 1 аппарата по патрубку, размещенному на его крышке, где смешивают с водой, подаваемой по патрубку 5. При этом подача воды в поток ОГ в данном аппарате обеспечивает не только требуемое увлажнение, но и, при необходимости, охлаждение ОГ за счет скрытой теплоты парообразования. Увлажненная газовая смесь, проходя через перфорированный отбойник 6, служащий для равномерного распределения потока по объему аппарата, поступая в кассету 7, содержащую прессованный КСП, взаимодействует с ним по реакциям (для КСП на основе №Ог):

Присутствие ЫаОН в виде пены позволяет проведение менее активной реакции (3) за пределами кассеты с КСП в нижней части корпуса 1, конусе 3 с патрубком и сборнике-накопителе 4.

Однако, с точки зрения повышения эффективности функционирования транспортных дизелей на различных эксплуатационных режимах заслуживает внимания применение РНГ в комплексе с другими аппаратами обработки ОГ и, в первую очередь, с контактными охладителями -нейтрализаторами (КОН).

Применение в выпускных системах транспортных дизелей КОН, предусматривающих барботирование ОГ через слой воды либо водных растворов поглотителей, обусловлено стремлением сократить вредные выбросы в атмосферу, снизить токсичность и канцерогенную опасность ОГ. При этом следует отметить, что дополнительная обработка ОГ в КОН перед подачей в РНГ может способствовать улучшению качественных и количественных характеристик процесса рециркуляции ОГ, что позволит добиться существенного повышения надежности и устойчивости работы дизелей в режиме рециркуляции ОГ и, в конечном итоге, комплексного улучшения их технико-экономических и экологических показателей.

Комбинация мероприятий по улучшению рабочего процесса с использованием присадок в топливо, перепуска обогащенных кислородом ОГ с выпуска на впуск двигателя, а также контактной обработки удаляемой в атмосферу части ОГ жидкими поглотителями позволит, по нашему мнению, получить сверхсуммарный эффект по обеспечению снижения содержания токсичных компонентов в окружающей среде до предельно допустимых концентраций. Технологическая схема системы, реализующей указанные мероприятия, должна в первом приближении включать следующие подсистемы: ввода присадки в топливную магистраль низкого давления; перепуска обогащенных кислородом ОГ с выпуска на впуск двигателя; контактной обработки удаляемой в атмосферу части ОГ с использованием жидких поглотителей. Блок-схема такой системы представлена на рис. 2.

В третьей главе приведено описание устройства и принципа работы экспериментальной комбинированной системы снижения вредных выбросов, программа-методика проведения экспериментальных исследований, оценки погрешности измерений и приведены результаты экспериментальных исследований: влияния элементоорганической присадки к топливу на экологические характеристики дизеля 84 9,5/10; контактной обработки ОГ водой; обработки ОГ в РНГ для очистки от продуктов сгорания и обогащения их кислородом.

Экспериментальная установка, принципиальная схема которой представлена на рис.3, смонтирована и испытана в лаборатории кафедры №92 БИТУ и включает в себя дизель-генератор с дизелем 84 9,5x10 и генератором мощностью 30 кВт, оснащенный комплексной системой снижения токсичности ОГ, измерительным комплексом и нагрузочным устройством.

В состав комплексной системы снижения токсичности входят жидкостный контактный охладитель-нейтрализатор ОГ (КОН) 3, сообщенный с атмосферой трубопроводом 4 и с впускной системой дизеля с помощью трубопровода перепуска 6 с ресивером-сборником 7 и регулятором перепуска 5. Подвод в КОН и отвод из него воды осуществляется через регуляторы 9 и 10, насосами 12 и 13; трубопровод отвода воды из КОН оснащен ресивером-сборником 11 отработавшей воды, которая сбрасывается в бак-сборник 14. При работе экспериментальной установки ОГ из дизеля поступают в ресивер, откуда частично удаляются в атмосферу по трубопроводу 4, а частично поступают в контактный аппарат 3. Охлажденная в КОН 3 и насыщенная водяными парами часть ОГ через регулятор 5, реактор-нейтрализатор (РНГ) 7 и ресивер-влагосборник 8 поступает во впускную систему дизеля. Подача перепускаемых ОГ может осуществляться и помимо РНГ 7.

2№02 + Н20 = 2№ОН + 3/2 02 2№ОН + СОг = №2СОз + Н20

(2) (3)

Рис. 2. Блок-схема комбинированной системы снижения вредных выбросов

1 - двигатель; 2 - бак запаса присадки; 3 -расходный бак топлива; 4 - топливный насос низкого давления; 5 -устройство дозирования присадки;

6 - регулятор подачи ОГ в РНГ;

7 - реактор-нейтрализатор ОГ (РНГ);

8 - регулятор подачи ОГ на контактную обработку;

9 - жидкостный контактный охладитель-нейтрализатор ОГ (КОН).

Ь-* 1-СХ]-

ЧХН

'г

-(з~)—(|М

ФФ '

Рис. 3. Схема экспериментальной установки

1- дизель-генератор; 2-ресивер ОГ; 3 - жидкостный контактный охладитель-нейтрализатор ОГ (КОН); 4 - трубопровод перепуска ОГ помимо КОН;

5 - регулятор перепуска ОГ во впускную систему; 6 -трубопровод перепуска охлаждённых ОГ; 7 - реактор - нейтрализатор ОГ; 8 - ресивер-влагосборник;

9 - регулятор расхода воды на охлаждение ОГ; 10 - регулятор уровня в контактном охладителе ОГ; 11 - ресивер-сборник отработавшей воды;

12,13 - насосы; 14 - бак-сборник отработавшей воды; 15 - нагрузочное устройство;

16 - топливопровод; 17 - весы аналитические; 18 - мерная емкость топлива;

19 - расходный топливный бак.

В КОН 3 насосом 12 через регулятор расхода 9 подводится охлаждающая вода, отработавшая вода через регулятор 10 и ресивер-сборник 11 отработавшей воды насосом 13 подается в бак-сборник 14. Регулятор 9 обеспечивает поступление в КОН 3 охлаждающей воды с заданным расходом.

Регулятор 10 обеспечивает отвод отработавшей воды по изменению давления ОГ в КОН и поддерживает требуемый уровень в аппарате 3. Ресивер-сборник 11 предназначен для обеспечения устойчивой работы насоса 13. Уносимые с водой в ресивер 11 ОГ удаляются из него по соединительному трубопроводу во впускную систему дизеля.

Присадка либо дозируется в топливную магистраль низкого давления дозатором, либо добавляется в необходимом количестве (заранее) в мерную емкость 18.

Обогащение перепускаемых ОГ кислородом осуществляется в РНГ 7, где размещены кассеты с твёрдым кислородоносителем, в результате реакции взаимодействия содержащейся в нем надперекиси натрия с углекислым газом:

н2о

2 Ыа02 + С02 -► №2С0з + 3/2 02 (4)

В процессе экспериментальных исследований решались следующие задачи:

- оценка влияния добавки элементорганической присадки к топливу на экологические показатели дизеля в зависимости от его скоростных и нагрузочных режимов;

- оценка количественных показателей контактного охлаждения ОГ для вывода обобщенного уравнения тепломассообмена между газами и поглотителем;

- оценка возможности установки рациональной степени перепуска охлажденных контактным способом ОГ для снижения вредных выбросов;

- оценка комплексного влияния добавки элементоорганической присадки в топливо и перепуска части ОГ, охлажденных контактным способом и обогащенных кислородом, во впускную систему дизеля на его экономические и экологические характеристики.

В соответствии с указанными задачами экспериментальные исследования проводились в 4 этапа с использованием теории планирования эксперимента.

1 этап Оценка влияния добавки элементоорганической присадки к топливу на экологические характеристики дизеля. При проведении исследований использовался ортогональный центральный композиционный план (ОЦКП). Варьируемые факторы: частота вращения коленчатого вала дизеля л (пределы изменения 1100 -1600 об/мин); концентрация присадки в топливе К (пределы изменения 0,002-0,01 %мас); нагрузка на дизель-генератор Рв (пределы изменения 3-30 кВт). Функции отклика: концентрации в ОГ сажи (С), углеводородов (СХНУ), оксида углерода (СО), оксидов азота (в основном N0).

2 этап. Оценка количественных показателей контактной обработки ОГ в КОН. Варьируемые факторы: отношения Д/с/ же (где Д „ - диаметр контактной камеры, с! экв - эквивалентный диаметр газового насадка контактного аппарата) и Ло/Нк(где - глубина погружения газового насадка в слой охлаждающей воды, Н к - высота контактной камеры ); I г - температура газовой фазы при постоянных расходах на входе в контактный аппарат ОГ (Сгвх=сопз1) и охлаждающей воды (<Зв=сопз1) и переменной и (^ = уаг). Функции отклика: объемный коэффициент теплопередачи К„= КА/конт\ диффузионный критерий Прандтля Ргж1 = р ж/(р Ж*Д ; критерий Кирпичева К / = (К и*Д к2) /Л г) диффузионный критерии Нуссельта

Ыи ж = (К иж*Д к) /Дж , где: К - коэффициент теплопередачи от газа к жидкой фазе; \/конт - объем контактной камеры КОН; рж, рж - динамическая вязкость и плотность жидкой фазы; Д ж - коэффициент диффузии поглощаемого компонента в жидкой фазе;

Л г- коэффициент теплопроводности газовой фазы (ОГ); Киж- объемный коэффициент массопередачи для жидкой фазы. В качестве аналога процесса поглощения токсичных компонентов исследовался процесс поглощения С02 водой из отработавших газов дизеля. Влагосодержанием газовой фазы на входе в КОН пренебрегали ввиду его малости. Изменение теплосодержания газовой фазы определялось по ее расходу и перепадам температур газовой и жидкой фаз.

3 этап. Оценка возможности установки рациональной степени перепуска у рец охлажденных контактным способом ОГ для снижения вредных выбросов с использованием специально разработанной

расчетно-экспериментальной методики, которая предполагает определение у рец по итоговой зависимости:

урец = Сг/с гц = (О^ - С врец) /С/еч = (СРГЦ - , (5)

где в, - расход ОГ, кг / с; С^4- расход рабочей смеси на впуске двигателя при рециркуляции (п=п ном), кг /с;

в врвч - расход воздуха в составе рабочей смеси при рециркуляции ОГ, кг/с;

6Р£°Ч - расход рабочей смеси на впуске двигателя при работе по обычному циклу (без рециркуляции, ДРоц =АРрец при п<пНом).

Методика основана на определении степени рециркуляции у рец расчётным путём по выражению (5) по результатам замера перепада давления Д Р на регулирующем органе впускной системы при подаче на впуск смеси ОГ и воздуха при рециркуляции (соответствует Сдсреч) и чистого воздуха без рециркуляции при пониженной частоте вращения вала двигателя п и закрытом канале перепуска (соответствует £3Р£°Ч) с тарировкой канала измерения непосредственно двигателем (установкой Д Р°ц = Д Р рвц) путём снижения частоты вращения).

Процедура оценки у рвц по выражению (5) реализовывалась вручную при периодическом контроле перепуска ОГ. Однако эта операция может быть автоматизирована путем дополнительного оснащения установки датчиком частоты вращения и вычислительным устройством, позволяющим помимо контроля автоматизировать процесс установки требуемой степени рециркуляции ОГ. Для более точных измерений может быть дополнительно предусмотрен контур стабилизации давления рабочей смеси на впуске на всех эксплуатационных режимах. Оптимальные значения степени рециркуляции у рец могут быть установлены в командно - вычислительном устройстве оператором вручную либо рассчитаны по специальной программе.

4 Этап. Экспериментальные исследования комплексной обработки ОГ в реакторе-нейтрализаторе на базе твердого кислородосодержащего продукта с использованием центрального композиционного рототабельного плана второго порядка.

Варьируемые факторы: расход воды Св, подаваемой в РНГ, и скорость ОГ - (Сг), проходящих между кассетами с твердым КСП на основе Ыа02.

Функция отклика: отношение скоростей генерации кислорода \Л/02 и поглощения углекислого газа уМСо2,т.е.у=\Л/о2М/со2^(Ов,С1).

На всех этапах исследований замер расхода топлива осуществлялся весовым способом, обработка результатов проводилась по формулам:

В 4=3, 6 ДВ /г, кг/ч (6)

в в = В ч / Ре, кг/ кВтч, (7)

где: ДВ - расход топлива за отрезок времени г , кг; г - величина отрезка времени, сек;

в е - эффективный расход топлива; Рв - эффективная мощность дизель-генератора, кВт.

Замер разрежения на впуске, противодавления выпуску, перепад давлений на участках ГВТ и аэродинамическое сопротивление аппаратов технологической схемы осуществлялись и-образными водяными манометрами.

Замеры концентраций компонентов ОГ до и после обработки и обогащения кислородом осуществлялись газоанализаторами. Влагосодержание газовой фазы после контактной обработки ОГ определялось расчетным путем и считалось постоянным.

После проведения экспериментов на всех этапах исследования путем статистической обработки их результатов получали соответствующие регрессионные зависимости с использованием стандартных программ статистической обработки данных.

На первом, третьем и четвертом этапах эксперимента функции отклика получали в виде:

к п к п

У, = ао + 1агХ| +Ха'к*Х|к оо (к-и) +Х +.... (8)

¡=1 к=1 ¡=1 к=1

На втором этапе - виде:

у = Во + BiXo + В2Х2 + В3Х3 , (9)

где: У| - функции отклика в натуральных переменных; X, - варьируемые факторы в натуральных величинах; i - номер фактора по плану эксперимента; к - номер сопряженного фактора;

у - оценка логарифма натурального функции отклика по уравнению

In у = In а + mln Х1 + n-ln Х2 + Р*'п Хз. (10)

где: в0, Bi , в2, в3 - оценки соответствующих коэффициентов при факторах в уравнении (9); X, - кодированные значения переменных,

После статистической обработки результатов эксперимента (оценки адекватности) уравнение (9) преобразовывалось к виду (10), потенцировалось и получались зависимости в виде:

У. = ao*Xim*Xi"*XiP. (11)

где: а0 - постоянный коэффициент, учитывающий влияние неучтенных факторов; X - варьируемые факторы в натуральных величинах;

n, m, р - показатели степеней, определяемые в результате обработки экспериментальных данных.

При обработке экспериментальных данных К„ определялся по изменению теплосодержания газовой фазы при ее прохождении через аппарат из уравнения теплового баланса

АОж = AQr ДСЭж = C>K-G»-At» ± dG гсух- г1н2о

AQr = Cpr-Gr-Atr ± dGrcyx. r1H20 (12)

AQ =АОж = AQ г = К u-VK.AtcP

Откуда Ku = АО/VK. A top. (13)

Учитывая незначительные расхождения в температуре газовой фазы на входе побудителя расхода и на выходе из контактного аппарата, полагали, что влагосодержание газовой фазы при протоке воды через аппарат не изменяется, т.е. С в r = const, коэффициент теплопередачи К „ определялся из равенства:

Cpf-G«-Atr= К u . VK -Atop, (14)

где: Atop = [(tT - - (trBb,x -1^)] I Inf^ - 1ЖВХ)/(^ВЬ,Х - t«Bb0t)] (15)

Atcp - среднелогорифмический температурный напор;

Gr = V^prP/Rm-Tr) - расход газовой фазы на входе в аппарат;

VK = (Дк2*Н„ - Дподв2"И)-тт/4 - активный объём контактной камеры;

h = Нк - 25 „и* - длина участка трубы подвода газов, размещённого в контактной камере. При проведении экспериментов на всех этапах замеры количественных значений функций отклика проводились при установившемся состоянии потоков газовой и жидкой фаз по расходу и теплосодержанию, что достигалось стабилизацией теплового состояния дизеля после изменения скоростного и нагрузочного режимов.

В результате проведения экспериментов и обработки их результатов получены следующие зависимости функций отклика от варьируемых факторов. Этап 1. Концентрации объёмные в ОГ:

- оксида азота

Cno=517,159 - 25855,6-Кп - 0,176п + 20,536 Ne-PPM (16)

- оксида углерода

Ссо=0,036 + 1,888-К - 0,0000083-n + 0,000859Ne, (17)

- углеводородов

Ссхну = 20,9881-1366,67-К + 0,0158n + 0,363Ne (18)

- сажи

Сс= 1,7111 - 405,556*К + 0,0015*n + 0,5>Ne (19)

- и -

Этап 2. Зависимости функций отклика от варьируемых факторов (конструктивных параметров КОГ и температуры газовой фазы):

-аэродинамическое сопротивление КОГ

АРК = 1,17.(Дк/с1Экв)1,36*(Ьо/Нк)0 '16Ч0'02 , кПа (20)

- объёмный коэффициент теплопередачи для жидкой фазы

Ки = 54,2-103«(Дк^экв)'0 082-(Ьо/Нк)°'322-10'086 , Вт/м3.К (21)

- критерий Кирпичёва

К| = 40,1-103.(Дк/азкв)'0'102.(Ьо/Нк)0'31Ч-°'086 (22)

- диффузионный критерий Прандтля для жидкой фазы

РГж1 = 21.103.(Дк/азкв)0'136.(Ьо/Нк)-°'02Ч-0'778, (23)

- диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы

Миж1 = 12.106.(Дк/Ьзкв)0'322ЧЬо/Нк)-°'60Ч0'334 . (24)

Обобщённое уравнение тепломассообмена для жидкой фазы

Ни*1 = 5,7*108«(Ргж1)"°'3.К"0'028-(Дк/с1экв)0'322*(Ио/Нк)0'604 . (25)

Расхождение между опытами и расчётными результатами при использовании уравнений(20-25) не превышают 8 - 16%, что при столь сложном процессе тепломассообмена является вполне приемлемым.

Уравнения (20-25) позволяют с указанной точностью производить расчёт характеристик тепломассообмена между ОГ и водой при поглощении СОг в следующих диапазонах изменения факторов:

2,1 < Дк/йэкв ^ 5; 0,2 < Ьо/Нк < 0,6; 150°С < < 400 °С

при соблюдении условия СжЛЗ,- = 3,5 - 4, что охватывает практически весь диапазон работы КОН в системе рециркуляции ОГ.

Этап 3. Результаты экспериментальных исследований данного этапа практически подтвердили возможность установки эффективной степени рециркуляции с использованием предложенной расчётно-экспериментальной методики её определения. При этом общий расход свежего заряда на режимах рециркуляции охлажденных контактным способом ОГ снижался на малых нагрузках на 300 -400%, на средних нагрузках - на 50-100% и на номинальном режиме - на 15 - 20%, что объективно позволяет обеспечить значительное сокращение вредных выбросов транспортных средств по сравнению с рециркуляцией неохлаждённых ОГ.

Этап 4. Зависимости функции отклика (отношение скоростей генерации кислорода \Л/02 и поглощения углекислого газа \Л/Со2) от варьируемых факторов (расхода воды Св, подаваемой в РНГ, и скорости рециркулирующих ОГ - (Сг), проходящих между кассетами с твердым КСП на основе Ыа02): -при работе ДЭУ с активной нагрузкой 50 %

У1 = 6,8342 +1,02916-Х, - 0,990730С2 + 0,03462.ХГХ2 - 0,18986-Х12 + 0,039700(22; (26) -при работе ДЭУ с активной нагрузкой 100%

У1 = 5,0613 - 9,90(1 + 0,915120(2 + 0,06023.ХГХ2 + 2,94234-Х!2 - 0,050610(22. (27)

Доля объясненной вариации полученных математических моделей лежит в пределах 89-92%,

что вполне допустимо для количественной оценки исследуемых процессов.

В четвертой главе приведены некоторые рекомендации по реализации процессов в элементах комбинированной системы снижения вредных выбросов, методики расчета рациональной концентрации присадки в топливе, габаритов контактного аппарата и реакторов-нейтрализаторов ОГ для поглощения токсичных компонентов и обогащения ОГ кислородом.

Методика расчета рациональной концентрации присадки в топливе

Алгоритм методики приведен на рис. 4 и включает следующие этапы. 1. Для конкретного типа ДВС определяются наиболее «грязные», с точки зрения вредных выбросов, режимы работы по скоростной и нагрузочной характеристикам и определяется заградительный параметр для этих режимов - минимальные выбросы токсичных компонентов.

2. По известной нагрузке и частоте вращения коленчатого вала ДВС с использованием расчетно-экспериментальных зависимостей СТк°г =f (Ne, п, Кп) и Ьв = f(Ne, п, К„) определяется необходимая концентрация присадки в топливо К„ min из условия X Стк°г —* min, Ьв —» min.

Согласно нормативной литературе суммарный выброс токсичных компонентов в ОГ (£ С1К|ОГ) дизелей определяется по формуле: х Стк,ог = Ссо + 0,66 .Ссхну + 1 O-Cno + 20 Сс, (28)

где Ссо - концентрация СО; С с х hv -концентрация углеводородов; CNo - концентрация оксидов азота; Сс - концентрация сажи.

3. Определяются удельный (Ье) и часовой (G4) расходы присадки при её концентрации Кп = Кп„„.

4. Определяются удельный (be1) и часовой (G41) расходы топлива при применении присадки с концентрацией К п = К min.

5. Определяется стоимость 1 кг топлива с присадкой и без неё и разница в стоимостях (Цг1, Цт, АЦг1).

6. Определяются суммарные часовые выбросы токсичных компонентов ОГ ДВС при использовании топлива без присадки (G4TK) и с присадкой (G4TK1).

7. Вычисляется плата за выбросы в обоих случаях (Птк, Птк1) и экономической эффект Э„п в расчете на 1 кг топлива от:

- снижения платы за выбросы (ДП7К1);

- экономии топлива (ДЦТ1);

- увеличения ресурса (ДЦ01);

- уменьшения затрат на ремонт и техническое обслуживание (РТО) ДВС (ДЦРТо1)при применении присадки.

Рис. 4. Алгоритм расчета оптимальных концентраций многофункциональной элементоорганической присадки к топливу

Экономический эффект от применения присадки (Эпп) за счет увеличения ресурса (ДЦи1) и уменьшения затрат на ремонт и техническое обслуживание ДВС (ДЦРТо1) в расчете на 1 кг топлива при постоянном применении присадки к ДТ определяется по годовой статистике автопредприятия.

8. Производится сравнение удорожания 1 кг топлива за счет добавки присадки к нему (ДЦГ1) и экономического эффекта Эпп от снижения платы за выбросы токсичных компонентов в ОГ (ДПТК1), экономии топлива (ДЦТ1), увеличения ресурса (ДЦ01) и уменьшения затрат на РТО ДВС (ДЦрто1) в расчете на 1 кг топлива, т.е. ДЦТ1 сравнивается с

Эпп = АПтк1 + дцх1 + АЦр1 + ДЦрто1 (29)

9. Если экономический эффект Эпп больше удорожания топлива (ДЦГ1), то принимается концентрация присадки К, = Кптт.

10. Если экономический эффект Эпп меньше удорожания топлива (ДЦТ1), то производится корректировка концентрации присадки до Кп = Knmin1 из условия непревышения ПДК токсичных компонентов в ОГ.

11. Для определения К™™1 учитываются концентрации основных токсичных компонентов в ОГ и соответствующие их ПДК.

12. По вычисленным концентрациям СТК|ОГ обратным пересчетом определяется концентрация присадки Knmin1. Далее повторяются вычисления по пунктам 3-8.

Определение

с ?к= f (n. ,п,к„)<пдк ;ь. = f(n.,п,к„)

13. Окончанием расчета считается выполнение условий

ДЦт1 * эпп; (30)

ПДКрасч ^ ПДКНОр„.

Экономический эффект от постоянного применения оптимальной концентрации элементоорганической присадки к ДТ будет состоять из:

- уменьшения платы за ДТ из-за его экономии;

- уменьшения финансовых затрат по проведению ТО-2,3 и ремонтных работ, на замену деталей вследствие уменьшения нагарообразования на деталях дизеля;

- уменьшения отчислений за выборы ВВ ОГ дизеля в атмосферу.

В соответствии с приведенной методикой для дизеля 84 9,5/10 была определена оптимальная концентрация присадки к ДТ (ГОСТ 305=82) при постоянном её применении, которая для всех режимов его работы равна 0,007 % (масс), что составляет 0,7 г присадки на 10 кг ДТ.

Методика расчёта габаритов контактного аппарата

Результаты экспериментальных исследований процессов тепломассообмена между ОГ и водой, которая, в основном, должна использоваться в качестве хладоагента и абсорбента в предлагаемой комплексной системе снижения вредных выбросов с ОГ ДВС спецтехники, показывают, что контактная обработка позволяет достичь требуемой степени охлаждения ОГ и поглощения из их состава газообразных токсичных компонентов и твёрдых частиц. Как правило, контактный аппарат, являющийся одним из основных элементов системы, может работать как в режиме с протоком воды, так и в испарительном режиме, когда основное количество теплоты от ОГ отбирается за счет испарения части воды в поток ОГ. При этом оставшаяся вода охлаждается, а уровень жидкости в КОГ поддерживается за счет возмещения испарившейся жидкой фазы. Предпочтительным режимом работы КОГ является режим с протоком воды, для которого и предложена методика расчета.

Суть расчета КОГ заключается в определении активного объема контактной камеры V* и габаритов корпуса.

1. По известному максимальному расходу перепускаемых ОГ и их температуре после дизеля рассчитывается эквивалентный диаметр газового насадка с1зкв из условия, что скорость потока ОГ на его выходе при максимальном расходе ОГ должна находиться в пределах 50-70 м/сек. Для этого, используя уравнение сплошности потока ОГ = С4экв , или, учитывая, что V = 1/ра С/рг = С/»в рассчитывается fэкв по формуле:

Гэкв=С,/(рг-Сг) = и/СГ. (31)

В случае цилиндрической формы трубопровода подвода газов, которая является наиболее технологичной, эквивалентный диаметр газового насадка с^ может быть определен из выражения:

с1Экв= 4*и/(тт*Сг) = ^¡ЛС /(кр,С,) (32)

В приведенных уравнениях:

вг - массовый расход ОГ, кг/сек; и - удельный объем ОГ, м3/кг; рг - плотность ОГ, кг/м3; Сг -скорость потока ОГ, м/сек; 4®- эквивалентная площадь газового насадка, м2.

2. Используя уравнения для определения Ku(2\)\лДPк=f(Дl/dэкв,ho/Hк,tJ (20) определяется соотношение Д/£/э*в , при котором ЛР„ < [АР^] - ЛРто и из него находится Д«.

3. При известной температуре ОГ на выходе из аппарата, которая при контактной обработке определяется из условия и- + (2-3)°С, и температуре ОГ и после дизеля определяется количество теплоты, отбираемой от ОГ. Суммируя эту теплоту с теплотой конденсации водяных паров, количество которых для дизельного топлива среднего состава может быть определено по часовому расходу топлива В ч и степени рециркуляции ОГ]рец из выражения СН2о -1,13*/ рец *В ч, определяется тепловая нагрузка КОГ:

01=0г+0вп= Сг-Сг^ре^и-и1) + /, 13Вч1рец<Г, (33)

где г - скрытая теплота парообразования для воды.

4. По определенному отношению ßJdMa подбирается отношение ho/H„ (при tr, соответствующей номинальному режиму), при котором объемный коэффициент теплопередачи К „ максимален, и из уравнения:

Ql = Ku.V/Km.Atcp (34)

определяется активный объём контактной камеры Vf"", необходимый для отведения количества теплоты Q2.

5.По известным VKaim ,Д„ и отношению ho/HK определяется Н„ и по значению отношения ho/H„ определяется h0 (глубина погружения насадка или уровень воды в КОГ).

6. По известным значениям RJd3Ke, ho/H„ и ts, определяется диффузионный критерий Нуссельта для жидкой фазы NuJ по экспериментально полученному уравнению:

NuJ = 12-106WJd3l<ef322.(ho/HJ0604.U0'334 (35)

и из него - объёмный коэффициент массопередачи для жидкой фазы К иж из выражения Nu ж* = К „ж -Д«2/Дж - Киж = Ыи^ДЛД«2 (36)

7. По значению К „ж определяется значение средней движущей силы процесса массообмена для жидкой фазы при поглощении газа водой из выражения

Лср = (Ai- AJ/lnfAi/AJ (37)

где Ai,A2- движущие силы процесса массообмена у концов аппарата,

Ai = y„- ун' или А1 = хн'-хн , А2 = ук-ук' или А2 = хк- хк';

у„ хк - концентрации поглощаемого компонента в относительных мольных долях в газовой и жидкой фазах на выходе аппарата;

у„, х„ - соответствующие концентрации на входе в аппарат.

При 2 > Д1/Д2 > 0,5 с достаточной степенью точности среднюю движущую силу массообмена можно найти из выражения

Ac^fa + Aja-, (38)

Ун, Ук - концентрации газа в газовой фазе, равновесные начальным и конечным его концентрациям хн и хкв жидкой фазе;

хн", х„" - концентрации газа в жидкой фазе, равновесные концентрациям ум и у„в газовой фазе.

Средняя движущая сила массообмена определяется с использованием графических построений с учётом того, что раствор поглощаемого токсичного компонента в воде является сильно разбавленным и уравнение линии равновесия может быть записано в виде у = трх х, где трх - константа фазового равновесия для раствора газа в воде:

трх = /Г7С- (PJij^'R-Т , (40)

где: тс = тс°/[1- (Кг + K-Z? + K*-Z)-C] - константа равновесия для системы "газ-раствор поглотителя", учитывающая понижение растворимости газа;

С - концентрация ионов поглотителя, кмоль/м3;

2?, Z - валентности положительных и отрицательных ионов поглотителя;

Кг, К*, К- поправочные коэффициенты на присутствие растворённого газа в жидкой фазе;

тс° - константа фазового равновесия для системы «газ-вода».

8. После определения Асо из выражения We = KulK-VKaKm-Aco, определяется активный объём контактной камеры

VKaKm = W^(KUH(.Acp). (41)

9. Сравнив активные объёмные контактной камеры, полученные из условий отведения заданного количества теплоты при максимальном значении коэффициента рециркуляции уРвЦта* и поглощения при тех же условиях определяющего газового компонента, выбирают больший из них и корректируют высоту контактной камеры Нк и отношение /?</Нк.

10. Проверяется условие АРК < [&PQr] • АРтр и определяются величины К„ и К иж и рассчитываются Q^ и Wa.

Если выполняются условия Qyf> Qy и Wt1 > Wt , расчет активного объема контактной камеры считается законченным.

отвод охлажденных газоз

подвод горячих üi

подвод свежего хладоагента

отзод

отработавшего хладоаген

Учитывая, что трубопровод подвода ОГ размещен внутри контактной камеры, при известной её высоте Нк и активном объеме \/какг определяются остальные конструктивные параметры КОН: диаметр контактной камеры действительный

Д дк= ^4УГ"/яНк + Дтмк, м; диаметр корпуса ДтРп = (1 ,4-1,6) Д ак , м; высота корпуса НКОрп =(1,35-1,45) Д дк, м.

11. Диаметр сепаратора капельной влаги (брызгоуноса) определяется из условия (Дкорп -Дсеп) >Дподв, м, где Дподе- диаметр трубопровода подвода газов в аппарат.

Высота сепаратора определяется из условия: Нсеп = Ниорп- Н,гДподв > 0,4. Конструктивная схема контактного охладителя газов представлена на рис 5.

Ри с. 5. Конструктивная схема КОГ 1 - корпус; 2 - контактная камера; 3 - патрубок отвода хладагента; 4 - днище; 5 - труба подвода ОГ; 6 - отбойник; 7- сепаратор капельной влаги;

8- патрубок отвода охлажденных и очищенных ОГ;

9- патрубок подвода свежего хладагента.

Методика расчета ракторов-нейтрализаторов для кислородного

обогащения ОГ.

Общий вид РНГ с указанием основных элементов и конструктивных размеров представлен на рис.1.

Основные исходные данные для расчета: номинальная мощность дизеля NeHOM, период автономности для одного модуля г авт, определяемый временем работы в режиме полной рециркуляции ОГ, а также ряд эмпирических констант и параметров, определяемых экспериментальным путем: среднее значение скорости газовой смеси в аппарате С опт! высота реакционной зоны Н р; среднее значение отношения скорости выделения кислорода \N02 к скорости поглощения углекислоты WCo2 {ap), среднее значение коэффициента удельного

выделения газообразного кислорода.

- Расход кислорода на номинальном режиме работы:

G02 = 3,324«GT, кг/с, . (43)

где: GT - номинальный расход дизельного топлива, кг/с.

- Количество КСП, загружаемого в одну кассету:

М ксп = К КСП -N еНОМ • Г авт • К з, КГ, (44)

где: Кксп - коэффициент приведения, учитывающий тип КСП, для технической надперекиси натрия К ксп = 1,9 кг/кВт-ч;

К з - коэффициент запаса, учитывающий полноту использования КСП, К 3 = 1,2-1,6

- Толщина кассеты с КСП: в = 2*МКсп*т о, /(Рксп *Со,), м , (45)

где рксп - плотность КСП, кг/м3

- Расстояние между пластинами с КСП в кассете б из совместного решения уравнений (45), (46): Мксп = (1/з р) «I- к.Нр.в • Рксп «И, кг (46)

Сг= р Г-с опт- Ц*5*М, кг ,

где N - количество пластин в кассете Откуда 5 = Сг-Нр«в-рксп/(Мксп*эр-Рг*Сопт), м. (47)

- Количество пластин с КСП в кассете:

N = д/" М ксп * а р/[Н р. в -(в + 5).рксп*Кг], (48)

где К г = и «/В к- коэффициент поперечного габарита, который по условию равномерного распределения газовой смеси, может быть принят равным 1.

- Длина блока кассет 1.к: 1-к = С г/(Рг*С <>пт*5 -N1), м. (49)

- Высота кассеты с КСП Н к: Н к = (1 /а р) -Н р, м (50)

- Высота реакционного блока может быть принята, исходя из габаритов кассеты с КСП, с учетом объема, необходимого для равномерного распыливания дополнительной воды, подаваемой через водяной патрубок., т.е. Н б = Н к + Н доп, где Н до„ = \/Д0Г1 / Ц* В к; Х/доп = 0,3 Ц Вк.

- Длина и ширина реакционного блока принимаются равными длине кассеты Ц и общей ширине всех пластин Вк = N-(8 + 5)+5, м, с учетом допуска на посадку кассеты в блок . 1_к может быть также определена из выражения:

1_„= М КСП/(Н к* Рксп) + бг/(рг*Стах), М (51)

где С тах - скорость газов в блоке кассет при 6 = 5 „,¡„=5-10 мм, которая в первом приближении может быть задана в пределах 5-10 м/с.

Из уравнения материального баланса можно определить:

б = Мксп/(Н К*Ь к» Рксп*М), м (52)

Откуда

К д = М ксп*Р г*Стах/(рксп*СЗ г-Н к)- (53)

Зная К д и учитывая, что Кд = в / 5 т,п, окончательно определяются величины в и N.

- Диаметр входного газового трубопровода Д в* может быть рассчитан по уравнению неразрывности

Сг.\/ = Сг .Атр с учётом ограничения для скорости потока газов , т.е. с/ - / ттрг Сг

В первом приближении величина Двх может быть принята равной диаметру выпускного патрубка дизеля Д т.

- Диаметр выходного трубопровода сепарационного блока может быть определен аналогично Д 0Х либо принят равным диаметру выпускного трубопровода дизеля Д т.

-Диаметр трубопровода подвода воды с!в в общем случае определяется из расчета подачи номинального расхода воды Св = Кст 1Мвном, кг/с при допустимой скорости потока С в = 1-3 м/с по выражению:

где: Кст - стехиометрический коэффициент, определяемый типом применяемого КСП. Для технической надперекиси натрия при условии приготовления концентрированного раствора щелочи К^ = 0,3116 кг/кВт-ч. При удалении продуктов реакции в виде 10% водного раствора Кст = 12,73 кг/кВт- ч.

- Высота входного патрубка Нп, также как и высота размещения входного трубопровода воды Нв. определяется, в основном, технологическими соображениями: удобством монтажа и установки запорно-регулиругощей арматуры. В первом приближении величину Н„ можно оценить по выражению: Нп =(3 - 5) ДВХ, м.

- Высота Нт и диаметр Дт выходного патрубка.

н т = Н р - Н „Я н р (1 -1/ а р). м. Дт = ^4-Сг/(тт.рг.СОГ1Т), м .

- Размеры сепарационного блока.

- общая высота Нс = Ннт'п + НТ, где Ннт|П = М р/ (р р.|_к-Вк), м -минимально допустимая высота части сепарационного блока, необходимая для размещения раствора щелочи;

Мр = К0п - Мксп, кг - количество раствора щёлочи, получаемого в результате полного разложения КСП;

Коп- опытный коэффициент, который при условии получения 8% раствора NaOH может быть принят

Коп = 12,55; р в - плотность раствора, кг/м3

- площадь наибольшего сечения Smax = LK*B к.

Приведенные методики, базирующиеся на результатах теоретических и экспериментальных исследований, позволяют рассчитать оптимальные концентрации присадки к топливу и габариты аппаратов КССВВ с достаточной для инженерных расчетов точностью.

В заключении представлены основные результаты исследований, заключающиеся в следующем:

1. Предложена и обоснована новая структура комбинированной системы снижения вредных выбросов с ОГ ДВС.

2. Создана и исследована оригинальная экспериментальная установка на базе дизеля 84 9,5/ 10, оснащенная экспериментальной системой снижения вредных выбросов, позволяющая получить количественные характеристики процессов в элементах системы.

3. Разработана и реализована программа-методика экспериментальных исследований элементов комбинированной системы снижения вредных выбросов.

4. Проверена возможность реализации процессов комплексной обработки ОГ в элементах КССВВ.

5. Получены новые результаты экспериментальных исследований влияния присадки к топливу, контактной обработки ОГ в КОН и обогащения перепускаемой части ОГ кислородом в РНГ на экологические показатели дизельных ДВС.

6. Разработаны методики определения расчетной концентрации присадки в топливе, габаритов контактного охладителя и реактора-нейтрализатора ОГ.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Дыбок В.В., Дыбок М.В. Обеспечение нормативных параметров воздуха в кабинах транспортных средств. В сб. научных трудов НТК «Научные и практические вопросы эксплуатации мобильных машин...», СПб, ВИТУ, 2003.

2. Дыбок В.В., Мельников В.А., Агафонов Д.Ю., Дыбок М.В. Экспериментальная оценка влияния элементоорганических присадок к топливу на рабочий процесс дизеля, ж. «Горюче-смазочные материалы», №1, 2000 г., СПб, МАПИ.

3. Дыбок В.В., Дыбок М.В. Концепция создания нового бытового прибора - многофункционального пылесоса с водной очисткой воздуха. В сб. научных трудов НТК « », СПб, СПбГАСЭ, 2004 г.

4. Дыбок В.В., Дыбок М.В. Комплексная система кондиционирования воздуха. В сб. трудов СПбГАСЭ, СПб, СПбГАСЭ, 2003 г.

5. Дыбок В.В., Прутчиков И.О. Дыбок М.В.Комбинированные системы снижения вредных выбросов ДВС с использованием реакторов-нейтрализаторов газовых смесей. В сб. научных трудов международной НТК «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей тракторов и автомобилей ». СПб, СПбГАУ, 2005 г.

6. Дыбок М.В.Экспериментальные исследования комбинированной системы снижения вредных выбросов ОГ ДВС. Описание экспериментальной установки В сб. научных трудов международной НТК «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей тракторов и автомобилей ». СПб, СПбГАУ, 2005 г.

7. ДыбокВ.В.,Капустин A.A., Свирид В.А.Дыбок М.В. Методики расчета элементов системы снижения вредных выбросов ДВС. В сб. научных трудов международной НТК «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей тракторов и автомобилей ». СПб, СПбГАУ, 2005 г.

8. Дыбок М.В. Результаты экспериментальных исследований комплексной системы снижения вредных выбросов с отработавшими газами ДВС. В сб. научных трудов международной НТК «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей тракторов и автомобилей ». СПб, СПбГАУ, 2005 г.

9. Николаенко A.B., Дыбок М.В. Рекомендации по контактной обработке ОГ и методика расчёта контактного аппарата. Сб. научн. трудов МНТК «Новые топлива с присадками», СПб, МАПИ, 2006 г.

10. Дыбок В.В., Капустин A.A., Дыбок М.В. Способ снижения вредных выбросов с отработавшими газами ТД транспортных средств, эксплуатируемых в условиях ограниченных объемов. Положительное решение по заявке №2006111335 от 7.04.2006

11. Дыбок В.В., Дыбок М.В. Обеспечение экологической безопасности транспортных средств в условиях ограниченных объемов. Сб. научн. трудов МНТК «Новые топлива с присадками»,СПб, МАПИ, 2006 г.

12. Дыбок В.В., Дыбок М.В. Обеспечение экологической безопасности двигателей транспортных средств. Журнал «Энергонадзор - информ», № 5, 2006

13. Николаенко А.В.,Прутчиков И.О., Дыбок М.В. Комбинированные системы снижения вредных выбросов ДВС с использованием реакторов-нейтрализаторов газовых смесей. Сб. научн. трудов МНТК «Новые топлива с присадками»,СПб, МАПИ, 2006 г.

Подписано в печать 11.09.2006. Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная Гарнитура Arial. Печать цифровая. Заказ № 2297/06. Усл. печ. л. 1,2.

Тираж 110 экз. Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ООО «Политехника» Санкт-Петербург, Инженерная ул., д.6

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Средства механизации с тепловыми двигателями и их применение в условиях ограниченных объёмов.

1.2. Требования по токсичности отработавших газов дизельных ДВС. Основные способы и пути снижения токсичности и анализ их эффективности.

1.3. Анализ способов обеспечения требуемых параметров воздушной среды при работе двигателей в ограниченных объёмах.

Выводы по главе и задачи исследования.

2. КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ С ОГ ДВС СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕХНИКИ.

2.1. Улучшение эксплуатационных и экологических показателей работы ДВС при помощи присадок к ДТ.

2.2. Снижение вредных выбросов путем рециркуляции ОГ с использованием реакторов-нейтрализаторов на основе твердых КСП.

2.3. Технологические особенности контактной обработки ОГ в реакторах-нейтрализаторах

2.4. Комбинированные системы снижения вредных выбросов ДВС с использованием реакторов-нейтрализаторов газовых смесей.

Выводы по главе.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ДВС.

3.1. Описание экспериментальной установки.

3.2. Программа-методика проведения экспериментальных исследований.

3.3. Оценка погрешностей измерений.

3.4. Результаты экспериментальных исследований.

3.4.1. Результаты экспериментального исследования влияния элементо-органических присадок к топливу на экологические характеристики двигателя 84 9,5/10.

3.4.2. Результаты исследований контактной обработки ОГ водой.

3.4.3. Результаты экспериментальных исследований обработки в РНГ.

Выводы по главе.

4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ В

ЭЛЕМЕНТАХ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ И МЕТОДИК ИХ РАСЧЕТА.

4.1. Рекомендации по определению расчетных концентраций присадок в топливе.

4.2. Рекомендации по контактной обработке ОГ и методика расчета контактного аппарата.

4.3. Методика расчета реакторов-нейтрализаторов для кислородного обогащения ОГ.

4.3.1. Расчет кассеты с КСП.

4.3.2. Расчет габаритов реакционного блока кассет.

4.3.3. Определение диаметров входного и выходного газовых патрубков.

4.3.4. Определение диаметра входного водяного трубопровода.

4.3.5. Определение высоты входного патрубка.

4.3.6. Определение высоты входного патрубка.

4.3.7. Определение размеров сепарационного блока.

Выводы по главе.

Применение специальной техники с ДВС в условиях ограниченных объёмов при строительстве, например, при проходке тоннелей, а также при проведении работ по уходу за растениями в условиях замкнутых объёмов (в теплицах) приводит к изменению параметров воздушной среды за счёт её загрязнения вредными выбросами, содержащимися в отработавших газах (ОГ) двигателей. Кроме того, при добыче строительных материалов для предприятий строительного комплекса, при добыче полезных ископаемых (золота, алмазов, сырья для производства минеральных удобрений и т.д.) открытым способом возникает аналогичная проблема борьбы с загрязнением атмосферы карьеров вредными выбросами ОГ двигателей [24]. В настоящее время ее решают путем устройства соответствующих систем искусственной либо естественной вентиляции, что сопряжено со значительными материальными и энергетическими затратами и простоями техники ввиду существенного загрязнения атмосферы вредными веществами, не позволяющего обеспечить безопасную работу обслуживающего персонала.

Таким образом, улучшение экологических и технико-экономических показателей эксплуатации двигателей, связанное с уменьшением общего количества ОГ и содержания вредных выбросов в них, является актуальным.

В настоящее время отечественными [10, 12, 14, 16, 30, 35, 38, 41, 43, 48, 50, 51, 72, 74 ] и зарубежными [ 85, 86, 88, 93 ] учеными предложен ряд способов улучшения экологических и технико-экономических показателей транспортных и стационарных дизелей путем конструктивных изменений собственно двигателей, их систем, в том числе систем газовыпуска, топливоподачи и топжвоподготовки.

Однако отсутствие комплексности в применении предлагаемых способов не позволяет решить в полной мере вопрос сокращения вредных выбросов с ОГ и обеспечить требуемые экологические характеристики дизелей.

Целью данной работы является разработка структуры и исследование элементов комбинированной системы снижения вредных выбросов с ОГ ДВС специальной техники, применяемой для работы в условиях ограниченных объёмов, позволяющей получить сверхсуммарный эффект от совместного применения различных способов снижения токсичности ОГ.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в 13 печатных трудах, 3-х научно-технических отчетах о НИР [в том числе в 18,19,21,22, 26-30].

Новизна исследований подтверждена заявкой на изобретение, по которой получено положительное решение на выдачу патента.

В качестве дальнейших направлений исследований можно предложить следующие:

1. Разработка математических моделей и программ численного моделирования процессов в элементах комбинированной системы снижения вредных выбросов с ОГ ДВС

2. Разработка математической модели комбинированной системы снижения вредных выбросов с ОГ ДВС и проведение расчетно-экспериментальных исследований по оптимизации системы.

3. Исследования комбинированной системы снижения вредных выбросов, содержащей дополнительно подсистему термохимической регенерации части дизельного топлива.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе обоснована и предложена комбинированная система снижения вредных выбросов с ОГ ДВС специальной техники, применяемой при возведении и эксплуатации ВСК, проведены экспериментальные исследования элементов системы, а также разработаны методики расчета оптимальной концентрации присадки в топливе и аппаратов системы.

В результате проведенных исследований получены следующие новые научные результаты:

1. Новая структура комбинированной системы снижения вредных выбросов с ОГ ДВС

2. Оригинальная экспериментальная установка на базе дизеля 84 9,5/10, оснащенная экспериментальной системой снижения вредных выбросов, позволяющая получить количественные характеристики процессов в элементах системы.

3. Программа-методика проведения экспериментальных исследований элементов комбинированной системы снижения вредных выбросов.

4. Результаты экспериментальных исследований влияния присадки к топливу, контактной обработки ОГ в КОН и обогащения перепускаемой части ОГ кислородом в РНГ.

5. Рекомендации по реализации процессов в элементах системы, а также методики определения расчетной концентрации присадки в топливе, габаритов контактного охладителя и реактора-нейтрализатора ОГ.

Результаты исследований использованы:

- Международной академией прикладных исследований при разработке рецептуры элементоорганической присадки к дизельному топливу;

ВИТУ при создании опытной комбинированной системы снижения вредных выбросов с ОГ дизелей;

-при проведении плановых научно-исследовательских работ, выполнении курсового и дипломного проектирования в ВИТУ и СПбГАСЭ;

-центральным конструкторским бюро морской техники «Рубин» при разработке конструкторской документации системы снижения токсичности для оснащения станции стендовых испытаний дизелей Кронштадтского морского ордена Ленина завода (КМОЛЗ). Реализация результатов исследований подтверждена соответствующими актами о внедрении.

В работе нашли отражение результаты исследований по НИР «Спецтранс-1», «Источник-98», «Эколог-КС».

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1971, 200с.

2. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1986,238с.

3. Антонов B.C., Дружинин П.В., Зайченко П.А., Мазунин А.П. Периферийные системы пуска ДВС. В ст. тезисов доклада семинара стран СНГ «Улучшение эксплуатационных показателей». СПб.: СПбГАУ, 1997, с.83-84.

4. Борисов А.И. Комбинированные системы приготовления газовых смесей из твердых источников для дизелей мобильных средств военно-строительных комплексов. СПб.: ВИТУ, 1996, 200с.

5. Васильев А.С. Гидродинамика и массообмен при истечении газовых струй в жидкость (автореферат дис. к.т.н.). Л.: ЛПИ, 1998,48с.

6. Виппер А.Б., Гуреев А.А. Производство и применение присадок к топливам за рубежом. Двигателестроение, 1987, №3, с.33-34.

7. Вишнякова Т.П., Голубева И.А., Крылов И.Ф., Лыков О.П. Стабилизаторы и модификаторы нефтяных дистиллятных топлив. М.: Химия, 1990, 192с.

8. Вишнякова Т.П. Антидымные присадки к дизтопливам. М.: ЦНИИТЭ нефтехим, 1990, 55с.

9. Выбросы вредных веществ с ОГ дизелей. ГОСТ 24585-81.

10. Гладков О.А., Лерман Е.Ю. Создание малотоксичных дизелей речных судов. Л.: Судостроение, 1990, 112с.

11. Глизманенко Д.Л. Получение кислорода. М.: Химия, 1972, 751с.

12. Говорущенко Н.Я. Экономия топлива и снижение токсичности на автомобильном транспорте. М.: Транспорт, 1990, 135с.

13. Гордеев П.А. Дизельные установки подводных аппаратов. Л.: Судостроение, 1982, №10.

14. Гольфанд Ф.М., Васьковский В.Е. Снижение токсичности отработавших газов дизельных двигателей горных машин при разработке калийных месторождений. Горный журнал, 1978, №2.145

15. Гуфман А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов тепломассообмена. ML: Высшая школа, 1974, 328с.

16. Данилов A.M. Присадки и добавки. Улучшение экологических характеристик нефтяных топлив. М.: Химия, 1996, 232с.

17. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М.: Энергия, 1974, 592с.

18. Дыбок В.В, Николаенко А.В., Дыбок М.В. Рекомендации по контактной обработке ОГ и методика расчёта контактного аппарата. Сб. научн. трудов МНТК «Новые топлива с присадками», СПб, МАПИ, 2006 г.

19. Дыбок М.В. Результаты экспериментальных исследований комплексной системы снижения вредных выбросов с отработавшими газами ДВС. Сб. научн. трудов МНТК «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей», СПб, СПбГАУ, 2005 г.

20. Дружинин П.В., Дыбок В.В. Основы расчета контактного охлаждения ОГ ДВС. М.: ЦИВТИ, 1/190,1986, № 33737.

21. Способ снижения вредных выбросов с отработавшими газами ТДтранспортных средств, эксплуатируемых в условиях ограниченных объемов Дыбок В.В., Дыбок М.В., Капустин А.А. Положительное решение по заявке на изобретение № 2006111335 от 7.04.2006

22. Дыбок В.В. Системы подготовки рабочей смеси для обеспечения работы дизелей автономных источников энергоснабжения СФС без связи с атмосферой. Дисс. к.т.н. Л.: ЛВВИСУ, 209с. Инв.№ 26775,1985.

23. Дыбок В.В., Пастухов Г.Г. Экологические аспекты применения транспорта в карьерах. Механизация строительства, 1995, №7.

24. Дыбок В.В., Бахенский В.А., Егорова С.Г. Система очистки ОГ ДВС. Патент РФ №2027464 от 27.01.91.26