Determination of biogas fuel compression ratio for agricultural machinery fueling

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Для заправки сельскохозяйственной техники биогазом в первую очередь необходимо определить коэффициент сжимаемости биогазового топлива. На сегодняшний день еще не определен коэффициент сжимаемости биогазового топлива для разного состава. Определение коэффициента сжимаемости биогаза для разного состава требует проводение ряда экспериментальных работ. Проведение экспериментальных работ подразумевает использование большого и объемного экспериментального оборудования, а также значительных затрат человеческого времени.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Определение коэффициента сжимаемости биогаза для разного состава при заправке биогазовым топливом сельскохозяйственной техники компрессором.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Экспериментальное определение коэффициента сжимаемости биогазового топлива, особенно с высоким содержанием СО₂, рекомендуется проводить на установках типа УГК-3 [1]. Схема соединения технологических узлов установки УГК-3 для изучения коэффициента сжимаемости биогаза приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема установки УГК-3 для исследования коэффициента сжимаемости биогазового топлива: 1 – бомба равновесия; 2 – разделительный поршень; 3 – магнитная катушка; 4 – вентиль загрузки углекислого газа; 5 – термостатируемый сепаратор; 6 – плунжерный насос; 7 – бочки для жидкости; 8 – манометры пружинные; 9 – манометр ЭКМ; 10 – вентили запорные.

Установка УГК-3 выпускалась на начальном этапе развития газоконденсатных исследований в СССР в 1960-е годы. Объем камеры этой установки 3,1 л. Камера PVT представляет собой цилиндр, в который помещен поршень с выведенным через крышку цилиндра штоком, снабженным измерительной шкалой. Внутри штока имеется безобъемная мешалка, приводимая в движение электромагнитом. Конструкцией установки предусмотрены жидкостный обогрев камеры PVT и место для термометра в нижней крышке цилиндра для контроля температуры. Ниже смотрового окна помещен измерительный поршень (меньшего сечения, чем поршень, помещенный в верхней части камеры), который перемещается при помощи электродвигателя [2].

Поэтому определение коэффициента сжимаемости для разного состава биогаза можно провести с использованием методов математического моделирования.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Для получения уравнения коэффициента сжимаемости газа воспользуемся уравнением Менделеева-Клапейрона, описывающим состояние идеального газа [3]:

$pV=\frac{m}{M}RT$. (1)

Если учесть коэффициент сжимаемости Z, при m=M, уравнение Менделеева-Клапейрона (1) примет следующий вид:

$pV=ZRT$. (2)

В конечном состоянии, то есть после накачки газа, при m≠M уравнение (1) преобразуется к виду:

$p_1{V}_1=\frac{m_{1}R{T}_1}{M}$. (3)

Для примера, приведем формулу вычисления молярной массы M_общ смеси двух газов:

$M_{общ}=\frac{m_{C{O}_2}+m_{C{H}_4}}{{\displaystyle \frac{m_{C{O}_2}}{M_{C{O}_2}}}+{\displaystyle \frac{m_{C{H}_4}}{M_{C{H}_4}}}}$. (4)

Для смеси газов уравнение Клапейрона-Менделеева (1) записывается в форме:

$p_1{V}_1=Z_1\frac{m_{1}R{T}_1}{M_{общ}}$. (5)

С целью получения формулы коэффициента сжимаемости биогазового топлива для разных составов преобразуем уравнение (5):

$Z=\frac{P_1·V_1}{P_0·V_0}=\frac{{\displaystyle \frac{m_1·R·T_1}{M_1}}}{{\displaystyle \frac{m_0·R·T_0}{M_0}}}=\frac{m_1·T_1·M_0}{M_1·m_0·T_0}=\frac{{\rho }_1·V_1·T_1·M_0}{M_1·{\rho }_0·V_0·T_0}=\frac{{\rho }_1·T_1·V_1}{{\rho }_0·V_0·T_0}$. (6)

Решим уравнение (6) через плотности и объемы газа. Тогда в окончательном виде последняя формула будет выглядеть следующим образом:

$Z_1=\frac{{\rho }_1·T_1·V_1}{m_0·T_0}$. (7)

На данный момент, плотность биогазового топлива для разных составов (метана и углекислого газа) не вычислена, поэтому имеется необходимость экспериментального ее определения. С этой целью был проведен ряд экспериментов с биогазом с разным процентным содержанием метана и углекислого газа. Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1. Экспериментальные результаты по определению плотности биогазового топлива

Table 1. Experimental results of biogas fuel density determination

Далее, методом линейной аппроксимации экспериментальных данных были получены коэффициенты уравнения регрессии [4], имеющего вид:

$y=ax+b$. (8)

Для исследуемого случая получено следующее эмпирическое уравнение:

${\rho }_{б}=0,449·m-0,009$, (9)

где ρ_б – плотность биогазового топлива, кг/м³, m – масса биогазового топлива, кг.

Уравнение (9) позволяет вычислить теоретически плотность биогазового топлива для разных составов.

Согласно полученному уравнению (9), график линейной аппроксимации плотности биогазового топлива в сравнении с данными эксперимента выглядит следующим образом (рис. 2):

Рис. 2. График зависимости экспериментальных и теоретических результатов.

Получив теоретические и экспериментальные значения плотности биогазового топлива для разных составов, перейдем к вычислению коэффициента сжимаемости биогаза, используя формулу (7).

Результаты теоретических расчетов коэффициента сжимаемости для разных составов биогазового топлива приведены в таблице 2.

Таблица 2. Теоретические значения коэффициентов сжимаемости для разных составов биогазового топлива

Table 2. Theoretical values of compression ratio for different compositions of biogas fuel

По полученным теоретическим данным, зависимость коэффициента сжимаемости для разных составов биогазового топлива имеет следующий вид (рис. 3).

Рис. 3. Теоретическая зависимость коэффициента сжимаемости биогазового топлива.

Согласно ГОСТ 30319.2-96 «Газ природный. Методы расчета физических свойств. Определение коэффициента сжимаемости», рекомендованный предел коэффициента сжимаемости метана равен 0,9844 при температуре 293 К и давлении до 25 МПа [5].

ВЫВОДЫ

По результатам исследований установили, что, в выше приведенных условиях, критический коэффициент сжатия биогазового топлива будет равен 1,073 при соотношении метана к углекислому газу 55:45.

1 м³ биогазового топлива, сжатый до 20 МПа при температуре 0 °С, занимает объем 2,95 дм³. Тогда, при 0 °С в пятидесятилитровых баллонах высокого давления можно хранить 9 м³ биогазового топлива.

Исходя из вышесказанного, для заправки биогазовым топливом сельскохозяйственной техники полностью подходит компрессор Coltri MCH-10 [6].

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Конфликт интересов. Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Автор заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Competing interests. The authors declares no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Nikolay V. Petrov

Author for correspondence.
Email: petnikvad1988@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8927-7828
SPIN-code: 7971-2057

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Operation of Road Transport and Vehicle Maintenance Department of the Road Faculty

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Scheme of the UGK-3 test facility for biogas fuel compression ratio study: 1 – a balance bomb; 2 – a separatory piston; 3 – a magnetic coil; 4 – a carbon dioxide inflow valve; 5 – a temperature-controlled separator; 6 – a plunge-type pump; 7 – barrels for liquid; 8 – spring pressure gauges; 9 – an electric contact pressure gauge; 10 – cutoff valves.

Download (142KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Dependency graph of experimental and theoretical results.

Download (80KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Theoretical dependence of biogas fuel compression ratio.

Download (41KB)

Indexing metadata