Selection of the methanol-rapeseed emulsion composition for its using as fuel for a diesel engine

Full Text

Введение Важным свойством растительных масел, используемых для производства биотоплива, является способность смешиваться в любых пропорциях с большинством органических растворителей (в том числе и с нефтепродуктами - бензином, керосином и дизельным топливом). Это свойство растительных масел позволяет получать моторные топлива с заданными физико-механическими свойствами путем смешивания различных компонентов в требуемых пропорциях. Результаты исследований подтверждают возможность использования в качестве топлива для дизелей «чистых» растительных масел, а также смесей с традиционным дизельным топливом [1-3]. Но использование биотоплив на основе растительных масел сдерживается отличиями их физико-механических свойств от свойств стандартного дизельного топлива. В частности, одной из наиболее острых проблем, возникающих при работе дизеля на рапсовом масле, является его повышенная вязкость [4-7]. Эффективным способом улучшения качества указанных процессов является приближение свойств биотоплив на основе растительных масел к свойствам стандартного дизельного топлива. Одним из таких способом получения топлива является эмульгирование метанола в среде рапсового масла. При проведении экспериментов и теоретических расчетов совместно с получением образца эмульсии и имитации взаимодействия элементов системы широко применяется функциональное моделирование, результатом которого является получение уравнения математической функции, описывающей поведение объекта исследования независимо от внутренней структуры системы. Функциональная модель работает по принципу «черного ящика», при этом известны параметры «входа» - переменные или постоянные факторы, а также параметры «выхода» - критерий эффективности, отклик и т.д. Объекты и методы В рамках планирования эксперимента производится расчет плана эксперимента по выбранным изменяемым показателям, определяются коэффициенты уравнения математической модели, проводится статистическая оценка адекватности математической модели, строятся диаграммы изолиний с возможностью выявления точки экстремума. Рассматриваемый эксперимент определен как полный трехфакторный эксперимент. Экспериментальная часть Построение функциональных моделей экспериментальных зависимостей свойств метаноло-рапсовой эмульсии от его состава включает следующие этапы [8-10]: - выбор факторов, определяющих изменчивость оптимизируемых параметров; - выбор интервалов изменения факторов; - выбор плана и условий проведения эксперимента; - обработка результатов эксперимента с построением математических моделей зависимостей свойств метаноло-рапсовой эмульсии от выбранных факторов. Результаты и выводы В качестве входных факторов приняты: концентрация эмульгатора - Х1, кратность гомогенизирования - Х2, концентрация метанола в составе эмульсии - Х3. В расчете факторного плана значения уровней входных факторов принимаются в кодированном виде, при этом основной уровень (центр плана) каждого фактора обозначается как «0», а нижний и верхний уровни: «-1» и «+1» соответственно (табл. 1). Для определения воспроизводимости измерений выходного параметра Y, в качестве которого выбрано время стабильности метаноло-рапсовой эмульсии, проведены параллельные измерения. Согласно плану эксперимента рассчитано десять опытов по два параллельных испытания в каждом. Выходные параметры, наименование выходного параметра и количество параллельных замеров представлены в табл. 2. После проверки введенных данных рассчитываются коэффициенты математической модели (табл. 3), и выводится функция отклика. Уравнение математической модели: Y = 17,391 + 13,481 X1 + 0,8 X2 + (-6,068) X3 + + 7,082 X12 + 0,836 X22 + (-2,331) X3 2 + + (-2,169) X1 X2 + (-5,81) X1 X3 + 1,206 X2 X3. (1) После получения математической модели проверялась значимость коэффициентов модели. Проверка коэффициентов на значимость производится с помощью критерия Стьюдента (t-критерия), представленного в табл. 4 и 5. Проверка адекватности математической модели производится по критерию Фишера. Определены необходимые показатели для оценки адекватности модели (табл. 6). По критерию Фишера уравнение математической модели является адекватным. Модель применима для решения производственно-рецептурных задач. В качестве постоянного фактора с точки зрения технологического процесса приготовления эмульсии принята кратность гомогенизации X2 = 3. Преобразованное уравнение математической модели с учетом постоянного фактора: Y = 17,391 + 13,481 X1 + 0,8 + (-6,068) X3 + + 7,082 X12 + 0,836 + (-2,331) X32 + (-2,169) X1 + + (-5,81) X1 X3 + 1,206 X3. (2) На основе полученной математической модели построена диаграмма изолиний в координатах Х1 и Х3 (рис. 1). Диаграмма изолиний позволяет получать координаты факторного поля и значения выходного параметра. Обработка данных планируемого эксперимента завершается определением наличия экстремума функции отклика. Экстремум функции отклика полученной математической модели находится в пределах варьирования переменных факторов. При этом значение экстремума составляет Yopt = 14,513. Экстремуму функции отклика соответствуют значения факторов: X1 = 5,376 и X3 = 29,38 при X2 = 3. Заключение Анализ результатов планирования эксперимента показывает значимость полученной математической модели по критерию Стьюдента и адекватность уравнения математической модели по критерию Фишера и, как следствие, применимость для решения производственно-рецептурных задач. Экстремуму функции отклика математической модели соответствуют значения факторов: концентрация эмульгатора - 5,376 %, содержание метанола - 29,38 %, кратность гомогенизации - 3. Время стабильности эмульсии при этих значениях составит 14,513 мин. Результаты проведенных исследований подтверждают возможность применения метаноло-рапсовой эмульсии в качестве моторного топлива для дизеля Д-242.

About the authors

A. V Shemyakin

Ryazan State Agrotechnological University

DSc in Engineering

V. V Terent'ev

Ryazan State Agrotechnological University

PhD in Engineering

Yu. A Panov

Tver State Agricultural Academy

Email: vvt62ryazan@yandex.ru
PhD in Engineering

A. A Ivanov

Tver State Agricultural Academy

Email: vvt62ryazan@yandex.ru

References

Supplementary files