Improvement of energy efficiency of alternative fuels

Abstract

A new approach to improvement of energy efficiency of alternative fuels in diesel engines on the basis of thermochemical heat recovery of exhaust gases is developed.

Full Text

В последнее время в исследовательской практике наметилось заметное возрастание интереса к актуальной проблеме в сфере транспортной энергетики, связанной с использованием альтернативных источников энергии в качестве заменителей традиционных топлив и поиском путей энергосбережения при их применении [1]. В статье предложен метод повышения энергетической способности топлив, в первую очередь альтернативных, за счет снижения доли необратимых потерь отходящей теплоты в рабочем цикле дизеля. Согласно данным внешнего теплового баланса поршневого двигателя, существенная часть потенциальной (химической) энергии топлива не реализуется в виде работы и отводится, в т.ч. с ОГ, в окружающее пространство. В дизелях доля необратимых потерь теплоты, уносимой из двигателя с ОГ, достигает 40% [2]. Известно, что преобразование химической энергии топлива в работу в рабочем цикле двигателя осуществляется в два этапа: на первом этапе она преобразуется в теплоту, а на втором этапе теплота реализуется в работу. Именно в процессе этих преобразований и происходят основные потери располагаемой энергии топлива, снижающие эффективные показатели двигателя [2]. Для повышения эффективности использования энергии топлива необходимо снизить ее потери как на первом этапе преобразования, так и на втором. Опираясь на достигнутый уровень исследований в этой области, можно отметить, что до настоящего времени в двигателестроении (как и в целом в энергомашиностроении) успешно применялся основанный на классических положениях термодинамики весьма эффективный способ уменьшения потерь работоспособности топлива на втором этапе преобразования энергии. Сущность этого способа вытекает из сопоставления средних температур подвода Т1ср и отвода Т2ср теплоты обратимого цикла. Термический КПД цикла ηt равен [2]: . Чем выше средняя температура подвода теплоты при рассматриваемом уровне средней температуры ее отвода, тем выше термический КПД цикла двигателя. Однако в современных дизелях температурный уровень рабочего тела таков, что его дальнейшее повышение порождает серьезную проблему термической напряженности. Поэтому повышение эффективности использования топлива в двигателе путем повышения средней верхней термодинамической температуры рабочего тела в цикле зависит от возможностей дальнейшего повышения термостойкости для конструкционных материалов деталей камеры сгорания. Если учесть, что эти возможности для большинства традиционных материалов уже практически исчерпаны, становится очевидным, что сам способ, предусматривающий повышение температуры рабочего тела, малоперспективен. В этих условиях представляется целесообразной разработка способа снижения уровня необратимых потерь, возникающих на первом этапе преобразования химической энергии топлива, т.е. на этапе ее преобразования в теплоту. Причем реализация этого способа по возможности не должна быть сопряжена с повышением температурного уровня рабочего тела. Исходя из основных положений химической термодинамики [1, 2], можно утверждать, что реализация такого способа априори возможна лишь при наличии топлив, сжигание которых при одинаковой температуре сопровождалось бы различными уровнями необратимых потерь. Топлива, обладающие высоким уровнем необратимых потерь, путем термохимических превращений можно преобразовать в новое (искусственное) топливо с более высоким энергетическим потенциалом. Перевод химической энергии такого искусственного топлива в теплоту сопровождается меньшими необратимыми потерями. Впервые научно-методическое обоснование этого способа разработал проф. В.Г. Носач [1], а его практическая реализация осуществлена применительно к стационарным энерготехнологическим системам, использующим в качестве энергоносителя твердое топливо (каменный уголь). В условиях рабочего процесса дизеля энергетическая способность топлива может быть повышена путем его предварительного преобразования на основе организации эндотермического процесса конверсии с использованием для этой цели теплоты ОГ. Понятно, что при этом возросший уровень энергии конвертированного топлива будет адекватен количеству тепловой энергии, отобранной у ОГ дизеля. Рассматриваемый способ назван термохимическим способом регенерации теплоты ОГ, поскольку в его основе лежит цикл термохимического преобразования топлива. Он разработан на базе фундаментальных положений термохимии и может быть применен для любого типа поршневых двигателей, в т.ч. и для дизелей мобильной с.-х. техники. Как следует из определения способа термохимической регенерации, в рабочем цикле дизеля предусматривается еще один процесс. Если в обычном двигателе химическая энергия топлива преобразуется в теплоту за одну стадию, то в данном случае - за две. На первой исходное топливо подвергается конверсии, а на второй конвертированное топливо сжигается на более высоком энергетическом уровне. Наличие двух стадий преобразования энергии, в процессе которых используется теплота, отводимая из рабочего цикла дизеля, позволяет повысить эффективность использования энергии исходного топлива. Принципиальная возможность осуществления термохимической регенерации теплоты ОГ в поршневом двигателе обусловлена двумя обстоятельствами. Во-первых, отдельные виды углеводородов способны под воздействием теплоты вступать в реакции конверсии с эндотермическим эффектом. Во-вторых, температурно-энергетический уровень ОГ двигателя достаточен для эффективной организации конверсионного процесса этих углеводородов, в частности при соответствующем выборе активирующей каталитической среды. Накопленный в исследовательской практике опыт показывает, что продукты конверсии традиционных нефтяных топлив, полученные в высокотемпературном реакторе на основе механизма экзотермических реакций неполного окисления углеводородов, имеют по сравнению с исходным продуктом более низкую теплоту сгорания, что по определению исключает возможность реализации эффекта регенерации [3]. В то же время организация эндотермического цикла конверсии углеводородов нефтяного топлива, в частности дизельного, на основе высокотемпературных реакций их диссоциации с использованием теплоты ОГ представляется трудно осуществимой вследствие температурного дефицита теплоносителя. Наиболее целесообразно использовать в качестве исходного продукта для организации конверсионного процесса углеводородные соединения, рабочая температура конверсии которых в каталитической среде соответствует среднему температурному уровню ОГ двигателя. К числу таких соединений относится ряд альтернативных энергоносителей, в частности легкие предельные углеводороды, низшие спирты, простые эфиры и др. В общем случае выбор исходного продукта - компромисс, учитывающий наличие его промышленного производства, температурные условия процесса конверсии, спектр образующихся при переработке газов и стоимость [3]. Очевидный практический интерес среди перечисленных углеводородных соединений представляет метанол, который в мировом двигателестроении сам по себе рассматривается как одно из наиболее перспективных альтернативных топлив. Из всех известных жидких энергоносителей метанол имеет наиболее массовое, крупнотоннажное производство, а технологические аспекты его конверсии детально отработаны в отечественной исследовательской практике. Кроме того, метанол относится к разряду возобновляемых источников энергии, синтезируемых из продуктов растительного происхождения (например древесины), т.е. существует обширная сырьевая база для увеличения его производства и значительно более широкого использования в энерготехнологической сфере с.-х. производства. Оценка степени повышения энергетической способности альтернативного топлива путем его термохимического преобразования с использованием теплоты ОГ Возможность повышения энергетической способности альтернативного топлива на основе его предварительного конверсионного преобразования может быть непосредственно установлена на примере сравнения теплоты сгорания жидкого метанола и газообразных продуктов его конверсии. Теплота сгорания метанола составляет 19 670 кДж/кг, продуктов его конверсии - 23 870 кДж/кг. Таким образом, при сгорании в двигателе 1 кг продуктов конверсии метанола, полученных из такой же массы метанола, высвобождается дополнительная тепловая энергия, накопленная в процессе эндотермической конверсии, равная 4200 кДж/кг, что составляет 21,4% от располагаемой энергии исходного топлива. Заметим, что технология термохимической регенерации (утилизации) отходящей теплоты с целью повышения эффективности топлива и энергоустановки в целом может быть применена в условиях организации рабочего процесса любого поршневого двигателя. Реализация этой технологии возможна и в составе систем питания серийных дизелей, использующих в качестве запального дизельное топливо, а для организации конверсионного процесса - альтернативное топливо с низкой рабочей температурой конверсии. Теоретические основы подобных систем питания дизелей в современной исследовательской практике остаются малоизученными. Однако они представляют определенный практический интерес, так как применение предварительного преобразования альтернативного источника энергии в более эффективный вид топлива за счет регенерации отходящей теплоты позволяет существенно повысить эффективные показатели рабочего цикла дизеля. Покажем это на следующем примере. Основным показателем для оценки эффективности рабочего цикла дизеля служит термический КПД термодинамического (идеального) цикла [2]: , где l - степень изохорного повышения давления в цикле; r - степень изобарного расширения; e - степень сжатия; k - показатель адиабаты. По результатам проведенного математического исследования получена зависимость для определения термического КПД ηтхр для цикла дизеля с термохимической регенерацией теплоты ОГ: , где w = Qр / Q2 - степень термохимической регенерации отводимой из цикла теплоты; Qр - теплота, регенерируемая в цикл; Q2 - отводимая из цикла теплота. Из сравнения полученных выражений видно, что эффективность использования энергии топлива в рабочем цикле дизеля может быть повышена с помощью термохимической регенерации теплоты ОГ при постоянных параметрах цикла (l, r, e, k) без повышения исходных параметров рабочего тела, в т.ч. и без увеличения тепловой напряженности двигателя. Из приведенного выше выражения следует, что величина ηтхр существенно зависит от степени термохимической регенерации отходящей теплоты. В связи с этим целесообразно рассмотреть условия, при которых степень термохимической регенерации отводимой из цикла теплоты приобретает предельно возможное значение. Условия предельно возможной степени регенерации Из приведенного анализа следует, что необратимые внешние потери преобразования химической энергии топлива в теплоту в случае использования способа термохимической регенерации теплоты ОГ всегда меньше соответствующих потерь при непосредственном сжигании топлива без предварительной термохимической переработки. Причем уменьшение необратимых потерь адекватно энергии, которую необходимо затратить на компенсацию теплового эндотермического эффекта реакций конверсии исходного топлива. Этот эффект различен для отдельных видов топлива и определяется их химической природой. Например, как показано выше, для метанола он составляет 4200 кДж/кг. Следует заметить, что эффективность процесса регенерации зависит от температуры конверсионного процесса и возрастает с ее уменьшением, так как в этом случае повышается доля регенерируемой в цикл теплоты Qр, отбираемой от отводимой из цикла теплоты Q2, а следовательно, и степень регенерации w = Qр / Q2. Современные катализаторы позволяют реализовать процесс термокаталитической конверсии углеводородов при определенных рабочих температурах (например, для метанола не ниже 300 оС, или 573 К [3]), определяя тем самым минимально возможный температурный предел ОГ дизеля, при котором осуществима организация этого процесса. Очевидно, что указанные требования по температурному уровню ОГ двигателя могут быть обеспечены лишь в определенном диапазоне изменения режимов его работы. Поэтому на сегодняшний день можно говорить лишь о частичной регенерации теплоты ОГ дизеля на основе рассматриваемого способа. Условия максимально возможной степени регенерации выполняются, если состав продуктов конверсии соответствует условиям термодинамического равновесия (полное завершение конверсионного процесса). Эти условия реализуются, когда эндотермический эффект реакции конверсии соответствует подводу эквивалентного количества теплоты в реакционное пространство термокаталитического реактора от внешнего источника - греющего теплоносителя, в роли которого в данном случае выступают ОГ двигателя. В реальных условиях при организации конверсионного процесса в выпускной системе дизеля теплоноситель (ОГ) должен располагать потенциально более высоким уровнем энергии. Эта энергия используется не только для компенсации эндотермического эффекта реакции конверсии, но и для организации вспомогательных этапов конверсионного процесса. Она необходима для предварительного нагревания исходного топлива до температуры кипения, его испарения, повышения температуры паров до уровня температуры диссоциации, а также для компенсации неизбежных тепловых потерь в окружающую среду через стенки реактора и подводящего трубопровода. Например, общие затраты тепловой энергии на организацию полностью завершенного процесса конверсии 1 кг метанола достигают 7000 кДж [3]. При этом на компенсацию эндотермического эффекта реакции конверсии спирта расходуется 60% от общих энергетических затрат. Значительная их часть (около 25%) расходуется на осуществление энергоемкого процесса парообразования (теплота испарения метанола равна 1100 кДж/кг). По результатам анализа теплового баланса конверсионного процесса установлено, что предельно возможная степень регенерации достигается при условии, когда располагаемая тепловая энергия QОГ греющего теплоносителя соответствует общим затратам энергии Qк, кДж/ч, необходимым для организации конверсионного процесса: Qк = QОГ , или , где Gм - часовой расход метанола через реактор, кг/ч; GОГ - часовой расход ОГ дизеля, кг/ч; 573 К (300 оС) - минимально допустимая температура на выходе из реактора по условию завершенности процесса конверсии метанола; СрОГ и ТОГ - изобарная теплоемкость и температура ОГ. Это выражение, определяющее параметры минимально допустимого уровня температурно-энергетического потенциала теплоносителя (GОГ, СрОГ, ТОГ) по условиям полного завершения конверсии, может быть положено в основу разработки алгоритма регулирования расхода метанола через реактор конверсии с учетом изменения режима работы дизеля: . (1) Отсюда видно, что для конкретно взятого дизеля часовой расход конвертированного метанола, а следовательно, и эффективность термохимического преобразования, возрастают с ростом нагрузочного и скоростного режимов работы двигателя вследствие повышения температуры ОГ и их расхода через реактор. При этом расход метанола через реактор конверсии должен оптимально варьироваться в соответствии с температурными и энергетическими возможностями теплоносителя (ОГ) для каждого конкретного режима работы двигателя по условию обеспечения полного завершения процесса конверсии. Следует отметить еще один интересный в научно-практическом смысле аспект применения термохимического метода регенерации. При соответствующей организации термохимического преобразования исходного топлива появляется уникальная возможность регенерации не только тепловой, но и химической составляющей энергии потока ОГ, которой располагают содержащиеся в них продукты неполного сгорания топлива (СО, СН и др.). Такая возможность может быть реализована путем экзотермического доокисления этих продуктов на катализаторе в дополнительной секции дожигания реактора конверсии (пат. РФ № 2175396; 2249807). Теплота, выделяющаяся при экзотермическом окислении этих продуктов, используется для повышения активности конверсионного процесса и увеличения количества конвертируемого метанола, что в целом способствует росту эффекта термохимической регенерации. Опытная апробация эффективности предложенного метода Исследования проводились на тракторном дизеле типа 4Ч 10,5/12 в лабораторных условиях на моторном стенде. Экспериментальная оценка влияния степени регенерации теплоты ОГ на повышение эффективности использования энергии альтернативного топлива осуществлялась на основе сравнения КПД дизеля, работающего с бортовым реактором конверсии метанола и без него. Термокаталитический реактор конверсии метанола устанавливался в выпускной системе дизеля в непосредственной близости от выпускного коллектора. Расход метанола через реактор конверсии варьировался в соответствии с температурными и энергетическими параметрами ОГ для каждого конкретного режима работы двигателя по условию обеспечения полного завершения процесса конверсии (зависимость (1)). Продукты конверсии (газовая водородсодержащая смесь) из реактора подавалась в рабочее пространство дизеля через впускной трубопровод вместе с воздушным зарядом, где они воспламенялись запальной порцией дизельного топлива. По данным экспериментальных исследований установлено, что на нагрузочных режимах, когда температура ОГ на входе в реактор превышает 300°С, производительность реактора достигает наивысшего уровня, обусловливая заметное повышение эффективность рабочего цикла. Так, на номинальном режиме работы регистрировалось повышение эффективного КПД дизеля на 8,5% по сравнению с его работой без реактора. Следует отметить, что повышение эффективности исследуемого дизеля, оснащенного реактором конверсии метанола, обусловлено совокупным влиянием двух факторов: эффектом термохимической регенерации теплоты ОГ и совершенствованием процесса сгорания вследствие реакционного влияния на этот процесс водорода, содержащегося в продуктах конверсии [4]. Для выявления доли влияния каждого фактора на зарегистрированное повышение эффективности двигателя проведено его испытание с использованием реактора конверсии метанола с автономным электрическим подогревателем, т.е. без регенерации тепловой энергии ОГ. Установлено, что энергосберегающий эффект (повышение эффективного КПД) для данного дизеля за счет термохимической регенерации теплоты ОГ составил 4,5%, а за счет совершенствования рабочего процесса - порядка 4%. Важно отметить, что благодаря присутствию водорода в составе конвертированного топлива повышение эффективного КПД дизеля сопровождалось улучшением его экологических качеств. В частности, на номинальном режиме содержание сажи в ОГ снизилось на 45%, оксидов азота - на 16%. Применение рассмотренного способа повышения эффективности использования энергии альтернативного топлива на основе регенерации тепловой энергии ОГ в дизелях представляется весьма перспективным. Благодаря технологической простоте его реализация не связана с серьезными финансовыми затратами. В качестве базового двигателя может быть использована любая серийная модель дизеля (в т.ч. и находящегося в эксплуатации). Основной элемент конверсионной системы - термокаталитический реактор - представляет собой простейшую конструкцию теплообменного аппарата, массовые и габаритные характеристики которого (в объеме обычного глушителя) обеспечивают удобство его установки в выпускной системе дизеля. Важным стимулом дальнейшего развития подобных систем служит то, что при их применении возможно совокупное совершенствование характеристик дизелей транспортно-технологических средств с.-х. назначения по комплексу показателей. Предлагаемый способ, направленный на повышение эффективности использования химической энергии топлива за счет снижения уровня необратимых потерь в цикле, позволяет в то же время решать задачи экологического совершенствования рабочего процесса двигателя благодаря тому, что в состав конвертированного топлива входит водород [4], а также задачи ресурсосбережения благодаря частичной замене топлив нефтяного происхождения альтернативным энергоносителем.