Модификация физических свойств углеводородного топлива

Углеводородное топливо, его виды и назначение

Содержание:

Предмет: Химия
Тип работы: Реферат
Язык: Русский
Дата добавления: 01.08.2019
  • Данный тип работы не является научным трудом, не является готовой работой!
  • Данный тип работы представляет собой готовый результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала для самостоятельной подготовки учебной работы.

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

По этой ссылке вы сможете найти рефераты по химии на любые темы и посмотреть как они написаны:

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

Введение:

Углеводородное топливо — это горючее вещество, состоящее из смеси углеводородов — соединения углерода и водорода. Углеводородное топливо включает жидкое нефтяное топливо и горючие газы.

Классические углеводородные топлива получают из сырой нефти и природного газа, месторождения которых, как правило, расположены рядом друг с другом.

Основным назначением углеводородного топлива является его использование в двигателях внутреннего сгорания, ракетных и авиационных двигателях.

Авиационное топливо состоит из 96-99% углеводородов. Массовая теплотворная способность углеводородного топлива зависит от процентного содержания водорода — чем больше водорода содержит углеводородное топливо, тем выше его теплотворная способность. Метан имеет самую высокую теплотворную способность из углеводородных горючих газов — 50 МДж/кг, так как он содержит наибольшее количество водорода 25%. Для сравнения, теплотворная способность реактивного топлива колеблется около 43 МДж/кг.

Состав углеводородного топлива

Авиационное топливо может состоять из парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов:

  • Парафиновые углеводороды содержат 15-16% водорода,
  • Нафтеновые углеводороды — 14%,
  • Ароматические углеводороды — 9-12,5%

Детонация в двигателе зависит от углеводородного состава топлива. Топливо, содержащее парафиновые углеводороды, легко окисляется под воздействием высокой температуры и кислорода, образуя пероксиды, что приводит к детонации даже при низкой степени сжатия. Топливо, состоящее из ароматических углеводородов, имеет более высокую детонационную стойкость, поскольку образование пероксидов происходит очень медленно при окислении такого топлива. По этой причине ароматические топлива используются в двигателях с высокой степенью сжатия.

Состав углеводородного топлива очень важен для подбора топлива в двигателях реактивной техники, поскольку правильный выбор топлива напрямую влияет на эксплуатационные свойства таких двигателей.

Жидкое углеводородное топливо

Жидкое углеводородное топливо имеет сложный состав, включает в себя большое количество отдельных углеводородов. Интересно, что такое топливо не имеет определенной точки кипения. Процесс кипения происходит в определенном температурном диапазоне.

Углеводородное топливо является достаточно гигроскопичным, поглощая воду из воздуха и растворяя ее. Степень растворимости атмосферной воды в углеводородном топливе зависит от температуры и химического состава топлива. Бензол обладает высочайшей гигроскопичностью.

Сжигание углеводородного топлива сопровождается выделением воды и углекислого газа. Отличительной особенностью такого топлива является его высокая теплотворная способность, которая зависит от содержания водорода в топливе. Только водород, бериллий и бор имеют более высокую теплотворную способность, чем углеводородное топливо. Однако с точки зрения эксплуатационных свойств углеводородное топливо будет давать «сто баллов» впереди этих химических элементов.

Углеводородное топливо сгорает очень быстро и почти полностью, обеспечивая двигатель высокой плотностью теплового заряда за очень короткий период времени. Благодаря этим свойствам топливо нашло такое широкое применение в двигателях различных конструкций.

Сжиженное нефтяное топливо

Углеводородное топливо, которое транспортируется в жидкой форме, но используется в газообразной форме, называется сжиженным топливом. Сжиженное нефтяное топливо широко используется в населенных пунктах, где нет централизованной сети газоснабжения.

В качестве сжиженного углеводородного топлива обычно используется метан, который сжижается при охлаждении до -160 ° C. При такой низкой температуре метан превращается в жидкость, которая не имеет ни цвета, ни запаха. Плотность сжиженного метана составляет 0,4-0,5 кг/л примерно в два раза легче воды. Очень важно, чтобы сжиженный природный газ (СПГ) не воспламенялся и не взрывался, поэтому его безопасно транспортировать. При нормальной температуре СПГ снова возвращается в газообразное состояние.

В конце прошлого века появились первые проекты по использованию СПГ в качестве моторного топлива в двигателях внутреннего сгорания в водном, железнодорожном и автомобильном транспорте.

В настоящее время СПГ производится в специализированных отраслях. Сжиженный природный газ уменьшается в объеме в 600 раз. Процесс сжижения происходит ступенчато, на каждой стадии газ сжимается 5-12 раз, после чего он охлаждается и направляется на следующую стадию. Следует признать, что процесс сжижения требует довольно больших затрат энергии, что составляет около четверти всей энергии, содержащейся в сжиженном газе.

Установки по сжижению природного газа обычно расположены в непосредственной близости от зоны добычи природного газа. Сжиженный природный газ хранится в огромных сосудах Дьюара, называемых криоцистернами. СПГ транспортируется на специальных морских газовозах и специальных транспортных средствах.

Если длина классического газопровода превышает несколько тысяч километров, с экономической точки зрения транспортировка газа на такие большие расстояния более выгодна в сжиженном виде.

Углеводородное топливо от солнца и водяного пара

Современная наука научилась делать настоящие «чудеса». Несколько лет назад, в начале 2016 года, американские химики разработали оригинальный метод получения углеводородного топлива с использованием водяного пара и солнечного света в атмосфере углекислого газа.

Ранее существовавшая технология получения топлива из парниковых газов при солнечном свете была очень громоздкой, требовала дорогих катализаторов, а эффективность такого топлива составляла всего 1-2% от затрачиваемой солнечной энергии. Американцам удалось найти менее дорогой путь. Они изобрели проточный химический реактор, в котором углекислый газ и водяной пар смешивались под давлением и с участием концентрированного солнечного света. В качестве катализатора процесса использовали относительно дешевый титановый белый. Авторы изобретения полагают, что в ближайшем будущем их улучшенный способ может быть использован в коммерческих целях. Производство такого синтетического углеводородного топлива будет конкурентоспособным даже при низких ценах на нефть.

Физико-химические свойства природных газов

Перегонка нефти. Упоминание о нефти в трудах древних историков и географов. Однако для большинства видов топлива, используемых в быту и в промышленности, необходим кислород для сжигания, и такие топлива также можно назвать горючими. Наиболее распространенными горючими материалами являются органические топлива, которые содержат углерод и водород.

Ископаемое топливо является основным источником углеродного топлива, его видов и целей абстрактного для современного общества. С этим связаны такие глобальные проблемы современной цивилизации, как истощение невозобновляемых энергетических ресурсов, загрязнение окружающей среды и глобальное потепление. Концепция топлива возникла из-за способности определенных веществ гореть при выделении тепла. В большинстве случаев сгорание представляет собой химическую реакцию окисления, в то время как для таких видов топлива, как, например, древесные дрова или бензин, кислород часто является окислителем.

Другие вещества, такие как жидкий кислород, также могут быть использованы в качестве окислителя в специальных устройствах, например, ракетных двигателях. Для преобразования тепловой энергии топлива в кинетическую используются различные типы тепловых двигателей. Бытовое отопительное масло предназначено для сжигания в маломощных отопительных установках, расположенных непосредственно в жилых помещениях, а также в теплогенераторах среднего размера, используемых в сельском хозяйстве для приготовления кормов, сушки зерна, фруктов, консервирования и других целей.

Нефть, ее производство, авиация и дизельное топливо. Типы присадок к моторным топливам. Добавки к дизельному топливу.

Температура начала образования ассоциатов увеличивается с увеличением молекулярной массы углеводородов:

  • Действительно, в процессе сгорания как этих, так и других видов топлива образуются в основном углекислый газ, вода и несколько примесей, многие из которых вредны: окись углерода, оксиды азота, углеводороды и т. д.
  • Фракция газойля удаляется из середины, а тяжелая нефть — из нижней части колонны.
  • Способ термической обработки органического сырья и устройство для его осуществления.
  • Более высокая теплотворная способность некоторых элементов.

Заключение

Особенности реакционной способности гетероароматических соединений определяются распределением электронной плотности в цикле, которое, в свою очередь, зависит от типов гетероатомов и их электроотрицательности.

Технические масла. Проблемы экологической безопасности: когда технические масла попадают в воду, на поверхности образуется стабильная пленка, потому что масла имеют плотность ниже плотности воды, нерастворимы в ней и химически устойчивы к насыщению водой кислородом при аэрации, что приводит к гибели водных обитателей.

Попадание масла в землю также приводит к высыханию растений, например, давно известны его популярные формы уничтожения нежелательных деревьев — полива последних использованным моторным маслом от дождевых червей и других организмов. Таким образом, сильное токсическое воздействие масел на природу в сочетании с их широким использованием создает острую проблему утилизации и переработки технических масел, а также углеродных топлив при строгом соблюдении правил их эксплуатации и транспортировки.

Здесь следует отметить переработку и использование технических масел, которые сейчас существуют. Прежде всего, необходимо упомянуть регенерацию и вторичное использование трансформаторных масел, учитывая, что парк трансформаторов довольно большой.

В качестве топлива используются отработанные моторные масла — для этого ряд компаний выпускают специальные печи. Как правило, этот термин относится к жидкому топливу, полученному из твердого топлива или газообразного топлива.

Однако стоит отметить тот факт, что масла и жидкие топлива, полученные пиролизом угля, не подходят для использования в двигателях внутреннего сгорания, поскольку они содержат много примесей.

Присылайте задания в любое время дня и ночи в whatsapp.

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназачен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Углеводородное топливо: почему оно так популярно в России?

Углеводородное топливо – это горючее вещество, состав которого представлен соединениями углерода и водорода. Его получают из сырой нефти и природного газа. Месторождения, обычно, располагаются рядом друг с другом.

Особо ценится за свойство моментального сгорания, причем, почти в полном объеме, за счет чего высвобождается высокоплотный тепловой заряд.

Физические свойства и виды

Как мы упомянули, углеводородное топливо состоит из смеси углеводородов.

К его разновидностям относят:

  • Жидкое нефтяное топливо;
  • Горючие природные газы;
  • Уголь;
  • Горючие сланцы и торф.

Простыми словами – это нефть (из которой получают бензин и солярку), уголь (бурый, каменный, графит) и газ (бутан, пропан, метан, этан и их природные смеси).

От процентного соотношения главных компонентов в составе зависит детонация в двигателе. Например, парафиновые углеводороды (15-16% водорода) очень быстро окисляются, а потому детонируют при низкой степени сжатия. А ароматические (до 12% водорода) более стойкие, поэтому используются в движках с высоким уровнем сжатия. Проще говоря, чем выше процент содержания водорода, тем больше теплота сгорания. Лидером в этом вопросе является горючий газ метан, в котором указанный элемент представляет четверть всей смеси.

Между тем, важно определить и использовать правильный состав, чтобы не ухудшить эксплуатационные свойства конкретного двигателя.

Углеводородное топливо обладает высокой гигроскопичностью, поглощая и растворяя воду из воздуха.

Читайте также  Клеммы для соединения проводов в распределительной коробке

Вспомним два основных вида углеводородного топлива: жидкое и газообразное. Интересным фактом является отсутствие конкретной температуры кипения жидкого состава, выделяют лишь диапазон, в пределах которого данный процесс и протекает.

Отдельно отметим сжиженный природный газ – это газообразное углеводородное топливо, которое транспортируется в жидком виде (для этого его охлаждают до -160° С). В таком виде оно полностью теряет свои детонационные свойства: не воспламеняется, не взрывается. Вернувшись же к нормальной температуре, смесь снова становится газом.

Где применяется?

Главное назначение жидкого углеводородного топлива – применение в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания, а также в авиационных и ракетных двигательных системах.

Также, в населенных пунктах, где нет центрального газоснабжения, широко распространено использование сжиженного углеводородного топлива (СУГ) — метана.

Применение же угля охватывает самые разные сферы: металлургическая промышленность, химическая, энергетическая и др.

Ну что же, мы кратко рассказали про углеводородное топливо, его виды и основное назначение. Далее, давайте озвучим его плюсы и минусы в сравнении с другими источниками энергии.

Плюсы и минусы

Достоинства и недостатки углеводородного топлива сложно сравнивать, настолько они уравновешивают друг друга. Иными словами, у такого горючего минусов ровно столько, сколько плюсов. А потому, пока его дочиста не вычерпают из недр нашей Матушки Земли, никто от него не откажется.

  • Высокая температура сгорания, мощная теплоотдача;
  • Экономичность применения;
  • Добыча приносит гигантскую прибыль. Порой, от нее зависит экономическая мощь целого государства, уровень жизни его граждан;
  • Комплексность переработки (что только сегодня не производят из нефтепродуктов…);

  1. Это невозобновимый природный ресурс (на его повторное накопление в недрах требуется, по разным оценкам, от 50 до 350 млн. лет);
  2. В процессе сгорания выделяется огромное количество углекислого газа, оксидов азота и других вредных компонентов. Все это вредит атмосфере, загрязняет воздух, является главной причиной назревающего парникового эффекта с непредсказуемыми последствиями;
  3. Ненужные продукты переработки углеводородного топлива (например, технические масла) губительно влияют на природу и живых существ в воде и воздухе. Токсическое воздействие является главным негативным фактором использования данных энергетических ресурсов.

Итак, десятки миллионов лет останки микроорганизмов зрели в недрах планеты. Без доступа кислорода органические вещества подвергались биохимическим реакциям. В результате, часть перешла в жидкое состояние, часть в газообразное, другая – в твердое. Сегодня углеводородное сырье (нефть, газ и уголь) является важнейшим элементом хозяйственной деятельности любой страны. Однако, сколько веревочке не виться – конец близок. Застанем ли его мы? Поживем, увидим!

Модификация физических свойств углеводородного топлива

Модифицировать молекулярное состояние углеводородного топлива, поляризацию атомов, возможно, воздействием электромагнитного поля и лазерным излучением. Воздействие электромагнитным полем приводит к направленному перестроению молекулярного состава, а действие импульсного лазерного излучения на молекулярный состав позволяет увеличить октановое число топлива, облегчить его воспламенение, при меньшем давлении в камере сгорания. Частичное расщепление молекул углеводорода на отдельные атомы снижает расход топлива, ведёт к более полному его сгоранию, значительному увеличению КПД двигателя. Затраты энергии на модификацию углеводородного топлива незначительны, при простоте схемного решения. Электронное устройство прошло защиту на Иркутской областной Научно – технической выставке в октябре 2010 года.

Введение

Источник питания излучающего лазерного диода, для снижения изменения длины волны излучения от температуры, в схеме, стабилизирован по току, с защитой от перегрева лазерного излучателя.

Электропитание схемы устройства модификации свойств топлива выполнено от источника тока аккумулятора автомобиля в 12 Вольт, при стационарном питании — от электросети переменного тока через дополнительный блок питания.

Устройство модификации физических свойств углеводородного топлива устанавливается на автомобиле в удобном месте. Электромагнитное воздействие на молекулярное состояние происходит через катушку L1 — электромагнитного излучения, установленную поверх пластмассового шланга подачи топлива от бензобака, лазерный излучатель HL2 крепится в металлической вставке лазерного световода и воздействует ультрафиолетовым излучением на углеводородное топливо, поступающее в карбюратор автомобиля. Оснащать лазер фокусирующей оптикой нет необходимости, естественный угол рассеивания оказывает достаточное влияние на молекулярное состояние углеводородных соединений.

В результате модификации физических свойств топлива снижен его расход в 6-8%, при более полном сгорании, уменьшена токсичность выхлопных газов и выход окиси углерода, улучшилось тяговое усилие и плавность хода автомобиля.

Параметры схемы:
Напряжение питания 12 Вольт.
Ток потребления до 500 мА.
Частота электромагнитной обработки 15кГц-30 кГц.
Мощность электромагнита 2,5 ватта
Частота лазерной обработки 15-30 кГц.
Мощность единичного импульса — 24 ватта
Форма сигнала — импульс прямоугольной формы.
Напряжение лазерного излучателя — 2 Вольта.
Ток лазерного излучателя – 200мА.
Диаметр луча лазера без фокусировки –5мм.
Мощность лазера 100-500 мвт.

В состав принципиальной схемы электронного устройства входит: управляемый генератор на мультивибраторе аналогового таймера DA1 с выходными импульсами прямоугольной формы; ключевой усилитель на полевом транзисторе VT1; стабилизатор тока — DA4 лазерный излучателя HL2, прецизионный аналог стабилитрона с регулируемым напряжением стабилизации DA2 и стабилизатор питания мультивибратора на аналоговой микросхеме DA3.

Генератор прямоугольных импульсов на таймере DA1 обеспечивает стабильную частоту импульсов.
В состав микросхемы мультивибратора входят два компаратора по входу 2DA1 — нижнего уровня и 6DA1 — верхнего уровня.

Внутренний усилитель таймера служит для повышения нагрузочной способности по выходу 3DA1. Проведение зарядно — разрядных циклов выполняет внутренний разрядный транзистор с открытым коллектором по входу 7 DA1.
Частота генерации задаётся внешней RC –цепью. Компараторы переключают внутренний триггер при достижении порогового напряжения на конденсаторе С2 в 1/3 и 2/3 Uп. Вывод таймера 4 DA1 – вход сброса, в схеме не используется.

Вывод 5DA1 — вывод контрольного напряжения, позволяет получить прямой доступ к точке делителя верхнего компаратора. В схеме используется для получения модификаций режима генерации прямоугольных импульсов, с целью стабилизации выходного напряжения. Вывод 7DA1 соединён с внутренним разрядным транзистором и используется для разряда внутренней ёмкости полевого транзистора VT1.

Для работы микросхемы в режиме автогенератора выводы 2 и 6 DA1 соединяются между собой и подключаются к конденсатору C2. Процесс заряд-разряда времязадающего конденсатора будут происходить циклически с одинаковым периодом заряда и разряда с формой «меандр». Период T1= T2 =0.693(R2+R3) C2.
Частота F = 1/ T1+T2 = 0,772 /(R2+R3)C2.

Питание на микросхему таймера DA1 подаётся на выводы 1 и 8 с аналогового стабилизатора DA3. Частота работы генератора таймера DA1 может изменяться переменным резистором R3 от 10000 до 35000 Герц.

Конденсатор C3 защищает микросхему таймера от помех по цепям управления.
В начальный момент напряжение на конденсаторе С2 близко к нулю. Напряжение на выходе 3DA1 максимальное, а при достижении напряжения на конденсаторе С2 в 2/3 Uп, переключается внутренним триггером в нулевой уровень.
Конденсатор С2 начинает разряжаться через цепь R2, R3, R6 и внутренний разрядный транзистор таймера DA1.

Полевой транзистор VT1 в анодной цепи питания лазерной сборки HL2 позволят в ключевом режиме подключать лазер на время, зависящее от номиналов времязарядной цепи R2, R3 и конденсатора C2.
Включение ключевого транзистора VT1 происходит по цепи R6C4, выключение через разрядный транзистор таймера — вывод 7DA1. Резистор R5 снижает бросок тока заряда внутренней ёмкости полевого транзистора, защищая его от пробоя — при незначительном удлинении времени положительного импульса.
Транзистор VT1 нагружен по цепи стока и истока. Это облегчает управление и стабилизацию работы схемы управления лазером.

В цепи стока установлена индуктивность L1 для электромагнитного воздействия на углеводородное топливо. Аналоговый стабилизатор тока DA4 ограничивает напряжение и ток лазера HL2 в заданных пределах, что положительно действует на качественные показатели.
Обмотка катушки L1 в цепи коллектора VT1, создавая импульсное электромагнитное поле, воздействует на молекулярное состояние углеводородного топлива, упорядочивая его структуру. Цепи состоящие из конденсатора С5, резистора R10 и диода VD2 устраняют выброс напряжения обратного тока, рекуперируя его в источник питания. Конденсатор С9 усиливает резонанс катушки L1 на средних частотах используемого диапазона преобразования свойств углеводородного топлива.

Прецизионный аналоговый стабилизатор DA2, подключенный через добавочный резистор R4 к выводу модификации схемы — 5DA1, используется для стабилизации мощности лазерного излучателя.

В состав микросхемы DA2 – параллельного стабилизатора, входит источник образцового напряжения, каскад усиления входного напряжения и ключевой транзистор. Для поддержания температуры источника излучения схемой реализована цепь отрицательной обратной связи с анода лазера на вход модификации таймера 5DA1.

В линейном режиме работы входное напряжение на вывод 1DA2 поступает с анода светодиода лазера и при превышении температуры лазера выше установленного значения, напряжение на входе 1DA2 возрастёт, чем понизит напряжение на выводе 5DA1.

Понижение напряжения на входе 5DA1- модификации верхнего компаратора таймера приведёт к повышению частоты генератора, без изменения скважности, и к снижению мощности на излучающем диоде лазера. Понижение напряжения на лазере приведёт к обратному процессу.

Резистор RT1 отслеживает повышение температуры лазера и снижает её по мере роста.

В принципиальной схеме возможна установка лазерного излучателя видимого или инфракрасного излучателя от проигрывателей лазерных дисков, световых диапазонов 405-780 нм. Встроенный в лазерную сборку приёмный светодиод в схеме не используется.

В схеме электронного устройства модификации углеводородного топлива имеется светодиодная индикация включения питания — HL1 и наличия импульсного тока на лазере — HL3.

Углеводородное топливо

Углеводородное топливо – это горючее вещество, состоящее из смеси углеводородов (соединений углерода и водорода). К углеводородному топливу относят жидкие нефтяные топлива и горючие газы.

Классическое углеводородное топливо получают из сырой нефти и природного газа, месторождения которых, как правило, находятся рядом друг с другом.

Основное назначение углеводородного топлива – применение в двигателях внутреннего сгорания, ракетных и самолетных двигателях.

Авиационное топливо состоит на 96-99% из углеводородов. От процентного содержания водорода зависит массовая теплота сгорания углеводородного топлива – чем больше водорода содержит углеводородное топливо, тем выше его теплота сгорания. Наибольшей теплотой сгорания из углеводородных горючих газов обладает метан – 50 МДж/кг, поскольку он больше всего содержит водорода (25%). Для сравнения, теплота сгорания реактивного топлива колеблется около значения в 43 МДж/кг.

Состав углеводородного топлива

Авиационные топлива могут состоять из парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов:

  • Парафиновые углеводороды содержат 15-16% водорода,
  • Нафтеновые углеводороды – 14%,
  • Ароматические углеводороды – 9-12,5%

От углеводородного состава топлива зависит возникновение детонации в двигателе. Топливо, содержащее парафиновые углеводороды, достаточно легко окисляется под воздействием высокой температуры и кислорода, образуя перекиси, что приводит к детонации уже при низкой степени сжатия. Топливо, состоящее из ароматических углеводородов, обладает более высокой детонационной стойкостью, поскольку при окислении такого топлива образование перекисей идет очень медленно. По этой причине ароматические топлива применяют в двигателях с высокой степенью сжатия.

Состав углеводородного топлива имеет очень важное значение для подбора топлив в двигателях реактивной техники, поскольку правильный выбор топлива напрямую влияет на эксплуатационные свойства таких двигателей.

Жидкое углеводородное топливо

Жидкое углеводородное топливо имеет сложный состав, включает большое количество индивидуальных углеводородов. Интересно, что такое топливо не имеет конкретной температуры кипения. Процесс кипения происходит в некотором интервале температур.

Углеводородное топливо является достаточно гигроскопичным, поглощая из воздуха воду и растворяя ее. Степень растворимости атмосферной воды в углеводородном топливе зависит от температуры и химического состава топлива. Наибольшей гигроскопичностью обладает бензол.

Читайте также  Теплоотвод для светодиодов

Горение углеводородного топлива сопровождается выделением воды и двуокиси углерода. Отличительной особенностью такого топлива является его высокая теплота сгорания, которая зависит от содержания водорода в топливе (см. выше). Только у водорода, бериллия и бора более высокая теплота сгорания, чем у углеводородного топлива. Однако, с точки зрения эксплуатационных свойств, углеводородное топливо даст «сто очков» вперед этим химическим элементам.

Углеводородное топливо сгорает очень быстро, и практически в полном объеме, давая двигателю тепловой заряд высокой плотности за очень короткий отрезок времени. Именно благодаря этим свойствам топливо нашло такое широкое применение в двигателях различных конструкций.

Сжиженное углеводородное топливо

Углеводородное топливо, которое транспортируется в жидком виде, но используется в газообразном, называется сжиженным. Сжиженное углеводородное топливо получило широкое применение в населенных пунктах, где нет централизованной сети подачи природного газа.

В качестве сжиженного углеводородного топлива, как правило, используется метан, который сжижается в процессе охлаждения до -160°C. При такой низкой температуре метан превращается в жидкость, не имеющую ни цвета, ни запаха. Плотность сжиженного метана составляет 0,4-0,5 кг/л (примерно в два раза легче воды). Очень важно, что сжиженный природный газ (СПГ) не воспламеняется и не взрывается, поэтому, его безопасно транспортировать. При нормальной температуре СПГ снова возвращается в газообразное состояние.

В конце минувшего столетия появились первые проекты по использованию СПГ в качестве моторного топлива в двигателях внутреннего сгорания на водном, железнодорожном и автомобильном транспорте.

В настоящее время СПГ получают на специализированных производствах. Сжиженный природный газ уменьшается в объеме в 600 раз. Процесс сжижения идет ступенчато, на каждом этапе газ сжимается в 5-12 раз, после чего охлаждается и отправляется на следующую ступень. Надо признать, что процесс сжижения требует довольно большого расхода энергии, которая составляет примерно четверть от всей энергии, которая содержится в сжиженном газе.

Производства по сжижению природного газа, как правило, располагаются в непосредственной близости с районом добычи природного газа. Сжиженный природный газ хранится в огромных сосудах Дьюара, которые называются криоцистернами. Транспортируют СПГ на специальных морских судах-газовозах, и специальных автомобилях.

Если длина классического газопровода превышает несколько тысяч километров, с экономической точки зрения транспортировать газ на такие большие расстояния выгоднее в сжиженном виде.

Углеводородное топливо из солнца и водяного пара

Современная наука научилась делать настоящие «чудеса». Несколько лет назад, в начале 2016 года американские химики разработали оригинальный метод, при помощи которого получили углеводородное топливо, используя водяной пар и солнечный свет в среде углекислого газа.

Существовавшая ранее технология получения топлива из парниковых газов на солнечном свете была очень громоздкой, требовала дорогих катализаторов, а КПД такого топлива составлял всего 1-2% от затраченной солнечной энергии. Американцам удалось найти менее затратный способ. Ими был изобретен проточный химический реактор, в котором под давлением и при участии концентрированного солнечного света смешивались углекислый газ и водяной пар. В качестве катализатора процесса использовались относительно дешевые титановые белила. Авторы изобретения считают, что в ближайшем будущем их доработанный метод можно будет использовать в коммерческих целях. Производство такого синтетического углеводородного топлива будет конкурентоспособно даже в условиях низкой стоимости нефти.

Физико-химические свойства топлив.

Эксплуатационные свойства топлив оценивают показатели, характеризующие процессы подачи, смесеобразования, сгорания, а также способность вызывать нагарообразование и износ в дизелях. Основные из этих показателей регламентируют ГОСТы на топлива.

Плотность топлива — это отношение плотности топлива при 20° С к плотности дистиллированной воды при 4° С. В эксплуатационных условиях плотность должна учитываться в следующих случаях:

а) при бункеровке для определения массы остатка топлива в цистерне, весовой вместимости цистерны, массы принятого в цистерну топлива.

б) при подборе регулировочной шайбы в сепараторе;

в) при замене рекомендованной для данного двигателя марки топлива другой, так как плотность (удельный вес) влияет на дальнобойность топливного факела и ее изменение может отрицательно повлиять на условия смесеобразования и сгорания.

Плотность различных видов топлив при температуре 15 оС (60 оF), кг/м3, равна:

— морской газойль — 820—880;

— морское дизельное — 840—920;

— остаточное — 930—1 030.

Вязкость — это свойство, определяющее внутреннее трение между частицами жидкости при их перемещении относительно друг друга. Для оценки величины относительной силы трения в жидкости используют динамические, кинематические или условные единицы вязкости.

За единицу динамической вязкости принят пуаз (П), т. е. сила сопротивления, возникающая при относительном перемещении слоев жидкости со скоростью 1 см/с, когда площадь каждого слоя 1 см 2 и расстояния между ними 1 см.

За единицу кинематической вязкости принят Стокс (0,01Ст-1 сСт) — отношение динамической вязкости жидкости к ее плотности при той же температуре.

За единицу условной вязкости принят градус условной вязкости (° ВУ) или градус Энглера (°Е). Вязкость нефтепродуктов в ° ВУ для данной температуры равна отношению времени истечения 200 мл нефтепродукта через калиброванное отверстие стандартного вискозиметра ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды из того же вискозиметра при 20° С.

В США, Англии и некоторых других странах вязкость измеряется в секундах Редвуда (с R) или Сейболта (SU). При этом вязкость для данной температуры определяется временем истечения 50 мл нефтепродукта (по Редвуду) или 60 мл нефтепродуктов (по Сейболту) из вискозиметра.

В эксплуатационных условиях вязкость является определяющим фактором при: перекачке топлива насосами; сепарации; работе топливных насосов (оказывает влияния на закон подачи и на условия смазки плунжерных пар); впрыске и смесеобразовании (от нее зависит тонкость и однородность распыла).

Фракционный состав—это характеристика склонности топлива к испарению при повышении температуры. Склонность топлива к испарению при нагревании очень важна при запуске холодного двигателя, когда низкие температурные пределы выкипания значительно усложняют пуск. Испаряемость топлива во многом определяет период (время) задержки самовоспламенения топлива, поданного в цилиндр двигателя. Фракционный состав дизельного топлива должен обеспечить выкипание не менее 90% топлива при температуре ниже 350°С, а полное испарение—при температуре 400° С.

В малооборотных дизелях на процесс смесеобразования отводится больше времени, поэтому влияние испаряемости на эффективность сгорания менее заметно.

Воспламеняемость это склонность топлива к самовоспламенению при повышении температуры. Воспламеняемость зависит от температуры самовоспламенения, периода задержки воспламенения, группового и химического состава топлива.

Для характеристики воспламеняемости принято цетановое число, т. е. процентное содержание цетана (С1бНз4) в такой его смеси с a-метил нафталином (С11 Н10), которая имеет тот же период задержки воспламенения, что и испытуемое топливо.

Топливо, имеющее высокое цетановое число, обладает более коротким периодом задержки воспламенения. Цетановое число оказывает существенное влияние на пусковые качества топлива, жесткость работы двигателя, его экономичность.

Температура помутнения — характеризуется началом кристаллизации парафина, растворенного в топливе,

Температура застывания — это температура, при которой топливо теряет свою текучесть, т. е. будучи налитым, в стандартную пробирку, остается неподвижным в течение 1 мин после наклона пробирки под углом 45°.Застывание топлива связано с кристаллизацией растворенного в нем парафина.

Температура вспышки — это температура, при которой пары топлива вспыхивают в случае поднесения открытого пламени. Она зависит от количества легких фракций в топливе.

В эксплуатации температура вспышки имеет значение как величина, определяющая степень пожарной опасности топлива. Минимальное значение температуры вспышки для топлив, используемых в судовых дизелях, допускается не ниже 61° С.

Учитывают температуру вспышки при хранении топлива и выборе режима подогрева топлива в открытых емкостях.

Температура воспламенения—это температура, при которой топливо воспламеняется и горит не менее 5 сек. в случае поднесения к нему открытого пламени

Температура самовоспламенения—это температура, при которой топливо воспламеняется без воздействия постороннего источника тепла. Эта величина зависит от фракционного состава топлива и от давления воздуха, при повышении которого температура самовоспламенения понижается.

Температура самовоспламенения в эксплуатации является одним из факторов, учитываемых при выборе марки топлива.

Теплота сгорания разделяется на высшую и низшую. Высшая теплота сгорания — это общее количество тепла, выделившееся при сгорании 1 кг топлива. Низшая теплота сгорания — это количество тепла, выделившегося при сгорании 1 кг топлива, без учета тепла, израсходованного на испарение содержащейся в топливе воды.

В расчетах рабочих процессов двигателя используют низшую теплоту сгорания. Элементарный химический состав и теплота сгорания являются взаимосвязанными характеристиками.

Коксуемостьэто свойство топлива образовывать на деталях ЦПГ твердый углеродистый осадок (нагар) при нагреве без доступа воздуха. Коксуемость оценивается процентным содержанием кокса, получившегося в результате сгорания топлива. Однако при оценке склонности топлива к нагарообразованию следует учитывать, что не только коксуемость, но и наличие в топливе элементов, образующих смолы, способствуют отложению нагара.

Зольность— это величина твердого остатка, образовавшегося после сгорания топлива.

Зола представляет собой окислы металлов или соли, оставшиеся в топливе после переработки нефти в виде растворенных металлоорганических соединений, а также механические примеси, попавшие в топливо в результате нарушения правил его транспортировки и хранения.

Сера-является вредной примесью, так как ее соединения в определенных условиях способствуют коррозии деталей топливной аппаратуры, ЦПГ и газо-выпускного тракта, а также увеличению нагарообразования в цилиндрах и повышенному износу трущихся деталей.

Все продукты сгорания серы являются коррозионно-агрессивньши соединениями (содержащейся в топливе влаги, и соединения с ними окислов SOi и S0з получается сернистая H2SO3 и серная Н2S04 кислоты) и поэтому могут вызывать газовую и кислотную коррозию.

Под газовой коррозией понимают химическую коррозию, происходящую в зоне высоких температур (1000°С и более). Для уменьшения вредных влияний серы в двигателях используются специальные распылители ( с увеличеным диаметром распылителей и углом распыла топлива ).

Ванадий

Интенсивность газовой коррозии повышается при содержании в сернистых топливах соединений ванадия. Во время сгорания топлива ванадий окисляется и получается его пяти окись VzOs, которая, являясь коррозионно-активным соединением, способствует к тому же образованию окисла SOg. Но в дизелях поверхности деталей не нагреваются до температуры, при которой происходит интенсивная газовая коррозия.

Содержание механических примесей характеризует наличие в топливе механических частиц металла, глины, кокса и т. д. Эти включения попадают в топливо из нефти в процессе ее переработки, а также при транспортировке и хранении топ­лива.

Содержание воды в топливе (в процентах) обусловливается технологией переработки нефти. На содержание воды влияют условия хранения и подогрева топлива. Вода ухудшает условия работы топливной аппаратуры и способствует коррозии ее деталей, отрицательно влияет на режим горения и снижает теплоту сгорания топлива.

Хотя суда оборудованы соответствующими сепараторами и фильтрами, их правильная эксплуатация важна для получения удовлетворительных результатов.

Приложение 7 к техническому регламенту Таможенного союза

«О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и мазуту».

Требования к характеристикам судового топлива

Массовая доля серы, не более % 3,5 (по 31 декабря 2011 г.)

2 (по 31 декабря 2012 г.)

1,5 (с 1 января 2013 г.)

0,5 (с 1 января 2020 г.)

Температура вспышки в закрытом тигле, не ниже °C 61

Марки судового дизельного топлива.

Нефтеперерабатывающей промышленностью вырабатывается дизельное топливо по ГОСТ 305-82 трех марок:
Л — летнее, применяемое при температурах окружающего воздуха выше 0 °С;

Читайте также  Вольтметр с точностью 0,1 в

З — зимнее, применяемое при температурах до -20 °С (в этом случае зимнее дизельное топливо должно иметь заст

Переход на водород

Технологические решения для широкого использования самого эффективного топлива уже существуют

Водород — это самое энергоемкое и легкое вещество из всех видов топлива. Его производство не относится к инновациям — он производился миллионами тонн еще в советские времена, когда его использовали для производства аммиака для получения азотных удобрений.

Водород и сегодня используют для производства удобрений, повышения качества бензина, улучшения свойств стали, а также в пищевой промышленности для производства маргарина и твердых кондитерских жиров методом гидрогенизации растительных масел. Без него не обходятся все процессы гидроочистки, гидрообессеривания, гидрокрекинга, регенерации катализаторов. Его также широко применяют для охлаждения генераторов на электростанциях.

С тех пор как появилась перспектива перехода на водородную энергетику с углеводородной, потребность в водороде увеличилась на порядки. Сегодня эта перспектива стала реальностью, поскольку примерно десять лет назад была решена одна из основных проблем с его хранением для дальнейшего использования в качестве автомобильного топлива. Вместо тяжелых, дорогих и небезопасных стальных баллонов для сжатого под высоким давлением водорода стали применять легкие композитные емкости из углепластика, которые прекрасно помещаются в легковых автомобилях. Кроме того, стало возможным получать водород прямо по месту употребления. Появление таких технологий зажгло для водородной энергетики зеленый свет.

Около 20 лет назад во всем мире начали появляться автомобили на водороде, и бывшие выставочные центры пилотных моделей превратились в салоны-магазины серийных образцов. Количество автомобилей на водородном топливе сегодня исчисляется тысячами. Их стоимость составляет около $50–60 тыс. Серийные автомобили на водороде есть у Toyota, Hyundai, Honda. Предсерийные образцы тестируют Audi, Mercedes, BMW, Mazda, Ford и ряд других производителей. Все технические препятствия, столько десятилетий казавшиеся непреодолимыми, пройдены за считаные годы, и теперь вопрос только в экономической целесообразности для массового потребителя. В России такой автомобиль приобрел себе житель Красноярска, но в связи с отсутствием заправок в своем городе перевез машину в Москву и получает топливо в одном из научных институтов.

Как получить водород?

Для развития водородной энергетики нужно будет на государственном уровне решить вопрос, в каком виде доставлять водород к месту его получения. Дело в том, что водород содержится в очень многих видах ископаемых топлив.

«Наиболее дешевый водород получается методом паровой конверсии метана,— рассказывает заведующий отделом гетерогенного катализа Института катализа СО РАН Павел Снытников.— Другой способ — из аммиака. Для его транспортировки, как и для природного газа, в нашей стране даже существует трубопровод, так как аммиак сжижается всего при давлении 8,5 атмосферы. Третье решение — перевозка будущего водорода в виде метанола. В Китае метанол используют как автомобильное топливо. Но в России против метанола почему-то предубеждение, по-видимому, в связи с тем, что с давних пор у нас простой народ пил все, что горело, в том числе и метанол, и люди лишались зрения».

А вот получать его лучше всего там же, где будут потреблять, чтобы уйти от проблем транспортировки чистого водорода. Чтобы использовать водород, например, как автомобильное топливо, нужно закачать его в баллоны под давлением 700 атмосфер. Правда, на сжатие нужна дополнительная энергия. Не меньше энергии требуется на сжижение водорода, так что один из подходящих способов его транспортировки — это перевозка в химически связанном состоянии, например в виде метана, из которого водород должен производиться там же, где будет использоваться. То есть до заправки везут метан, а уже на самой заправке устанавливается небольшое производство, например, конвертер метана в водород. Но этот способ не очень хорош для экологии, поскольку на небольших производствах сложно обеспечить качественную очистку выбросов. Зато экономически он себя вполне оправдывает. Опыт Японии, Кореи и ряда других стран показал, что километр пробега на водороде выходит не дороже бензина. 4 кг водорода, закачанного в баллон, хватает примерно на 800 км пути обычного седана.

Получать водород можно практически из любого углеводородного топлива: из бензина, дизельного топлива или пропан-бутановых смесей. В Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН ведется работа по гранту РНФ по тематике получения водорода из дизельного топлива. Также разрабатываются методы получения водорода даже из органических носителей, например из бор-гидридов. Главные задачи на будущее развитие водородной энергетики — это не только получение водорода, но и его хранение. Жидкий водород можно хранить только при низких температурах, поэтому его использовали только в критически важных областях, например, как ракетное топливо.

Если отвлечься от автомобилей и обратить внимание на энергообеспечение более крупных стационарных объектов, например жилых или промышленных комплексов, то вся идеология водородной энергетики строится на ее связке с другими источниками энергии. Например, с возобновляемыми — гидро-, ветряными, солнечными электростанциями или с крупными атомными электростанциями. Производство такой энергии идет в одном режиме, а тратится потребителями она в другом, поэтому, когда есть излишки энергии, ее можно тратить на получение водорода даже из обычной воды методом электролиза.

Голубая мечта о зеленом водороде

Электролиз — это способ получения водорода из воды, который, к сожалению, требует больших энергозатрат, поэтому он оправдан только в тех случаях, когда вырабатываемую энергию необходимо запасти, пусть даже и с невысоким КПД. Лучше всего использовать для этого источники, где постоянно возникают достаточно большие излишки энергии. Емкости аккумуляторов для ее сохранения не хватает, кроме того, аккумуляторы быстро разряжаются, а полученный методом электролиза водород — это гарантированный запас энергии, можно сказать, воплощение мечты о чистой энергии, так называемом зеленом водороде. К сожалению, пока всего 2% общего объема водорода в мире производится методом электролиза. 75% водорода получают из природного газа и 25% — сжиганием угля. Цены топлива, полученного по этим технологиям, также несопоставимы: $1,7 за 1 кг водорода из природного газа и $5–10 за водород, полученный электролизом. Впрочем, стоимость зависит от источника энергии. Например, от энергии АЭС зеленый водород вдвое дешевле ($3–5), чем от возобновляемых источников энергии.

Основные организации в России, заинтересованные в получении водорода — это компании «Росатом» и «Газпром». Атомные электростанции нуждаются в сохранении избытка энергии в виде водорода и дальнейшего его использования. А добывающая компания хочет перерабатывать природный газ в водород, имея соответствующие установки непосредственно в местах использования, например на автомобильных заправках. Для решения проблемы транспортировки водорода можно переводить его в спирты — метанол, диметиловый эфир, чтобы получать из них водород, что называется, «по требованию» для дальнейшего использования на энергоустановках. Это химия получения водородсодержащих компонентов, и она достаточно хорошо освоена.

Как перестать сжигать топливо

Вообще, заявления о том, что водород — это экологически чистое топливо, не совсем справедливы. Из школьного курса химии мы помним, что после сжигания водорода получается вода. Но горит-то он в воздухе, где высокое содержание азота, и в результате реакции кислорода и азота при высоких температурах мы получаем те же токсичные оксиды азота, что и при сжигании бензина, только в меньшем объеме. Собственно, водород здесь ни при чем: любое высокотемпературное горение вызывает в воздухе реакцию взаимодействия кислорода и азота с образованием оксидов. По этой причине получать электричество с помощью сжигания любого топлива — это не самый экологичный способ. А тем более углеводородного, которое сгорает с выделением выбросов углекислого газа в атмосферу. Чтобы решить проблемы с выбросами в атмосферу, нужно прекратить сжигать топливо и снизить градус его потребления до комнатной температуры. В этом могут помочь топливные элементы.

Применение водорода в топливных элементах является самым экологичным. Разные топливные элементы используют водород при разных температурах и могут быть более или менее привередливы к его чистоте. Низкотемпературные топливные элементы работают на чистом водороде, а высокотемпературные вполне удовлетворяются синтез-газом. Топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое преобразует химическую энергию водорода в электрическую (процесс, обратный электролизу) с достаточно высоким КПД. Институт катализа СО РАН сотрудничает с российскими производителями топливных элементов — ГК «ИнЭнерджи» и Институтом проблем химической физики РАН, где были разработаны и созданы сверхлегкие топливные элементы для беспилотных летательных аппаратов. В настоящее время там ведутся разработки более крупных топливных элементов для автомобильных передвижных платформ. Рынок топливных элементов еще только формируется, поскольку область их применения постоянно растет. Появляются новые возможности в разработке — осваивается новый экономический сектор. Вопросы могут быть самые разные — например, обеспечение дальних трасс или камер видеонаблюдения источниками связи или возможность установки автономных вышек сотовой связи. Источники водородной энергии всегда работают как тандем «топливный элемент на водороде плюс аккумулятор». Аккумулятор способен сглаживать пиковые нагрузки, а топливный элемент обеспечивает длительную выработку электроэнергии.

Сегодня в мире на топливных элементах работают тысячи небольших энергоустановок. В США, Японии и некоторых странах Европы они уже около 30 лет снабжают водородной энергией небольшие частные поселки, большие и удаленные от города супермаркеты или промышленные объекты. В отличие от дизель-генераторов это намного более бесшумные системы, так что их широко используют как запасные источники энергии в случае сбоев в работе основного источника энергообеспечения.

Сколько стоит чистый воздух

В качестве грантового финансирования на развитие индустрии водородной энергетики некоторые страны ЕС ежегодно выделяют сотни миллионов евро, США — сотни миллионов долларов. Совокупные вложения Европы и США в эту отрасль исчисляются миллиардами. Сейчас многие компании во всем мире делают попытки использовать источники энергии на топливных элементах в самых разных областях. В ближайшие десятилетия может измениться сама концепция человеческого энергопотребления.

В России развитие топливных элементов исторически связано с космическими программами в середине ХХ века. Щелочные топливные элементы использовались во многих космических проектах, где требовались автономные энергоустановки.

В 2020 году правительство России утвердило энергетическую стратегию Российской Федерации на период до 2035 года и ключевые меры развития водородной энергетики. В этом же году был создан консорциум по водородной энергетике, куда вошли ведущие научные институты: Томский политехнический университет, Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет. В программе развития водородной энергетики РФ намечено создание водородных кластеров и пилотных проектов по производству и экспорту водорода. Планируется развитие первых коммерческих проектов производства водорода. Сегодня в РФ появляются отдельные пилотные проекты с использованием водородной энергетики, но до массового внедрения пока не дошло: скорее производители демонстрируют свою готовность к реализации подобных проектов в случае выделения финансирования со стороны, например, госкорпораций. Так, в конце 2019 года в Санкт-Петербурге был запущен трамвай на водородном топливе, а ОАО «Газпром» и ОАО «РЖД» в качестве пилотного проекта обсуждают возможность запуска поезда на Сахалине на топливных водородных элементах.

PDF-версия

  • 21
  • 22
  • 23