технология ПРИГОТОВЛЕНИЯ и использования БИОТОПЛИВНОЙ КОМПОЗИЦИИ на сельскохозяйственных

На правах рукописи

Доржеев Александр Александрович

технология ПРИГОТОВЛЕНИЯ и использования БИОТОПЛИВНОЙ КОМПОЗИЦИИ на сельскохозяйственных тракторах

Специальность 05.20.01 – Технологии и средства

механизации сельского хозяйства

автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Красноярск – 2011

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Красноярский государственный

аграрный университет»

Научный руководитель	доктор технических наук, профессор Селиванов Николай Иванович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Матюшев Василий Викторович кандидат технических наук, с.н.с. Горло Василий Васильевич
Ведущая организация	ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Защита состоится «21» апреля 2011 г. в 1400 на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 220.037.01 при ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 90.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан « 19 » марта 2011 г.

Автореферат размещен « 18 » марта 2011 г. на сайте http://kgau.ru

Ученый секретарь диссертационного совета

Бастрон А.В.

введение

Актуальность проблемы. Ограниченность запасов нефти с одновременным повышением цен на дизельное топливо, неблагоприятная экологическая обстановка при возрастающем энергопотреблении в аграрном производстве повысила актуальность работ, направленных на поиск и обоснование применения альтернативных топлив из возобновляемых источников.

Удовлетворение возрастающей потребности в дизельном топливе на современном этапе развития автотракторной техники может быть достигнуто вовлечением в баланс альтернативных топлив, полученных на основе растительных масел. Их применение в дизелях сельскохозяйственных тракторов позволяет: снизить потребление дизельного топлива при значительном уменьшении негативного влияния на окружающую среду; использовать существующий и перспективный парк машин без существенных конструктивных изменений; заложить основу создания энергоавтономного сельскохозяйственного производства.

Однако ограниченный объём и противоречивые результаты исследований в этой области не позволяют однозначно судить о влиянии биотопливной композиции (70% рапсового масла и 30% дизельного топлива) на энергетические, топливно-экономические, экологические и др. показатели, формирующие технический уровень с.-х. тракторов. Поэтому разработка научно обоснованной технологии обработки и применения рапсового масла в качестве основы биотопливной композиции для повышения технического уровня с.-х. тракторов представляет перспективное направление экономии топливно-энергетических ресурсов и приобретает в настоящее время особую актуальность.

Работа выполнена в соответствии с программой научного обеспечения АПК РФ и планом НИР КрасГАУ (проблема IX, задания 01 и 03 на 2006–2010 гг.)

Цель работы. Разработка технологии приготовления и использования биотопливной композиции на основе рапсового масла для улучшения энергетических, топливно-экономических, экологических и общетехнических показателей с.-х. тракторов.

Задачи исследования:

1. Обосновать структурную схему системы оценки эффективности технологии обработки и использования биотопливной композиции на основе рапсового масла в качестве альтернативного топлива на с.-х. тракторах.

2. Разработать математические модели и алгоритм обоснования технологических процессов приготовления и применения в тракторных дизелях биотопливной композиции на основе рапсового масла.

3. Обосновать по результатам моделирования эффективность и целесообразность предлагаемой технологии приготовления и использования моторного топлива на основе рапсового масла.

4. Разработать методику и провести экспериментальные исследования закономерностей процесса нейтрализации рапсового масла и взаимосвязей показателей технического уровня универсально-пропашных тракторов с характеристиками моторного топлива на его основе.

5. Дать экономическую оценку эффективности технологии производства и использования моторного топлива на основе рапсового масла при работе мобильных сельскохозяйственных агрегатов.

Объект исследования. Технология нейтрализации рапсового масла и процессы формирования показателей технического уровня с.-х. тракторов при использовании его в качестве основы моторного топлива.

Предмет исследования. Закономерности формирования и взаимосвязи энергетических, топливно-экономических, общетехнических и экологических показателей с.-х. тракторов с характеристиками и условиями применения моторного топлива на основе рапсового масла.

Методы исследования включали определение способов эффективного приготовления и использования моторного топлива на основе рапсового масла при работе с.-х. тракторов путём многоуровнего системного анализа, моделирования процессов и оптимизации оценочных показателей.

Научную новизну работы составляют:

– система оценки эффективности приготовления и использования биотопливных композиций на основе рапсового масла при работе с.-х. тракторов;

– способ производства моторного топлива на основе рапсового масла для тракторных дизелей (патент РФ № 2393209);

– результативные признаки эффективности технологии производства моторного топлива на основе рапсового масла в условиях АПК;

– результаты экспериментальной оценки технического уровня с.-х. тракторов при использовании биотопливных композиций на основе рапсового масла.

Практическую значимость диссертации представляют:

– технология обработки и использования рапсового масла в качестве основы моторного топлива на с.-х. тракторах;

– оценка технического уровня с.-х. тракторов при использовании биотопливных композиций на основе рапсового масла;

– методы адаптации серийных с.-х. тракторов для использования биотопливных композиций на основе рапсового масла.

Реализация результатов:

– рекомендации по обоснованию технологической линии производства смесевого топлива на основе рапсового масла приняты КРОЗ ГОСНИТИ для разработки опытных образцов оборудования;

– технология производства смесевого топлива на основе рапсового масла используется инженерно-технической службой АПК в ряде с.-х. предприятий Красноярского края;

– результаты исследований и рекомендации по обработке и использованию рапсового масла в качестве моторного топлива внедрены в учебный процесс КрасГАУ.

На защиту выносятся:

– технология приготовления и использования биотопливной композиции на основе рапсового масла на с.-х. тракторах;

– модели и методики формирования ресурсосберегающей технологии приготовления и использования моторного топлива на основе рапсового масла;

– оценки показателей технического уровня с.-х. тракторов при использовании биотопливных композиций на основе рапсового масла.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы доложены, обсуждены и одобрены в 2006–2010 гг. на международных (СибИМЭ, г. Новосибирск), всероссийских (МГАУ, г. Москва) и региональных (КрасГАУ, г. Красноярск) научно-практических конференциях, а также на III Красноярской общегородской научно-практической ассамблее в 2010 г.

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 19 работ, в том числе 5 – в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 155 страницах основного текста, включающего 44 рисунка, 35 таблиц, список литературы из 110 наименований. Приложения составляют 12 страниц.

Личный вклад. Результаты лабораторных и полевых исследований, представленные в диссертации, получены автором лично. Вклад автора в работы, выполненные в соавторстве, заключается в обсуждениях и постановке задач на этапах научной работы, в получении, анализе, оформлении и внедрении полученных результатов.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложена научная новизна и практическая значимость работы, приведены основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первом разделе «Состояние вопроса и задачи исследования» проведён анализ использования с.-х. тракторов, рассмотрены перспективные виды и способы получения альтернативных моторных топлив, их влияние на энергетические, экономические, экологические и общетехнические показатели автотракторных дизелей. Большой вклад в разработку технологий производства и использования биотопливных композиций на основе растительных масел в качестве моторного топлива для автотракторных дизелей внесли отечественные учёные А.Р. Аблаев, О.И. Жегалин, А.А. Школьный, Д.В. Бубнов, Н.В. Краснощёков, В.А. Марков, Р.М. Баширов, А.Ю. Измайлов, В.Ф. Федоренко Г.С. Савельев, Е.А. и др. В работах этих авторов преимущественно рассматривается производство и использование метиловых эфиров рапсового масла – биодизеля.

Однако отсутствует фактический материал по оценке комплексного показателя технического уровня с.-х. тракторов при использовании рапсового масла в качестве основы моторного топлива. Разработка технологий производства моторного топлива из растительных масел направлена на промышленное получение биодизеля и не отражает внутрихозяйственную применимость в АПК.

На основании выполненного анализа состояния вопроса и цели работы были сформулированы задачи исследования.

Во втором разделе «Моделирование технологии обработки и использования рапсового масла в качестве основы моторного топлива на сельскохозяйственных тракторах» обоснована структурная схема ресурсосберегающей технологии обработки и использования рапсового масла (РМ) в качестве моторного топлива на с.-х. тракторах.

Технологию производства и использования смесевого топлива (СТн) на основе рапсового масла по существу можно разделить на три взаимосвязанные и последовательно выполняемые процесса:

1) производство из семян растительного масла-сырца;

2) обработка масла-сырца для получения моторного топлива;

3) использование (сжигание) моторного топлива в цилиндрах тракторного дизеля при его работе.

Совершенство и эффективность указанных процессов с позиций ресурсосбережения определяют, в конечном итоге, энергетический потенциал, экологичность и стоимость моторного топлива, которые формируют потенциальные возможности трактора в составе МТА через показатели производительности и надёжности, затрат на выполнение технологического процесса и содержания вредных выбросов в отработавших газах (ОГ). Совокупность указанных показателей определяет технический уровень трактора.

Исходя из поставленной задачи по оценке эффективности технологии обработки рапсового масла, процесс формирования и взаимосвязь технологических показателей производства с характеристиками моторного топлива из семян рапса следует рассматривать как систему последовательных приёмов и совокупность технических средств, функционирующую в реальных производственных условиях и направленную на получение продуктов (рапсового масла и смесевого топлива) с наперёд заданными свойствами (рис. 1).

.

.

Рисунок 1 – Структурная схема технологии производства моторного топлива

на основе рапсового масла

Обоснование выбора биотопливной композиции и вариантов её использования производится по показателям ресурсосбережения, взаимозаменяемости с основным топливом, безотказности, экологичности и безопасности. Управляющие воздействия У04 по оценочным параметрам потенциальных возможностей топлива ПВСТ (Qн6, – теплотворная способность и С6 – цена биотоплива) принимаются на основе анализа информации и управляющих воздействий на предыдущих этапах У01, У02, У03. Первостепенной задачей в структурной схеме технологии производства моторного топлива на основе рапсового масла выступает обоснование потенциальных возможностей семян рапса (ПВСР), характеризующихся их изначальной массой М1, ценой С1 и качеством К1.

Процесс отжима на первом этапе характеризуется эффективностью прессования пр мах, т.е. энергоёмкостью и выходом масла М2, после чего ПВСР раскладываются на составляющие – потенциальные возможности РМ (ПВРМ) и потенциальные возможности жмыха (ПВЖ) с соответствующими показателями качества К2 и К3.

Повышению ПВРМ и смесевого топлива на его основе (ПВСТ) способствует улучшение качественных показателей К2 и К4 на стадии обработки и смешивания, зависящих от соответствующих КПД процессов н и cм. Весь цикл производства моторного топлива из семян рапса зависит от параметров окружающей среды В0, эффективности технологического оборудования Коб и управляющих воздействий на всех стадиях У01, У02, У03.

В конечную стоимость моторного топлива С6 входит энергоёмкость процессов прессования, нейтрализации и смешивания, а также цена семян С1 и дизельного топлива С7.

Эффективность технологии производства рапсового масла характеризуют внутреннее энергосодержание е и удельные затраты всех видов энергии на его получение Э. Их соотношение определяет энергетический доход Е и энергетическую эффективность Ээ, показатели которых являются критериями оптимизации технологии

(1)

Параметр оптимизации представляет выход М2 масла и побочных продуктов из семян рапса.

Показателями эффективности технологии обработки рапсового масла, включающей его нейтрализацию и смешивание с дизельным топливом, при соответствующих им критериях н мах и см мах, являются низшая теплотворная способность QнСТн и стоимость СТн смесевого топлива, которые выступают в качестве параметров оптимизации

(2)

где Хм, ХДТ=1-Хм – массовые доли в смесевом топливе нейтрализованного рапсового масла и дизельного топлива; СРМн и СДТ – стоимость нейтрализованного рапсового масла и дизельного топлива с учетом затрат на их смешивание.

Для технологии получения моторного топлива из семян рапса коэффициент энергетической эффективности ээ, определится из выражения

. (3)

Для снижения затрат и повышения качества оценки адаптации эксплуатационных параметров трактора к использованию альтернативного топлива предложена структура системы поэтапного формирования оценочных показателей режима рабочего хода с установленными критериями ресурсосбережения (рис. 2).

Входные воздействия системы представлены низшей теплотворной способностью Qн и стоимостью СТ выбранного топлива, характеристикой окружающей среды и конструктивными параметрами двигателя КДВ.

На первом этапе проводится оценка эффективности теплоиспользования в рабочем цикле двигателя.

Рисунок 2 – Структурная схема системной адаптации трактора к использованию альтернативного топлива

При работе на различных видах топлива с разными Qн подобная оценка возможна только на основе отношения индикаторного КПД к коэффициенту избытка воздуха i/, максимальное значение которого следует принять в качестве критерия энергосбережения. Сопряженные задачи этапа определяют значения вспомогательных величин, характеризующих в дальнейших расчетах индикаторную работу цикла.

. (4)

Параметром оптимизации (выходной величиной) этапа является среднее индикаторное давление , которое следует выбирать из условия

. (5)

На втором этапе оценивается топливная экономичность, экологичность и ресурс резиновых уплотнений (РТИ) топливной системы двигателя при изменении цикловой подачи qц, давления впрыскивания Рвпр и температуры топлива tТ. Оценка проводится на основании показателей удельного расхода топлива gе, дымности отработавших газов (К) и состояния уплотнений, экстремальные значения которых выступают критериями оптимизации.

Сопряженные задачи включают определение взаимосвязей . Параметрами оптимизации являются указанные качественные и количественные характеристики подачи топлива при ограничении qц.

. (6)

Третий этап предусматривает оценку энергетических Neэ и динамических Км показателей работы двигателя на альтернативном (смесевом) топливе с учетом оптимальной адаптации его скоростной характеристики. Критерий оптимизации определяется из условия .

Сопряженные задачи обеспечивают определение взаимосвязей режима работы двигателя с параметрами внешней нагрузки и регуляторной характеристики КМ и К.

Четвертый этап предусматривает обоснование скоростного режима работы трактора при адаптированном уровне мощности N*eэ, коэффициенте её использования и установленных ограничениях. Критерием оптимизации следует принять максимум тягового КПД трактора .

Пятый этап завершает решение задачи оптимизации эксплуатационных параметров трактора и оценку технического уровня при использовании смесевого топлива. Параметрами оптимизации являются обобщенный показатель технического уровня ПТ трактора и техническая производительность агрегата П. Критерий оптимальности соответствует минимуму удельных эксплуатационных затрат СП min. Математические модели представляют уравнения взаимосвязей показателей оптимизации с эксплуатационными параметрами, характеристиками, условиями и режимами работы трактора

(7)

Промежуточные задачи рассматривают модели взаимосвязи чистой производительности W, удельных энергетических Еп и топливных затрат с характеристикой К0 к сопротивления рабочей машины и скорости движения V* .

Значение средней скорости движения трактора с установленными массоэнергетическими параметрами (эффективной мощностью Nеэ, эксплуатационной массой mэ) при известных КПД трансмиссии тр, буксования и сопротивления качению f определится из выражения

(8)