СОХРАНЕНИЕ КАЧЕСТВА БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЕГО

На правах рукописи

Левин Максим Юрьевич

СОХРАНЕНИЕ КАЧЕСТВА БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА

ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЕГО ХРАНЕНИЯ

05.20.01 – технологии и средства механизации сельского хозяйства

05.20.03 – технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

кандидата технических наук

Мичуринск – Наукоград РФ, 2012

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Нагорнов Станислав Александрович доктор технических наук, с.н.с. Зазуля Александр Николаевич

Официальные оппоненты:

Горшенин Василий Иванович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет»/ заведующий кафедрой «Тракторы и сельскохозяйственные машины» Коваленко Всеволод Павлович, заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор, «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»/ кафедра «Автомобильный транспорт», профессор

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса» (ФГБНУ «Росинформагротех»)

Защита состоится « 22 » марта 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО МичГАУ) по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, 101, корп. 1, зал заседаний диссертационных советов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МичГАУ.

Автореферат разослан « 20 » февраля 2012 г. и размещен на сайте ФГБОУ ВПО МичГАУ http://mgau.ru « 20» февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Н.В. Михеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современный этап развития АПК характеризуется всевозрастающим увеличением потребления нефтяного топлива, повышением мировых цен на нефтепродукты и ухудшением состояния окружающей среды, вызванным стремительным ростом количества автотракторной техники и раз­личных транспортных средств. Продолжающая дизелизация моторного парка обуславливает опережение производства и потребления дизельного топлива по сравнению с автомобильным бензином. Поэтому во всем мире наблюдается ста­бильное увеличение мирового спроса на дизельное топливо, которое неизбежно приведет к его дефициту. Перевод автотракторной техники на использование ди­зельного топлива с низким содержанием серы приводит к ухудшению его смазы­вающих свойств и выходу из строя дорогостоящей топливной аппаратуры. Устранить эти негативные факторы можно за счет применения биодизельного топлива. Однако по способности поглощать влагу из воздуха при хранении в резервуарах биодизельное топливо намного опережает нефтя­ное топливо. Поступление воды в резервуары неизбежно при существующих технологиях заполнения и отбора топлива (из-за больших и малых «дыханий» резервуара). В доступной литературе практически отсутствуют работы, посвя­щенные рассматриваемому направлению исследований. Поэтому разработка способов предупреждения обводненности топлива для дизельных двигателей при его хранении в стальных горизонтальных резервуарах является своевремен­ной и весьма актуальной научной задачей.

Исследования проводились в соответствии с планом НИР ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии по заданию 09.03.07.02 «Разработать технологию хранения биодизельного топлива» и областной целевой программой «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия Тамбовской области на 2008-2012 годы», утвержденной Законом Тамбовской области № 317-з от 5 декабря 2007 г.

Цель работы. Сохранение качества биодизельного топлива за счет совершенствования способа предупреждения его обводненности при хранении в стальных горизонтальных резервуарах.

Объект исследования. Технологический процесс хранения биодизельного топлива в стальном горизонтальном резервуаре.

Предмет исследования. Закономерности изменения обводненности биодизельного топлива при конденсации водяных паров из атмосферного воздуха, поступающего на вход в резервуар при его «дыханиях».

Методика исследования. При решении поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследований закрученных потоков в вихревых трубах. Теоретические исследования проводились на основе известных положений законов классической механики жидкости и газа, термодинамики, тепло- и массообмена, теории искусственных нейронных сетей, технического анализа, методов объектно-ориентированного проектирования, программирования, математического моделирования. Программная реализации разработанных алгоритмов и программных имитационных моделей выполнена на языке Pascal в среде разработки Borland Delphi 5.0. Экспериментальные исследования проводились для подтверждения обоснованности выбранных направлений исследований и построения оптимальной архитектуры нейронной сети. Достоверность полученных результатов исследования обусловлена применением современного исследовательского оборудования и приборов, методов регрессионного анализа, результатами испытаний.

На защиту выносится:

– разработанная экологически чистая система предупреждения обводненности топлива при его хранении в стальных горизонтальных резервуарах с использованием вихревых хладогенераторов;

– прогнозирование показателей качества биодизеля по технологическим параметрам исходного сырья с применением нейронных сетей;

– определение показателей качества биодизеля по технологическим параметрам рапсового масла для обучения нейронной сети;

– разработка алгоритма расчета теплообменного аппарата для конденсации влаги из атмосферного воздуха.

Научная новизна.

по специальности 05.20.01

Заключается в комплексном подходе к решению задачи сокращения энергозатрат при производстве биодизельного топлива и обеспечению экологической безопасности в сельскохозяйственном производстве, в результате которого разработаны:

- метод повышения надежности процесса и эффективности функционирования экологически чистой системы предупреждения обводенности топлива при его хранении в стальных горизонтальных резервуарах;

- архитектура нейронной сети для прогнозирования предела плотности, кинематической вязкости, содержания механических примесей в биодизеле по физико-химическим показателям исходного масла, обеспечивающая наименьшую ошибку;

по специальности 05.20.03

Заключается в комплексном подходе к решению задачи предупреждения снижения качества биодизельного топлива в процессе его получения и хранения, в результате которого разработаны:

- закономерности влияния давления и температуры входного потока вихревого хладогенератора на температуру холодного и горячего выходных потоков;

- алгоритм расчета теплообменного аппарата для конденсации паров воды из воздуха.

Практическая значимость работы.

по специальности 05.20.01

- разработана экологически чистая система предупреждения обводненности топлива при его хранении в стальных горизонтальных резервуарах с использованием вихревых хладогенераторов.

по специальности 05.20.03

- установлены критерии и правила выбора материала для теплообменника, способ оценки эффективности его оребрения, уравнения теплового и гидравлического расчетов;

- разработан алгоритм расчета теплообменного аппарата для конденсации влаги из атмосферного воздуха.

Реализация результатов исследования:

- в ООО «Агроинжиниринг»;

- в колхозном хозяйстве «Чара»;

- в ООО «Крупской»;

- используется кафедрой «Автомобильная и аграрная техника» ФГБОУ ВПО ТГТУ по направлению подготовки магистров по программам 110300.01 — Технологии и средства механизации сельского хозяй­ства и 190600 — Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов.

Апробация работы. Результаты работы были доложены, обсуждены и по­лучили положительную оценку на XVI Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования ресурсов при произ­водстве сельскохозяйственной продукции – новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства» (г. Тамбов, ГНУ ВНИИТиН, 2011); VII Международной научно-технической конферен­ции «Научные проблемы технического сервиса сельскохозяйственных машин» (г. Москва, ГНУ ГОСНИТИ, 2011); 1 Международной кон­ференции «Опыт внедрения и перспективы развития биоэнергетических проек­тов в АПК» (г. Москва, ВВЦ, 2011); VIII Международной научно-практической конференции «Актуальные научные разработки - 2012» (г. София, Болгария, 2012); VIII Международной научно-практической конференции «Современные научные достижения - 2012» (г. Прага, Чехия, 2012); Всероссийской выставке «Энергосбережение и энергоэффективность» (25-29 августа, г. Тамбов, 2010-2011); Российских агропромышленных выставках «Золотая осень» (г. Москва, ВВЦ, 2010-2011); на заседаниях Ученого совета ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии.

Публикации. По результатам выполненной работы опубликовано 15 печатных работ, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего 106 наименований, и приложений. Работа изложена на 167 страницах, содержит 15 таблиц, 40 рисунков.

Содержание работы

Во введении приведена общая характеристика задачи, обоснована ее актуальность, обозначены цель и задачи исследования, изложены основные научные положения и результаты, которые выносятся на защиту.

В первой главе «Анализ состояния вопроса. Цель и задачи исследований» проанализировано современное представление о путях обводненности топлива при его хранении в стальных горизонтальных резервуарах, доказана необходимость изыскания методов прогнозирования показателей качества биодизельного топлива при его получении и хранении, приведен обзор работ по исследованиям вихревых течений.

Моторные топлива должны удовлетворять ряду требований, обеспечивающих экономичную и надежную работу двигателя. В последние годы на первый план выдвигаются экологические свойства. Однако экологически чистое топливо поглощает большее количество воды из воздуха (при больших и малых «дыханиях» резервуаров), вызывая опасность накопления электростатических зарядов из-за его склонности к повышенной обводненности, и имеет низкие смазывающие свойства, повысить которые можно при использовании биодизельных топлив, производимых из возобновляемого сырья. Строение молекул компонентов биодизельного топлива отличается от строения углеводородов нефтяных топлив, что приводит к различию их свойств, в том числе к повышенной способности поглощать воду. Вода существенно ухудшает качество любого топлива. В присутствии воды в топливе повышается его коррозионная активность, ухудшаются низкотемпературные и противоизносные свойства, вязкость, прокачиваемость, фильтруемость, процессы смесеобразования, т.е. в конечном итоге снижается теплота сгорания и КПД двигателя.

Основная роль в процессе ухудшения качества топлива для дизелей и за­грязнения окружающей среды принадлежит стальным наземным горизонталь­ным резервуарам – самым распространенным средствам хранения топлив­но- смазочных материалов. При «вдохе» в резервуар поступает влажный воздух. Влага конденсируется на холодных стенках резервуара, вызывая обводненность топлива. Установлено, что обводненность топлива, в большей степени, обуслов­лена поглощением влаги из воздуха, а не вследствие контакта топлива с подто­варной водой. Для использования кондиционного топлива следует исполь­зовать средства, предотвращающие попадание влаги в резер­вуар из атмосферно­го воздуха. Однако такой важной проблеме в литературе практически не уделено должного внимания. Многочисленные исследования посвящены только очистке топлива от воды в основном за счет использования фильтров различных конструкций или сепараторов.

На основании выполненного анализа литературных и патентных источников и в соответствии с поставленной целью сформулированы задачи исследований:

– разработать способ предупреждения обводнения топлива при его хранении в стальных горизонтальных резервуарах с использованием вихревых хладогенераторов;

– разработать математическую модель процессов, протекающих в системе предупреждения обводнения;

– разработать методику прогнозирования показателей качества биодизеля по технологическим параметрам исходного сырья с применением нейронных сетей;

– разработать методику инженерного расчета эффективного теплообмен­ника для конденсации паров влаги.

Во втором разделе «Теоретические предпосылки процесса предупреждения обводнения топлива при его хранении в стальных горизонтальных резервуарах» представлено научное обоснование процесса конденсации паров воды с применением вихревых генераторов холода и теплообменного аппарата.

Обзор математических моделей вихревого эффекта, предложенных различными авторами в период 1971-2009 гг., показал, что существующие модели недостаточно полно отражают картину вихревого эффекта в связи с большим количеством допущений, что объясняется недостаточным развитием вычислительной техники для обработки больших массивов данных на момент составления моделей. С использованием современных пакетов прикладных программ вычислительной газодинамики имеется возможность создать модель с незначительными допущениями и повысить точность описания вихревого эффекта для практической реализации.

Для составления системы уравнений математической модели описаны особенности моделирования турбулентных течений, произведен обоснованный выбор уравнений математической модели.

В существующих моделях вихревых течений для описания состояния газа многие авторы используют уравнение идеального газа Менделеева-Клапейрона. Такое допущение корректно лишь для узкого диапазона параметров течения газа в вихревой трубе и для однокомпонентных газов. При низких значениях давления и температуры проявляются критические свойства реальных газов, и уравнение состояния идеального газа дает погрешность до 80%.

Для адекватного описания термодинамических характеристик воздуха во всех диапазонах работы вихревых труб с учетом многокомпонентности воздуха целесообразно применять уравнение состояния в форме Редлиха-Квонга

p = (1)

a = (2)

b = (3)

Сравнительные исследования показали, что в рассматриваемом диапазоне параметров потока уравнение состояния идеального газа дает погрешность до 30%.

Исходя из уравнений Редлиха-Квонга: , определено, что данное уравнение справедливо для всего диапазона рассматриваемых параметров потока p 3,0 МПа; T принадлежит (-70… +100) C.

Основные уравнения математической модели термогазодинамических процессов вихревой трубы в интегрально-дифференциальном имеют вид

, (4)

, (5)

, (6)

, (7)

, (8)

p = . (9)

Модель подразумевает квазистационарность течения. Допущения: стенки проточной части абсолютно гладкие; теплообмен с окружающей средой отсутствует (стенки проточной части адиабатичные).

Решения составленной системы уравнений получены в пакете FlowVision, для фиксированной геометрии вихревой трубы при различных соотношениях площадей выходных отверстий и различных значениях газодинамических параметров.

Граничные условия:

- Скорость потока на стенке нулевая:

u|s = 0 (10)

- Массовый расход во входном сечении:

u|s = sun (11)

- Полное давление и полная температура окружающей среды на выходе p*вых, T*вых (12)

, (13)

(14)

Рабочее тело задано как сжимаемая жидкость с физическими характеристиками, соответствующими характеристикам воздуха. Результаты расчета представлены в виде полей параметров, радиальных эпюр траекторий движения частиц потока и различных графических зависимостей.

Разработана физико-математическая модель процесса конденсации водяного пара. Установлено, что динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации при повышении температуры происходит при более высоких концентрациях молекул пара. Выявлено, что давление  насыщенного пара p0 данного вещества зависит только от его температуры и не зависит от объема. При повышении температуры давление насыщенного пара и его плотность возрастают, а плотность жидкости уменьшается из-за теплового расширения. При температуре, равной критической температуре Tкр для данного вещества, плотности пара и жидкости становятся одинаковыми. При T > Tкр исчезают физические различия между жидкостью и ее насыщенным паром. Точка росы – это конкретная температура воздуха, при которой начинается процесс конденсации водяного пара, достигшего состояния максимального насыщения, причем она зависит от величины давления.

Значения температуры точки росы при известном парциальном давлении можно с достаточной для инженерных расчетов точностью, вычислить по формулам

при температуре от 0 до -60 °С

tр =  (15)                                           

при температуре от 0 до 87 °С

tр =   (16)                                          

где tр - температура точки росы, °С;

Pн - парциальное давление насыщенного водяного пара, кПа.

В третьем разделе «Методика экспериментальных исследований» изложены основные этапы и методики проведения экспериментов, рассмотрены установки, специальные измерительные приборы и оборудование.