Разница между сжиженным и сжатым газом. Сжатие и транспортировка газов. Компрессоры и вентиляторы
На один и тот же факт можно смотреть как минимум с трех точек зрения. Так на использование сжатого природного газа на транспорте в качестве топлива, можно сказать - это удел бедных и даже нищих, а можно сказать, что это выбор экономных и не привыкших сорить деньгами зря, а еще есть мнение, что метан - это топливо будущего и те кто сейчас переходит на него, просто идут в ногу со временем и оседлали волну близкого и перспективного мейнстрима. Как считать - выбор ваш!
Поиск альтернативных источников автомобильного топлива - проблема, которой в последние годы уделяется самое пристальное внимание. Рост цен на нефть энергоносители, ужесточение экологических требований, экономия горючесмазочных материалов - все это стало основной движущей силой в поиске альтернативных топлив для многих стран. В последнее десятилетие ХХ века в мировой экономике начала набирать силу третья волна популярности природного газа, используемого в качестве моторного топлива.
По прогнозам экспертов, эта волна достигнет апогея к концу первой четверти ХХI века.
Природный газ
Природный газ, более чем на 90 % состоящий из метана, сегодня доступен практически во всем мире. А что тогда говорить о России!
По мнению экспертов, на использование природного газа в меньшей степени влияют экономические кризисы, чего нельзя сказать о рынке нефти и нефтепродуктов. Метан, будь то ископаемый природный газ или биометан, может распределяться как через существующую сеть природного газа, так и через уже имеющуюся заправочную сеть. Правда, в некоторых странах, стоящих на пороге промышленной революции, вопрос с распределительными сетями пока не решен. Метан, необходимый для автомобильного транспорта, к потребителю может поставляться:
■ по международной газопроводной сети;
■ в виде сжиженного природного газа с помощью наливных судов, автомобильных или железнодорожных цистерн;
■ по местным трубопроводам низкого давления (биометан);
■ автомобильными цистернами (сжиженный биометан).
В настоящее время приняты международные стандарты и одобрены основные виды транспортных средств, пригодных для доставки метана, и в большинстве регионов уже есть сертифицированные поставщики комплектного газового оборудования для применения его в автомобилях.
Неоспоримые преимущества
Перевод автомобилей на природный газ не требует переделки двигателя и позволяет значительно улучшить экологию, так как снижается выброс токсичных веществ в атмосферу.
Так, выбросы оксида углерода уменьшаются в 5–10 раз, углеводородов - в 3 раза, оксидов азота - в 1,5–2,5 раза. Уровень шума работающего двигателя понижается в 2 раза. Работа двигателя на сжатом газе становится мягче, ни в одном режиме не происходит детонации, октановое число газа - 110. К тому же метан легче воздуха и при утечке сразу улетучивается, не создавая взрывоопасной смеси.
Использование газового топлива увеличивает срок службы двигателя и моторного масла в 2 раза, а свечей зажигания - на 40 %. При одинаковом расходе на 100 км пути стоимость газа в 2–3 раза ниже стоимости бензина или дизельного топлива, что сдерживает рост тарифов на транспортные услуги. Использование природного газа в качестве моторного топлива уменьшает зависимость транспорта от нефти и нефтепродуктов и высвобождает значительную их часть для применения в областях, где им нет альтернативы. Сразу заметим, что далее речь пойдет только о природном газе (метане: сжатом или сжиженном), а не о пропанбутановой смеси, широко применяемой в быту, а также применяемой на транспорте (т. н. сжиженный углеводородный газ).
Сжатый или сжиженный
Сжиженный природный газ (СПГ, англ. LNG - liquefied natural gas) получают при охлаждении природного газа метана до –162 °С. В жидком состоянии объем газа уменьшается в 600 раз, что позволяет в значительной степени увеличить эффективность его хранения и транспортировки. Сжиженный природный газ транспортируют так же, как и нефть, в специальных танкерах. В странах импортерах он хранится в резервуарах. В специальных терминалах СПГ разогревается, благодаря чему возвращается в газообразное состояние, и после этого за качивается в газотранспортную систему. Компримированный, или сжатый природный газ (КПГ англ. CNG - compressed natural gas) - это тот же метан, но находящийся в газообразном состоянии, под давлением до 20 МПа. Потребитель может сразу использовать этот газ для собственных нужд. Эксперты попрежнему продолжают спор о достоинствах и недостатках сжатого и сжиженного природного газа. Некоторые считают, что со временем, при создании необходимых условий, сжиженный природный газ вытеснит сжатый, однако другие так не думают. В таблице 1 приведена сравнительная характеристика сжиженного природного газа и компримированного, сжатого.
Видно, что КПГ не требует специальных транспортных устройств для доставки от производителя, однако при его применении необходимо использовать специальные баллоны, имеющие высокую стоимость и значительный вес. Что касается цены такого топлива, то в России стоимость кубометра компримированного газа устанавливается законодательно - в размере 50 % от стоимости литра бензина АИ76. По этой позиции КПГ значительно выигрывает у сжиженного углеводородного газа, для которого цену диктует рынок. Однако проигрывает по стоимости баллонов и оснастки.
СПГ за рубежом
Несмотря на все сложности, за рубежом параллельно с использованием КПГ расширяется применение в автотранспорте и сжиженного природного газа метана, особенно это показательно для США. Так, широкая сеть автозаправочных станций создана на югозападе США в штатах Калифорния, Аризона, Колорадо, Техас, Пенсильвания и других. Крупные автомобильные корпорации, такие как Mack, Ford, MAN уделяют этому вопросу самое серьезное внимание. В Европе производством автомобилей, работающих на сжиженном природном газе, занимаются такие компании, как MercedesBenz, MAN, BMW и др. Сжиженный газ как моторное топливо стал применяться в Бельгии, Финляндии, Германии, Нидерландах, Норвегии, Франции, Испании, Великобритании и других странах Европы.
КПГ в СНГ
На сегодня в России большее распространение в автотранспортной сфере получил КПГ, особенно для городского и коммунального транспорта. В последние годы предпринимаются попытки расширить применение данного вида топлива. К решению этой проблемы привлечены государственные организации и частные компании. Уже имеется многолетний опыт эксплуатации автомобильного газового оборудования, работающего на КПГ, особенно в структуре ОАО «Газпром».
В 2001 году Экономический совет СНГ предложил к реализации межгосударственную программу «Использование природного газа в качестве моторного топлива для автотранспортных средств на 2001–2005 годы», и отчасти благодаря ей в России, да и странах СНГ, наибольшее распространение получил именно КПГ (сжатый метан), а не сжиженный природный газ.
Баллоны для КПГ
Для замены одного литра дизельного топлива аналогичным количеством энергии, содержащимся в бензине, потребуется топливный бак, объем которого на 15 % больше. Если же использовать СПГ, то объем бака придется увеличить на 70 %, а при использовании компримированного природного газа (метана), который хранится при рабочем давлении в 200 бар (20 МПа), топливные баки должны занимать объем больший в 4,5 раза.
Поэтому применение компримированного природного газа во многом ограничивается наличием специальных баллонов. В отличие от остальных стран СГН в России этот вопрос решается достаточно успешно. Баллоны для метана, как правило, имеют цилиндрическую форму и условно подразделяются на четыре типа, включающие как баллоны, традиционно изготавливаемые из стали, так и облегченный вариант - баллоны с использованием полимерных композиционных материалов на основе стеклянных углеродных или органических волокон. Среди таких емкостей:
■ бесшовные стальные баллоны;
■ металлопластиковые баллоны (тип 1), состоящие из металлической толсто стенной оболочки (лейнера), несущей основную нагрузку, и внешней армирующей оболочки из полимерного композиционного материала;
■ металлопластиковые баллоны (тип 2) - тонкостенный металлический лейнер и армирующая оболочка из полимерного композиционного материала типа «кокон» по всей поверхности;
■ композитные баллоны - полимерный лейнер с закладными металлическими элементами для присоединения запорной аппаратуры и силовая оболочка из композиционного материала.
В России насчитывается 4 производителя баллонов для сжатого природного газа (рассчитанные на давление 20 МПа), два из них выпускают как цельнометаллические, так и металлопластиковые баллоны (см. таблицу 2).
Такие компании, как, «Рузхиммаш» (г. Рузаевка, Мордовия) и «Оргэнергогаз» (подразделение «Газпрома»), производившие эту продукцию, прекратили выпуск автомобильных баллонов. Мелкие партии производит НПП «Маштест» (г.Королев).
Имеется пара производителей автомобильных баллонов для КПГ на Украине.
Это ОАО «Бердичевский машиностроительный завод Прогресс» и ОАО «Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича». В условиях хорошего спроса на КПГ и развитой сети газозаправочных станций на Украине производители отмечают неплохой спрос на свои изделия.
Практически все российские производители баллонов ориентированы на внутренний рынок и рынок стран СНГ, хотя завод в Орске получил международный сертификат и имеет возможность поставлять данную продукцию в страны дальнего зарубежья.
Мировая практика свидетельствует, что около 70–80 % используемых для транспортировки метана баллонов - цельнометаллические. И это несмотря на то, что использование металлопластиковых баллонов позволяет снизить вес комплекта примерно в 1,3–1,5 раза, что особо актуально при необходимости установления нескольких баллонов. Связано это с тем, что эффективные технологии производства «композитных» баллонов появились значительно позже и, конечно же, с тем, что металлопластиковые баллоны дороже цельнометаллических. Однако нужно заметить, что применение облегченных баллонов в продолжительной перспективе выгоднее из-за экономии веса машины, приводящей к экономии топлива, и повышения грузоподъемности средства передвижения - последнее особенно важно, когда речь идет о грузовом транспорте.
ГБО - газобаллонное оборудование
Кроме самих баллонов для установки их на автотранспортное средство необходимо закупать дополнительно соответствующее газобаллонное оборудование (ГБО). У владельца транспортного средства есть два варианта - купить отечественное ГБО (производства «Рязанский завод автомобильной аппаратуры», «Воткинский завод газовой аппаратуры» и др.) или импортное.
Цена вопроса
Переоборудовать автомобиль для рабо ты на КПГ - удовольствие недешевое. Так, стоимость металлокомпозитного баллона составляет около 7,5–8,5 долл./л, цельнометаллического - 7 долл./л. Таким образом, серийный металлокомпозитный баллон объемом 50 л обойдется потребителю в 400 долларов, цельнометаллический - 350 долларов, и это без учета стоимости газобаллонного оборудования. Если же планируется перевод на КПГ грузовых автомобилей или автобусов, то, в зависимости от необходимого объема, придется устанавливать несколько баллонов, что приведет к удорожанию комплекта в несколько раз. Перевод легкового автомобиля на КПГ обойдется в 1 тыс. долларов, грузового и автобусов - выше 2,0–2,5 тыс. долларов.
Стоимость автомобильных баллонов стран СНГ на 50 л для сжиженного углеводородного газа (пропанбутановая смесь) равняется 30–50 долларам, а затраты на переоборудование легкового автомобиля составят порядка 200–400 долларов, в зависимости от производителя и вида ГБО.
Окупаемость
По расчетам экспертов, с учетом цен на топливо на начало 2006 года, окупаемость автомобильных транспортных средств при переводе с бензина на компримированный газ, при среднегодовом пробеге 60 тыс. км составляет от 3 до 5 лет, в зависимости от грузоподъемности и типа автомобиля. Если учесть возросшую с начала года стоимость бензина и больший пробег автомобиля, то период окупаемости может оказаться существенно короче. Если же взять автотракторную технику, например К700 или Т150, то благодаря внушительному расходу топлива срок окупаемости составит около года.
Становится понятно, почему в западных странах и в нашей столице на альтернативное газовое топливо прежде всего переводится городской транспорт - экономия слишком очевидна и велика.
Мировой опыт
К концу 2005 года в мире насчитывалось свыше 4,6 млн автомобилей, работающих на КПГ. Несомненными лидерами среди стран в данной области являются Аргентина, Бразилия и Пакистан. Первые две страны имеют парк газобаллонных автомобилей (ГБА) свыше одного миллиона.
АГНКС - заправочные станции
Современные АГНКС должны удовлетворять следующим требованиям:
■ низкая стоимость;
■ минимальные габариты и масса;
■ простота установки и эксплуатации;
■ независимость от систем электро и теплоснабжения;
■ максимальная безопасность и комфортность условий работы обслуживающего персонала;
■ автоматизация управления станцией;
■ оперативность заправки с точностью, достаточной для коммерческого учета (до 2 %).
Производители должны быть готовы предложить заказчику достаточную номенклатуру АГНКС по производительности.
Аргентина и Бразилия располагают хорошо развитой системой автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС). Количество АГНКС, действующих в этих странах к началу 2006 года, превышало тысячу, что позволило реализовывать Аргентине около 280 млн куб. м. газа в месяц, а Бразилии - около 163 млн куб. м. Примечательно, что набольшие темпы в строительстве новых АГНКС отмечены в Пакистане и Китае, где запланировано строительство более 200 станций. Свыше 100 АГНКС строятся в Бразилии и Иране, а вот лидер по числу автомобилей, работающих на газе, - Аргентина - пока не планирует строительство новых АГНКС.
Россия и СНГ
Несмотря на значительные запасы природного газа, Россия пока уступает Украине в использовании КПГ и занимает в мировом рейтинге 12 место (см. таблицу 3).
Российский парк автомобилей, работающих на метане, оценивается примерно в 52 тысячи. Сегодня в России действует 215 автомобильных газонаполнительных компрессорных станций, 87 % из которых принадлежит «Газпрому», их суммарная проектная мощность
составляет около 2 млрд куб. м/год, что позволило бы заправлять 250 тыс. автомобилей в год. Через российские АГНКС в 2005 году было реализовано 237 млн куб. м природного газа (19,75 млн куб. м/мес.).
Таким образом, загрузка имеющихся газозаправочных станций в России составляет лишь 10–15 %, но в целом за последние годы потребление природного газа автомобильным транспортом в России стабильно растет на 25–30 % в год.
Свою сеть многотопливных заправочных комплексов (МАЗК) в России создала и компания Douglas Consulting, которая не только реализует газомоторное топливо, но и предлагает полный спектр услуг по переводу автомобилей на газ. В последние годы на КПГ обратили внимание и другие нефте и газодобывающие компании. Благодаря политике «Газпрома», в схемах газификации регионов в обязательном порядке предусматривается сооружение АГНКС, на газ постепенно переводятся целые отрасли. Так, ОАО «Российские железные дороги» успешно реализует программу перевода на газ магистральных и маневровых тепловозов.
Подготавливается аналогичная программа по газификации сельхозтехники. В программе «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года» указано, что в предстоящие годы наиболее динамично будет расти потребление моторного топлива - на 15–26 % к 2010 году и на 33–55 % к 2020 году. При этом в качестве моторного топлива в долго срочной перспективе будут использоваться наряду с традиционными жидкими нефтепродуктами сжиженный и сжатый природный газ (в эквиваленте до 5 млн т нефтепродуктов к 2010 году и до 10–12 млн т в 2020 году).
В Татарстане, нефтяном российском регионе, действуют 9 автомобильных газонаполнительных компрессорных станций ООО «Таттрансгаз» суммарной производительностью 70,6 млн куб. м в год, при этом их фактическая загрузка составляет в среднем 7–8 % проектной мощности изза малого количества газобаллонных автомобилей. В 2006–2010 гг. ООО «Таттрансгаз» планирует ввести в эксплуатацию еще 11 АГНКС. Кроме того, в республике действуют десятки газораспределительных станций, способных после дополнительной установки заправочных компрессорных модулей обеспечить получение значительного количества сжатого природного газа для заправки транспортных средств. Таким образом, КПГ в России имеет неплохие перспективы.
Украина
К концу 2005 года на Украине насчитывалось около 67 тыс. газобаллонных автомобилей и 147 АГНКС. Реализация КПГ достигла 540 млн куб. м/год. Первоначально большинство АГНКС находились в ведении компании «Укравтогаз», однако затем стали появляться независимые операторы. Однако, несмотря на убедительные преимущества, полностью реализовать потенциал КПГ пока не удается. Согласно оценкам структур, работающих в газо вой сфере, Украина ежегодно может переоборудовать 20–25 тыс. транспортных средств.
Одной из вероятных причин отставания эксперты считают отсутствие на Украине современного производства металлокомпозитных баллонов. Два производителя, о которых упоминалось ранее, поставляют на внутренний рынок только цельнометаллические баллоны, да и они пока не могут полностью удовлетворить потребности рынка.
Среди задач, требующих решения, остается также развитие сети ГЗС, поддержка государства и муниципальных властей в данной сфере.
Армения
По информации министерства транспорта Армении, в настоящее время газовыми установками оснащено около 38 тыс. автомобилей, что составляет от 20 до 30 % эксплуатируемых в стране машин - довольно высокий показатель. Причина резкого увеличения использования КПГ - значительная разница между ценами на компримированный природный газ и традиционными видами автомобильного топлива. Согласно прогнозам, высокие темпы роста перевода автомобилей на газ в этой стране сохраняться и в ближайшие годы, более того, они могут достичь 20–30 % в год.
Другие члены содружества
Таджикистан переживает существенный рост потребления природного газа автомобильным транспортом. Начиная с 1997 года, после выхода соответствующего постановления правительства страны, количество АГНКС возросло к 2006 году с 3 до 53. В основном это станции не большой производительности. На сегодняшний день сеть АГНКС Белоруссии состоит из 24 АГНКС в 17 городах республики, 5 передвижных АГЗС. Обслуживаемый парк - 5,5 тыс. газобаллонных автомобилей. ОАО «Белтрансгаз» разработало стратегию расширения использования КПГ, на базе национальной программы расширения использования газа в качестве моторного топлива, и концепцию развития сети АГНКС. К 2010 году планируется довести число ГБА до 14,5 тыс. и объем реализации КПГ до 72,3 млн куб. м/год.
В Молдове и Узбекистане перевод автотранспорта на сжатый природный и сжиженный газ происходит не так быстро. Так, в Молдове насчитывается около 4,5 тыс. ГБА и лишь 8 АГНКС. В Узбекистане эксплуатируется менее 10 тыс. единиц автомобилей, работающих на газовом топливе (менее 1% от всего автомобильного парка), используется порядка 30,0 тыс.т сжиженного углеводородного газа и 70–72 млн куб. м КПГ, хотя природные ресурсы позволяют значительно увеличить количество ГБА.
Тормоз для КПГ
По мнению аналитиков рынка, существуют проблемы, мешающие более масштабному переходу на КПГ. Главные из них:
■ высокая стоимость переоборудования транспорта для работы на газе и зачастую - отсутствие для этих целей необходимых денежных средств у хозяйств, коммунальных служб и т. п.;
■ отсутствие серийного производства уже готовых газобаллонных автомо билей российскими автопроизводителями;
■ недостаточно развитая сеть АГНКС. В странах Европы пункты заправки находятся на максимальном расстоянии друг от друга в 30 км, а в РФ имеются трассы, где на тысячи километров не насчитывается ни одной АГНКС.
Кроме того, приходится решать и вопросы высокой степени износа (особенно по резерву двигателей) автопарка муниципальной собственности и госструктур, неподготовленность персонала во многих региона РФ к обслуживанию автомобилей, работающих на КПГ. В России ограничено число компаний, имеющих сертификаты и способных переоборудовать транспортные средства для работы на КПГ, своевременно освидетельствовать автотранспортное средство с ГБО. Эта проблема особенно актуальна для регионов.
Перевод транспорта на природный газ - задача несомненно важная и при разумном подходе экономически выгодная, однако решение ее возможно только при непосредственном участии соответствующих ведомственных организаций и поддержке государства.
России, имеющей крупнейшие в мире запасы природного газа, непозволительно не воспользоваться ситуацией для популяризации КПГ и возможной замены традиционных видов топлива.
Сергей Ким Октябрь 2006
P.S. От себя могу добавить, что муж моей родственницы, работающий таксистом уже более 15 лет, постоянно переводит свои вновь купленные машины на метан и после переделки стоимость топлива для пробега машины снижается примерно в 3 раза по сравнению с бензином.
Это, так сказать, непосредственный опыт.
СЖАТИЕ ГАЗА
СЖАТИЕ ГАЗА , сокращение объема газа, достигаемое за счет приложения к нему внешнего давления. Некоторые газы, в том числе углекислый, можно превратить в жидкость путем сжатия при комнатной температуре. Другие газы необходимо предварительно охлаждать для того, чтобы их можно было превратить в жидкость под давлением. Самая высокая температура, при которой газ можно превратить в жидкость, применив к нему давление, называется критической.
.
Смотреть что такое "СЖАТИЕ ГАЗА" в других словарях:
СЖАТИЕ, уменьшение объема вещества путем принудительного вмещения его в малое по объему пространство (например, при компрессии газа) или ограничения расширения нагреваемого вещества (как при приготовлении пищи в скороварке). Этот процесс… … Научно-технический энциклопедический словарь
Сжатие, компрессия (от лат. compressio): В Викисловаре есть статья «сжатие» … Википедия
- (a. gas cooling; н. Gasabkuhlung; Gaskuhlung; ф. refroidissement du gaz; и. refrigeracion de gas, enfriamiento de gas) понижение темп ры перекачиваемого газа на газовых сборных пунктах и компрессорных станциях магистральных газопроводов,… … Геологическая энциклопедия
- (скачок уплотнения), распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью тонкая переходная область, в к рой происходит резкое увеличение плотности, давления и скорости в ва. У. в. возникают при взрывах, детонации, при сверхзвуковых движениях тел, при… … Физическая энциклопедия
Тепловые процессы Статья является частью одноименн … Википедия
Перевод в ва из газообразного состояния в жидкое. С. г. возможно только при темп pax, меньших критической температуры. В пром сти С. г. с критич. темп рой выше темп ры окружающей среды (практически выше 50 °С) осуществляется сжатием газа в… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Природный газ - (Natural gas) Природный газ это один из самых распространенных энергоносителей Определение и применение газа, физические и химические свойства природного газа Содержание >>>>>>>>>>>>>>> … Энциклопедия инвестора
И; ж. [от лат. compressio сжатие] 1. Техн. Сжатие воздуха, газа или горючей смеси под давлением в цилиндре двигателя. 2. Сокращение объёма написанного без ущерба для его содержания. Произвести необходимую компрессию текста статьи. * * *… … Энциклопедический словарь
- (лат. compressio сжатие) сжатие газа в цилиндре двигателя, воздуха в компрессоре. Новый словарь иностранных слов. by EdwART, 2009. компрессия [лат. compressio] – сжатие; сжатие газа в цилиндре двигателя. Большой словарь иностранных слов.… … Словарь иностранных слов русского языка
ГОСТ 28567-90: Компрессоры. Термины и определения - Терминология ГОСТ 28567 90: Компрессоры. Термины и определения оригинал документа: Hubkolbenverdichter oder Membranverdichter, Lage der Zylinder oder Membran rechtwinklig zueinander (Winkelbauart) 68 Определения термина из разных документов:… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Книги
- , Романенко Светлана Валентиновна. В издании представлен материал базового курса лекций по дисциплине&171;Сопротивление материалов&187;, читаемый в течение двух семестров в РГУ нефти и газа (НИУ) им. И. М. Губкина. Рассмотрены…
- Сопротивление материалов. Учебное пособие , С. В. Романенко. В издании представлен материал базового курса лекций по дисциплине`Сопротивление материалов`, читаемый в течение двух семестров в РГУ нефти и газа (НИУ) им. И. М. Губкина. Рассмотрены…
Статья предоставлена компанией ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург», г. Екатеринбург
Использование КПГ в миреПо экономическим, экологическим, ресурсным и техническим критериям компримированный природный газ (КПГ) еще долго будет оставаться наилучшим моторным топливом.
Сегодня на КПГ работают 14,7 млн автомобилей, что составляет 1,5% от мирового парка (900 млн ед.). В последние годы мировой парк автомобилей, работающих на природном газе, увеличивается на 25-30% (рис. 1). Согласно прогнозу Международного газового союза рост парка газобаллонного автотранспорта составит к 2020 г. 50 млн единиц, а к 2030 г. - более 100 млн единиц. Сегодня в мире насчитывается уже 20 746 автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС).
Инфраструктура заправочных станций уже существует или быстро развивается в ряде стран, таких как Германия, Швеция, Швейцария, Австрия, Италия. В Южной Корее 95% муниципальных автобусов работают на КПГ. В Риме транспорт на альтернативном топливе, освобожден от уплаты налогов на 3 года. Во Франции действует запрет на использование нефтяного топлива на муниципальных автобусах. В Швеции «газомобили» освобождены от сборов на платных стоянках. На сегодняшний день многие мировые автопроизводители осуществляют серийный выпуск автомобилей, использующих КПГ (Audi, BMW, Cadillac, Ford, Mercedes-Benz, Chrysler, Honda, Kia, Toyota, Volkswagen и другие).
Такое бурное развитие этого направления вполне объяснимо - в настоящее время из всех массово используемых моторных топлив и технологий природный газ обеспечивает наиболее безопасные выбросы отработавших газов автотранспорта. Перевод автомобилей с бензина на газ позволяет снизить в среднем в пять раз выбросы вредных веществ, а шумовое воздействие - вдвое.
ДЛЯ СПРАВКИ Компримированный природный газ (КПГ, сжатый природный газ, англ. Compressed natural gas) - сжатый природный газ, используемый в качестве моторного топлива вместо бензина, дизельного топлива и пропана. Он дешевле традиционного топлива, а вызываемый продуктами его сгорания парниковый эффект меньше по сравнению с обычными видами топлива, поэтому он безопаснее для окружающей среды. Компримированный природный газ производят путем сжатия (компримирования) природного газа в компрессорных установках. Хранение и транспортировка компримированного природного газа происходит в специальных накопителях газа под давлением 200-220 бар. Также используется добавление к компримированному природному газу биогаза, что позволяет снизить выбросы углерода в атмосферу. Сжатый природный газ как топливо имеет целый ряд преимуществ
Источник: Википедия |
КПГ в России
В нашей стране уже накоплен богатый опыт использования природного газа в качестве моторного топлива. ОАО «Газпром» прогнозирует рост потребления КПГ в качестве моторного топлива по итогам 2011 г. порядка 10% - до 370 млн м 3 против 345 млн м 3 в 2010 г. (рис. 2). На сегодняшний день на территории Российской Федерации существует 255 АГНКС, действующих в 60 регионах России, 206 (93%) построено ОАО «Газпром». Парк газифицированного автотранспорта на сегодняшний день насчитывает 86 тыс. машин. Наибольшее по стране потребление КПГ отмечается в Ставропольском и Краснодарском краях, Свердловской, Челябинской и Ростовской областях, Кабардино-Балкарии и Северной Осетии.
Рис.1. Мировой парк автотранспорта на КПГ
(по данным Национальной Газомоторной Ассоциации)
Рис. 2. Потребление КПГ в России, млн м 3
Природный газ значительно дешевле бензина. Извлекаемый из недр, природный газ не подвергается последующей переработке. Это в конечном итоге гарантирует его более низкую стоимость по сравнению с продуктами переработки нефти. Мировые запасы природного газа существенно превышают запасы нефти. Природный газ не подвержен сезонным изменениям цен. Кроме этого, в соответствии с постановлением Правительства России цена на природный газ для автотранспорта не может превышать 50% от цены бензина марки А-80. В 2011 г. средняя розничная цена КПГ в Российской Федерации для автотранспорта составила 8,5 руб./м 3 .
Причины метанизации автотранспорта Уральского региона те же самые, что и в России, да и, пожалуй, во всем мире - экологические и экономические преиму-щества использования природного газа в качестве моторного топлива.
КПГ в Уральском регионе
В настоящее время ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» эксплуатирует сеть из 30 (АГНКС) и 6 пунктов переоборудования автотранспорта, расположенных в Свердловской, Челябинской, Курганской и Оренбургской областях.
Основным потребителем КПГ в Уральском регионе является городской пассажирский автотранспорт. Это маршрутные такси типа автобусов «ПАЗ» и микроавтобусов «Газель».
Помимо стационарных АГНКС у нас есть возможность осуществлять заправку газобаллонных АТС с использованием передвижных автомобильных газовых заправщиков (ПАГЗ) с дожимным компрессором. Он выполнен на базе автомобиля КАМАЗ-43118 с газовым двигателем. Разработан и проходит промышленные испытания малогабаритный блочный комплекс, обеспечивающий регазификацию сжиженного природного газа для заправки газобаллонных автомобилей.
В настоящее время в РФ серийным выпускам автомобилей с газовым двигателем занимаются ОАО «КАМАЗ» (ООО «РариТЭК») - автобусы НЕФA3, седельные тягачи, самосвалы. «Группа ГАЗ» производит автобусы с газовым двигателем - ЛИАЗ-6213, ЛИАЗ-6212, ЛИАЗ-5256, ЛИАЗ 5293, ПАЗ 320302 и др.
Кроме этого имеется возможность приобретения газобаллонной техники зарубежных автопроизводителей - Iveco, Volkswagen, Mercedes, Opel, Toyota и др.
ДЛЯ СПРАВКИ Сжиженный природный газ (СПГ, англ. LNG - liquefied natural gas) - природный газ, искусственно сжиженный, путем охлаждения до -160 °C, для облегчения хранения и транспортировки. Для хозяйственного применения преобразуется в газообразное состояние на специальных регазификационных терминалах. При сжижении природный газ уменьшается в объеме примерно в 600 раз. Чистый СПГ не горит, сам по себе не воспламеняется и не взрывается. На открытом пространстве при нормальной температуре СПГ возвращается в газообразное состояние и быстро растворяется в воздухе. При испарении природный газ может воспламениться, если произойдет контакт с источником пламени. Для воспламенения необходимо иметь концентрацию испарений в воздухе от 5 до 15 %. Если концентрация до 5 %, то испарений недостаточно для начала возгорания, а если более 15 %, то в окружающей среде становится слишком мало кислорода. СПГ рассматривается как приоритетная или важная технология импорта природного газа целым рядом стран, включая Францию, Бельгию, Испанию, Южную Корею и США. Самый крупный потребитель СПГ - это Япония, где практически 100% потребностей газа покрывается импортом СПГ. Источник: Википедия |
На сегодняшний день ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» эксплуатирует 691 ед. АТС, использующих в качестве моторного топлива КПГ. В 2011 г. экономический эффект от замещения жидкого моторного топлива составил 22,3 млн руб .
В результате трехстороннего сотрудничества с ОАО «КАМАЗ» и ОАО «НПО Гелиймаш» были созданы: седельный тягач и городской автобус, укомплектованные газовыми двигателями с криогенным баком для заправки СПГ. Первые результаты показали их значительное преимущество в сравнении с газобаллонными автомобилями, использующими КПГ. Так, более чем в два раза вырос пробег автомобилей без дозаправки.
В целях расширения использования КПГ в июле 2011 г., в рамках международной выставки «ИННОПРОМ - 2011» было подписано трехстороннее «Соглашение» между Правительством Свердловской обл., ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» и ОАО «КАМАЗ» о развитии применения природного газа в качестве моторного топлива. В соглашении, в частности, предусматривается поставка в Свердловскую обл. автомобилей «КАМАЗ», использующих в качестве моторного топлива как КПГ, так и СПГ. ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» обеспечивает заправку КПГ и СПГ газобаллонного автотранспорта, осуществляет методологическую помощь сторонним пунктам переоборудования АТС и непосредственно выполняет перевод существующего парка АТС области на использование газомоторного топлива.
В октябре 2011 г. по поручению ОАО «Газпром» Обществом была организована подготовка и проведен автопробег газобаллонных автомобилей заводского изготовления «Голубой коридор - 2011» по маршруту Екатеринбург - Челябинск - Уфа - Оренбург - Самара - Саратов - Волгоград - Тамбов - Воронеж - Тула - Москва. В рамках этого пробега между правительствами Челябинской, Оренбургской областей и Обществом были подписаны «Протоколы о намерениях», предусматривающие использование КПГ в качестве моторного топлива, как приоритетное направление деятельности сторон.
В соответствии с Целевой комплексной программой развития газозаправочной сети и парка техники, работающей на природном газе, на 2007-2015 гг. в зоне ответственности ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» определены для строительства шесть АГНКС.
Предложения по расширению
использования природного газа
ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» предлагает ряд мер, принятие которых позволит увеличить использование природного газа в качестве моторного топлива.
На федеральном уровне предлагается:
1. Принять закон «Об использовании газового моторного топлива».
2. Разработать и принять Правительством РФ ряд мер экономического стимулирования хозяйствующих субъектов и физических лиц, осуществляющих производство, реализацию и использование природного газа в качестве моторного топлива.
На уровне субъектов Российской Федерации предлагается:
1. Разработка и внедрение региональных программ использования газомоторного топлива на автотранспорте.
2. Обеспечение приоритетного приобретения за счет бюджетных средств общественного транспорта и коммунальной техники, использующих газомоторное топливо, с целью снижения бюджетных затрат на топливо и улучшения экологической обстановки в городах.
3. Включение затрат на дооборудование гаражных комплексов бюджетных организаций при переводе АТС на использование газомоторного топлива в бюджеты муниципалитетов.
4. Затраты на эксплуатацию газомоторной техники снижаются за счет экономии в стоимости топлива. РЭК, на основании Федерального закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23 ноября 2009 года, должна сохранять тарифы на перевозку неизменными в течение 5 лет.
ОАО «Газпром» предлагается:
1. Продолжить работу по принятию ФЗ «Об использовании газомоторного топлива» и по разработке и производству современного и эффективного ГБО.
2. Реализовать программу ОАО «Газпром» «Развитие газозаправочной сети и парка техники, работающей на природном газе на 2007-2015 годы».
3. Организовывать заправку автотранспорта потенциальных потребителей с помощью мобильных заправщиков с последующим строительством АГНКС.
Заключение
В апреле 2012 г. Владимир Путин, находясь в Тольятти, предложил выделить дополнительные субсидии российским регионам на обновление автобусного парка.
Средства предлагается выделять тем регионам, которые будут переводить свой автобусный парк на более чистый вид топлива - газ. Предварительно на эти цели планируется выделить 3,5 млрд руб. из бюджета РФ.
В настоящее время более 50% парка автобусов старше 15 лет, а у большинства наших европейских соседей автобусы по соображениям безопасности обновляются каждые десять лет.
Приобретение муниципального транспорта, использующего КПГ и СПГ в качестве моторного топлива, должно быть синхронизировано со строительством новых АГНКС, пунктов переоборудования и технического обслуживания автомобилей, пунктов переосвидетельствования баллонов, вводом в эксплуатацию передвижных автомобильных газовых заправщиков. Это в дальнейшем обеспечит реальное улучшение экологической обстановки в крупных промыш-ленных городах, повысит экономическую эффективность грузопассажир-ских перевозок, снизит издержки в бюджетах всех уровней, ускорит формирование нового рынка использования природного газа в Уральском регионе.
СЖИЖЕННЫЙ УГЛЕВОДОРОДНЫЙ ГАЗ
Сжиженный углеводородный газ при атмосферном давлении и температуре выше нуля находится в газообразном состоянии. При сравнительно небольшом повышении давления - не более 1,6 МПа - он превращается в легкоиспаряющуюся жидкость. Сжиженный газ состоит в основном из смеси двух газов: пропана (около 80%) и бутана (примерно 20%). Кроме того, в нем в небольшом количестве содержатся такие газы, как этан, пентан, пропилен, бутилен и этилен. Теплота сгорания единицы массы сжиженного газа высокая - 46 МДж/кг. При плотности около 0,524 г/см (при 20°С) объемная теплота сгорания сжиженного газа превышает 24 000 МДж/м. Уступая по значению этого показателя бензину, сжиженный газ как топливо является полноценным его заменителем. Относительно небольшая масса тонкостенных стальных баллонов, рассчитанных на рабочее давление до 1,6 МПа, позволяет хранить на автомобиле достаточное количество газа, не уменьшая его полезной нагрузки. Поэтому автомобили, работающие на сжиженном газе, имеют такой же запас хода, как и бензиновые. Газообразное топливо лучше смешивается с воздухом и благодаря этому полнее сгорает в цилиндрах. По этой причине отработавшие газы у автомобилей, работающих на газообразных топливах, менее токсичны, чем у автомобилей, работающих на бензине. Высокая детонационная стойкость сжиженного газа (октановое число по исследовательскому методу более 110) позволяет повысить степень сжатия бензиновых двигателей, переоборудованных для работы на сжиженном газе.
Основными показателями, характеризующими качество сжиженного газа как топлива для автомобилей, являются компонентный состав, давление насыщенных паров, отсутствие жидкого (неиспаряющегося) остатка, содержание вредных примесей.
Компонентный состав газа -- показатель сжиженного газа, всесезонно отпускаемого газонаполнительными станциями для газобаллонных автомобилей, должен изменяться в ограниченных пределах. Сжиженный газ содержит (по массе) не менее 80±5% пропана, не более 20±5% бутана и не более 6% других газов (пропилена, бутилена, этилена). Нарушение соотношения между пропаном и бутаном изменяет теплоту сгорания газа и состав горючей смеси. В результате ухудшается процесс сгорания смеси в цилиндрах двигателя и увеличивается токсичность отработавших газов.
Давление насыщенных паров оказывает влияние на надежность подачи газа в цилиндры двигателя в холодное время года. При температуре минус 30°С оно не должно быть ниже 0,7 МПа. При дальнейшем уменьшении давления нарушится бесперебойная подача газа из баллона. Давление паров не должно также превышать 1,6 МПа при 45°С, так как именно на такое предельное рабочее давление рассчитаны баллоны, применяемые на газобаллонных автомобилях.
Содержание серы, щелочей и свободной воды . При повышенном содержании серы она оседает в топливной аппаратуре, сужая проходные сечения трубопроводов и разрушающе действуя на резино-технические детали. Сгорая в цилиндрах двигателя, сера повышает токсичность отработавших газов. Ее содержание не должно превышать 0,015% по массе. Щелочи и свободная вода должны отсутствовать.
Жидкий остаток . Данного остатка при температуре 40°С не должно быть.
СЖАТЫЙ ГАЗ
Сжатый газ, в отличие от сжиженного, сохраняет свое газообразное состояние при нормальной температуре и любом повышении давления. Он превращается в жидкость только после глубокого охлаждения (ниже минус 162°С). В качестве топлива для автомобилей используют сжатый до 20 МПа природный газ, добываемый из скважин газовых месторождений. Его основной компонент - метан. Сжатый газ имеет очень высокую теплоту сгорания единицы массы -- 49,8 МДж/кг, но из-за чрезвычайно малой плотности (0,0007 г/см при 0°С и атмосферном давлении) объемная теплота сгорания сжатого даже до 20 МПа природного газа не превышает 7000 МДж/кг, т. е. более чем 3 раза меньше, чем у сжиженного. Невысокое значение объемной топлоты сгорания не позволяет обеспечить хранение на автомобиле достаточного количества газа даже при высоком давлении. Вследствие этого запас хода газобаллонных автомобилей, работающих на сжатом природном газе, вдвое меньше, чем у бензиновых или у автомобилей, работающих на сжиженном углеводородном газе. Октановое число метана по исследовательскому методу около 110. Применение вместо бензина сжатого природного газа благодаря его огромным запасам и небольшой стоимости целесообразно, особенно на внутригородских и пригородных перевозках
Показатели сжатого газа : компонентный состав сжатого газа и содержание веществ, вредно влияющих на работу газобаллонной аппаратуры и ускоряющих износ двигателей.
Компонентный состав газа . Сжатый газ, предназначенный для всесезонного применения на автомобилях, должен содержать (по объему) метана не менее 90%, этана - не более 4%, небольшое количество (до 2,5%) других горючих углеводородных газов, окиси углерода - до 1%, кислорода - до 1%, азота - не более 5%.
В производственных процессах, связанных с использованием газов (диспергирование, перемешивание, пневмотранспорт, сушка, абсорбция и т. д.), перемещение и сжатие последних происходит за счет энергии, сообщаемой им машинами, которые носят общее название компрессионных . При этом производительность компрессионных установок может достигать десятков тысяч кубометров в час, а давление изменяется в пределах 10 –8 –10 3 атм., что обусловливаетбольшое разнообразие типов и конструкций машин, применяемых для перемещения, сжатия и разрежения газов. Машины, предназначенные для создания повышенныхдавлений, получили название компрессоров, а машины, работающие на создание разрежения –вакуум-насосов .
Классифицируют компрессионные машины в основном по двум признакам: принципу действия и степени сжатия. Степень сжатия – это отношение конечного давления газа на выходе из машиныр 2 к начальному давлению на входеp 1 (т. е.p 2 /p 1).
По принципу действия компрессионные машины подразделяют на поршневые, лопастные (центробежные и осевые), ротационные и струйные.
По степени сжатия различают:
– компрессоры, используемые для создания высоких давлений, со степенью сжатия р 2 /р 1 > 3;
– газодувки, служащие для перемещения газов при большом сопротивлении газопроводной сети, при этом 3 > p 2 /p 1 >1,15;
– вентиляторы, применяемые для перемещения больших количеств газа при p 2 /p 1 < 1,15;
– вакуум-насосы, отсасывающие газ из пространства с пониженным давлением (ниже атмосферного) и нагнетающие его в пространство с повышенным (выше атмосферного) или атмосферным давлением.
В качестве вакуум-насосов могут быть использованы любые компрессионные машины; более глубокий вакуум создают поршневые и ротационные машины.
В отличие от капельных жидкостей, физические свойства газов функционально зависят от температуры и давления; процессы перемещения и сжатия газов связаны с внутренними термодинамическими процессами. При малых перепадах давлений и температур изменения физических свойств газов в процессе их движения с малыми скоростями и давлениями, близкими к атмосферному, незначительны. Это дает возможность использования всех основных положений и законов гидравлики для их описания. Однако при отклонении от нормальных условий, в особенности при высоких степенях сжатия газа, многие положения гидравлики претерпевают изменение.
Термодинамические основы процесса сжатия газов
Влияние температуры на изменение объема газа при постоянном давлении, как известно, определяется законом Гей – Люссака, т. е. при p = const объем газа прямо пропорционален его температуре:
где V 1 иV 2 – объемы газа соответственно при температурахТ 1 иТ 2 , выраженные по шкале Кельвина.
Связь между объемами газа при разных температурах может быть представлена зависимостью
, (4.1)
где V иV 0 – конечный и начальный объемы газа, м 3 ;t иt 0 – конечная и начальная температура газа, °С;β t – относительный коэффициент объемного расширения, град. –1 .
Изменение давления газа в зависимости от температуры:
, (4.2)
где р ир 0 – конечное и начальное давление газа, Па;β р – относительный температурный коэффициент давления, град. –1 .
Масса газа М
при
изменении его объема остается постоянной.
Если ρ 1 иρ 2 плотности двух температурных состояний
газа, то
и
либо
,
т.е. плотность газа при постоянном
давлении обратно пропорциональна его
абсолютной температуре.
По закону Бойля-Мариотта, при одной и
той же температуре произведение удельного
объема газа v
на значение его давленияр
есть величина постояннаяp
v
= const.
Следовательно, при постоянной температуре
,
а
,
т. е. плотность газа прямо пропорциональна
давлению, так как
.
Учитывая уравнение Гей-Люссака, можно получить соотношение, связывающее три параметра газа: давление, удельный объем и его абсолютную температуру:
. (4.3)
Последнее уравнение носит название уравнения Клайперона . В общем виде:
либо
, (4.4)
где R – газовая постоянная, которая представляет собой работу, совершаемую единицей массы идеального газа в изобарном (p = const) процессе; при изменении температуры на 1° газовая постояннаяR имеет размерность Дж/(кгград):
, (4.5)
где l р – удельная работа изменения объема, совершаемого 1 кг идеального газа при постоянном давлении, Дж/кг.
Таким образом, уравнение (4.4) характеризует состояние идеального газа. При давлении газа свыше 10 атм использование этого выражения вносит погрешность в расчеты (p v ≠RT ), поэтому рекомендуется пользоваться формулами, которые более точно описывают зависимость между давлением, объемом и температурой реального газа. Например, уравнением Ван-дер-Ваальса:
, (4.6)
где R = 8314/M – газовая постоянная, Дж/(кг·К);М – молекулярная масса газа, кг/кмоль;а ив – величины, постоянные для данного газа.
Величины а ив могут быть рассчитаны по критическим параметрам газа (Т кр ир кр):
;
. (4.7)
При высоких давлениях величина а/v 2 (дополнительного давления в уравнении Ван-дер-Ваальса) мала по сравнению с давлениемp и ею можно пренебречь, тогда уравнение (4.6) превращается в уравнение состояния реального газа Дюпре:
, (4.8)
где величина в зависит только от рода газа и не зависит от температуры и давления.
На практике для определения параметров газа при различных его состояниях чаще пользуются термодинамическими диаграммами: Т –S (температура–энтропия),p–i (зависимость давления от энтальпии),p –V (зависимость давления от объема).
Рисунок 4.1 – Т–S диаграмма
На диаграммеТ –S (рис. 4.1) линияАKВ представляет собой пограничную кривую, которая делит диаграмму на отдельные области, соответствующие определенным фазовым состояниям вещества. Область, расположенная слева от пограничной кривой, представляет собой жидкую фазу, справа – область сухого пара (газа). В области, ограниченной кривойАВK и осью абсцисс, одновременно сосуществуют две фазы – жидкость и пар. ЛинияАK соответствует полной конденсации пара, здесь степень сухостиx = 0. ЛинияKВ соответствует полному испарению,x = 1. Максимум кривой соответствует критической точкеK , в которой возможны все три состояния вещества. Помимо пограничной кривой на диаграмму нанесены линии постоянных температур (изотермы,Т = const) и энтропии (S = const), направленные параллельно осям координат, изобары (p = const), линии постоянных энтальпий (i = const). Изобары в области влажного пара направлены так же, как и изотермы; в области перегретого пара они меняют направление круто вверх. В области жидкой фазы изобары почти сливаются с пограничной кривой, так как жидкости практически несжимаемы.Все параметры газа на диаграмме Т–S отнесены к 1 кг газа.
Так как в соответствии с термодинамическим
определением
,
то теплота изменения состояния газа
.
Следовательно, площадь под кривой,
описывающей изменение состояния газа,
численно равна энергии (теплоте) изменения
состояния.
Процесс изменения параметров газа называют процессом изменения его состояния. Каждое состояние газа характеризуется параметрами p ,v иТ . В процессе изменения состояния газа могут меняться все параметры или один из них оставаться постоянным. Так, протекающий при постоянном объеме процесс называетсяизохорическим , при постоянном давлении –изобарическим , а при постоянной температуре –изотермическим . Когда при отсутствии теплообмена между газом и внешней средой (теплота не отводится и не подводится) изменяются все три параметра газа (p, v ,Т ) в процессе его расширения либо сжатия, процесс называется адиабатическим , а когда изменение параметров газа происходит при непрерывном подводе или отводе теплоты– политропическим .
При изменяющихся давлении и объеме, в зависимости от характера теплообмена с окружающей средой, изменение состояния газа в компрессионных машинах может происходить изотермически, адиабатически и политропически.
При изотермическом процессе изменение состояния газа следует закону Бойля–Мариотта:
pv = const.
На диаграмме p–v
этот процесс
изображается гиперболой (рис. 4.2).
Работа 1 кг газаl
графически
представляется заштрихованной площадью,
которая равна
,
т. е.
либо
. (4.9)
Количество тепла, которое выделяется при изотермическом сжатии 1 кг газа и которое необходимо отводить путем охлаждения, чтобы температура газа оставалась постоянной:
, (4.10)
где c v иc р – удельные теплоемкости газа при постоянном объеме и давлении, соответственно.
На диаграмме Т–S процесс изотермического сжатия газа от давленияр 1 до давленияр 2 изображается прямой линиейаб , проведенной между изобарамир 1 ир 2 (рис. 4.3).
|
|
|
|
Рисунок
4.2 – Процесс изотермического сжатия
газа на диаграмме
|
Рисунок 4.3 – Процесс изотермического сжатия газа на диаграмме Т–S |
Тепло, эквивалентное работе сжатия, изображается площадью, ограниченной крайними ординатами и прямой аб , т. е.
.
(4.11)
Рисунок
4.4 – Процессы
сжатия газа на диаграмме
:
А – адиабатический процесс;
Б – изотермический процесс
Поскольку в выражение для определения работы, затрачиваемой в изотермическом процессе сжатия, входят только объем и давление, то в пределах приложимости уравнения (4.4) безразлично, какой газ будет сжиматься. Иначе говоря, на изотермическое сжатие 1 м 3 любого газа при одних и тех же начальных и конечных давлениях расходуется одно и то же количество механической энергии.При адиабатическом процессе сжатия газа изменение его состояния происходит за счет изменения его внутренней энергии, а следовательно, и температуры.
В общей форме уравнение адиабатического процесса описывается выражением:
,
(4.12)
где
–
показатель адиабаты.
Графически (рис. 4.4) этот процесс на диаграмме p–v изобразится гиперболой более крутой, чем на рис. 4.2., так какk > 1.
Если принять
,
то
.
(4.13)
Поскольку
иR
= const, полученное уравнение можно
выразить иначе:
или
.
(4.14)
Путем соответствующих преобразований можно получить зависимости для других параметров газа:
;
. (4.15)
Таким образом, температура газа в конце его адиабатического сжатия
. (4.16)
Работа, совершаемая 1 кг газа в условиях адиабатического процесса:
. (4.17)
Тепло, выделяющееся при адиабатическом сжатии газа, эквивалентно затрачиваемой работе:
С учетом соотношений (4.15) работа на сжатие газа при адиабатическом процессе
. (4.19)
Процесс адиабатического сжатия характеризуется полным отсутствием теплообмена между газом и окружающей средой, т.е. dQ = 0, аdS = dQ/T , поэтомуdS = 0.
Таким образом, процесс адиабатического сжатия газа протекает при постоянной энтропии (S = const). На диаграммеТ–S этот процесс изобразится прямой линиейАВ (рис. 4.5).
Рисунок 4.5 – Изображение процессов сжатия газа на диаграмме Т–S
Если в процессе сжатия выделяющееся тепло отнимается в меньшем количестве, чем это необходимо для изотермического процесса (что происходит во всех реальных процессах сжатия), то фактически затрачиваемая работа будет большей, чем при изотермическом сжатии, и меньшей, чем при адиабатическом:
, (4.20)
где m
– показатель политропы,k
>m
>1
(для воздухаm
).
Значение показателя политропы m зависит от природы газа и условий теплообмена с окружающей средой. В компрессионных машинах без охлаждения показатель политропы может быть больше показателя адиабаты (m >k ), т. е. процесс в этом случае протекает по сверхадиабате.
Работу, затрачиваемую на разрежение газов, рассчитывают по тем же уравнениям, что и работу на сжатие газов. Отличие лишь в том, что р 1 будет меньше атмосферного давления.
Процесс политропического сжатия газа от давленияр 1 до давления р 2 на рис. 4.5 изобразится прямойАС . Количество тепла, выделяемое при политропическом сжатии 1 кг газа, численно равно удельной работе сжатия:
Конечная температура сжатия газа
. (4.22)
Мощность, затрачиваемая компрессионными машинами на сжатие и разрежение газов, зависит от их производительности, конструктивных особенностей, теплообмена с окружающей средой.
Теоретическая мощность, затрачиваемая
на сжатие газа
,
определяется производительностью и
удельной работой сжатия:
, (4.23)
где G
иV
– массовая и объемная
производительность машины соответственно;
–
плотность газа.
Следовательно, для различных процессов сжатия теоретически затрачиваемая мощность:
;
(4.24)
; (4.25)
, (4.26)
где
–
объемная производительность компрессионной
машины, приведенная к условиям всасывания.
Фактически затрачиваемая мощность в силу ряда причин больше, т.е. потребляемая машиной энергия выше, чем та, которую она передает газу.
Для оценки эффективности компрессионных машин используют сравнение данной машины с наиболее экономичной машиной того же класса.
Машины с охлаждением сравнивают с машинами, которые сжимали бы газ при данных условиях изотермически. В этом случае к. п. д. носит название изотермического, из:
, (4.27)
где N – фактически затрачиваемая мощность данной машиной.
Если машины работают без охлаждения, то сжатие газа в них происходит по политропе, показатель которой выше показателя адиабаты (m k ). Поэтому затрачиваемую мощность в таких машинах сравнивают с мощностью, которую затрачивала бы машина при адиабатическом сжатии газа. Отношение этих мощностей представляет собой адиабатический к.п.д.:
.
(4.28)
С учетом мощности, теряемой на механическое трение в машине и учитываемой механическим к.п.д. – мех, мощность на валу компрессионной машины:
либо
. (4.29)
Мощность двигателя рассчитывается с учетом к.п.д. самого двигателя и к.п.д. передачи:
. (4.30)
Установочная мощность двигателя
принимается с запасом (
):
. (4.31)
Значение ад колеблется в пределах 0,930,97; из в зависимости от степени сжатия имеет значение 0,640,78; механический к. п. д. меняется в пределах 0,850,95.