УДК 629.3:621.434 Р.В. Колодницкая А.Ю. Пилатов

МАШИНОПРИЛАДОБУДУВАННЯ ТА ТРАНСПОРТ
191
УДК 629.3:621.434
Р.В. Колодницкая
Житомирский национальный технологический университет, г. Житомир, Украина
А.Ю. Пилатов
Белорусский национальный технический университет,
Беларусь, г. Минск, пр.Независимости, 65,
E-mail: [email protected]
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА БИОДИЗЕЛЯ НА ОСНОВЕ
РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ МОРСКИХ ВОДОРОСЛЕЙ
Определены основные физико-химические свойства и моторные характеристики топлива
на основе эфиров морских водорослей. Определены мощностные, экономические и экологические
показатели биодизеля с учетом определенных физико-химических свойств и моторных
характеристик биодизеля.
Ключевые слова: биодизель, моделирование, рабочий процесс, топливо из морских
водорослей.
Постановка проблемы. В настоящее время поиск альтернативных источников энергии является
актуальной задачей. Одним из способов решения проблемы энергетического кризиса является
использование альтернативных топлив растительного происхождения, экологические показатели при
работе на которых для биодизеля [1] могут не уступать дизелю, работающему на традиционном
дизельном топливе. В тоже же время, как показывают проведенные исследования [2], при массовом
производстве семян масленичных культур существует проблема существенного уменьшения площадей
сельскохозяйственного
назначения,
имеющих
жизненноважное
значение
в
обеспечении
продовольственной безопасности регионов.
Анализ последних исследований и публикаций. Таким образом, при дальнейшим
использовании в качестве альтернативного топлива [1,2] биодизеля может быть перспективным его
производство на основе эфиров смеси жирных кислот, полученных из морских водорослей. В тоже
время, существует необходимость определения физико-химических свойств (плотность, вязкость,
поверхностное натяжение, теплота испарения) и моторных характеристик (энергия активации,
стехиометрическое число, низшая теплотворная способность) и на их основе — определения давления и
температуры в цилиндре. Расчет давления и температуры по ходу рабочего процесса дает возможность
определить его индикаторные технико-экономические показатели, а также экологические
характеристики биодизеля. Это в конечном итоге позволит сопоставить полученные характеристики
биодизеля во взаимосвязи с уже имеющимися [3] характеристиками топлив из растительных масел и на
основании проведенного анализа спрогнозировать показатели рабочего процесса биодизеля, схожего по
химическому составу с биотопливом, при работе на котором характеристики уже рассчитаны [3].
Постановка задачи. Основываясь на имеющейся методике определения физико-химических
свойств (плотности, поверхностного натяжения, вязкости, теплоты испарения, молекулярной массы,
углеводородного состава), а также моторных характеристик (энергии активации, стехиометрического
числа, низшей теплоты сгорания) биодизельного топлива по его химическому составу определить
мощностные, экономические и экологические характеристики рабочего процесса биодизеля,
работающего на эфирах жирных кислот, полученных из водорослей.
Материалы и результаты исследования. Исходя из имеющихся данных [2] по химическому
составу растительных масел морских водорослей Nannochloropsis Oculata и Isochrysis Galbana (таблица
1) произведен расчет массовых долей углерода и водорода в данном биодизельном топливе для
растительного масла из Nannochloropsis Oculata, а также из Isochrysis Galbana (таблица 2). Как для
каждой составляющей так и для всей смеси эфиров жирных кислот (миристиновой 14:0, пальмитиновой
16:0, стеариновой 18:0, олеиновой 18:1, линоленовой 18:3, линолевой 18:2, арахидовой 20:4,
пальмитолетовой 16:1 и эйкозапентаеновой 20:5) определены по методике [3,4] физико-химические
свойства (таблица 2): поверхностное натяжение, плотность, динамическая и кинематическая вязкость,
молекулярная масса, а также теплота испарения по диаграмме [5] в зависимости от температуры
испарения.
Таблица 1 – Химический состав растительных масел на основе морских водорослей
14:0
16:0
16:1
18:0
18:1
18:2
18:3
20:4
20:5
20:6
водоросль
Nannoch.
4
29
24
9
4
1
1
5
22
Oculata
Iso. Galbana
13
36
32
1
4
4
7
3
Вісник СевНТУ: зб. наук. пр. Вип. 134/2012. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. — Севастополь, 2012.
МАШИНОПРИЛАДОБУДУВАННЯ ТА ТРАНСПОРТ
192
Таблица 2 – Физико-химические свойства биодизеля их жирных кислот водорослей Nannochloropsis
Oculata и Isochrysis Galbana в сопоставлении с биодизелем из масел растительного происхождения [3]
показатель
Вид масла биодизеля
Nannoch.
льняное
соевое
Oculata
81,83
82,54
80,04
Q исп
размерность
Дж/кг
подсолнечное
81,27
Дин. вязк
Па/сек
0,00178
0,0021
0,00162
мм /сек
кг/м3
мН/м
1,95
870
27,53
0,771
0,114
0,115
2,3
895
26,23
0,764
0,119
0,117
кг/моль
0,2791
0,269
Кинем. вязк
Плотность
Поверх. натяж.
% углерод
% водород
% кислород
молекулярная
масса
2
89,8
Isochrysis
Galbana
72,17
0,0018
0,002
0,0018
1,903
850
27,85
0,774
0,112
0,115
2
841
26,95
0,768
0,117
0,114
2,2
841
24,23
0,771
0,119
0,109
2,2
825
26,26
0,755
0,122
0,123
79,9
0,00188
5
1,93
845
27,32
0,769
0,115
0,115
0,2791
0,2795
0,292
0,259
0,276
рапс
конопля
Объектом исследования является перспективный высокофорсированный дизельный двигатель
Д249 с возможностью рециркуляции ОГ, производства ОАО «Минский моторный завод», Республика
Беларусь. Моторные характеристики данного биодизеля по методике [3] определены в таблице 3.
Таблица 3 – Моторные характеристики биодизеля из морских водорослей в сопоставлении с
характеристиками биодизеля растительного происхождения
Вид масла биодизеля
показатель
Цикл.подача
размерность
грамм
подсолнечное
0,1065
Nannoch.
Oculata
0,108
Прод-ть впрыска
град. п.к.в.
17,49
16,55
Ср. диаметр капли
Теплотворная
способность
Стехиометрическое число
Энергия активации
мкм
11,8
кДж/кг
кг возд./кг
топлива
кДж/моль
льняное
соевое
рапс
0,106
0,105
0,108
Isochrysis
Galbana
0,1056
17,48
17,05
17,94
17,9
17,59
13,5
11,5
11,6
12,6
11,25
11,8
36683
36882
36526
36919
37310
36855
36700
12,27
12,34
12,13
12,35
12348
12,32
12,3
22688
21962
23045
22375
26247
18731
22041
конопля
0,106
Определенные физико-химические свойства (таблица 1) и моторные характеристики (таблица 2)
позволяют определить мощность, экономичность и эмиссию оксидов азота NOx объекта исследования.
Определение давления и температуры в цилиндре осуществлено по методике [3,6,7,8]. Расчет эмиссии
NOx осуществлен по методике [7].
В таблице 4 представлены результаты моделирования показателей рабочего процесса биодизеля
на основе эфиров морских водорослей Nannochloropsis Oculata и Isochrysis Galbana в сопоставлении с
биодизелем из масел растительного происхождения. Во всех расчетах по вычислительному эксперименту
(таблица 4) мощность поддерживалась постоянной.
Таблица 4 – Индикаторные показатели биодизеля на основе эфиров
происхождения и морских водорослей
Вид масла биодизеля
показатель
размерПодсолNannoch.
льняное соевое
ность
нечное
Oculata
Nox
г/час
834
884
822
817
Ne
кВт
83,4
82,8
83,4
83,4
ge
г/кВт·час
228,5
229
228,5
226
жирных кислот растительного
рапс
842
83
233
Isochrysis
Galbana
787
82,8
224
конопля
818
83,6
228,0
Оценку применимости биотоплив, полученных из смеси жирных кислот морских водорослей
Nannochloropsis Oculata и Isochrysis Galbana в сопоставлении с имеющимися характеристиками
биодизеля, предлагается проводить согласно критерию с учетом молекулярной массы биотоплива
k топл=
Hu
⋅ mтопл ,
Ea
(1)
Вісник СевНТУ: зб. наук. пр. Вип. 134/2012. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. — Севастополь, 2012.
МАШИНОПРИЛАДОБУДУВАННЯ ТА ТРАНСПОРТ
193
где mтопл – молекулярная масса топлива.
Коэффициент k топл характеризует [3] химические свойства (качество процессов воспламенения)
топлива. Топливо с меньшей энергией активации и большей теплотворностью в ходе своего
воспламенения задействует для активации процесса сгорания меньше активных центров тепловыделения
в период задержки воспламенения, что приводит к меньшим тепловым потерям в ходе сгорания топлива.
Следует отметить, что на показатели рабочего процесса оказывают влияния не только химические
факторы воспламенения, но и физические свойства топлива (таблица 2), (рисунок 2).
Зависимость экономических и экологических показателей рабочего процесса биодизеля от
коэффициента k топл представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Зависимость экономических и экологических показателей биодизеля от коэффициента k топл .
Анализ полученных данных (рисунок 1) показывает, что с точки зрения химических свойств и
связанных с ними моторных характеристик (энергии активации и теплотворной способности), водоросль
Nannochloropsis Oculata не уступает биотопливу растительного происхождения, а биотопливо из
водоросли Isochrysis Galbana превосходит по экономичности в среднем на 4г/кВт·час( до 2%), а по
эмиссии NOx на 20г/час (свыше 4%).
В тоже время рисунок 1 показывает, что показатели рабочего процесса, в частности — удельный
расход топлива и эмиссия NOx, зависит от физических свойств топлива (динамической вязкости,
плотности), которая отличается от других видов биотоплив, представленных в таблице 2. В данной связи
характерным является изменение диаметра капли (рисунок 2), определенного ранее [3], от коэффициента
k топл .
Ухудшение физических свойств биотоплива на основе Nannochloropsis Oculata может быть
связано с достаточной большой концентрацией (22%) в ней непредельной эйкозапентаеновой кислоты
С20:5, что может быть исправлено некоторым повышением давления впрыска топлива. Исследователи
[2] предлагают также использовать смесь биотоплив с различным соотношением Nannochloropsis Oculata
и Isochrysis Galbana.
Рисунок 2 – Зависимость основного показателя качества распыливания топлива (диаметра капли) от
коэффициента k топл .
Вісник СевНТУ: зб. наук. пр. Вип. 134/2012. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. — Севастополь, 2012.
194
МАШИНОПРИЛАДОБУДУВАННЯ ТА ТРАНСПОРТ
Вывод. В ходе данного исследования в целях определению показателей биодизеля работающего
на топливах из эфиров жирных кислот, входящих в состав морских водорослей Nannochloropsis Oculata и
Isochrysis Galbana установлено, что данный тип биотоплива может быть использован в биодизеле. При
этом, при работе на биотопливе из водорослей Isochrysis Galbana экономичность биодизеля улучшается
до 2%, эмиссия NOx уменьшается более чем на 4%. Для использования биотоплива, изготовленного из
морских водорослей Nannochloropsis Oculata, рекомендуется изменить характеристики впрыска топлива,
в частности, увеличить давление впрыска на 8%.
Библиографический список использованной литературы
1. Семенов В.Г. Биодизель. Физико-химические показатели и эколого-экономические характеристики работы дизельного двигателя / В.Г. Семенов. — Харьков : РИО НТУ ХПИ, 2002. — 143 с.
2. Bethany Fisher Сharacterization of gaseous and particulate emissions from combustion of algae based
methyl ester biodiesel || Thesis for the Degree of Master of Science. — Fort Collins, Colorado, 2009.
3. Колодницкая Р.В. Анализ влияния углеводородного состава биодизеля из растительных масел
на показатели рабочего процесса дизельного двигателя / Р.В. Колодницкая, Г.А. Вершина, А.Ю. Пилатов
// Вiстi Автомобильно-дорожнього институту. — 2011. — № 1 (12). — С. 118–129.
4. Моделювання довжини конуса розпилювання у дизельних двигунах (cofm- модель) /
Р.В. Колодницька, K. Kарімі, К. Круа, M.Р. Хaйкель, Е.М. Сажина // Вісті Автомобільно-дорожнього
інституту. — 2008. — № 1 (6). — С. 51–55.
5. Варгафтин Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей [Электронный
ресурс] / Н.Б. Варгафтин. — Электрон. текстовые данные. — Режим доступа: http://conductivity.at.ua
6. Пилатов А.Ю. Теоретическое обоснование озонирования свежего заряда дизельного двигателя:
дис. … канд. техн. наук: 05.04.02 / А.Ю. Пилатов. — Минск, 2011.
7. Руктешель О.С. Термодинамический метод расчета оксидов азота NOx по температурному полю
внутрицилиндрового пространства высокофорсированного дизеля / О.С. Руктешель, Г.А. Вершина,
А.Ю. Пилатов // Вес. Нац. акад. навук Беларусi. Сер. фiзiка-тэхн. навук. — 2007. — № 4. — С. 43–54.
8. Ноженко Е.С. Повышение энергетической эффективности рабочих тепловоза активацией
рабочих сред: дис. … канд. техн. наук : 05.22.07 / Е.С. Ноженко. — 2010.
Поступила в редакцию 14.05.2012 г.
Колодницька Р.В., Пілатов О.Ю. Моделювання техніко-економічних показників робочого процесу
біодизеля на основі рослинних мастил морських водоростей
Визначено основні фізико-хімічні властивості і моторні характеристики палива на основі ефірів
морських водоростей. Визначено потужності, економічні та екологічні показники біодизеля з
урахуванням певних фізико-хімічних властивостей і моторних характеристик біодизеля.
Ключові слова: біодизель, моделювання, робочий процес, паливо з морських водоростей.
Kolodniszka R., Pilatau A. Design technicals economics indexes of working process of biodiesel on the
basis of vegetable of algae
The paper is determined the main physico-chemical properties and characteristics of algae based esters
biodiesel. Also is defined power, economic and ecological performance of biodiesel in the light of certain
physico-chemical properties and motor performance of biodiesel.
Keywords: a biodiesel, a modeling, a engine cycle, a algae based esters fuel.
Вісник СевНТУ: зб. наук. пр. Вип. 134/2012. Серія: Машиноприладобудування та транспорт. — Севастополь, 2012.