close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

49. ЖИДКОСТНЫЕ НЕЙТРАЛИЗАТОРЫ (ТЕОРИЯ. КОНСТРУКЦИИ. РАСЧЕТ)

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
И.Б. Тришкин Д.О. Олейник О.О. Максименко
ЖИДКОСТНЫЕ НЕЙТРАЛИЗАТОРЫ
(ТЕОРИЯ. КОНСТРУКЦИИ. РАСЧЕТ)
Рязань, 2013
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.372:621.436
ББК 39.354 39.35 – 08н
Т-698
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Н.В. Бышов;
доктор технических наук, профессор В.А. Макаров.
Тришкин И.Б., Олейник Д.О., Максименко О.О. Жидкостные нейтрализаторы
(Теория. Конструкции. Расчет) – ФГБОУ ВПО РГАТУ, Рязань, 2013. – 130 с.
ISBN – 5 –
В монографии изложены актуальные вопросы повышения
экологической безопасности при проведении механизированных работ в
производственных зданиях и сооружениях сельского хозяйства. Рассмотрены
экологические и экономические аспекты загрязнения атмосферы помещений
отработавшими газами мобильных энергетических средств и влияние их на
условия труда обслуживающего персонала и качество сельскохозяйственной
продукции. Представлены и обоснованы конструктивно-теоретические
параметры устройств для снижения токсичности и удаления отработавших
газов дизельных двигателей работающих в сельскохозяйственных
помещениях.
Книга предназначена для научных работников и инженеров,
занимающихся проблемой снижения токсичности и нейтрализации вредных
компонентов отработавших газов, а также может быть полезна
преподавателям, аспирантам и студентам сельскохозяйственных и
технических вузов.
ISBN –5 –
© Тришкин И.Б., Олейник Д.О., Максименко О.О., 2013
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Рязанский
государственный агротехнологический
университет имени П.А. Костычева»
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Основами продовольственной безопасности РФ являются увеличение
объемов
производства
растениеводческой
основных
продукции.
видов
животноводческой
Увеличение поголовья
и
и повышение
продуктивности скота, птицы, основных видов сельскохозяйственных
культур, должно происходить при одновременном поддержании высокого
качества конечного продукта. Достижение поставленных задач невозможно
без улучшения условий содержания сельскохозяйственных животных и
произрастания
растений.
Это
подразумевает создание оптимальных
параметров микроклимата животноводческих помещений и помещений
защищенного грунта, а так же создание условий для здорового и
высокопроизводительного
труда
работников
сельскохозяйственных
предприятий [11,12,13,35,39,42].
Одной из причин, вызывающих нарушение воздушно-газового режима
атмосферы помещения, и, как следствие, влекущей за собой ухудшение
условий труда, качества продукции, сокращение срока службы зданий и
сооружений, является эксплуатация мобильной сельскохозяйственной техники
внутри закрытых сельскохозяйственных зданий и сооружений (сооружениях
защищенного грунта, животноводческих помещениях, складах, хранилищах и
т.п.) [39]. В качестве силовых агрегатов на неё, как правило, устанавливаются
дизельные двигатели, обладающие меньшей токсичностью и большей
экономичностью по сравнению с бензиновыми аналогами, но, тем не менее,
их использование способствует накоплению в воздушной среде помещений
токсичных компонентов (ТК) отработавших газов (ОГ), действие которых
негативно сказывается на здоровье обслуживающего персонала [11,12,42].
В сельскохозяйственном производстве концентрация токсичных веществ
(ТВ), образующихся при эксплуатации тракторов, сельскохозяйственных
машин и других машин с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) пока
невелика [20], это связано, прежде всего, с тем, что техника рассредоточена на
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
значительных площадях и в большинстве случаев на открытом пространстве.
Проблема
приобретает
остроту
при
эксплуатации
мобильной
сельскохозяйственной техники внутри закрытых производственных зданий и
сооружений. Отработавшие газы из силового агрегата рассеиваются и
переносятся в воздухе постоянно существующими турбулентными вихрями
различных масштабов. Нарушение воздушно-газового режима атмосферы
закрытых помещений, вследствие выброса токсичных веществ (ТВ) в составе
ОГ от дизельных двигателей и, создание тем самым экологически экстремальных условий для работы персонала, развития сельскохозяйственных
животных и растений, препятствует полноценному использованию, а в
некоторых
случаях
делает
невозможным
применение
мобильных
энергетических средств.
Многочисленными исследованиями [7,15,17] установлено, что даже
после непродолжительной работы мобильных энергетических средств (МЭС)
внутри закрытого сельскохозяйственного помещения, содержание ТК ОГ в
воздухе рабочей зоны превышает предельно-допустимые концентрации
(ПДК) в несколько раз. Это, в свою очередь, негативно сказывается на
здоровье людей и сельскохозяйственных животных, росте возделываемых
культур, и, следовательно, на качестве и объемах производимой продукции.
Меры, связанные с внесением существенных изменений в конструкции
двигателей, а также с применением альтернативных видов топлива, требуют
перестройки промышленности, сырьевой базы и
вложения крупных
материальных затрат. Учитывая, что современный уровень развития
двигателестроения и существующие конструкции двигателей внутреннего
сгорания не обеспечивают выполнение жестких экологических нормативов,
таких как Euro, Stage и Tier, без применения специальных устройств для
снижения токсичности и дымности ОГ, дальнейшие работы по этому
направлению будут малоэффективными. Кроме того, снижению токсичности,
как правило, противопоставляется ухудшение мощностных и экономических
показателей двигателей внутреннего сгорания [22].
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Существующие способы снижения токсичности автотракторных
двигателей в основном заключаются в конструктивных изменениях
двигателей с целью воздействия на характер протекания рабочего процесса,
применении альтернативных видов топлива и различных присадок к нему,
рециркуляции ОГ, а также в оснащении двигателей нейтрализаторами ОГ
[17,18,27,46,50,66].
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.
АНАЛИЗ СПОСОБОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ
МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ С ДВС В
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ
ОГРАНИЧЕННОГО ОБЪЕМА
1.1. Сельскохозяйственные производственные здания и сооружения
ограниченного объема и воздухообмена, основные виды
механизированных работ и применяемое технологическое оборудование
Сельское хозяйство - вид человеческой деятельности, основная задача
которого удовлетворение потребностей общества в продуктах питания.
Средства, главное из которых земля, ресурсы и орудия производства - вот что
определяет успех решения этой задачи.
Сельскохозяйственные производственные здания и сооружения
ограниченного объема и воздухообмена предназначаются для различных
отраслей сельскохозяйственного производства (рис. 1.1.) 64,74.
Постройки в сельской местности должны обеспечивать комфорт
условий быта и труда человека. Они необходимы также для переработки
продукции, обслуживания техники, хранения орудий труда, семян и т.п. В
животноводческо-птицеводческой, а также в культивационной сферах
производственные постройки входят в состав необходимых средств,
непосредственно обеспечивающих технологические режимы содержания
животных, птиц и растений. Это указывает на высокую их значимость,
соизмеримую со значимостью основных средств производства.
Мобильные
комплексным
энергетические
выполнением
средства
(МЭС)
технологических
справляются
с
процессов
в
сельскохозяйственном производстве в оптимальные агротехнические сроки,
в разных почвенно-климатических зонах, с минимальным вредным
воздействием на окружающую среду и с наименьшими затратами ресурсов
6
Рисунок 1.1. - Классификация сельскохозяйственных производственных зданий и сооружений ограниченного
объема и воздухообмена.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в целях получения низкой себестоимости и высокого качества продукции
74,76,83.
МЭС в совокупности с навесным оборудованием могут выполнять
различные трудоемкие операции. Вид навесного оборудования варьируется в
зависимости от специфики выполняемых работ (рис. 1.2.) 8.
Мобильное
энергетическое
средство
Виды
навесного
оборудования
+
автомобили,
тракторы…
=
кормораздатчики
Виды
выполняемых
работ
кормоприготовительнораздаточные
почвообрабатывающие
погрузочноразгрузочные
транспортно-складские
плуги,
фрезы
грузовые вилы,
ковши
подъемники,
краны
бульдозерные
отвалы
гидромолоты,
гидробуры
…
строительнопланировочные
аварийноремонтные
…
Рисунок 1.2. - Универсальное использование
мобильного энергетического средства
Так, например, в животноводстве при транспортировке и раздаче
кормов широкое применение нашли мобильные кормораздатчики. На фермах
крупного рогатого скота и в свиноводческих помещениях используют
кормораздатчики, смонтированные на прицепной тракторной тележке или на
шасси автомобилей (табл. 1.1.).
Таблица
1.1
-
Краткая
техническая
характеристика
мобильных
кормораздатчиков
Основные параметры
Габаритные размеры (м):
- длина
- ширина
- высота
Грузоподъемность (т)
Объем кузова (бункера) (м3 )
Агрегатирование
КТУ-10
ПТУ-10
КУТ-3,0А
КРС-1
6175
2300
2440
3,3
10,0
5800
2250
2380
4,0
10,0
3215
1530
1640
1,0
1,5
МТЗ-80/82
МТЗ-80/82
4160
1850
2080
3,0
МТЗ-80/82
Т-40
8
ВТЗ-2027
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При откорме крупного рогатого скота на площадках применяют
раздатчики-смесители кормов в двух вариантах: навесном – на базе шасси
автомобилей ЗиЛ-433362, ЗиЛ-494560, ГАЗ-3307 и прицепном – к трактору
МТЗ-80/82 8,38,70.
Трудоемкие операции по уборке навоза также механизированы.
Механическое удаление навоза наибольшее распространение получило на
свиноводческих фермах и фермах крупного рогатого скота.
На выгульных крытых площадках этих ферм навоз убирается при
помощи агрегата БН-1, представляющего собой трактор МТЗ-80/82,
оборудованный бульдозером БН-1.
В коровниках, где скот содержат на грубой подстилке, навоз убирают
трактором ДТ-75 с бульдозером. При боковом содержании коров для уборки
навоза может также применяться трактор с бульдозерной навеской. Для
транспортировки навоза из коровника его грузят в транспортные средства
навесными тракторными погрузчиками.
Вышеперечисленные агрегаты, работают в совокупности с МЭС. Эта
взаимосвязь прослеживается не только в животноводческо-птицеводческой
сфере, но и, например, в культивационной.
В настоящее время в тепличных комбинатах механизированы все
трудоемкие работы по смене и обработке почвы, приготовлению почвенных
смесей,
посеву,
подкормке,
борьбе
с
болезнями
и
вредителями,
транспортировке.
Такие важные этапы обработки почвы в теплицах как вскапывание и
фрезерование
осуществляются
МЭС
в
совокупности
с
почвообрабатывающими машинами, краткая техническая характеристика
которых представлена в таблице 1.2.
Приоритет при выполнении энергоемких работ в теплицах отдается
тракторам ВТЗ-2027, ВТЗ-3069 и «Универсал 445V», а также самоходным
шасси ВТЗ-30СШ. Эти МЭС малогабаритные, мощные, обладают хорошей
маневренностью, небольшой массой, малым радиусом поворота и широким
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
диапазоном скоростей.
Таблица 1.2. - Краткая техническая характеристика почвообрабатывающих
машин
Вид обработки
Ширина захвата (м)
Диаметр ротора (м)
Частота вращения (n-1 )
Глубина обработки (м)
Масса (кг)
Агрегатирование
Скорость рабочая (км/ч)
Производительность (га/ч):
- чистой работы
- сменного времени
Мощность потребная (кВт)
Вскапывание
КР-1,5
1,5
1,00
38
до 0,35
630
ВТЗ-2027, Т-30,
U-445V
1,5-2,2
0,42
0,17
15,7
Фрезерование
ФТ-1,5
МПТ-1,2
1,5
1,2
0,42
0,80
156, 184, 215
40-78
0,12-0,18
0,30
320
615
ВТЗ-2027, Т-30,
Т-54,
U-445V
U-445V
1,5-2,3
1,7
0,52
0,11
16,0
0,24
0,05
17,7
Значительная часть перевозок внутри тепличных комбинатов, в
отличие от перевозок в животноводческо-птицеводческих помещениях, где
используются более мощные и габаритные МЭС (Т-40, МТЗ-80/82, ЮМЗ-6,
ГАЗ-3307, ЗИЛ-4331 и т.п.), осуществляется в основном тракторами ВТЗ2027, ВТЗ-3069 и самоходными шасси ВТЗ-30СШ, а иногда бортовыми
автомобилями с разрешенной максимальной массой до 3500 кг (УАЗ-3303,
ГАЗ-3302 и т.п.) 8, 38.
Погрузочно-разгрузочные работы, как в тепличных комбинатах, так и в
складских
помещениях
выполняются
самоходными
транспортными
средствами (автотракторными подъемниками, электропогрузчиками и т.п.).
Среди средств механизации погрузочно-разгрузочных и транспортноскладских работ автотракторные и электропогрузчики являются наиболее
массовыми универсальными машинами. Они обеспечивают высокие
эксплуатационные показатели при сравнительно небольших капитальных
вложениях и коротких сроках окупаемости.
Электропогрузчики (ЭП-103, ЭП-0801 и т.п.), используемые в
тепличных и складских комбинатах, более гигиеничны, чем автотракторные
погрузчики (4045Р, 4022, ПУТ-0,7 (агрегатируемые с трактором ВТЗ-2027,
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВТЗ-3069) и т.п.), выделяющие ОГ 8,82.
Однако автотракторные погрузчики имеют ряд преимуществ перед
электропогрузчиками: высокую маневренность, независимость от источников
электроснабжения; возможность работы в любых погодных условиях вне
помещений, в том числе в холодное время года в неотапливаемых
помещениях и на открытых площадях; более высокие рабочие скорости, чем
у электропогрузчиков, а, следовательно, большую производительность.
Автотракторные погрузчики способны работать на крутых подъемах и
спусках, на неровных площадках (в то время как электропогрузчики,
особенно западного производства, предъявляют высокие требования к полам
помещений) 39,82.
В данном разделе рассмотрена лишь незначительная часть того, на что
способны
МЭС
вышеизложенного
в
совокупности
следует,
что
с
навесным
преимуществом
оборудованием.
Из
МЭС
их
является
универсальность. В совокупности с целым рядом быстросменного
технологического оборудования они способны выполнять различные
трудоемкие операции. Однако существенным недостатком МЭС является
наличие ОГ от работающего двигателя внутреннего сгорания (бензинового
или дизельного), что ограничивает их применение в помещениях без
специальных устройств или мероприятий, способствующих снижению
токсичности ОГ.
1.2. Анализ способов и средств обеспечения воздухообмена в помещениях
при работе в них мобильных энергетических средств оснащенных
двигателем внутреннего сгорания
Для обеспечения требуемого воздухообмена в сельскохозяйственных
помещениях ограниченного объема применяют вентиляционные устройства,
которые
предназначены
для
поддержания
оптимального
режима
температуры, влажности и скорости воздуха, а также для удаления вредных
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
веществ, входящих в состав ОГ.
Вентиляция является одним из способов поддержания воздушногазового режима помещения на безопасном для людей и продукции уровне.
Классификация
систем
вентиляции
сельскохозяйственных
производственных зданий и сооружений представлена на рисунке 1.3.
15,16,28,29.
Н Е Р Е ГУ Л И РУ Е М А Я
РЕ Г У Л И Р У Е М А Я
п о с п о с о б у о су щ е с т в л е н и я
в о з д у х о о б м е на
И С КУССТВ ЕН НАЯ
М ЕС Т Н АЯ
ОБЩ ЕОБМ ЕННАЯ
Е С ТЕ СТ ВЕ Н Н А Я
СМ Е Ш А Н Н АЯ
п о с по со бу по бу ж ден ия
в о з д ух а
по о бхват у
р а б о ч и х м е ст
и зо н
П РО И З В О Д С Т В Е Н Н А Я
В Е Н Т И Л ЯЦ И Я
РА Б О Ч А Я
п о н а з на ч е н и ю
А В А РИ Й Н А Я
п о п р и н ц и п у д е й ст в и я
КОМ БИНИРО В А Н Н А Я
ВЫ ТЯ Ж Н АЯ
П РИ ТОЧ Н АЯ
П РИ ТОЧ Н ОВ Ы ТЯ Ж Н А Я
по ха ра к т еру
р а с п р е д е л е ни я в о з д у х а
Р А С С РЕ Д О Т О ЧЕННАЯ
К О М П АК ТН АЯ
Рисунок 1.3. – Классификация систем вентиляции сельскохозяйственных
производственных зданий и сооружений
Вентиляция с механическим побуждением позволяет удалять из
помещений строго ограниченное количество загрязненного воздуха и
заменять его свежим. Кратность воздухообмена вентиляции выбирается с
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
учетом
поддержания
оптимального
микроклимата
в
помещениях.
Вентиляция в помещениях может быть естественная, а необходимых случаях
– смешанная (с механическим и естественным побуждением тяги). На
вентиляцию помещений и связанное с ней движение воздуха влияют
различные факторы. Наиболее важные из которых: высота помещения,
разность температур и давлений снаружи и внутри помещения. Чем больше
эффект тяги, тем больше кратность воздухообмена. Эффективность
вентиляции также зависит от силы и направления воздушных масс вне
помещения.
При выборе типа вентиляции учитывается специфика загрязнения
воздушной среды сельскохозяйственных помещений ОГ.
Следует учитывать то обстоятельство, что все существующие методики
по проектированию и расчету вентиляции проводятся без учета того, каким
образом выполняются технологические операции в помещениях. Так,
например, некоторые продукты производства под действием низких
температур
претерпевают
различные
изменения,
которые
ведут
к
увеличению себестоимости продукции, а иногда и полной ее утрате. Поэтому
в зимний период времени по экономико-технологическим причинам многие
помещения
не
проветривают.
Следовательно,
с
учетом специфики
загрязнения воздушной среды необходим выбор тех средств механизации,
которые позволят локально устранить или минимизировать выброс
токсичных веществ ОГ ДВС и потребуют при этом минимум затрат.
Исходя из вышеизложенного, при работе МЭС в помещениях для
поддержания оптимального микроклимата в них, в частности, обеспечения
содержания токсичных и канцерогенных веществ ниже ПДК, необходимо
применение мер, которые бы обеспечивали устранение влияния вредных
веществ, содержащихся в ОГ ДВС мобильных энергетических средств, на все
составляющие производственного процесса (обслуживающий персонал,
продукцию, производственные здания и сооружения, орудия производства и
т.п.).
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.3. Экологические и экономические аспекты загрязнения воздушной
среды сельскохозяйственных производственных помещений
отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания мобильных
энергетических средства и влияние их на условия труда
обслуживающего персонала и качество
сельскохозяйственной продукции
Основными источниками загрязнения атмосферы являются природные,
производственные и бытовые процессы.
В настоящее время ДВС является одним из интенсивных источников
загрязнения атмосферы в зоне активной производственной деятельности
человека.
В
сельскохозяйственном
производстве
проблема
загрязнения
атмосферы продуктами выхлопа ДВС менее остра, так как источники
загрязнения
–
тракторы,
автомобили,
мобильные
и стационарные
сельскохозяйственные машины с ДВС – рассредоточены на больших
площадях. Эта проблема приобретает остроту и, в отдельных случаях,
препятствует
полноценному
использованию
мобильной
сельскохозяйственной техники, когда она применяется в производственных
помещениях (животноводческо-птицеводческие и складские помещения,
теплицы, гаражи и т.п.).
Так, например, работа МЭС с ДВС в животноводческих помещениях
оказывает негативное влияние на их микроклимат, а, следовательно, на
здоровье животных и их продуктивность. При несоответствии микроклимата
оптимальным зоогигиеническим параметрам надои молока снижаются на
10…20%, прирост массы животных – на 20…30%, отход молодняка
достигает 30% 11,75,76,78.
При содержании животных в закрытых, плохо вентилируемых зданиях
в воздухе стойловых помещений скапливается значительное количество
углекислого газа, выделяемого при дыхании, что негативно сказывается на
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
продуктивности животных, так и на их здоровье.
Если в наружном воздухе содержится 0,03…0,04% СО 2, то в
помещениях для животных его содержание может достигать 0,4…1,0%, от
чего снижается нормальный обмен веществ у животных, их продуктивность
и сопротивляемость заболеваниям 11,75.
В результате разложения и брожения навоза, воздух в стойловых
помещениях загрязняется аммиаком (NН3) и сероводородом (Н2S). Они
оказывают вредное действие на организм животных, ослабляют их и
способствуют заболеванию. Кроме того, аммиак раздражает слизистую
оболочку глаз и дыхательных путей. Сероводород является ядом для
кровеносной и нервной системы, поэтому по зоогигиеническим требованиям
углекислоты в воздухе стойловых помещений зданий для крупного рогатого
скота не должно превышать 0,25…0,3% по объему, аммиака составляет не
более 0,0025…0,0031%, а сероводорода – не более 0,001% по объему 11,75.
В теплицах воздействие загрязненного воздуха на растения вызывает
нарушение функции их ассимилирующего аппарата. Происходит разрушение
протоплазмы и хлоропластов в листьях, прекращается деятельность устьиц,
возникают другие патологические явления, сопровождающиеся некрозом
тканей 11,26,61,75. Все это приводит к снижению урожайности и качества
получаемой продукции.
Важное значение имеет газообмен, как надземной части растений, так и
корневой системы. Важнейшими показателями тепличного грунта являются
его воздухопроницаемость и рыхлость, так как корни и почвенные
микроорганизмы нуждаются в кислороде для дыхания. Избыток углекислого
газа и недостаток кислорода угнетают дыхание корней. Потенциальная
возможность тепличных культур поглощать СО 2 значительна до (0,150,20%).
Однако,
высокие концентрации СО2
в воздухе теплиц в
определенных условиях могут привести к повреждениям листового аппарата
и органов плодоношения.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При концентрации СО 2 свыше 0,22% у томатов происходит избыточное
накопление крахмала и наблюдается некроз листьев. Концентрации СО2
свыше
0,15%
при
резком
наступлении
ясной
погоды
после
продолжительного пасмурного периода может привести к повреждению
листьев огурцов.
Опасность для растений представляют двуокись серы (SО2), оксиды
азота (NОх) и продукты фотохимических реакций. Накапливаясь в растениях,
они вызывают нарушение роста и развития, а также создают опасность для
людей и животных. 11,28,61,72.
Особа опасна для растений двуокись серы SО2, разрушающая
хлорофилл.
Установлено,
что
при
длительном
воздействии
SО2
концентрацией 0,015…0,035 мг/м3 потеря в приросте растительной массы
составляют 20%, а постепенной гибели растений способствует концентрация
0,08…0,10 мг/м3, а в осенне-зимний период 0,20 мг/м3 11,28,61,72.
В значительно меньшей степени изучено воздействие на растения
оксидов азота (NОх). Установлено, что их непосредственное токсичное
влияние на растения проявляется при концентрации NОх в воздухе в
пределах 0,4…0,6 мг/м3. При концентрации, близкой к нижнему пределу,
токсичное воздействие оксидов азота обнаруживается через несколько
десятков часов, а к верхнему пределу повреждение растений наблюдается
через 2 часа.
Под воздействием солнечной радиации возрастает токсичность оксидов
азота в результате реакций их с воздухом. Продуктами этих фотохимических
реакций является озон, который вступает в реакции с ненасыщенными
углеводородами и NОх, образуя очень вредные для растений соединения.
Также опасно для растения совместное воздействие NОх и SО2.
Повышенное
производственных
содержание
помещений
токсичных
снижает
веществ
в
производительность
воздухе
труда
обслуживающего персонала, сказывается на его здоровье, так как
отрицательно воздействует на нервную систему, вызывает кислородное
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
голодание, а иногда и более тяжелые последствия.
Следует учитывать тот факт, что токсичные и канцерогенные вещества
накапливаются в почве, растениях, животных и т.п., а затем непосредственно
или через продукцию попадают в организм человека.
Перечисленные
выше
отрицательные
последствия
загрязнения
окружающей среды продуктами выхлопа ДВС, являющиеся лишь вершиной
айсберга негативных последствий. Они ставят на повестку дня вопрос о
разработке методов и средств снижения их вредного воздействия путем
снижения концентрации токсичных компонентов ОГ до концентрации
безопасных норм.
1.4. Состав отработавших газов двигателей внутреннего сгорания
Отработавшие газы ДВС имеют большое количество компонентов
19,21. Точно определить объем вредных выбросов в атмосферу двигателями
практически невозможно. Величина выбросов вредных веществ (ВВ) зависит
от многих факторов, таких, например, как конструктивные параметры,
процессы подготовки и сгорания смеси, режим работы двигателя, его
техническое состояние и др. На основании данных о среднем статистическом
составе смеси для отдельных видов двигателей и соответствующих им
величин выброса токсичных веществ на 1 кг израсходованного топлива, зная
расход отдельных топлив, можно определить суммарную эмиссию.
Состав ОГ (табл. 1.3) двигателей с определенными конструктивными
параметрами в значительной степени зависит также от режимов работы.
В основном здесь оказывают влияние такие факторы как величина
коэффициента избытка воздуха, угол опережения зажигания (впрыска),
нагрузка, частота вращения коленчатого вала двигателя, степень сжатия и
форма камеры сгорания 22,37.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1.3. - Количество токсичных компонентов, выделяемых при
сгорании 1 кг топлива, мг.
Токсичный компонент
Бензин
465,59
23,28
15,83
1,86
0,93
1,00
0,50
508,99
Окись углерода
Углеводород
Окись азота
Ангидрид серной кислоты
Альдегиды
Сажа
Свинец
Всего
Вид топлива
Дизельное топливо
20,81
4,16
18,01
7,80
0,78
5,00
0,00
51,56
Выброс токсичных компонентов зависит также и от вида двигателя. Об
этом говорят данные, приведенные в таблице 1.4.
Таблица 1.4. - Сопоставление величин токсичных компонентов выбросов
различными силовыми установками
Выброс в целом, г/л.с.ч.
(13-ступенчатый цикл)
СО
СН
NОх
Силовые установки
ДВС с искровым зажиганием:
- на бензине
- на газе
Дизель:
- с непосредственным впрыском
- с предкамерой
Паровой двигатель
Газовая турбина
Двигатель Стирлинга
28,0
26,0
2,00
3,00
16,0
13,0
3,6
1,7
4,2
4,4
2,8
2,20
0,20
0,25
0,90
0,15
8,6
5,8
3,0
2,0
1,8
Из вышеизложенного можно сделать вывод о том, что присутствие
токсичных компонентов в ОГ ДВС обусловлено рядом конструктивных и
регулировочных
факторов,
видом
используемых
горюче-смазочных
материалов процессом сгорания, условием работы и технического состояния
двигателей.
К числу основных токсичных веществ, выделяемых с ОГ, относятся:
окись углерода, оксиды азота и серы, углеводороды, альдегиды, сажа, а также
свинец и его соединения. Однако, для бензиновых ДВС основными
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
токсичными
компонентами
являются
окись
углерода,
несгоревшие
углеводороды, окислы азота, свинец и его соединения, а для дизелей –
окислы азота, дымность (сажа), запах 51.
В число МЭС с ДВС непрерывно увеличивается. В связи с возросшей
механизацией сельскохозяйственных производственных процессов, что
повышает загрязнение окружающей среды ВВ. Поэтому для снижения
интенсивности загрязнения атмосферы необходимо резкое снижение ВВ,
выделяемых ДВС. В первую очередь это относится к мобильным
энергетическим средствам, работающим в закрытых сельскохозяйственных
производственных помещениях.
1.5. Токсичность отработавших газов дизельного двигателя. Их
воздействие на организм человека. Предельно - допустимые
концентрации токсичных веществ в атмосфере сельскохозяйственных
производственных помещений
Двигатель внутреннего сгорания является одним из источников
загрязнения окружающей среды. Проведенные исследования показали, что
ОГ содержат более 1000 различных веществ 19,21,37. Помимо прямого
вредного воздействия на человеческий организм, некоторые выбрасываемые
в атмосферу двигателем токсичные вещества приводят к образованию
ядовитого фотохимического тумана. Причиной его образования является
сложное взаимодействие выбрасываемых ДВС в атмосферу оксидов азота,
углерода, непредельных углеводородов и полициклических ароматических
углеводородов.
В настоящее время большинство МЭС в сельском хозяйстве имеют в
качестве силовых установок дизельные ДВС. По своей природе ОГ этих
двигателей представляют собой сложную многокомпонентную смесь газов,
паров и капель жидкостей и дисперсных частиц твердых веществ. Состав ОГ
дизельных
ДВС
подобен
составу
19
ОГ
других
типов
двигателей,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
использующих углеводородное топливо, например, бензиновых (табл. 1.5.)
19,21,37.
При использовании обычных углеводородных топлив нефтяного
происхождения и атмосферного воздуха в качестве окислителя, ОГ
дизельных двигателей на 99,00-99,98% состоят из продуктов полного
сгорания топлива (СО 2 и Н2О) и воздуха с пониженным содержанием
кислорода.
Таблица 1.5. - Состав отработавших газов бензиновых и дизельных
двигателей
Компоненты
Азот
Кислород
Углекислый газ
Пары воды
Водород
Оксид углерода
Углеводороды
Оксид азота
Альдегиды
Сажа
Бенз/а/пирен
Единицы
измерения
% по объему
-//-//-//-//-//-//-//-//мг/л
/м3
Двигатели
бензиновые
дизельные
75…78
75..78
0,1…8,0
2,0…20,0
8,0…15,0
0,5…12,0
12…15
12…15
0,10…5,00
0,01…0,50
0,10…12,00
0,01…1,00
0,010…1,000
0,001…0,200
0,010…0,400
0,001…0,200
0,001…1,050
0,001…0,010
0,001…0,100
0,010…2,000
1…100
до 10
Примечание
нетоксично
-//-//-//-//токсично
-//-//-//-//канцерогенно
(=10-6 г)
Токсичность ОГ дизелей определяется в основном остальными 0,021,00% из объема, куда входят вещества, образующиеся в результате
термического синтеза из воздуха при высоких температурах (оксид азота), а
также продукты неполного сгорания топлива (несгоревшие углеводороды,
оксид углерода, спирты, кетоны, кислоты, перекиси, сернистый ангидрид,
частицы угля и сажи, продукты конденсации и полимеризации). Кроме
продуктов сгорания топлива, в ОГ дизельных двигателей присутствуют
продукты сгорания смазочного масла – вещества, образующиеся из присадок
к топливу, а также твердые частицы. В частности, было установлено, что в
ОГ бензинового двигателя присутствуют многочисленные элементы из
материала конструкции двигателя (Fe, Ni, Cu, Zn, Cr). Это явление имеет
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
место и для дизелей, многие металлы обнаруживаются в золе, содержащейся
в дизельной саже.
Присутствие мельчайших сажевых частиц в ОГ дизельных двигателей
определяет темную окраску и уровень дымности этих газов. Появление
черного дыма на выпуске, особенно при значительном увеличении цикловой
подачи топлива, при перегрузках, при переходе с одного режима на другой и
т.п.,
является
характерным
для
всех без
исключения
дизелей и
свидетельствует об интенсивном выделении в цилиндрах двигателя углерода
в виде сажи. На протяжении многих лет дизельная сажа считалась
относительно безвредной для живых организмов и рассматривалась только с
точки зрения ухудшения видимости и вызываемого дымом неприятного
ощущения. В настоящее время установлено, что сажевые частицы являются
активным адсорбентом и служат основными носителями сильнейших
токсичных и канцерогенных веществ. Так, при содержании 130 мг сажи в 1
м3 ОГ они становятся видимыми, а при содержании 600 мг в 1 м3 принимают
цвет средней черноты.
Проведенные исследования 21 показали, что большинство частиц
сажи имеют размеры 0,04-0,50 мкм. В свою очередь, они состоят из более
легких частиц с размерами 0,15-0,17 мкм. Эти частицы имеют значительную
площадь поверхности. Так как видимые ОГ соответствуют содержанию 130
мг сажи в 1 м3 газа, то в таком объеме имеется поверхность для возможного
осаждения на них канцерогенных веществ до 10 м 2, а для ОГ средней
черноты до 45 м2. По этой причине сажа в выхлопе двигателя опасна не
только как механический загрязнитель легких человека, но и как активный
переносчик канцерогенных веществ.
При работе на номинальной мощности дизельные ДВС выделяют
меньше токсичных веществ с ОГ нежели бензиновые (табл. 1.6.) 24,37.
Содержание такого опасного канцерогенного вещества, как бенз/а/пирен в
выхлопе дизельных двигателей меньше, чем у бензиновых двигателей. Но с
экологической точки зрения, дизельные двигатели уступают бензиновым по
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
содержанию в ОГ сернистого ангидрида и сажи.
Следует отметить, что на состав ОГ дизельного двигателя большое
влияние оказывает режим работы. Так снижение скоростного режима ведет к
увеличению содержания сажи и оксида азота. Это объясняется ухудшением
процесса
смесеобразования,
более
длительным
действием
высокой
температуры, вызывающим закалку оксида азота. Увеличение нагрузки
вызывает повышение токсичных компонентов, особенно при нагрузках,
близких к максимальным. Содержание канцерогенных веществ особенно
велико при пуске и остановке двигателя.
Таблица 1.6. - Выделения вредных веществ бензиновых и дизельных
двигателей с непосредственным впрыском топлива при работе
на номинальной мощности, г/кВтч
Выделяемые
вещества
Сернистый ангидрид
Оксид углерода
Альдегиды
(в
пересчете
на
акролеин)
Оксид
азота
(в
пересчете на NО х )
Углеводороды (в
пересчете на С)
Сажа
Бенз/а/пирен
Дизельные двигатели
Четырехтактные
Четырехтакт
без наддува
ные с
Ре0,5 МПа
Ре0,5 МПа
наддувом
0,95
0,95
0,90
4,1
5,4
4,8
Двухтактн
ые
Бензиновы
е
двигатели
1,00
11,0
0,30
50,0-130,0
0,13
0,20
0,20
0,34
3,40
12,0
19,0
16,3
19,0
27,0
2,0
1,4
1,40
4,1
2,0
2,00
3,4
1,4
1,40
8,2
1,2
1,14
10,0-100,0
0,4
20,00
Действие токсичных компонентов ОГ на человеческий организм
разнообразно, от инициации незначительных неприятных ощущений до
онкологических
заболеваний.
Степень
их
воздействия
зависит
от
концентрации в атмосфере, и индивидуальных особенностей человека.
Нормирование токсичности ОГ является главным стимулом к созданию
автомобилей с требуемыми экологическими показателями.
Впервые
нормирование токсичности ОГ и картерных газов было введено в 1959 г. в
штате Калифорния в США. В 1964 г. в этом же штате для автомобилей,
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
начиная с выпуска 1966 г. была введена система контроля токсичности ОГ, а
в 1970 г. в США был утвержден Государственный (федеральный) стандарт,
основой которого явился Калифорнийский стандарт. С 1970 г. Европейской
Экономической комиссией ООН рекомендованы единые для государств
Европы Правила оценки токсичности ОГ и картерных газов (Правила №15 и
№49). С 2000 г. в странах ЕЭС должны выполняться Правила №83.03,
Правила №49 и Правила №24.
В нашей стране нормирование токсичности ОГ началось в 1970 г.
утвержден специальный ГОСТ 16533-70. В настоящее время существуют
стандарты, разработанные в США, Европе и Японии, регионах с наиболее
жестким нормированием выбросов. Эти стандарты постоянно совершенствуются, а нормы становятся все более жесткими. Сформировалась четкая
тенденция приближения европейских стандартов к стандартам США.
Российские стандарты уже сейчас во многом идентичны Правилам №83.03
ЕЭК ООН, предусматривающим пять типов испытаний.
В России с 1 января 2008 г. введены нормативы «Евро-III» для
автомобилей, затем с 1 января 2010 г. - «Евро-IV», которые, в свою очередь,
сменят «Евро-V» – с 2014 г.(табл.1.7.). Следует отметить, что на
внедорожные машины эти нормативы не распространяются. Для самоходной
техники существуют собственные нормативы разработанные Евросоюзом и
именуемые Stage II и Stage III [264, 265, 266, 267]. Этими нормами
регламентируется максимальное содержание в ОГ четырех токсичных
составляющих – оксидов углерода (СО), азота (NO x), углеводородов (НС) и
твердых частиц или сажи (РМ).
Нормативы Stage I были введены в течение 1999 года. Более жесткие
Stage II вступали в действие поэтапно. С января 2001 г. под их действие
попали двигатели мощностью 18 – 37 кВт, а с января 2002 года Stage II
распространились на дизели мощностью от 130 до 560 кВт, которыми
оборудуются строительные машины массой от 20 до 100 т (табл. 1.8.) [71].
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1.7 – Нормы токсичности отработавших газов дизелей
Токсичные
Евро 0
Евро I
Евро II
Евро III
Евро IV
Евро V
1990 г.
1993 г.
1996 г.
2000 г.
2005 г.
2006 г.
CO
11,2
4,5
4,0
2,1
1,5
1,5
CH
2,4
1,1
1,1
0,66
0,46
0,46
NO x
14,4
8,0
7,0
5,0
3,5
2,0
Частицы
–
0,36
0,15
0,10
0,02
0,02
вещества,
г/(кВтч)
Таблица 1.8 – Нормы токсичности ОГ дизельных двигателей Stage II (г/кВт.ч)
Мощность
двигателя, кВт
18-37
130-560
75-130
37-75
Нормы
Дата вступления норм в
действие
1 января 2001 г.
1 января 2002 г.
1 января 2003 г.
1 января 2004 г.
токсичности
для
CO
CH
NOx
PM
5,5
3,5
5,0
5,0
1,5
1,0
1,0
1,3
8,0
6,0
6,0
7,0
0,8
0,2
0,3
0,4
двигателей
внедорожных
машин,
разработанные в США 1998 году, вводились в действие в три этапа.
Стандарты Tier 1 начали действовать в период с 1996-го по 2000 год. Более
жесткие Tier 2 - с 2001-го по 2006 год, а им на смену в период с 2006-го по
2008 год пришли еще более строгие стандарты Tier 3. Следует отметить, что
Tier 3 относятся только к ДВС мощностью 37...560 кВт (табл. 1.9.) [72].
Таблица 1.9 – Нормы токсичности ОГ дизельных двигателей внедорожных
машин Tier 1…3, установленные EPA, г/кВт . ч, (г/л.с. . ч)
Мощность
двигателя, кВт (л.с.)
1
Менее 8 (менее 11)
8…19 (11…25)
19…37 (25…50)
37…75 (50…100)
75…130 (100…175)
Этап
Tier
2
Tier1
Tier2
Tier1
Tier2
Tier1
Tier2
Tier1
Tier2
Tier3
Tier1
Tier2
Год
введения
3
2000
2005
2000
2005
1999
2004
1998
2004
2008
1997
2003
CO
CH
4
5
-
8,0 (6,0)
8,0 (6,0)
6,6 (4,9)
6,6 (4,9)
5,5 (4,1)
5,5 (4,1)
5,0 (3,7)
5,0 (3,7)
5,0 (3,7)
24
NM HC+
NOx
6
10,5 (7,8)
7,5 (5,6)
9,5 (7,1)
7,5 (5,6)
9,5 (7,1)
7,5 (5,6)
7,5 (5,6)
4,7 (3,5)
6,6 (4,9)
NOx
Сажа
7
9,2 (6,9)
9,2 (6,9)
-
8
1,0 (0,75)
0,80 (0,60)
0,80 (0,60)
0,80 (0,60)
0,80 (0,60)
0,60 (0,45)
0,40 (0,30)
0,30 (0,22)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
130…225 (175…300)
225…450 (300…600)
450…560 (600…750)
Более 560 (более 750)
Tier3
2007
5,0 (3,7)
-
4,0 (3,0)
-
-
Tier1
Tier2
Tier3
Tier1
Tier2
Tier3
Tier1
Tier2
Tier3
Tier1
Tier2
1996
2003
2006
1996
2001
2006
1996
2002
2006
2000
2006
11,4 (8,5)
3,5 (2,6)
3,5 (2,6)
11,4 (8,5)
3,5 (2,6)
3,5 (2,6)
11,4 (8,5)
3,5 (2,6)
3,5 (2,6)
11,4 (8,5)
3,5 (2,6)
1,3 (1,0)
1,3 (1,0)
1,3 (1,0)
1,3 (1,0)
-
6,6 (4,9)
4,0 (3,0)
6,4 (4,8)
4,0 (3,0)
6,4 (4,8)
4,0 (3,0)
6,4 (4,8)
9,2 (6,9)
9,2 (6,9)
9,2 (6,9)
9,2 (6,9)
-
0,54 (0,40)
0,20 (0,15)
0,54 (0,40)
0,20 (0,15)
0,54 (0,40)
0,20 (0,15)
0,54 (0,40)
0,20 (0,15)
Влияние отдельных компонентов ОГ на организм человека изучено
достаточно полно. Практически для каждого компонента ОГ установлены
ПДК (табл. 1.10.), определенные исходя из принципа полного отсутствия их
воздействия на организм человека 9,24,25,62,63.
Присутствие в ОГ большого числа ВВ, значительное колебание их
концентрации в зависимости от конструктивно - режимных параметров не
позволяет с требуемой надежностью оценить токсичные свойства ОГ в
целом.
Таблица 1.10. - Предельно допустимая концентрация основных токсичных
компонентов отработавших газов в атмосфере
Компоненты
Оксид углерода
Оксид
азота
(в
пересчете на NО х )
Углеводороды
(в
пересчете на С)
Сажа
Бенз/а/пирен
Предельно допустимые концентрации, мг/м3
Среднесуточная в
В атмосфере
Максимальноатмосфере
рабочей зоны
разовая
населенного пункта
0,003
0,005
0,020
0,000085
0,000085
0,009000
0,0015
0,00005
0,000000001
0,0050
0,00015
недопустимо
0,3000
0,00350
0,000000150
Ниже представлены основные составляющие токсичного выхлопа
дизельного двигателя внутреннего сгорания 19,37.
Окись углерода (СО). В обычных условиях окись углерода это газ, без
запаха и цвета. Окись углерода легче воздуха и легко распространяется в
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
атмосфере. Под действием окиси углерода красные кровяные шарики –
эритроциты теряют способность участвовать в газовом обмене организма
человека. Наступает кислородное голодание, сказывающееся, прежде всего,
на центральной нервной системе. При остром отравлении окисью углерода у
человека наступает резкая слабость, шум в ушах, головокружение и головная
боль, появляется боль в области сердца, тошнота и иногда рвота. Человек
перестает ориентироваться в пространстве, у одних наступает сонливость, у
других
возбуждение.
Иногда
наблюдаются
судороги,
а
нередко
пострадавший теряет сознание. Окись углерода в количестве свыше 0,01% по
объему может вызвать признаки отравления. Вдыхание воздуха с 0,12%
окиси углерода через 0,5 часа вызывает легкое сердцебиение, через 1,5 часа
головокружение, а через 2 часа головную боль, тошноту и частичную потерю
сознания. Концентрация в воздухе окиси углерода 0,20-0,25% через 0,5 часа
приводит к обморочному состоянию.
Оксиды азота (NОх). В отработавших газах ДВС присутствуют два
вида окислов азота: оксид азота (NО) – бесцветный газ и двуокись азота
(N2О5) – газ красновато-бурого цвета с характерным запахом. Попадая в
организм человека, они соединяются с водой (Н2О), образуя в дыхательных
путях соединения азотной (HNO3) и азотистой (HNO2) кислот. При
отравлении оксидами азота характерно наличие скрытого периода. Человек
удовлетворительно чувствует себя при работе с опасными концентрациями
оксидов азота, а впоследствии тяжело заболевает. Вдыхание с воздухом
0,01% оксидов азота в течение 0,5-1,0 ч может вызвать серьезные
заболевания. По действию на организм человека оксиды азота практически в
10 раз опаснее окиси углерода. Оксиды азота раздражающе действуют на
слизистые оболочки глаз, носа и рта. Кроме того, оксиды азота участвуют в
процессах, ведущих к образованию смога. Для удобства сравнения
содержания оксидов азота оба газа принято рассматривать в сумме с
пересчетом на N2О5 по количеству атомов азота.
Альдегиды (RхСНО) присутствуют в ОГ в основном в виде
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
формальдегида и акролеина.
Формальдегид (СН2=О) в обычных условиях представляет собой газ с
резким неприятным запахом. При охлаждении конденсируется в жидкость,
кипящую при температуре минус 21С (-294 К), раздражающе действует на
все слизистые оболочки и поражает центральную нервную систему. Как
острое, так и хроническое отравление газообразным формальдегидом
вызывает воспаление органов дыхания. При концентрации формальдегида в
атмосфере 0,007% наблюдается раздражение дыхательных путей и слизистых
оболочек глаз и носа, а при концентрации 0,18% уже сильное раздражение.
Формальдегид обнаруживается по резкому запаху при его содержании в
воздухе 0,0002 мг/л.
Акролеин (СН2 = СН–СНО) – газ (при температуре ниже 52,5С –
жидкость) с острым раздражающим запахом подгоревших жиров и масел.
Ядовит, пары его тяжелее воздуха. Сильно раздражает слизистые оболочки и
обладает общим токсичным действием. Содержание в атмосфере 0,002%
акролеина непереносимо, 0,0005% - трудно переносимо, 0,00008% - для
человека не опасно.
Углекислый газ (СО 2). Без цвета и запаха, тяжелее воздуха, поэтому
скапливается в пониженных местах. Повышение углекислого газа в
атмосфере
вызывает
у
человека
учащенное
дыхание.
Содержание
углекислого газа 20-25% по объему опасно для жизни. Там, где скопление
таких больших местных концентраций углекислого газа в атмосфере
маловероятно (открытые объемы), углекислый газ не следует относить к
категории токсичных. Однако, при работе ДВС в закрытых помещениях
ограниченного объема он вреден для здоровья человека.
Сернистый газ (SО2) и сероводород (Н2S) оказывают сильное
раздражающее действие на слизистые оболочки глаз и органов обоняния.
Губят растения, разрушают хлорофилл, вызывают гибель клеток, изменяют
коллоидное состояние протоплазмы, увеличивают ее дисперсность и
уменьшают гигроскопичность тканей.
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Углеводороды (С хНy). Углеводороды токсичны, под действием
солнечного света дополнительно вступают в реакции с оксидами азота
(NxOy ), образуя озон (O3) и перекиси (HxOy , НхN). Последние вызывают
раздражение глаз, горла, носа, губят растения.
Канцерогенные вещества. К числу канцерогенных веществ в ОГ
следует отнести бенз/а/пирен и ряд других. Особенно опасен бенз/а/пирен
(С20Н12). Исследования показывают, что для возникновения злокачественных
опухолей необходим непосредственный контакт канцерогенного вещества с
живой тканью. Причем опухоль появляется на месте этого контакта. В ОГ
переносчиком канцерогенных веществ могут являться частицы сажи.
Канцероген, попадая в организм человека, не выводится из него до конца его
жизни. Накопление в организме до опасных концентраций идет постепенно.
Это одна из причин того, что наряду с бурным развитием промышленности и
транспорта,
увеличился
удельный
вес
смертности
человека
от
онкологических заболеваний.
Сажа (Сх) - мелкая пыль, засоряет дыхательные пути, раздражает их и
может явиться причиной хронических заболеваний. Главная опасность сажи
заключается в том, что на ее поверхности адсорбируют токсичные и
канцерогенные вещества, являясь их носителем.
По степени воздействия на организм ВВ подразделяются на четыре
класса опасности: I – чрезвычайно опасные, II – высокоопасные, III –
умеренно опасные и IV – мало опасные.
Из всех веществ к первому классу относится только бенз/а/пирен
(С20Н12), для других канцерогенных веществ класс опасности не установлен.
Ко второму классу опасности относятся 10 веществ: оксид азота (NxOy аэрозоль), фенантрен, бензол (С 6Н6) и его производное фенол (С 6Н5-ОН),
формальдегид (СН2=О), акролеин (СН2 = СН–СНО) и т.д., к третьему классу
относятся 33 вещества, к четвертому – 40. Следует учитывать, что при
одновременном содержании в атмосферном воздухе нескольких веществ их
направленное действия, как сумма отношений фактических концентраций
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
каждого из них (С 1, С2, …, Сi) к их предельно допустимой концентрации
(ПДК1, ПДК2, …, ПДКi) не должны превышать единицы.
С1
С2
Сi
... 1
ПДК 1 ПДК 2
ПДК i
(1.1)
При одновременном содержании в атмосферном воздухе нескольких
ВВ, не обладающих однонаправленным действием, ПДК считаются такими
же, как при изолированном воздействии 44.
1.6. Анализ способов и средств снижения токсичности выхлопа
дизельного двигателя мобильного энергетического средства
Способы и средства для снижения токсичности ВВ, входящих в состав
ОГ дизельного двигателя, можно разделить по двум направлениям на три
основные группы (рисунок 1.4) 20,34.
Рисунок 1.4. - Способы и средства снижения токсичности вредных веществ
в отработавших газах дизельного двигателя.
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.6.1. Удаление токсичных компонентов отработавших газов
дизельного двигателя
Рассмотрим более подробно некоторые из способов, представленных
на рисунке 1.4.
Одним из путей устранения влияния вредных веществ, содержащихся в
ОГ дизельного двигателя, на обслуживающий персонал, животных, птиц и
растения, является применение специальных устройств, не допускающих
проникновения ОГ ДВС МЭС в атмосферу сельскохозяйственных зданий и
сооружений.
Стационарные устройства для удаления ОГ дизельных двигателей
МЭС в сущности напоминают друг друга 1,2,3. Принцип их работы
заключается в отводе ОГ ДВС за пределы атмосферы помещения
ограниченного объема и воздухообмена с помощью специальных вытяжных
воздуховодов, соединенных с выхлопной трубой двигателя.
Производительность их высока и они способны поддерживать ПДК ВВ
ОГ в воздухе рабочей зоны согласно санитарным нормам. Однако, из -за
своей стационарности эти устройства не могут применяться на МЭС,
выполняющих различные производственные операции внутри помещений
ограниченного объема и воздухообмена.
Конвейерные устройства удаления ОГ из атмосферы производственных
помещений более мобильные, чем стационарные 57,69. С точки зрения
производительности и поддержания микроклимата в сельскохозяйственных
производственных помещениях на требуемом уровне они занимают высокие
позиции. Однако сложность конструкций, обеспечивающих отвод ОГ от
выхлопной
трубы
МЭС,
с
экономической
точки
зрения,
влечет
нецелесообразность их использования в помещениях ограниченного объема
и воздухообмена, так как требуется значительное число дорогостоящих
газоотводящих воздуховодов при выполнении производственных операций.
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.6.2. Нейтрализация токсичных компонентов отработавших газов
дизельного двигателя
Другим направлением снижения токсичности ОГ дизельного двигателя
является нейтрализация.
Нейтрализация токсичных веществ ОГ дизельного двигателя может
быть осуществлена при помощи нейтрализаторов, основанных на различных
принципах действия. Выделяющиеся с ОГ дизельного двигателя продукты
неполного сгорания (СО, СН, альдегиды) могут быть окислены до конечных
продуктов СО 2, Н2О в термических или каталитических нейтрализаторах.
Для нейтрализации NОх необходимо протекание восстановительной реакции,
которая неосуществима в нейтрализаторах ОГ дизельных двигателей из-за
наличия в ОГ значительного количества свободного кислорода 20,37,43.
Поэтому
нейтрализаторы
дизельными
двигателями,
целесообразно
использовать
совместно
у которых выделение NОх снижено
с
до
необходимых пределов с помощью других средств.
Токсичные компоненты ОГ могут быть нейтрализованы во впускной
системе двигателя. С целью их окисления до конечных продуктов сгорания в
поток горячих ОГ непосредственно за выпускной клапан подают воздух 37.
Дожигание выделяющихся продуктов неполного сгорания топлива в
термических нейтрализаторах все же возможно. Однако их широкому
распространению мешает необходимость затраты дополнительной тепловой
энергии для поддержания в тепловой камере нейтрализатора температуры
порядка 700-800С. Следует также отметить, что вследствие возрастания
давления ОГ в выпускной системе с встроенным реактором, происходит
некоторое уменьшение мощности двигателя при увеличении удельного
расхода топлива.
Более перспективны каталитические нейтрализаторы. Они служат для
дожигания (окисления) продуктов неполного сгорания (С nHm и СО) и
разложения оксидов азота (NОх). Каталитическое действие нейтрализаторов
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
основано на беспламенном поверхностном окислении токсичных веществ в
присутствии катализатора, ускоряющего химическую реакцию. Процесс
окисления происходит во время прохождения ОГ через слой носителя с
нанесенным на него катализатором (платина, палладий), причем скорость
реакции сгорания зависит также от температуры носителя 37.
Однако,
в
процессе
эксплуатации
эффективность
такого
нейтрализатора снижается из-за отложения сажи и смол на поверхности
дорогостоящего нейтрализатора 43, а это усложняет задачу создания
надежного дешевого каталитического нейтрализатора для массового
использования на дизельных двигателях.
1.6.3. Совершенствование рабочего процесса и конструкции дизельного
двигателя, как способ снижения токсичности ОГ
Образование вредных веществ, как в цилиндрах дизельного двигателя,
так и при выходе из них, поддается регулированию в широких пределах
путем разнообразных воздействий на рабочий процесс двигателя. Наиболее
эффективные представлены на рисунке 1.4.
Дымность
переобогащении
ОГ
дизельных
двигателей
топливовоздушной
смеси
резко
в
возрастает
цилиндре.
при
Последнее
наблюдается при резком повышении нагрузки (момент пуска, трогания МЭС
с места и т.п.). Причиной переобогащения является быстрое увеличение
подачи топлива регулятором. Дымность ОГ дизельных двигателей может
быть уменьшена применением специальных устройств для снижения
дымности, корректирующих работу регулятора 37. Эти устройства часто
выполняются в виде амортизатора, который ограничивает скорость
перемещения рейки топливного насоса высокого давления к положению,
соответствующему максимальной подаче. Недостатком устройств является
то, что их работа распространяется только на снижение дымности и не
сказывается на уменьшении токсичности остальных составляющих ОГ
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
дизельного двигателя.
Одним из средств уменьшения выделения оксидов азота с ОГ
дизельных двигателей является применение рециркуляции ОГ. В этом случае
снижение концентрации оксидов азота в ОГ возможно вследствие
уменьшения максимальной температуры цикла, концентрации кислорода и
количества выбрасываемых в атмосферу ОГ 37. Последнее происходит в
результате понижения коэффициента наполнения двигателя. Однако,
возрастание доли рециркулируемых газов приводит к существенному
снижению мощности двигателя и увеличению удельных расходов топлива, а
также к ускоренному износу двигателя 20.
Выделение оксидов азота зависит в основном от максимальных
местных температур, концентрации свободного кислорода в продуктах
сгорания и от времени протекания реакций. Изменяя угол опережения
впрыска топлива, можно воздействовать в нужном направлении на
максимальную температуру сгорания, а также на период задержки
воспламенения топлива. При увеличении угла опережения впрыска топлива
содержание
сажи
в
ОГ
уменьшается,
но
существенно
возрастает
концентрация NОх 37. При уменьшении угла опережения впрыска топлива
существенно снижается максимальная температура цикла (вследствие
смещения сгорания на такт расширения), а следовательно уменьшается и
концентрация NОх в ОГ. Однако значительно ухудшаются мощностные и
экономические показатели дизельного двигателя 20. На выделение СН и СО
изменение угла опережения впрыска топлива почти не влияет 20.
Такой способ уменьшения токсичности ОГ дизельного двигателя
может рассматриваться лишь как временное мероприятие.
Большое влияние на выделение токсичных веществ с ОГ дизельных
двигателей оказывает организация процессов смесеобразования и сгорания.
Двухкамерные (вихрекамерные и предкамерные) дизельные ДВС выделяют
примерно 50% окислов азота, выбрасываемых однокамерными 37.
Большое значение имеет расслоение смеси. Применяя в дизельных
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
двигателях послойное смесеобразование и сгорание, можно значительно
уменьшить выделение окислов азота.
Однако интерес к данному способу невелик, так как требуется
применение топливной аппаратуры более высокого качества, повышение
давления впрыска, подбор формы камеры сгорания, проходных сечений и
направления соединительных каналов.
Одним из направлений рабочего процесса ДВС, это двухфазная подача
дизельного топлива.
Топливными
системами,
которые
позволяют
осуществить
характеристику подачи, близкую к теоретической, а также отвечающими в
известной мере оптимальным условиям организации процесса сгорания в
дизеле,
являются
системы
двухфазной
подачи,
обеспечивающие
регулирование интенсивности подачи топлива или подачу его отдельных
порций в разные моменты времени.
Попытки использования положительных сторон двухфазной подачи
топлива, осуществленные на дизельных двигателях в разных условиях,
привели
к
созданию
большого
количества
конструктивных
схем,
позволившие приблизиться к организации управляемого процесса сгорания и
существенно улучшить параметры дизельных двигателей.
Анализ существующих конструктивных решений систем двухфазной
подачи топлива показывает, что она осуществляется либо путем изменения
основных элементов топливоподающей аппаратуры (топливного насоса и
топливопровода высокого давления, форсунки), либо путем комбинации этих
конструктивно измененных элементов 44,45.
Следует отметить значительную сложность и громоздкость указанных
конструктивных
необходимость,
решений
в
ряде
систем
случаев,
двухфазной
оборудования
подачи
дизелей
топлива,
двумя
самостоятельными системами питания. Все это приводит к усложнению
конструкции дизеля в целом, снижает их эксплуатационную надежность.
Имеет особый интерес, как способ снижения токсичности применения
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
присадок к топливу.
В последние годы в связи с усилившимся загрязнением атмосферы
большой интерес проявляется к применению присадок, влияющих на процесс
сгорания в дизельных двигателях. По характеру действия присадки к топливу
делятся на группы (рисунок 1.6.). Присадки, интенсифицирующие горение,
повышают цетановое число топлива, что сказывается на процессе горения и
выделении токсичных веществ. Они не приводят к повышению износа
поршневых колец и не увеличивают отложений за первым кольцом 31,34.
Эти присадки для достижения необходимого эффекта добавляются только к
топливу с низким цетановым числом.
ПРИСАДКИ
(по характеру действия)
интенсифицирующие
горение
органические
антидымные
(по составу)
металлосодержащие
комплексные
Рисунок 1.6. - Присадки к топливу
Для уменьшения выделения сажи (темного дыма) применяют
антидымные присадки. Органические соединения являются сильными
окислителями, содержащие слабосвязанный кислород. Но они мало
эффективны
по сравнению с металлосодержащими 20. Последние
уменьшают выделение альдегидов и бенз(а)пирена, но практически не
влияют на снижение окиси углерода в ОГ 34.
Комплексные антидымные присадки эффективно влияют на снижение
токсичности ОГ. Однако для широкого применения на дизельных двигателях
необходимо всестороннее определение их влияния на работу топливной
аппаратуры, износ поршневых колец и т.п.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.6.4. Применение альтернативных видов топлива
В качестве альтернативных топлив сегодня рассматриваются топлива,
получаемые из рапса, сои, подсолнечника. К возобновляемым источникам
можно отнести также спирты (этиловый С 2Н5ОН и метиловый СН3ОН) и
диметилэфир СН3ОСН3, которые можно получить переработкой биомассы
46,47.
При оптимальной организации процессов смесеобразования и
тепловыделения на эфирах масел растительного происхождения можно
получить показатели, не уступающие полученным при использовании
дизельного топлива. Можно лишь ожидать несколько худших пусковых
качеств дизеля при запуске из холодного состояния, особенно при
отрицательных температурах, в связи с высокими температурами выкипания
фракций, а также больших отложений на деталях.
К преимуществам спиртов относятся:
1. Существенное, на порядок и более, снижение выброса твердых
частиц при использовании спирта для впрыскивания в цилиндр. Связано это
с содержанием в спиртах кислорода, малыми вязкостью и поверхностным
натяжением, а также высокой испаряемостью (низкой температурой
кипения).
2. То обстоятельство, что топливо состоит из одного химического
соединения, с высокой испаряемостью и малым отложением на деталях, что
может способствовать повышению надежности работы дизеля при высокой
степени форсирования. Этому способствуют меньшие температуры заряда.
Однако повышенная упругость паров топлива может быть причиной
кавитационных износов. Поэтому рекомендуется увеличение давления
подкачки до 4…5 бар (0,4…0,5 МПа), применение дополнительных
электроприводных
подкачивающих
насосов,
расположенных
вблизи
топливных баков. В случае, если картеры двигателя и насоса соединены
между собой, необходимо применять меры для предотвращения образования
взрывоопасной смеси в картере.
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Отмеченные мероприятия, естественно, удорожают двигатель. Нельзя
не отметить и токсичность некоторых спиртов (например, метанола), которая
требует определенной осторожности при их применении.
Применение диметилэфира, как топлива способно решить проблемы,
возникающие при работе дизеля:
1)
радикальное
исключение
дымления
благодаря
высокому
содержанию кислорода в топливе;
2) существенное снижение выбросов NОх благодаря высокому
цетановому числу и короткой задержке воспламенения при рациональном
выборе
процесса
(камера
сгорания,
параметры
впрыскивания
и
распыливания, характер и интенсивность движения заряда);
3) радикальное снижение шумоизлучения от процесса горения и
обеспечение высоких пусковых свойств.
Монотопливо, такое как диметилэфир, с низкой температурой кипения
обеспечивает также исключительно малые отложения на деталях.
В тоже время, при применении диметилэфира сохраняются известные
преимущества дизелей:
-
высокая
экономичность,
особенно
при
использовании
непосредственного впрыскивания;
- воспламенение от сжатия и качественное регулирование, являющиеся
наиболее надежным способом инициирования горения;
- высокая надежность и долговечность, которая при работе на
диметилэфире может повыситься в результате меньшего попадания в
смазочное масло сажи.
Безопасность диметилэфира для окружающей среды и здоровья людей
подтверждается
многолетним
его
использованием
в
парфюмерной
промышленности.
В тоже время следует отметить, что низкая температура кипения
диметилэфира требует применения для хранения топлива баллоны по типу
тех, которые используются при работе на сжиженном пропан-бутановом газе.
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Давление паров диметилэфира равно 5 бар при 20°С.
Обычные топливные системы неприемлемы для впрыскивания
диметилэфира. Необходимы специальные замкнутые системы подачи без
взаимодействия с атмосферой. Это диктуется утечками диметиэфира и
образованием взрывоопасных смесей.
Альтернативные топлива, относящиеся к возобновляемым источникам,
особенно привлекательны для стран с тропическим климатом и в целом для
стран с благоприятными условиями выращивания биомассы. Для России
наиболее важным является применение в качестве альтернативного топлива
природного газа, а также сжиженного пропан-бутанового газа. Природный
газ существенно уменьшает выделение токсичных веществ, особенно
продуктов неполного сгорания. В случае использования сжиженного газа
максимальная концентрация NОх уменьшается примерно в 2 раза. Несколько
понижается выброс окиси углерода и углеводородов. Существенно
уменьшается также содержание бенз/а/пирена.
Основным
преимуществом
применения
сжиженного
пропан-
бутанового газа перед природным является существенно меньшие масса и
стоимость баллонов для хранения топлива на борту МЭС. Связано это с тем,
что в большинстве случаев природный газ хранится в сжатом виде при
давлении 200 бар (20 МПа), а сжиженный пропан-бутановый – при давлении
16 бар (1,6 МПа). Возможно хранение природного газа на борту и в
сжиженном виде. Однако конструкция емкостей сложна и стоимость их,
вследствие необходимости содержания жидкого природного газа при очень
низкой температуре (-172°С), оказывается высокой.
Проводятся работы по использованию водорода, как альтернативного
топлива ДВС.
Он обладает рядом преимуществ по сравнению с
углеводородными
топливами.
Концентрационные
пределы
воспламеняемости водорода значительно шире, он хорошо смешивается с
воздухом, для его воспламенения требуется малая энергия. В качестве
окислителя для сжигания водорода в ДВС может применяться кислород или
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
воздух 46,67,68.
Водород в ДВС используется преимущественно в газообразном
состоянии, так как его хранение в жидком состоянии сопряжено с
существенными техническими трудностями ввиду низкой температуры
кипения (-252°С).
Следует также отметить, что применение водорода не увеличивает
огне- и взрывоопасность МЭС и значительно улучшает условия работы
смазочного масла, так как оно не загрязняется продуктами неполного
сгорания.
Использование водорода как топлива в дизельных двигателях
сдерживается его высокой температурой самовоспламенения.
Основными недостатками водорода как топлива для двигателей
являются возможность обратных вспышек (во впускном трубопроводе),
преждевременное
воспламенение
и
«грубое»
сгорание.
Последнее
объясняется высокой скоростью сгорания водородных смесей. Указанные
недостатки могут быть в значительной степени устранены разбавлением
водородно-воздушных смесей инертными компонентами (с этой целью
добавляют воду, осуществляют рециркуляцию ОГ).
Основная проблема, которую необходимо решить для широкого
использования водорода в двигателях МЭС, состоит в создании условий для
хранения
водорода
(криогенные
емкости,
гидриды
металлов
(лантанникелевые и железоплатиновые) и т.д.). Также следует отметить, что
стоимость производства водорода при всех известных технологиях все еще
высока.
1.6.5. Впрыск воды и применение топливо-водяных эмульсий
Эффективность добавления воды к воздуху или топливу для
улучшения различных показателей изучается в течение многих лет 27.
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Применение воды способствует уменьшению выделения оксидов азота,
борьба с которыми является наиболее трудной задачей.
Добавление воды к топливовоздушному заряду приводит к снижению
максимальной температуры сгорания, что обусловлено затратами на
испарение воды и нагрев ее паров (удельная теплоемкость водяного пара
выше теплоемкости воздуха).
Впрыск воды может производиться как во впускной трубопровод, так и
в цилиндр дизеля. В первом случае аппаратура для впрыска воды более
проста и надежна. Для равномерного распределения воды по цилиндрам
многоцилиндрового двигателя целесообразно устанавливать форсунки во
впускных патрубках каждого цилиндра. Испарение воды начинается во
впускном патрубке и заканчивается в цилиндре двигателя в процессе сжатия.
Пары воды с воздухом к концу процесса сжатия образуют гомогенную смесь.
Добавка воды к воздуху приводит к снижению его температуры, поэтому
температуры конца сжатия и в процессе сгорания будут при впрыске воды
ниже.
Другой способ подачи воды в цилиндр состоит в том, что вода
добавляется к топливу, и образовавшаяся топливо-водяная эмульсия через
топливную форсунку впрыскивается в цилиндр дизеля. Испарение воды
снижает температуру в местах концентрации распыленного топлива, что
вызывает значительное увеличение задержки воспламенения топлива.
По влиянию впрыска воды на выделение оксидов азота проведен ряд
исследований 37. На рисунке 1.7. по результатам испытаний различных
двигателей построены зависимости, показывающие влияние добавки воды к
топливу и воздуху на выделение NОх. Кривые 1 и 2, полученные при
испытании дизеля с неразделенной камерой сгорания 37, показывают, что
впрыск воды во впускной трубопровод (кривая 2) больше влияет на
концентрацию NОх, чем добавление воды к топливу (кривая 1). Эти кривые
построены по результатам испытаний дизеля при опережении впрыска,
оптимальным для процесса с впрыском воды. При испытании дизельного
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
двигателя с опережением впрыска, оптимальным для процесса без
добавления воды, переход на работу с топливо-водяной эмульсией приводил
к резкому увеличению выделения NОх.
NOx, %
100
1
80
2
60
40
20
0
0,4
0,8
Gb/Gt
Рисунок 1.7. – Относительное уменьшение количества NОх выделяемого
дизельными двигателями, в зависимости от количества впрыскиваемой воды.
Дымность ОГ и содержание в них СО как при впрыске воды в воздух,
так и при добавлении ее к топливу уменьшаются. Концентрация
углеводородов в ОГ при этом несущественно возрастает 37. Это
объясняется увеличением периода задержки воспламенения при обоих
способах добавления воды.
Впрыск воды в воздух во впускном трубопроводе оказывает более
сильное воздействие на концентрацию NОх 37.
При незначительном снижении срока службы деталей топливной
аппаратуры и цилиндропоршневой группы удельный эффективный расход
топлива,
при
уменьшается
работе
35.
на
топливо-водяных
Уменьшение
расхода
топлива
содержании в нем 7-15% воды и не превышает 4%.
41
эмульсиях
существенно
наблюдается
при
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.6.6. Озонирование воздушного заряда на впуске
В последнее время в машиностроении возрос интерес к устройствам,
способным вырабатывать озон, при помощи которого обрабатывается
топливо-воздушная смесь, поступающая в камеру внутреннего сгорания
двигателя [4,5,6,65].
Смешение топлива с озонированным воздухом позволяет повысить
полноту сгорания топлива, улучшить экономичность и снизить токсичность
ОГ двигателя. Об этом говорится в трудах Моисеева Н.П., Подольского Б.А.,
Заславского Е.Г., Зайончковского В.Н., а также Ашуркова С.Г., Юшкова Д.Д.
и др.
Достичь
озонирования
воздушной
смеси
можно
различными
способами. Наиболее широкое применение нашли электрические средства,
способные
ионизировать
воздушную
смесь,
а
также
устройства,
обрабатывающие воздушный поток ультрафиолетовым излучением.
В основе первых, так называемых генераторов получения озона для
двигателей внутреннего сгорания, лежит ионизация воздушного заряда при
помощи электрических разрядов [5,6]. Обычно такие устройства (рис. 1.8.)
содержат корпус с воздушными входными и выходными патрубками и с
помещенными в полости корпуса коронирующими и не коронирующими
электродами.
Они также снабжены источниками тока высокого напряжения с
переменной скважностью и с возможностью регулирования частоты
следования электрических импульсов для изменения степени озонирования
воздушной смеси.
Однако существенным недостатком генераторов получения озона
является низкий коэффициент полезного действия по сравнению с
устройствами, обрабатывающими воздушный поток ультрафиолетовым
излучением.
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9
4
2
1
С М ЕС Ь
В О ЗД УШ НА Я
О З О Н И РО В А Н Н А Я
10
СМ Е СЬ
В О ЗДУ Ш Н А Я
3
5
6
8
7
1 – корпус генератора; 2 – входной патрубок; 3 – выходной патрубок; 4 - коронирующий
электрод; 5 – некоронирующий электрод; 6 – диэлектрик; 7 - источник постоянного тока
высокого напряжения; 8 – источник переменного тока высокого напряжения; 9 –
вертикальная шина; 10 – горизонтальная шина.
Рисунок 1.8. - Генератор получения озона для ДВС
Сущность последних, заключается в воздействии на воздушную смесь
ультрафиолетового излучения, активизирующего молекулы кислорода. Это в
свою очередь увеличивает полноту сгорания смеси, при более ровной волне
горения. В связи с чем снижается токсичность ОГ последнего.
Такие устройства (рис. 1.9.) (схема предоставлена Всесоюзным научноисследовательским,
светотехническим
проектно-конструкторским
институтом) обычно
и
технологическим
содержат воздухоочиститель,
имеющий внутреннюю полость, сообщенную через выходное окно с
входным каналом впускного патрубка и с отводным патрубком для
картерных
газов.
Во
внутренней
полости
воздухоочистителя
устанавливаются лампы ультрафиолетового излучения 4.
Низкая интенсивность выделения озона при обработке воздуха
ультрафиолетовым излучением по сравнению с малоизученной обработкой
паро-воздушной смеси не является недостатком данных устройств и способа
в целом.
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
+1 2В
10
5
4
9
7
8
6
В ОЗ Д У Х
11
1
2
3
К АРТЕРНЫ Е
ГАЗЫ
1 – корпус воздухоочистителя; 2 – фильтрующий элемент; 3 – карбюратор; 4 – внутренняя
трубчатая кольцевая безэлектродная лампа; 5 – внешняя
трубчатая кольцевая
безэлектродная лампа; 6 – отводной патрубок картерных газов; 7 – диэлектрик; 8 – блок
питания высокочастотного напряжения; 9 – внутренние индукторы возбуждения; 10 –
внешние индукторы возбуждения; 11 – трубка золотникового устройства карбюратора.
Рисунок 1.9. - Устройство для обработки потока воздуха ультрафиолетовым
излучением.
Рассматриваемые устройства работают автономно от ДВС. Они просты
по устройству, ими легко оборудовать двигатель, и они не подвергаются
большим электрическим и механическим износам. При их неисправности
ДВС может продолжать работу в штатном режиме.
Приведенные материалы позволяют сделать вывод о том, что
применение локальных средств, не допускающих проникновения ОГ в
воздушную среду помещений ограниченного объема и воздухообмена
экономически нецелесообразно в качестве способа снижения токсичности.
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Теоретическое обоснование параметров и режимов работы
жидкостного нейтрализатора отработавших газов
двигателей внутреннего сгорания
2.1. Обоснование оценки параметров токсичности отработавших газов
С учётом научных разработок авторов Кульчинского А. Р., Звонова В.
А., Юшина В. В., Попова В. М., Кукина П. П. [64, 2, 3, 40] нами обобщены
теоретические предпосылки по оценке параметров токсичности.
Качественный и количественный состав ОГ зависит от параметров цикла
дизеля, режима его работы, конструкции узла камеры сгорания (КС),
технического
состояния.
Поэтому оценочный комплекс
параметров
токсичности должен быть увязан как с режимами работы двигателя, рабочим
процессом сгорания топлива в КС и его характеристиками, так и с
законодательными нормативами.
Таким первым необходимым оценочным параметром технического и
экологического совершенства дизеля является характеристика полного
состава ОГ, включающий вредные и нетоксичные вещества, который
определён в зависимости от нагрузки двигателя. Полный состав ОГ
позволяет оценить уровень совершенства процесса сгорания в КС
(рассчитать полноту сгорания топлива, коэффициент избытка воздуха,
максимальную температуру в КС и другие), а концентрация ВВ в ОГ
характеризует степень совершенства дизеля с точки зрения экологии ОГ.
ОГ дизеля – многокомпонентны. Их состав зависит от многих факторов,
связанных с работой двигателя и изменение какого – либо из них приводит к
изменению концентрации ВВ: концентрации одних веществ возрастают, а
других убывают. Поэтому для объективной оценки экологического
совершенства двигателя необходимо суммирующая оценка вредности
многокомпонентных ОГ, основанная на общем для всех ВВ законе – законе
существования неощутимых концентраций. Суть его в том, что любая
многокомпонентная смесь ОГ может быть разбавлена чистым воздухом до
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
безвредных концентраций, определяемых нормами предельно допустимых
концентраций (ПДК) [40]. В таблице 1.10. приведены ПДК для основных ВВ
ОГ [40]. Чем более вреден компонент, тем больше объёмов чистого воздуха
надо подать для обеспечения безвредных концентраций.
Оценку степени вредности отдельных компонентов во взаимосвязи с
нормами ПДК удобно показать с малотоксичной СО. Относительная
вредность R ico компонента i по отношению к CO, определяемая как
отношение ПДК co к ПДКi, для основных вредных компонентов в таблице
1.10. Видно, что наиболее вреден бенз(а)пирен. Он в 133 тыс. … 3 млн. раз
более вреден, чем СО. Основываясь на относительной вредности,
концентрации нескольких веществ можно приводить к концентрации одного
вещества. Расчёты выполняем в пересчёте на СО, действие которой на
организм человека тщательно изучено и методы её измерения достаточно
надёжны.
Тогда в формализованном виде механизм приведения может быть
представлен формулой
Z
CO
C
Ci RiCO
(2.1)
i 1
где Ссо – эквивалентная концентрация вредных веществ в ОГ (концентрация
СО в условной газовой смеси, вредность которой равна вредности
фактической смеси).
Относительная вредность вещества
RiCO ПДКСО
,
ПДКi
(2.2)
Трактор может работать как внутри помещений ограниченного объёма
(рабочая зона), так и вне её. Поэтому расчёт суммарных показателей
вредности ОГ следует выполнять с учётом норм ПДК сс, ПДКмр и ПДКрз.
Где, ПДКсс – среднесуточная ПДК устанавливается с целью предупреждения
развития резорбтивного действия – возможности развития общетоксических,
гонадотоксических, эмбриотоксических, мутагенных, канцерогенных и
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
других эффектов, возникновение которых зависит не только от концентрации
вещества в воздухе, но и от длительности вдыхания. При этом имеется в виду
среднесуточные концентрации за год, мг/м³;
ПДКм.р. – максимально разовая ПДК, мг/м³;
ПДКр.з. – предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны,
мг/м³.
Применительно к компонентам таблицы 2.1 и их относительной
вредности для различных ПДК [40]. Формулы для определения концентрации
вредных веществ ОГ двигателя в атмосфере запишутся в виде
по ПДКсс( С СОСС )
С СОСС ССО 2ССН 35,29С NOx 60Ccж 3 106 СС20 Н12 ;
по ПДКмр С СО
МР
(2.3)
С СОМР ССО ССН 58,82С NOx 33,33Ссж 3 106 СС20 Н12 ;
по ПДКрз C СОрз
(2.4)
С СОРЗ ССО 0,07ССН 2, 22С NOx 5.71Ccж 133333,33СС20 Н12 ;
(2.5)
Таблица 2.1. – Относительная вредность вещества для различных ПДК
Вредное вещество
co
Ricc
со
Riмр
со
Riрз
СН
2
1
0,07
СО
1
1
1
NO2
35,29
58,82
2,22
Cж
60
33,33
5,71
С20Н12
3000000
-
133333,33
В формулах (2.3) и (2.4) относительная вредность NO x дана в пересчёте
на уровень рабочей зоны, т.к. ПДК cc и ПДКмр на неё не установлены. В
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
формуле (2.4) коэффициенты относительной вредности бенз(а)пирена дан по
той же причине по нормам ПДК cc. Размерность величин концентраций,
входящих в формулы (2.3),(2.4),(2.5) должна быть одна (г/м3 или %).
Концентрация вредных веществ в ОГ и параметр «эквивалентная
концентрация вредных веществ в ОГ» недостаточно характеризуют дизель по
токсичности с точки зрения его экологии. Выбросы вредных веществ
отличаются количественно на режимах работы в эксплуатационном
диапазоне. Поэтому массовые выбросы с ОГ более объективно оценивают
двигатель по вредности ОГ.
Полученные данные о концентрации компонентов в ОГ выражаются в
процентах по отношению к сухому газу или в г/м 3. Тогда количество
компонента i, выбрасываемое двигателем, определяются по формулам [64]
Gi g i Gог
или
Gi i
CG .
i сг
(2.6)
(2.7)
Так как массовые и объёмные доли газа связаны между собой
зависимостями
и
Сi g
i i
(2.8)
gi i
C ,
i
(2.9)
где Ci и gi – объёмная и массовая доли компонента i по отношению к сухому
газу;
µΣ – молекулярная масса сухого газа данного состава;
Gi – масса компонента i, выбрасываемая двигателем;
Gсг – масса сухой части газа.
Если смесь ОГ состоит из Z компонентов, то средняя молекулярная
масса смеси определяется по формулам
по относительному объёмному составу
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Z
Ci i C11 C2 2 ... Ci i ... CZ Z
(2.10)
i 1
по относительному массовому составу
Z
i 1
1
g1
1
g2
2
... gi
i
... gZ
.
(2.11)
Z
Количество сухого газа и рабочей смеси, поступающей в двигатель за
вычетом паров воды равно, а количество последних определяется с
допущением, что H2 топлива сгорает практически полностью до воды [43].
Для полного сгорания 1 кг H2 надо затратить 8 кг O 2. В результате
реакции 2H2 + O2 = 2H2O получается 9 кг водяного пара, а при сгорании G т кг
топлива - 9HтGт кг водяного пара. Тогда количество сухого газа будет равно
Gсг = Gв + Gт - 9HтGт или с учётом того, что G в =αL0Gт, получим Gсг=Gт (αL0 +
1 - 9Hт) кг/ч (α – коэффициент избытка воздуха; Hт – массовая доля водорода
в топливе; L0 – массовый стехиометрический коэффициент; Gт – часовой
расход топлива, кг/ч).
Количество компонента i, выбрасываемое двигателем в единицу
времени, целесообразно представлять размерностью г/ч. Определяется оно по
формуле [64]
Gi Gm L0 1 9 H m i
C , г/ч.
i
(2.12)
Если концентрация Ci токсичного вещества определена в г/м 3, то
Vг 22, 4
;
Gi Gm L0 1 9 H m где
jг (2.13)
1
Сi , г/ч;
jг
1
– объёмная масса газа, кг/м3.
Vг
(2.14)
В результате получим формулу для определения токсичного вещества,
концентрация которого выражена в г/м3,
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Gi Gm L0 1 9 H m 22,4
Ci .
(2.15)
При определении массовых выбросов сажи и бенз(а)пирена в 1 ч
необходимо иметь в виду, что полученные на аналитических фильтрах их
количества относятся ко всему объёму газа, включая пары воды. Поэтому эти
выбросы надо вычислять по формулам
Gсж Gm L0 1
22,4
GC20 H12 Gm L0 1
Cсж ;
22, 4
CC20 H12 .
(2.16)
(2.17)
Для оценки совершенства процесса сгорания вводим параметр
«относительный выброс вредного вещества», определяемый как отношение
массового выброса ВВ i за 1 ч к часовому расходу топлива. Тогда на базе
формул (2.12), (2.15), (2.16) и (2.17) формализованные выражения для
определения относительных выбросов вредных веществ запишутся в виде
Ki 10 L0 1 9H m Ki L0 1 9 H m K сж L0 1
22, 4
22, 4
K C20 H12 L0 1
i
C;
i
Cсж ;
22,4
Ci ;
CC20 H12 .
(2.18)
(2.19)
(2.20)
(2.21)
В формуле 2.8 концентрация вредного вещества выражается в %, а в
(2.9), (2.10) и (2.11) – в г/м3.
Уравнение (2.12), (2.15), (2.16), (2.17) можно преобразовать по виду
Gi 10Gm
i
1
9H m Ci L0 1 ;
L
L
0
0 Gi Gm
22,4
9H m Ci L0 1 ;
L
0 50
(2.22)
(2.23)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Gсж Gm
22,4
GC20 H12 Gm
1 Cсж L0 1 ;
L
0 22,4
1 CC20 H12 L0 1 .
L0 (2.24)
(2.25)
С погрешностью, не превышающей 1 %, молекулярная масса ОГ может
быть принята равной 29,10 и с погрешностью не более 1,5 % выражения в
скобках могут быть опущены. Из сказанного можно определить массовые
выбросы в 1 ч., СО, СН, NO x, Сж, С20Н12 (г/ч)
Gi 0,34 L0Gm iCi ;
(2.26)
Gi 0,77 L0 Gm Ci .
(2.27)
По аналогии упрощаем выражения (2.8), (2.9), (2.10), (2.11).
Для определения относительного выброса вредного i вещества (г/кг)
уравнения запишутся в виде
K i 0,34 L0 iCi ;
(2.28)
K i 0,77 L0Ci .
(2.29)
В формулах (2.26) и (2.27) Ci выражена в процентах; в (2.28) и (2.29) – в
г/м3.
Массовые выбросы вредных веществ и относительные выбросы
вредных веществ в 1 ч можно пересчитать на эквивалентное количество СО и
суммировать (в г/ч) по уравнениям
Z
CO
G
Gi R
i 1
Z
CO
i
K CO Ki RiCO
i 1
Z
или
GCO 0,77 L0Gm Ci RiCO ;
(2.30)
K CO 0,77 L0 Ci RiCO .
(2.31)
i 1
Z
или
i 1
где GCO – эквивалентный массовый выброс вредных веществ в пересчёте на
СО;
KCO – эквивалентный относительный выброс вредных веществ в
пересчёте на СО.
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Удельные массовые выбросы вредного вещества i, приходящегося на 1
кВт мощности двигателя можно определить по уравнению
q
gi
.
Pe
(2.32)
Удельные массовые выбросы вредных веществ можно пересчитать на
эквивалентный удельный выброс СО и суммировать по формуле [64]
Z
qCO qi RiCO ,
(2.33)
i 1
где qCO – сумма приведённых к СО удельных выбросов вредных веществ или
параметр «эквивалентная удельная вредность ОГ двигателя», (г/кВт·ч).
Применительно к нормам ПДК сс, ПДКмр и ПДКрз формулу (2.33) можно
представить уравнением [64]
qCOCC qCO 2qCH 35, 29qNOx 60qсж 3 106 qC20H12 ,
(2.34)
qСОМР qCO qCH 58,82qNOx 33,33qсж 3 106 qC20 H12 ,
(2.35)
qСОРЗ qCO 0, 07qCH 5, 71qсж 133333,33qC20H12 .
(2.36)
CO
СО
CO
Здесь qCC , qМР , qРЗ – параметр «удельная вредность ОГ двигателя»,
рассчитанный соответственно по нормам ПДК сс, ПДКмр и ПДКрз.
Удельные массовые выбросы вредных веществ и параметр q Σ позволяют
по экономическому совершенству оценить любой двигатель на любом
режиме, кроме холостого хода (ХХ), так как при Р е= 0 кВт удельные
параметры теряют смысл.
Для сравнительной оценки вредности ОГ режима ХХ двигателей
различной мощности могут быть введены параметры «условный удельный
выброс вредного вещества» i на режиме ХХ qiÑÎóñë и «условная эквивалентная
вредность ОГ двигателя на режиме ХХ» qÑÎóñë , определяемые как отношение
выбросов вредных веществ и эквивалентного массового суммарного выброса
вредных веществ на режиме ХХ и максимальной мощности двигателя
(г/кВт·ч)
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Gi
,
Pemax
(2.37)
GCO
.
Рemax
(2.38)
qiCO
усл
CO
усл
q
Оценка дизеля как источника загрязнения данной производственной
среды будет выполнена, если будут определены количества вредных
веществ, выбрасываемые им в атмосферу по заданному производственному
циклу. Эквивалентное суммарное количество ВВ, выбрасываемое дизелем по
данному циклу, может быть определено по формуле (г/цикл)[64]:
CO
цикл
G
nmax Pemax
qCO PedB ,
(2.39)
nmin Pemin
где qCO – удельная вредность ОГ двигателя на конкретном режиме (г/кВт·ч);
nmax Pemax
PedB - эксплуатационный цикл двигателя, представляющий собой
nmin Pemin
совокупность режимов по мощности при определённом соотношении их
продолжительности;
Θ – время работы двигателя на данном режиме;
dB – интервал режима, при котором режим работы В характеризуется
параметрами n и Pе.
Заключение: Таким образом, используя и обобщая теоретические
разработки, приведённых выше учёных, можно оценить общую вредность
отработавших газов ДВС и рекомендовать способы её снижения.
2.2. Конструктивно – технологическая схема жидкостного
нейтрализатора и принцип её работы
Эффективность применения того или иного способа очистки выхлопа
ДВС определяется комплексом факторов, к числу которых относятся:
- условия и характер работы двигателя;
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- принцип действия и надёжность нейтрализации выхлопа;
- эффективность нейтрализации выхлопа;
- безопасность эксплуатации;
- конструктивные размеры и трудоёмкость обслуживания.
- экономические результаты внедрения газоочистки.
Нейтрализатор должен обеспечить очистку выхлопа сразу после
включения двигателя. Это условие имеет особое значение при прерывной
работе ДВС.
Применение жидкостного нейтрализатора обеспечит равную степень
очистки выхлопа на любом режиме работы двигателя.
Принцип работы жидкостного нейтрализатора основан на абсорбции и
растворении токсичных компонентов
при пропускании ОГ ДВС через
жидкость соответствующего состава [53]
Предлагаемый жидкостный нейтрализатор (см. рис.2.1) состоит
прямоугольной ёмкости 1 с впускным трубопроводом 2, соединённым с
выхлопной трубой 3 двигателя и выпускным трубопроводом 4 сообщённым с
атмосферой. Нижняя основная труба 5 коллектора 6 размещена у дна емкости
1. Коллектор 6 включает горизонтально расположенные трубки 7, каждая из
которых заканчивается коническим уклоном к её концу. В каждой трубке 7
выполнены отверстия 8 с зенковкой. К внутренним стенкам ёмкости жёстко
прикреплены
успокоители
9,
представляющие
собой
пластины
с
отверстиями. Отверстия на двух смежных пластинах смещены по отношению
друг к другу. Успокоитель предназначен для выравнивания и частичного
улавливания водного раствора. Над успокоителями находится решетка 14, на
которую можно укладываются материалы для дополнительной очистки ОГ.
Ёмкость 1 частично заполнена рабочей жидкостью до уровня 10 над
коллектором 6. Выпускной трубопровод 4 размещён в крышке 11 и снабжён
сетчатым фильтром 12. Внутри сетчатого фильтра находится минеральная
вата для дополнительной очистки ОГ и частичного отделения влаги. Дно
емкости выполнено с уклоном к сливному патрубку с краном 13.
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 – ёмкость жидкостного нейтрализатора; 2 – впускной трубопровод; 3 –
выхлопная труба двигателя; 4 – выпускной трубопровод; 5 – основная труба
коллектора; 6 – коллектор; 7 – трубки коллектора с коническим уклоном; 8 –
отверстия с зенковкой; 9 – пластины успокоителя; 10 – уровень жидкости над
коллектором; 11 – крышка нейтрализатора; 12 – сетчатый фильтр, в котором
находится минеральная вата; 13 – сливной патрубок с краном; 14 – решётка
для материалов дополнительной очистки.
Рисунок 2.1 – Схема жидкостного нейтрализатора
Жидкостный нейтрализатор работает следующим образом.
Перед работой нейтрализатор необходимо залить рабочей жидкостью.
После включения двигателя, отработавший газ по выхлопной трубе 3
поступает во впускной трубопровод 2. Далее ОГ под давлением поступает в
разветвлённый коллектор 6. Для равномерного распределения давления по
трубкам 7 коллектора необходимо, чтобы площадь поперечного сечения
основной трубы 5 коллектора была равна сумме площадей сечения в начале
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
трубок. Отверстия в трубках 7 коллектора должны быть размещены таким
образом, чтобы их площадь равнялась площади, на которую уменьшается
поперечное сечение трубок. При этом будет происходить равномерное
распределение давления ОГ по трубкам. Отверстия 8, выполненные с
зенковкой, располагаются в шахматном порядке и направлены вниз для
равномерного распределения ОГ по всей площади дна. При соударении ОГ с
дном нейтрализатора происходит более эффективное взаимодействие с
жидкостью, что способствует лучшей очистке ОГ.
В процессе перемещения ОГ частицы сажи контактируют с жидкостью,
утяжеляются и оседают на дно ёмкости 1. ОГ, вступая в реакцию с рабочей
жидкостью, очищаются и нейтрализуются. Затем ОГ проходят через
успокоители и расположенную выше брикетированную древесную или
металлическую стружку толщиной 100-150мм, уложенную на специальную
решетку
14.
Дополнительно
очищенные
вышеуказанным
способом
отработавшие газы покидают корпус нейтрализатора через выпускной
трубопровод 4 и фильтр 12, где частично происходит отделение влаги и
дополнительное
очищение.
В процессе эксплуатации нейтрализатор
регулярно освобождают от отработавшей жидкости и осадка через сливной
патрубок с краном 13.
2.3. Обоснование конструктивных параметров коллектора
жидкостного нейтрализатора
Немаловажную роль в снижении токсичности ОГ ДВС в жидкостном
нейтрализаторе играет коллектор.
Отработавшие газы из двигателя поступают в нейтрализатор по трубе,
переходящей внутри корпуса в коллектор.
Предлагается
следующая
конструкция
коллектора
для
более
эффективной очистки ОГ [49].
Большое влияние на равномерность распределения ОГ в коллекторе
имеет конструкция трубок. Необходимо, чтобы суммарное сечение отверстий
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
на трубках было равно внутреннему сечению трубы, переходящей в
коллектор. Следовательно, условия равномерного распределения газа
запишется так
D2
4
D12
4
n;
(2.40)
где D – внутренний основной диаметр трубы, м;
D1 – начальный диаметр отверстия коллекторной трубки, м;
n – количество трубок;
Диаметр зенкованных отверстий на коллекторных трубках можно
определить из соотношения
D12
4
d2
4
n1 z ;
(2.41)
где D1 – начальный диаметр отверстий коллекторной трубки, м;
d – диаметр отверстия на коллекторе, м;
n1 – количество отверстий на коллекторе в ряду, шт.;
z – число рядов.
Количество n отверстий в ряду зависит от длины L коллекторной трубки
и шага t отверстий, т.е.
n
L
.
t
(2.42)
Шаг отверстий равен t = 2l + d.
Величина l определяется через высоту h сплошного слоя ОГ и угол α
выхода ОГ
l
h
; тогда
tg
t
2h
d .
tg
(2.43)
Подставляя значения n и t в уравнение (3.41) и решая относительно d,
получим:
d
D1 h 2
D1 D1 8Lz
.
2 Lz tg (2.44)
Угол α зависит от угла зенковки, если последний равен 90°, то α = 45°.
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Количество рядов отверстий на коллекторе выбирают в зависимости от
расхода ОГ.
Расход ОГ определяется по формуле
P1 D2
4
v* г г ,
(2.45)
где νг * – скорость движения ОГ, зависящая от режима работы двигателя, м/с;
γг – плотность ОГ, определяемая по таблицам в зависимости от типа
двигателя, кг/м3.
Секундный расход ОГ равен
P1 P*
1
,
(2.46)
где Р* – общий расход ОГ, кг/с;
τ1 – время, с.
Подставим секундный расход в уравнение (2.45), откуда определим
начальный диаметр отверстия коллекторной трубки
4 P*
.
г* г 1
(2.47)
Практика показала, что давление ОГ зависит от числа и расположения
клапанов,
сопротивления
впускного
и
выпускного
трактов,
фаз
газораспределения, частоты вращения и нагрузки двигателя, способа наддува
и других факторов. Оно находится в пределах (Р ог= 1,05÷1,25 атм.), поэтому
высоту столба жидкости необходимо нормировать, чтобы незначительно
влиять на мощность двигателя.
Для того, чтобы коллектор был более компактным, его можно сделать в
нашем случае из нескольких трубок. Трубки коллектора следует выполнять
конусными для равномерного распределения давления в них по длине. Так
же надо учесть, что сечение переходящей трубы в коллектор будет равно
сумме сечений четырёх трубок. Трубки должны быть одинаковыми по
сечению. Суммарная площадь отверстий в каждой трубке должна равняться
площади сечения в начале этой трубки. Отверстия необходимо располагать в
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
шахматном порядке и направлять в сторону дна нейтрализатора. При
соударении с дном нейтрализатора происходит более эффективное
взаимодействие ОГ с жидкостью, что способствует лучшей их очистке.
2.4. Расчёт количества выделяемых отработавших газов при работе
двигателей внутреннего сгорания
Количество отработавших газов зависит от нагрузки на двигатель.
В помещениях ограниченного объёма: коровниках, теплицах машиннотранспортные агрегаты работают как на холостом ходу - при погрузочноразгрузочных работах, так и при нагрузке - при раздаче кормов обработке
почвы, подкормке, транспортировке, борьбе с болезнями и вредителями и т.д.
Отсюда следует, что общий расход топлива G общ.МТА (кг) при выполнении
работ в помещениях ограниченного объёма определяется по формуле
Gобщ.= Gр.х. + G1х.х.,
(2.48)
где G1х.х. – расход топлива (кг) при работе двигателя трактора на холостом
ходу (при остановке трактора в помещении) определяется по
формуле (2.41);
Gр.х. – расход топлива (кг) за время рабочего хода агрегата в помещениях
ограниченного объёма определяется по формуле (2.50).
G1х.х.= Gх.х. · tост ,
(2.49)
где Gх.х. – часовой расход топлива на холостом ходу двигателя, (кг/ч)
tост – время остановки трактора, (ч)
Gр.х.= Gт · tр.к.,
(2.50)
где tр.к. – время работы хода МТА, (ч)
Gт – часовой расход топлива (кг/ч) при работе тракторного двигателя
определяется по формуле
GТ Nе gе
,
100
где gе – удельный расход топлива, определяется по формуле
59
(2.51)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
gе 3600 1000
,
QH E
(2.52)
где Qн – низшая удельная теплота сгорания, кДж/кг;
ηЕ – эффективный коэффициент полезного действия, определяется по
формуле
E i м ,
(2.53)
где ηi – индикаторный коэффициент полезного действия;
ηм – механический коэффициент полезного действия, определяется по
формуле
м РЕ
,
Рi
(2.54)
где Рi – индикаторное давление, МПа;
РЕ – среднее эффективное давление (МПа), определяется по формуле
N е дв 103
,
PE i Vh nд
(2.55)
где дв - тактность двигателя;
Nе – эффективная мощность, кВт;
Vh - рабочий объём цилиндра, м 3;
nд - частота вращения вала двигателя, с -1;
i - число цилиндров двигателя.
Теоретически необходимое количество кислорода для сгорания 1 кг
топлива и полученное при этом количество продуктов сгорания можно
рассчитать на основе химических реакций сгорания углерода и водорода.
Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания
массовой
или
объёмной
единицы
топлива
определяется
по
его
элементарному составу.
Состав топлива задаётся массовым или объёмным содержанием
основных элементов: углерода С, водорода Н и кислорода топлива О 2.
Необходимо учитывать, что в топливе присутствуют также сера S, азот N и
элементы
химических
соединений
60
в
виде
антидетонационных,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
противодымных и прочих присадок.
Для жидких топлив необходимое количество воздуха L0 (кмоль/кг
топлива) для полного сгорания массовой единицы топлива определяется по
формуле
1 C H O2 L
,
0,21 12 4 32 (2.56)
где 0,21 – объёмное содержание кислорода в 1 кг воздуха;
C, H, O2 –массовые доли углерода, водорода и кислорода в элементарном
составе топлива.
Число киломолей М2 (кмоль/кг топлива) продуктов сгорания в 1 кг
жидкого топлива (при коэффициенте избытка воздуха α > 1) определяется по
формуле
M 2 aL0 H O2
,
4 32
(2.57)
где α – коэффициент избытка воздуха.
Объём ОГ VОГ , (м3/ч) образующийся при работе двигателя трактора,
определяется по формуле
VОГ = 22,4 · Gт · Μ2 .
(2.58)
2.5. Определение высоты слоя жидкости в жидкостном нейтрализаторе
из условий материального баланса
Для
расчёта размеров
жидкостного
нейтрализатора составляем
уравнения материального баланса
Gн Bн Lн Z н Gк Bк Lк Z к
(2.59)
и уравнения рабочей линии
B
L
L Z Bн Z к .
G
G Минимальный расход абсорбера определяют по формуле
61
(2.60)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Lmin G
Bн Bк .
Z
*
к
(2.61)
Zн Общий расход абсорбента равен
Lmin G
Bн Bк .
Zк Zн (2.62)
Среднюю движущую силу процесса массопередачи вычисляют по
формуле
Bср Bн Bк
Bн
Bк
dB
B B*
; Z ср Zн Zк
Zк
.
(2.63)
dZ
*
Z Z
Zн
Если равновесная линия представляет собой прямую B* mZ , то средняя
движущая сила равна
Bср Bб Bм
;
Bб 2,3lg Bм Z ср Z б Z м
;
Z б 2,3lg Z м Bб Bн Bн* ;
Bм Bк Bк* ;
Zб Zн Zн* ;
Z м Zк Zк* ,
(2.64)
где G – расход газовой фазы,
Gн , Gк - то же, на входе в жидкостный нейтрализатор и выходе из него,
кг/с;
Z – концентрация распределяемого компонента в жидкой фазе, масс.
доли;
Zн, Zк – то же, на входе в жидкостный нейтрализатор и на выходе из
него, масс. доли;
L – расход абсорбента, кг/с;
Lн,Lк – то же, на входе в жидкостный нейтрализатор и выходе из него,
масс. доли;
B – концентрация распределяемого компонента в газовой фазе, масс.
доли;
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Bн,Bк – то же, на входе в жидкостный нейтрализатор и выходе из него,
масс. доли;
Z * - равновесная концентрация распределяемого компонента, масс.
доли;
B* - равновесная концентрация, масс. доли; т – концентрация
распределения;
Bб , Z б , Bм , Z м - большая и меньшая движущая сила процесса, масс.
доли.
Интеграл в уравнениях есть ни что иное, как число единиц переноса
( р р т р с р , где mp – константа фазового равновесия, Па·(м³/кг); cp концентрация абсорбируемого компонента на границе раздела фаз, кг/м³, pp парциальное давление абсорбируемого компонента на границе раздела фаз,
кг/м³):
N ог Bн
Bк
dB
Кг F
;
B B*
G
Nож Zк
dZ
Кж F
Z Z * Z L ;
н
1
1
A
.
Nож N ж N г
1
1
1
;
N ог N г N ж A
(2.65)
(2.66)
Высота единицы переноса
hог G
;
K г aS
hож L
,
K ж aS
где N ог , N ож - общее число единиц переноса;
N г , N ж - числа единиц переноса в газовой и жидкой фазах;
Ê ã , Ê æ - коэффициенты массопередачи, м/с;
F – поверхность контакта фаз, м²;
А – абсорбционный фактор; A L / G m ;
а – удельная поверхность контакта фаз, м²/м³;
S – площадь поперечного сечения абсорбера, м².
Высота аппарата при непрерывном контакте фаз равна
63
(2.67)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
H N ог hог ; N N ож hож
(2.68)
или
H
M
M
;H
К г аS Yср
К ж аS X ср
(2.69)
где М – количество абсорбируемого вещества, кг/с.
2.6. Расчёт затрат мощности на преодоление сопротивления
столба жидкости в жидкостном нейтрализаторе
потоку газов от двигателя внутреннего сгорания и степень очистки
Затраты мощности на преодоление сопротивления жидкостного
нейтрализатора потоку газов определяется по формуле:
hоч G*
,
N 102
(2.70)
где hоч – противодавление, Па;
G* – расход газа, м3/с.
Затраты мощности в процентах определяются из выражения
Po N
100% .
N зам
(2.71)
где Nзам – мощность двигателя без нейтрализатора, кВт.
Результаты подсчётов показывают, что при максимальной нагрузке на
двигатель потеря мощности на преодоление сопротивления очистительной
установки не превышает 1% от номинальной мощности двигателя.
Основной задачей, жидкостного нейтрализатора, является получение
наиболее высоких степеней очистки газов от вредных компонентов, от
окислов азота, оксида углерода, сажи и альдегидов.
Степень очистки отработавших газов оценивается по каждому газовому
компоненту следующим образом:
а) по известным методикам [48] определяется концентрация газов до и
после очистки, а затем вычисляется процент очистки по формуле
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Р сн ск
100% ;
сн
(2.72)
б) на основании анализа конденсата, уносимого очищенными газами,
определяется количество вредных примесей, выносимых с влагой
m c f * 1000 ;
(2.73)
в) подсчитывается количество вредных компонентов, выделяемых
двигателем за время опыта
f * cн V t ;
(2.74)
г) вычисляется процент уноса вредных примесей с конденсатом
f
P 100 *
m
f
100% ;
(2.75)
д) определяется окончательная степень очистки
Р Р Р ,
(2.76)
где сн , ск - концентрации газа до и после очистки, мг/м 3
с - концентрация газа в конденсате, мг/м 3
V – объём газов, очищаемых в единицу времени, м³/с;
t – время опыта, с.;
f * – объём влаги, уносимой из очистителя за время испытаний, л.
2.7. Расчёт объёма жидкости на определённый период работы
Эффективная работа нейтрализатора ОГ зависит от ряда факторов,
главным из которых является: наличие достаточного количества жидкости,
способной поглощать ОГ; определённая её температура и концентрация
вредных в ней веществ.
Длительность и качественная работы нейтрализатора определяется
количеством жидкости, которая находится в очистительном баке.
Сопротивление жидкости прохождению газов за период испытаний
изменяется в зависимости от уровня воды в нём и режимов работы ДВС. Для
снижения дополнительных потерь мощности двигателя уровень жидкости в
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нейтрализаторе целесообразно иметь номинальный.
Объём ОГ, выделяющихся за час работы двигателя можно найти исходя
из суммарного сечения отверстий на трубках коллектора и давления ОГ
V G*t
, где G* W f (2.77)
где G* – расход ОГ, м3/с.
t – время, с.
W – скорость истечения, м/с.
f – проходное сечение коллектора, м 2.
ρ – плотность ОГ, кг/м3.
Влагосодержание очищенных ОГ будет близким к насыщенному – d2,
г/м3.
Влагосодержание воздуха, входящего в двигатель – d1, г/м3.
Количество влаги, уносимое из раствора 1м 3 газа без учёта влаги,
образующейся при горении топлива, составит
g = d2 – d1
(2.78)
Исходя из этого, количество жидкости φ (кг/ч), потребное для очистки
составит
V g
.
1000
(2.79)
Минимальное количество жидкости, необходимое для эффективной
работы нейтрализатора при высоте слоя Н''
Vж = H''·S,
(2.80)
где S – рабочая площадь нейтрализатора, м 2.
Потребное количество жидкости при работе нейтрализатора в течении n
часов составит
2 n Væ ,
где n – количество часов, ч.
66
(2.81)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.8. Параметрическая модель нейтрализатора с расчётом баланса
теплоты
В процессе моделирования подмодели системы (рис. 2.2) объединяются
в одну общую модель, дающую целостное описание всей изучаемой системы.
Для того, чтобы сконструировать эту модель необходимо учитывать
параметры ОГ и жидкостного нейтрализатора.
Процесс нейтрализации в жидкостных нейтрализаторах протекает при
низких температурах. Температура ОГ на входе в нейтрализатор составляет
85-380°C.
ДИЗЕЛЬ
Vвtв
Q1
Tог1
Р1
μс 1
d1
V1
Жидкостный
нейтрализатор
Q2
Тог2
Р2
μс 2
d2
V2
Q1, Q2 - количество теплоты на входе и на выходе из нейтрализатора, Дж/с';
Тог1, Тог2 - температура ОГ на входе и на выходе из нейтрализатора, C; Р1, Р2 давление ОГ на входе и на выходе из нейтрализатора, МПа; μс1, μс 2 – средняя
молярная теплоёмкость ОГ на входе и на выходе из нейтрализатора,
Дж/(моль·К); d1, d2 – влагосодержание на входе и на выходе из
нейтрализатора, г/м3; V1, V2 – объём ОГ на входе и на выходе из
нейтрализатора, м3/час; Vж – объём водного раствора в нейтрализаторе, л; Тв
– температура воды в нейтрализаторе, °C.
Рисунок 2.2. – Структурная схема моделируемой системы
При изменении Т ог температура отработавшего газа соответственно
меняется и μc средняя молярная теплоёмкость [43, 49]. Если меняется
молярная теплоёмкость то соответственно меняются молярные массы
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
компонентов ОГ. ОГ с определённым давлением на выхлопе встречает
сопротивление жидкостного слоя, давление на выходе из жидкостного
нейтрализатора снизится до атмосферного. Так как у ОГ на входе в
нейтрализатор высокая температура и он проходя через водный раствор
остывает имея на выходе t=25-50°C, следовательно водный раствор
нагревается, влагосодержание ОГ при выходе увеличивается, а объём
водного раствора уменьшается. Процесс очистки идёт лучше при
пониженной
температуре
водного
раствора.
Структурная
схема
моделируемых процессов приведена на рисунке 2.3.
При прохождении ОГ с температурой 85-380 °C через жидкостный
нейтрализатор, часть вредных веществ просто задерживается механически,
выпадая в виде осадка, часть растворяется, а часть связывается химически.
Попутно идёт охлаждение газа, но водный раствор нагревается. При этом
необходимо учитывать изменение теплового баланса нейтрализатора.
Q4
Q3
Q1
Q2
QАП
Рисунок 2.3. – Тепловые потоки в нейтрализаторе ОГ дизеля
Уравнение теплового баланса нейтрализатора запишется следующим
образом
Q1 – Q2 – Qап – Q3 – Q4= 0.
(2.82)
Количество теплоты Q 1 и Q2 на входе и на выходе из нейтрализатора
можно определить по формуле
Q1 = GT M1 μcp T1,
Q2 = GT M2 μcp T2,
68
(2.83)
(2.84)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Gт – расход топлива двигателем, кг/с;
М1, М2 – количество продуктов сгорания на входе и на выходе из
нейтрализатора соответственно, моль/кг;
μcр – средняя молярная теплоёмкость продуктов сгорания, Дж/(моль·К);
Т1,Т2 – температура продуктов сгорания на входе и на выходе из
нейтрализатора соответственно, K.
Тепловые потери в окружающую среду
Qап = α΄ F ( Тст – Тв ),
(2.85)
где α – коэффициент теплоотдачи, Дж/(м2·с·К);
F – площадь поверхности нейтрализатора, м 2;
Тср – температура наружной поверхности, К;
Тв – температура окружающего воздуха, К.
Количество теплоты расходуемое на нагрев воды
Q3 mж Cв Т1 Т1 ,
(2.86)
где mж – масса жидкости в нейтрализаторе, кг.
Св – удельная массовая теплоёмкость воды, Дж/(кг · К);
Т1’. – температура воды после нейтрализации, К.
Т1”. – температура воды до нейтрализации, К;
Количество теплоты расходуемой на нагрев стенок нейтрализатора
Q4
=
mн·Cм·(Тк
–
(2.87)
где mн – масса нейтрализатора, кг;
См – удельная массовая теплоёмкость металла, кДж/(кг · К);
Тк – установившаяся температура стенки , К;
Тв – температура воздуха, К.
69
Тв),
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Теория процесса влажной очистки отработавших газов
дизельного двигателя в жидкостном нейтрализаторе
3.1. Теоретический анализ динамики загрязнения атмосферы теплицы
токсичными компонентами отработавших газов дизельного двигателя
при выполнении механизированных работ с использованием
мобильного энергетического средства
Использование МЭС при проведении в теплице механизированных
работ вызывает накопление в атмосфере помещения токсичных компонентов,
содержащихся в ОГ дизельного двигателя. Эти компоненты, в свою очередь,
наносят вред здоровью рабочего персонала и сельскохозяйственных
животных, снижают урожайность культур и качество производимой
продукции. Наличие токсичных веществ в атмосфере рабочей зоны вызывает
необходимость разработки комплексных мероприятий, направленных на
улучшение состояния атмосферы помещения, при неизменной доле
механизированных работ, проводимых с использованием МЭС [30].
На практике, основным, и зачастую, единственным мероприятием по
поддержанию необходимого
состояния атмосферы теплиц, является
применение естественной вентиляции. Однако при её использовании,
процесс снижения концентрации ТВ, до достижения их величин значений
разрешенных ПДК, длителен и требует перерывов в работе МЭС, что
значительно снижает производительность механизированных работ.
Кроме того, применение ДВС в закрытых помещениях сопряжено с
опасностью возникновения пожаров в связи с высокой температурой ОГ и
наличием горючих веществ в виде топлива и масла [53].
Главным условием, при котором возможно использование МЭС в
помещении теплицы, является такое соотношение между количеством ТВ,
содержащихся в ОГ и количеством чистого воздуха, поступающего в теплицу
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и разбавляющего ОГ, при котором концентрации этих веществ не
превышают
предельно
–
допустимых концентраций,
установленных
санитарными нормами.
Аналитически это условие можно выразить следующим образом [51]:
[C ]i где
Ki
Vb
, г/м3
(3.1)
[С] i – предельно допустимая концентрация i-го вредного компонента
в атмосфере теплицы, г/м 3 ;
Кi – выделение i-го вредного компонента двигателем трактора, г;
Vb – объем воздуха теплицы, в котором распространяется ТВ, м 3.
Для проведения теоретического анализа примем отдельные допущения,
которые несущественно повлияют на конечный результат:
1) токсичное вещество выхлопа трактора равномерно распространяется
в воздухе теплицы;
2) параметры воздушного потока в теплице и выделение ТВ дизелем
МЭС не меняются во времени.
Определим концентрацию ТВ в воздушной среде теплицы по
следующей формуле:
C C0 K0
3
Vb , г/м
(3.2)
где K 0 – количество ТВ, выделяемого дизелем трактора, г;
С 0 – начальное содержание ТВ в воздухе теплицы, г/м 3 .
Количество ТВ К0, выделяемого двигателем трактора, можно
вычислить по формуле:
K0 CГ М Г t , г
где
(3.3)
С Г – концентрация рассматриваемого ТВ в ОГ дизеля, г/м 3 ;
М Г – количество ОГ, образующихся при работе дизеля трактора, м 3 /с;
t – время работы трактора в помещении теплицы, с.
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Подставляя уравнение 3.3 в формулу 3.2, выражение примет вид:
C0 М Г СГ
t [C ] ,
Vb
(3.4)
где [C] – предельно допустимая концентрация ТВ в атмосфере теплицы,
установленная санитарными нормами, г/м 3.
Данное выражение справедливо в том случае, когда помещение
теплицы не вентилируется.
При
выполнении
ряда
механизированных
работ
в
теплицах
(транспортные работы, уборочные работы), трактор всё время работает при
открытых фрамугах, т. е. при функционирующей естественной вентиляции.
Учитывая тот факт, что с момента начала работы трактора
концентрация ТВ постепенно нарастает при одновременном выносе
определенной его части вентиляционным потоком за пределы теплицы,
скорость изменения концентрации ТВ в атмосфере теплицы будет
определяться выражением [72]:
dС K
dt Vb
,
(3.5)
Скорость изменения количества ТВ будет прямо пропорциональна
скорости выносу его из помещения теплицы в атмосферный воздух, при
работе естественной вентиляции.
Это условие выглядит следующим образом:
dK
kdt ,
K
(3.6)
Проинтегрировав обе части уравнения 2.6, получим:
K
kt ,
K0
(3.7)
K K 0 e kt ,
(3.8)
ln
Откуда выразим К:
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Подставляя уравнение 3.8 в уравнение 3.5, получим:
dC K 0 kt
e ,
dt Vb
(3.9)
Проинтегрировав обе части получившегося уравнения при начальных
условиях t = 0, C = C 0 , получим:
C C0 K 0 kt
(e 1) ,
kVb
(3.10)
После проведения преобразований данное уравнение будет иметь вид:
С С0 К0
1 e kt ,
kVb
(3.11)
Учитывая формулу 3.3 и 3.4, условие безопасного использования
трактора помещении теплицы при функционирующей системе естественной
вентиляции, в общем, виде будет выглядеть следующим образом:
C0 М Г СГ
(1 e kt ) [C ] ,
kVb
(3.12)
При работе в помещении теплицы тракторов семейства Т–30,
оснащенным дизельным двигателем Д–120 выражение 3.12 примет
следующий вид [72.73]:
5 104 n CГ Vh
C0 t 1 e kt C ,
k Vb
(3.13)
где п – обороты коленчатого вала двигателя трактора, мин-1;
Кд – переводной коэффициент, учитывающий рабочие параметры
двигателя;
Vh – рабочий объем двигателя, л.
В
результате
проведенного
теоретического
анализа
динамики
загрязнения воздушной среды теплицы ТВ ОГ дизельного двигателя можно
сделать вывод о том, что их концентрация напрямую зависит от рабочего
объема двигателя, режима его работы и продолжительности работы МЭС в
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
помещении теплицы.
Следует так же отметить, что одной из особенностей работы МЭС с
дизельными
двигателями
в
закрытых
помещениях
является
его
периодическое передвижение, что создает неравномерное загрязнение
воздушной среды помещения, как в местах остановки и работы, так и по
всей длине помещений. Влияние на этот процесс оказывают такие факторы,
как: интенсивность производственного процесса, геометрические размеры
помещений, организация производственного процесса [76].
3.2. Конструктивно-технологическая схема устройства
для влажной очистки отработавших газов
дизельных двигателей внутреннего сгорания
Проведенный анализ существующих конструкций устройств для
влажной очистки ОГ ДВС выявил ряд проблем, оказывающих существенное
влияние как на эффективность очистки ОГ, так и на возможность их
применения в целом [33,49,72].
Наиболее существенные из них:
– большие габариты и масса устройств;
– необходимость частой смены рабочего раствора или воды;
– резкое снижение эффективности нейтрализаторов при работе
двигателя на режимах, близких к номинальным;
– большое гидравлическое сопротивление.
С целью решения этих проблем были разработаны конструкции
устройств [55,56,58,59,60, 79,80] для очистки ОГ дизельных ДВС, схема
одного из которых представлена на рисунке 2.1. Виды, поясняющие
устройство
жидкостного нейтрализатора и технологию его работы
представлены соответственно на рисунках 3.2 и 3.4.
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1- датчик положения коленчатого вала; 2,17 – времязадающие цепи; 3- металлические
трубки для подачи нейтрализующего раствора; 4 – выхлопной коллектор; 5 – аэрозольная
камера; 6 - датчик положения регулятора; 7 – форсунки; 8 – бак с нейтрализующим
раствором; 9 – жидкостной насос; 10 – эжектор; 11- центробежный каплеуловитель; 12 –
жидкостной нейтрализатор; 13 – блок ключей; 14 – резисторная сборка; 15 – ключ; 16 –
источник тока; 18 – интегральный блок таймер; 19 – электронный блок управления.
Рисунок 3.1 – Схема устройства для очистки отработавших газов
дизельных двигателей
20 – впускной патрубок аэрозольной камеры; 21, 24 – конический завихритель; 22 –
выпускной патрубок аэрозольной камеры; 23 – впускной патрубок центробежного
каплеуловителя; 25 – выпускной патрубок центробежного каплеуловителя; 26 – труба
отвода жидкости;
Рисунок 3.2 – Схема жидкостного нейтрализатора ОГ.
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 3.3 – Схема очистки устройством ОГ дизельных ДВС
Электронный блок управления жидкостного нейтрализатора 19
предназначен для управления подачей нейтрализующего раствора в
аэрозольную камеру 5, посредством форсунок 7. ЭБУ 19 подключается к
бортовой сети транспортного средства номиналом 12В постоянного тока.
Имеет разъемы для подключения датчика положения коленчатого вала
двигателя
1,
датчика
положения
регулятора
6,
блока-измерителя
температуры, четырех форсунок 7 и источника питания 16. Не имеет
встроенных коммутационных приборов и начинает работать автоматически
при подаче напряжения от внешнего источника.
Работа ЭБУ может осуществляться в двух режимах:
1) Тестовый режим, характеризуется жестко заданным временем
нахождения форсунок в закрытом и открытом состояниях, т.е. жестко
заданной частотой впрыска, без возможности регулировки количества
подаваемого в единицу времени раствора. Представляет собой режим для
проверки работоспособности системы, а так же работы в «аварийном
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
режиме» в случае отказа одного из датчиков.
2) Рабочий режим, характеризуется возможностью регулировки
частоты
впрыска
как
вручную,
посредством
изменения
номинала
сопротивления времязадающей цепи, так и автоматически, в зависимости от
сигнала поступающего от датчиков положения коленчатого вала, датчика
положения регулятора, либо микросхемы-термодатчика.
Тестовый режим включается автоматически при отключении от
разъема W1 датчика положения коленчатого вала.
Основным элементом электронного блока управления 19 является
интегральная микросхема-таймер серии «NE555», которая генерирует
электрический
сигнал заданной длительности.
«NE555»
монолитная
таймерная интегральная схема представляет собой высокостабильный
контроллер, способный вырабатывать точные временные задержки или
периодические колебательные сигналы. В случае, когда интегральная схема
работает в режиме формирования задержек, их длительность точно задается
при помощи одного внешнего резистора и одного конденсатора. При работе в
качестве генератора периодических колебаний частота и скважность сигнала
весьма точно задаются одним внешним конденсатором и двумя внешними
резисторами.
Для осуществления рабочего процесса ЭБУ к микросхеме подключены
две времязадающие цепи 2, 17. Первая времязадающая цепь, содержащая
внешние конденсаторы постоянной емкости типа К73-9 и резистор, жестко
задает время нахождения форсунки в открытом состоянии, т.е. время
впрыска аэрозоля. Номиналы элементов подобраны таким образом, чтобы
длительность
электрического
сигнала
равнялось
15
мс.
Вторая
времязадающая цепь, содержащая один внешний конденсатор и два внешних
резистора задает время нахождения форсунки в закрытом состоянии, т.е.
определяет частоту впрыска аэрозоли для тестового режима. Эта
характеристика задана жестко с использованием постоянных сопротивлений.
Время простоя будет равно 20 мс. Если вместо постоянных сопротивлений
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
установить в схему переменное сопротивление, появляется возможность
плавно регулировать частоту впрыска аэрозоли, подстраивая её под режимы
работы двигателя. Для этого в цепь включены датчики положения
коленчатого вала и рычага всережимного регулятора топливного насоса. В
данном случае частота впрыска аэрозоли будет зависеть от частоты вращения
коленчатого вала и положения рычага всережимного регулятора топливного
насоса в текущий момент. Так же схема содержит микросхему STA 471A,
представляющую собой блок ключей. При подаче входного сигнала от
микросхемы «NE555» блок ключей замыкает свой выход на корпус,
обеспечивая тем самым подачу напряжения к форсункам. Входы ключей
объединены вместе, таким образом, при подаче входного сигнала все
форсунки открываются одновременно. Светодиодный индикатор загорается в
момент открытия форсунок, таким образом, отображая интенсивность
впрыска.
Частота
импульсов
зависит от величин номиналов
внешнего
конденсатора и двух сопротивлений и определяется по формуле (3.14).
f 1
,
0.693 C ( R1 R2 )
(3.14)
где R1 и R2 – внешние сопротивления времязадающей цепи, кОм;
С – емкость внешнего конденсатора времязадающей цепи, пФ;
Промежуток времени между началом каждого следующего импульса
называется периодом и обозначается буковкой T. Оно складывается из
длительности самого импульса – T1 и промежутком между импульсами – T2.
T1 = 0.693. (R1+R2) .C,
(3.15)
T2 = 0.693.R2.C,
(3.16)
где T1 – время длительности импульса, с;
T2 –промежуток между импульсами, с.
Датчик
положения
регулятора
6
является
датчиком
потенциометрического типа и включает в себя однооборотный переменный и
постоянный резисторы. Их общее сопротивление составляет около 8 кОм. На
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
один из крайних выводов потенциометра подается с контроллера опорное
напряжение номиналом 5 В, а другой вывод соединен с массой. От среднего
вывода потенциометра, через резистор, к контроллеру подается сигнал о
текущем положении дроссельной заслонки. При полностью закрытой
заслонке оно ниже 0,7 В. Когда заслонка открыта, напряжение на выходе
датчика и при полностью открытой заслонке более 4 В.
Датчик положения коленчатого вала 1 индуктивного типа предназначен
для синхронизации работы ЭБУ с верхней мертвой точкой поршней 1 и 4
цилиндров и угловым положением коленчатого вала. Задающий диск
представляет собой зубчатое колесо установленными на его венце метками
для создания импульса синхронизации, необходимого для согласования
работы ЭБУ с режимом работы двигателя.
Устройство работает следующим образом. ОГ от дизельного двигателя
поступают из выхлопного коллектора 4 во впускной патрубок аэрозольной
камеры 20. Проходя через конический завихритель 21 поток газа приобретает
направленное вращательное движение. Использование завихрителя 21 в
нейтрализаторе приводит к выравниванию значений локальных скоростей
потока ОГ и снижению показателей неравномерности распределения скоростей
потока, что очень важно для осуществления процесса очистки ОГ. Затем
вихревой поток проходит обработку водяной аэрозолью форсунками 7,
установленными радиально в корпусе аэрозольной камеры 5. Форсунка 7
представляет
собой
электромагнитный
клапан,
пропускающий
нейтрализующий раствор при подаче на него напряжения и запирающийся
под действием возвратной пружины при снятии напряжения. Впрыск
аэрозоли осуществляется с частотой работы двигателя и регулируется
электронным блоком управления 19. Одновременный впрыск эмульсии по
меньшей мере тремя форсунками 7 придает дополнительный вращательный
импульс
движущемуся потоку. Процессы улавливания, химического
связывания и нейтрализации токсичных компонентов и сажевых частиц,
содержащихся в ОГ, совершаются при непосредственном контакте между
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
обрабатываемыми
отработавшими
газами
и
мельчайшими
каплями
нейтрализующего раствора, разбрызгиваемого форсунками 7 аэрозольной
камеры 5, посредством чего достигается развитая поверхность их контакта,
что позволяет осуществить заданное изменение состояния ОГ в объеме
ограниченном аэрозольной камерой 5, в течении малого промежутка
времени. Известно, что для дизельной сажи характерно образование
вторичных структур из отдельных цепочек в виде разветвленных цепей, а
также
в
виде
плотных
скоплений
отдельных
цепочек
(сажевых
конгломератов), соединенных за счет адсорбционных сил. Процесс
осаждения сажевых частиц и вредных веществ на каплях жидкости
обусловлен массой жидкости, развитой поверхностью капель и высокой
скоростью движения частиц жидкости и сажи в корпусе и выпускном
патрубке аэрозольной камеры, имеющего форму конфузора. Эффективность
осаждения в значительной степени зависит от равномерности распределения
жидкости, подаваемой форсунками 7, по сечению аэрозольной камеры 5.
Пройдя аэрозольную обработку, ОГ выводятся из корпуса 5
аэрозольной камеры через выпускной патрубок 22 и, пройдя через эжектор
10, смешиваясь с атмосферным воздухом, поступают во впускной патрубок
23 центробежного каплеуловителя 11, где, проходя через конический
завихритель
24
двухфазный
газожидкостный
поток
приобретает
направленное вращательное движение, при этом жидкая фаза и уловленные
ею посторонние не газообразные примеси под действием центробежных сил
сепарируются на внутренней стенке корпуса центробежного каплеуловителя
11, а пар и очищенный газ поступают в выпускной патрубок 25. Жидкая фаза,
в
виде
тонкой
пристеночной
пленки,
продвигается
по
корпусу
центробежного каплеуловителя 11 и попадает в полость между выпускным
патрубком 25 и корпусом 11 и удаляется через трубу для отвода жидкости 26.
Очищенная газовая фаза выводится через выпускной патрубок 25 в
атмосферу. Таким образом, центробежный каплеуловитель 11 способствует
не только удалению из потока задержанных раствором вредных веществ, но
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и уменьшению количества уносимой в атмосферу влаги в целом.
Электронный блок управления 19 функционирует следующим образом.
При подаче питающего напряжения на вход электронного блока управления
19, блок таймер 18 начинает генерировать электрический сигнал заданной
длительности, зависящей от номинала элементов времязадающих цепей 2, 17
внешних резисторов и конденсаторов. Одна из времязадающих цепей - 2
задает длительность импульса, определяющего время нахождения форсунок
7 в открытом состоянии. Вторая времязадающая цепь 17 задает длительность
импульса, определяющего время нахождения форсунок 7 в закрытом
состоянии. Цепь 17 включается в работу только в случае отсутствия или
неисправности электромагнитного датчика положения коленчатого вала 1
двигателя, подключаемого к электронному блоку управления 19 и
установленному на корпусе двигателя. Блок таймер 18 электронного блока
управления 19 вырабатывает сигналы на основании опорных импульсов,
получаемых от датчика положения коленчатого вала 1, которые образуются
при прохождении метки, закрепленной на венце маховика коленчатого вала,
на некотором расстоянии от датчика 1. Опорный импульс поступает на
входной компаратор блока таймера 18, после чего, интегральная микросхематаймер, являющаяся основным его элементом, генерирует периодический
импульс, который, пройдя через резисторную сборку 14, поступает на вход
микросхемы блока ключей 13. Блок ключей 13, при поступлении сигнала,
замыкает свои выходы на корпус, открывая тем самым транзит току, от
источника питания 16, питающему обмотки электромагнитов форсунок 7.
После завершения прохождения сигнала, блок ключей 13 размыкает свой
выход с корпусом и прекращает питание обмоток форсунок 7, до
поступления следующего импульса. Одновременно, с подачей питающего
напряжения на электронный блок управления 19, осуществляется подача
питающего напряжения на электрический погружной роторный жидкостной
насос 9, установленный в бачке с нейтрализующим раствором 8,
развивающий давление не менее 300 кПа. Жидкостной насос 9 соединен с
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
форсунками 7 маслобензостойкими шлангами 3, посредством которых
непрерывно осуществляется подача нейтрализующего раствора к форсункам
7 и затем во внутреннюю полость аэрозольной камеры 5, где происходит его
взаимодействие с ОГ. Нейтрализующий раствор должен подаваться в
аэрозольную камеру в мелкораспыленном виде, с далеко проникающей
способностью полета мельчайших капель в потоке ОГ, для этого его
необходимо подавать под большим давлением.
Для компенсации недостаточной степени очистки ОГ, при работе
двигателя в режиме повышенной нагрузки, времязадающая цепь 2,
определяющая время нахождения форсунки в открытом состоянии, содержит
потенциометрический датчик положения регулятора 6 топливного насоса.
Ползунок датчика 6, жестко связанный с основным рычагом регулятора (на
схеме не показан), при его перемещении, в случае возникновения перегрузки,
изменяет сопротивление датчика 6 и всей времязадающей цепи 2, за счет
чего блок-таймер 18 увеличивает время нахождения форсунки 7 в открытом
состоянии и как следствие увеличивает количество поступающего в единицу
времени нейтрализующего раствора [59].
Для улучшения показателей очистки ОГ на режимах номинальной и
повышенной нагрузки, времязадающая цепь 17 (рис 3.4), определяющая
время нахождения форсунки в открытом состоянии, содержит блокизмеритель температуры ОГ 13, установленный в корпусе выпускного
патрубка
12
центробежного
каплеуловителя
10.
Блок-измеритель
температуры ОГ 13, связан со входом времязадающей цепи 17 посредством
операционного усилителя 16 и блока-формирователя тока заряда 14. При
изменении температуры очищенных отработавших газов, проходящих через
выпускной
патрубок
12
и контактирующих с
блоком-измерителем
температуры 13, что может являться следствием несоответствия количества
нейтрализующего раствора, продающегося в аэрозольную камеру 5,
количеству ОГ, блок-измеритель температуры 13 изменяет напряжение на
своих выводах. Операционный усилитель 16 усиливает сигнал от блока82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
измерителя температуры 13, после чего его выходное напряжение
преобразуется в ток при помощи блока-формирователя тока заряда 14. Ток с
выхода
блока-формирователя
тока
заряда
14
подается
на
вход
времязадающей цепи 17, определяющей время нахождения форсунок в
открытом состоянии. В зависимости от величины тока, протекающего во
времязадающей цепи 17, блок таймер 3 изменяет время нахождения
форсунок 7 в открытом состоянии и как следствие изменяет количество
поступающего в единицу времени нейтрализующего раствора. Таким
образом, происходит автоматическое регулирование режима работы
устройства, за счет появления в системе обратной связи по температуре [59].
Термоэлектрический метод измерения температуры основан на
возникновении электродвижущей силы в цепи, составленной из разнородных
проводников, при нарушении теплового баланса, вызванного неравенством
температур в местах соединения проводников. Возникновение термо-э.д.с.
объясняется перемещением электронов из одного проводника в другой и
выравниванием их внутренних потенциалов [84].
Основным элементом блока-измерителя температуры ОГ 13 является
микросхема-термодатчик с линейной зависимостью выходного напряжения
от температуры типа К1019ЕМ1.
Датчик
по
свойствам
подобен
стабилитрону
с
малым
дифференциальным сопротивлением и со стабильным и нормированным
плюсовым температурным коэффициентом напряжения (ТКН). Работа
термодатчика К1019ЕМ1 основана на зависимости от температуры разности
значений напряжения на эмиттерном переходе Uбэ двух транзисторов с
разной плотностью эмиттерного тока. С целью повышения точности
измерения температуры в микросхеме предусмотрена цепь калибровки.
Во впускном патрубке каплеуловителя 10, имеющего форму диффузора
происходит рост давления и снижение скорости потока, что способствует
коагуляции мелких частиц.
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1- датчик положения коленчатого вала; 2,17 – времязадающие цепи; 3 – блок-таймер; 4 –
выхлопной коллектор; 5 – аэрозольная камера; 6 – шланги для подачи раствора; 7 –
форсунки; 8 – бак с нейтрализующим раствором; 9 – жидкостной насос; 10 –
центробежный каплеуловитель; 11 – жидкостной нейтрализатор; 12 – выпускной
патрубок; блок-измеритель температуры; 14 – формирователь тока заряда; 15 –
электронный блок управления, 16 – операционный усилитель; 18 – ключ; 19 – источник
тока;
Рисунок 3.4 – Схема устройства для очистки отработавших газов дизельных
двигателей внутреннего сгорания с блоком-измерителем температуры.
В данном варианте конструкции из состава устройства для очистки ОГ
исключается эжектор, так как атмосферный воздух, подсасываемый им и
перемешивающийся с ОГ, резко снижает информативность и как следствие
эффективность
работы
блока
измерителя
температуры,
за
счет
дополнительного снижения их температуры.
Следует отметить, что одним из наиболее важных свойств аэрозолей в
целом и сажи в частности, является непрерывная и самопроизвольная
коагуляция их частиц. Частицы вещества при соприкосновении сливаются
или слипаются, аэрозоль становится все более грубым. Соприкосновения
возникают в результате движения частиц, что приводит к их соединению
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
друг с другом и уменьшению, таким образом, общего числа индивидуальных
частичек. Атомы углерода, находящиеся на краях кристаллических решеток,
имеют свободные валентности, по которым к ним присоединяются атомы
отдельных плоских решеток углерода или целые цепочки атомов. Если
рассматривать процесс на более крупном уровне, то надо учитывать влияние
ряда факторов, таких как размер частиц, форма и структура их поверхностей,
а так же влияние адсорбированных на частицах веществ, от которых зависит,
слипаются ли частицы при столкновении или нет. Хорошо известно, что
сажевые частицы, благодаря своему строению и значительной удельной
поверхности, поглощают из потока газа и адсорбируют на своей поверхности
некоторые вредные вещества,
такие как, например, канцерогенный
полициклический углеводород бенз--пирен, образующийся в камере
сгорания в процессе пиролиза топлива, параллельно с образованием сажи, а
так же дебинз-j-пирен, дебинэ-(,h)-атрэнцен, циклопентено -(с,d)-пирен,
хризен, бенз-()-атранцен, анирактрен и другие [23].
Таким образом, можно сделать вывод, что сажевые частицы способны
уносить на своей поверхности некоторое количество вредных компонентов
из отработавших газов двигателя. Удаляя из потока ОГ сами сажевые
частицы, увеличивая при этом долю адсорбции на них вредных компонентов
отработавших газов, мы получаем дополнительную возможность снижать
количество вредных компонентов поступающих в окружающую среду при
работе дизельных двигателей.
Увеличить долю адсорбции вредных компонентов отработавших газов
на поверхности сажевых частиц возможно несколькими способами,
например, создавая условия для управляемой турбулизации потока, путем
применения специальных устройств – завихрителей. Закрученный поток
имеет ряд преимуществ перед прямоточным – это и интенсивный
турбулентный обмен, и наличие зон рециркуляции, способствующие
стабилизации химических процессов и интенсивному массообмену между
веществами [23]. Двигаясь в закрученном потоке, частицы сажи будут, во85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
первых, чаще соприкасаться друг с другом, что приведет к их коагуляции и
объединению в более крупные конгломераты, а во-вторых, частицы смогут
адсорбировать на своей поверхности большее количество молекул вредных
веществ
из
потока отработавших газов.
Коагуляция положительно
сказывается и на процессах улавливания сажи, так как из-за высокой степени
дисперсности дизельной сажи и сравнительно низкой концентрации её в
отработавших
эффективность
газах,
на
некоторых
применения
таких
режимах
работы
распространенных
зарекомендовавших себя в промышленности
двигателя,
и
хорошо
устройств, как например
мультициклоны, не превышает 60%, и, это при значительном увеличении
противодавления на выпуске [86]. Следует отметить, что аппараты для сухой
очистки газов, в основу работы которых положен эффект от воздействия на
взвешенную частицу сил инерции, гравитационных или центробежных сил,
относительно
просты
в
конструкции, недороги в производстве и
обслуживании и не требуют дополнительных устройств для осуществления
рабочего процесса, в отличии от так же хорошо зарекомендовавших себя в
области очистки газов электрофильтров.
Исследования
компонентов
показывают, что увеличить адсорбцию вредных
сажевыми частицами,
возможно,
применяя
некоторые
химические вещества. В частности, исследования [48] показывают, что
азотная кислота физически адсорбируется на саже и адсорбция её возрастает
при увеличении количества участвующей в реакции воды. Таким образом,
ядовитые оксиды азота, вступив в химическую реакцию с молекулами воды и
превратившись в новое вещество – азотную кислоту, более интенсивно
физически адсорбируются на поверхностях сажевых частиц, причем часть
молекул азотной кислоты может вступать с ними в химические реакции.
Из сказанного ранее следует, что некоторые физические процессы,
происходящие в аппаратах для сухой очистки отработавших газов, при их
совместном течении с химическими процессами, имеющими место при
влажной очистке ОГ, могут позволить повысить качество очистки, за счет
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
оптимального использования свойств веществ, участвующих в процессе [60].
3.3.
Расчет
газодинамического
сопротивления
жидкостного
нейтрализатора
Установленный на выпускном коллекторе дизельного двигателя
трактора ЖН оказывает газодинамическое сопротивление ОГ, которое
изменяется на разных режимах работы двигателя. При работе двигателя в
режиме
максимальной
мощности,
газодинамическое
сопротивление
достигает наибольшего своего значения, ввиду максимального расхода ОГ,
проходящих через нейтрализатор, а при работе на холостом ходу при
остановках и малом ходу соответственно – наименьшего [72].
Зная зависимость изменения данного параметра на различных
нагрузочных и скоростных режимах работы дизельного двигателя трактора
можно оценить масштабы снижения мощностных и экономических
показателей работы двигателя, которое, тем не менее, не должно
существенно отражаться на его тягово-скоростных характеристиках,
определяющих выполнение мобильным энергетическим средством основных
технологических операций в
помещениях ограниченного объема и
воздухообмена. Кроме того, повышение противодавления на выпуске,
ухудшает течение процесс горения и приводит к резкому увеличению содержания сажевых аэрозолей в ОГ [72].
Потери напора по длине hдл вычисляются по формуле [10]
l V 2
hдл ,
4R 2 g
где
(3.17)
– коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси);
–
корректив кинетической энергии потерь (коэффициент Кориолиса);
l – длина участка потока между рассматриваемыми сечениями, м;
V – скорость потока, м/с;
R – гидравлический радиус, м.
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для элементов круглого сечения формулу (3.17) удобнее представлять
в следующем виде:
hдл l V 2
,
d 2g
(3.18)
где d – диаметр трубы.
Коэффициент является безразмерной величиной, зависящей от
диаметра,
шероховатости
внутренней
поверхности
стенок
камер
нейтрализатора, вязкости и скорости движения газа. Влияние этих
характеристик на величину проявляется по-разному при различных
режимах движения жидкости.
При ламинарном режиме движения жидкости коэффициент определяется по формуле Пуазейля:
64
16
,
Re Re R
(3.19)
При турбулентном режиме движения жидкости, коэффициент Дарси
рекомендуется определять по формуле
0,3164
Re 0.25 ,
(3.20)
где Re – число Рейнольдса, значение которого можно рассчитать по формуле
Re V d V d
,
(3.21)
где V – скорость потока, м/с;
d – диаметр трубы, м;
– кинематическая вязкость газа м2/с;
– коэффициент вязкость газа.
Кинематическую вязкость смеси газов можно найти по приближенной
формуле Манна [10]:
100
1 2
... n
1 2
n
,
где 1, 2,…, n – кинематическая вязкость компонентов;
88
(3.22)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
u1, u2,…, un – объемная доля компонентов смеси, %.
Потери напора в коническом диффузоре определяются по формуле
V22
hд д
,
2g
(3.23)
где д – коэффициент потерь, определяется по формуле (2.24)
V2 – средняя скорость потока ОГ за конфузором, м/с.
д д (
2
1) 2 ,
1
(3.24)
где kд – безразмерный коэффициент, выражающий долю потерь в диффузоре
от потерь при внезапном расширении,
1 и 2 – площади сечения диффузора.
Потеря напора в коническом конфузоре определяется по формуле
V22
hк кон
,
2g
(3.25)
где кон – коэффициент потерь, зависящий от отношений диаметров
конфузора и его угла схождения [10].
Потеря напора при внезапном расширении определяется по формуле
(V1 V2 ) 2
hвр ,
2g
(3.26)
где V1 и V2 – средние скорости в сечениях, выбранных соответственно до и
после расширения потока, м/с.
Потеря напора при внезапном сужении определяется по формуле
2
V
hвс вс 2 ,
2g
(3.27)
где вс – коэффициент потерь напора при внезапном сужении.
Аэрозольную камеру жидкостного нейтрализатора можно условно
разделить на несколько участков: впускной и выпускной патрубки,
представляющие собой отрезок трубы круглого сечения; конический
диффузор; конфузор и аэрозольную камеру круглого сечения. Центробежный
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
каплеуловитель можно представить в виде соединенных последовательно:
впускного патрубка, диффузора, полой сепарационной камеры круглого
сечения и выпускного патрубка.
Суммарное гидравлическое сопротивление какого либо элемента сети
hсум hм hтр ( м тр ) V 2
2
,
(3.28)
Для определения величины напора ОГ в сечениях ЖН запишем
уравнение Бернулли [9]
2
P1 Vвх2
P2
Vвых
z1 z2 h1 2
1g
2g
2 g
2g
,
(3.29)
где z1 и z2 – удельные энергии положения, характеризующие потенциальную
энергию в сечениях;
P1
1 g
и
P2
2 g
–
удельные энергии давления, характеризующие
потенциальную энергию давления в тех же сечениях;
V вх2
V2
и вых – удельные кинетические энергии в тех же сечениях.
2g
2g
Рисунок 3.5 – Схема для расчета суммарных гидравлических потерь в
аэрозольной камере
Суммарные гидравлические потери в аэрозольной камере можно
выразить следующим образом:
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
h12 вх 1V12
2g
д
1V12
2g
V2
V2
l 2V22
кон 2 э 3 ,
d 2g
2g
2g
(3.30)
Рисунок 3.6 – Схема для расчета суммарных гидравлических потерь в
центробежном каплеуловителе
Суммарные гидравлические потери в центробежном каплеуловителе
можно выразить следующим образом:
h
1 2
вх 1V12
2g
д
1V12
2g
V2
l 2V22
вс 2 ,
d 2g
2g
(3.31)
Суммарные гидравлические потери в аэрозольной камере при подаче в
нее орошающей жидкости можно выразить следующим уравнением:
H h12 hж ,
где
h
12
(3.32)
суммарные гидравлические потери в сухой аэрозольной камере;
hж – гидравлическое сопротивление аэрозольной камеры при подаче в
неё
орошающей жидкости.
Гидравлическое
сопротивление,
обусловленное
орошающей
жидкостью, рассчитывается по формуле:
V 2 hж ж 2 ж m ,
2 где ж – коэффициент гидравлического сопротивления, обусловленный
вводом жидкости;
m – удельный расход орошающей жидкости, мг.
Величина коэффициента ж определяется из выражения:
91
(3.33)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
V
ж А с ж
Vг
г
ж
1 B
,
(3.34)
где Vж – скорость капель жидкости на выходе из форсунок, м/с.
3.4. Расчет геометрических параметров аэрозольной камеры
жидкостного нейтрализатора
Одним из условий достижения оптимальной производительности ЖН
по очистке ОГ дизельного двигателя от токсичных компонентов и сажи
является снижение скорости потока ОГ газов в зоне их обработки
нейтрализующим раствором посредством форсунок [86].
Для обеспечения наибольшей эффективности процесса улавливания,
химического связывания и нейтрализации токсичных компонентов и
сажевых частиц, содержащихся в ОГ, при непосредственном контакте между
обрабатываемыми ОГ и мельчайшими каплями нейтрализующего раствора а,
следовательно и максимальной степени очистки, скорость потока ОГ через
активную зону аэрозольной камеры не должна превышать 2 м/с.
Определим скорость истечения ОГ двигателя через впускной канал
аэрозольной камеры по следующей формуле:
VОГ 4
QОГ
D1 2
, м/с
(3.35)
где D1 – внутренний диаметр впускного канала аэрозольной камеры, м.
При данной скорости ОГ процесс химического связывания и
нейтрализации
токсичных
компонентов
и
сажевых
частиц
будет
малоэффективным ввиду очень малого времени нахождения последних в
активной зоне ЖН.
С целью увеличения времени обработки ОГ нейтрализующим
раствором необходимо увеличить площадь активного сечения аэрозольной
камеры ЖН, которая может быть вычислена по следующей формуле:
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
S2 QОГ
, м2
VОГ
(3.36)
где S`2 – общая площадь активного сечения ЖН, м 2;
Q`ог – расход ОГ, м3/с;
V΄ОГ – необходимая скорость потока ОГ двигателя, м/с.
Внутренний диаметр рабочей зоны аэрозольной камеры D2 рассчитаем
по следующей формуле:
D2 S2
,м
(3.37)
Для полного насыщения ОГ нейтрализующим раствором необходимо,
чтобы последние находились в активной зоне аэрозольной камеры ЖН не
менее 0,1 с.
Исходя из этого условия, вычислим длину аэрозольной камеры ЖН по
следующей формуле:
t , м
L VОГ
(3.38)
где t –время пребывания ОГ в активной зоне ЖН, с.
При этом общая площадь поперечного сечения аэрозольной камеры
ЖН будет равна:
S
D 2
4
,м
(3.39)
Рисунок 3.7 – Схематическое изображение аэрозольной камеры ЖН.
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.5. Расчет геометрических параметров сепарационной камеры
центробежного каплеуловителя жидкостного нейтрализатора
Скорость истечения потока ОГ через канал впускного патрубка
центробежного каплеуловителя рассчитаем по формуле:
4
QОГ
, м/с
D2 2
VОГ (3.40)
где Q`ог – количество ОГ, проходящее через сечение сепарационной камеры
центробежного каплеуловителя ЖН в единицу времени, м 3/с;
D3 – внутренний диаметр канала впускного патрубка центробежного
каплеуловителя, м.
Площадь активного сечения сепарационной камеры центробежного
каплеуловителя ЖН, быть вычислена формуле:
S2 QОГ
, м2
3
VОГ
(3.41)
где S3 – общая площадь активного сечения ЖН, м 2;
V΄ОГ3 – скорость потока ОГ в сепарационной камере, м/с.
Внутренний диаметр рабочей зоны сепарационной камеры D3
рассчитаем по следующей формуле:
D3 S2
,м
(3.42)
Для достижения максимальной сепарации сажевых частиц и капель
нейтрализующего раствора, с задержанными ими вредными компонентами
ОГ на внутренней поверхности сепарационной камеры центробежного
каплеуловителя,
эффективной
длиной
сепарационной
камеры,
по
многочисленным экспериментам авторов [40], считается длина равная 2,5 – 3
диаметрам рабочей зоны камеры.
Исходя из этого условия, вычислим длину сепарационной камеры по
следующей формуле [40]:
L3 2,5 D3 , м
94
(3.43)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 3.8 – Схематическое изображение центробежного каплеуловителя
ЖН.
3.6. Расчет количества нейтрализующего раствора потребного для
очистки отработавших газов в ЖН
Ключевым фактором, влияющим на степень очистки ОГ в ЖН,
является точное соответствие количества нейтрализующего раствора,
подаваемого для орошения потока в единицу времени, количеству ОГ
поступающих из цилиндров двигателя в аэрозольную камеру устройства.
Между количеством ОГ и объемом подаваемого нейтрализующего раствора
существует
прямая
зависимость,
подтвержденная
экспериментально,
результаты проводимых экспериментов изложены в 3 главе диссертационной
работы. С увеличением количества ОГ, количество нейтрализующего
раствора должно быть увеличено, с уменьшением, соответственно,
уменьшено.
Кроме
того,
при
расчете
потребного
количества
нейтрализующего раствора следует в первую очередь учитывать количество
топлива, подаваемого в цилиндры дизельного двигателя, т.к. при работе в
режиме повышенной нагрузки и перегрузки, при падении числа оборотов
коленчатого вала, всережимным регулятором увеличивается количество
топлива, что существенно влияет на токсичность ОГ [72].
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Расчет потребного количества нейтрализующего раствора произведем
из ранее упоминавшегося условия прямой зависимости между количеством
ОГ и объемом подаваемого нейтрализующего раствора.
Расход ОГ при работе дизеля на режиме номинальной мощности равен
QОГ 22,4 GТ М 2
, м3/с
3600
(3.44)
Общее количество продуктов сгорания М2 1 кг дизельного топлива будет
равно [72]:
М 2 LO H OT
, кмоль
4
32
(3.45)
Расход топлива двигателем трактора составит
GТ N Н g е 10 3 , кг/ч
(3.46)
Потребного количество нейтрализующего раствора составит
Qр ра где К
р-ра
22, 4 GТ М 2 K р ра
3600
,
м3/мин
(3.47)
– безразмерный коэффициент отражающий пропорциональность
между количеством ОГ
и потребным для
его очистки объемом
нейтрализующего раствора, полученный экспериментальным путем.
Утверждать о характере Кр-ра, как о коэффициенте пропорциональности
возможно
благодаря
математической
модели
зависимости
расхода
нейтрализующего раствора от степени очистки ОГ и количества топлива
подаваемого в цилиндры.
Математические модели имеют вид:
Q р ра (см
3
Q р ра (см
3
Q р ра (см
3
Q р ра (см
3
мин
) 277 ,8876 9,1317 N 2.2799 g e 0.06 N 2 0.0354 Ng e 0.0047 g e2
,
(3.48)
мин
) 292 ,8312 3,519 N 2.0191 g e 0.0105 N 2 0.0122 Ng e 0.0036 g e2 ,
(3.49)
мин
) 38,8735 0,4584 g e 1,9609 N 0.0013 g e 0.0086 Ng e 0.0116 N 2 ,
(3.50)
мин
) 298 ,932 4,0726 N 2.1681 g e 0.0127 N 2 0.0146 Ng e 0.004 g e2 ,
(3.51)
2
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из зависимостей видно, что члены высших порядков, в виду малых
значений коэффициентов, не оказывают существенного влияния на модель и
зависимость принимает вид линейной, что дает нам право говорить о Кр-ра
как о постоянном коэффициенте.
Произведя необходимые преобразования и приведя все величины
входящие в формулу к размерности м3/мин получим:
Qр ра 3, 73 103 N Н qв M2 K р ра ,м3/мин
(3.52)
где qв – удельный расход топлива, г/кВт∙ч.
С учетом формулы (2.45)
Qр ра 3, 73 103 N Н qв ( LO H OT
) K р ра , м3/мин
4 32
(3.53)
Таким образом, из полученных выражений можно сделать вывод о том,
что количество нейтрализующего раствора, потребного для очистки 1 м 3 ОГ,
будет зависеть от количества топлива подаваемого в цилиндры двигателя,
состава топлива и условий сгорания смеси.
3.7. Расчет количества отработавших газов дизельного двигателя
трактора при проведении механизированных работ в теплице
С целью определения оптимальных конструктивных параметров
разрабатываемого устройства, расчета его геометрических размеров и
характеристик работы необходимо знать максимальный расход ОГ при
работе двигателя на режиме номинальной нагрузки. Основные параметры
воздушной среды теплицы и ОГ двигателя трактора представлены в таблице
3.1.
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 3.1 – Параметры воздушной среды теплицы и ОГ двигателя
трактора.
Единица
Наименование показателя
Обозначение
Величина
Температура воздуха в теплице
Тт
293
К
Рт
0,1
МПа
Тг
950
К
Рг
0,115
МПа
Qн
42500
кДж/кг
Давление воздуха внутри
теплицы
Температура ОГ двигателя
трактора
Давление ОГ двигателя
трактора
Низшая удельная теплота
сгорания топлива
измерения
Для жидких топлив необходимое количество воздуха L0 для полного
сгорания массовой единицы топлива определяется по следующей формуле
[33,72]:
1 C H OT LO , кмоль/(кг топлива)
0,21 12 4 32 (3.54)
где 0,21 – объемное содержание кислорода в 1 кг воздуха;
С, Н, ОТ
– массовые доли углерода, водорода и кислорода в
элементарном составе топлива, для дизельного топлива С = 0,87, Н = 0,126,
ОТ = 0,004.
Рассмотрим процесс впуска свежего заряда в цилиндры двигателя.
Количество вещества свежего заряда вычислим по формуле:
М 1 LO , кмоль
3.55)
где – коэффициент избытка воздуха, (на номинальном режиме работы
дизеля трактора = 1,45).
Общее количество продуктов сгорания М2 1 кг дизельного топлива
будет равно [22, 69]
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
М 2 LO H OT
, кмоль
4
32
Температуру подогрева свежего заряда примем
(3.56)
20оС, тогда его
плотность на впуске в цилиндры двигателя будет равна
РТ 106
3
З , кг/м
RB Т Т
(3.57)
где РТ, ТТ – соответственно давление и температура воздушной среды в
теплице, МПа, К;
RВ = 287 Дж/(кг∙оС) – удельная газовая постоянная для воздуха.
Давление заряда рабочей смеси в конце такта впуска определим по
следующей формуле [69]:
РВП РТ Ра , МПа
(3.58)
где Δ Ра – потери давления на впуске в цилиндре двигателя из–за
сопротивления впускных каналов и неплотности зазора между поршнем и
цилиндром.
Коэффициент остаточных газов в цилиндрах двигателя вычислим по
формуле:
Г Т Т t
РГ
ТГ
РВП Р Г ,
(3.59)
где ε – степень сжатия двигателя.
Температура в конце такта впуска будет равна:
Т ВП Определим
Т Т
коэффициент
t Г Т Г ,К
1 Г наполнения
цилиндров
(3.60)
двигателя
по
следующей формуле
V Т Т РВП РГ ТТ t 1РТ ,
(3.61)
Рассмотрим процесс сжатия. Показатель политропного процесса
сжатия можно определить по эмпирической формуле:
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
п1 1,41 100
,
пН
(3.62)
где пН – номинальная частота вращения коленчатого вала, мин-1.
Давление и температура газов в цилиндрах двигателя в конце такта
сжатия будут соответственно равны
Рассмотрим
РС РВП п1 , МПа
(3.63)
Т Т ВП п1 1 , К
(3.64)
процесс
сгорания
топлива.
Средняя
молярная
теплоемкость заряда в конце сжатия (без учета влияния остаточных газов)
вычислим по следующей формуле
СV 20,16 1,74 103 Т С ,кДж/(кмоль∙град)
C
(3.65)
Число молей остаточных газов определим по формуле
М Г Г LO , кмоль
(3.66)
Тогда число молей газов в конце такта сжатия будет равно
М С М 1 М Г ,кмоль
(3.67)
Определим среднюю молярную теплоемкость для продуктов сгорания
по следующей формуле [69]
С РZ 20 ,2 0,92 13,8 4
15,5 10 Т Z 8,314 , кДж/(кмоль∙оС)
(3.68)
где 8,314 – универсальная газовая постоянная, кДж/(кмоль∙К).
Сделав преобразование, данное уравнение примет следующий вид
С РZ 29 ,14 0,0025 Т Z , Дж/(кмоль∙оС)
(3.69)
Число молей газов после сгорания будет равно:
М Z М 2 М Г , кмоль
(3.70)
Тогда расчетный коэффициент молекулярного изменения рабочей
смеси будет равен:
МZ
;
MС
100
(3.71)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Принимая коэффициент использования теплоты ξ = 0,8, определим
количество теплоты, отдаваемой газами в процессе сгорания 1 кг топлива:
Q QН , кДж/кг
(3.72)
где ξ – коэффициент использования теплоты.
Температура в конце сгорания будет определяться из следующего
уравнения
С РZ TZ Q
Т С 8,314 ,
LO 1 Г С VC
(3.73)
где λ = 1,85 – степень повышения давления.
Подставляя выражение, данное уравнение примет следующий вид:
0,0025 Т Z2 30TZ 80074 ,4 0 ,
(3.74)
Решая квадратное уравнение относительно ТZ , получим два корня,
один из которых положительный и будет являться искомой величиной.
Определим давление газов в конце процесса сгорания по формуле:
РZ РС , МПа
(3.75)
Степень предварительного расширения газов будет определяться как:
Т Z
,
ТС
(3.76)
Степень последующего расширения будет равна:
,
(3.77)
Принимая значение показателя политропы расширения
п2 = 1,17
[33,72], определим соответственно давление и температуру газов в конце
такта расширения.
Рв Тв РZ
п
2
ТZ
, МПа
п 1
2
,К
(3.78)
(3.79)
Среднее индикаторное давление цикла вычислим по следующей
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
формуле
Рi РС 1 1 1 1 1 п2 1 1 п1 1 , МПа
( 1) п2 1 п1 1 (3.80)
где ν – коэффициент полноты индикаторной диаграммы.
Тогда индикаторный коэффициент полезного действия (КПД) будет
равен [72]:
i Рi LO в
,
QН З V
(3.81)
где μв = 28,96 кг/моль – молекулярная масса воздуха.
Зная номинальную частоту вращения коленчатого вала двигателя
трактора, среднее давление механических потерь можно определить по
формуле
РМ а b S п
, МПа
3 10 4
(3.82)
где S – ход поршня, мм;
п – номинальная частота вращения коленчатого вала, мин-1;
а, b – коэффициенты, учитывающие тип камеры сгорания дизеля [72],
которые соответственно равны а = 0,105; b = 0,012.
При этом среднее эффективное давление будет равно:
Ре Рi РМ , МПа
(3.83)
Механический и эффективный КПД двигателя будут соответственно
равны:
М Ре
,
Рi
э i М ,
(3.84)
(3.85)
Определим эффективный удельный расход топлива по следующей
формуле:
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3, 6 103
ge , г/кВт∙ч
QН Э
(3.86)
Часовой расход топлива двигателем трактора составит:
GТ N Н g е 10 3 , кг/ч
(3.87)
где NН – номинальная мощность двигателя, кВт.
Вычислим расход ОГ при работе дизеля на режиме номинальной
мощности:
QОГ 22,4 GТ М 2 3
, м /с
3600
(3.88)
Учитывая возможность перехода двигателя трактора в режим
максимальной загрузки при выполнении механизированных работ в теплице,
реальный расход ОГ будет больше расчетного и составит:
QОГ 1,15 , м3/с
QОГ
(3.89)
3.8. Расчет основных параметров эжекторного устройства
Подача воздуха в ЖН может быть осуществлена путем его
эжектирования из атмосферы за счет кинетической энергии движущихся ОГ.
Простейший газовый эжектор, представленный на рисунке 3.7, состоит из
сопла рабочего газа 1, которое находится внутри сопла сжимаемого газа 2,
камеры смешения 3 и диффузора 4. Давление рабочего газа больше давления
сжимаемого, поэтому на выходе из сопла 1 рабочий газ имеет большую
скорость, чем сжимаемый. Камера смешения является основным элементом
эжектора, на вход в камеру поступают два потока с различными
параметрами, а из неё должен выходить равномерный поток [65].
Рисунок 3.7 – Схема простейшего газового эжектора.
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Основными
параметрами,
характеризующими
форму
эжектора,
являются:
коэффициент геометрической площади сопел
m
F3
F1 ,
(3.90)
F1 – площадь сечения активного сопла, м 2;
F4 – площадь выходного сечения диффузора, м 2;
F3 – площадь входного сечения диффузора, м 2.
степень расширения диффузора
F4
F3 ,
(3.91)
D3 D1
,
2L
(3.92)
nП 1 конусность условной камеры смешения
l
D1 – диаметр активного сопла, м;
D3 – диаметр входного сечения диффузора, м;
L – вынос рабочего сопла относительно входного сечения диффузора, м.
коэффициент эжекции
u
Gв
,
GОГ
(3.93)
GОГ – количество рабочего газа, кг/ч;
Gв – количество эжектируемого воздуха, кг/ч.
Для
перехода
минимальными
от
потерями
меньшего
полного
сечения
давления,
канала к большему,
устанавливают
с
плавно
расширяющийся участок – диффузор. Вследствие того, что в диффузоре с
ростом площади поперечного сечения, средняя скорость потока, при
увеличении угла расширения падает, общий коэффициент сопротивления
диффузора, приведенный к скорости в начальном сечении, становится
меньшим, чем для такой же длинны участка трубы постоянного сечения [40].
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Основными геометрическими параметрами диффузора с прямыми
стенками являются: угол расширения , степень расширения диффузора nП1 и
относительная длина lд/D0.
Напор, создаваемый эжектирующим устройством без диффузора hх,
равен:
hx = h3 – h1; Па
(3.94)
где h1 – сопротивление всасывающей сети, Па;
h3 – давление, создаваемое эжектирующим устройством в сечении камеры
смешения, Па.
При v1в = 0
m1 = 2(1 + u) 2;
(3.95)
h2 = hx m; Па
(3.96)
v1в – скорость эжектируемого воздуха, м/с;
h2 – динамическое давление эжектирующей струи, Па.
m1 = 2(1+u) 2 – расчетное уравнение эжектирующего устройства для участка
струи от сопла до места соприкосновения со стенкой диффузора.
1 – сопло жиклера подачи ОГ (активное); 2 – поток ОГ; 3 – паровоздушное сопло
(пассивное); 4 – входное сечение диффузора; 5 – диффузор; F2 – площадь кольцевого
сечения пассивного сопла; D1 – диаметр активного сопла; D3 – диаметр входного сечения
диффузора; D4 – диаметр выходного сечения диффузора; L – вынос рабочего (активного)
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сопла относительно входного сечения диффузора (заштрихована область условной камеры
смешения); l1 – расстояние до места соприкосновения струи со стенками диффузора; l2 –
длина диффузора; - угол расширения диффузора; - угол схождения камеры смешения;
Р1ОГ, Т1ОГ, v1ОГ – начальное давление, температура и скорость ОГ; Р1в,Т1в, v1в – начальное
давление, температура и скорость воздуха; Р2см, Т2см, v2см – давление, температура и
скорость паровоздушной смеси.
Рисунок 3.8 – Схема эжектирующего устройства.
Давление эжектирующего газа перед соплом равно:
Р1П = 1,1h2; Па
(3.97)
Скорость истечения из сопла:
2h2
v1П 1
; м/с
(3.98)
1 – плотность рабочего газа (водяного пара), кг/м 3
Площадь и диаметр выходного сечения сопла
F1 GОГ
; м2
1v1П 3600
(3.99)
где G1 – количество рабочего газа, кг/ч.
D1 2
F1
;м
(3.100)
Площадь и диаметр начального сечения диффузора:
F3 = F1 m; м2
(3.101)
D3 D1 m; м
(3.102)
Скорость газа в сечении
V3 Gсм
G1 G2
;
3 g 3600 F3 3 g 3600 F3
м/с
(3.103)
где 3 – плотность парогазовой смеси, кг/м 3;
G2 – количество эжектируемого воздуха, кг/ч;
Gсм – количество паро-воздушной смеси, кг/ч.
По рекомендациям 32 угол расширения диффузора следует принимать 6-8.
Если известен угол расширения диффузора и отношение nП1, то
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
коэффициент восстановления давления nд определяется по таблице 32.
Давление за диффузором будет равно:
Р2см h3 nд
v32
2
;
Па
(3.104)
Площадь и диаметр конечного сечения диффузора:
F4 = F3 nП;, м2
D4 2
F4
(3.105)
,м
(3.106)
Скорость движения паро-воздушной смеси за диффузором:
v2см v3
n П1
, м/с
(3.107)
Расстояние от сопла до места соприкосновения расширяющейся
эжектирующей струи со стенками диффузора определим по уравнению 32
l1 = D14(1 + u) – 1,8 , м
(3.108)
Расстояние от сопла до входа в диффузор (вынос рабочего сопла)
принимаем на 0,5 D3 меньше l1:
L = l1 – 0,5D3 м
(3.109)
Длина диффузора равна:
l2 D4 D3
;
2tg / 2
м
(3.110)
3.9. Расчет количества воздуха, подсасываемого эжектором
Условимся, что трение и теплопередача на стенках эжектора
отсутствуют, смешение газов идеальное, тогда количество теплоты QОГ,
отдаваемое ОГ подсасываемому воздуху, будет равно
QОГ = GОГ СОГ (Т2см – Т1ОГ), кДж
где GОГ – количество ОГ, кг;
СОГ – теплоемкость ОГ, кДж/(кгград);
107
(3.111)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Т2см – конечная температура смеси газов, К;
Т1ОГ – начальная температура ОГ, К.
Будем считать, что процесс, протекающий в эжекторе, является
политропным, т.е. удельная теплоемкость газа остается неизменной, тогда
теплоемкость отработавших газов СОГ будет определяться по формуле
С ОГ С vОГ
nОГ k ОГ
, кДж/(кгград)
nОГ 1
(3.112)
где n – показатель политропы;
k – показатель адиабаты;
Сv – теплоемкость при постоянном объеме, кДж/(кгград).
Из уравнения:
Р2СМ
Р1ОГ
nОГ 1
nОГ
Т 2СМ
,
Т1ОГ
(3.113)
выразим показатель политропы nог .
Логарифмируя выражение (3.112), получим:
nОГ 1 Р2СМ
Т
lg
lg 2СМ
nОГ
Р1ОГ
Т1ОГ
,
(3.114)
где Р1ОГ, Т1ОГ – начальное давление и ОГ, соответственно Па и К;
Р2СМ , Т2СМ – конечное давление и температура газовоздушной смеси,
соответственно Па и К.
Выразив из выражения (2.113) показатель nОГ, получим:
nОГ 1
T2СМ
Р
lg
/ lg 2СМ
Р1ОГ
T1ОГ
1
,
(3.115)
Количество теплоты, получаемое воздухом от отработавших газов, будет
равно:
Qв = GвСв(Т2см – Т1в), кДж
где Gв – количество воздуха, проходящего через эжектор, кг;
Св – теплоемкость воздуха, кДж/(кгград);
Т1в – начальная температура воздуха К.
108
(3.116)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Аналогично, как и теплоемкость ОГ, теплоемкость воздуха будет равна:
С в С vОГ
nв nв k в
, кДж/(кгград)
nв 1
1
T2СМ
P
lg
/ lg 2СМ
P1В
T1В
(3.117)
(3.118)
1
Количество теплоты, отдаваемое ОГ и количество теплоты, получаемое
воздухом, будут равны, тогда
GОГСОГ(Т2см – Т1ОГ) = GвСв(Т2см – Т1в),
(3.119)
откуда выражаем количество воздуха:
Gв GОГ СОГ (Т 2см Т 1ОГ )
Св (Т 2см Т 1в )
, кг
(3.120)
3.10. Расчет параметров сепарации токсичных компонентов и
сажевых частиц в центробежном каплеуловителе
Поток ОГ в центробежном каплеуловителе, можно представить в виде
двухкомпонентного газа: собственно газа и «сажевого газа», состоящего из
конгломератов сажевых частиц. Частицы сажи имеют диаметр d и плотность
. Предполагая, что «сажевый газ» подчиняется законам кинетической
теории газов, запишем вязкость «сажевого» газа
с uz
,
3
(3.121)
где u – средняя скорость движения частицы массой m.
Масса частицы m равна:
m
d 3 6
,
(3.122)
Численная концентрация сажевых частиц будет равна:
n0 z
,
m
(3.123)
Средняя длина свободного пробега сажевой частицы с учетом распределения
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
по относительным скоростям соударяющихся частиц определяется из
выражения
d 6 2z
,
(3.124)
Эффективная площадь сажевой частицы при столкновении
с d 2 ,
(3.125)
Вязкость двухкомпонентной смеси определяется следующим выражением
г с г г
с с
,
г сФг с с гФс г
(3.126)
где с – объемная доля сажевого газа в двухфазной смеси,
г 1 с – объемная доля газа в двухфазной смеси.
Рассмотрим
движение частицы
в
анизотропном по
вязкости
закрученном двухфазном газо-сажевом потоке, в котором вязкость среды в
осевом и тангенциальном направлениях равна вязкости чистого газа (рис
3.9), а для радиального направления - направлении сепарации частиц сажи
вязкость равна вязкости двухфазной газо-сажевой среды гс . Газ движется
поступательно вдоль оси z и вращается.
Рисунок 3.9. – Силы действующие на частицу в анизотропном по вязкости
закрученном двухфазном газо-сажевом потоке
Профиль тангенциальной скорости газа Uг в случае потенциального
безвихревого движения подчиняется уравнению:
U г Rn ,
110
(3.127)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где n – показатель степени.
На частицу «сажевого газа» будут воздействовать следующие силы:
– центробежная сила Fц m U ч2
,
R
(3.128)
– сила тяжести G m g ,
(3.129)
– сила сопротивления при движении в газовой среде в тангенциальном
направлении Tt 3 g k d (U c U г ) ,
(3.130)
– сила сопротивления при движении в газовой среде в осевом
направлении Tz 3 g k d (Wc Wг ) ,
(3.131)
– сила сопротивления при движении в газовой среде в радиальном
направлении Tr 3 г п k d (Vc Vг ) ,
(3.132)
где k – коэффициент формы частицы.
U – тангенциальная компонента скорости частицы;
W – осевая компонента скорости частицы;
V – радиальная компонента скорости частицы.
Кроме этих сил необходимо учитывать эффект появления подъемной
силы при движении вращающейся частицы:
Fж g d (Vc Vг ) Г , Н
(3.133)
где Г – циркуляция скорости по контуру частицы
Г u dl l
d 2 4 R1.5
,
(3.134)
u – линейная скорость вихря по поверхности частицы
u
d
2
,
(3.135)
– угловая скорость вращения частицы, рад
dU
n R n 1 ,
dR
2R1.5
(3.136)
На основе действующих сил можно составить уравнения движения
сажевой частицы в цилиндрической системе координат.
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(3.137)
где a aC a Ж , aC 3 g 18 g k
18u c k
, aЖ ,b 2
,
2
1.5
d 2 R
d (3.138)
Запишем уравнение движения сажевой частицы в следующем виде:
(3.139)
В цилиндрических координатах радиальная скорость V равна: V dR dt ,
d ,
dt тангенциальная скорость U равна: U R R полагая так же, что при
движении в тангенциальном направлении скорости сажевых частиц и потока
газа равны, т.е. U c U u R1 / 2
, уравнение радиальной скорости частицы
запишется следующим образом:
R`` a R` 2 R 2 0 ,
(3.140)
Уравнение для осевой скорости сажевых частиц в проекции на
диаметральное сечение улавливающего устройства:
W
g b QA
C exp bt ,
b
(3.141)
При граничных условиях, когда константа интегрирования равна
C g
b , уравнение примет вид:
W W0 g
(1 e bt ). ,
b
112
(3.142)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.11. Расчет основных параметров центробежного завихрителя
лопаточного типа
Завихритель лопаточный представляет собой устройство, имеющее ряд
лопаток, установленных под углом к направлению набегающего воздушного
потока, и служащее для закручивания проходящей через него части воздуха,
поступающего в камеру, вследствие чего в передней части камеры создается
вращающийся относительно ее оси воздушный поток. При этом у оси камеры
создается пониженное давление, в результате возникают обратные токи,
способствующие дополнительному перемешиванию ОГ с частицами
аэрозоли.
Закрутка потока, возникающая в результате сообщения потоку
спирального движения весьма благоприятно сказывается на структуре
течения, что в свою очередь способствует достижению проектных
характеристик создаваемых устройств. Для того чтобы придать потоку
вращение,
используются
лопаточные
завихрители,
закручивающие
устройства с аксиально-тангенциальным подводом, и прямая закрутка путем
тангенциальной подачи в камеру с формированием окружной компоненты
скорости.
Аксиальный
лопаточный
аппарат
представляет
собой
осевой
направляющий аппарат, в центральной части которого размещается тело
вращения,
улучшающее
аэродинамику
завихрителя
и
повышающее
жесткость лопаток. Лопатки обычно изготовляются с плоскими или
криволинейным профилем, в случае которого создаются условия для
безотрывного обтекания лопаток завихрителя.
Расчет центробежного завихрителя сводится к определению отношения
между диаметрами решетки, шага между лопатками, их количеством и высотой.
Расчет выполняется в соответствии с рекомендациями автора работы [85].
Принимаем, что наружный диаметр завихрителя равен наружному
диаметру пенной камеры, м;
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
dз.н. = D1 ,
(3.143)
Тогда внутренний диаметр завихрителя определяется, м
dз.вн. = dз.н. / 1,3,
(3.144)
Радиус лопаток определяется, м
Rл = 0,26 . dз.вн ,
(3.145)
Величина отложения радиуса лопаток от центра завихрителя, м
R0 = 0,506 . dз.вн ,
(3.146)
Длина лопаток определяется по результатам геометрических построений.
Исходя из отношения среднего шага между лопатками к их длине равного
t ср
l
0,6 ; шаг между лопатками составит, м
t ср 0,6 l ,
(3.147)
Количество лопаток, устанавливаемых на центробежном завихрителе,
определяется разбиванием длины среднего диаметра завихрителя
d ср d з.вн d з.н средний шаг между лопатками
2
n л d срн / t cр ,
(3.148)
Высота лопаток завихрителя при известной скорости газа на входе в
завихритель, м
hл V г .2
d з.вн v гз ,
(3.149)
Расчет высоты лопаток завихрителя выполняется с учетом ширины
лопаток, М
hл d з.вн
Vг 2
n л b л v гз
.
(3.150)
3.12. Определение температуры отработавших газов на выходе из
эжекторного устройства
Потеря энергии на 1 кг рабочего газа, если пренебречь кинетической
энергией эжектируемого газа, определяется уравнением:
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2
V1
u
Е
ОГ , Дж/кг
(1 u ) 2
(3.151)
где u – коэффициент эжекции;
V1ОГ – скорость истечения из сопла, м/с.
Теплосодержание смеси газов:
q C PОГ Т1ОГ uСРв Т1в Е;
Дж
кг
(3.152)
где СРОГ – теплоемкость ОГ при постоянном давлении, кДж/(кгград);
СРВ – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж/(кгград);
Т1ОГ – температура ОГ, С;
Т1В – температура воздуха, С.
Теплоемкость смеси газов Ссм:
Ссм СРОГ uСРв
1 u
; кДж/(кгград)
(3.153)
Температуру смеси газов Т2см определим по формуле [22]:
Т 2см СР Т1 uСРв Т1в Е
q
ОГ ОГ
;
(1 u)Cсм
(1 u)Ссм
С
(3.154)
3.13. Выбор абсорбирующих компонентов входящих в состав
нейтрализующего раствора
Важнейшим вопросом проектирования абсорбционных систем является
выбор абсорбента. Требования к абсорбентам: по возможности большая
абсорбционная емкость, селективность, невысокое давление насыщенных
паров, возможность регенерации, по возможности невысокая коррозионная
активность, небольшая вязкость, доступность, низкая стоимость [86]. Подобрать
абсорбент полностью отвечающий в полной мере всем этим требованиям
практически невозможно. В каждом конкретном случае необходимо подбирать
абсорбент, максимально соответствующий заданным требованиям.
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Оксид углерода, для его поглощения применяются: медно-аммиачный
раствор [Cu(NH3)2(H2O)], жидкий азот, раствор СuА1С14 в толуоле [86].
Оксид азота,
в качестве
нейтрализующего вещества используются:
водный раствор сульфата железа — FeSO4; водный раствор хлорида железа
— FeCl2; водный раствор тиосульфата натрия — Na2S2O3; водный раствор
гидросульфита натрия — NaHSO3; водный раствор мочевины — (NH2)2CO;
сульфаминовая кислота — NH2SO3H; водный раствор аммиака — (NH4)2OH;
раствор соды с Fе(II)-ЭДТА в качестве катализатора; хлорная вода — Сl2ОН;
вода H2O [86].
Диоксид азота,
в качестве абсорбента используются: вода; раствор
мочевины с тетрасульфофталоцианином кобальта в качестве катализатора —
CO(NH2)2; раствор серной кислоты — H2SO4; водный раствор соды —
Na2CO3; водный раствор аммиака — (NH4)2OH; водный концентрированный
раствор азотной кислоты — HNO3; водный раствор сульфита аммония —
(NH4)2SO3; водный 3%-ный раствор гидроксида натрия — NaOH; водный
раствор гидроксида кальция — Са(ОН)2; аммиачно-щелочной раствор [86].
Углеводороды, для их поглощения применяются: водный раствор
гидроксида натрия — NaOH; раствор пероксидисульфоната аммония с
нитратом серебра; раствор щелочи, содержащий фенолят натрия; водный
раствор, содержащий пероксидисульфат аммония, аммиак и нитрат серебра;
водный раствор мочевины — CO(NH2)2; водный раствор формальдегида; смесь
аммофоса и мочевины [86].
Произведя теоретический анализ наиболее применяемых для абсорбции
токсичных компонентов ОГ ДВС веществ, был выбран раствор, состоящий на
85% из воды H2O, в качестве абсорбирующих компонентов в его состав
включены: водный раствор соды Na2CO3 в количестве 14,5% по объему и
0,5% 1,4-дигидроксибензола (гидрохинона) С6Н4(ОН)2.
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Заключение
Воздействие человека на окружающую природную среду постоянно
возрастает. Общество поставлено перед фактом возникновения в природе
процессов, приводящих к нежелательным экологическим последствиям,
обусловленных высоким уровнем загрязнения биосферы, нерационально го
использования природных ресурсов.
Интенсивное развитие промышленного производства, в том числе
экологически опасных отраслей, применение несовершенных технологий,
нарушение
производственных
соблюдением
регламентов,
технологических
неблагоприятную
дисциплин
ослабление контроля
и
санитарно-эпидемиологическую
прочее,
и
за
создают
экологическую
обстановку.
В этой связи возникает серьезная проблема: предотвратить, снизить
или полностью ликвидировать негативные эффекты, вызванные влиянием
опасных и вредных факторов производственной среды на персонал и
продукцию.
Предложенные в данном издании способы и системы очистки
отработавших
газов
мобильных
энергетических
средств
позволяют
значительно снизить концентрации токсичных веществ в воздушной среде
сельскохозяйственных помещений ограниченного объема.
Применение описанных в данном издании систем очистки позволяет
снизить общий ущерб здоровью обслуживающего персонала, а так же
уменьшить негативное воздействие отработавших газов от дизельных ДВС
на сельскохозяйственных животных и возделываемые культуры.
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Литература
4
1. А.с. 1314207 СССР, МПК
F24F13/08. Устройство для удаления
выхлопных газов от двигателей внутреннего сгорания [Текст] /
Синицкая А.А., Соломатин В.Д. – 3966804; заявл. 04.07.1985; опубл.
30.05.1987. – 3с. : ил.
2. А.с. 1719674, МПК
5
F01N7/08. Устройство для отвода отработавших
газов двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Новиков А.К., Захаров
Ю.А., Емельянов В.П., Захаров Е.Г., Николаев В.И. - 4706175; заявл.
15.06.1989; опубл. 15.03.1992. – 3с. : ил.
3. А.с. 699292 СССР, МПК
5
F24F7/04. Устройство для удаления газов
[Текст] / Терещенко Н.А., Левитина Б.Г., Мамашин В.Н. – 2149515;
заявл. 10.06.1975; опубл. 25.11.1979. – 3 с.: ил.
4
4. А.с. СССР 1462014, МПК
F02M27/06. Устройство для обработки
потока воздуха ультрафиолетовым излучением перед карбюратором
[Текст] / Ашурков С.Г., Юшков Д.Д. – 4116473; заявл. 27.06.1986;
опубл. 28.02.1989. – 3 с.: ил.
5. А.с. СССР 1772390, МПК
5
F02M27/04. Устройство для обработки
воздуха в двигателе внутреннего сгорания [Текст] / Ковалев Л.Г.,
Кономелькин Ю.П., Ковалев П.Л. – 4902524; заявл. 14.01.1991; опубл.
30.10.1992. – 3 с.: ил.
6. А.с. СССР 1825887, МПК 5 F02M27/04. Генератор получения озона для
двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Моисеев Н.П., Подольский
Б.А., Заславский Е.Г., Соболь В.Н., Зайончковский В.Н. – 4792641;
заявл. 19.02.1990; опубл. 07.07.1993. – 3 с.: ил.
7. Асламова В.С. Процесс сепарации в высокопроизводительных
прямоточных циклонах и методы их расчета [Текст] / автореферат дис.
… докт. техн. наук / В.С. Асламова - Томск: Томский политехнический
университет – 2009.
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8. Барсуков А.Ф. Сельскохозяйственная техника: каталог / А.Ф. Барсуков,
А.Д. Орехов, Г.П. Шамаев – Харьков: ЦНИИТЭИ Полиграфика, 1975. –
855 с.
9. Беспамятов Г.П. Предельно допустимые концентрации химических
веществ в окружающей среде / Г.П. Беспамятов, Ю.А. Кротов - Л.:
Химия. - 528 с.
10. Бочкарев, Я.В. Методическое пособие по выполнению расчетнографических работ по гидравлике и гидравлическим машинам: часть 1
– гидравлика: для студентов специальности: 3113 – механизация
сельского хозяйства и 311200 – Технология сельскохозяйственного
производства [Текст] / Я.В. Бочкарев – Рязань: РГСХА, 1998.
11. Бронфман
Л.И.
Микроклимат
помещений
в
промышленном
производстве и птицеводстве / Л.И. Бронфман - Кишинев: Шитница,
1984. – 202 с.
12. Брызгалов В.А. Овощеводство защищенного грунта/ В.А. Брызгалов,
Бушуева К.А. - М.: Колос, 1995. – 350 с.
13. Бушуева К.А. Руководство по гигиене атмосферного воздуха / К.А.
Бушуева - М., 1976.
14. Быховская М.С. Методы определения вредных веществ в воздухе /
М.С. Быховская и др. - М.:Медицина, 1968.
15. Вагди Т.М.А.
Разработка и обоснование способа и средств
механизации удаления отработавших газов от двигателя внутреннего
сгорания
трактора при раздаче кормов
в животноводческом
помещении. Дис. канд. техн. наук / Т.М.А. Вагди - Рязань, 1999.
16. Вайсман М.Р. Вентиляционные и пневмо-транспортные установки /
М.Р. Вайсман, Грубиян И.Я. – М.: Колос, 1969.
17. Ванцов В.И. Обоснование и разработка комплекса мероприятий по
нормализации атмосферы теплицы в процессе использования в них
средств механизации: Дис. канд. техн. наук. / В.И. Ванцов - Рязань,
1990.
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
18. Варшавский И.Л. Современное состояние вопроса обеспечения
малотоксичной работы транспортных дизелей [Текст] : доклады
участников симпозиума / И.И. Варшавский – М., 1971. – с. 5 – 33.
19. Варшавский И.Л. Состояние работ по уменьшению токсичности
автомобилей. Сборник трудов ЛАНЭ / И.Л. Варшавский – М.: Знание,
1969. – с. 7-23.
20. Варшавский И.П. Как обезвредить отработавшие газы автомобилля /
И.П. Варшавский, Р.В. Малов - М.: Транспорт, 1968. - 127с.
21. Варшавский
И.П.
Токсичность
дизельной сажи и измерение
сажесодержания дизельного выхлопа. //В кн.: Сборник траудов ЛАНЭ.
/ И.П. Варшавский, Ф.Ф. Мачульский -М.: Знание, 1969. - с.120-157.
22. Вырубов Д.Н. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и
комбинированных двигателей / Д.Н. Вырубов, Н.А. Иващенко, В.И.
Ивин и др. - М.: Машиностроение, 1983.-372с.
23. Гиевой, С.А. Снижение вредных выбросов при эксплуатации
автотракторных дизелей путем применения сажевого фильтра [Текст] :
дис. … канд. техн. наук / Гиевой С.А. – М.: РГБ, 2003.
24. ГН
2.1.6.1338-03
«Предельно-допустимые
концентрации (ПДК)
загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест».
25. ГН
2.2.5.1313-03
«Предельно-допустимые
концентрации (ПДК)
вредных веществ в воздухе рабочей зоны».
26. Голубев И.Р. Окружающая среда и транспорт / И.Р. Голубев, Ю.В.
Новиков - М.: Транспорт. 1987. - 207с.
27. Горбатенков А.И. Снижение выбросов окислов азота с отработавшими
газами тракторных дизелей путем организации рабочего процесса на
водотопливной смеси. Автореферат диссертации на соискание ученой
степени кандидата технических наук / А.И. Горбатенков - СанктПетербург – Пушкин, 1998.
28. Гордеев
А.С.
Основы
– 16 с.
проектирования
и
строительства
перерабатывающих предприятий / А.С. Гордеев, А.И. Завражнов, А.А.
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Курочкин, В.Д. Хмыров, Г.В. Шабурова – М.: Агроконсалт, 2002. – 492
с.
29. Гордеев А.С. Сооружения и оборудование для хранения продукции
растениеводства / А.С. Гордеев, В.И. Горшенин, А.И. Завражнов, В.Д.
Хмыров - М.: ИК «Родник», ж-л «Аграрная наука», 1999. – 288 с.
30. ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования
к воздуху рабочей зоны [Текст]. – Введ. 1989–01–01. – М. : Изд-во
стандартов, 1989.
31. Гуреев
А.А.
Исследование
влияния
свойств
топлива
на
сажеобразование / А.А. Гуреев, В.З. Махов, М.М. Ховах – ТР. МАДИ,
1975, Автотракторные двигатели внутреннего сгорания, вып. 92 с. 2938.
32. Дорин, В.А. Теоретическое исследование эжекторов каталитических
нейтрализаторов двигателей внутреннего сгорания [Текст] : доклады
участников симпозиума / В.А. Дорин – М., 1971. – с. 155-171.
33. Ерохин, А.В. Технология и система удаления из помещений
отработавших газов двигателей внутреннего сгорания трактора с
эжекторным устройством для снижения их температуры. [Текст] : дис.
… канд. техн. наук / Ерохин А.В. – Рязань: РГСХА, 2004.
34. Жегалин О.И., Снижение токсичности автомобильных двигателей /
О.И. Жегалин, П.Д. Лукачев - М.: Транспорт, 1985. - 120с.
35. Зайцев А.М. Микроклимат животноводческих комплексов [Текст] /
А.М. Зайцев, В.И. Жильцов, А.В. Шавров. – М.: Агропромиздат, 1986.
– 192 с., ил.
36. Звонов, В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания / В.А.
Звонов. М.: Машиностроение, 1981. – 160 с.
37. Звонов, В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания / В.А.
Звонов. М.: Машиностроение, 1973. – 200 с.
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
38. Землянский Б.А. Эксплуатация тракторов МТЗ-80 и МТЗ-82 / Б.А.
Землянский, Н.А. Токарев, В.А. Лаврухин, А.Д. Беспамятнов, В.В.
Усов – М.: Россельхозиздат, 1977. – 300 с.
39. Кондратьева М.М. Микроклимат на животноводческих фермах и
комплексах/ М.М. Кондратьева, Л.Н. Кельдюшева - Алма-Ата: Койнор,
1983. – 176 с.
40. Кононенко, В.Д. Совершенствование пылеулавливающих аппаратов в
промышленности технического углерода: тематический обзор [Текст] /
В.Д. Кононенко. – М, 1985.
41. Кульчинский,
А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных
двигателей /А.Р. Кульчинский, М.: Академический проект, 2004. – 400
с.
42. Лебедев П.Т. Микроклимат помещений для животных и методы его
исследования [Текст] / П.Т. Лебедев.– М.: Россельхозиздат, 1973. – 128
с., с ил.
43. Леонов В.Н. Научные и технологические основы утилизации и
переработки оксидов азота из отходящих газов [Текст] : автореферат
дис. … канд. техн. наук / В.Н. Леонов – Москва: Новомсоковский
институт
(филиал)
Российского
химико
–
технологического
университета им. Д.И. Менделеева – 2009.
44. Либеров И.Е. Токсичность выхлопа дизельного двигателя, ее снижение.
//В кн.: Совершенствование эксплуатационных качеств тракторов,
автомобилей и двигателей / И.Е. Либеров, Л.Я. Орлов, В.М. Умеров Горький, 1977. - с. 25-28.
45. Либеров И.Е., Некоторые особенности работы тракторного дизеля при
двухфазной подаче топлива. // Материалы научной конференции
Рязанского сельскохозяйственного института по проблемам зоотехнии,
механизации и экономики сельскохозяйственного производства / И.Е.
Либеров, Л.Я. Орлов - Рязань, 1972, -№ 28, с. 75-86.
46. Лиханов В.А. Влияние подачи лекгого топлива на впуске на
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
показатели рабочего процесса, на токсичность ОГ дизеля воздушного
охлаждения. //В кн.: Повышение эффективности работы тракторов /
В.А. Лиханов - Пермь, 1983. - с. 13-20.
47. Луканин, В.Н. Теплотехника /В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер
и др. – М.: Высшая школа, 2005. – 671.
48. Луховицкая,
Е.Е.
Масс-спектрометрическое
исследование
гетерогенных процессов с участием сажи, характерной для верхней
тропосферы [Текст] : автореферат дис. … канд. техн. наук / Луховицкая
Е.Е. – Москва: Институт Химической Физики им. Н.Н. Семенова РАН
– 2007.
49. Максименко, О.О. Технология улучшения состояния воздушной среды
в помещениях ограниченного объема при работе в них двигателей
внутреннего сгорания с жидкостными нейтрализаторами [Текст] : дис.
канд. техн. наук / Максименко Ольга Олеговна – 05.20.01 – Рязань,
РГСХА, 2006. – 181 с.
50. Медведев
Ю.С.
Обоснование эффективных методов снижения
токсичности отработавших газов автотракторных дизелей [Текст] : дис.
докт. техн. наук / Ю.С. Медведев – 05.20.01 – Москва, МГАУ, 2006. –
425 с.
51. Методика определения массы выбросов загрязняющих веществ
автотранспортными средствами в атмосферный воздух [Текст]. – М.:
НИИАТ, 1993. – 21 с.
52. Некрашевич, В.Ф. Свидетельство на полезную модель № 34971 РФ, 7 F
01 N 3/04. Жидкостный нейтрализатор отработанных газов двигателя
внутреннего сгорания /В.Ф. Некрашевич, И.Б. Тришкин, О.О.
Максименко.
53. Некрашевич, В.Ф. Устройство для отвода отработавших газов
двигателей внутреннего сгорания из животноводческих помещений
[Текст] / В.Ф. Некрашевич, И.Б. Тришкин, А.В.Ерохин // Вестник
ФГОУ
ВПО
«Московский
государственный
123
агроинженерный
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
университет имени В.П. Горячкина». – 2008. – № 2 (27). ISSN 17287936
54. Олейник
Д.О.
Способ
и
устройство
снижения
токсичности
отработавших газов дизельных двигателей [Текст] : дис. канд. техн.
Наук / Олейник Дмитрий Олегович – 05.20.01 Рязань, РГАТУ, 2009.
55. Олейник, Д.О. Нейтрализатор для очистки отработавших газов
дизельных двигателей [Текст] / Д.О. Олейник // Ежемесячный научный
журнал «Молодой ученый». – 2009. – № 5. – с.9 – 13. ISSN 2072-0297
56. Олейник, Д.О. Устройство для очистки отработавших газов дизельных
двигателей с автоматическим регулированием режима работы [Текст] /
Д.О. Олейник // Ежемесячный научный журнал «Молодой ученый». –
2009. – № 8. – с.17 – 20. ISSN 2072-0297
57. Пат. 33979 Российская федерация, МПК 7 F 01 N 7/08, F 24 F 7/04.
Устройство для отвода отработавших газов от двигателя внутреннего
сгорания / Некрашевич В.Ф., Тришкин И.Б., Максименко О.О., Ерохин
А.В. – 2003117141/20; заявл. 09.06.2003.; опубл. 20.11.2003 Бюл. №32. –
3с.: ил.
58. Пат. 77353 Российская Федерация, МПК F01N 3/02. Устройство для
очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания [Текст] /
Тришкин И.Б., Олейник Д.О.; заявитель и патентообладатель ФГОУ
ВПО Рязанская государственная сельскохозяйственная академия имени
профессора П.А. Костычева (RU). – №2008115609/22 ; заявл.
21.04.2008; опубл. 20.10.2008, Бюл. № 29. – 2 с. : ил.
59. Пат. 83292 Российская Федерация, МПК F01N 3/02. Устройство для
очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания [Текст] /
Тришкин И.Б., Олейник Д.О.; заявитель и патентообладатель ФГОУ
ВПО Рязанская государственная сельскохозяйственная академия имени
профессора П.А. Костычева (RU). – №2008148586/22 ; заявл.
09.12.2008; опубл. 27.05.2009, Бюл. № 15. – 2 с. : ил.
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
60. Пат. 86665 Российская Федерация, МПК F01N 3/02. Устройство для
очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания [Текст] /
Тришкин И.Б., Олейник Д.О.; заявитель и патентообладатель ФГОУ
ВПО Рязанская государственная сельскохозяйственная академия имени
профессора
П.А.
Костычева
(RU).
–
№2009113715/22; заявл.
14.04.2009; опубл. 10.09.2009, Бюл. № 25. – 2 с. : ил.
61. Покровский
Г.П.
Электронное
управление
автомобильными
двигателями / Г.П. Покровский – М.: Транспорт, 1994. – 335 с.
62. Поршневые и газотурбинные двигатели. Развитие систем снижения
токсичности ОГ автомобильных двигателей. – М.: ВНИТИ 1972.
Экспресс-информация, № 30.– с. 14-18.
63. Правила ЕЭК ООН № 96 (96-01) Единообразные предписания,
касающиеся официального утверждения двигателей с воспламенением
от сжатия для установки на сельскохозяйственных тракторах и
внедорожной техники в отношении выброса загрязняющих веществ
этими двигателями [Текст].
64. Рагозин А.С. Бытовая аппаратура на газовом, жидком и твердом
топливе / А.С. Рагозин - Л.: Недра, 1982. -303с.
65. Райзман И.А. Жидкостнокольцевые вакуумные насосы и компрессоры
[Текст] / И.А. Райзман - Казань: 1995.-258 с. Ил. 175. Табл. 62. Библ.
113.
66. Романов А.И. Архитектура сельскохозяйственных зданий, сооружений
и природных ландшафтов / А.И. Романов, О.Б. Меньшикова – М.:
Колос, 1997. – 152 с.
67. Сарбаев В.И. Теоретические основы обеспечения экологической
безопасности автомобильного транспорта: Монография / В.И. Сарбаев
– М.: МГИУ, 2003. – 144 с.
68. Сахаров А.Г. Дизельная аппаратура современных тракторов [Текст] /
А.Г. Сахаров – М.: «Колос», 1977. – 112 с., с ил.
69. Сборник трудов ЛАНЭ [Текст] / под общ. ред. Евграфова К.Г., – М.:
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Издательство «Знание», 1969. – 360с., с ил.
70. Справочник
химика.
Основные
свойства
органических
и
неорганических соединений. Т 2. М. – Л.: Химия, 1965. – 1168 с.
71. Станкевич П. На пути к экологической революции [Текст] / П.
Станкевич // Журнал «Основные средства». – 2005.- № 1. – РИА
«РОССБИЗНЕС»
72. Стражев, Н.П. Способ и устройство снижения дымности и уровня
шума в помещениях при работе в них дизельных двигателей [Текст] :
дис. канд. техн. наук / Стражев Н.П. – 05.20.01– Рязань, РГСХА, 2007.–
205с.
73. Стражев, Н.П. Теоретический анализ динамики загрязнения атмосферы
теплицы
токсичными
компонентами
при
выполнении
механизированных работ с использованием трактора [Текст] / Н.П.
Стражев, Н.В. Цыганов // Сборник научных трудов молодых ученых
Рязанской ГСХА – Рязань, 2006, с. 76-79.
74. Сычугов Н.П. Вентиляторы / Н.П. Сычугов – Киров, 2000. с. 33-41.
75. Тельнов Н.Ф. Технология очистки сельскохозяйственной техники /
Н.Ф. Тельнов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Колос, 1983. – 256 с., ил.
76. Токсичность двигателей внутреннего сгорания и пути её снижения
[Текст] : доклады участников симпозиума – М.: Издательство
«Знание», 1966. – 420 с., с ил.
77. Топчий Д.Н. – Сельскохозяйственные здания и сооружения: учебник
для вузов. изд. 3-е, переработанное. и доп. [Текст] / Д.Н. Топчий – М.:
Стройиздат, 1973. – 351 с., с ил.
78. Топчий ДН. Сельскохозяйственные здания и сооружения / Д.Н.
Топчий, В.А. Бондарь, О.Б. Кошлатый, Н.П. Олейник, В.И. Хазин – М.:
ВО «Агропромиздат», 1985. – 480 с.
79. Тришкин И.Б. Конструктивно-технологическая схема устройства для
очистки отработавших газов дизельных ДВС [Текст] / И.Б. Тришкин,
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Д.О. Олейник // Ежемесячный научный журнал «Молодой ученый». –
2009. – № 9. – с.17 – 21. ISSN 2072-0297
80. Тришкин И.Б. Устройство для очистки отработавших газов двигателей
внутреннего сгорания / И.Б. Тришкин, Д.О. Олейник // Вестник ФГОУ
ВПО «Московский государственный агроинженерный университет
имени В.П. Горячкина». – 2009. – № 1 (32). – с.66 – 68. ISSN 1728-7936
81. Тришкин, И.Б. – Способ и устройство для снижения токсичности
тракторного дизеля при выполнении механизированных работ в
теплицах [Текст] : дис. канд. техн. наук / Тришкин Иван Борисович –
05.20.01 Рязань, РГСХА, 2000.
82. Ужов В.Н. Очистка промышленных газов электрофильтрами / В.Н.
Ужов - М.: Химия, 1967. – 314 с.
83. Успенский В.А. Струйные вакуумные насосы/ В.А. Успенский, Ю.М.
Кузнецов. М.: Машиностроение, 1973. – 144 с.
84. Чистяков, С.Ф. Теплотехнические измерения и приборы: учеб. пособие
для вузов [Текст] / С.Ф. Чистяков, Д.В. Радун. – М.: «Высшая школа»,
1972. – 392 с., с ил.
85. Щавелев, Д.В. Разработка системы очистки отработавших газов
судовых дизелей с использованием жидкостных контактных аппаратов
[Текст] : дис. канд. техн. наук / Щавелев Дмитрий Валентинович –
05.08.05 Нижний новгород, ВГАВТ, 2005.
86. Юшин, В.В. Техника и технология защиты воздушной среды /В.В.
Юшин, В.М. Попов, П.П. Кукин и др. М.: Высшая школа, 2005. – 391 с.
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………............................
3
1. Анализ способов и технических средств обеспечения экологической безопасности
при работе мобильных энергетических средств с ДВС в сельскохозяйственных
помещениях ограниченного объема …………………………………………………………..
6
1.1. Сельскохозяйственные производственные здания и сооружения ограниченного
объема и воздухообмена, основные виды механизированных работ и применяемое
технологическое оборудование ……………………………………………………………...…
6
1.2. Анализ способов и средств обеспечения воздухообмена в помещениях при работе в
них мобильных энергетических средств оснащенных двигателем внутреннего сгорания ...
1.3.
Экологические
и
экономические
аспекты
загрязнения
воздушной
11
среды
сельскохозяйственных производственных помещений отработавшими газами двигателей
внутреннего сгорания мобильных энергетических средства и влияние их на условия
труда обслуживающего персонала и качество сельскохозяйственной продукции …………
14
1.4. Состав отработавших газов двигателей внутреннего сгорания …………………………
17
1.5. Токсичность отработавших газов дизельного двигателя. Их воздействие на организм
человека. Предельно - допустимые концентрации токсичных веществ в атмосфере
сельскохозяйственных производственных помещений ………………………………………
19
1.6. Анализ способов и средств снижения токсичности выхлопа дизельного двигателя
мобильного энергетического средства …………………………………………………..…….
29
1.6.1. Удаление токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя ……..
30
1.6.2. Нейтрализация токсичных компонентов отработавших газов дизельного двигателя..
31
1.6.3. Совершенствование рабочего процесса и конструкции дизельного двигателя, как
способ снижения токсичности ОГ…… ……………………………………………………….
32
1.6.4. Применение альтернативных видов топлива …………………………………………...
36
1.6.5. Впрыск воды и применение топливо-водяных эмульсий ……………………………...
39
1.6.6. Озонирование воздушного заряда на впуске ………………………………………...…
42
2. Теоретическое обоснование параметров и режимов работы жидкостного
нейтрализатора отработавших газов двигателей внутреннего сгорания……………...
45
2.1. Обоснование оценки параметров токсичности отработавших газов …………………....
45
2.2. Конструктивно – технологическая схема жидкостного нейтрализатора и принцип её
работы …………………………………………………………………………………………....
53
2.3. Обоснование конструктивных параметров коллектора жидкостного нейтрализатора..
56
2.4. Расчёт количества выделяемых отработавших газов при работе двигателей
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
внутреннего сгорания ………………………………………………………………………..…
59
2.5. Определение высоты слоя жидкости в жидкостном нейтрализаторе из условий
материального баланса…….………………………………………………………………….…
61
2.6. Расчёт затрат мощности на преодоление сопротивления столба жидкости в
жидкостном нейтрализаторе потоку газов от двигателя внутреннего сгорания и степень
очистки ……………………………………………………………………………………..…….
64
2.7. Расчёт объёма жидкости на определённый период работы……………………………....
65
2.8. Параметрическая модель нейтрализатора с расчётом баланса теплоты ….…….………
67
3. Теория процесса влажной очистки отработавших газов дизельного двигателя в
жидкостном нейтрализаторе ………………………………………………………………..
70
3.1. Теоретический анализ динамики загрязнения атмосферы теплицы токсичными
компонентами
отработавших
газов
дизельного
двигателя
при
выполнении
механизированных работ с использованием мобильного энергетического средства...……..
3.2.
Конструктивно-технологическая
схема
устройства
для
влажной
70
очистки
отработавших газов дизельных двигателей внутреннего сгорания …………………….……
74
3.3. Расчет газодинамического сопротивления жидкостного нейтрализатора ………..…….
87
3.4. Расчет геометрических параметров аэрозольной камеры жидкостного нейтрализатора
92
3.5.
Расчет
геометрических
параметров
сепарационной
камеры
центробежного
каплеуловителя жидкостного нейтрализатора …………………………….…………….……
94
3.6. Расчет количества нейтрализующего раствора потребного для очистки отработавших
газов в ЖН ……………………………………………………………………………….………
95
3.7. Расчет количества отработавших газов дизельного двигателя трактора при
проведении механизированных работ в теплице ………………………………………..…….
97
3.8. Расчет основных параметров эжекторного устройства ……………………………..……
103
3.9. Расчет количества воздуха, подсасываемого эжектором …………………………..……
107
3.10. Расчет параметров сепарации токсичных компонентов и сажевых частиц в
центробежном каплеуловителе …………………………………………………………..……..
109
3.11. Расчет основных параметров центробежного завихрителя лопаточного типа ……..…
113
3.12. Определение температуры отработавших газов на выходе из эжекторного
устройства ………………………………………………………………………………….…….
114
3.13. Выбор абсорбирующих компонентов входящих в состав нейтрализующего раствора ….
115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………
117
ЛИТЕРАТУРА ……………………………………………………………………………….….
118
СОДЕРЖАНИЕ ……………………………………………………………………………...….
128
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Научное издание
Монография
Тришкин Иван Борисович
Олейник Дмитрий Олегович
Максименко Ольга Олеговна
ЖИДКОСТНЫЕ НЕЙТРАЛИЗАТОРЫ
(ТЕОРИЯ. КОНСТРУКЦИИ. РАСЧЕТ)
Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать лазерная.
Усл. печ. л. 4,69. Тираж 500 экз. Заказ №
.
подписано в печать
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Рязанский государственный агротехнологический университет
имени П.А. Костычева»
390044 г. Рязань, ул. Костычева, 1
Отпечатано в издательстве учебной литературы и
учебно-методических пособий
ФГБОУ ВПО РГАТУ
390044 г. Рязань, ул. Костычева, 1
130
Документ
Категория
Другое
Просмотров
612
Размер файла
2 059 Кб
Теги
конструкции, расчет, теория, жидкостные, нейтрализаторы
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа