Банк рефератов содержит более 364 тысяч рефератов, курсовых и дипломных работ, шпаргалок и докладов по различным дисциплинам: истории, психологии, экономике, менеджменту, философии, праву, экологии. А также изложения, сочинения по литературе, отчеты по практике, топики по английскому.
Полнотекстовый поиск
Всего работ:
364150
Теги названий
Разделы
Авиация и космонавтика (304)
Административное право (123)
Арбитражный процесс (23)
Архитектура (113)
Астрология (4)
Астрономия (4814)
Банковское дело (5227)
Безопасность жизнедеятельности (2616)
Биографии (3423)
Биология (4214)
Биология и химия (1518)
Биржевое дело (68)
Ботаника и сельское хоз-во (2836)
Бухгалтерский учет и аудит (8269)
Валютные отношения (50)
Ветеринария (50)
Военная кафедра (762)
ГДЗ (2)
География (5275)
Геодезия (30)
Геология (1222)
Геополитика (43)
Государство и право (20403)
Гражданское право и процесс (465)
Делопроизводство (19)
Деньги и кредит (108)
ЕГЭ (173)
Естествознание (96)
Журналистика (899)
ЗНО (54)
Зоология (34)
Издательское дело и полиграфия (476)
Инвестиции (106)
Иностранный язык (62792)
Информатика (3562)
Информатика, программирование (6444)
Исторические личности (2165)
История (21320)
История техники (766)
Кибернетика (64)
Коммуникации и связь (3145)
Компьютерные науки (60)
Косметология (17)
Краеведение и этнография (588)
Краткое содержание произведений (1000)
Криминалистика (106)
Криминология (48)
Криптология (3)
Кулинария (1167)
Культура и искусство (8485)
Культурология (537)
Литература : зарубежная (2044)
Литература и русский язык (11657)
Логика (532)
Логистика (21)
Маркетинг (7985)
Математика (3721)
Медицина, здоровье (10549)
Медицинские науки (88)
Международное публичное право (58)
Международное частное право (36)
Международные отношения (2257)
Менеджмент (12491)
Металлургия (91)
Москвоведение (797)
Музыка (1338)
Муниципальное право (24)
Налоги, налогообложение (214)
Наука и техника (1141)
Начертательная геометрия (3)
Оккультизм и уфология (8)
Остальные рефераты (21697)
Педагогика (7850)
Политология (3801)
Право (682)
Право, юриспруденция (2881)
Предпринимательство (475)
Прикладные науки (1)
Промышленность, производство (7100)
Психология (8694)
психология, педагогика (4121)
Радиоэлектроника (443)
Реклама (952)
Религия и мифология (2967)
Риторика (23)
Сексология (748)
Социология (4876)
Статистика (95)
Страхование (107)
Строительные науки (7)
Строительство (2004)
Схемотехника (15)
Таможенная система (663)
Теория государства и права (240)
Теория организации (39)
Теплотехника (25)
Технология (624)
Товароведение (16)
Транспорт (2652)
Трудовое право (136)
Туризм (90)
Уголовное право и процесс (406)
Управление (95)
Управленческие науки (24)
Физика (3463)
Физкультура и спорт (4482)
Философия (7216)
Финансовые науки (4592)
Финансы (5386)
Фотография (3)
Химия (2244)
Хозяйственное право (23)
Цифровые устройства (29)
Экологическое право (35)
Экология (4517)
Экономика (20645)
Экономико-математическое моделирование (666)
Экономическая география (119)
Экономическая теория (2573)
Этика (889)
Юриспруденция (288)
Языковедение (148)
Языкознание, филология (1140)

Реферат: Конкурентоспособность моторных топлив (в связи с уничтожением природных ресурсов)

Название: Конкурентоспособность моторных топлив (в связи с уничтожением природных ресурсов)
Раздел: Рефераты по экологии
Тип: реферат Добавлен 14:10:08 03 апреля 2007 Похожие работы
Просмотров: 240 Комментариев: 2 Оценило: 0 человек Средний балл: 0 Оценка: неизвестно     Скачать

Макаров Андрей Фадеевич, аспирант-заочник СамГТУ, Ст.научн.сотр. лаборатории безопасности взрывных работ НЦ ВостНИИ (БВР и ГКИ ВМ и СВ)

Рассматривается экономический аспект возможного применения "альтернативных" моторных топлив и циклов тепловых машин в связи с уничтожением дешёвых нефтяных ресурсов и глобальным экологическим кризисом.

В настоящее время для преобразования химической энергии в механическую работу используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) – разновидность тепловых машин. В качестве топлива в ДВС могут использоваться горючие вещества (углеводороды, спирты, газы и пр.) в смеси с зарядами сжатого воздуха или другого окислителя. При расширении продуктов вспышек в ДВС часть тепловой энергии рабочего тела преобразуется в механическую работу перемещения поршня, вращения турбины или – в кинетическую энергию газов, истекающих из ракетного сопла.

Экономическую конкурентоспособность (К) топлив-горючих можно определить как отношение удельной теплотворной способности моторного горючего (Q) к стоимости 1 кг (С), умноженное на показатель КПД (h ) цикла тепловой машины: К =h Q/С. За 1 примем показатели бензиновых ДВС (Кб=1). Другие факторы: экологичность цикла, ограниченность сырьевых ресурсов, масса силовой установки, эксплуатационные затраты, безопасность – также существенно влияют на показатель эффективности.

В качестве примера сравним конкурентоспособность бензина, этилового, метилового спирта и природного газа (ДВС по циклу Н.Отто), а также дизтоплива (ДВС по циклу Р.Дизеля). Результат представляет определённый интерес, т.к. во всём мире, отравляя биосферу, в ДВС сжигается свыше 1млрд.тонн углеводородных горючих в год. Всего извлекается из земных недр около 70 млн. баррелей нефти в сутки (~4 млрд. т ежегодно) [1].

В бензиновых ДВС показатель КПД составляет h =30-35% (расширение продуктов вспышки в e ~8-10 раз). Низшая теплота сгорания (вода – пар) в "бесплатном" воздухе для бензина, этанола, метанола и метана составляет: (-СН2-)n – 10500, С2Н5ОН – 7200, СН3ОН – 5300, СН4 – 13100 ккал/кг. Однако в условиях ДВС сгорают переобогащённые топливные смеси, поэтому реальную энергоотдачу горючих веществ, Q, примем на ~10% ниже: 9500, 6500, 4800, 12000 ккал/кг (с учётом потерь на образование СО и СНх). Стоимость 1кг горючих по уровню среднемировых цен в бензиновом эквиваленте ~1 доллар за 1 литр (~750г) [1] составляет: этанол - 1,2, метанол - 2,0, метан ~0,1. Отношение Кальт./Кб – характеризует эффективность "альтернативного топлива" и составляет: для этанола: Кэт.с./Кб =0,57, для метанола: Км.с./Кб =0,25, для метана: Км/Кб =12,6. Достоинством "альтернативных топлив" является более экологичный выхлоп ДВС: для этанола до 3-5 раз, для метанола и метана – до 8-10 раз. Для этанола Кэт.с. оказывается почти в 2 раза ниже, но на опыте Бразилии, полностью перешедшей на этот вид возобновляемого моторного горючего, – этанол перспективен. Сырьевая база синтетического метанола ограничена ресурсами угля, метанол ядовит и требует защитных мер. Очень высокая эффективность метана – компенсируется увеличением массы и объёма (газобаллонного) бака в 10-15 раз, а также затратами на газобаллонное оборудование. Кроме того, удельная мощность ДВС на газо-воздушном топливе ниже бензо-воздушных ДВС на ~20%. Наконец, все сжатые или криогенные горючие газы взрывоопасны. Особенно это относится к водороду. Перспективные гидридные баки интерметаллидов вмещают лишь до ~2-3% водорода по массе [2,3].

Эффективность дизельного топлива оказывается выше бензина в Кд.т./Кб ~1,5 раза. Сгорание доз распыляемого горючего происходит в избытке воздушного заряда, расширение продуктов вспышки e ~20, КПД цикла Дизеля достигает h ~40%. Выхлоп дизелей менее опасен бензиновых ДВС, отработавшие газы могут очищаться через поглотительные растворы, но масса и стоимость дизелей несколько выше. Кроме того, в связи с уничтожением нефтяных ресурсов, все нефтяные горючие через ~20-30 лет будут неконкурентоспособны [1]. Экономика "биодизельных", "биогазовых" и "синтетических жидких топлив" (СЖТ) – уступает сегодняшней эффективности бензина.

Определённый интерес представляют паровые двигатели внешнего сгорания. Достоинством паровых машин является их "всеядность", вплоть до дешёвого каменного угля, уничтожение которого растянется на 100-150 лет. КПД паровых машин может достигать до 15-20% - при достаточном перегреве рабочего тела-пара перед подачей на газорасширительный механизм (цилиндр, турбину) и ранней "отсечкой" пара в расширительном цилиндре. Экологичность цикла внешнего сгорания превышает показатели ДВС на ~2 порядка и более. Однако, недостатки паровых машин – громоздкость испарителей, теплообменников и пароперегревателей, инерционность всего "оборотного" цикла – сложная конструкторская задача.

…Но оказывается, что существует "хорошо забытый" цикл работоотдачи унитарных топлив, изобретённых раньше ДВС и раньше паровых машин.

Унитарные топлива – пороха, взрывчатые вещества и пиротехнические топлива – это смеси окислитель+горючее. Топливо – окислительсодержащее, конденсированное, а не газофазное. Такты сжатия, продувки, зарядки – отсутствуют. Если жидкое топливо-порох превращается в газы на 100%, то расширение рабочего тела в цикле может достигать до e ~103, что до ~102 раз превышает расширение газофазных зарядов в атмосферных ДВС, или перегретого пара – в паровых цилиндрах и турбинах.

…Но оказывается, что расширение продуктов сгорания конденсированных топлив может быть выше газофазных зарядов в ДВС на 2 порядка (не только в 2 раза).

Работоотдача топлива-пороха в адиабатном цикле вычисляется как:

А =Q{1-(V1/V2)к-1} =Q{1-(Р2/Р1)(к-1)/к} =Q{1-(Т2/Т1)},

где: V1,P1,T1 и V2,P2,T2 – объём, давление и абс.температура газов соответственно в начале и в конце цикла расширения (вода – пар), Q – теплота сгорания (газопревращения) топлива-пороха, к~1,3 – показатель адиабаты [4]. В теории ДВС [5] выражение для КПД адиабатного расширения h t = 1 –1/(V2/V1)к-1 равносильно вышеприведённому: h t=А/Q = 1–(V1/V2)к-1, что при расширении рабочего тела в e ~V2/V1=50-100 раз соответствует КПД h t=А/Q ~68-74%. Поскольку других "паразитных" тактов сжатия-продувки-зарядки и потерь уже нет, цикл топлива-пороха – это цикл чистого расширения, это прямое преобразование химической энергии в механическую работу.

Оказывается, что в теории тепловых машин проще топлива-пороха быть не может ничего.

Изобрести топливо-порох целесообразно на водной основе, в виде раствора, где вода-растворитель – "хорошее" рабочее тело и регулятор температуры сгорания: ОКИСЛИТЕЛЬ+ГОРЮЧЕЕ+РАСТВОРИТЕЛЬ. Самый безопасный окислитель – нитрат аммония NH4NO3 (аммиачная селитра, АС), а горючие – дешёвые растворимые вещества: карбамид СО(NH2)2, спирты R-OH, аммиак NH3, амины, каменноугольная пыль и пр. Стехиометрические водо-нитратные смеси (ВНС) из-за высокой плотности жидкой фазы могут только гореть (под давлением), но не детонировать.

…Но оказывается, что топливом могут быть растворы, дисперсии, пены, эвтектики и легкоплавкие смеси типа ОКИСЛИТЕЛЬ + ГОРЮЧЕЕ.

Процесс сгорания легкоплавкой (1080С) стехиометрической смеси АС/карбамид 80:20 описывается уравнением:

3NH4NO3 + CO(NH2)2 = 8H2O (пар) + 4N2 + CO2 + 760 ккал/кг.

В отсутствии катализаторов при обычных условиях ВНС-топливо не горит, только плавится (воспламенение при ~2500C), водонаполненные смеси и плавы ВНС не детонируют, ВНС стабильны при хранении, ВНС безопасны для человека – на уровне растворов азотных удобрений (3-4-й класс опасности).

…Но оказывается, что унитарные топлива-растворы могут быть безопаснее бензина, газа, или спирта.

Схема тепловой машины по циклу "чистого расширения" – как газорасширительной машины открытого цикла – это мини-реактор сгорания раствора + паро-газовый исполнительный механизм. Пароперегреватели, топки, котлы и конденсаторы – отсутствуют. Рабочее тело пар+газы с необходимыми начальными параметрами Р1, Т1 из реактора поступает в цилиндры или на турбину. Для 50-кратного адиабатного расширения газов (ε =V2/V1=50, КПД h t=68%) до конечного давления Р2=1атм. при температуре Т2=1000С (вода – пар) необходимо начальное давление Р1=158 атм. и температура Т1~9000C (12000К). Это соответствует индикаторному давлению бензо-воздушных вспышек в существующих атмосферных ДВС со снижением теплонапряжённости цикла в 2,5–3 раза, что позволяет отказаться от охлаждения рабочей зоны – как в паровых машинах.

…Но оказывается, что "подвод давления" к рабочему телу – эффективнее классического "подвода тепла" в атмосферных циклах газо-тепловых машин.

Диапазон регулируемых параметров в реакторе: Т1~400-23000С - регулируется содержанием воды в топливе-растворе (до ~50% воды); Р1~20-104атм. - регулируется расходом топлива-раствора (до ~10г/с и более). Отметим, что замена реактора испарения паровых машин на мини-реактор "жидкого пороха" – равносильна унификации окислителя, горючего, рабочего тела, системы охлаждения, пароперегревателей, топок, котлов и конденсаторов. Марки высоколегированной стали для аммиачных и азотно-кислотных реакторов крупнотоннажных азотных производств под высоким давлением и температуре чрезвычайно агрессивных сред служат ~10 лет [7]. При сжигании нейтральных топлив-растворов срок эксплуатации мини-реактора без кап.ремонта будет сравним со сроком службы самого транспортного средства или силовой установки.

…Но оказывается, что идея паровой машины – изначально "подстроена" под растворы унитарных топлив с открытым циклом сверхкритического пара.

Наконец, целесообразна утилизация отработавших паров и их "бесплатного" конденсационного тепла (1000С) на растворении и подогреве порций рабочего раствора во встречном теплообменнике труба-в-трубе. Это позволит загружать топливный бак кристаллизованными порциями топлива (шары, цилиндры, эллипсоиды) с содержанием "балластной" воды-растворителя ~3-5% и независимо от температуры окружающей среды. Аккумуляция "бесплатного" конденсационного тепла и пара (1000С) отработавших газов на растворении и подогреве раствора – повысит энергонасыщенность топлива на 10-15%, с выделением ~850-900 ккал/кг тепла и ~1000 л/кг газовых продуктов, что соответствует показателям бездымных пироксилиновых порохов.

…Оказывается, что энергонасыщенность топлива-раствора может быть как у бездымного пороха.

Оценим экономические показатели применения легкоплавкой смеси АС/карбамид 80:20 в сравнении с горючим-бензином.

Исходные данные для унитарного топлива-ВНС:

1. Теплота сгорания безводной смеси АС/карбамид 80/20 составляет 760 ккал/кг (вода – пар). Растворитель – "бесплатная" вода (пар) из отработавших газов, и в цикле растворение-сгорание-растворение не учитывается. Аккумуляция тепла при растворении 1 кг сухой смеси в "оборотном" растворителе – 60 ккал, аккумуляция тепла при подогреве 1 кг 85%-ого раствора ВНС до 1000С "бесплатным" теплом отработавших газов – 50 ккал. Таким образом, энергонасыщенность горячего топлива-раствора в процессе его подготовки возрастает на 60+50=110 ккал/кг, а теплота сгорания горячего раствора в пересчёте на сухие компоненты, загружаемые в топливный бак, составит 760+110 = 870 ккал/кг.

2. Термодинамический КПД цикла адиабатного расширения рабочего тела в ε =V2/V1~50 раз составляет 68%, в ε =V2/V1~100 раз – 74%. Система жидкостного охлаждения отсутствует, потери в тактах сжатия-продувки-зарядки – отсутствуют. Для расчёта примем значение КПД h =65%.

3. Стоимость растворов синтеза АС с концентрацией ~95% перед стадией грануляции в цикле существующих азотных предприятий на европейском рынке составляет менее 80 долл./т (ориентировочно ~50 долл./т). Стоимость плавов карбамида перед стадией грануляции примем 100 долл./т. Средневзвешенную отпускную цену топлива-смеси АС/карбамид 80:20 (с влажностью до ~5%) примем 85 долл./т, или 0,085 долл./кг.

Отношение показателей экономической эффективности для топлива-ВНС и горючего-бензина Квнс/Кб = {h внс Qвнс/Свнс} : {h б Qб/Сб} составляет:

Квнс/Кб = {(870 * 65) / 0,085} : {(9500* 35) / 1,33} = 2,7

Таким образом, эквивалентные затраты "на топливо" для топлива-ВНС будут ниже в 2,7 раза. При этом массовый расход дешёвого топлива-ВНС по сравнению с дорогим бензином возрастёт в (9500ккал/кг * 35%) : (870ккал/кг * 65%) = 5,9 раз. При плотности ВНС r внс=1,45г/см3 (что в 2 раза выше плотности бензина r б~0,75г/см3), объём бака увеличится в 3 раза. В экономическом смысле: замена сжигаемых в ДВС углеводородных горючих (~1,2 млрд. т.) на эквивалентное количество (7 млрд. т.) топлива-раствора в паровых "сверхкритических" двигателях дало бы экономию ~1 триллион долларов в год. В дальнейшем, по мере уничтожения нефтяного сырья, эффективность ВНС-топлива будет только увеличиваться (Квнс/Кб > 2,7).

…Но оказывается, что цикл "чистого расширения" топлива-пороха уже сегодня в 2,7 раза экономичнее циклов атмосферных нефтяных ДВС.

Дополнительные преимущества топлива-раствора:

1. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ВРЕДНОСТЬ продуктов сгорания ВНС-топлив на 2-3 порядка ниже опасности отработавших газов бензиновых ДВС и газов детонирующих аммиачно-селитренных ВВ. Экспериментальное определение СО и NOx в газовой фазе сгорающего плава АС/карбамид 80:25 (+5% катализатора) обнаруживает снижение концентрации СО по сравнению с бензиновым выхлопом на 3 порядка, а по NOx – на ~2 порядка – по сравнению с дизельным. Резкое снижение выхода ядовитых газов известно и для водонаполненных детонирующих ВВ [6]. Сгорание горючих веществ в жидком окислителе-NH4NO3 (35%N2, 20%О2, 45%Н2О) сравнимо с горением в жидком воздухе (76%N2, 23%О2). Доля углерода в ВНС-топливе составляет 4,0-5,5% (0% - для горючего-аммиака NH3), что в ~20 раз ниже "углеродистости" бензина и дизтоплива. Молекулярная гомогенизация со-растворимых ингредиентов ВНС – способствует полноте экзотермических реакций уже в конденсированной фазе. ВНС-топлива – как способ аккумуляции и хранения малоуглеродных энергоносителей – неизвестная разновидность водородной энергетики. Сырьевая база и весь азото-водородный цикл ВНС – естественным образом вписаны в кругооборот азота и воды и тепловой баланс планеты. Полная замена бензина и дизтоплива на топливо-ВНС снизит выбросы в атмосферу Земли: СО2 – на ~2 млрд. тонн, СО – на ~80 млн. тонн, NOx – на ~30 млн. тонн, СНх – на ~50 млн. тонн ежегодно.

…Но оказывается, что топливо-раствор может быть водородным топливом.

2. ДОСТИЖИМАЯ МОЩНОСТЬ "пороховых" машин – многократно превышает показатели атмосферных ДВС и ограничена лишь конструкционной прочностью газо-/гидро/расширительного механизма. Независимость "пороховой" мощности от "оборотистости" вала двигателя – резко упрощает привод к движителю (колесу, винту, водомёту, гидроцилиндру, гидромотору и т.п.). Снижение "механических" потерь мощности в трансмиссии на 50% – по аналогии с приводом паровых машин – эквивалентно дополнительному увеличению эффективности ВНС-цикла в сравнении с атмосферными ДВС в ~1,5 раза, т.е. Квнс/Кб ³ 4.

…Но оказывается, что "пороховой" двигатель – много проще атмосферных ДВС.

Оказывается, что аммиачно-селитренные смеси, используемые сначала как удобрения, а последние ½ века – как самый дешёвый источник энергии взрыва, в газо-механическом эквиваленте топлива-раствора – наиболее дешёвый источник механической работы. Цикл прямого преобразования химической энергии в механическую работу – эффективнее разрабатываемых технологий электротопливных элементов, "биотоплив" и электромобилей с миллиардными ассигнованиями.

…Но оказывается, что возможны инновации с мировой эффективностью ~1трлн. долларов в год, полезные для окружающей среды, а не уничтожающие её.

3. Газо-тепловые двигатели на унитарном топливе-растворе могут работать независимо от окружающей среды: под водой, в шахтах, в стратосфере, на Луне. По сравнению с известными "оборонными" ДВС на взрывоопасных, токсичных и дефицитных топливах-ВВ (нитрометан СН3NO2, перекись водорода Н2О2, производные гидразина N2H4, органические нитраты RONO2) стоимость ВНС-топлив ниже на ~2 порядка, а безопасность в обращении с водосодержащими смесями и плавами – ниже опасности гранулированной аммиачной селитры-удобрения (мировое производство ~20 млн.т в год) и ниже бензина.

В настоящее время азотная промышленность – одна из ведущих отраслей во всех индустриально развитых странах [7]. Необходимый водород для синтеза аммиака получают конверсией природного газа с водяным паром по схеме: СН4 + Н2О « СО + 3Н2, при этом доля стоимости природного газа на азотных производствах достигает до 50-70%. В то же время, в рамках водородной энергетики известны различные способы получения первичного водорода из воды, в т.ч. конкурентоспособные с природным газом [3, 8]. Удешевление первичного сырья-Н2 – означает дополнительное удешевление синтетических ВНС-топлив – дешёвых и технологичных аккумуляторов энергии идеального – водородного – топлива.

В настоящее время мировая азотная промышленность производит около 200 млн.т аммиака в год. Полная замена углеводородных горючих на топлива-ВНС потребует увеличение мощностей мировой азотной промышленности почти на 2 порядка. Однако, ВНС-топлива конкурентны с бензином уже сегодня, когда запасы дешёвого нефтяного сырья ещё не уничтожены. Очевидно, что через 15-20 лет на рынке транспортных и силовых технологий будут востребованы самые дешёвые, эффективные и безопасные технические решения. Контроль топливных технологий – возможность мирового контроля.

Список литературы

"Поиск", № 12 (774) 26.03.2004г., с.7.

Мищенко А.И. Применение водорода для автомобильных двигателей.-Киев: Наукова думка, 1984.

Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику. –М.: Энергоатомиздат, 1984.

Андреев К.К. Беляев А.Ф. Теория взрывчатых веществ. –М.: Оборонгиз, 1960, с. 449-453.

Ваншейдт В.А. Дизели. Справочное пособие конструктора. М.-Л., 1957.

Кук М.А. Наука о промышленных взрывчатых веществах. –М.: Недра, 1980, с. 13, 425-434.

Под ред. Семёнова В.П. Производство аммиака. М.: Химия, 1985, с. 7-8.

Студенников В.В., Кудымов Г.И. "Водородная энергетика: этап практических решений", "МИС-РТ"-1999г., Сб.№18-2.

Оценить/Добавить комментарий
Имя
Оценка
Комментарии:
Где скачать еще рефератов? Здесь: letsdoit777.blogspot.com
Евгений22:06:57 18 марта 2016
Кто еще хочет зарабатывать от 9000 рублей в день "Чистых Денег"? Узнайте как: business1777.blogspot.com ! Cпециально для студентов!
15:36:29 24 ноября 2015

Работы, похожие на Реферат: Конкурентоспособность моторных топлив (в связи с уничтожением природных ресурсов)

Назад
Меню
Главная
Рефераты
Благодарности
Опрос
Станете ли вы заказывать работу за деньги, если не найдете ее в Интернете?

Да, в любом случае.
Да, но только в случае крайней необходимости.
Возможно, в зависимости от цены.
Нет, напишу его сам.
Нет, забью.



Результаты(151108)
Комментарии (1843)
Copyright © 2005-2016 BestReferat.ru bestreferat@mail.ru       реклама на сайте

Рейтинг@Mail.ru