СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ТОПЛИВНЫХ СМЕСЕЙ Российский патент 1997 года по МПК G01N25/22 

Изобретение относится к химмотологии горючего и может быть использовано для оценки энергоемкости топливных смесей в процессе подбора состава горючих на стадии их разработки.

Известен способ оценки энергоемкости дизельных топлив путем определения удельной теплоты сгорания исследуемого и эталонного топлива с последующим сравнением этих теплот сгорания и оценкой энергоемкости топлив (прототип).

В качестве недостатков способа необходимо отметить, низкую достоверность и надежность определения энергоемкости. Кроме того, при оценке энергоемкости не учитывается, за счет какого объема стехиометрической смеси горючего с воздухом можно достигнуть получения определенной величины энергии.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения достоверности и надежности определения энергоемкости топливных смесей.

Поставленная задача достигается предложенным способом определения энергоемкости топливных смесей путем определения теплоты сгорания исследуемого и эталонного горючих веществ с последующим сравнением этих характерных параметров и оценкой энергоемкости, при этом в качестве характерного параметра используют теплоту сгорания единичного объема стехиометрической смеси воздуха с исследуемым и эталонным горючими веществами, для определения которой предварительно определяют мольную долю горючих веществ, входящих в стехиометрическую смесь с воздухом, занимающую единичный объем и мольную теплоту сгорания горючих веществ, по которым рассчитывают теплоту сгорания единичного объема стехиометрической смеси воздуха с исследуемым и эталонным горючими веществами.

Предложенный способ отличается от прототипа следующим:
в качестве характерного параметра используется теплота сгорания единичного объема стехиометрической смеси воздуха с исследуемым и эталонным горючими веществами;
предварительно определяют мольную долю горючих веществ, входящих в стехиометрическую смесь с воздухом, занимающую единичный объем и мольную теплоту сгорания, по которым рассчитывают теплоту сгорания единичного объема стехиометрической смеси с исследуемым и эталонным горючими веществами.

Эти признаки являются существенными для решения задачи изобретения, так как в настоящее время принято оценивать энергоемкость топливных смесей по их удельной теплоте сгорания. Чем выше удельная теплота сгорания топлива, следовательно, тем выше его энергоемкость.

Действительно, если сравнить энергоемкость некоторых горючих веществ, например, изооктан (C₈H₁₈), аммиак (NH₃), водород (H₂), метан (CH₄) с учетом их удельной теплоты сгорания, то получится следующая диаграмма распределения энергоемкости горючих веществ (фиг. 1).

Анализ диаграммы показывает, что самым энергоемким горючим веществом среди вышеперечисленных является водород. За ним следует метан, а изооктан, взятый в качестве эталона (изооктан среди горючих для карбюраторных двигателей является эталоном) занимает лишь третье место.

Однако, такое положение не всегда справедливо для топливных смесей, применяемых на двигателях внутреннего сгорания, в частности, на карбюраторных двигателях. При существующем подходе оценки энергоемкости горючих веществ не учитываются состав и объем стехиометрической топливной смеси, и ряд факторов, влияющих на энергоемкость на реальном двигателе. Для исключения этих недостатков необходимо определить теплоту сгорания единичного объема стехиометрической смеси исследуемых горючих веществ. Теплоту сгорания единичного объема стехиометрической смеси определяют от произведения мольной теплоты сгорания и мольной доли веществ, входящих в стехиометрическую смесь с воздухом, занимающую единичный объем.

Таким образом, все признаки в совокупности являются существенными для решения задачи изобретения.

Способ осуществляется следующим образом.

Берут исследуемые горючие вещества и эталон. Определяют мольную теплоту сгорания исследуемого и эталонного горючих веществ (известными способами). Затем определяют мольную долю горючих веществ, входящих в стехиометрическую смесь с воздухом, занимающую единичный объем. Далее рассчитывают теплоту сгорания единичного объема стехиометрической смеси исследуемого и эталонного горючих веществ, затем их сравнивают и определяют энергоемкость топливной смеси.

Пример конкретного исполнения. Были взяты горючие вещества изооктан, аммиак, водород и метан. Среди горючих для карбюраторных двигателей изооктан является эталоном. В соответствии c вышеописанным способом определяли по существующему ГОСТу мольную теплоту сгорания всех горючих веществ и в том числе эталона (изооктана). Полученные данные показаны на фиг. 2. Как видно из фиг. 2, изооктан занимает первое место (по сравнению с водородом см. фиг. 1), а водород переместился на последнее место среди рассматриваемых горючих.

После определения мольной теплоты сгорания определили мольную долю горючих веществ, входящих в стехиометрическую смесь с воздухом, занимающую единичный объем. Далее рассчитывали теплоту сгорания единичного объема стехиометрической смеси исследуемых горючих веществ (H₂, CH₄, NH₃) и эталона (C₈H₁₈) в зависимости от мольной теплоты сгорания и мольной доли горючих веществ. Полученные данные показаны на диаграмме (фиг. 3).

Анализ диаграммы (фиг. 3) показывает, что несмотря на столь резкие различия в удельных и мольных теплотах сгорания рассматриваемых горючих веществ теплоты сгорания единичных объемов, а, следовательно, и энергоемкость их стехиометрических топливных смесей отличается значительно меньше.

Так, если мольная теплота сгорания изооктана превосходила мольные теплоты сгорания метана, аммиака и водорода более чем на 523, 1499, 1993% соответственно, то величина энергоемкости его стехиометрической смеси превосходит величины энергоемкости стехиометрических топливных смесей метана, водорода и аммиака всего лишь 8, 17, 20% соответственно.

Это может быть объяснено величиной мольной доли того или иного горючего вещества, способной полностью прореагировать с окислителем (кислородом воздуха) в ограниченном объеме равном 1 литру.

Действительно, если проследить за величинами мольных долей сравниваемых горючих веществ, т. е. водорода, аммиака, метана и изооктана, способных полностью провзаимодействовать с окислителем в единичном объеме равном 1 литру (фиг. 4), то окажется, что самая маленькая величина мольной доли вещества приходится на изооктан, а самая большая на водород.

Таким образом, на основании полученных данных диаграмм (фиг. 2. 4) и, анализируя величины теплот сгорания единичного объема стехиометрической смеси (энергоемкости топливных смесей) (фиг. 3), можно сделать следующее заключение, что изооктан, имея самую высокую величину мольной теплоты сгорания (5061,6 КДЖ/моль) при низкой мольной доле (7,4•10^-4) показывает энергоемкость на 17% больше по сравнению с водородом. Другими словами для получения определенной величины энергоемкости с помощью водорода необходимо затратить его значительно больше, так как мольная теплота сгорания водорода равна лишь 241,8 КДЖ/моль.

Как видно, предлагаемый способ по сравнению со существующим позволяет достоверно и надежно определить энергоемкость топливных смесей. Для объективного сравнения энергоемкости горючих веществ, используемых в качестве компонентов горючего, следует оценивать энергоемкость единичных объемов их стехиометрических смесей. Это позволит оценить уменьшение либо увеличение максимальной работы, совершаемой двигателями внутреннего сгорания при переводе его с одного компонента топливной смеси на другой, и дать заключение о целесообразности применения компонента топлива.

Из вышеизложенного материала видно, что технико-экономический эффект предлагаемого способа заключается в повышении достоверности и надежности определения энергоемкости.

Изобретение относится к химмотологии горючего и может быть использовано для оценки энергоемкости топливных смесей в процессе подбора состава горючих на стадии их разработки. Сущность: определение энергоемкости топливных смесей осуществляется путем определения теплоты сгорания исследуемого и эталонного горючих веществ с последующим сравнением этих характерных параметров и оценкой энергоемкости. В качестве характерного параметра используют теплоту сгорания единичного объема стехиометрической смеси воздуха с исследуемым и эталонным горючими веществами, для определения которой предварительно определяют мольную долю горючих веществ, входящих в стехиометрическую смесь с воздухом, занимающую единичный объем и мольную теплоту сгорания горючих веществ, по которым рассчитывают теплоту сгорания единичного объема стехиометрической смеси воздуха с исследуемым и эталонным горючими веществами. 4 ил.

Способ определения энергоемкости топливных смесей путем определения теплоты сгорания исследуемого и эталонного горючих веществ с последующим сравнением этих характерных параметров и оценкой энергоемкости, отличающийся тем, что в качестве характерного параметра используют теплоту сгорания единичного объема стехиометрической смеси воздуха с исследуемым и эталонным горючими веществами, для определения которой предварительно определяют мольную долю горючих веществ, входящих в стехиометрическую смесь с воздухом, занимающую единичный объем, и мольную теплоту сгорания горючих веществ, по которым рассчитывают теплоту сгорания единичного объема стехиометрической смеси воздуха с исследуемым и эталонным горючими веществами.