Проблема, на вирішення якої було спрямовано наукову роботу
Розробка науково-технологічних засад створення енергетичних установок на базі ДВЗ для малотоннажних суден, які працюють на спиртовому паливі із термохімічною утилізацією теплоти відпрацьованих газів, що забезпечує її високі енергоефективні та екологічні характеристики
Об'єкт і предмет наукової роботи
Об'єктом є процеси перетворення спиртових палив та енергії при утворенні та використанні альтернативного палива – синтез-газу, а також конструктивні особливості створення енергетичної установки з термохімічною утилізацією теплоти відпрацьованих газів ДВЗ.
Предметом є закономірності та параметри процесів перетворення спиртових палив (отримання синтез-газу) та енергії (використанні синтез-газу у двигуні).
Мета наукової роботи
Метою є розробка проекту енергетичної установки малотоннажних суден на базі ДВЗ працюючих на синтез-газі, отриманому з спиртового палива шляхом термохімічної утилізації теплоти відпрацьованих газів, а також встановлення оптимальних параметрів такої установки, які дадуть змогу ефективного використання у енергетичному комплексі України та можуть бути конкурентоспроможним наукоємним товаром на зовнішніх ринках.
Одержані наукові результати
1. Проведено аналіз паливно-енергетичних ресурсів планети, який дозволив зробити висновок про необхідність розвивати напрямок використання альтернативних палив в енергетичних установках малотоннажних суден. Зокрема, як найбільш перспективним для України паливом, яке має широку сировинну базу, можна виділити етанол. Огляд можливих способів його застосування в поршневих ДВЗ показав, що використання ТХУ теплоти ВГ для отримання синтез-газу дозволить підвищити економічність двигунів, які працюють на етанолі, а також дозволить використовувати паливний етанол в тих двигунах, де його застосування важко здійснити (дизельні ДВЗ суднового та стаціонарного призначення).
2. Розроблено математичну модель енергетичної установки малотоннажного судна на базі ДВЗ працюючих на синтез-газі з ТХУ теплоти ВГ, яка побудована на базі фундаментальних рівнянь термодинаміки, термохімії, газової динаміки, тепло- і масообміну, та враховує особливості процесу конверсії палива в синтез-газ. Математична модель дає можливість розраховувати та досліджувати параметри процесів, що відбуваються в ДВЗ, визначати потоки енергії й її розподіл та дозволяє здійснити численні дослідження процесів в широкому діапазоні режимних параметрів.
3. Виконано верифікацію математичних моделей елементів енергетичної установки на базі ДВЗ працюючих на синтез-газі з термохімічною утилізацією теплоти відпрацьованих газів. Максимальна відносна середньоквадратична похибка розрахункових параметрів, які отримані на основі моделі, не перевищує 12%.
4. Експериментально встановлено, що при досягненні повної конверсії за реакцією розкладання весь рідкий етанол, який надійшов у термохімічний реактор, повністю перетворюється в горючий синтез-газ, основними компонентами якого є водень Н2 (43 %), окис вуглецю СО (34 %) і метан СН4 (23 %), а розрахункова питома нижча теплота згоряння синтез-газу складає 28,79 МДж/кг. При цьому для отримання 1 кг синтез-газу витрачається 4,0 МДж теплової енергії.
5. Експериментально встановлено, що завдяки наявності в синтез-газі у значній кількості Н2 розширилися межі займання горючої суміші, що забезпечило роботу двигуна на всіх навантажувальних режимах з добавками синтез-газу в більш широкому діапазоні зміни коефіцієнта надлишку повітря від 1,05 до 1,18. При цьому швидкість згоряння не знижується, що, в свою чергу, не призводить до збільшення концентрації СН у ВГ. Залежно від добавки синтез-газу на всіх режимах роботи спостерігається зниження вмісту шкідливих викидів із ВГ, а саме СО на 53,5 %, СН на 55,1 %.
6. Експериментально встановлено, що за умови застосування добавок синтез-газу, отриманого за рахунок термохімічної утилізації теплоти відпрацьованих газів, питома ефективна витрата етанолу знизилася на 20...130 г/(кВт×год) (2,5...12,4 %). При цьому кількість енергії, яку необхідно використати в реакторі для отримання синтез-газу, складає 50...65 % від теплоти, що виділяється з відпрацьованими газами на даному режимі роботи.
7. Встановлено, що масова добавка синтез-газу до етанолу (1...10 %) дозволяє значно покращити процес згоряння, при цьому спостерігається зростання індикаторного ККД двигуна та зниження питомої індикаторної витрати палива на 11,7 %.
8. Добавка синтез-газу дозволяє підвищити коефіцієнт надлишку повітря α до 1,2 без зниження швидкості згоряння паливоповітряної суміші, що у свою чергу призводить до зменшення теплових втрат з ВГ, зниження температури відпрацьованих газів, а також зменшує викиди токсичних речовин у атмосферу.
9. Наявність водню у складі синтез-газу покращує моторні властивості паливоповітряної суміші, а саме дозволяє витрачати значно менше енергії на займання суміші (0,23 МДж), що покращити пуск двигуна (особливо в зимовий період).
10. Залежно від величини добавки синтез-газу 1…10 % до етанолу зменшується загальну тривалість згоряння суміші φz та знаходиться в межах 33...60º(так, наприклад, при 10 % добавки синтез-газу φz знижується на 45 %).
11. Для поршневих ДВЗ з примусовим запалюванням, які працюють на етанолі з добавками синтез-газу при застосуванні ТХУ теплоти ВГ ефективно використовувати реакцію розкладання етанолу, яка має низькі енергетичні характеристики процесу хімічного перетворення. Зниження витрати етанолу досягається при ступенях конверсії – 30...100 % й становить 1...12 % в залежності від навантаження двигуна.
12. Раціональна різниця температур на вході в утилізуючий пристрій значно впливає на ефективність застосування ТХУ теплоти ВГ. Діапазон роботи поршневих ДВЗ з примусовим запалюванням при різниці температур 20 К лежить в діапазоні 26...100 % від номінального навантаження, при 260 К – 94...98 %.
13. Застосування каталізаторів для зниження температури реакції конверсії підвищує ефективність використання ТХУ теплоти ВГ в ДВЗ з примусовим запалюванням. Зниження температури реакції конверсії значно розширює межі значень різниці температур на вході в утилізаційний пристрій, при яких досягається зниження питомої витрати етанолу. При зниженні температури конверсії на 50 К верхня межа різниці температур на вході в утилізаційний пристрій DT збільшується в 1,23 рази, на 100 К – в 1,46 раз. Мінімальне значення потужності, при якій досягається зниження питомої витрати етанолу для різниці температур на вході в утилізаційний пристрій 160…260 К при зменшенні температури конверсії на 50…100 К знижується в 1,3…2,6 разів.
Основні показники результатів
Перелік статей у журналах, що входять до наукометричних баз даних (SocialScienceCitationIndex, WebofScience, Scopus та інші) - 2
Статті у журналах, що входять до переліку фахових видань України - 10
Монографії та (або) розділи монографій, що опубліковані в українських виданнях за темою проекту українською мовою - 2
Монографії та/або розділи монографій, що опубліковані у закордонних виданнях англійською мовою або офіційними мовами Європейського Союзу - 1
Захищено дисертацій - 3
Кількість укладених договорів про впровадження - 2