При всём том, что последние новости о наличии в Украине весьма значительных запасов сланцевого газа и возникших в связи с этим всевозможных экономических и не только, ожиданий и радужных предположений, вселяют обоснованные надежды на ускоренное развитие этой отрасли, необходимо отметить, что никакие природные запасы углеводородов не вечны и желательно с самого начала эксплуатации газовых месторождений применить самые новые технологии, для того, что бы сохранить положительный и наиболее активный энергетический баланс на как можно более длительный период времени.

Такое пропорциональное сочетание природных и высокотехнологичных факторов и является наряду с многими другими факторами, - фундаментальной основой энергетической безопасности.

Какие же имеются перспективы в взаимной интеграции технологий и природных факторов?
Известны новые направления в развитии газовой энергетики, на рассмотрении возможных преимуществ которых имеет смысл остановиться подробнее.

Итак как существенным образом сохранив необходимый уровень производства энергии и в частности электроэнергии, сократить расход энергоносителей?

Предлагаю рассмотреть вопрос о так называемой – гибридной энергетике.

В одной из своих прошлых публикаций под названием «Гибридная энергетика» - http://www.ap7.ru/prognozy/gibridnaja_energetika.html автор этих публикаций спрогнозировал появление так называемых «гибридных» энергетических установок, где будут объединены в одну технологическую цепочку очень разные энергетические источники – например, ядерный реактор и угольный газогенератор.

Причиной появления подобных «гибридов» будет являться тенденция к дальнейшему повышению цены на углеводородные энергоносители. Во многом из-за этой же причины появятся и электростанции новых типов, которые тоже в определенном смысле можно будет назвать «гибридными».

Также и Поскольку эти новые электростанции будут использовать для своей работы технологические принципы из некоторых других уже известных типов электростанций, которые до сих не использовались в одной технологической цепочке.

Например, сейчас Европейский союз очень энергично пытается внедрить парогазовые электростанции. Принцип работы парогазовых электростанций заключается в том, что природный или попутный газ сначала сжигается в газовой турбине, вращающей электрогенератор. Отходящие от газовой турбины выхлопные газы направляются в паровой котел, снабжающий паром паровую турбину, вращающую электрогенератор. Происходит как бы двойное использование тепла сжигаемого газа. Лучшие образцы парогазовых электростанций достигают 55% к. п. д. (коэффициент полезного действия) превращения теплоты сгорания газового топлива в электрическую энергию. Сравните с к. п. д. самых лучших тепловых электростанций, достигающих только 35%.

Однако вскоре могут появиться электростанции, тоже работающие на газовом топливе, но которые будут достигать гораздо большего к. п. д., чем парогазовые электростанции.

Известно, что самым лучшим к. п. д. преобразования тепловой энергии в механическую обладает взрыв так называемой «гремучей смеси» (смеси горючего газа и атмосферного воздуха в идеальной пропорции). К. п. д. «гремучей смеси» равняется 80%. Но до сих пор ученых и инженерам не удавалось «приручить» «гремучую смесь».

Это удастся сделать, объединив вместе гидротурбину и «гремучую смесь». Вот примерное описание электростанции, которая будет работать на превращении тепловой энергии «гремучей смеси» в электрическую энергию при помощи гидротурбины.

В большом бассейне, наполненном водой, будут находиться в погруженном состоянии несколько больших сфер, изготовленных из очень прочного материала. В этих сферах тоже будет находиться вода, и они будут соединены водопроводами, которые будут вести в специальный накопительный бассейн, находящийся на высоте нескольких десятков метров над бассейном, в котором будут расположены сферы.

В сферы через специальные клапаны будет поочередно подаваться порция уже готовой «гремучей смеси» из горючего газа и воздуха. Специальным искровым устройством, похожим на автомобильную свечу, «гремучая смесь» будет подрываться. Взрыв будет вытеснять из сферы определенное количество воды, которое по упомянутому выше водопроводу будет забрасываться в расположенный на высоте десятков метров накопительный бассейн. Водопровод будет снабжен специальным клапаном, который не позволит воде течь обратно из накопительного бассейна в сферу.

После взрыва «гремучей смеси» через специальный клапан выхлопные газы от взрыва будут стравливаться за пределы сферы, а одновременно через другой клапан в сферу из бассейна будет поступать нужно количество воды взамен вытесненной предыдущим взрывом. Вновь в сферу будет подана порция «гремучей смеси» и цикл повторится сначала.

Сферы будут работать по очереди, забрасывая в накопительный бассейн порции воды. А из накопительного бассейна вода будет поступать с высоты нескольких десятков метров на гидротурбину, которая будет вращать электрогенератор. Гидротурбина будет расположена на уровне бассейна, где будут расположены сферы, и поступающая после гидротурбины вода будет постоянно подпитывать уровень воды в бассейне, компенсируя забираемую в сферы воду.

Одним словом, описываемая нами электростанция напоминает двигатель внутреннего сгорания, но отличается использованием вместо поршней, шатунов, карданного вала и прочих механических частей обыкновенной воды, циркулирующей в описанной выше гидросистеме.

При этом вода, циркулирующая по гидросистеме, будет служить и для отвода неиспользованной тепловой энергии или охлаждения (в качестве «холодильника» в классической схеме тепловой машины) путем испарения воды с зеркала основного и накопительного бассейнов. Естественно, убыток испаренной воды будет компенсироваться путем подпитки извне.

Потенциальный к. п. д. прогнозируемой «гибридной» электростанции будет весьма высоким. К. п. д. «гремучей смеси» - 0,8 (80%) умножить на к. п. д. гидротурбины – 0,95 (95%) = 0, 76 или 76%. Почти в полтора раза больше, чем к. п. д. парогазовой электростанции (55%).

Впрочем, существует проблема замены небольших электростанций, питающих отдаленные или неподключенные к электросетям потребителей. Как правило, сейчас эти электростанции работают от двигателей внутреннего сгорания, которые используют в качестве топлива жидкие или газообразные углеводороды. А жидкие и газообразные углеводороды стремительно дорожают, и, самое главное, будут дорожать все обозримое будущее.

В прогнозируемой миниэлектростанции, которая должна придти на смену современным миниэлектростанциям, использующим двигатели внутреннего сгорания, тоже будет использоваться гидротурбины. Плюс еще один достаточно известный эффект, знакомый практически всем, кто пробует собственноручно готовить пищу у себя на кухне.

Ваш покорный слуга имеет в виду эффект пенообразования. К примеру, у вас на плите стоит кастрюля, в которой уже неоднократно варились пельмени – вы опять доводите воду в этой кастрюле до кипения, дабы бросить туда новую порцию пельменей. Но, кто это производил этот процесс, знают – надо следить за водой в этой кастрюле. В любой момент закипевшая вода полезет из кастрюли, особенно если она накрыта крышкой, обильной пенной «шапкой» и окажется у вас на плите.

Вот этот самый только что описанный «пенный эффект» будет использоваться в прогнозируемом типе «гибридной» миниэлектростанции. Она будет состоять из высокой цилиндрической емкости, в дне которой будет находиться нагреватель, работающий от любого вида топлива и даже от отходящих нагретых газов. Этакая большая кастрюля.

Наполнена высокая цилиндрическая емкость будет водой, в которой должен быть растворен некий реагент, резко повышающий пенообразование при нагревании. Вода должна непрерывно превращаться в пену, которая будет подниматься вверх по высокой цилиндрической емкости, переливаться через край и накапливаться в специальной емкости, типа небольшого накопительного бассейна. А из накопительного бассейна вода будет поступать на гидротурбину, расположенную на уровне нагреваемого дна цилиндрической емкости. После турбины вода должна возвращаться в цилиндрическую емкость, дабы потом превратится в пену, и попасть в накопительный бассейн.

То есть, процесс очень прост и позволяет использовать любой вид топлива.

Теперь от технологических фантазий перейдём к новым изобретениям, которые реально применены и дали отличные результаты, которые можно реально применить в энергетике и обеспечить ей независимость от поставщиков энергоносителей.

Одним из таких изобретений является предварительное вихревое смешивание природного газа с воздухом, перед подачей газово-воздушной смеси в камеру сгорания.

Дополнительные и основные базовые возможности, которые имеются у такой системы динамического вихревого смешивания потоков двух газовых сред.

Конструкция устройства для вихревого смешивания имеет высокую компановочную гибкость.

Один и тот же вихревой генератор может иметь направление тангенциальных каналов, совпадающее с направлением часовой стрелки или направленное против часовой стрелки; это определяет направление вихревой спирали и может служить инструментом для формирования различных уровней турбулентности в потоке газов при смешивании и после смешивания.

При наличии в устройстве для вихревого смешивания нескольких последовательно расположенных вихревых генераторов, возможно изменять направление тангенциальных каналов у двух смежных вихревых генераторов и получать при одних и тех же затратах энергии увеличение уровня турбулентности смеси в два и более раз.

Таким же образом можно регулировать время в течении которого происходит процесс смешивания и формирования вихревого потока газовой смеси.

Одним из важных резервов повышения эффективности процесса смешивания является возможность регулировки давления газовых сред в широком диапазоне от 2 атмосфер до 20 атмосфер.

Раздельное обеспечение каждого из вихревых генераторов сжатым воздухом и абсолютно независимая работа каждого из вихревых генераторов, дают возможность даже в пределах одного и того же устройства для динамического вихревого смешивания газовых сред устанавливать различный режим работы для каждого из вихревых генераторов.

Так как благодаря формированию на выходе из тангенциальных каналов локальной зоны адиабатического расширения можно получить снижение температуры газа, выходящего из каждого из каналов, увеличивая или уменьшая давление воздуха можно получать различную температуру.

При подаче на вихревой генератор воздуха под давлением в 20 атмосфер можно получить отрицательную температуру на выходе из канала и извлекать воду из воздуха в виде микроскопических кристаллов льда, наличие которых при горении улучшает качество горения и дополнительно снижает концентрацию токсичных веществ в продуктах горения на величину концентрации воды в газовой смеси.

Так, если вода занимает в смеси 10% от веса смеси, то принято считать, что уровень концентрации окислов азота и углерода снижается также на 10%.

Если в устройстве для динамического вихревого смешивания имеется несколько вихревых генераторов, то меняя давление воздуха, который подаётся на каждый генератор можно получать воду только в том месте, которое необходимо, сохраняя при этом уровень потребления энергии и уровень эффективности устройства для динамического вихревого смешивания.

Техническая характеристика устройства для динамического вихревого смешивания газовых сред и компонентов включает в себя основные базовые параметры и дополнительные параметры, которые получены в дополнение к основным за счёт принципиальных и конструктивных особенностей вихревых генераторов и устройства для динамического вихревого смешивания газовых сред, использующего вихревые генераторы в качестве основного технологического инструмента.

Основные признаки технической характеристики:

• контролируемое динамическое вихревое однородное смешивание двух или более газовых сред;
• контролируемое и регулируемое обеспечение любых пропорций между смешиваемыми газами;
• контролируемый и регулируемый ввод каждого газа по критериям расхода, давления, уровню турбулентности, уровню температуры, уровню линейной скорости потока;
• формирование вихревой трубы из смеси газов;
• формирование двух основных критериев и базовых физических эффектов для снижения температуры в потоке;
• контролируемое и при необходимости изменяемое направление спирали в вихревой трубе;
• контролируемое и регулируемое изменение уровня турбулентности потока газов в вихревой трубе;
• контролируемая и регулируемая конденсация воды в потоке газов при смешивании и после смешивания;
• контролируемое и регулируемое значение линейной скорости движения потока газов в вихревой трубе;
• контролируемое и регулируемое значение давления в потоке газов в вихревой трубе и на выходе из неё;
• контролируемое и регулируемое изменение направления спирали в вихревой трубе без изменения конструкции устройства для динамического вихревого смешивания газовых сред.

Технология вихревого смешивания газовых сред включает в себя следующие технологические переходы и операции:
1. Формирование направленного потока газа, который является основным компонентом смеси газов;
1.1. Поток формируется в транспортирующем трубопроводе;
1.2. Поток движется в трубопроводе под давлением
1.3. Поток движется в трубопроводе с определённым расходом
1.4. Давление потока находится под контролем в режиме реального времени
1.5. Расход в потоке находится под контролем в режиме реального времени
1.6. Давление в потоке регулируется в режиме реального времени
1.7. Расход в потоке регулируется в режиме реального времени
2. Формирование на участке транспортирующего трубопровода вихревой трубы
2.1. Формирование под давлением потока второго газа, который является вторым компонентом смеси
2.2. Поток второго газа, как компонента смеси газов, формируется в своём транспортирующем трубопроводе;
2.3. Поток движется в трубопроводе под давлением
2.4. Поток движется в трубопроводе с определённым расходом
2.5. Давление потока находится под контролем в режиме реального времени
2.6. Расход в потоке находится под контролем в режиме реального времени
2.7. Давление в потоке регулируется в режиме реального времени
2.8. Расход в потоке регулируется в режиме реального времени
2.9. Поток равномерно распределяется между системами идентичных каналов, каждый из которых завершается тангенциальным каналом, выход из которого расположен в основном транспортирующем трубопроводе;
2.10. Формирование на выходе из каждого из тангенциальных каналов условий для возникновения эффекта of Joule – Thomson
2.11. Формирование из множества выходов потока из тангенциальных каналов вихревой трубы
2.12. Формирование в вихревой трубе условий для возникновения Ranque - Hilsch эффекта
2.13. Формирование условий для вихревого смешивания турбулентных потоков двух газов
2.14. Формирование условий для диффузионного проникновения потоков второго газа в поток основного газового компонента смеси
3. Дополнительные явления, возникающие при вихревом смешивании двух газовых сред
3.1. Снижение температуры в потоках газа в зоне действия эффектаof Joule – Thomson
3.2. Снижение температуры в вихревой трубе в зоне действия эффекта Ranque - Hilsch
3.3. Образование водяного пара и равномерное насыщение им объёма потока смеси газов в зоне действия эффектов of Joule – Thomson и Ranque - Hilsch
3.4. Возникновение в вихревой трубе линейного вектора тяги в дополнение к давлению в потоке основного компонента смеси
4. Устройство для вихревого смешивания имеет аналогичную конструктивную концепцию для различных вариантов и масштабных факторов;
4.1. Устройство состоит из двух основных конструктивных элементов, - несущего корпуса в виде цилиндра и помещённых в него кольцевых вихревых генераторов
4.2. Количество вихревых генераторов может быть различным в зависимости от требований к параметрам смеси
4.3. Диаметры указанных основных конструктивных элементов могут изменяться в зависимости от заданной производительности
5. Области использования и варианты применения технологии вихревого смешивания газов
5.1. Смешивание природного газа с воздухом
5.2. Смешивание природного газа с природным газом
5.3. Охлаждение природного газа в потоке
5.4. Охлаждение природного газа при смешивании с воздухом
5.5. Охлаждение природного газа при смешивании с природным газом
5.6. Повышение уровня турбулентности природного газа при транспортировке
5.7. Формирование транспортируемой смеси из природного газа с воздухом
5.8. Генерирование топливной гремучей смеси из природного газа и воздуха
5.9. Генерирование топливной гремучей смеси из природного газа и кислорода
5.10. Генерирование топливной гремучей смеси из водорода и воздуха
5.11. Генерирование топливной гремучей смеси из водорода и кислорода
5.12. Предварительное смешивание природного газа с воздухом перед подачей в камеру сгорания
5.13. Предварительное смешивание природного газа с кислородом перед подачей в камеру сгорания
5.14. Предварительное смешивание водорода с воздухом перед подачей в камеру сгорания
5.15. Предварительное смешивание водорода с кислородом перед подачей в камеру сгорания
5.16. Устройства для вихревого ускорения транспортируемого потока природного газа в магистральных трубопроводах с использованием в качестве ускорителя природного газа
5.17. Устройства для вихревого ускорения транспортируемого потока природного газа в магистральных трубопроводах с использованием в качестве ускорителя сжатого воздуха
5.18. Устройства для локального вихревого охлаждения трубопроводов
5.19. Устройства для насыщения потока газовой смеси водяными парами перед подачей в камеру сгорания
5.20. Устройство для вихревой сушки природного газа или смеси газов
5.21. Устройство для производства сжиженного газа методом последовательного ступенчатого глубокого охлаждения.

Влияние новой технологии на содержание вредных и токсичных веществ в выхлопных газах.

При проведении испытаний устройства для динамического смешивания и активирования топливной смеси на базе дизельного топлива, были получены более высокие концентрации угарного газа, чем при стандартных испытаниях.

При стандартных испытаниях применялись горелки, в форсунку которых подавался сжатый воздух в количестве в два раза большем, чем подавался на экспериментальное устройство, в котором он применялся только для смешивания с дизельным топливом.

Экспериментальное устройство не имело в своём составе форсунки, и количество сжатого воздуха, которое в него подавалось, для смешивания с дизельным топливом и было в, как минимум, в два раза меньшим, чем дополнительное количество сжатого воздуха, которое подавалось на форсунку при испытаниях стандартной версии термического оборудования.

Кроме того пассивная форсунка создавала дополнительное сопротивление движению потока топливной смеси, при экспериментальном варианте.

Как показали результаты испытаний, при испытаниях стандартной версии термического оборудования концентрации окислов азота в выхлопных газах были на 25 – 45 % выше чем у экспериментального варианта, а концентрации угарного газа на тех – же 25 – 45% ниже чем у экспериментального варианта.

Исходя из изложенных условий проведения испытаний, можно объяснить возникшие явления.

Ввиду того, что в стандартном варианте топливная смесь была неоднородной, распылялась на относительно крупные частицы, размерами более 50 микрон, и в зоне формирования пламени был значительный избыток воздуха, то это послужило причиной повышения концентрации окислов азота.

В то же время избыток воздуха в зоне горения позволил снизить концентрацию угарного газа.

В экспериментальном варианте, полностью однородная топливная смесь, после впрыска в камеру сгорания проходила второй этап распыления, при котором размеры частиц дизельного топлива не превышали 2 – 3 микрон, и хотя вся экспериментальная система работала без форсунки, высокое качество топливной смеси позволило снизить концентрацию окислов азота в выхлопных газах в условиях нехватки воздуха.

При тех же условиях, ввиду нехватки воздуха, согласно правилам термодинамики, концентрация угарного газа поднялась.

Конечная концентрация угарного газа, полностью соответсвовала требованиям стандартов, но экспериментальное устройство, в случае применения встроенной вихревой форсунки, в которую будет подаваться сжатый воздух, может обеспечить дополнительное существенное снижение концентрации и количества угарного газа.

Результаты контрольных испытаний устройства для предварительного смешивания природного газа с воздухом перед подачей полученной газовой топливной смеси в камеру сгорания.

На испытания представлен опытный образец устройства для вихревого смешивания природного газа и воздуха.

Предварительный технологический вариант смешивания, - смешивание полного количества воздуха (пропорция 17.2 к 1) с природным газом в потоке и подача смеси на горелку, смонтированную на камере сгорания.

Все присоединительные размеры опытного образца выполнены по рекомендациям и в соответствии с требованиями компании, проводящей контрольные испытания.

Протокол испытаний был предварительно согласован.

В качестве базы для сравнения результатов испытаний предприятие, проводящее испытания предложило серийно выпускаемую горелку; серийная горелка снабжена проверенной форсункой в которую подаётся воздух, для обеспечения оптимального режима горения природного газа; без подачи такого воздуха и без форсунки серийная горелка работать не может.

По согласованному протоколу перед монтажом опытного образца на серийном оборудовании силами специалистов предприятия, проводящего испытания был проведён полный цикл испытаний серийной горелки, которые в таблицах с результатами испытаний именуются стандартными.

Максимальная производительность стандартной горелки соответствует расходу природного газа в 1000 кубических футов в час. Всё необходимое количество воздуха для оптимального горения входит в количество воздуха, подаваемое в систему без давления от вентилятора, что составляет на каждый килограмм природного газа при нормальном давлении 17.2 килограмма воздуха. (Результаты испытаний стандартной системы от 2 февраля 2009 года прилагаются).

Опытный образец подключен к системе без форсунки и использовал только 6 кубических футов воздуха в минуту, которые подавались в канал, формирующий вихревую трубу, при давлении 6.8 атмосферы; с учётом давления это составляет в час 2482 кубических фута.

Для оптимального горения 1000 кубических футов природного газа в час при объёмном соотношении 9.7 к 1 для горения необходимо 9700 кубических футов воздуха;
Таким образом опытный образец получал при горении 9700: 2482 = 3.9 (в 3.9 раза меньше воздуха, чем необходимо для оптимального горения).

Исходя из этого, общее количество воздуха, подаваемое на стандартную и опытную систему должно считаться эквивалентным.

Подключение опытного образца осуществлено на основе стандартных элементов трубопроводов, без применения оригинальных деталей.

Опытный образец не требует для подключения какой либо регулировки или подгонки;
Опытный образец испытан при использовании обычной трубы равного диаметра с выводом из опытного образца, которая прикреплена к этому выводу.

При работе опытного образца, зафиксирован эффект охлаждения его корпуса, при высокой температуре элементов конструкции горелки.

При рассмотрении пламени, выходящем из трубы присоединённой к выходу опытного образца, просматривается структура вихревой трубы в пламени, как продолжение вихревой трубы, образованной вихревыми генераторами опытного образца.

При повышении расхода воздуха, который подаётся на вход опытного образца до необходимых 9700 кубических футов в час и при повышении давления воздуха до 10 - 12 атмосфер, исходя из технической характеристики опытного образца, можно получить следующие дополнительные преимущества и результаты:

• получить конденсацию воды содержащейся в воздухе и равномерное и однородное распределение водяных паров в смеси природного газа с воздухом;
• благодаря наличию водяных паров в смеси поднять температуру пламени на 15 – 18 %;
• благодаря повышению температуры пламени поднять уровень термической эффективности дополнительно на 10 – 15 %;
• благодаря наличию водяных паров в смеси и благодаря наиболее оптимальному сочетанию в смеси между природным газом и воздухом снизить концентрацию токсичных и ядовитых веществ (оксидов азота) в выхлопных газах на 35 – 50 %;
• - благодаря наличию водяных паров в смеси и благодаря наиболее оптимальному сочетанию в смеси между природным газом и воздухом снизить концентрацию токсичных и ядовитых веществ (оксидов углерода) в выхлопных газах на 35 – 50 %.

Свойства газообразного топливного композита в составе 100% от расхода природного газа и 40% от оптимального расхода воздуха (stoichiometric air ratio 1: 9.7):
Плотность 1.29 kg/cubic meter
Давление в потоке – 1.51 бар
Количество вихревых спиралей на 200 миллиметров потока -60
Шаг между витками спирали – 3.3 миллиметра
Линейная скорость движения потока композита до зажигания 29.296 метра в секунду
Линейная скорость движения композита в 5 раз выше чем у потока природного газа
Время цикла горения в 4 раза меньше чем у природного газа
Количество пульсов при полном цикле горения 3637
Геометрическая форма факела пламени – сферическая

Пламя факела стабильное, спектр излучения однородный
Тип горения –объёмное.

Вступает в первичную фазу горения при зажигании (вспышка) 40% от объёма композита.

Время нахождения природного газа в зоне факела пламени в 5 раз больше чем у природного газа.

Условное давление природного газа в потоке композита равно давлению в потоке композита и больше чем давление в потоке природного газа в обычных условиях как минимум в 10 раз.

Температура композита перед зажиганием ниже чем температура природного газа в обычных условиях как минимум на 25%.

Все признаки и свойства перечисленные выше показывают, что газообразный топливный композит при горении соответствует Humphrey cycle и имеет объёмный вид горения, при высокой стабильности и постоянном объёме факела пламени.

При равных условиях горения концентрация кислорода в выхлопных газах у газообразного топливного композита на 11.4% ниже.

Повышенное давление природного газа в потоке композита, пониженная концентрация кислорода в выхлопных газах, объём сферического фрагмента факела пламени при горении топливного газообразного композита по отношению к полному объёму пламени при горении природного газа в 95.184% показывают, что однородная температура горения в сферическом фрагменте факела пламени (соответствующем Humphrey cycle) выше чем средняя температура в обычном (соответствующем Brayton cycle) факеле пламени на как минимум 15 – 17%.

Полнота сгорания природного газа.

Разница между количеством воздуха, который подаётся в горелку, - между серийной горелкой и той же горелкой с устройством для вихревого смешивания природного газа с воздухом.

Как результат испытаний на серийную горелку подаётся на 2.06% меньше воздуха, чем на ту же горелку с устройством для вихревого смешивания природного газа с воздухом.

Как результат испытаний разница в количестве кислорода в выхлопных газах между серийной горелкой и той же горелкой с устройством для вихревого смешивания природного газа с воздухом составляет 9.375%.

Таким образом результаты испытаний показывают, что при равном расходе природного газа:
Серийная горелка с Устройством для вихревого смешивания природного газа с воздухом получила на 2.06% больше воздуха чем просто серийная горелка, но при этом концентрация кислорода в выхлопных газах у серийной горелки больше на 9.375% чем у той же горелки с устройством для вихревого смешивания природного газа с воздухом

Это говорит о том, что на этом этапе испытаний, полнота сгорания природного газа у серийной горелки с устройством для вихревого смешивания природного газа с воздухом выше чем у просто серийной горелки на 9.375%

Ввиду того, что количество воздуха, которое подавалось на серийную горелку с устройством для вихревого смешивания природного газа с воздухом на 2.06% больше, чем на просто серийную горелку, полнота сгорания топлива – природного газа, у серийной горелки с устройством для вихревого смешивания природного газа с воздухом больше на 9.375% + 2.06% = 11.435%

Ввиду того, что факел пламени при использовании в горелке устройства для вихревого смешивания природного газа с воздухом, короче в 3-4 раза, то более высокая температура пламени проявляется на контрольной точке Т1
775-760 = 15
15: 760 = 0.01973 = 1.973%

На 1.973% температура выше у серийной горелки с устройством устройством для вихревого смешивания природного газа с воздухом.

При соотношении избыточного воздуха у горелки с устройством для вихревого смешивания природного газа с воздухом и просто серийной горелки как 14.1 к 12.7 у серийной горелки температура пламени должна была быть выше на 1.1102%, а результаты испытаний показывают, что реальная температура пламени выше у серийной горелки с устройством для вихревого смешивания природного газа с воздухом:
1.973% + 1.1102% = 3.083%.

Температура выхлопных газов у серийной горелки 514 градусов, а у серийной горелки с устройством для вихревого смешивания природного газа с воздухом 509 градусов, что компенсирует разницу в количестве выхлопных газов.

Если принять во внимание тот факт, что теплотворная способность природного газа в среднем составляет 8850 килокаллорий на 1 кубический метр, то потери тепла за счёт неполного сгорания у серийной горелки по сравнению с такой же серийной горелкой с устройством для вихревого смешивания природного газа с воздухом составляют 11.435%
8850 0.11435 = 1011.9 килокаллорий
21225 литров или 21.225 кубических метров природного газа (750) дают потерю в 21477.5 килокаллорий для серийной горелки

Вся энергия от 21.225 кубических метров природного газа составляет:
21.225 8850 = 187841 килокаллорий
187841 – 21.477.5 = 166363.75 килокаллорий

Если принять концентрацию кислорода в выхлопных газах, полученную на серийной горелке с устройством для вихревого смешивания природного газа с воздухом за индикатор потерь тепла, то:
100 – 2.9 = 97.1 %
187841 0.971 = 182393.611 килокаллорий
182393.611 – 166363.75 = 16029.8: 182393.611 = 0.08789 = 8.78%

Серийная горелка с устройством для вихревого смешивания природного газа с воздухом извлекает из природного газа при наличии избыточного воздуха в 14.1% на 8.78% больше энергии чем просто серийная горелка при наличии 12.7% избыточного воздуха.

Теперь рассмотрим, как наличие газа, при отсутствии нефти, может компенсировать проблемы в энергетическом балансе.

Для начала проведём сравнительный анализ.

Преимущества газа перед бензином:
• октановое число газа (пропан-бутана, метана) - 105-112, но сгорает он более мягко, что приводит к меньшей нагрузке на поршни двигателя
• увеличение межремонтного периода работы двигателя в 1,5 раза
• увеличение срока службы моторного масла в 1,5 - 2 раза
• снижение уровня шума работы двигателя на 3-8 дБ (минимум в два раза)
• увеличение срока службы свечей зажигания на 40%
• снижение токсичности выхлопных газов: СО - в 2-3 раза, N0 - в 1,2 раза, СН - в 1,3-1,9 раза.

Основные аргументы "За" и "Против".

Среди многих автолюбителей и даже работников автосервиса бытует заблуждение, что газовая система питания небезопасна, может повредить двигатель, снизить его мощность, моторесурс и увеличить расход топлива. Подобные страхи не имеют под собой никакого основания, но переубедить такого человека бывает просто невозможно. Дело в том, что времена первых проб и низкокачественного оборудования давно прошли и на данный момент технология хорошо отработана. Но, тем не менее, если Вы это читаете, то не все еще потеряно.

Опыт эксплуатации газобаллонных автомобилей показывает, что эти автомобили в аварийных ситуациях менее пожаро- и взрывоопасны, чем оснащенные бензиновыми двигателями. Газ или бензин в смеси с воздухом может загореться только при высокой концентрации в определенном объеме. Из-за специальных добавок в случае утечки газа не почувствовать его запах может разве что мертвый. Утечку бензина можно и не заметить. При аварии и повреждении газовых трубопроводов мультиклапан моментально прекратит подачу газа, а разрушить газовый баллон очень сложно. Таким образом, вытекающий после аварии бензин представляет гораздо более серьезную опасность.

Для хранения автомобиля с газом в закрытом помещении на каждом трубопроводе, выходящем из баллона, предусмотрено не менее трех независимых друг от друга запорных устройств. На заправочном трубопроводе: вентиль на блоке арматуры, обратный клапан блока арматуры, заглушка заправочного устройства. На трубопроводе, питающем двигатель: вентиль блока арматуры, скоростной клапан, электромагнитный газовый клапан с фильтром и разгрузочное устройство редуктора.

Перевод автомобиля на газ не требует серьезной переделки двигателя. Двигатель, работающий на газе, требует минимальной регулировки. Улучшается работа системы зажигания, срок службы свечей возрастает на 40%. При работе двигателя на газе происходит более полное сгорание газовоздушной смеси, чем при работе на бензине. Как следствие, улучшаются условия смазки трущейся пары цилиндр - поршневые кольца, поскольку несгоревший бензин смывает масло со стенок цилиндров. Уменьшается нагарообразование в камере сгорания головки блока цилиндров и на поршнях, поскольку сокращается количество углеродистых осадков. Заметно снижается суммарная токсичность отработавших газов. При правильно выбранном режиме работы на газовом топливе уровень создаваемого двигателем шума снижается на 3-8 дБ, да и сам двигатель начинает работать мягче.

Газ - высококачественное топливо с октановым числом около 105. Поэтому ни на одном режиме работы двигателя не возникает детонация.

Применение газа заметно снижает по сравнению с бензином суммарную токсичность отработавших газов. Более чем втрое уменьшается количество токсичной окиси углерода СО (угарный газ), в 1,6 раза - содержание канцерогенных углеводородов СН, состоящих из частиц несгоревшего топлива. Концентрация окиси азота NO и двуокиси NO2, образующихся в процессе горения смеси кислорода и азота (безвредный азот, попадая в камеру сгорания из атмосферы, превращается в ядовитое соединение - оксиды азота), при работе двигателя на газе снижается в 1,2 раза.

Наряду с перечисленными достоинствами газобаллонного автомобиля следует отметить и ряд присущих ему недостатков, а именно: невозможность запуска двигателя в холодное время года на газу; снижение мощности двигателя на 7%; увеличение металлоемкости автомобиля на 25-30 кг, баллон в багажнике занимает место, есть тороидальные баллоны, устанавливаемые в нишу запаски, но они дороже.

На давление газа в баллоне оказывает влияние температура окружающей среды. Поэтому надо следить, чтобы машина не перегревалась. При полном заполнении баллона (паровая подушка отсутствует) даже незначительное повышение температуры может привести к резкому увеличению давления. Автомобильная арматура имеет специальное устройство, автоматически перекрывающее заправочный канал при достижении заполнения полезного объема баллона на 80%. При достижении указанного объема дальнейшая заправка баллона прекращается.

Расход газа

Учитывая физические свойства газа, ввиду различной теплотворной способности, расход пропан-бутановой смеси должен быть больше расхода бензина. Теоретически расход газа можно определить сравнив энергию единицы объема для разных видов топлива:
• Пропан - 6100 ккал/л;
• Бутан - 6834 ккал/л;
• Бензин - 7718 ккал/л;
• Пропан-бутановая смесь (50%х50%) - 6470 ккал/л;
• Пропан-бутановая смесь (90%х10%) - 6175 ккал/л.
• Таким образом, одному литру бензина соответствует 1.19л пропан-бутановой летней смеси или 1,25л пропан-бутановой зимней смеси.

На данный момент существует достаточно большое количество производителей газового оборудования. Ограничений по объему двигателя нет, одинаково хорошо ставится и работает газовое оборудование как на двигателях объемом 1.6L, так и на 2.8L и выше. Серьезной проблемой может стать отсутствие свободного места в багажнике в случае установки стандартного баллона большого объема. Решением проблемы может стать установка тороидального баллона в нишу для "запаски". Такой баллон объемом 48-50 литров по размеру соответствует колесу 195/65R15, но стоит больше, чем обычный. Не следует забывать, что полезный объем на 15-20% меньше реального.

На практике при правильной установке и регулировке расход газа может либо соответствовать расходу бензина, либо превышать расход бензина на 10-20%, в зависимости от условий (зима, активное вождение и т.д.), типа двигателя и газового оборудования.

АВТОМОБИЛЬ, РАБОТАЮЩИЙ НА СЖАТОМ ПРИРОДНОМ ГАЗЕ

На сегодняшний день большинство автомобилей используют в качестве топлива продукт переработки нефти - бензин; если увеличение количества автомобилей будет идти нынешними темпами, то разведанных запасов нефти хватит примерно на 40 лет (данные фирмы British Petroleum). Перевод автотранспорта на альтернативные виды топлива может стать одним из решений этих сложных задач. Среди многих альтернатив бензину природный газ сегодня является наиболее приемлемым по экономическим, экологическим и ресурсным характеристикам.

Среди основных факторов, позволяющих говорить о природном газе как о полноценной замене бензина, можно назвать следующие:
• более высокая ценовая стабильность и экономическая привлекательность для конечных потребителей;
• более высокие потребительские свойства при использовании в качестве энергоносителя или сырья;
• необходимость замещения нефти другими видами сырья для ее высвобождения в интересах тех отраслей хозяйства, где она не может быть заменена;
• более высокая степень экологической безопасности при добыче, транспортировке, переработке, реализации и использовании;
• доказанные мировые запасы природного газа существенно превышают запасы нефти.

Во всем мире на газе работает свыше 3,2 млн. транспортных средств. В Европе сегодня происходит настоящий газовый бум. Европейская Комиссия планирует до 2010г. заменить природным газом до 10% потребления бензина, что соответствует переоборудованию на газ 23 млн. автомобилей. Заводской выпуск автомобилей, работающих на природном газе, освоили практически все ведущие мировые автомобильные фирмы.

Преимущества сжатого газа против сжиженного.

Сжиженный нефтяной газ (СНГ) тяжелее воздуха в 1,5-2 раза и при утечке может скапливаться в помещениях, образуя с воздухом взрывоопасную смесь. Сжатый природный газ (СПГ) легче воздуха в 1,6 раза и при утечках моментально улетучивается, не создавая взрывоопасной смеси. Нижний предел воспламенения СПГ - 5%, в то время как у сжиженного газа он составляет: у пропана - 2,4%, у бутана - 1,8%.Таким образом, СПГ менее взрывоопасен. Чтобы случился взрыв, его должно накопиться в 2,5 раза больше, чем СНГ.

Приняты соответствующие меры безопасности на случай пожара. Предусмотрена новая конструкция баллонов, в которых хранится СПГ. Эти баллоны более прочные. Они не взрываются, поскольку содержат разрывную предохранительную мембрану (по температуре). При работе на СПГ не нужно сливать периодически из редуктора маслянистый конденсат, имеющий крайне неприятный запах. Конденсат здесь просто не образуется. В выбросах отработавших газов доля СО ниже, чем в выбросах СНГ, а содержание СН и того меньше - на 25%. Большую часть выбросов составляют безвредные водяные пары.

Что еще можно считать безусловным плюсом сжатого газа - это то, что его нельзя сделать суррогатным, подделать и предложить в таком виде покупателю. В то время как на многих заправках бензин или солярка являются смесью неизвестно чего.

Ко всему прочему, газ не смывает масло с деталей цилиндропоршневой группы, позволяя экономить до 40% масла по сравнению с бензином. Газ уменьшает ударные нагрузки на двигатель и дает возможность хорошо отрегулированному мотору служить в полтора раза дольше. Эффективность кубометра природного газа эквивалентна литру бензина, в то время как его стоимость не превышает 50% от стоимости бензина. Все это существенно снижает эксплуатационные затраты.

Переоборудовав свой автомобиль для работы на газе, водителю не следует опасаться, что цены на топливо неожиданно возрастут и ударят по его бюджету в самый неподходящий момент. Цены на природный газ устанавливает правительство, и поэтому они не подвержены сезонным колебаниям, как цены на бензин.

В общем, есть немало оснований сегодня называть газ идеальным топливом. Все это привело к тому, что парк газобалонных автомобилей (ГБА) во всем мире весьма быстро растет и сегодня достиг 3,1 миллиона. К примеру, в Европе за последние годы число таких автомобилей увеличилось на треть, а количество газовых заправок росло еще быстрее - за то же время оно удвоилось.

Следует учесть еще одно очень важное для Украины обстоятельство - вполне возможно представить ситуацию, при которой мы сможем остаться без нефти из-за торговой блокады. Но без газа мы не останемся при любых политических раскладах - природный газ через Украину транспортируется в Европу из России, Казахстана, Туркмении, и от его транзита через Украину никто отказываться не будет.

Кроме того, заправленный сжатым газом автомобиль освобождает его водителя от излишне пристрастного экологического контроля со стороны представителей ГАИ и от связанной с этой процедурой потери времени, денег и нервов.

А теперь попробуем вернуться к анализу гремучих смесей.

Наиболее изученным в этом плане является рудничный газ.

Химическим составом Р. газа вполне определяются и его физические и химические свойства - это газ бесцветный, легче воздуха трудно сгущаемый в жидкость и малорастворимый в воде. Он не ядовит; если значительная примесь его к воздуху и вызывает удушье, то это зависит лишь от малого процентного содержания кислорода в такой смеси. Газ некоторых рудников обладает легким эфирным запахом, зависящим, вероятно, от ничтожных посторонних примесей (см. выше). Этот запах дает возможность узнать о присутствии газа в руднике. Обыкновенно же Р. газ запаха не имеет (подробнее о физических и химических свойствах см. Болотный газ). Из химических свойств необходимо несколько подробнее рассмотреть реакцию горения, как имеющую непосредственное отношение к взрывам Р. газа и к способам количественного определения его в рудничном воздухе. Реакция полного горения чистого метана выражается следующим уравнением: CH4+2O2 =СО 2 +2Н 2 О, откуда видно, что один объем его требует для полного сгорания двух объемов кислорода или 9,5 объемов воздуха. Смесь метана с воздухом в означенной пропорции (9,5% метана + 90,5% воздуха) наиболее взрывчата; температура горения ее при постоянном объеме равняется 2150°, а при постоянном давлении 1850°; количество тепла, выделяемое при полном сгорании одной грамм-молекулы (16 гр.) метана = 188 больших калорий. Зависимость между давлением, испытываемым стенками закрытого сосуда при взрыве, и количественным составом смеси, определяется по опытам Малляра и Ле-Шателье.

Температура воспламенения и пределы воспламеняемости. По опытам тех же ученых, медленное горение (без пламени) гремучей смеси становится заметным при 450°, воспламенение же ее происходит при 650°, причем между моментом, когда газ примет эту температуру, и моментом взрыва протекает довольно значительный промежуток времени, а именно около 10 сек. (при 650°). С возвышением температуры этот промежуток убывает и при 1000° не превосходит 1 сек. Такое отношение к нагреванию представляет характерную особенность метана, так как другие гремучие смеси, как, например, смеси воздуха с водородом или окисью углерода, взрывают тотчас же по достижении температуры вспышки. Таким образом, воспламенение гремучего Р. воздуха требует не только известной температуры, но и известной продолжительности нагревания, и эти две величины находятся друг к другу в обратном отношении. Воспламенение гремучей смеси в какой-либо одной ее точке передается само собой соседним частям и всей смеси лишь в тех случаях, когда состав ее не выходит из некоторых определенных пределов; последние зависят от температуры, расширяясь с ее возрастанием. При обыкновенных условиях собственно взрывчатыми являются смеси, содержащие по объему от 6% до 16% Р. газа. Выше 650° воспламеняются смеси любого состава. Распространение пламени. Скорость распространения пламени в среде гремучей смеси зависит от многих условий: от процентного состава смеси, ее температуры, качества индифферентного газа, соседства холодного твердого тела и т. д. и в весьма значительной степени от того, находится ли смесь в покое или в движении. Для спокойного состояния опытом найдены следующие скорости для смесей различного процентного состава:

Содержание CH4 в 100 объемах смеси Скорость, в метрах в секунду
6 0,04
8 0,22
10 0,42
12 0,60
14 0,37
16 0,08

Максимум скорости = 0,6 м и, как видно из таблицы, он отвечает смеси, содержащей некоторый избыток СН 4 (12%) против количества его, требуемого уравнением полного горения (9,5%). Движение массы газа может чрезвычайно увеличить скорость распространения пламени, и именно это обстоятельство делает опасными взрывы газа в рудниках. Точных опытов, показывающих на сколько может возрасти эта скорость, нет. В трубке 3 стм в диаметре и 2 м длиной можно получить скорости, превосходящие 20 м в секунду. Вместо смеси метана с воздухом, горящей слабосветящимся пламенем, для исследования скоростей распространения последнего бралась смесь паров сероуглерода с окисью азота, сильно светящееся и богатое актиничными лучами пламя которой могло быть удобно применено для автоматической записи (см. Газовые взрывы). Таким путем было найдено, что скорость движения пламени в трубке быстро возрастает со временем, по мере того, как возрастают и колебательные движения, вызываемые в газовой среде ее воспламенением. Особенно сильно это увеличение скорости при зажигании горючей смеси с закрытого конца трубки: скорость, равная вначале 1? метра в секунду, достигала в момент выхода пламени из другого (открытого) конца трубки 400 м в секунду. Влияние холодного твердого тела (например, стенок трубки) сказывается тем, что на некотором расстоянии от его поверхности пламя потухает. Для смесей, близких к предельным, это расстояние достигает до 1 мм. Охлаждающее влияние стенок трубки уже на расстоянии около 2 стм становится не ощутимым, так что распространение пламени в трубках диаметром 5 стм уже не отличается от распространения его в неограниченной среде. В узких трубках пламя распространяется лишь на известную длину от отверстия и затем тухнет. В очень узкие трубки пламя совсем не проникает, что зависит от того, что пламя остается на известном расстоянии от поверхности твердого тела и вершина маленького конуса пламени, образующегося перед отверстием в стенке, может и не достигнуть поверхности этой последней. Это явление и послужило Деви основой для изобретения его предохранительной лампы с металлической сеткой. Сетки можно рассматривать как ряд узких и очень коротких трубок и действие их потому аналогично с действием этих последних. Число отверстий в сетках различных предохранительных ламп колеблется от 120 до 210 на кв. стм, с диаметром около 0,5 мм; но особенного внимания заслуживает тщательность изготовления сетки. Роль сетки заключается в охлаждении продуктов горения горящей внутри лампы взрывчатой смеси, и ее предохранительная способность зависит: 1) от количества тепла, которое она может поглотить в единицу времени и рассеять через лучеиспускание, и 2) от количества тепла, развиваемого в единицу времени горением гремучей смеси. Отсюда ясно, что возвышение температуры сетки и все обстоятельства, увеличивающие скорость распространения пламени, должны ослаблять ее предохраняющее влияние.

Появляется естественный в таких ситуациях вопрос, а можно ли приручить гремучую смесь и эффективно её использовать?

Об этом в следующей публикации на эту тему.