UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Zasnova sistema za pripravo visoko viskoznih goriv za uporabo v motorjih z notranjim zgorevanjem
Jean Josef Strouken
Ljubljana, september 2021
Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje
Strojništvo – Razvojno raziskovalni program
UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo
Zasnova sistema za predpripravo visoko viskoznih goriv za uporabo v motorjih z notranjim
zgorevanjem
Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo – Razvojno raziskovalni program
Jean Josef Strouken
Mentor: doc. dr. Tine Seljak, univ. dipl. inž.
Ljubljana, september 2021
Zahvala
Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Tinetu Seljaku, ki me je usmerjal in mi pomagal pri zastavljanju ciljev, ter Fakulteti za strojništvo za finančno podporo. Zahvaljujem se tudi Urbanu Baškoviču in Žigu Roscu za pomoč pri analizi problema. To zaključno delo je bila izkušnja, za katero bom celo življenje ostal hvaležen.
Izvleček
UDK 662.7:532.13:621.43(043.2) Tek. štev.: UN I/1503
Zasnova sistema za predpripravo visoko viskoznih goriv za uporabo v motorjih z notranjim zgorevanjem
Jean Josef Strouken
Ključne besede: sistem gorivo viskoznost WPO toplotni tok
motor z notranjim zgorevanjem
Kot posledica cilja nižanja ogljičnega odstisa in cilja zmanjšanja obsega nerecikilabilnih odpadnih snovnih tokov, se v energetske namene intenzivno razvijajo goriva, ki za primarno surovino uporabljajo različne vrste odpadkov. Tak tip goriv pogosto izkazuje kemijsko-fizikalne lastnosti, ki ne omogočajo neposredne rabe v sistemih z notranjim zgorevanjem, omejitveni parameter je v veliko primerih viskoznost, ki mora biti dovolj nizka, da omogoča ustrezen proces razprševanja goriva. V nalogi je predstavljena zasnova sistema za dovajanje visoko vizkoznih goriv v batni motor z notranjim zgorevanjem ter zgorevalne naprave s kontinuiranim zgorevanjem za potrebe analiz zgorevanja. Sistem omogoča predgretje in obratovanje preizkuševališča s konvencionalnim gorivom, menjavo goriva med delovanjem ter ogrevanje alternativnega goriva, omogoča pa tudi odtok testnega goriva po opravljenih meritvah. V nalogi so izračunani potrebni toplotni tokovi za ogrevanje ter zaščito sistema pred pregravanjem, zasnovana je topologija z vsemi potrebnimi merilnimi elementi (masni tok goriva, temperature na karakterističnih mestih).
Izračun potrebne moči grelnih elementov upošteva termično inercijo sistema in podaja ustrezne parametre krmilnega sistema, ki temelji na pulzni modulaciji za uravnavanje moči grelnih elementov. Sistem je zasnovan in pripravljen za izvajanje eksperimentalne analize.
Abstract
UDC 662.7:532.13:621.43(043.2) No.: UN I/1503
A design of a pre-treatment system for high viscosity fuels being used in internal combustion engines
Jean Josef Strouken
Key words: system fuel viscosity WPO heat flow
internal combustion engine
As a result of the goal of reducing carbon footprint and the goal of reducing the volume of non-recyclable waste streams, fuels that use different types of waste as a primary raw material are being intensively developed for energy purposes. This type of fuel often exhibits chemical-physical properties that do not allow direct use in internal combustion systems, the limiting parameter is in many cases the viscosity, which must be low enough to allow proper atomization of fuel. The thesis presents the design of a system for supplying highly viscous fuels in an internal combustion engine and continuous combustion devices for the needs of combustion analyses. The system enables preheating and operation of the test facility with conventional fuel, change of fuel during operation and heating of alternative fuel, and also enables the outflow of test fuel after the performed measurements. The task calculates the necessary heat flows for heating and protection of the system against overheating, the topology is designed with all the necessary measuring elements (fuel mass flow, temperatures at characteristic places). The calculation of the required power of the heating elements takes into account the thermal inertia of the system and gives the appropriate parameters of the control system based on pulse width modulation to regulate the power of the heating elements. The system is designed and ready to perform experimental analysis.
Kazalo
Kazalo slik ... xii
Kazalo preglednic ... xiii
Seznam uporabljenih simbolov ... xiv
Seznam uporabljenih okrajšav ... xvi
1 Uvod ... 1
1.1 Ozadje problema ... 1
1.2 Cilji ... 2
1.3 Struktura diplomskega dela ... 2
2 Teoretične osnove in pregled literature ... 3
2.1 Batni motor z notranjim zgorevanjem ... 3
Zgorevalni procesi ... 5
Struktura curka in injiciranje goriva ... 6
2.2 Sistemi s kontinuiranim zgorevanjem ... 7
2.3 Goriva in njihove lastnosti ... 7
Lastnosti goriv ... 8
WPO ... 9
2.3.2.1 Zaključki nekaterih raziskav testiranja WPO ... 11
Ostala goriva, primerna za zasnovani sistem ... 12
3 Metodologija raziskave ... 13
3.1 Osnovne zahteve sistema ... 13
3.2 Računsko ozadje preračuna masnega toka goriva, toplotnih izgub in toplote za ogrevanje sistema ... 17
Masni tok goriva ... 17
Toplotne izgube ... 17
Potrebna toplota za ogrevanje sistema ... 18
DC in minimalna nosilna frekvenca ... 19
4 Rezultati in diskusija ... 20
4.1 Funkcionalnosti sistema ... 20
Uporaba sistema na eksperimentalnem dizelskem motorju ... 20
Uporaba sistema na kontinuiranih gorilnikih brez povratka ... 22
4.2 Omejitve pri zasnovi sistema ... 24
4.3 Zasnova sistema ... 24
4.4 Teoretični izračun toplotnih izgub in toplotnih tokov ... 25
Izračun masnih tokov goriva pri različnih obratovalnih točkah motorja ... 25
Izračun toplotnih izgub na dovodni cevi ... 27
Izračun toplotnega toka za ogrevanje dovodne cevi ... 30
4.4.3.1 Izračun toplotnega toka za ogrevanje dovodne cevi pri procesu RCCI ... 32
Izračun toplotnih izgub grelnika med kontinuiranim delovanjem ... 33
Toplotni tok za ogrevanje grelnika med kontinuirnim obratovanjem ... 35
4.4.5.1 Toplotni tok za ogrevanje grelnika pri procesu RCCI ... 36
4.5 Hladilni sistem ... 36
4.6 Krmiljenje grelnih elementov ... 38
Krmiljenje grelne žice ... 38
Krmiljenje grelnika ... 46
5 Zaključki ... 48
Literatura ... 50
Kazalo slik
Slika 2.1: Pozicije bata v 4-taktnem motorju. Prilagojeno po viru [1] ... 4
Slika 2.2: Struktura curka pri neposrednem vbrizgu. Prilagojeno po viru [2] ... 6
Slika 2.3: WPO pred segrevanjem in po segrevanju ... 10
Slika 2.4: Gostota a), kalorična vrednost b), kinematična viskoznost c) in cetansko število d) WPO ... 11
Slika 3.1: Teoretična zasnova tokokroga goriva ... 14
Slika 3.2: Motor (1), povezan s povezovalno gredjo (2) in zavoro (3) ... 16
Slika 4.1: Shema sistema za eksperimentalni dizelski motor ... 21
Slika 4.2: Shema sistema za uporabo na gorilniku brez povratka ... 23
Slika 4.3: Slika zasnovanega sistema z označenimi ventili, dovodi in odvodi ... 25
Slika 4.4: Reynoldsovo število pri različnih gorivih in masnih tokovih ... 29
Slika 4.5: Toplotne izgube na dovodni cevi pri različnih temperaturnih spremembah ... 30
Slika 4.6: Toplotni tok, potreben na dovodni cevi, ob uporabi različnih goriv pri ∆T 25 K. ... 31
Slika 4.7: Potrebni toplotni tokovi za ogrevanje dovodne cevi pri različnih ∆T ... 32
Slika 4.8: Potrebni toplotni tokovi na dovodni cevi pri različnih ∆T ... 33
Slika 4.9: Toplotne izgube grelnika pri različnih ∆T ... 34
Slika 4.10: Toplotni tok v grelniku pri različnih ∆T ... 35
Slika 4.11: Toplotni tokovi v grelniku ob različnih ∆T pri procesu RCCI ... 36
Slika 4.12: Dolžine bakrene cevi in hladilne moči goriv pri 100-odstotni obremenitvi ... 38
Slika 4.13: Prečni in vzdolžni prerez dovodne cevi ... 39
Slika 4.14: Temperaturni profili dizelskega goriva pri 100-odstotni obremenitvi ... 41
Slika 4.15: Temperaturni profili parafinskega voska pri 100-odstotni obremenitvi ... 42
Slika 4.16: Temperaturni profil glicerola pri 100-odstotni obremenitvi ... 42
Slika 4.17: Prikaz programa LabVIEW ... 45
Slika 4.18: Shema električnih povezav krmilnika PID ... 46
Slika 4.19: Grelnik s termočleni in krmilnikom PID ... 47
Kazalo preglednic
Preglednica 2.1: Karakteristike dizla [10] ... 9
Preglednica 2.2: Merjene lastnosti dizla in WPO ... 9
Preglednica 2.3: Karakteristike WPO in dizla [4, 6, 11, 30, 31, 32] ... 10
Preglednica 3.1: Karakteristike merilnika masnega pretoka ... 15
Preglednica 4.1: Pozicije ventilov v posameznih fazah za eksperimentalni dizelski motor ... 22
Preglednica 4.2: Pozicije ventilov v posameznih fazah delovanja za gorilnik brez povratka ... 23
Preglednica 4.3: Vrednosti masnih pretokov pri konvencionalnem kompresijskem vžigu ... 26
Preglednica 4.4: Masni toki pri procesu RCCI... 27
Preglednica 4.5: Specifične toplote goriv s podobno sestavo ... 30
Preglednica 4.6: Odstopanje temperature dizla od temperature cevi ... 41
Preglednica 4.7: Vrednosti DC in min. nosilne frekvence pri 100-odstotni obremenitvi ... 44
Preglednica 4.8: Vrednosti DC in min nosilne frekvence pri 50-odstotni obremenitvi ... 44
Preglednica 4.9: Vrednosti DC in min. nosilne frekvence pri 10-odstotni obremenitvi ... 45
Seznam uporabljenih simbolov
Oznaka Enota Pomen
A m2 površina
cp J kg-1K-1 specifična toplota
d m premer
f Hz frekvenca
Hi J kg-1 spodnja kurilna vrednost
I A električni tok
L m dolžina
m kg masa
P W moč
Pr / Prandtlovo število
Q J toplota
R Ω električna upornost materiala
R K W-1 termična upornost materiala
r m polmer
Re / Reynoldsovo število
t s čas
T K temperatura
U V napetost
v m s-1 hitrost
V m3 prostornina
α W m-2K-1 koeficient toplotne prestopnosti
ηef / efektivni izkoristek motorja
⋋ W m-1K-1 koeficient toplotne prevodnosti
ν mm2 s-1 kinematična viskoznost
ρ kg m-3 gostota
Indeksi
b baker
cev dovodna
cev
dov dovedeni
DZ dizel
f fluid
go gorivo
gu guma
H hlajenje
izg izgube
j jeklo
max maksimalno
min minimalno
n notranji
OD odsek
p polietilen
v voda
z zrak
zd zadrževanje
Seznam uporabljenih okrajšav
Okrajšava Pomen
ACAE Evropsko združenje proizvajalcev avtomobilov (angl. European Automobile Manufacturers Association)
C16H34 cetan, n-heksadekan
DEE dietil eter (angl. Diethyl ether)
DC (angl. Duty cycle)
EGR recirkulacija izpušnih plinov (angl. Exhaust gas recirculation) HDPE polietilen z visoko gostoto (angl. High density polyethylene)
HMN hepta-metil-nonan
LDPE polietilen z nizko gostoto (angl. Low density polyethylene)
NO dušikov oksid
PP polipropilen
RCCI kompresijski vžig delovne zmesi, nadzorovan z njeno reaktivnostjo (angl. Reactivity Controlled Compression Ignition)
TDF gorivo, pridobljeno iz pnevmatik (angl. Tire derived fuel)
UWCO nadgrajeno odpadno jedilno olje (angl. Upgraded waste cooking oil)
VLSFO kurilno olje z zelo majhnim odstotkom žvepla (angl. Very low sulphur fuel oil)
WCO odpadno jedilno olje (angl. Waste cooking oil)
WPO pirolizno olje odpadne plastike (angl. Waste plastic pyrolysis oil)
1 Uvod
1.1 Ozadje problema
Dandanes poznamo veliko število različnih virov energije in velika večina temelji na fosilnih gorivih. V prihodnosti stremimo k oskrbi z energijo, ki ni odvisna od fosilnih goriv. Defosilizacija je nujna, saj so zaloge neobnovljivih goriv omejene in pri njihovem zgorevanju nastanejo toplogredni plini, ki segrevajo ozračje. Pojavi se tudi problem enormne količine odpadnih snovi, ki se zaradi konstantnega naraščanja svetovne populacije vsako leto poveča. Kot odgovor na naraščajoče povpraševanje po energiji in okoljskem onesnaženju raziskovalci stremijo k uporabi obnovljivih virov energije in različnih krožnih procesov rabe odpadnih materialov.
Poleg obnovljivih virov energije se kot ene izmed pomembnih alternativ pojavljajo tudi napredne tehnologije za recikliranje in pretvorbo odpadnih snovi v energente.
Nereciklabilni odpadki, kot so nizkokakovostna odpadna plastika, guma in odpadna olja, imajo ugodno kemijsko-fizikalno sestavo za pretvorbo v goriva, ki jih je mogoče uporabiti v toplotnih motorjih. Npr. s procesom pirolize lahko iz odpadkov pridobimo goriva, ki izkazujejo sorodne lastnosti kot konvencionalna goriva, vendar kljub temu izkazujejo znatno razliko, ki terja posebno prilagoditev posameznih komponent sistemov, kjer se taka goriva uporabljajo. V zaključni nalogi se bomo osredotočili na goriva z visoko viskoznostjo pri sobni temperaturi in visoko točko tečenja.
Uvod
1.2 Cilji
Zaključna naloga temelji na zasnovi sistema, ki omogoča dovod, kondicioniranje in predpripravo različnih vrst goriva za potrebe eksperimentalne analize v toplotnih motorjih in gorilnikih. Sistem je namenjen za izvedbo eksperimentov na toplotnih motorjih, ki vsebujejo povratni tok goriva, in kontinuirnih gorilnikih brez povratnega toka. Primarno gorivo, ki ga naloga obravnava, je pirolizno olje odpadne plastike ali WPO (angl. waste pyrolysis oil), ki ima visoko viskoznost in je pri sobni temperaturi v voskastem stanju.
WPO ima sorodne lastnosti kot dizelsko gorivo in kalorično vrednost med 34 in 46 MJ/kg [4, 6, 11], pretežno pa vsebuje parafine, kar povzroča povečanje temperature tečenja.
Zaradi svoje visoke kalorične vrednosti in velike količine odpadne plastike, iz katere ga je možno pridobiti, je WPO eno izmed najbolj obetavnih goriv za motorje z notranjim zgorevanjem. Z zasnovanim sistemom za predpripravo goriva bomo omogočili uporabo WPO tudi v primeru, ko njegove lastnosti odstopajo od konvencionalnih goriv, za katere so zgorevalni sistemi zasnovani.
Poleg uporabe WPO bo sistem omogočal tudi eksperimentalno analizo ostalih viskoznih goriv, saj je mogoče z ustrezno dimenzioniranim ogrevanjem vseh ključnih komponent doseči zmanjšanje viskoznosti goriva. Sistem za dovod in kondicioniranje goriv mora tako omogočati širok spekter masnih tokov dovedenega goriva pri želeni delovni temperaturi, kot tudi ustrezen povratni tok, ki je predviden v posameznih izvedbah konvencionalnih sistemov za dovod goriva.
1.3 Struktura diplomskega dela
V teoretičnem delu so najprej opisani princip delovanja dizelskega motorja, proces zgorevanja in formacija curka goriva. Sledita opis nekaterih lastnosti goriv in primerjava WPO z dizlom. Omenjena so tudi druga goriva, ki bi bila primerna za testiranje z našim sistemom, predstavljeni pa so tudi rezultati nekaterih drugih raziskav, kjer so že testirali WPO v dizelskem motorju. Pri metodologiji raziskave so predstavljene osnovne zahteve sistema in komponente za snovanje sistema. V tem poglavju so omenjene tudi računske metode, s katerimi bomo izvajali izračune toplotnih izgub in potrebnih toplotnih tokov.
Rezultati zaključnega dela so delovanje in zasnova sistema, kjer so predstavljeni izračuni toplotnih in hladilnih moči, ter način in priprava krmiljenja grelnih komponent.
2 Teoretične osnove in pregled literature
Analizirali bomo posamezne zgorevalne sisteme, za katere bo namenjen zasnovani sistem.
Sistem bo uporabljen na eksperimentalnem dizelskem motorju s povratnim tokom goriva in kontinuirnih gorilnikih brez povratnega toka. Opisali bomo princip delovanja teh dveh zgorevalnih sistemov in njune značilnosti. Omenili bomo tudi različna goriva in njihove lastnosti.
2.1 Batni motor z notranjim zgorevanjem
V delovnem prostoru motorja z notranjim zgorevanjem se zaradi vžiga goriva sprošča toplota in povzroča velik porast tlaka in temperature. Zaradi nastale tlačne razlike med delovnim prostorom in okolico se bat začne premikati in opravljati mehansko delo.
Neodvisno od vrste krožnega procesa razlikujemo dvo- in štiritaktne motorje. Pri izvajanju eksperimenta bomo uporabljali štiritaktni dizelski motor, zato je dobro, da vemo, kako deluje.
Pri štiritaktnem motorju vsak cilinder zahteva štiri takte svojega bata ali dva obrata ročične gredi, da zaključi cikel. Tak princip delovanja se uporablja pri motorjih, kjer se gorivo vžge z iskro, in tudi pri dizelskih motorjih, kjer se gorivo vžge zaradi visokega tlaka in temperature kompresije.
Takti štiritaktnega dizelskega motorja z notranjim zgorevanjem so sledeči:
1. Cikel se začne, ko je bat v skrajni zgornji poziciji, kot je prikazano na sliki 2.1 a). S pomikanjem bata v spodnjo lego se začne vsesavanje zraka v cilinder. Ventil se odpre tik po začetku takta in zapre na koncu. Vsesavanje je prikazano na sliki 2.1 b).
2. Po vsesavanju se začne kompresija. Ko se bat pomika v skrajno zgornjo lego (slika 2.1 c)), se zraku povečujeta tlak in temperatura, dokler ta ni stisnjen na prostornino škodljivega volumna, nakar se zgodi vbrizg goriva. Visoka temperatura in tlak v cilindru sta potrebna za samovžig goriva.
3. Po kompresiji injektor vbrizga fin curek goriva v zgorevalno komoro (slika 2.1 d)), ki zaradi svojih kemijskih lastnosti začne hitro hlapeti in se mešati s komprimiranim zrakom. Visoka temperatura je posledica samovžiga goriva, ki
Teoretične osnove in pregled literature
spodbudi ekspanzijo plinov in porine bat proti skrajni spodnji legi, prikazano na sliki 2.1 e).
4. Zadnji takt cikla je izpuh, kjer vsi izpušni plini zapustijo cilinder. Večina izpušnih plinov uide iz cilindra že takrat, ko se odpre izpušni ventil, ker je tlak v cilindru precej večji kot v izpušnem sistemu. Ostali dimni plini so potisnjeni iz cilindra z batom, ki se pomika iz spodnje proti skrajni zgornji legi, kot je prikazano na zadnji shemi slike 2.1. Ko je bat v skrajni zgornji poziciji, se izpušni ventil zapre in cikel se ponovi.
Slika 2.1: Pozicije bata v 4-taktnem motorju. Prilagojeno po viru [1]
Goriva, pridobljena iz nereciklabilnih snovi (npr. WPO), lahko v večini primerov uporabljamo zgolj v dizelskih motorjih. Lastnosti teh goriv so sorodne dizelskemu gorivu in jih bomo podrobneje obravnavali v poglavju Goriva in njihove lastnosti.
Teoretične osnove in pregled literature
Zgorevalni procesi
V tem poglavju bomo predstavili osnove zgorevanja v batnem motorju pri konvencionalnem dizelskem zgorevanju, omenili bomo tudi proces RCCI, saj je treba sistem za dobavo goriva zasnovati na način, da ustreza obema načinoma zgorevanja, torej konvencionalnemu dizelskemu zgorevanju in RCCI-procesu zgorevanja.
S sistemom bomo lahko dovajali gorivo v eksperimentalni dizelski motor s kompresijskim vžigom. V valju se na koncu kompresijskega takta prek injektorja gorivo vbrizga v cilinder. Po kompresiji sta tlak in temperatura zraka v valju okvirno 4 MPa in 800 K [2], torej nad točko vžiga goriva, kar povzroči začetek zgorevanja, ki mu sledi ekspanzija. Med vbrizgavanjem je treba zagotoviti dobro mešanje zraka in goriva (t. i. atomizacijo goriva), saj tako omogočimo formiranje gorljive zmesi in ustrezna koncentracijska polja. Mešanje goriva, zraka in nastalih dimnih plinov se nadaljuje skozi celoten ekspanzijski takt.
Zgorevanje goriva se lahko zaključi, še preden bat doseže skrajno spodnjo lego, nakar se odpre izpušni ventil. Poraba goriva je odvisna od obratovalne točke motorja in pri maksimalni obremenitvi predstavlja največji masni tok goriva skozi sistem. Potek izračuna masnega pretoka goriva glede na moč motorja bo predstavljen v metodologiji raziskave.
Proces RCCI (angl. Reactivity controlled compression ignition) ali kompresijski vžig delovne zmesi, nadzorovan z njeno reaktivnostjo (v dizelskem motorju), je eden od različnih procesov izvajanja eksperimentalne analize goriva. RCCI nam omogoča boljši nadzor nad zgorevanjem in možnost obratovanja pri širokih obremenitvah. Proces temelji na injiciranju dveh goriv različnih reaktivnosti, ki se zelo razlikujeta po vrednostih svojega cetanskega števila. Gorivo z nizko reaktivnostjo se v sesalnem kanalu premeša z zrakom in potem je pripravljeno za vbrizg v zgorevalno komoro. Injiciranje visoko reaktivnega goriva se vrši neposredno v valj. Pri sočasnem zgorevanju goriv v valju se oblikuje reaktivna zmes, ki nam omogoča, da strateško prilagodimo razmerje in vbrizgalni čas med obema gorivoma. Na tak način lahko nadzorujemo potek zgorevanja, ublažimo hitrost naraščanja tlaka in sproščanja toplote [22]. Pri uvedbi procesa RCCI z gorivom WPP le-to predstavlja gorivo z visoko reaktivnostjo, drugo, največkrat plinasto gorivo (npr. zemeljski plin ali biometan), pa gorivo z nizko reaktivnostjo. Pri procesu RCCI je poraba goriva odvisna od prednastavljenega razmerja med gorivoma. Delež visoko reaktivnega goriva predstavlja 10–20 % energijske vrednosti dobavljenega goriva, preostanek pa predstavlja nizko reaktivno plinasto gorivo. Pri teoretičnem izračunu in dimenzioniranju sistema za dobavo goriva bomo upoštevali, da kapljevito gorivo predstavlja 20 % energijske vrednosti vbrizganega goriva.
Teoretične osnove in pregled literature
Struktura curka in injiciranje goriva
Slika 2.2 ponazarja strukturo curka, kjer sta razvidna kot curka in dolžina njegove penetracije. Kot curka je odvisen od velikosti tlačne razlike med injektorjem in zgorevalno komoro. Z večjo tlačno razliko se veča kot curka in posledično se dolžina njegove penetracije zmanjša. Tlak, ki prevladuje v injektorju, je lahko tudi 2500–3000 barov [3].
Slika 2.2: Struktura curka pri neposrednem vbrizgu. Prilagojeno po viru [2]
Na sliki 2.2 je razvidna je tudi razpadna dolžina curka, kjer tekoče gorivo začne razpadati na različne velikosti kapljic, ki postajajo vedno manjše, bolj kot se oddaljujejo od šobe injektorja. Velikost kapljic je eden od pomembnejših aspektov vbrizga, saj manjše kot so kapljice, večje je razmerje med površino in volumnom kapljic, to pa omogoča hitrejše uparjanje in mešanje gorivnih par z zrakom. Na velikost kapljic vplivajo tlačna razlika med injektorjem in cilindrom, velikost odprtine šobe injektorja, gostota zraka v zgorevalni komori in viskoznost goriva.
Večja kot je viskoznost, večje so kapljice pri vbrizgu, ki slabo vplivajo na formiranje gorljive zmesi. Pri izvajanju eksperimenta je treba biti pozoren na viskoznost testnega goriva, kajti če je ta previsoka, je lahko atomizacija in posledično tudi zgorevanje slabše [4].
Pri injiciranju goriva v batni motor gorivo potuje prek zasnovanega sistema in nato v injektor. Vbrizgavanje goriva je periodično, zato vedno prihaja do prekinitev toka goriva.
Za razbremenitev sistema med prekinitvami injektor vsebuje vstopni in izstopni tok goriva.
Tok goriva skozi injektor nam omogoča tudi delovanje injektorja. Gorivo pod visokim tlakom vstopi v injektor, kjer z aktivacijo solenoidnega ventila povzročimo vbrizg goriva v valj. Posledično delež goriva potuje iz injektorja v povratni vod gorivnega sistema.
Povratni vod goriva je tako treba ponovno vključiti v obtok in tako vzpostaviti kroženje
Teoretične osnove in pregled literature
goriva v sistemu. Implementacija povratnega toka bo v rezultatih predstavljena kot eden od principov delovanja sistema.
2.2 Sistemi s kontinuiranim zgorevanjem
V sistemih s kontinuiranim zgorevanjem gorivo dovajamo skozi injektor v zgorevalno komoro brez prekinitev, kar nam omogoča, da lahko obratujemo brez povratnega toka goriva, ki bi razbremenil gorivni sistem v intervalih, ko je injektor zaprt. Sistemi s kontinuiranim zgorevanjem so lahko gorilniki ali turbinski motorji.
Pri gorilniku dovajamo potreben masni tok zraka in goriva v zgorevalno komoro, kjer se vrši neprekinjen proces zgorevanja. Sproščeno toplotno energijo v veliki večini primerov uporabimo za ogrevanje transportnih medijev prek prenosnikov toplote. Zračni tok in pravilna struktura curka omogočita ustrezno razprševanje goriva in pripravo gorljive zmesi, sledi vžig z iskro, proces zgorevanja pa je nato samo vzdržujoč. Gorilnike lahko uporabljamo v plinskih postrojih, kjer s kompresorjem zagotovimo pretok zraka skozi gorilnik. Gorivo je v tem procesu lahko v plinastem (bioplin, zemeljski plin) ali kapljevitem agregatnem stanju (kerozin, kurilno olje ipd.) [38]. V gorilniku generirani vroči izpušni plini se preusmerijo v plinsko turbino, kjer ekspandirajo na tlak okolice, ob tem pa je mogoče pridobiti tudi mehansko moč. Na takem sestavu temeljijo turbinski motorji, ki se uporabljajo v širokem spektru aplikacij, kot so letala, lokomotive, električni generatorji ipd.
Za univerzalno uporabnost sistema za predpripravo goriva bomo sistem dimenzionirali tudi za uporabo v omenjenih procesih kontinuiranega zgorevanja. Sistem se bo v tem primeru uporabljal samo za dovod goriva v zgorevalno komoro pri masnih pretokih goriva, ki so podobni kot v dizelskem motorju.
2.3 Goriva in njihove lastnosti
Za določitev osnovnih zahtev gorivnega sistema je potrebno poznavanje celotnega spektra kemijsko-fizikalnih lastnosti različnih goriv, za katere bo sistem zasnovan. Predstavili bomo lastnosti dizelskega goriva kot referenčnega goriva, posebej se bomo osredotočili na WPO, analizirali pa bomo tudi druga goriva, ki izkazujejo sorodne lastnosti kot WPO in bodo tudi primerna za uporabo v zasnovanem gorivnem sistemu. Poglavje se zaključi z ugotovitvami nekaterih ostalih raziskav, kjer so že izvedli raziskave uporabe WPO v dizelskem motorju.
Teoretične osnove in pregled literature
Lastnosti goriv
Različna goriva imajo različne kemijsko-fizikalne lastnosti in mi bomo obravnavali tiste, ki so pomembne za dovod in vžig goriva ter vplivajo na njegovo atomizacijo.
Ena najpomembnejših lastnosti goriva je kalorična ali kurilna vrednost. Kalorično vrednost določimo s kalorimetrom in predstavlja količino energije, ki se sprosti v obliki toplote pri popolnem zgorevanju goriva. Kalorična vrednost vpliva na zmogljivostne parametre motorja in karakteristike vžiga [5]. Kalorična vrednost dizla variira glede na tip dizelskega goriva in zavzema vrednost med 41 in 45 MJ/kg [4, 6, 11].
Naslednja pomembna lastnost je cetansko število, ki se uporablja za določitev vžigalnih lastnosti dizelskih goriv na podoben način, kot se oktansko število uporablja pri ocenjevanju vžigalnih lastnosti bencina. Cetanska lestvica je merilo za zakasnjen vžig goriva in je definirana z zmesjo referenčnih ogljikovodikovih goriv. Cetan (n-heksadekan, C16H34) je ogljikovodik z zelo visoko vnetljivostjo in tako predstavlja zgornjo mejo lestvice s cetanskim številom 100. Spodnjo mejo predstavlja 2-metilnaftalen s cetanskim številom 0, toda za referenco uporabljamo hepta-metil-nonan (HMN), ki je bolj stabilen in ima cetansko število 15 [2]. Večje kot je cetansko število, krajša je zakasnitev med vbrizgom v zgorevalno komoro in samovžigom goriva. Raziskave avtorja Hao B. in soavtorjev [20] trdijo, da ima večje cetansko število in vsebnost ogljikovodikov v gorivu močan vpliv na zmanjšanje emisij ogljikovega dioksida. Večje cetansko število potemtakem lahko zmanjša porabo goriva [21]. Na cetansko število vpliva tudi molekulska struktura goriva. Cetansko število se povečuje z vsebnostjo nasičenih ogljikovodikov, t. i.
parafinov v gorivu [21], ki imajo tudi slabše vplive na lastnosti goriva.
S tvorjenjem parafinov v gorivu se poveča tudi njegova gostota. Gostota goriva ima neposreden vpliv na atomizacijo in posredni vpliv na zgorevanje in s tem na emisije [21].
Gostota korelira tudi s kalorično vrednostjo goriva. V primeru biodizla večja gostota pripomore k nižji kalorični vrednosti in s pomočjo numeričnih modelov lahko določimo kalorično vrednost goriva glede na njegovo gostoto z 99-odstotno natančnostjo [5].
Dizelska goriva vsebujejo različne skupine alifatskih oz. nasičenih ogljikovodikov (parafini), katerih topnost pada s temperaturo. Pri nizkih temperaturah nekatere alifatske skupine začnejo tvoriti kristale in gorivo postaja vedno bolj voskasto. Točka motnišča je definirana s temperaturo, pri kateri se tvori prvi kristal voska, in točka tečenja je temperatura, pri kateri tekočina preneha teči [8]. Ko se v tekočini pojavi prvi kristal, se z nižanjem temperature količina voskastih kristalov povečuje toliko časa, dokler ne dosežemo točke tečenja. Temperatura tečenja je najvišja temperatura, pri kateri tekočina še izkazuje lastnosti tekočine. Če tekočino ohladimo pod točko tečenja, bo izgubila lastnosti tekočine in prešla v nasičeno stanje zaradi tvorjenja voskastih kristalov.
Teoretične osnove in pregled literature
WPO
Pirolizno olje odpadne plastike nastane pri procesu pirolize, ki temelji na razgradnji dolgih polimerskih molekul pri visokem tlaku in visoki temperaturi, pri tem nastanejo pirolizne tekočine in plini. Produkte pirolize lahko uporabimo kot vire različnih kemikalij in kot gorivo. Na Fakulteti za kemijsko tehnologijo v Bilbau v Španiji so ugotovili, da imata čas in temperatura, pri kateri se izvaja termična piroliza, velik vpliv na končne karakteristike pirolizne tekočine. Če se piroliza izvaja pri temperaturi 460 °C, je končna pirolizna tekočina zelo viskozna in pri sobni temperaturi v kvazitrdnem stanju [9]. Podobne karakteristike zavzema tudi naša pirolizna tekočina. Kalorična vrednost WPO, ki so ga pridobili pri temperaturi 460 °C, je bila 43,5 MJ/kg in pada z višanjem temperature pirolize [9].
WPO bomo primerjali z dizelskim gorivom, katerega lastnosti so navedene v preglednici 2.1. Naše dizelsko gorivo ustreza standardom kategorije 4 od ACEA (angl. European Automobile manufacturers Association) za dizelska goriva, ki se v veliki večini uporabljajo v Evropi.
Preglednica 2.1: Karakteristike dizla [10]
Lastnosti Min. vrednost Max. vrednost
Cetansko število 55
Gostota pri 15 °C [kg/m3] 815 840
Kinematična viskoznost pri 40 °C [mm2/s] 2.0 4.0
Kalorična vrednost goriva [MJ/kg] [6] 45
Za WPO in dizel, ki ga bomo uporabljali pri testiranju sistema, so bile izvedene meritve površinske napetosti in dinamične viskoznosti pri različnih temperaturah. Prikazane so v preglednici 2.2.
Preglednica 2.2: Merjene lastnosti dizla in WPO
Temp. [°C] Površinska napetost [mN m-1] Temp. [°C] Dinamična viskoznost [mPa s]
WPO Dizel WPO Dizel
13 44,0 31,0 13 132,9 12,4
25 32,0 30,5 25 44,1 8,5
35 29,0 30,0 50 28,8 4,8
S primerjavo meritev vidimo, da se površinska napetost WPO manjša z višanjem temperature in je pri 35 °C manjša od površinske napetosti dizla. Velika površinska napetost ima slab vpliv na atomizacijo goriva in zato so manjše vrednosti bolj zaželene [12].
Teoretične osnove in pregled literature
Slika 2.3 prikazuje WPO pred segrevanjem in po segretju. Temperatura, pri kateri je WPO prešlo v tekoče stanje, je bila 30 °C. Slika a) prikazuje WPO pred segretjem pri 25 °C in slika b) prikazuje WPO v tekočem stanju pri 30 °C.
Slika 2.3: WPO pred segrevanjem in po segrevanju
WPO je pri sobni temperaturi nasičen z voskastimi kristali in ko povečamo temperaturo do 30 °C, dosežemo točko tečenja. Pri 30 °C WPO prevzame karakteristike tekočine in je v tekočem stanju. Ostalih lastnosti našega WPO ni bilo na voljo, vendar lahko predpostavimo, da so podobne karakteristikam WPO, uporabljenih v drugih študijih, saj so bili ti enako kot naše olje narejeni po postopku pirolize iz odpadne plastike. V preglednici 2.3 je prikazan razpon vrednosti dizla in WPO, uporabljenega v drugih študijah.
Preglednica 2.3: Karakteristike WPO in dizla [4, 6, 11, 30, 31, 32]
WPO Dizel
Gostota pri 15 °C [kg/m3] 770–910 835–840
Kalorična vrednost [MJ/kg] 35,1–46 41–45
Kinematična viskoznost pri 40 °C
[mm2/s] 2,2–7,1 2,5–3,8
Cetansko število 31–65 42–64
Vrednosti v preglednici 2.3 so bile prevzete iz različnih raziskav in so predstavljene v razponu, saj je pirolizno olje odpadne plastike kompleksna zmes in na vrednosti njenih karakteristik vplivajo številni dejavniki (čas in temperatura pirolize, vrsta odpadne plastike, metoda merjenja ipd.). Ob primerjavi lastnosti WPO in dizla v preglednici 2.3 lahko opazimo, da WPO pri vseh parametrih zavzema širši spekter vrednosti kot dizelsko gorivo.
Slika 2.4 predstavlja lastnosti WPO, omenjene v preglednici 2.3. Iz stolpčnih diagramov je dobro razviden razpon vrednosti WPO iz posameznih virov.
Teoretične osnove in pregled literature
Slika 2.4: Gostota a), kalorična vrednost b), kinematična viskoznost c) in cetansko število d) WPO
Na sliki 2.4, kjer so prikazane posamezne kemijsko-fizikalne lastnosti WPO, najbolj izstopajo vrednosti iz vira [30]. Gostota doseže največjo vrednost pri 910 kg/m3 in kinematična viskoznost pri 7,1 mm2/s. Kurilna vrednost WPO je povsod dokaj enaka, samo pri viru [11] ima manjšo vrednost s 35,1 MJ/kg. Cetansko število pri viru [30] ni bilo na voljo, toda ostale kemijsko-fizikalne lastnosti zavzemajo dokaj širok razpon. Najmanjša vrednost cetanskega števila je 31, kjer bi gorivo težko doseglo samovžig pri pogojih v dizelskem motorju.
2.3.2.1 Zaključki nekaterih raziskav testiranja WPO
Zaradi svoje nizke viskoznosti in visoke kalorične vrednosti je pirolizno olje primerno kot nadomestilo dizelskega goriva [4, 6, 11, 19]. Eksperimenti so bili izvedeni v številnih študijah, kjer so uporabili pirolizno olje v dizelskih motorjih in ga primerjali z lastnostmi dizelskega goriva. Raziskave se med seboj razlikujejo po načinu izvedenih eksperimentov in lastnostih uporabljenega goriva.
1. V študiji kjer so eksperimentirali z različnimi časi injiciranja WPO, so izmerili kar 46 % manjše emisije NOx kot pri dizelskem gorivu [4].
2. V Indiji so izvedli raziskavo, kjer so dizlu dodali določen odstotek WPO in rezultate primerjali s konvencionalnim dizelskim gorivom. Ugotovili so, da je efektivni izkoristek dizla z 20 % WPO (v prostorninskem razmerju) za 0,87 % večji v primerjavi z dizlom in da količina NOx narašča, če dizel vsebuje večji odstotek WPO [6].
3. Izvedena je bila tudi raziskava, kjer so primerjali karakteristike različnih odpadnih goriv (WPO, TDF, UWCO) z dizlom v dizelskem motorju in prišli do naslednjih
Teoretične osnove in pregled literature
ugotovitev: WPO je povzročil 19,3 % manj NOx kot dizel in kar 56,4 % manj od TDF [11]. WPO je tudi povzročil najmanj emisij NOx.
4. Enako kot pri raziskavi 2 so tukaj eksperimentirali z zmesjo WPO, kjer so mu dodali 10 in 5 % DEE (dietileter), ki ima nizko temperaturo vžiga in visoko cetansko število. Rezultati so pokazali, da je DEE dobro vplival na atomizacijo goriva, saj je zmanjšal viskoznost zmesi. Efektivni izkoristek WPO (27,75 %) je bil skoraj enak dizlu (28 %), toda zmes WPO z 10 % DEE (WD10) je imela za 1,12 % boljši izkoristek kot dizel [19]. Emisije NOx so bile pri polni obremenitvi pri WPO za 6 % večje kot pri dizlu, pri zmesi z 10 % DEE pa je bila količina NOx za kar 45 % manjša kot pri dizlu [19].
V obravnavanih raziskavah sta bili vrednosti viskoznosti dizla in WPO zelo podobni in v nekaterih primerih je bila viskoznost WPO celo manjša. V našem primeru je viskoznost WPO tudi pri višjih temperaturah še vedno višja od dizla, kar lahko vpliva na formacijo curka, atomizacijo in posledično samovžig goriva. Pri izvajanju meritev z WPO se bo uporabljala metoda RCCI, kjer se v valj injicirata dve gorivi z različnimi reaktivnostmi.
Poleg WPO se bo v valj injiciralo še plinasto gorivo, ki bi lahko bolje vplivalo na viskoznost in hlapenje goriva.
Ostala goriva, primerna za zasnovani sistem
Zasnovani sistem je namenjen testiranju goriv, katerih točka tečenja se nahaja nad sobno temperaturo in pod priporočeno delovno temperaturo cevi (80 °C [13]), uporabljene pri konstrukciji sistema. Primerna goriva za testiranje bi bili voski poliolefinskih plastik (HDPE, LDPE, PP), ki nastanejo pri termični pirolizi. Kot smo že omenili, ima temperatura pirolize velik vpliv na končne lastnosti pirolize tekočine in prav tako na voske.
Z našim sistemom bi lahko testirali voske, pridobljene pri temperaturi med 400 in 500 °C.
Ti voski imajo dovolj visoko kalorično vrednost (34–39 MJ/kg) in točka tečenja se nahaja med 55 in 75 °C [14]. Voski, ki so bili pridobljeni pri višjih temperaturah, imajo točko tečenja nad 80 °C in za njihovo testiranje bi bilo treba v celotnem sistemu uporabiti cev, ki ima večjo delovno temperaturo.
Goriva, ki bi prav tako ustrezala tem zahtevam, so oljnata goriva z zelo majhnim odstotkom žvepla, t. i. VLSFO (angl. very low sulphur fuel oil), in parafinski voski.
VLSFO se uporabljajo v tankerjih in velikih ladjah ter imajo od 0,5 do 0,1 % žvepla in točko tečenja nad 35 °C [15]. Temperatura tališča se pri parafinskih voskih, ki se uporabljajo tudi kot raketno gorivo, nahaja med 50 in 70 °C [16] in ima v tekočem stanju gostoto 760 kg/m3 [33]. Njegova kalorična vrednost je 46 MJ/kg [17] in v tekočem stanju ima specifično toploto 2,51 kJ/kgK [33]. Zaradi svoje visoke točke tečenja omenjeni gorivi zahtevata predgretje pred injiciranjem v zgorevalno komoro in po opravljenih meritvah, tudi odtok preizkuševališča. Zasnovani sistem bi pri testiranju takih goriv zagotovil izvajanje meritev brez kakršnih koli zamašitev.
Sistem bi lahko uporabili tudi za testiranje mikrokristaličnih voskov, ki so pridobljeni iz težkih naftnih destilatov. To so naftni voski, ki vsebujejo večji delež ogljikovodikov kot parafinski voski in imajo temperaturo tališča okoli 80 °C [18], kar je ravno na meji delovne temperature cevi, uporabljene v sistemu. Ker je temperatura tališča mikrokristaličnih
Metodologija raziskave
voskov tako visoka, bi bilo treba v celotnem sistemu uporabiti cev, ki ima višjo delovno temperaturo.
3 Metodologija raziskave
Pri metodologiji raziskave bomo predstavili osnovne zahteve, ki jih mora izpolnjevati sistem, in miselni proces, po katerem smo prišli do prve predpostavke sistema. Opisani so tudi preizkuševališče in načini krmiljenja komponent, potrebnih za uspešno delovanje sistema. Sledi opis teoretičnega ozadja za izračun toplotnih izgub in potrebne toplote za ogrevanje goriva.
3.1 Osnovne zahteve sistema
Pri zasnovi sistema so ključno vlogo igrali visoka viskoznost goriva in vplivi na gorivo pri procesu zgorevanja. Sistem mora zato omogočati:
a) ohranjanje delovne temperature goriva,
b) predgretje preizkuševališča s konvencionalnim gorivom in predgretje dovodne poti testnega goriva,
c) merjenje masnega pretoka goriva skozi sistem, d) hlajenje goriva iz povratka,
e) menjavo in odtok goriva iz sistema.
Iz navedenih zahtev smo zasnovali tokokrog goriva, ki je predstavljen na sliki 3.1. Na sliki so označene vse potrebne komponente za delovanje sistema in njihove povezave s krmilnimi elementi.
Metodologija raziskave
Slika 3.1: Teoretična zasnova tokokroga goriva
Kroženje konvencionalnega in testnega goriva omogoča volumetrična črpalka (BOSH cp1h), s katero lahko natančno doziramo masni tok goriva skozi solenoidni injektor.
Črpalko krmilimo glede na tlak v visokotlačnem vodu, ki je odvisen od vbrizgovalne strategije motorja. Visokotlačni vod je povezan s t. i. krmilnikom NI DRIVVEN, ki posreduje informacije na procesorsko enoto na sliki 3.1, označeno kot PC. Tako bomo lahko prek računalnika kontrolirali masni tok goriva skozi sistem.
a) Zaradi visoke točke tečenja in viskoznosti testnega goriva je pred vstopom goriva v črpalko potrebno vzdrževanje delovne temperature goriva, kar nam omogoča cilindrični grelnik. Grelnik je napajan z izmeničnim tokom 230 V. V grelniku sta pritrjeni dve temperaturni zaznavali oz. termočlena tipa K. S termočlenom tipa K merimo temperaturo v notranjosti grelnika. Eden od termočlenov je povezan z merilno napravo SCXI, v kateri je referenčno uporovno zaznavalo, prek katerega merilna naprava izračuna temperaturo, znano s termočlenom. Namen tega termočlena je prikaz temperature na računalniku v kontrolni sobi med izvajanjem meritev. Drugi termočlen je povezan s krmilnikom PID (model: Pixis ART121B), ki po enakem postopku izračuna merjeno temperaturo. Naloga krmilnika PID je ogrevanje oz. držanje želene delovne temperature. Krmilnik je priklopljen na omrežje 230 V in ko prek termočlena zazna padec v temperaturi, vklopi grelnik, ki pretvori električno energijo v toploto. Ko termočlen zazna določeno temperaturo, se grelnik izklopi, in ko temperatura v grelniku ponovno pade, se ta proces ponovi. Na tak način ohranjamo konstantno delovno temperaturo goriva.
Metodologija raziskave
b) Za uspešen dovod testnega goriva je potrebno gretje dovodne cevi, ki je na sliki 3.1 označena z rdečo barvo. Dovod testnega goriva bo ogrevan s pomočjo grelne žice, ki deluje po podobnem principu kot cilindrični grelnik. Grelna žica je povezana v sklenjen električni krog. Po žici teče električni tok, ki ga ta pretvarja v toploto.
Grelno žico napajamo z električno napetostjo 230 V, ki je povezana s krmilnikom PWM. Krmilnik PWM nam omogoča pulziranje električnega toka in določitev dolžine impulza. Tako nadziramo količino toka, ki teče v grelni element. Krmilnik je nato povezan še z grafičnim vmesnikom krmilnega sistema, kjer prek programa LabVIEW nastavimo DC in nosilno frekvenco gretja. Izračun DC in minimalne nosilne frekvence grelne žice bo predstavljen v rezultatih.
c) Masni tok in gostoto fluida bomo merili z merilnikom masnega toka, t. i. Micro
Motion Mass Flow Sensor podjetja Emerson (model:
CMFS015M302W5EMY2ZZ), ki deluje po principu Coriolisove sile. V notranjosti merilnika masnega pretoka sta dve cevi v obliki črke U, ki se prek tuljave vzbujata z neko določeno frekvenco. Na vstopu in izstopu tekočine v Micro Motion sta pozicionirana senzorja, ki merita oscilacijo cevi. Ko v ceveh ni toka fluida, obe cevi oscilirata z enako frekvenco in imata identične valovne oblike. Toda ko je v ceveh prisoten tok fluida, se ustvari Coriolisov učinek, ki povzroči fazni zamik v valovni obliki cevi. Z merjenjem velikosti faznega zamika lahko izračunamo masni tok fluida. Z merilnikom masnega pretoka lahko merimo tudi gostoto fluida. Z merjenjem naravne frekvence cevi lahko izmerimo, če se je gostota fluida povečala ali zmanjšala. Če se frekvenca osciliranja cevi poveča, se gostota fluida zmanjša, in če se ta zmanjša, se gostota fluida poveča. Merilnik masnega pretoka je povezan z grafičnim vmesnikom (PC), prek katerega spremljamo meritve.
V preglednici 3.1 so predstavljene karakteristike merilnika masnega pretoka in njegova merilna negotovost.
Preglednica 3.1: Karakteristike merilnika masnega pretoka
Oprema Meritev Razpon Merilna
negotovost Proizvajalec Merilnik
masnega pretoka
Masni tok
tekočega goriva 0 to 330 kg/h 0,1 % odstopanja od
merjene vrednosti
Micro Motion – Emerson
d) Pri toku goriva skozi solenoidni injektor se zaradi zgorevanja injektor segreje in s tem tudi gorivo. Povratni tok goriva, ki potuje iz injektorja, ima zato višjo temperaturo. Da preprečimo pregretje goriva in da ne presežemo delovne temperature cevi (80 °C [13]) v sistemu, je potreben hladilni sistem. Skozi bakreno cev, ki bo potopljena v vodo določene temperature, se gorivo iz povratka ohladi.
Temperatura vode mora biti konstantna, zato je treba zagotoviti konstanten pretok vode okoli cevi. Temperaturo vode določimo s termometrom in omogočimo, da voda odteka iz kopeli, v kateri bo potopljena bakrena cev. Zelo pomembno je, da ima voda višjo temperaturo od točke tečenja goriva. Pri izvajanju meritev z WPO
Metodologija raziskave
mora biti temperatura vode višja od 30 °C. Bakrena cev je na sliki 3.1 označena v hladilnem sistemu z rdečo in modro barvo.
e) Za menjavo in odtok goriva iz sistema bomo uporabili 3-potne kroglične ventile, ki jih bomo upravljali ročno. Z enim 3-potnim ventilom bomo izvedli menjavo s konvencionalnega goriva na testno gorivo, z drugim ventilom pa bomo prekinili zaprt krog kroženja fluida po sistemu in omogočili odtok goriva iz sistema.
Vse omenjene komponente so potrebne za zasnovo sistema, ki ga bomo priklopili na eksperimentalni dizelski motor (model: PSA DV6A TED4) s štirimi valji in skupno delovno prostornino 1,6 l. Eden od cilindrov je termodinamsko ločen od ostalih, kar omogoča obratovanje motorja tudi pri nestabilnem zgorevanju goriva. Preizkuševališče nam omogoča istočasno injiciranje plinastega in tekočega goriva z možnostjo poljubnega parametriranja časa in tlaka vbrizga (proces RCCI). Termodinamsko ločeni valj ima popolnoma ločen sistem za dovod plinastega in tekočega goriva. Na dovod tekočega (konvencionalnega) goriva bomo tudi mi priklopili naš sistem. Slika 3.4 prikazuje eksperimentalni dizelski motor, povezovalno gred in zavoro.
Slika 3.2: Motor (1), povezan s povezovalno gredjo (2) in zavoro (3)
Metodologija raziskave
3.2 Računsko ozadje preračuna masnega toka goriva, toplotnih izgub in toplote za ogrevanje sistema
Masni tok goriva
Masni tok oz. porabo goriva izračunamo s pomočjo enačbe za moč motorja.
𝑃 = 𝜂ef∙ 𝑚̇ ∙ 𝐻i (3.1)
P predstavlja moč motorja, ηef je efektivni izkoristek motorja, 𝑚̇ je masni tok goriva in Hi
je spodnja kurilna vrednost ali tudi kalorična vrednost goriva. Iz enačbe (3.1) izpostavimo masni tok in dobljeni rezultat delimo s 4, saj dovajamo gorivo v samo en termodinamsko ločen valj motorja.
Toplotne izgube
Za izračun toplotnih izgub v ceveh sistema je treba najprej izračunati termične upornosti.
Treba bo izračunati termično upornost zaradi prestopa toplote (konvekcije) iz fluida v cevi na notranjo steno cevi, termično upornost zaradi prevoda toplote skozi steno cevi in nato še termično upornost zaradi prestopa toplote iz zunanje površine cevi v okoliški zrak. Po enačbi (3.2) izračunamo termično upornost zaradi prevoda toplote skozi steno cevi.
𝑅⋋=
ln (𝑟2 𝑟1) 2 ∙ 𝜋 ∙⋋∙ 𝐿
(3.2)
R⋋ je termična upornost zaradi prevoda toplote, r1 je notranji polmer cevi, r2 je zunanji polmer cevi, L je dolžina cevi in ⋋ je toplotna prevodnost snovi.
Termično upornost na zunanji strani cevi zaradi prestopa toplote na okoliški zrak izračunamo s sledečo enačbo:
𝑅αz = 1
𝛼z∙ 𝐴 (3.3)
Rαz je termična upornost zaradi prestopa toplote na okoliški zrak, αz je toplotna prestopnost zraka in A je zunanja površina cevi.
Za izračun termične upornosti prestopa toplote na notranji strani cevi moramo najprej izračunati koeficient toplotne prestopnosti fluida v cevi. Pomagamo si z Reynoldsovim številom, ki nam omogoča napovedovanje toka fluida.
𝑅𝑒 = 𝑣f𝑑 𝜈
(3.4)
Metodologija raziskave
Re je Reynoldsovo število, vf hitrost fluida, d je hidravlični premer cevi in v je kinematična viskoznost. Glede na velikost Reynoldsovega števila lahko ocenimo, kakšen tok imamo.
V ceveh sistema imamo prisilni tok tekočine in če je Re < 2300, potem je tok laminaren in lahko uporabimo predpostavko:
α 𝑑
⋋≈ 3.65 (3.5)
Iz enačbe 3.5 izpostavimo α in izračunamo toplotno prestopnost fluida na notranji strani cevi. Če je Re > 2300, imamo turbolentni tok tekočin in uporabimo sledečo enačbo:
𝛼 𝑑
⋋= 0,0396 ∙ 𝑃𝑟 ∙ 𝑅𝑒0,75/[1 + 0,35 ∙ (𝑃𝑟 − 1)] (3.6)
Pr predstavlja Prandtlovo število in je odvisno od stanja fluida, izračunamo ga po enačbi (3.7).
𝑃𝑟 = 𝜌 ∙ 𝑐p 𝑣
⋋ (3.7)
ρ v izračunu predstavlja gostoto fluida, ostale parametre pa smo že omenili v ostalih enačbah.
Po izračunu Prandtlovega števila iz enačbe (3.6) izpostavimo in izračunamo α.
Glede na tip toka fluida tako izračunamo toplotno prestopnost fluida v cevi in jo uporabimo v enačbi (3.3) za izračun termične upornosti zaradi konvekcije Rαn, kjer upoštevamo notranjo površino cevi.
Termične izgube izračunamo po sledeči enačbi:
𝑄̇izg= ∆𝑇 𝑅⋋+ 𝑅𝛼𝑧+ 𝑅αn
(3.8)
Potrebna toplota za ogrevanje sistema
Za pravilno nastavitev grelnih komponent v sistemu je treba izračunati toplotni tok, ki ga potrebujemo za segrevanje goriva. Izračunamo ga po enačbi (3.9).
𝑄̇go= 𝑚̇ ∙ 𝑐p∙ ∆𝑇 (3.9)
Qgo je potrebni toplotni tok, cp predstavlja specifično toploto snovi in ∆T je sprememba v
Metodologija raziskave
Potrebni toplotni tok, ki ga je treba dovesti za ogrevanje sistema, je seštevek toplotnega toka, ki ga potrebujemo za segrevanje goriva in toplotnih izgub.
𝑄̇𝑑𝑜𝑣= 𝑄̇go+ 𝑄̇izg (3.10)
DC in minimalna nosilna frekvenca
Pri krmiljenju grelne žice, s katero bomo ogrevali dovodno cev goriva v sistem, bomo uporabili krmilnik PWM. Z njim nastavimo DC oz. duty cycle in minimalno nosilno frekvenco ter tako v celoti definiramo območje gretja.
DC predstavlja odstotek časa, ko je grelna žica prižgana v enem ciklu. Cikel je definiran kot seštevek časa, v katerem je žica prižgana in ugasnjena. DC izračunamo po enačbi (3.11).
𝐷𝐶 = 𝑡1
𝑡2∙ 100 % (3.11)
t1 predstavlja čas, v katerem je grelna žica prižgana, in t2 je čas, v katerem je ugasnjena.
Minimalno nosilno frekvenco grelne žice izračunamo z inverzno vrednostjo časa cikla, prikazano z enačbo (3.12).
𝑓min= 1
𝑡1+ 𝑡2 (3.12)
Grelno žico bi lahko vzbujali tudi z višjo frekvenco, toda takrat se pojavi omejitev s strani zmogljivosti in odzivnosti krmilnika PWM. V ta namen potrebujemo minimalno nosilno frekvenco, s katero vzbujamo DC in tako vzdržujemo delovno temperaturo cevi in posledično goriva.
Rezultati in diskusija
4 Rezultati in diskusija
Za razvoj in uspešno delovanje sistema je potreben izračun toplotnih izgub, toplotnih tokov in hladilnih moči, ki jih s sistemom dovajamo gorivu za ohranjanje njegove delovne temperature. Razložili bomo koncept delovanja in funkcionalnosti sistema ter izpostavili kontrolni vidik, kjer bomo predstavili način krmiljenja grelnih komponent. Omenjene so tudi nekatere omejitve, s katerimi smo se srečali pri zasnovi sistema.
4.1 Funkcionalnosti sistema
Uporaba sistema na eksperimentalnem dizelskem motorju
Na sliki 4.1 je prikazana shema sistema z vsemi komponentami, ki so potrebne za uspešno delovanje. Na shemi so označeni ventili in njihove pozicije. Opisali bomo princip uporabe sistema na eksperimentalnem dizelskem motorju.
Pred začetkom izvajanja meritev je treba grelnik napolniti z WPO in v njem držati delovno temperaturo goriva. Grelnik predstavlja natančno regulacijo temperature pred vstopom goriva v črpalko. Grelnik napolnimo tako, da ga ločimo od sistema s postavitvijo ventila B v pozicijo 1 in z zaprtjem ventila D. Sistem nato napolnimo s konvencionalnim gorivom, ga s hitrimi spojkami priključimo na dovod v črpalko, povratek in dovod dizla. Pred zagonom motorja je treba zagotoviti pretok vode skozi hladilni sistem. Temperatura vode mora biti višja od točke tečenja goriva. Ob aktivaciji črpalke nato s pravilnim zaporedjem odpiranja ventilov zagotovimo predgretje in menjavo goriva v sistemu. Na sliki 4.1 so prikazane pozicije 3-potnih ventilov, ki jih bomo nastavili v posameznih fazah delovanja sistema. Prva faza je namenjena predgretju komponent sistema in zgorevalne komore, v drugi fazi se zgodi menjava goriv s konvencionalnega na testno gorivo in zadnja faza je namenjena odtoku testnega goriva iz sistema.
Rezultati in diskusija
Slika 4.1: Shema sistema za eksperimentalni dizelski motor
1. Predgretje sistema in zgorevalne komore: Ko sistem napolnimo z dizlom in ga priključimo na preizkuševališče, lahko pričnemo z ogrevanjem. Ventile postavimo v pozicije za kroženje dizla, prikazane v preglednici 4.1. S tako postavitvijo ventilov smo sklenili krog in lahko pričnemo z ogrevanjem sistema. Ob zagonu eksperimentalnega dizelskega motorja se vključi volumetrična črpalka. Dizelsko gorivo potuje skozi merilnik masnega pretoka, mimo grelnika v črpalko in se nato vrne nazaj v sistem skozi povratek iz črpalke in injektorja. Med predgretjem sistema s konvencionalnim gorivom je treba grelno žico nastaviti na delovno temperaturo goriva za predgretje dovodne poti in rezervoarja za WPO. Delovna temperatura WPO v dovodni cevi je nad 30 °C.
2. Menjava goriva: Ko vse komponente v sistemu dosežejo delovno temperaturo, lahko pričnemo z menjavo goriva. Ventile postavimo v pozicije za kroženje WPO (preglednica 4.1), toda ventil B mora ostati v poziciji 1 in ventil E postavimo v pozicijo 2. Ventil E ostane v poziciji 2, dokler skozi odtok ne priteče laminaren tok WPO, nato ga obrnemo v pozicijo 1 in ventil B v pozicijo 2. Sedaj po sistemu kroži WPO in lahko izvajamo meritve.
3. Odtok goriva iz sistema: Po opravljenih meritvah je potrebno praznjenje sistema.
Testno gorivo se po koncu obratovanja motorja ne sme zadrževati v ceveh in komponentah sistema, saj pri sobni temperaturi preneha teči. Za praznjenje sistema obrnemo ventile v pozicijo za odtok in ko skozi odtok priteče laminaren tok dizla, se testno gorivo ne nahaja več v sistemu. Po zaključenih meritvah je treba sprazniti
Rezultati in diskusija
tudi cev za dovod testnega goriva v sistem. Ker je rezervoar WPO pozicioniran nad motorjem na višini cca 2 m, odstranimo cev iz ventila A in počakamo, da testno gorivo odteče iz cevi.
Preglednica 4.1: Pozicije ventilov v posameznih fazah za eksperimentalni dizelski motor Ventili
A B C D E
Faza delovanja Pozicije ventilov
Kroženje dizla Poz. DZ Poz. 1 Odprto Zaprto Poz. 1
Kroženje WPO Poz. WPO Poz. 2 Zaprto Odprto Poz. 1
Odtok Poz. DZ Poz. 2 Zaprto Odprto Poz. 2
Uporaba sistema na kontinuiranih gorilnikih brez povratka
Za uporabo sistema na kontinuiranih gorilnikih brez povratnega voda je treba pred začetkom izvajanja meritev izvesti podobne korake kot pri dizelskem motorju. Sistem je treba napolniti s konvencionalnim gorivom, predgreti dovod testnega goriva, napolniti grelnik s testnim gorivom in držati delovno temperaturo v grelniku. Delovanje bo potekalo v treh fazah. V prvi fazi je treba ogreti injektor, v drugi fazi se zgodi menjava goriva, zadnja faza pa je namenjena odtoku testnega goriva iz sistema. Na sliki 4.2 je prikazana shema sistema za uporabo na kontinuiranih gorilnikih brez povratka.
Rezultati in diskusija
Slika 4.2: Shema sistema za uporabo na gorilniku brez povratka
1. Predgretje injektorja: Ko je sistem ustrezno pripravljen, postavimo vse ventile v pozicije za konvencionalno gorivo (preglednica 4.2) in vključimo gorilnik.
2. Menjava goriva: Po predgretju injektorja postavimo ventile v pozicije za testno gorivo in lahko opravljamo meritve s testnim gorivom.
3. Čiščenje sistema: Po opravljenih meritvah postavimo ventil A v pozicijo KON in na tak način izpraznimo preostanek testnega goriva iz sistema.
Preglednica 4.2: Pozicije ventilov v posameznih fazah delovanja za gorilnik brez povratka Ventili
A B C D E
Faza delovanja Pozicije ventilov
Konvencionalno gorivo
Poz. KON Poz. 1 Odprto Zaprto Poz. 1
Testno gorivo Poz. TEST Poz. 2 Zaprto Odprto Poz. 1
Rezultati in diskusija
4.2 Omejitve pri zasnovi sistema
Pri zasnovi sistema je bilo treba upoštevati še dodatne zahteve in omejitve, ki so se pojavile med konstrukcijo sistema. Sistem je moral biti prenosljiv, cena izbranih komponent je morala biti zmerna in težnja je bila po ohranjanju najmanjšega notranjega volumna sistema.
1. Sistem mora ohranjati čim manjši notranji volumen, zaradi majhne količine testnega goriva (WPO), ki ga imamo na razpolago. Omejitvi, ki sta se pojavili pri ohranjanju najmanjšega notranjega volumna, sta bili velikost priključka za gibke cevi in velikost 3-potnih krogličnih ventilov. Omejitvi sta bili s strani ponudnika blaga in zaradi njih nismo mogli doseči manjšega notranjega volumna. Prva omejitev je bil priključek za gibke cevi, na katerega ni bilo mogoče priključiti cevi, ki ima manjši notranji premer kot 6 mm. Zato je večina komponent v sistemu povezanih s cevjo za dovajanje goriv in mineralnih olj z notranjim premerom 6 mm. Druga omejitev je bila velikost 3-potnih krogličnih ventilov. Najmanjši ventili, ki jih je ponujal proizvajalec, so bili z navojem na hodih 1/2 ' cole.
2. Skupna cena komponent ni smela presegati več kot 300 €. Ta omejitev je na začetku predstavljala izziv pri iskanju konektorjev na povratek in dovod v črpalko, saj bi za pravilne konektorje bilo treba kupiti celotni sistem za dovod goriva. Kot alternativo smo uporabili hitre spojke, ki so bolj praktične in tudi cenejše. Končni strošek za vse uporabljene komponente v sistemu je znašal približno 250 €.
3. Zadnja zahteva je bila prenosljivost sistema. Ventili, grelnik in Micro Motion so zato montirani na vozičku in dovodne cevi so opremljene s hitrimi spojkami, ki omogočajo hiter priklop na preizkuševališče. Po opravljenih meritvah se sistem lahko prestavi na drug energetski stroj za ponovno opravljanje meritev.
4.3 Zasnova sistema
Pri zasnovi sistema smo upoštevali naštete zahteve in konstruiranje sistema se je začelo s konstrukcijo vozička, na katerem sloni sistem. Voziček je moral imeti pravilne dimenzije za fleksibilno premikanje v laboratoriju in na njem je nameščena vertikalna lesena plošča, na kateri so pritrjeni ventili in grelnik. Pri fiksiranju komponent na leseno ploščo je bilo treba upoštevati pozicijo grelnika, da je ta navpična, saj tako zagotovimo lažje odzračevanje. Med odtočnim ventilom E in grelnikom smo naknadno dodali še vod, po katerem bo teklo konvencionalno gorivo. Razlog za to modifikacijo je, da s tem preprečimo mešanje dizla in WPO v grelniku med menjavo goriva. Micro motion smo pritrdili na dve prirobnici in ju fiksirali na voziček, tako smo tudi zagotovili njegovo prenosljivost. Na koncu zasnove smo z grelno žico ovili dovodno cev goriva in merilnik masnega pretoka. V grelnik smo pritrdili termočlene in jih povezali s krmilnikom PID in merilno napravo SCXI. Podrobna razlaga kalibracije krmilnika PID in upravljanja grelne žice bo v poglavju Krmiljenje grelnih elementov. Slika 4.2 prikazuje zasnovani sistem, kjer so označeni ventili in dovodne cevi.
Rezultati in diskusija
Slika 4.3: Slika zasnovanega sistema z označenimi ventili, dovodi in odvodi
Na sliki 4.3 ni vidnega hladilnega sistema. Modifikacija s hladilnim sistemom se je pojavila v zaključnih fazah diplomskega dela in na razpolago ni bilo potrebnih komponent za konstrukcijo. Vgradnja hladilnega sistema je zato eden od predlogov za nadaljnje delo.
4.4 Teoretični izračun toplotnih izgub in toplotnih tokov
Pri izračunih toplotnih izgub in toplotnega toka bomo predstavili ogrevalne sposobnosti grelnih komponent v sistemu. Glede na različne obratovalne točke motorja bomo izračunali potrebne toplotne tokove za segrevanje goriv, ki imajo podobno sestavo kot WPO.
Ogrevalne sposobnosti bomo predstavili v različnih temperaturnih razponih. Teoretični izračuni v tem poglavju se navezujejo na aplikacije sistema pri konvencionalnem kompresijskem vžigu, procesu RCCI in kontinuiranih gorilnikih z enakim ali podobnim masnim tokom goriva.
Izračun masnih tokov goriva pri različnih obratovalnih točkah motorja
Pri izračunu masnih tokov in ostalih parametrov bomo uporabili goriva, ki imajo podobne karakteristike kot WPO, saj nekaterih potrebnih lastnosti goriva ni bilo na voljo. V tem poglavju bomo primerjali masne tokove goriv z masnimi tokovi WPO v različnih obratovalnih točkah dizelskega motorja.
Rezultati in diskusija
Glede na maksimalno moč motorja iz enačbe (3.1) izpostavimo in izračunamo masni tok dizla. Moč motorja delimo s 4, saj računamo masni tok samo v enem valju.
𝑚̇ =
6600 4 𝑊
0,4 ∙ 45 ∙ 106 𝐽/𝑘𝑔∙ 3600 = 3,3 𝑘𝑔/ℎ (3.1)
Maksimalni masni tok dizla pri kompresijskem vžigu je 3,3 kg/h, pri 100-odstotni obremenitvi motorja. Na enak način bomo izračunali masne tokove za WPO z največjo [6]
in najmanjšo [11] kalorično vrednostjo, biodizel, glicerol in parafinski vosek. Biodizel ima kalorično vrednost 40,6 MJ/kg [34] in glicerol bo predstavljal spodnjo mejo kalorične vrednosti z 22,6 MJ/kg [35]. Kinematična viskoznost glicerola pri temperaturi 15 °C je lahko tudi 20 mm2/s [37], kar pomeni, da je gorivo dokaj viskozno in primerno za uporabo s konstruiranim sistemom. V preglednici 4.3 so predstavljene različne vrednosti masnih pretokov goriv pri 100-, 50- in 10-odstotni obremenitvi motorja za konvencionalni kompresijski vžig.
Preglednica 4.3: Vrednosti masnih pretokov pri konvencionalnem kompresijskem vžigu Konvencionalni kompresijski vžig
Gorivo 𝑚̇max [kg/h] 𝑚̇max ∙ 0,5 [kg/h] 𝑚̇max ∙ 0,1 [kg/h]
Dizel 3,30 1,65 0,33
WPOmax 3,23 1,61 0,32
WPOmin 4,23 2,11 0,42
Biodizel 3,66 1,83 0,37
Glicerol 6,57 3,28 0,66
Parafinski vosek 3,23 1,61 0,32
Zaradi svoje nizke kalorične vrednosti ima največjo vrednost masnega pretoka glicerol s 6,57 kg/h pri 100-odstotni obremenitvi. Masni tok biodizla predstavlja vrednost, ki je skoraj v sredini razpona med minimalnim in maksimalnim tokom WPO. V preglednici 4.3 opazimo, da sta masna pretoka parafinskega voska in WPOmax enaka, saj sta kalorični vrednosti enaki. Izračunajmo še delež masnega toka za posamezna goriva pri procesu RCCI, kjer porabljamo 20 % kapljevitega goriva. Vrednosti so predstavljene v preglednici 4.4.
