Компримированный (сжатый) природный газ (КПГ). Природный газ - моторное топливо

Он дешевле традиционного топлива, а вызываемый продуктами его сгорания парниковый эффект меньше по сравнению с обычными видами топлива, поэтому он безопаснее для окружающей среды. Компримированный природный газ производят путем сжатия (компримирования) природного газа в компрессорных установках. Хранение и транспортировка компримированного природного газа происходит в специальных накопителях газа под давлением 200-220 бар. Также используется добавление к компримированному природному газу биогаза , что позволяет снизить выбросы углерода в атмосферу.

Сжатый природный газ как топливо имеет целый ряд преимуществ:

• Метан (основной компонент природного газа) легче воздуха и в случае аварийного разлива он быстро испаряется, в отличие от более тяжёлого пропана, накапливающегося в естественных и искусственных углублениях и создающего опасность взрыва.
• Не токсичен в малых концентрациях;
• Не вызывает коррозии металлов.
• Компримированный природный газ дешевле, чем любое нефтяное топливо, в том числе и дизельное, но по калорийности их превосходит.
• Низкая температура кипения гарантирует полное испарение природного газа при самых низких температурах окружающего воздуха.
• Природный газ сгорает практически полностью и не оставляет копоти, ухудшающей экологию и снижающей КПД. Отводимые дымовые газы не имеют примесей серы и не разрушают металл дымовой трубы.
• Эксплуатационные затраты на обслуживание газовых котельных также ниже, чем традиционных.

Еще одной особенностью сжатого природного газа является то, что котлы, работающие на природном газе, имеют больший КПД - до 94 %, не требуют расхода топлива на предварительный его подогрев зимой (как мазутные и пропан-бутановые).

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Компримированный природный газ" в других словарях:

Природный газ компримированный - Компримированный природный газ (КПГ) газ природный (сжатый). КПГ, произведенный на АГНКС, должен соответствовать ГОСТ 27577 2000... Источник: Правила технической эксплуатации автомобильных газонаполнительных компрессорных станций. ВРД 39 2.5 082… … Официальная терминология

Топливо вещество, из которого с помощью определённой реакции может быть получена тепловая энергия. Содержание 1 Понятие топлива 2 Основные современные виды топлива … Википедия

Топливо вещество или смесь веществ, способное к экзотермическим химическим реакциям с внешним или содержащимся в самом топливе окислителем, применяемое для выделения энергии, изначально тепловой. Топливо, не содержащее в своём составе окислитель … Википедия

КПГ аббревиатура ряда политических партий: Коммунистическая партия Германии в 1918 1946 годах. Коммунистическая партия, действовавшая в Западной Германии в 1948 1969 годах. Коммунистическая партия Греции Коммунистическая партия Голландии… … Википедия

Газовые двигатели - двигатели, преобразующие химическую энергию газового топлива в полезную (механическую, химическую, тепловую) энергию. Первый двигатель внутреннего сгорания, в котором в качестве моторного топлива использовался светильный газ, был сконструирован… … Нефтегазовая микроэнциклопедия

Обычно используемое для питания двигателя топливо: бензин, сжиженный нефтяной газ (СНГ), компримированный природный газ (КПГ), бензин либо СНГ, бензин либо КПГ, дизельное топливо. [ГОСТ Р 41.83 2004] Тематики автотранспортная техника EN fuel… … Справочник технического переводчика

топливо, необходимое для двигателей - 2.18 топливо, необходимое для двигателей (fuel requirement by the engine): Обычно используемое для питания двигателя топливо: бензин, сжиженный нефтяной газ (СНГ), компримированный природный газ (КПГ), бензин либо СНГ, бензин либо КПГ, дизельное… …

ГОСТ Р 41.83-2004: Единообразные предписания, касающиеся сертификации транспортных средств в отношении выбросов вредных веществ в зависимости от топлива, необходимого для двигателей - Терминология ГОСТ Р 41.83 2004: Единообразные предписания, касающиеся сертификации транспортных средств в отношении выбросов вредных веществ в зависимости от топлива, необходимого для двигателей оригинал документа: 2.13 БДС (OBD): Бортовая… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Координаты: 55°52′24″ с. ш. 37°28′34″ в. д. / 55.873333° с. ш. 37.476111° в. д. … Википедия

КПГ - компримированный природный газ КПГ Коммунистическая партия Греции Греция, полит. Словарь: С. Фадеев. Словарь сокращений современного русского языка. С. Пб.: Политехника, 1997. 527 с. КПГ контейнерный пункт грузовой … Словарь сокращений и аббревиатур

К атегория:

Автомобильные эксплуатационные материалы

Применение сжатого природного газа

Природный газ состоит в основном из метана и небольшой примеси других газообразных компонентов. Состав природного газа отличается в зависимости от его месторождения и может характеризоваться следующими средними значениями: метана 85…99, этана 1…8, пропана и бутана 0,5…3, пентана до 0.5…2, азота 0,5…0,7, углекислоты до 1,8% об.

Теплота сгорания природных газов отдельных месторождений может доходить до 47 МДж/м3, однако в среднем она составляет 33…36 МДж/м3. Эта величина почти в 1000 раз меньше, чем у жидкого нефтяного топлива, что и является основным недостатком природного газа как моторного топлива. Поэтому для обеспечения приемлемых эксплуатационных качеств автомобиля, прежде всего запаса хода при работе на природном газе, требуется его специальная подготовка: сжатие до давления 20 МПа и более с последующим хранением на автомобиле в баллонах высокого давления либо сжижение с помощью глубокого охлаждения до -162 °С с хранением в специальных криогенных (теплоизолированных) емкостях. Из-за большей простоты наиболее широко применяется природный газ в сжатом виде.

К природному газу, используемому в сжатом виде в качестве моторного топлива, предъявляются следующие специфические требования: отсутствие пыли и жидкого остатка, а также минимальная влажность. Последнее требование связано с исключением возможности закупорки каналов топливной системы, вызываемой замерзанием и выпадением гидратов вследствие дросселирования и снижения температуры газа при заправке автомобиля. Для обеспечения выполнения этих требований природный газ подвергается очистке с помощью фильтрующего, сепарационного и осушительного оборудования, установленного на газонаполнительных станциях.

В соответствии с ТУ 51-166-83 «Газ горючий природный сжатый, топливо для газобаллонных автомобилей», для заправки газовых автомобилей предназначены две марки СПГ (табл. 7). Их отличием является различное содержание метана и азота. В составе СПГ ограничено содержание следующих продуктов (г/м3, не более): сероводорода-0,02; меркаптановой серы- 0,016; механических примесей - 0,001; влаги - 0,009. Массовая доля сероводородной и меркаптановой серы в СПГ не должна превышать 0,1%.

В настоящее время наибольшее распространение получило использование природного газа в сжатом виде на автомобилях с двигателями внешнего смесеобразования и принудительным (искровым) воспламенением. Обычно на автомобиль с карбюраторным двигателем дополнительно устанавливаются баллоны для хранения природного газа под высоким давлением, газовые редукторы, электромагнитные клапаны и другая газовая арматура, обеспечивающая возможность работы двигателя на газе. Универсальность питания такого автомобиля (бензин или природный газ) является и его недостатком, так как не позволяет полностью использовать высокую детонационную стойкость природного газа.

Опыт эксплуатации отечественных газовых автомобилей, работающих на СПГ , выявил ряд положительных сторон, схожих с достоинствами при работе на СПГ . При использовании СПГ в качестве моторного топлива моторесурс двигателя увеличивается на 35…40%, срок службы свечей на 30…40%, расход моторного масла снижается благодаря увеличению периодичности (срока) его смены в 2…3 раза. Вместе с тем перевод на сжатый природный газ бензиновых автомобилей ведет к ухудшению ряда их эксплуатационных показателей. Мощность двигателя снижается на 18…20%, что ведет к снижению максимальной скорости на 5…6%, увеличению времени разгона на 24…30% и уменьшению максимальных углов преодолеваемых подъемов. Из-за большой массы баллонов для хранения газа высокого давления грузоподъемность автомобиля снижается на 9…14%. Дальность ездки на одной заправке газа не превышает 200…280 км.

Из-за наличия дополнительной топливной системы трудоемкость технического обслуживания и ремонта газового автомобиля увеличивается на 7…8%.

При использовании природного газа в качестве моторного топлива отмечены его плохие пусковые свойства. Предельное значение температуры холодного пуска двигателя (без дополнительных средств подогрева) на природном газе на 3…8 °С выше, чем на СНГ , и на 10…12 °С, чем на бензине. Трудность пуска объясняется высокой температурой воспламенения метана, а также тем, что в процессе воспламенения после нескольких вспышек на свечах осаждается вода, шунтирующая искровой промежуток.

Важным достоинством газовых топлив по сравнению с нефтяными являются лучшие экологические свойства, связанные прежде всего с уменьшением выбросов вредных веществ с отработавшими газами двигателя. Как известно, такими веществами являются окись углерода СО, окислы азота NO.t, суммарные углеводороды СН и в случае применения этилированных бензинов соединения свинца. Применение газовых топлив, отличающихся высокой детонационной стойкостью, исключает необходимость использования токсичного антидетонатора ТЭС и поэтому является эффективным фактором снижения загрязнения окружающей среды высокотоксичными свинцовыми соединениями. Изменение содержания окиси углерода при работе двигателя на газе и бензине в зависимости от состава топливно-воздушной смеси примерно одинаково. Однако, учитывая возможность работы газового двигателя на более бедных смесях, при его оптимальной регулировке обеспечиваются более низкие концентрации СО. Уровни выбросов СН также примерно одинаковы, однако их состав принципиально отличен. Вредное воздействие углеводородов, образующихся в продуктах сгорания нефтяных топлив, связано главным образом с образованием смога. При работе на природном газе углеводородная часть отработавших газов состоит в основном из метана, обладающего высокой устойчивостью к образованию смога.

Окислы азота являются наиболее токсичными компонентами отработавших газов. Их максимальное содержание для газового двигателя примерно в 2 раза меньше, чем для бензинового. Кроме того, оно может быть дополнительно снижено в 2…3 раза за счет регулировки состава топливной смеси.

Исходя из рассмотренных факторов применение газовых автомобилей на СПГ наиболее рационально на внутригородских грузовых перевозках для обслуживания предприятий торговли, быта и др. Использование природного газа перспективно и на городском пассажирском автотранспорте ввиду снижения в этом случае вредных выбросов, загрязняющих атмосферу. Для этой цели в нашей стране начат выпуск газовых автобусов ЛАЗ -695НГ и газовой модификации легкового автомобиля-такси ГАЗ -24-27.

Наиболее массовым автомобилем, работающим на сжатом природном газе, является грузовой автомобиль ЗИЛ -1Э8А. Основные элементы универсальной системы питания этого автомобиля, обеспечивающей работу на газе и бензине, использованы во всех других моделях газовых автомобилей. Газовая система питания автомобиля ЭИЛ -138А (рис. 23) включает восемь баллонов из углеродистой стали объемом 50 л каждый, рассчитанных на рабочее давление 20 МПа. Баллоны соединены трубками высокого давления и разделены на две секции с отдельными запорными вентилями 12. Заправка баллонов газом осуществляется с помощью вентиля. Перед подачей в двигатель газ проходит теплообменник, в котором подогревается горячими отработавшими газами двигателя. Для снижения давления газа используется редуктор высокого давления (снижает давление до 1,2 МПа) и низкого давления 5. Для контроля за работой системы питания служат два манометра, находящиеся в кабине водителя.

Рис. 1. Принципиальная схема топливной системы автомобиля ЗИЛ -1Э8А

Рис. 2. Схема газодизельной топливной системы автомобиля КамАЗ: 1 -двигатель; 2- ТНВД ; 3-дозатор газа; 4 - электромагнитный клапан с фильтром; 5-редуктор высокого давления; 6 - подогреватель газа; 7- вентили; 8 - манометр; 9 - редуктор низкого давления; 10- баллон; 11- смеситель; 12 - педаль подачи топлива

Резервная система питания бензином включает стандартный бензобак, электромагнитный клапан-фильтр, бензонасос и карбюратор-смеситель. Переход с одного вида топлива на другой осуществляется с помощью электромагнитных клапанов.

Общая вместимость баллонов составляет 400 л, что позволяет заправить 80 м3 газа при массе газобаллонной установки около 800 кг.

Сложность применения газовых топлив в дизельных двигателях связана с их плохой воспламеняемостью, низким цетановым числом и высокой температурой воспламенения. Поэтому для организации работы дизеля на природном газе используется газодизельный процесс, заключающийся в подаче в цилиндры дозы запального дизельного топлива, обеспечивающего воспламенение газовоздушной смеси.

Газодизельный процесс использован в ряде газовых модификаций автомобилей семейства КамАЗ, а также дизельных автобусах. В состав газодизельной системы питания автомобилей КамАЗ входит 8… 10 газовых баллонов высокого давления. Сжатый газ из баллонов поступает в подогреватель 6, где подогревается с помощью тепла охлаждающей жидкости. В редукторе давление газа снижается до 0,95… 1,1 МПа. После этого через электромагнитный клапан-фильтр он поступает в двухступенчатый редуктор низкого давления и затем через дозатор газа в смеситель, где смешивается с воздухом. Газовоздушная смесь подается в цилиндры двигателя, где в конце такта сжатия в нее через обычную форсунку впрыскивается запальная доза дизельного топлива.

Привод рычага управления регулятором топливного насоса высокого давления (ТНВД ) соединен тягой с приводом дроссельной заслонки дозатора. С помощью специального механизма обеспечивается постоянство расхода запальной дозы дизельного топлива в газодизельном режиме работы двигателя независимо от положения педали подачи топлива. Пуск газодизельного двигателя и его работа на холостом ходу происходят только на дизельном топливе. На остальных режимах повышение мощности двигателя достигается путем увеличения подачи газового топлива. Величина подачи запальной дозы составляет 15…20% от суммарного расхода топлива.

Заправка автомобилей природным газом осуществляется на стационарных автомобильных газонаполнительных станциях (АГНКС ) или с помощью передвижных автогазозаправщиков (ПАГЗ ). Типовая АГНКС обеспечивает 500 заправок в сутки. Ее технологическая схема состоит из пяти основных функциональных блоков: сепараторов, компрессоров, осушки, аккумуляторов газа и раздаточных колонок. АГНКС является сложным сооружением, включающим производственно-технологический корпус с газораздаточной и операторной, заправочную площадку с боксами для стоянки автомобилей и внешние коммуникации (подключение к газовой сети, водопровод, линия электропередачи и др.). Газ, поступающий из внешней сети, проходит сепарацию, далее сжимается компрессорами до 25 МПа и подается в установку осушки. Сухой газ направляется для хранения в аккумуляторы, откуда через газозаправочные колонки поступает на заправку автомобилей.

Рис. 3. Технологическая схема стационарной АГНКС

Число заправочных колонок на АГНКС - 8, время заправки с учетом всех операций составляет: для грузового автомобиля 10…12 мин, легкового - 6…8 мин.

Для заправки автомобилей автотранспортных предприятий, удаленных от АГНКС , используются передвижные автогазозаправщики (ПАГЗ ). На ПАГЗ смонтирована газобаллонная установка, снабженная блоками зарядки газом заправщика и раздачи газа автомобилям. Газобаллонная установка обычно включает три секции газовых баллонов объемом 400 fl каждая с давлением 32 МПа для ступенчатой заправки автомобилей бескомпрессорным способом. Заправка осуществляется с помощью двух раздаточных устройств.

СЖИЖЕННЫЙ УГЛЕВОДОРОДНЫЙ ГАЗ

Сжиженный углеводородный газ при атмосферном давлении и температуре выше нуля находится в газообразном состоянии. При сравнительно небольшом повышении давления - не более 1,6 МПа - он превращается в легкоиспаряющуюся жидкость. Сжиженный газ состоит в основном из смеси двух газов: пропана (около 80%) и бутана (примерно 20%). Кроме того, в нем в небольшом количестве содержатся такие газы, как этан, пентан, пропилен, бутилен и этилен. Теплота сгорания единицы массы сжиженного газа высокая - 46 МДж/кг. При плотности около 0,524 г/см (при 20°С) объемная теплота сгорания сжиженного газа превышает 24 000 МДж/м. Уступая по значению этого показателя бензину, сжиженный газ как топливо является полноценным его заменителем. Относительно небольшая масса тонкостенных стальных баллонов, рассчитанных на рабочее давление до 1,6 МПа, позволяет хранить на автомобиле достаточное количество газа, не уменьшая его полезной нагрузки. Поэтому автомобили, работающие на сжиженном газе, имеют такой же запас хода, как и бензиновые. Газообразное топливо лучше смешивается с воздухом и благодаря этому полнее сгорает в цилиндрах. По этой причине отработавшие газы у автомобилей, работающих на газообразных топливах, менее токсичны, чем у автомобилей, работающих на бензине. Высокая детонационная стойкость сжиженного газа (октановое число по исследовательскому методу более 110) позволяет повысить степень сжатия бензиновых двигателей, переоборудованных для работы на сжиженном газе.

Основными показателями, характеризующими качество сжиженного газа как топлива для автомобилей, являются компонентный состав, давление насыщенных паров, отсутствие жидкого (неиспаряющегося) остатка, содержание вредных примесей.

Компонентный состав газа -- показатель сжиженного газа, всесезонно отпускаемого газонаполнительными станциями для газобаллонных автомобилей, должен изменяться в ограниченных пределах. Сжиженный газ содержит (по массе) не менее 80±5% пропана, не более 20±5% бутана и не более 6% других газов (пропилена, бутилена, этилена). Нарушение соотношения между пропаном и бутаном изменяет теплоту сгорания газа и состав горючей смеси. В результате ухудшается процесс сгорания смеси в цилиндрах двигателя и увеличивается токсичность отработавших газов.

Давление насыщенных паров оказывает влияние на надежность подачи газа в цилиндры двигателя в холодное время года. При температуре минус 30°С оно не должно быть ниже 0,7 МПа. При дальнейшем уменьшении давления нарушится бесперебойная подача газа из баллона. Давление паров не должно также превышать 1,6 МПа при 45°С, так как именно на такое предельное рабочее давление рассчитаны баллоны, применяемые на газобаллонных автомобилях.

Содержание серы, щелочей и свободной воды . При повышенном содержании серы она оседает в топливной аппаратуре, сужая проходные сечения трубопроводов и разрушающе действуя на резино-технические детали. Сгорая в цилиндрах двигателя, сера повышает токсичность отработавших газов. Ее содержание не должно превышать 0,015% по массе. Щелочи и свободная вода должны отсутствовать.

Жидкий остаток . Данного остатка при температуре 40°С не должно быть.

СЖАТЫЙ ГАЗ

Сжатый газ, в отличие от сжиженного, сохраняет свое газообразное состояние при нормальной температуре и любом повышении давления. Он превращается в жидкость только после глубокого охлаждения (ниже минус 162°С). В качестве топлива для автомобилей используют сжатый до 20 МПа природный газ, добываемый из скважин газовых месторождений. Его основной компонент - метан. Сжатый газ имеет очень высокую теплоту сгорания единицы массы -- 49,8 МДж/кг, но из-за чрезвычайно малой плотности (0,0007 г/см при 0°С и атмосферном давлении) объемная теплота сгорания сжатого даже до 20 МПа природного газа не превышает 7000 МДж/кг, т. е. более чем 3 раза меньше, чем у сжиженного. Невысокое значение объемной топлоты сгорания не позволяет обеспечить хранение на автомобиле достаточного количества газа даже при высоком давлении. Вследствие этого запас хода газобаллонных автомобилей, работающих на сжатом природном газе, вдвое меньше, чем у бензиновых или у автомобилей, работающих на сжиженном углеводородном газе. Октановое число метана по исследовательскому методу около 110. Применение вместо бензина сжатого природного газа благодаря его огромным запасам и небольшой стоимости целесообразно, особенно на внутригородских и пригородных перевозках

Показатели сжатого газа : компонентный состав сжатого газа и содержание веществ, вредно влияющих на работу газобаллонной аппаратуры и ускоряющих износ двигателей.

Компонентный состав газа . Сжатый газ, предназначенный для всесезонного применения на автомобилях, должен содержать (по объему) метана не менее 90%, этана - не более 4%, небольшое количество (до 2,5%) других горючих углеводородных газов, окиси углерода - до 1%, кислорода - до 1%, азота - не более 5%.

Но нефтяной кризис 1973 года обновил интерес к газу в автомобильной промышленности .

Характеристики

Эксплуатационные свойства

Метановое топливо имеет более высокое октановое число и удельную теплоту сгорания чем нефтяное топливо или сжиженные углеводородные газы и не меняет физико-химические свойства при низких температурах. Октановое число компримированного природного газа находится в диапазоне 110-125 и при сгорании производит 48500 кДж/кг, бензин - 76-98 и 44000 кДж/кг, пропан-бутан - 102-112 и 46000 кДж/кг. Однако КПГ уступает бензину и пропан-бутану в теплоте сгорания стехиометрической смеси , и обеспечивает на 6-8% меньшую производительность в двигателях, рассчитанных на 2 вида топлива .

Транспортные средства, использующие компримированный природный газ, имеют меньшие эксплуатационные расходы. Стоимость 100 километров пробега легковых автомобилей, грузовиков и автобусов на КПГ в 1,5-2,5 раза ниже аналогичного показателя для транспорта на бензине, дизельном топливе или СУГ. Метан не образует нагар на поршнях , клапанах и свечах зажигания , не смывает масляную плёнку со стенок цилиндров , не разжижает масло в картере , благодаря чему межремонтный пробег автомобиля увеличивается в 1,5 раза, срок службы моторного масла, свечей и цилиндропоршневой группы - в 1,5-2 раза. Уменьшение нагрузки на двигатель также обеспечивает снижение шума его работы на 7-9 децибел .

Безопасность

Оборудование для компримированного природного газа имеет многократный запас прочности. Баллоны проходят испытания на разрушение при падении с высоты, попадании из огнестрельного оружия, воздействия открытого пламени, экстремальных температур и агрессивных сред, а также размещаются в статистически реже подверженных деформации частях автомобиля: по оценке BMW , вероятность значительного повреждения этих частей корпуса находится в диапазоне 1-5%. По статистике Американская газовая ассоциация собрала статистику на основе эксплуатации 2400 автомобилей на газовом топливе с совокупным пробегом 280 млн км в 1990-х - 2000-х годах. Данные показали, что в 180 из 1360 столкновений удар приходился в зону расположения баллонов, но ни один не был повреждён, и в 5 случаях было зафиксировано воспламенение бензина .

Экологичность

Компримированный природный газ относится к наиболее экологичным видам топлива и соответствует стандарту «Евро-5»/«Евро-6». Выбросы углекислого газа при использовании КПГ составляют 0,1 грамма на километр. Автомобили на КПГ выбрасывают в атмосферу в 2 раза меньше оксидов азота , в 10 раз меньше угарного газа и в 3 раза меньше других оксидов углерода , чем автомобили с бензиновыми двигателями. При сгорании природного газа не образуется сажа , отсутствуют выбросы свинца и серы . В целом использование КПГ обеспечивает в 9 раз меньшую задымлённость окружающего воздуха .

Стандартизация

Качество КПГ регулируется следующими национальными стандартами:

• ГОСТ 27577-2000 «Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. ТУ» (стандарт РФ);
• J1616 1994 «Surface vehicle recommended practice - recommended practice for compressed natural gas vehicle fuel» (стандарт США, разработанный SAE (обществом автомобильных инженеров));
• SAE J1616 (стандарт США);
• CARB (спецификация на КПГ, США, Калифорния);
• DIN 51624 «Automotive fuels Natural Gas - requirements and test procedures» (стандарт Германии);
• Legge 14 Novembre 1995 № 481. «Disposizioni generali in tema di qualita del gas natural» (стандарт Италии, устанавливающий нормы на сетевой природный газ, используемый для производства КПГ);
• Regulation of the Polish Ministry of Economy on the quality requirements for compressed natural gas (CNG) (стандарт Польши);
• GB 18047-2000 «Compressed natural gas as vehicle fuel» (стандарт Китая);
• SS 15 54 38 «Motor fuels. - Biogas as fuel for high-speed otto engines» (стандарт на компримированный биометан, применяющийся в качестве моторного топлива (типы A и B); разработан Шведским институтом стандартизации, принят 15.09.1999 г. и является общепризнанным в европейских странах);
• PCD 3 (2370)C «Compressed natural gas (CNG) for automotive purposes. Specification» (стандарт Индии);
• PNS 2029:2003 «Natural gas for use as a compressed fuel for vehicles - Specification» (стандарт Филиппин);
• 10K/34/DDJM/1993 (decree of Oil and Gas Director General, dated February 1, 1993) (стандарт Индонезии).

Технологии переработки и использования природного газа, отражённые в национальных стандартах, обобщены в международном стандарте ISO 15403 «Natural gas for use as a compressed fuel for vehicles». Его первая часть устанавливает требования к показателям природного газа, обеспечивающие безопасную и безотказную работу газонаполнительного оборудования и оборудования транспортного средства, вторая часть устанавливает требования к количественным значениям параметров, нормирующих качество природного газа как транспортного топлива .

Использование

Автомобили

Двигатели газовых автомобилей классифицируются по количеству видов топлива, использование которых предусмотрено конструкцией. Газовые (моно-топливные, англ. dedicated, monovalent ) двигатели спроектированы непосредственно для работы на природном газе, что обеспечивает наибольшую эффективность. Как правило, автомобили с газовыми двигателями не оборудованы бензиновым баком, но иногда поддерживают использование бензина в качестве резервного топлива. Бензиново-газовые (двухтопливные, англ. bi-fuel, bivalent ) двигатели позволяют использовать как газ, так и бензин. Большая часть бензиново-газовых автомобилей - машины, переоборудованные вне завода-изготовителя. Газо-дизельные (англ. dual-fuel ) двигатели на низких оборотах потребляется больше дизеля, на высоких - больше газа. Газовые и бензиново-газовые двигатели наиболее распространены на легковом и лёгком грузовом транспорте, газо-дизельные - на тяжёлых грузовиках .

Серийные автомобили, работающие на компримированном природном газе, выпускаются многими автомобильными концернами, включая Audi , BMW , Cadillac , Ford , Mercedes-Benz , Chrysler , Honda , Kia , Toyota , Volkswagen . В частности в сегменте легковых и лёгких грузовых автомобилей на рынке представлены Fiat Doblò 1.4 CNG , Fiat Qubo 1.4 Natural Power , Ford C-Max 2.0 CNG , Mercedes-Benz B 180 NGT , Mercedes-Benz E200 NGT , Mercedes-Benz Sprinter NGT , Opel Combo Tour 1.4 Turbo CNG , Opel Zafira 1.6 CNG Ecoflex , Volkswagen Caddy 2.0 Ecofuel и Life 2.0 Ecofuel, Volkswagen Passat 1.4 TSI Ecofuel , Volkswagen Touran 1.4 TSI Ecofuel , Volkswagen Transporter Caravelle 2.0 Bensin/Gas , Volvo V70 2.5FT Summum и другие модели . Крупный грузовой и пассажирский транспорт, работающий на КПГ, выпускают Iveco , Scania , Volvo и другие компании . Основные российские производители газомоторной техники - «Группа ГАЗ », КамАЗ и Volgabus . Всего на российском рынке представлено около 150 моделей газобаллонной техники, включая седельные тягачи КамАЗ, среднетоннажный «ГАЗон Next CNG» , малотоннажные «ГАЗель Next CNG» и «ГАЗель-Бизнес CNG» , легковые Lada Vesta , Lada Largus , модификации «УАЗ Патриот » и другие .

Правительства многих стран прибегают к организационным, нормативным и финансовым мерами стимулирования для популяризации газового топлива. В числе популярных организационных мер - запрет на использование дизельного топлива на автомобилях малой и средней грузоподъёмности или пассажировместимости, в пределах городов и природоохранных зон (Пакистан , Иран , Южная Корея , Бразилия), запрет на использование нефтяных видов топлива на общественном и коммунальном транспорте (Франция), приоритетный доступ компаний-потребителей газового топлива к муниципальному заказу (Иран, Италия). Нормативные меры, главным образом, затрагивают проектирование и строительство АГНКС и включают запреты на строительство заправочных станций без блока заправки природным газом (Италия) или послабления при строительстве АГНКС в черте городской застройки (Турция , Австрия , Южная Корея). Финансовое стимулирование включает единовременные выплаты на переоборудование или приобретение нового автотранспорта на КПГ (Италия, Германия), субсидированные кредиты на переоборудование (Пакистан), освобождение автовладельцев от платежей за парковку (Швеция), беспошлинный ввоз импортного газобаллонного оборудования (страны Европейского Союза , Иран), отказ от ценовой привязки газового топлива к нефтяному (ЕС) .

Водный транспорт

Компримированный природный газ менее распространён в качестве топлива для внутреннего и морского судоходства чем более удобный для транспортировки и хранения сжиженный природный газ , однако имеет применение в двухтопливных двигательных установках. Газ используется в качестве судоходного топлива на туристических судах в США (например, паром Elizabeth River I вместимостью 149 человек) и России («Москва» и «Нева-1»), Нидерландах (Mondriaan и Escher, спущенные на воду в 1994 году, Rembrandt и Van Gogh - в 2000 году). Также на 2011 год в Амстердаме были на ходу 11 барж на КПГ. В Канаде и Норвегии КПГ используется в смеси с дизельным топливом в силовых установках морских сухогрузов и пассажирских паромах. Примеры судов на КПГ включают спущенное на воду в Аделаиде , Австралия в конце 1980-х годов судно для перевозки известняка M.V. Accolade II, а также паромы M.V. Klatawa и M.V. Kulleet 1985 года постройки, обеспечивавшие перевозку пассажиров и автомобилей через реку Фрейзер близ Ванкувера на протяжении 15 лет. В 2008 году сингапурская компания Jenosh Group спустила на воду контейнеровоз , газовые баллоны которого погружаются в стандартные 20-футовые контейнеры . В 2009-2010 годах китайская верфь Wuhu Daijang построила 12 таких судов для эксплуатации в Таиланде и получила заказ ещё на 12 кораблей, а Jenosh Group занялась разработкой контейнеровоза с запасом хода 1500 морских миль, ориентированного на заказчиков из Индии , Пакистана , Индонезии и Вьетнама .

Авиация

Компримированный газ не получил распространения в качестве авиационного топлива. В 1988 году конструкторское бюро «Туполев» подняло в воздух экспериментальный Ту-155 на КПГ, который использовался для испытаний газового топлива: меньшая масса газа могла обеспечить самолёту большую полезную нагрузку. Компримированный газ имеет потенциал для малой авиации, имеющей сравнительно низкий расход топлива. Например, в 2014 году компания Aviat Aircraft выпустила двухместный Aviat Husky - первый серийный двухтопливный самолёт .

Железнодорожный транспорт

Экологическая безопасность и экономическая целесообразность использования компримированного природного газа способствуют его использованию на других видах транспорта, включая железнодорожный. В 2005 году первый в мире поезд с силовой установкой на компримированном газе начал работу в центральном регионе Перу . В январе 2015 года министр путей сообщения Индии торжественно открыл движение поезда, приводимого в движение двигательной установкой на смеси дизельного топлива и КПГ, на линии между городами Ревари и Рохтак в штате Харьяна . Также в январе 2015 года поезд с газовым двигателем вышел на линию между чешскими городами Опава и Глучин .

Распространённость

Крупнейшим макрорегионом по числу автомобилей на КПГ является Азия . Там сконцентрированы ~15 из ~24,5 млн машин. Ещё около 5 млн приходится на страны Латинской Америки. В Европе КПГ используется в 2 млн авто. На страны Африки и Северной Америки приходится в сумме ещё около 370 тысяч машин .

Африка

Издание NGV Africa в ноябре 2014 года приводило данные, согласно которым в Африке было около 213 тысяч автомобилей на КПГ и 200 заправочных станций . В период с 2012 по 2016 год парк газовых автомобилей в Африке вырос всего на 3 % . Де-факто единственный развитый рынок - Египет , где инфраструктуру стали развивать с середины 1990-х и где к сентябрю 2014 года было почти 208 тысяч газобаллонных машин (чуть менее 3 % всего автопарка страны) и 181 заправка .

В других странах на континенте - Нигерии , ЮАР , Мозамбике , Алжире , Танзании и Тунисе - внедрение КПГ носит точечный характер и в основном затрагивает автобусы. В Нигерии в 2010-е запущена государственная программа стоимостью 100 млн американских долларов по строительству газозаправочной инфраструктуры, которая должна в перспективе увеличить парк газовых машин до нескольких десятков тысяч . Распространению КПГ в Африке, в том числе в Египте, мешает высокая стоимость переоборудования автомобилей и строительства заправок, так как всё необходимое оборудование импортируется .

Океания

Количество автомобилей на КПГ в Океании крайне мало. В Новой Зеландии на фоне нефтяных кризисов 1970-х и начала 1980-х под КПГ было переоборудовано 120 тысяч автомобилей или 11 % всего автопарка . С отменой в 1986 году государственных субсидий на переоборудование машин и на фоне упавших цен на нефть постепенно автопарк на КПГ стал сокращаться, и к 2016 году число газовых машин снизилось до 65 штук .

Северная Америка

В период с 2012 по 2016 год парк газовых автомобилей в Северной Америке вырос на 26 %. Такой рост объясняется во многом эффектом низкой базы - в Северной Америке автомобилей на КПГ меньше, чем в Африке, - всего около 180 тысяч машин .

Канада

В Канаде благодаря запущенным в 1980-х федеральным и провинциальным программам по исследованию газа как топлива и его внедрению в автомобильный транспорт число машин, работающих на КПГ, к середине 1990-х выросло до 35 тысяч. Газ широко применялся в качестве топлива в рейсовых автобусах. После падения цен на нефть программы по поддержке газа свернули. В дальнейшем на фоне ограниченного предложения от производителей машин, готовых к использованию КПГ, и постоянно сжимающейся инфраструктуры (с 1997 по 2016 год число заправочных станций упало с 134 до 47) парк газовых автомобилей сократился до 12 тысяч единиц .

США

Как и в Канаде, США с начала 1980-х внедряли программы по замещению газом дорогого нефтяного топлива. Число КПГ-автомобилей достигло пика в 2004 году (121 тысяча) и перестало расти. Только в 2010-е начался рост, вызванный как экологическими инициативами таких штатов, как Калифорния , а также резким падением цен на газ в результате сланцевой революции . На 2016 год в США насчитывалось 160 тысяч газовых автомобилей и 1750 заправок . Наибольшая плотность сети заправок на 2013 год была в Южной Калифорнии . По состоянию на 2016 год многие частные компании и власти ряда штатов объявили о планах постройки сети заправок .

За низкими ценами на газ последовал спрос со стороны коммерческих компаний. Американские производители автокомпонентов стали предлагать новое оборудование для грузового и автобусного транспорта. Работающие на КПГ школьные автобусы представили компании Thomas Built Buses и Freightliner Custom Chassis Corporation . Спрос на новые разработки был поддержан Министерством транспорта США , которое объявило о выделении гранта в размере 211 млн долларов на ремонт и обновление школьных и рейсовых автобусов в 41 штате. Часть поддержанных проектов подразумевает замену старых дизельных автобусов новыми, работающими на сжатом природном газе. В 2016 году транспортные компании FedEx и United Parcel Service расширяли парк газовых автомобилей и одновременно строили для себя собственные сети КПГ-заправок .

Распространению КПГ на массовом рынке мешало ограниченное предложение машин. Фактически единственным серийным автомобилем, приспособленным под использование КПГ, был Honda Civic . В 2012 году вышел работающий на КПГ Ram 2500 компании Chrysler . В 2014 модельном году Ford представил битопливный пикап F-150 , а в 2015 году вышел его битопливный конкурент Chevrolet Silverado .

Латинская Америка

Латинская Америка - второй рынок по размеру после Азии. На 2016 год насчитывалось около 5,5 млн машин на КПГ . Страной с наибольшим проникновением КПГ в качестве автомобильного топлива в Южной Америке является Боливия : на 2016 год на КПГ ездили 360 тысяч автомобилей, то есть почти всего 30 % автотранспорта. При этом это показатель для общественного транспорта был ещё выше - 80 % . Одной из причин высокого проникновения КПГ стало то, что конфедерация водителей добилась финансирования программы переоборудования автотранспорта на КПГ по линии государственного бюджета из налогов и сборов с продажи природного газа без дополнительных выплат со стороны водителей .

По данным на 2016 год, по абсолютному количеству автомобилей на КПГ Боливию опережает Колумбия , где их насчитывалось 543 тысячи, а также Аргентина и Бразилия с 2,295 млн и 1,781 млн машин на КПГ соответственно . Широкому распространению КПГ в Аргентине поспособствовала политика президента Рауля Альфонсина , проводимая в 1980-е с целью заместить дорожавшее нефтяное топливо . В Бразилии КПГ в качестве топлива для легкового транспорта впервые был использован в 1996 году, а до того в стране широко были распространены автомобили, работающие на биоэтаноле , получаемом из сахарного тростника . Благодаря ряду государственных программ число автомобилей, работающих на КПГ, достигло миллиона уже через 9 лет .

Европа

Европейский газовый рынок является третьим по величине в мире, уступая Азии и Латинской Америке. По данным на 2016 год, в Европе было более 2,187 млн автомобилей, использующих газ, - это число выросло за предыдущие четыре года на 25%. Общее число заправочных станций достигло 4608 штук .

ЕС и ЕАСТ

В Европейском Союзе действует директива Европейского парламента и Европейского Совета 2014/94/EU о развёртывании инфраструктуры альтернативного топлива от 22 октября 2014 года. Директива требует от государств-членов ЕС принять национальные рамочные программы для развития рынка альтернативного топлива и устанавливает нормативы по необходимому количеству заправок с альтернативным топливом из расчёта количества населения и отдалённости заправок друг от друга, предусматривает применение общих для стран ЕС стандартов для заправочных станций и станций зарядки электромобилей, устанавливает способ доведения до потребителей информации об альтернативном топливе, включая методологию понятного и четкого сравнения цен на топливо. Директива устанавливает следующие сроки развития инфраструктуры КПГ на территории ЕС: создание достаточной инфраструктуры в городских и плотно населённых зонах к концу 2020 года, создание сети заправок КПГ вдоль коридоров TEN-T (англ.) русск. к концу 2025 года .

Россия

К октябрю 2016 году в России зарегистрировано более 145 тысяч машин, использующих КПГ .

В основном природный газ в России реализуется на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС), газ на которые поступает непосредственно по газопроводам. Подобное решение унаследовано от Советского Союза , в котором программа развития газового транспорта началась в 1980-х годах. Программа разрабатывалась на перспективу, поскольку СССР не испытывал дефицита нефтепродуктов. Решение о создании в стране сети АГНКС было принято в декабре 1983 года, тогда же была запущена первая в московском регионе станция, расположенная в посёлке Развилка на пересечении МКАД и Каширского шоссе и рассчитанная на 500 заправок с сутки. Станция была оснащена итальянским оборудованием, но на построенные в 1985-1987 годах на МКАД станции АГНКС-500 уже устанавливались компрессоры советского производства .

К концу 2016 года насчитывалось около 320 АГНКС. Крупнейшим владельцем и оператором АГНКС является «Газпром» . Для комплексного развития газомоторной отрасли в декабре 2012 года «Газпром» создал специализированную компанию «Газпром газомоторное топливо» . К 2020 году компания планирует увеличить свою сеть до 480-500 точек, а также устанавливать модули заправки КПГ на действующих жидкотопливных АЗС компаний-партнёров .

Крупнейшими потребителями газомоторного топлива в России являются Ставропольский и Краснодарский края , Свердловская , Челябинская , Кемеровская и Ростовская области , а также республики Кабардино-Балкария , Татарстан и Башкортостан . В мае 2013 года Правительство РФ издало распоряжение № 767-р, в котором установлены целевые показатели по использованию природного газа на общественном и коммунальном транспорте для городов с населением более 100 тысяч человек . Для стимулирования спроса к 2020 году в этих городах запланировано перевести до половины общественного транспорта и автотехники коммунальных служб на природный газ . В рамках этой инициативы в ряде городов уже эксплуатируются автобусы на природном газе. В Санкт-Петербурге первые подобные автобусы появились в 2013 году . В Ростове-на-Дону и Волгограде к Чемпионату мира по футболу планируют закупить более 100 автобусов на КПГ .

Азия

Азия - крупнейший регион по числу автомобилей на КПГ. По данным Asian NGV Communications, общее число подобных транспортных средств на 2016 год составляет более 16,4 млн. Крупнейшие страны по числу автомобилей на КПГ расположены в Азии: Китай (более 5 млн машин), Иран (более 4 млн), Пакистан (более 3 млн), Индия (более 3 млн) и Таиланд (475 тысяч) . По данным на февраль 2017 года в странах Азии насчитывается более 17,2 тысяч заправок .

Пакистан является мировым лидером в газификации автотранспорта (треть всего автопарка), обгоняя Аргентину и Бразилию. В Пакистане развёрнуто производство как легковых транспортных средств на КПГ, так и грузовиков и автобусов, причём объём производства превышает объём переоборудования. В стране более 2300 АГНКС, субсидируется строительство новых, отменены ввозные пошлины на газобаллонное оборудование, на государственном уровне регламентированы типы баллонов и комплекты газовой аппаратуры .

Примечания

Комментарии

Источники

1. Андрей Филатов. Сжатая альтернатива (неопр.) . АБС-Авто (июнь 2016). Проверено 30 июля 2017.
2. Беляев С. В., Давыдков Г. А. Проблемы и перспективы применения газомоторных топлив на транспорте // Resources and Technology: журнал. - 2010. - С. 13-16 .
3. Трофимова Г. И., Трофимов Н. И., Бабушкина И. А., Черемсина В. Г. Метан как альтернативное топливо // Символ науки: журнал. - 2016. - № 11-3 . - С. 165-171 . - ISSN 2410-700X .
4. Государственная программа Республики Татарстан «Развитие рынка газомоторного топлива в Республике Татарстан на 2013-2023 годы» (неопр.) . Министерство транспорта и дорожного хозяйства Республики Татарстан. Проверено 11 июня 2017.
5. Михаил Снегиревский. Как перевести машину на газ и почему это выгодно (неопр.) . 5 колесо (28 ноября 2016). Проверено 11 июня 2017.
6. Сравнение эффективности использования разных видов моторного топлива в России (неопр.) . Эксперт Online. Проверено 11 июня 2017.
7. Азатян В. В., Козляков В. В., Сажин В. Б., Саранцев В. Н. Обеспечение взрыво пожаробезопасности при работе на комприморованном природном газе и водороде // Успехи в химии и химической технологии: журнал. - 2009. - Т. XXIII , № 1 (94) . - С. 109-112 .
8. Николайчук Л. А., Дьяконова В. Д. Современное состояние и перспективы развития рынка газомоторного топлива в России // Интернет-журнал Науковедение: журнал. - 2016. - Март-апрель (т. 8 , № 2 ). - С. 1-2 . - ISSN 2223-5167 . - DOI :10.15862/106EVN216 .
9. Гнедова Л. А., Федотов И. В., Гриценко К. А., Лапушкин Н. А., Перетряхина В. Б. Газомоторные топлива на основе метана. Анализ требований к качеству и исходному сырью // Вести газовой науки: научно-технический сборник. - 2015. - № 1 (21) . - С. 86-97 .
10. Engine Types (неопр.) . Natural Gal Vehicles Knowledge Base. Проверено 30 июля 2017.
11. This is Advanced Energy . - Advanced Energy Economy, 2016. - С. 61. - 75 с.
12. Заводские автомобили на метане (неопр.) . Автомобильные газонаполнительные компрессорные станции. Проверено 30 июля 2017.
13. Колчина И. Н. Анализ зарубежного опыта использования природного газа в качестве моторного топлива // Система управления экологической безопасностью: сборник трудов IX заочной международной научно-практической конференции (Екатеринбург, 30–31 мая 2015 г.). - 2015. - С. 79-84 .
14. http://ap-st.ru/ru/favorites/8596/ (неопр.) (недоступная ссылка) . Автоперевозчик Спецтехника (2 февраля 2015). Проверено 30 июля 2017. Архивировано 12 сентября 2017 года.
15. Вадим Штанов. Потребителям газомоторной техники не хватает заправочных станций в России (неопр.) . Ведомости (14 марта 2016). Проверено 30 июля 2017.
16. Михаил Ожерельев. Выгодные перевозчики: грузовики на метане (неопр.) . 5 Колесо (2 октября 2015). Проверено 30 июля 2017.
17. Модернизация транспортного комплекса России: внедрение природного газа в качестве моторного топлива // Транспорт Российской Федерации. Журнал о науке, практике, экономике: журнал. - 2015. - № 5 (60) . - С. 16-17 .
18. Перевод транспорта на газомоторное топливо: проблемы и перспективы (неопр.) . Высшая школа экономики. Проверено 12 июня 2017.
19. Алакаров И. А., Хоанг Коанг Льонг. Применение и хранение природного газа в качестве судового топлива в зарубежных странах и в России: обзор // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология: журнал. - 2012. - № 2 . - С. 59-64 .
20. . - The World Bank, 2011. - С. 72. - 116 с.
21. Other Natural Gas Marine Vessels Now in Operation (неопр.) . Brett & Wolf. Проверено 30 июля 2017.
22. Take A Look At Some Natural Gas-Powered Airplanes (неопр.) . Well Said (6 ноября 2014). Проверено 30 июля 2017.
23. Dean Sigler. Renewable Biomethane – an Economic Alternative? (неопр.) . Sustainable Skies (14 декабря 2016). Проверено 30 июля 2017.
24. Paula Alvardo. The First CNG Train Starts Functioning in Peru (неопр.) . Treehugger (21 июня 2005). Проверено 30 июля 2017.
25. First CNG Train: Railway Minister Suresh Prabhu to launch first CNG train from Rewari (неопр.) . India Today (13 января 2015). Проверено 30 июля 2017.
26. VMG Introduces CNG Locomotive in Czech Republic (неопр.) . NGV Global News (17 января 2015). Проверено 30 июля 2017.

В производственных процессах, связанных с использованием газов (диспергирование, перемешивание, пневмотранспорт, сушка, абсорбция и т. д.), перемещение и сжатие последних происходит за счет энергии, сообщаемой им машинами, которые носят общее название компрессионных . При этом производительность компрессионных установок может достигать десятков тысяч кубометров в час, а давление изменяется в пределах 10 –8 –10 3 атм., что обусловливаетбольшое разнообразие типов и конструкций машин, применяемых для перемещения, сжатия и разрежения газов. Машины, предназначенные для создания повышенныхдавлений, получили название компрессоров, а машины, работающие на создание разрежения –вакуум-насосов .

Классифицируют компрессионные машины в основном по двум признакам: принципу действия и степени сжатия. Степень сжатия – это отношение конечного давления газа на выходе из машиныр 2 к начальному давлению на входеp 1 (т. е.p 2 /p 1).

По принципу действия компрессионные машины подразделяют на поршневые, лопастные (центробежные и осевые), ротационные и струйные.

По степени сжатия различают:

– компрессоры, используемые для создания высоких давлений, со степенью сжатия р 2 /р 1 > 3;

– газодувки, служащие для перемещения газов при большом сопротивлении газопроводной сети, при этом 3 > p 2 /p 1 >1,15;

– вентиляторы, применяемые для перемещения больших количеств газа при p 2 /p 1 < 1,15;

– вакуум-насосы, отсасывающие газ из пространства с пониженным давлением (ниже атмосферного) и нагнетающие его в пространство с повышенным (выше атмосферного) или атмосферным давлением.

В качестве вакуум-насосов могут быть использованы любые компрессионные машины; более глубокий вакуум создают поршневые и ротационные машины.

В отличие от капельных жидкостей, физические свойства газов функционально зависят от температуры и давления; процессы перемещения и сжатия газов связаны с внутренними термодинамическими процессами. При малых перепадах давлений и температур изменения физических свойств газов в процессе их движения с малыми скоростями и давлениями, близкими к атмосферному, незначительны. Это дает возможность использования всех основных положений и законов гидравлики для их описания. Однако при отклонении от нормальных условий, в особенности при высоких степенях сжатия газа, многие положения гидравлики претерпевают изменение.

1. Термодинамические основы процесса сжатия газов

Влияние температуры на изменение объема газа при постоянном давлении, как известно, определяется законом Гей – Люссака, т. е. при p = const объем газа прямо пропорционален его температуре:

где V 1 иV 2 – объемы газа соответственно при температурахТ 1 иТ 2 , выраженные по шкале Кельвина.

Связь между объемами газа при разных температурах может быть представлена зависимостью

, (4.1)

где V иV 0 – конечный и начальный объемы газа, м 3 ;t иt 0 – конечная и начальная температура газа, °С;β t – относительный коэффициент объемного расширения, град. –1 .

Изменение давления газа в зависимости от температуры:

, (4.2)

где р ир 0 – конечное и начальное давление газа, Па;β р – относительный температурный коэффициент давления, град. –1 .

Масса газа М при изменении его объема остается постоянной. Если ρ 1 иρ 2 плотности двух температурных состояний газа, то
и
либо
, т.е. плотность газа при постоянном давлении обратно пропорциональна его абсолютной температуре.

По закону Бойля-Мариотта, при одной и той же температуре произведение удельного объема газа v на значение его давленияр есть величина постояннаяp v = const. Следовательно, при постоянной температуре
, а
, т. е. плотность газа прямо пропорциональна давлению, так как
.

Учитывая уравнение Гей-Люссака, можно получить соотношение, связывающее три параметра газа: давление, удельный объем и его абсолютную температуру:

. (4.3)

Последнее уравнение носит название уравнения Клайперона . В общем виде:

либо
, (4.4)

где R – газовая постоянная, которая представляет собой работу, совершаемую единицей массы идеального газа в изобарном (p = const) процессе; при изменении температуры на 1° газовая постояннаяR имеет размерность Дж/(кгград):

, (4.5)

где l р – удельная работа изменения объема, совершаемого 1 кг идеального газа при постоянном давлении, Дж/кг.

Таким образом, уравнение (4.4) характеризует состояние идеального газа. При давлении газа свыше 10 атм использование этого выражения вносит погрешность в расчеты (p v ≠RT ), поэтому рекомендуется пользоваться формулами, которые более точно описывают зависимость между давлением, объемом и температурой реального газа. Например, уравнением Ван-дер-Ваальса:

, (4.6)

где R = 8314/M – газовая постоянная, Дж/(кг·К);М – молекулярная масса газа, кг/кмоль;а ив – величины, постоянные для данного газа.

Величины а ив могут быть рассчитаны по критическим параметрам газа (Т кр ир кр):

;
. (4.7)

При высоких давлениях величина а/v 2 (дополнительного давления в уравнении Ван-дер-Ваальса) мала по сравнению с давлениемp и ею можно пренебречь, тогда уравнение (4.6) превращается в уравнение состояния реального газа Дюпре:

, (4.8)

где величина в зависит только от рода газа и не зависит от температуры и давления.

На практике для определения параметров газа при различных его состояниях чаще пользуются термодинамическими диаграммами: Т –S (температура–энтропия),p–i (зависимость давления от энтальпии),p –V (зависимость давления от объема).

Рисунок 4.1 – Т–S диаграмма

Все параметры газа на диаграмме Т–S отнесены к 1 кг газа.

Так как в соответствии с термодинамическим определением
, то теплота изменения состояния газа
. Следовательно, площадь под кривой, описывающей изменение состояния газа, численно равна энергии (теплоте) изменения состояния.

Процесс изменения параметров газа называют процессом изменения его состояния. Каждое состояние газа характеризуется параметрами p ,v иТ . В процессе изменения состояния газа могут меняться все параметры или один из них оставаться постоянным. Так, протекающий при постоянном объеме процесс называетсяизохорическим , при постоянном давлении –изобарическим , а при постоянной температуре –изотермическим . Когда при отсутствии теплообмена между газом и внешней средой (теплота не отводится и не подводится) изменяются все три параметра газа (p, v ,Т ) в процессе его расширения либо сжатия, процесс называется адиабатическим , а когда изменение параметров газа происходит при непрерывном подводе или отводе теплоты– политропическим .

При изменяющихся давлении и объеме, в зависимости от характера теплообмена с окружающей средой, изменение состояния газа в компрессионных машинах может происходить изотермически, адиабатически и политропически.

При изотермическом процессе изменение состояния газа следует закону Бойля–Мариотта:

pv = const.

На диаграмме p–v этот процесс изображается гиперболой (рис. 4.2). Работа 1 кг газаl графически представляется заштрихованной площадью, которая равна
, т. е.

либо
. (4.9)

Количество тепла, которое выделяется при изотермическом сжатии 1 кг газа и которое необходимо отводить путем охлаждения, чтобы температура газа оставалась постоянной:

, (4.10)

где c v иc р – удельные теплоемкости газа при постоянном объеме и давлении, соответственно.

На диаграмме Т–S процесс изотермического сжатия газа от давленияр 1 до давленияр 2 изображается прямой линиейаб , проведенной между изобарамир 1 ир 2 (рис. 4.3).

Тепло, эквивалентное работе сжатия, изображается площадью, ограниченной крайними ординатами и прямой аб , т. е.

. (4.11)

Рисунок 4.4 – Процессы сжатия газа на диаграмме
:

А – адиабатический процесс;

Б – изотермический процесс

При адиабатическом процессе сжатия газа изменение его состояния происходит за счет изменения его внутренней энергии, а следовательно, и температуры.

В общей форме уравнение адиабатического процесса описывается выражением:

, (4.12)

где
– показатель адиабаты.

Графически (рис. 4.4) этот процесс на диаграмме p–v изобразится гиперболой более крутой, чем на рис. 4.2., так какk > 1.

Если принять

, то
. (4.13)

Поскольку
иR = const, полученное уравнение можно выразить иначе:

или
. (4.14)

Путем соответствующих преобразований можно получить зависимости для других параметров газа:

;
. (4.15)

Таким образом, температура газа в конце его адиабатического сжатия

. (4.16)

Работа, совершаемая 1 кг газа в условиях адиабатического процесса:

. (4.17)

Тепло, выделяющееся при адиабатическом сжатии газа, эквивалентно затрачиваемой работе:

С учетом соотношений (4.15) работа на сжатие газа при адиабатическом процессе

. (4.19)

Процесс адиабатического сжатия характеризуется полным отсутствием теплообмена между газом и окружающей средой, т.е. dQ = 0, аdS = dQ/T , поэтомуdS = 0.

Таким образом, процесс адиабатического сжатия газа протекает при постоянной энтропии (S = const). На диаграммеТ–S этот процесс изобразится прямой линиейАВ (рис. 4.5).

Рисунок 4.5 – Изображение процессов сжатия газа на диаграмме Т–S

Если в процессе сжатия выделяющееся тепло отнимается в меньшем количестве, чем это необходимо для изотермического процесса (что происходит во всех реальных процессах сжатия), то фактически затрачиваемая работа будет большей, чем при изотермическом сжатии, и меньшей, чем при адиабатическом:

, (4.20)

где m – показатель политропы,k >m >1 (для воздухаm
).

Значение показателя политропы m зависит от природы газа и условий теплообмена с окружающей средой. В компрессионных машинах без охлаждения показатель политропы может быть больше показателя адиабаты (m >k ), т. е. процесс в этом случае протекает по сверхадиабате.

Работу, затрачиваемую на разрежение газов, рассчитывают по тем же уравнениям, что и работу на сжатие газов. Отличие лишь в том, что р 1 будет меньше атмосферного давления.

Процесс политропического сжатия газа от давленияр 1 до давления р 2 на рис. 4.5 изобразится прямойАС . Количество тепла, выделяемое при политропическом сжатии 1 кг газа, численно равно удельной работе сжатия:

Конечная температура сжатия газа

. (4.22)

Мощность, затрачиваемая компрессионными машинами на сжатие и разрежение газов, зависит от их производительности, конструктивных особенностей, теплообмена с окружающей средой.

Теоретическая мощность, затрачиваемая на сжатие газа
, определяется производительностью и удельной работой сжатия:

, (4.23)

где G иV – массовая и объемная производительность машины соответственно;
– плотность газа.

Следовательно, для различных процессов сжатия теоретически затрачиваемая мощность:

; (4.24)

; (4.25)

, (4.26)

где – объемная производительность компрессионной машины, приведенная к условиям всасывания.

Фактически затрачиваемая мощность в силу ряда причин больше, т.е. потребляемая машиной энергия выше, чем та, которую она передает газу.

Для оценки эффективности компрессионных машин используют сравнение данной машины с наиболее экономичной машиной того же класса.

Машины с охлаждением сравнивают с машинами, которые сжимали бы газ при данных условиях изотермически. В этом случае к. п. д. носит название изотермического,  из:

, (4.27)

где N – фактически затрачиваемая мощность данной машиной.

Если машины работают без охлаждения, то сжатие газа в них происходит по политропе, показатель которой выше показателя адиабаты (m k ). Поэтому затрачиваемую мощность в таких машинах сравнивают с мощностью, которую затрачивала бы машина при адиабатическом сжатии газа. Отношение этих мощностей представляет собой адиабатический к.п.д.:

. (4.28)

С учетом мощности, теряемой на механическое трение в машине и учитываемой механическим к.п.д. –  мех, мощность на валу компрессионной машины:

либо
. (4.29)

Мощность двигателя рассчитывается с учетом к.п.д. самого двигателя и к.п.д. передачи:

. (4.30)

Установочная мощность двигателя принимается с запасом (
):

. (4.31)

Значение  ад колеблется в пределах 0,930,97; из в зависимости от степени сжатия имеет значение 0,640,78; механический к. п. д. меняется в пределах 0,850,95.