Исследование параметров состояния сжиженного углеводородного газа Текст научной статьи по специальности «Техника и технологии»

УДК 621.439:629.114.5

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА

Полвонов Абдижалил НамИСИ, к. т. н., доцент, [email protected]. Тел. 974094320

Абдусатторов Нодиржон НамИСИ, преподаватель, [email protected]. Тел. 993210244.

Хабибуллаев Давронбек НамИСИ, студент, bdsbds@gmailcom, Тел. 940545000

Аннотация: в статье приведены методы и места слива сжиженного газа из автомобильных газовых баллонов, состояние сжиженного газа, параметры состояния смеси СУГ в газовом баллоне, применение закона газового состояния для идеальных газов, определение равновесного состава паровой фазы по заданному составу и концентрация компонентов равновесной жидкой фазы.

Annotatsiya: maqolada suyultirilgan gazni avtomobil gaz ballonlaridan to'kish usullari va joylari, suyultirilgan gazning holati, gaz ballonidagi SUG aralashmasining holat parametrlari, ideal gazlar uchun gaz holati qonunlari, berilgan tarkib bo'yicha bug' fazasining muvozanat tarkibini aniqlash va muvozanat suyuq fazasi tarkibiy qismlarining kontsentratsiyasi keltirilgan.

Annotation: The article presents methods and places of discharge of liquefied gas from automobile gas cylinders, the state of liquefied gas, the parameters of the state of the liquefied petroleum gas (LPG) mixture in a gas cylinder, the application of the laws of the gas state for ideal gases, the determination of the equilibrium composition of the vapor phase according to a given composition and the concentration of components of the equilibrium liquid phase.

Ключевые слова: сжиженные углеводородные газы, топливо, автомобиль, техническое обслуживание, газобаллонный автомобиль, двухфазная смесь, фаза, температура, упругость паров, двухфазная система, конденсация паров, испарения жидкости, давление, сливной магистраль, сливной резервуар, паровая фаза, плотность, концентрация компонентов, состав жидкой фазы, диапазон, воздух, энергия, энтальпия.

Kalit so'zlar: suyultirilgan uglevodorod gazlari, yonilg'i, avtomobil, texnik xizmat ko'rsatish, gaz ballonli avtomobil, ikki fazali aralashma, faza, harorat, bug' elastikligi, ikki fazali tizim, bug' kondensatsiyasi, suyuqlikni bug'lanishi, bosim, to'kish magistrali, to'kish sig'imi, bug' fazasi, zichlik, komponentlar konsentratsiyasi, suyuq faza tarkibi, diapazon, havo, energiya, entalpiya.

Keywords: liquefied petroleum gases, fuels, automobile, maintenance, gas cylinder car, two-phase mixture, phase, temperature, vapor elasticity, two-phase system, vapor condensation, liquid evaporation, pressure, drain line, drain tank, steam phase, density, concentration of components, composition of liquid phase, range, air, energy, enthalpy.

Сжиженные углеводородные газы (СУГ) повсеместно используются как бытовое и технологическое топливо, а также применяются в качестве топлива для автомобильного транспорта [1, 2]. Все большая доля автомобилей переводится на СУГ, так как при прочих равных условиях газ является экономически более выгодным топливом [3].

В процессе технического обслуживания газобаллонных автомобилей (ГБА) приходится выполнять ряд специфических операций, указанных в нормативном

документе РД 03112194-1094-03, к которым относится слив сжиженного газа из автомобильных газовых баллонов [4]. Слив сжиженного газа из автомобильных баллонов разрешается производить только на посту слива СУГ для исключения загрязнения окружающей среды и скопления взрывоопасных газовых облаков в низинах и ямах, поэтому данная статья является актуальной.

Сжиженный углеводородный газ (СУГ) представляет собой двухфазную смесь жидкосты - пар. При этом пары сжиженных газов находятся в насыщенном состоянии только в том случае, если имеется свободная поверхность жидкости данного вещества в замкнутом пространстве, т.е. когда существует одновременно две фазы - жидкая и паровая.

Эта двухфазная система может существовать лишь при температуре, которой будет отвечать определенная упругость паров, и, наоборот, при заданной упругости насыщенного пара система «жидкость - пар» может существовать только при определенной температуре [5]. Таким образом, каждой температуре отвечает определенное давление. Следовательно, при двухфазной системе в условиях равновесия не происходит ни конденсация паров, испарения жидкости. Кроме того, все части системы имеют одинаковые температуру и давление, т.е. система находится в термически равновесном состоянии [6].

В данном случае, как свидетельствуют эксперименты, жидкая фаза интенсивно перемешивается с газовой. При сливе СУГ из автомобильного баллона допускается проникновение в сливную магистраль газовых пузырей. Процесс выдавливания жидкой фазы СУГ из автомобильного газового баллона в сливной резервуар является адиабатическим, т.к. передачи тепла от молекул газа стенкам сливной магистрали не происходит [7, 8]. Никаких химических превращений в газовом баллоне не происходит, меняются только параметры жидкой и паровой фаз [9]. При этом основными параметрами состояния смеси СУГ в газовом баллоне являются абсолютное давление р, плотность р и абсолютная температура Т. Эти три параметра носят название термических параметров состояния [10]. Для полной характеристики состояния жидкой и паровой фаз необходимо знать давление р и плотность р СУГ.

Так как все расчеты проводятся в пределах давления 0,2-1,6 МПа, то применимы законы газового состояния для идеальных газов [6]. Сжиженные углеводородные газы взаимно растворяются друг в друге, образуя механическую смесь, поэтому к ним, при незначительно высоких давлениях, с достаточной точностью (для практических вычислений) применим закон Рауля (закон аддитивности) [6]:

Р = Рг Г,

где Рг - парциальное давление пара каждого компонента жидкой смеси, Па; рг' - упругость паров чистого компонента г [6]; гг - молярная доля компонента г в жидкой смеси.

Определение равновесного состава паровой фазы по заданному составу жидкой фазы производится в два приема. Сначала определяем общую упругость паровой фазы по формуле:

Р = X • Р[ + X • р'г + ••• + хп • р'п , где Х1,...Хп - доля компонентов в жидкой фазе. Затем находим концентрацию каждого компонента по формуле:

X ■ Р

г = 1

Рисунок 1. Зависимость упругости паровой фазы СУГ от температуры

Концентрация компонентов равновесной паровой фазы в молярных долях определена для диапазона температур от минус 35 до плюс 30°С при следующих массовых долях компонентов: С3Н8 - 54%, С4Н10 - 46% (таблица 1).

Таблица 1.

Концентрации компонентов паровой фазы СУГ в молярных долях и общая __упругость паров__

Температура г, °С Концентрация пропана в равновесной паровой фазе г С3Н8 Концентрация бутана в равновесной паровой фазе г С4Н10 Общая упругость паровой фазы СУГ р, МПа

-35 1 - 0,072

-30 1 - 0,089

-25 1 - 0,106

-20 1 - 0,127

-15 0,857 0,143 0,180

-10 0,854 0,146 0,214

-5 0,848 0,152 0,254

0 0,843 0,157 0,299

5 0,838 0,162 0,350

10 0,835 0,165 0,407

15 0,830 0,170 0,471

20 0,827 0,173 0,544

25 0,823 0,177 0,624

30 0,763

Определение равновесного состава жидкой фазы по известному составу паровой фазы также выполняется в два приема. Сначала определяем общее давление системы по формуле:

1

Р =-

1/ Р!+ Г2/ р2 + - + Гп / р2

где Г1, Г2,...Гп - доля компонентов в паровой фазе.

Затем находим концентрацию каждого компонента в жидкой фазе по формуле

г =

X ' Р

Также определена концентрация компонентов равновесной жидкой фазы, в молярных долях, для диапазона температур от минус 35°С до плюс 30°С при следующих массовых долях компонентов: С3Н8 - 54%, C4H10 - 46% [6] (таблица 2).

Таблица 2.

Температура X, °С Концентрация пропана в равновесной жидкой фазе х С3Н8 Концентрация бутана в равновесной жидкой фазе х С4Н10

-35 - 1

-30 - 1

-25 - 1

-20 - 1

-15 0,187 0,813

-10 0,191 0,809

-5 0,198 0,802

0 0,204 0,796

5 0,210 0,790

10 0,214 0,786

15 0,220 0,780

20 0,224 0,776

25 0,228 0,772

30 0,233 0,767

Для определения плотности жидкой фазы СУГ, при заданном компонентном составе и температуре окружающего воздуха, необходимо знать плотность ее компонентов. Плотность компонентов СУГ при температуре воздуха от минус 35°С до плюс 30°С указана в таблице 1.

Средняя плотность жидкой фазы СУГ определяется по правилу смешения:

Рсм = 100/( Рх + 8 2Р + ••• + ёп-Рп ), где gl, ^2, . • • gn, массовая доля компонента смеси, %;

Ри р2, ..., рп - плотность компонента смеси при данной температуре, кг/м3. Плотность жидкой фазы СУГ при температуре минус 35°С определяется так:

Р = сЛ 100 ^ = 0,601 кг/м3.

54

46

0,573 0,637

Расчетные значения плотности жидкой фазы пропана, бутана и СУГ приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Температура Плотность пропана, Плотность бутана, Плотность СУГ,

г, °с кг/м3 кг/м3 кг/м3

-35 0,573 0,637 0,601

-30 0,568 0,632 0,596

-25 0,562 0,627 0,590

-20 0,556 0,622 0,585

-15 0,549 0,617 0,578

-10 0,543 0,611 0,572

-5 0,536 0,607 0,566

0 0,530 0,601 0,560

5 0,523 0,596 0,554

10 0,516 0,590 0,548

15 0,509 0,585 0,541

20 0,501 0,579 0,534

25 0,493 0,573 0,527

30 0,485 0,567 0,520

К параметрам состояния относятся также внутренняя энергия и, энтальпия I и энтропия 5, которые носят название калорических параметров состояния.

Энтальпия, или общее теплосодержание системы, представляет собой количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 кг вещества от абсолютного нуля до заданной температуры, т.е. является функцией температуры и давления [8].

Энтальпия-аддитивная функция, т. е. энтальпия всей системы равна сумме энтальпий составляющих её частей [8]. Энтальпия системы определяется суммированием энтальпий парогазовой и жидкой фаз с учетом компонентного содержания:

1 = 1П +1Ж,

где 1п - энтальпия паровой фазы СУГ, кДж;

1ж - энтальпия жидкой фазы СУГ, кДж.

Энтальпия паровой и жидкой фаз СУГ определяется по следующим формулам:

I = С ■ г ■ Г

1П Срг 'г

I = С ■ г ■ г,

Ж ]1 г ^

где Ср1 - массовая теплоемкость компонента г парогазовой смеси при постоянном давлении, кал/(г°С);

Сл - теплоемкость компонента г жидкой смеси, кал/(1/°С);

Г - молярная доля компонента г в смеси.

Теплоемкость жидкой и паровой фаз смеси СУГ зависит от концентрации компонентов смеси в жидкой и паровой фазах. Теплоемкость компонентов пропана и бутана Ср в жидком и газообразном состояниях в зависимости от температуры и давления смеси выбраны из справочника и представлены в таблицах 4 и 5. Теплоемкость паровой и жидкой фаз СУГ определяется следующим образом [7]:

С = С ■ Г,

где Сг - теплоемкость компонента г жидкой смеси, кал/(1/°С); Гг - молярная доля компонента г в жидкой смеси.

Теплоемкость паровой фазы пропана, бутана и СУГ

Таблица 4.

Температура А °С Теплоемкость паровой фазы пропана Ср, кал/(/- °С) Теплоемкость паровой фазы бутана Ср,кал/Ц^ °С) Теплоемкость паровой фазы СУГ Ср, кал/(/- °С)

-35 0,344 - 0,344

-30 0,347 - 0,347

-25 0,364 - 0,364

-20 0,365 - 0,365

-15 0,366 0,361 0,365

-10 0,368 0,366 0,368

-5 0,381 0,371 0,379

0 0,391 0,376 0,388

5 0,401 0,381 0,396

10 0,411 0,386 0,405

15 0,417 0,391 0,411

20 0,435 0,396 0,425

25 0,437 0,401 0,428

30 0,472 0,406 0

Таблица 5.

Теплоемкость жидкой фазы пропана, бутана и СУГ_

Температура г, °с Теплоемкость жидкой фазы пропана Ср, кал/(/°С) Теплоемкость жидкой фазы бутана Ср, кал/(/- °С) Теплоемкость жидкой фазы СУГ Ср, кал/(/°С)

-35 - 0,516 0,516

-30 - 0,521 0,521

-25 - 0,525 0,525

-20 - 0,530 0,530

-15 0,545 0,534 0,535

-10 0,550 0,539 0,540

-5 0,556 0,544 0,546

0 0,565 0,549 0,551

5 0,574 0,554 0,557

10 0,587 0,559 0,563

15 0,599 0,565 0,570

20 0,615 0,571 0,578

25 0,631 0,576 0,585

30 0,648 0,581 0,592

Энтальпия паровой и жидкой фаз СУГ в баллоне с учетом компонентного содержания представлена в таблице 6.

Таблица 6.

Температура г, °с Энтальпия паровой фазы СУГ, кДж/кг Энтальпия жидкой фазы СУГ, кДж/кг Энтальпия СУГ в баллоне I, кДж/кг

-35 343,8 515,8 859,6

-30 354,1 531,8 885,9

-25 379,1 546,9 926

-20 387,8 563,2 951

-15 395,5 580,2 975,7

-10 406 597 1003

-5 426,4 614,2 1040,6

0 444,5 632 1076,5

5 462,8 650 1113

10 481,5 669,5 1151

15 496,8 689,7 1186,5

20 523,5 711,1 1234,6

25 535,7 731,9 1267,6

30 573,3 753,3 1326,6

Для определения скорости потока СУГ в отверстии используется закон сохранения энергии адиабатического процесса. Баланс энергии адиабатического процесса описывается уравнением Бернулли:

г г

I = — = У„ = const,

2 0

где V - скорость течения газа, м/с;

I - энтальпия в сечении потока, кДж/кг; 1о - полная энтальпия газа в баллоне, кДж/кг.

-Суммарная — — Паровая фаза — * «Жидкая фаза

Рисунок 2. Зависимость энтальпии СУГ от температуры окружающего воздуха

Из формулы следует, что максимальная скорость потока достигается в том случае, когда энтальпия потока равна нулю, т.е. когда полная энтальпия целиком расходуется на кинетическую энергию перемещения массы газа в соответствии с уравнением:

v2

max _ т

2 "V

Таким образом, максимально возможная скорость потока СУГ в отверстии определяется как:

Vmax = 210 •

На рисунке 3 представлена зависимость максимально возможной скорости потока СУГ от температуры.

Рисунок 3. Зависимость максимально возможной скорости потока СУГ от температуры окружающего воздуха

Минимально возможное время слива СУГ Тшт зависит от объема СУГ в баллоне и определяется из условия постоянства расхода через ВЗУ слива. Минимальное время рассчитывается по формуле:

V

min о 7

V • S

max

где V - объем СУГ в баллоне, м3;

S - площадь сечения заборной трубки баллона, м2.

Рисунок 4. Зависимость минимально возможного времени слива СУГ из баллонов различного объема от температуры окружающего воздуха

Таким образом в результате проведенных исследований определены параметры состояния СУГ в заданном диапазоне температур, которые характерны для условий эксплуатации в Наманганской области. Термодинамические показатели смеси газа позволяют теоретически определить максимально возможную скорость истечения газовой смеси и минимальное время слива имеющегося объема газа из баллона при различной температуре окружающей среды.

ЛИТЕРАТУРА

1. Морев, А.И. Газобаллонные автомобили: справочник/А.И. Морев, В.И. Ерохов, Б.А. Бекетов. - М.: Транспорт, 1992. - 175 с.

2. Birky, A., Maples J., Moore J, Patterson Ph. Future world oil prices and the potential for new transportation fuels. Alternative fuels. Part 3 // Transportation Research Record, National Research Council, 2000. - №1717. - 94 p.136. Brownstone, D., Bunch D.,

3. Бондаренко, Е.В. Оценка использования некоторых видов моторного топлива по критериям экологической безопасности/Е.В. Бондаренко, А.А. Филиппов// автогазозаправочный комплекс+альтернативное топливо.-2004.-№3.- С. 60-63.

4. Раенбагина, Э.Р. Состояние и перспективы использования газового топлива на автомобильном транспорте / Э.Р. Раенбагина, Н.Г. Певнев // Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности: материалы 64-й научно-технической конференции ГОУ «СибАДИ» в рамках юбилейного международного конгресса. - Омск: си6ади, 2010. - Кн. 1. - С. 37-41.

5. Теплотехника: учебник / ред. В.Н. Луканин. - 5-е изд., стер. - М.: Высшая школа, 2006. - 671 с.

6. Стаскевич, Н.Л. Справочник по газоснабжению и использованию газа / Н.Л. Стаскевич, Г.Н. Северинец, Д.Я. Вигдорчик. - Л.: Недра, 1990. -762 с.

7. Кудинов, В.А. Техническая термодинамика: учебное пособие для вузов / В.А. Кудинов, Э.М. Карташов. - М.: Высшая школа, 2000. - 262 с.

8. Ляшков, В.И. Теоретические основы теплотехники: учебное пособие / В.И. Ляшков. - 2-е изд., стер. - М.: Машиностроение-1, 2005. - 260 с

9. Стромберг, А.Г. Физическая химия: учебник / А.Г. Стромберг, Д.П. Семченко. -6-е изд., стер. - М.: Высшая школа, 2006. - 527 с.

10. Термодинамика. Часть 1. Основной курс : учебное пособие / В.П. Бурдаков и др. - М.: Дрофа, 2009. - 479 с.

11. Sharipov K. A., Polvonov A.S., Abdusattorov N. A. Problems of restoring the beds of main bearings and studying the deformation-strength properties of polyurethane adhesives.

International Journal of Early Childhood Special Education (INT-JECSE) DOI:10.9756/INTJECSE/V14I7.50 ISSN: 1308-5581 Vol 14, Issue 07 2022

12. Sharipov K. A., Abdusattorov N. A. Avtiservis korxonalarida ekologik menejment tizimini ishlab chiqish. Global Symposium on Humanity and Scientific Advancements Hosted From Jacksonville Florida, USA https://conferencepublication.com. May 30th 2022.

13. Polvonov A.S., Abdusattorov N. A. Ways to improve car service enterprises. Global Symposium on Humanity and Scientific Advancements Hosted From Jacksonville Florida, USA https://conferencepublication.com May 30th 2022.

14. Polvonov A.S., Abdusattorov N. A. Avtoservis korxonalarini takomillashtirish yollari. International Conference on Research in Humanities, Applied Sciences and Education Hosted from Berlin, Germany https://conferencea.org June 30th 2022.

15. Polvonov A., Abdusattorov N. Problems of restoring the beds of main bearings and studying the deformation-strength properties of polyurethane adhesives. international journal of early childhood special education (int-jecse) doi:10.9756/intjecse/v14i7.50 issn: 1308-5581 vol 14, issue 07 2022.

16. Polvonov A.S., Boydadayev M. B., Nasriddinov A. S.3., Abdusattarov N. A.4. Theoretical preconditions for increasing the durability of the positions of indigenous bearings depending on the heat conductivity of connections. PalArch's Journal of Archeology of Egypt/Egyptology. ISSN 1567-214X. PJAEE, 17 (6) (2020).