Компримированный и сжиженный газ отличие. Компримированный природный газ

Одна из многочисленных причин медлительности в газификации транспорта в том, что номенклатура газомоторного топлива довольно-таки обширна:

• сжиженный нефтяной газ (СНГ);
• компримированный (сжатый) природный газ (КПГ);
• сжиженный природный газ (СПГ).

Главные преимущества газомоторного топлива в его цене, цене и еще раз цене. Пока эти преимущества перевешивают многочисленные и разносторонние недостатки.

Сжиженный нефтяной газ (СНГ)

Этот газ представляет собой смесь пропана С3Н8 и бутана С4Н10, извлекаемую их попутных нефтяных газов, из конденсатных фракций природного газа, из газов процессов стабилизации нефти и конденсата, из нефтезаводских газов, получаемых с установок переработки нефти. Помимо пропана и бутана нефтяной газ содержит по массе порядка 6% других углеводородов – этана, этилена, пропилена, бутилена и их изомеров, то есть состав СНГ неоднороден и непостоянен. Для контроля утечек в состав СНГ вводят зловонные вещества – меркаптаны. Меркаптаны легко идентифицировать носом, когда на улице мимо вас проезжает газобаллонная «ГАЗель».

Главное преимущество пропана и бутана в высокой критической температуре. Критической называют температуру, при которой плотность жидкости и ее насыщенного пара становятся равными и граница раздела между ними исчезает.

У пропана критическая температура 96,8 °C, у бутана 152,0 °C, что позволяет легко сжижать эти газы и хранить в жидком состоянии при относительно невысоком давлении до 1,6 МПа. Это также означает, что сосуд для хранения СНГ будет сравнительно легким, а храниться в сжиженном состоянии газ может сколь угодно долго при условии полной герметизации сосуда. Вместе с тем баллон для СНГ – это сосуд под давлением, и ему невозможно придать любую форму, как, например, бензобаку. Это обстоятельство порождает проблемы с размещением газового баллона на машине.

Для заправки автотранспорта используют две марки СНГ: летнюю и зимнюю. Летняя марка, или пропан-бутан автомобильный (ПБА), содержит 50±10% пропана по массе. Зимняя, или пропан автомобильный (ПА), содержит 85±10% пропана по массе. Таким образом, регулируя содержание легкого пропана, обеспечивают круглогодичную эксплуатацию газобаллонных автомобилей.

Применение СНГ огра­ничено бензиновыми двигателями, то есть двигателями с низкой степенью сжатия и исковым зажиганием. Это легковые автомобили, мало- и среднетоннажные грузовики и энергетические установки. Расход СНГ на 10–15% выше, чем бензина, из-за меньшей объемной теплотворности: 1 л бензина будет эквивалентен 1,1–1,15 м 3 СНГ, а в реальных условиях из-за падения мощности двигателя – 1,15–1,3 м 3 СНГ. При низкой температуре двигатель пускают на бензине, после прогрева водитель может переключиться на газ прямо из кабины. Переходить с одного вида топлива на другой можно на ходу.

Пропан-бутан тяжелее воздуха в 1,5–2 раза и при утечке скапливается у земли, создавая взрывоопасную и вредную для здоровья атмосферу. Поэтому газобаллонные автомобили хранят на открытых стоянках, а ремонтные зоны оснащают хорошей вентиляцией. Длительное вдыхание пропан-бутана не только малоприятно по причине меркаптанов, но и ведет к плохому самочувствию, вплоть до отравления.

Октановое число СНГ около 105, и, как утверждают, ни в одном режиме работы двигателя не возникает детонация. Это утверждение не должно служить поводом для самоуспокоения, при определенной пытливости ума детонации можно добиться.

С учетом затрат на оборудование газовой аппаратурой, ее массы и меньшего запаса хода на одной заправке перевод автомобиля на СНГ остается выгодным благодаря цене. Локомотивом продвижения СНГ в массы были и остаются легковые автомобили и малотоннажные грузовички. Сжиженные нефтяные газы вырабатывают те же компании как побочный продукт производства жидкого топлива, что сказывается на количестве газовых заправок – компании заинтересованы в сбыте собственного продукта.

Что касается дизельных двигателей, то здесь пропан-бутан не имеет перспектив из-за нестабильности горения при высокой степени сжатия. Это основная причина, почему СНГ не прижились на дизелях. Но потенциал СНГ полностью еще не раскрыт.

Общая справка о метане

Под природными газами понимается метан СН4 – простейший углеводород без цвета и запаха. Метан – третий по распространенности газ во вселенной после водорода и гелия. О происхождении залежей природного газа в земной коре нет окончательного мнения, как и о происхождении нефти.

Природный газ содержит от 70 до 98% метана, остальное приходится на более тяжелые углеводороды: этан, пропан и бутан, а также неуглеводороды: воду, сероводород, углекислый газ, азот, гелий и другие инертные газы. Перед подачей в газотранспортную систему (ГТС) природный газ необходимо очистить и осушить, избавившись от воды, сероводорода, отделить тяжелые углеводороды и другие примеси. В магистрали пары воды могут конденсироваться или образовывать с газом кристаллические соединения – гидраты – и скапливаться на изгибах трубопровода, затрудняя продвижение газа. Сероводород вызывает сильную коррозию газового оборудования. В зависимости от состава природного газа применяют различные технологии осушки и разделения газов. Таким образом, остается чистый метан с незначительными примесями. Через ГТС метан поступает потребителям. Если ваше жилище подключено к газораспределительной системе, то на кухне в конфорке у вас горит именно метан. Этим же метаном после сжатия или сжижения заправляют газобаллонную технику.

Метан – газ без запаха, характерный аромат («При запахе газа звонить 09») ему придают меркаптаны, которые впрыскивают в газ перед закачкой в ГТС (16 г на 1000 м 3). Этот метод придумали для обнаружения утечек из ГТС, протяженность которой насчитывает тысячи километров. При утечке меркаптановая отдушка привлекает ворон, скопища которых легко обнаружить во время облета трубопровода на вертолете.

Метан в 1,6 раза легче воздуха и при утечке моментально улетучивается. Метан взрывоопасен при концентрации в воздухе от 4,4 до 17%. Самая взрывоопасная концентрация – 9,5%. Определить наличие в воздухе метана легко по меркаптановым ароматам. В местах природного образования метана, где невозможно его определить по запаху, например в шахтах, используют газоанализаторы. Первыми шахтными газоанализаторами были канарейки. Газобаллонную технику хранят на открытых стоянках, а закрытые ремонтные зоны оснащают принудительной вытяжной вентиляцией. На магистральном газе без какой-либо подготовки работают энергетические установки различной мощности, подключенные непосредственно к трубе.

Компримированные природные газы (КПГ)

Критическая температура метана составляет –82,3 °С, и его сжижение весьма затратно, поэтому метан как газомоторное топливо используется в основном в компримированном (сжатом) виде, при этом газ сокращается в объеме в 200–250 раз. К автомобильной газонаполнительной компрессорной станции (АГНКС) подводят газопровод и компримируют газ на месте. Сжимают, точнее, дожимают магистральный газ компрессором до 20 МПа и осушивают. На станции КПГ хранят в небольшом сосуде высокого давления, из которого газ закачивают в баллоны автомобиля. Что касается перевозки готовых КПГ, то для этого служат специальные газовозы, представляющие собой батарею баллонов, небольших по объ-ему в сравнении с цистерной для сжиженных газов, то есть перевозка готовых КПГ – занятие дорогое и специфичное. Подвод магистрального газа к заправочной станции необходим, что несколько затрудняет расширение сети газовых заправок. Сегодня в 58 регионах РФ действует 246 автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС), заправляющих транспорт КПГ. Безусловным лидером национального газомоторного рынка является «Газпром» – в его собственности находится 210 АГНКС. Более 10 лет «Газпром» занимается популяризацией в России газомоторного топлива – АГНКС есть в 70% регионов, а не во всех, 246 АГНКС – это 1% на фоне всех АЗС на территории РФ, а безусловный лидер вводил в эксплуатацию по 2,1 АГНКС в год.

Высокое давление КПГ требует очень прочных, толстостенных, тяжелых баллонов. Но это еще не всё. На КПГ можно проехать в 3,5 раза меньшее расстояние, чем на СНГ при равных объемах газовых баллонов. Либо обвешиваться баллонами, либо часто заправляться – в этом основной недостаток КПГ, определяющий сферу его применения: вблизи заправки, а также типы двигателей, на них работающих.

Ввиду того, что нужно значительное пространство дляразмещения баллонов для КПГ, этот вид топлива представляет интерес для средне- и крупнотоннажных автомобилей и тракторной техники. Наибольший интерес сегодня представляют двухтопливные двигатели – газодизели, работающие на дизельном топливе и КПГ, именно из-за скудной инфраструктуры КПГ, чтобы было на чем доехать до заправки. Под второй вид топлива дизельный двигатель переделывается сравнительно просто и быстро, впрыск дизельного топлива в камеру сгорания служит для воспламенения горючей смеси. Производители газовой аппаратуры достигли соотношения расхода дизельного топлива и метана 20:80 на магистральных тягачах с топливной системой Common Rail и 30:70 на тракторной технике с ТНВД. Перевод машины на КПГ в 3–4 раза дороже, чем аналогичная операция с СНГ, тем не менее затраты окупаются примерно в течение года благодаря разнице в цене на газ и дизельное топливо.

Машиностроение предлагает и однотопливные двигатели на КПГ с пониженной степенью сжатия и искровым зажиганием. Надо понимать, что такие машины буквально цепью прикованы к заправке.

КПГ – отличное топливо для дизельного двигателя. Метан не образует отложений в топливной системе, не смывает масляную пленку со стенок цилиндров, тем самым снижая трение и уменьшая износ двигателя. Метан сгорает полностью, не образуя твердых частиц и золы, вызывающих повышенный износ цилиндро-поршневой группы. Таким образом, использование природного газа в качестве моторного топлива позволяет увеличить срок службы двигателя в 1,5–2 раза. Метан экологичен: он дает очень чистый выхлоп. А главное, КПГ стоит втрое дешевле бензина и дизельного топлива, хотя на самом деле должен стоить еще меньше.

Сжиженный природный газ (СПГ)

При сжижении метан уменьшается в объеме в 600 раз – в этом главное преимущество сжижения, что определяет сферу его применения: автобусы, магистральные тягачи, карьерные самосвалы, то есть там, где топливные емкости должны занимать место по минимуму, а вмещать по максимуму. Один и тот же объем вмещает СПГ в три раза больше, чем КПГ.

Сжижение проходит при температуре –161,5 °С. Процесс энергозатратный и требует криогенного оборудования. Сжиженный метан хранится при температуре внутри термоизолированного сосуда от –160 до –196 °С. Необходима очень качественная термоизоляция. И точно так же, как с КПГ, пере­оборудуют дизельные двигатели в двутопливные. Автомобильное оборудование для СПГ отличается баллоном-термосом и испарителем, остальные узлы такие же.

Сжиженный метан распространен еще менее, чем сжатый. Некоторые автобусные парки строили у себя газовые заправки. Эти опыты до сих пор носят более экспериментальный характер.

Заключение

Когда возникают дискуссии о газомоторном топливе и его медленном распространении, всегда поднимается вопрос о том, что первично: парк газобаллонных автомобилей или сеть газовых заправок. Абсолютно понятно, что первична заправочная сеть. Отсюда вытекает извечный вопрос: кто виноват? Собственники заправочных сетей. Собственникам не интересно то, что интересно стране, ибо не видят они в том прибыли. Собственники и далее будут продолжать саботаж газификации транспорта.

Что делать? Единственным действенным средством борьбы с естественными монополиями и стимулирования экономики в целом остается национализация в первую очередь ПАО «Газпром», всех его дочерних предприятий и всех газораспределительных сетей. Негоже предприятиям, решающим экономические и социальные задачи в масштабах Российской Федерации, субъектов и частей субъектов Федерации, служить для удовлетворения амбиций узкого круга физических лиц. Регулирование тарифов на данном направлении не более чем паллиатив.

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%.

Газ, который добывается из недр земли или является продуктом переработки других углеводородов, может впоследствии использоваться в сжиженном или сжатом виде. В чем заключаются особенности обоих вариантов применения соответствующего топлива?

Что представляет собой сжиженный газ?

Под сжиженным принято понимать природный газ, который из исходного, собственно газообразного состояния переведен в жидкое - посредством охлаждения до очень низкой температуры, порядка минус 163 градусов Цельсия. Объем топлива при этом уменьшается примерно в 600 раз.

Перевозка сжиженного газа требует использования специальных криогенных цистерн, которые способны поддерживать необходимую температуру соответствующего вещества. Преимущество рассматриваемого вида топлива заключается в возможности доставить его в те места, куда проблематично провести обычные газовые трубопроводные магистрали.

Преобразование сжиженного газа в исходное состояние также требует специальной инфраструктуры - регазификационных терминалов. Цикл обработки рассматриваемого вида топлива - добыча, сжижение, транспортировка и регазификация - существенно повышает конечную стоимость газа для потребителя.

Используется топливо, о котором идет речь, обычно в тех же целях, что и природный газ в исходном состоянии, - для обогрева помещений, обеспечения функционирования промышленного оборудования, электростанций, как сырье в некоторых сегментах химической промышленности.

Что представляет собой сжатый природный газ?

Под сжатым , или компримированным , принято понимать природный газ, который, как и сжиженный, также представлен в жидком состоянии, достигаемом, однако, не за счет уменьшения температуры топлива, а за счет увеличения давления в емкости, в которой оно размещено. Объем сжатого газа примерно в 200 раз меньше, чем у топлива в исходном состоянии.

Преобразование природного газа в жидкость с помощью высокого давления - процесс в основном более дешевый, чем сжижение топлива посредством снижения его температуры. Транспортировка рассматриваемого вида газа осуществляется в емкостях, как правило, менее технологически сложных, чем криоцистерны. Регазификация соответствующего вида топлива не требуется: поскольку оно находится под высоким давлением, его легко извлекать из емкостей - достаточно открытия имеющихся на них вентилей. Поэтому стоимость сжатого газа для потребителя в большинстве случаев ниже, чем та, что характеризует сжиженное топливо.

Компримированный газ чаще всего используется в виде топлива на различных транспортных средствах - автомобилях, локомотивах, судах, в газотурбинных двигателях самолетов.

Сравнение

Главное отличие сжиженного газа от сжатого в том, что топливо первого типа получается посредством снижения температуры исходного газообразного вещества, что сопровождается преобразованием его в жидкость. Сжатый газ - это также жидкое топливо, но получается оно посредством его размещения в емкости под большим давлением. В первом случае исходный объем газа превышает обработанный (переведенный в жидкость) примерно в 600 раз, во втором - в 200 раз.

Стоит отметить, что сжиженный газ чаще всего получается путем обработки «классического» природного газа, представленного преимущественно метаном. Компримированное топливо изготавливается также из многих других видов газов, имеющих природное происхождение, - например, пропана или бутана.

Определив, в чем разница между сжиженным и сжатым газом, отразим выводы в таблице.

Таблица

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.