Научно-исследовательская работа по математике на тему "Подсчёт эффективности транспорта на газовом топливе."
проект по математике (10 класс)

Муниципальное бюджетное  общеобразовательное учреждение

«Лицей № 16 при УлГТУ имени Юрия Юрьевича Медведкова

города Димитровграда  Ульяновской области»

Прикладной проект

Направление:  математика

Подсчёт эффективности транспорта

на газовом топливе.

                                    Выполнили ученики 10  А класса

                                  Астафьев Алексей Германович

Бабенко Дмитрий Владиславович

            Научный руководитель - учитель математики

                                                               Дорн Лариса Николаевна

г. Димитровград

2019 год

  Оглавление:

Цель работы _________________________________________________________________

Введение____________________________________________________________________

Изучение газового топлива_____________________________________________________

Расчёт выгоды использования газового топлива на примере автомобиля Kia Spectra_____

Вывод_______________________________________________________________________

Список литературы____________________________________________________________

Приложение__________________________________________________________________

Актуальность исследования: В современном мире автомобилей становится больше с каждым днём, и проблема загрязнения атмосферы вредными выбросами процессов сгорания топлива как никогда актуальна. Нужно как можно быстрее искать способы решения проблемы.

Цель работы: выяснить, является ли газовое топливо более эффективным и экономичным.

Задачи:

1) Узнать всё о газовом топливе.

2) Рассчитать выгоду использования газового топлива на примере автомобиля Kia Spectra.

3) Сделать выводы о выгоде газового топлива на сегодняшний день.

Метод исследования: изучение интернет-ресурсов.

Введение:

 Одной из актуальнейших для науки и промышленности задач является повышение степени эффективности использования твердого топлива. Это может быть достигнуто методами его комплексного использования. К такого рода методам относятся так называемые коксогазохимические, энерготехнологические и другие способы переработки, в том числе процессы получения формованного металлургического и энергетического топлива, в результате которых получаются различные новые твердые, жидкие и газообразные продукты в виде кокса и полукокса, дегтя, газа и другие продукты, например, сера, аммиак и т. д. Поскольку при этом основная масса получающихся продуктов падает на вещества, используемые в качестве топлива, эти процессы становятся экономически выгодными в том случае, когда стоимость их единицы тепла будет не выше стоимости единицы тепла использованного топлива. Однако до сих пор ни в одном процессе этого достигную не было. Среди различных путей разрешения этой проблемы существенное значение могут иметь жидкие продукты и газ, использование которых может не только покрыть разницу в стоимости единицы тепла, но при определенных условиях значительно удешевить ее.

Изучение газового топлива

Горючие газы, применяемые в качестве моторного топлива для автомобилей, можно условно разделить на три основных вида по условиям специфики содержания, влияющей на возможность использования на разных классах автомобилей (легковых, грузовых, автобусов):

1. Сжиженные нефтяные газы (СНГ).

2. Компримированные (сжатые) природные газы (КПГ).

3. Сжиженные природные газы (СПГ).

Сжиженные нефтяные газы при нормальных температурах (в диапазоне от –20 °C до +20 °C) и относительно небольших давлениях (1,0...2,0 МПа – 10...20 кгс/см2) находятся в жидком состоянии. Их основные компоненты – этан, пропан, бутан и весьма близкие к ним непредельные углеводороды – этилен, пропилен, бутилен и их изомер. Эти газы получаются при добыче и переработке нефти и поэтому их называют сжиженные нефтяные газы (СНГ). Комплект газового оборудования для СНГ вместе с баллоном весит от 40 до 60 кг и вполне подходит для установки на легковых автомобилях. Объем баллона обеспечивает пробег около 300 км, что вполне соизмеримо с расчетным пробегом 400 км для автомобиля, работающего на бензине.

Компримированные (сжатые) природные газы (КПГ) при нормальных температурах и любых высоких давлениях находятся в газообразном состоянии. К таким газам относятся метан, водород и др. Наибольший интерес для использования в качестве горючего на автомобильном транспорте представляет метан. Он является основной частью добываемых природных газов и составной частью биогаза, получаемого в результате брожения различных канализационных отходов.

Главным недостатком природного газа, как моторного топлива, является очень низкая объемная концентрация энергии. Если теплота сгорания одного литра жидкого топлива равна, примерно, 31 426, то у природного газа при нормальных условиях она равна 33,52–35,62 кДж, т. е. почти в 1000 раз меньше. По этой причине для использования газа в качестве моторного топлива на транспортном средстве его надо предварительно сжать до высоких давлений 20–25 МПа и более и заполнить им специальные баллоны.

Для хранения газа под таким давлением выпускаются баллоны из углеродистых и легированных сталей на давление 15–32 МПа. Каждый баллон в незаполненном состоянии весит более 100 кг. Использование их на легковом автомобиле не рационально, так как их вес соизмерим с возможной полезной нагрузкой.

В связи с этим их используют на грузовых автомобилях и автобусах.

Однако, несмотря на то, что применяемые в современной практике баллоны пока тяжелы, они полностью обеспечивают среднесуточный пробег автомобиля и могут применяться повторно при списании автомобиля. В некоторых отраслях техники, применяются армированные пластмассовые сосуды, которые легче стальных в 4–4,5 раза. В этом случае массовый показатель хранения КПГ, хотя и остается ниже, чем у бензина, но отличается от него на величину, малосущественную в практике. Но они очень дороги.

Сжиженные природные газы (СПГ) имеют такое же происхождение и состав, как и компримированные природные газы. Они получаются охлаждением метана до минус 162 °C. Хранятся в теплоизолированных емкостях.

Независимо от качества теплоизоляции газосодержащих емкостей (сосуды Дюара), температура в них повышается, а следовательно, этот способ содержания газового топлива может быть использован при интенсивной эксплуатации транспортного средства и его безгаражном хранении, так как периодически требуется сброс давления, т. е. выпуск порции газа.

При переводе автотранспорта на СПГ его низкую температуру возможно использовать для компенсации потерь мощности или кондиционирования воздуха в салоне автомобиля.

Переоборудование автомобиля для работы на СПГ заключается в установке специальной криогенной емкости, небольшого испарителя, использующего тепло выпускных газов, и монтаже газовой топливной аппаратуры, которая аналогична применяемой на газобаллонных автомобилях при работе на КПГ. Затраты на получение СПГ в 2–3 раза больше, чем на получение КПГ. Поэтому сжиженный природный газ целесообразно применять на автомобилях-рефрижераторах, где он может выполнять дополнительные функции хладагента для холодильников и кондиционеров.

Исходя из вышеизложенного, основное внимание мы уделим двум первым видам газового топлива и устройствам, обеспечивающим их работу на двигателях внутреннего сгорания (ДВС).

Что нам ожидать от газового топлива?

Для ответа на этот вопрос рассмотрим основные физико-химические показатели газовых топлив, а также их влияние на эксплуатационные качества двигателя в сравнении с аналогичными характеристиками бензина.

Познакомим с величинами, их характеризующими.

1 Низшая теплота сгорания (HH, МДж/кг или МДж/м3) характеризует энергетические свойства газа и показывает, какое наименьшее количество теплоты может выделиться при полном сгорании единицы массы или объема.

2 Стехиометрический (массовый или объемный) коэффициент (L0 кг/кг или м3/м3)характеризует количество воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания единицы массы или объема газа.

3 Низшая теплотворность горючей смеси (hH МДж/кг или МДж/м3) характеризует содержание тепловой энергии в единице массы ли и объема горючей смеси стехиометрического состава.

Названные показатели связаны между собой соотношением:

4. Плотность (Р, кг/м3) представляет собой массу, заключенную в единице объема газа в жидкой или газообразной его фазе при определенных внешних условиях (температуре и давлении).

5. Октановое число (ОЧ) характеризует антидетонационные свойства газа и служит критерием для установления допустимой степени сжатия двигателя. ОЧ газовых топлив лежит в пределах 70?110. Чем выше ОЧ газа, тем он менее склонен к детонационному сгоранию и тем выше допустимая степень сжатия двигателя и, следовательно, его экономичность.

6. Цетановое число (ЦТ) характеризует воспламеняемость газа: чем оно ниже, тем хуже происходит воспламенение газа и, следовательно, ухудшаются пусковые свойства двигателя на этом газе.

Октановое и цетановое числа связаны между собой линейной зависимостью: чем выше ОЧ, тем ниже ЦТ.

7. Пределы воспламеняемости газа характеризуют граничные значения содержания газа (в процентах по объему) в воздухе, при которых еще возможно воспламенение горючей смеси. На воспламеняемость газовой смеси оказывают влияние температура, давление и ее турбулентность (завихрение газовых потоков). Переобедненные и переобогащенные газовые смеси не воспламеняются.

Знание этих пределов важно как для организации рабочего процесса и регулирования топливоподачи в двигателях, так и для определения взрыво– и пожаробезопасности концентраций и соответствующего обустройства помещений для хранения и технического обслуживания автомобилей.

8. Критическая температура (Ткр)  – температура, при которой плотности жидкости и ее насыщенного пара становятся равными и граница раздела между ними исчезает.

9. Давление насыщенных паров (Ркр) при критической температуре называется критическим давлением.

При температуре выше критической вещество может находиться только в газообразном состоянии независимо от внешнего давления.

Знание критической температуры очень важно для оценки газовых топлив и их классификации.

Таблица 1. Физико-химические показатели основных углеводородных газов, входящих в состав газовых топлив

* Расшифровка показателей и таблица 1 взяты из справочника «Газобаллонные автомобили», авторы А. И. Морев, В. Н. Ерохов, Б. А. Бекетов и др. – М.: «Транспорт», 1992.

Первый показатель в таблице – химическая формула. Метан и сжиженный нефтяной газ, в состав которого входят этан, пропан, бутан и пентан, ни в своем составе, ни в примесях не имеют свинца, что делает выхлоп при их сгорании экологически более чистым, чем у бензина.

Молекулярная масса у газов ниже, чем у бензина, следовательно, наполнение цилиндров горючей смесью, при прочих равных условиях, будет ниже, чем у бензина. Это минус, так как ведет к снижению мощности ДВС.

Относительная плотность газовой фазы по воздуху – величина, необходимая для расчета механизмов смесеобразования рабочего тела (газовоздушной смеси) и непосредственно не характеризует преимущества, или недостатки газового топлива перед бензином, но говорит о том, что при утечке метан будет уходить вверх, а СНГ будет скапливаться внизу.

Плотность жидкости – характеризует объем сосуда для хранения жидкой фазы топлива. Мы видим, что для одной и той же массы для бензина нужен объем меньше, чем для газа. Это – минус.

Критическая температура. Углеводородные газы, имеющие критическую температуру значительно выше обычных температур окружающей среды (например, у пропана 96,8 °C, а у бутана – 152,0 °C), легко сжижаются и хранятся в сжиженном состоянии при относительно небольшом давлении. Они хранятся в достаточно легких емкостях, позволяющих их использовать для питания двигателей легковых и малотоннажных грузовых автомобилей.

А метан, у которого критическая температура значительно ниже (минус 82,1 °C), будет при любом давлении в газообразном состоянии, и для его использования в качестве газового топлива его содержат в баллонах под давлением 20 МПа.

Низшая теплота сгорания у всех газов больше, чем у бензина. Это является преимуществом газового топлива и компенсирует пониженное наполнение цилиндров из-за малой относительной плотности газа.

Стехиометрический коэффициент у газов выше, чем у бензина.

Октановое число у газа значительно выше, чем у бензина. Это большое преимущество газа, позволяющее избавить двигатель от детонации, увеличить его мощность за счет увеличения степени сжатия и снизить расход топлива.

Температура воспламенения. Не в пользу газа. Это ухудшит пусковые качества двигателя.

Пределы воспламеняемости и коэффициент избытка воздуха в пользу газового топлива. Они говорят о том, что пределы регулирования ДВС на газовом топливе шире, чем на бензиновом.

На основе рассмотренных физико-химических свойств газовых топлив можно утверждать, что они безусловно превосходят бензиновые по следующим параметрам:

– позволяют добиваться более высоких мощностных и топливно-экономических показателей, чем у аналогичных по способу организации рабочего процесса бензиновых двигателей. Специально сконструированные газовые двигатели по удельным показателям мощности превосходят бензиновые, а по топливной экономичности близки к дизельным;

– по экологическим показателям выхлопа значительно превосходят бензины.

Двигатели с ГБО и экология

Так в чем же преимущество газа перед бензином в отношении атмосферы? Рассмотрим это вопрос подробнее.

Все дело в выхлопах. После сгорания бензина в атмосферу попадает сернистый газ и тетраэтилсвинец. Автомобили на с установленным ГБО «похвастать» такими выбросами не могут, т.к. в природном газе попросту нет серы, и, как следствие после таких выхлопов мы не дышим ни свинцом, ни сернистым газом.
Так же доказано, что газовое топливо сгорает полнее, чем бензиновое, поэтому в выхлопах содержится намного меньше окиси углерода. Бензиновые же двигатели сполна насыщают воздух сильно токсичным веществом.

Еще один факт. Выхлопные газы как бензиновых, так и газовых автомобилей выбрасывают в окружающую среду углеводороды, в одинаковом количестве. Но бояться нужно не самих углеводородов, а продуктов их окисления. Из курса химии вспомним, что этил и этилен являются легко окисляющимися веществами. А метан, наиболее устойчив к этому процессу. Первые являются результатом работы бензинового двигателя, вторые – газового.

 Итак, агрегаты на газе не столь токсичны, чем на бензине - это научно зафиксированный факт.

Газ действительно чистое топливо, по сравнению с бензином. Перечислим основные экологические нюансы использования газового топлива:

1.Применение ГБО значительно снижает количество вредных веществ, загрязняющих воздух;

2.В газе не содержится сера;

3.Нет необходимости добавлять в газ присадки;

4.Газ в три раза экологически чище неэтилированного бензина;

5.В цилиндрах газ сгорает полностью, благодаря чему снижается уровень углекислого газа.

Расчёт выгоды использования газового топлива на примере автомобиля Kia Spectra:

Зимой расход бензина на 100 км - 10 литров.

Летом расход бензина на 100 км - 8 литров.

Проезжая в день 30 км, в месяц пробег будет равен 900 км.

30х30=900 км

Из расхода бензина на 100 км, зимой будет тратиться 90 литров бензина в месяц.

(900/100)х10=90 л

Если в зимние месяцы заправлять 90 литров бензина 95, по 44 рубля за литр, то в месяц на бензин будет тратиться 3960 рублей.

90х44=3960

3960х6=23760 рублей за полгода.

Из расхода бензина на 100 км, летом будет тратиться 72 литра бензина в месяц.

(900/100)х8=72л

Если в летний месяц заправлять 72 литра бензина 95, по 44 рубля за литр, то в месяц на бензин будет тратиться 3168 рублей.

72х44=3168

3168х6=19008 рублей за полгода.

23760+19008=42768 рублей в год тратится на заправку бензина.

Установка газового пропан-бутанового оборудования на автомобиль Kia Spectra  в среднем стоит 22500 рублей.

Цена на пропан-бутан на автозаправках Ульяновской области составляет 22 рубля за литр.

Потребление газа составляет 120% от потребления бензина.

В зимние месяцы потребление газа составляет 108 литров в месяц.

90х1.2=108

Зимой, при использовании газового топлива, в объёме 108 литров в месяц, по цене 22 рубля за литр, в месяц на заправку авто потратится 2376 рублей.

108х22=2376

2376х6=14256 рублей за полгода.

В летние месяцы потребление газа составляет 86.4 литров в месяц.

72х1.2=86.4

Летом, при использовании газового топлива в объёме 86.4 литра в месяц, по цене 22 рубля за литр, в месяц на заправку авто потратится 1900.8 рублей

86.4х22=1900.8

1900.8х6=11404,8 рублей за полгода.

14256+11404,8=25660,8 рублей в год тратится на заправку автомобиля газовым топливом (пропан-бутаном).

Установка газового метанового оборудования на автомобиль Kia Spectra  в среднем стоит 45000 рублей.

Если использовать в качестве газового топлива метан, стоимость которого составляет 15 рублей за литр, то в зимние месяцы на заправку автомобиля метаном будет тратиться 1620 рублей.

108х15=1620

Если заправлять автомобиль метаном в летние месяцы, то на заправку потратится 1296 рублей

86,4х15=1296

Рассчитаем расход денег за год:

(1620х6)+(1296х6)=17496 рублей.

По сравнению с пропан-бутановым топливом, метан гораздо выгоднее использовать для заправки автомобиля.

Итак:

На заправку бензина в год уходит 42768 рублей

На заправку пропан-бутана уходит 25660,8 рублей

На заправку метана уходит 17496 рублей

Можно рассчитать, какое количество денег экономится, и за какое время установка газового оборудования окупится:

42768-25660,8=17107,2 рубля экономится в год при использовании пропан-бутана вместо бензина.

При такой экономии установка газового оборудования окупится через 15 месяцев.

(22500/17107,2)x12=15

42768-17496=25272 рубля экономится в год при использовании метана вместо бензина

При такой экономии установка газового оборудования окупится через 21 месяц.

(45000/25272)x12=21

Вывод: использование газа в автомобиле существенно ниже загрязняет окружающую среду и экономит энергоресурсы природы, что благоприятно сказывается на экологии. При установке газового оборудования на автомобиль экономится существенное количество денег, которое в считанные сроки может окупить установку газового оборудования и в дальнейшем экономить деньги.

Так, например, при использовании пропан-бутана установка газового оборудования окупится через 15 месяцев, а при использовании метана установка газового оборудования на автомобиль окупится всего лишь через 21 месяц и дальше можно уходить только в плюс.

Устанавливать газобаллонное оборудование на автомобиль или нет, решать вам, но помните, что установка ГБО существенно снижает вред окружающей среде и экономит ваши деньги.

Список литературы: 

https://lovato.ru/gbo/ustanovka/ 

http://garant-gaz.ru/uslugi-i-tseny/ 

https://avtospravochnaya.com/stati/11312-tsena-gaza-n.. 

http://chem21.info/info/1461600/

 «Природный газ как моторное топливо на транспорте» (издательство «Недра», 1986 год) авторы Ф. Г. Гайнуллин, А. И. Грищенко, Ю. Н. Васильев, Л. С. Золотаревский.

Приложение

Год.заправка=((900/100*8+900/100*10)*6)*Ц бензина

Год.заправка=(((72+90)*120%)*6)*Ц газа

Год.экономия=42768 руб.- год. заправка газом

Окупаемость ГБО=(Цена гбо/год.экономию)*12

РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛЕНИЙ