ΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΡΑΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Μάθημα: ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΥΣΙΜΩΝ (ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΚΑΥΣΗΣ) ιδάσκων: ρ.αναστάσιος Καρκάνης ΘΕΜΑΤΑ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ εξετάσεων Ακαδημαϊκού έτους 2017-18 ΘΕΜΑ 1 α) Για τα καύσιμα που αναφέρονται στη συνέχεια: (1) λιγνίτης, (2) πετρέλαιο κίνησης, (3) βενζίνη αμόλυβδη RON 95, (4) LPG, (5) CNG, (6) πετρέλαιο θέρμανσης, αν τεθεί ως στόχος η μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων, ποιος θα πρέπει να είναι ο επιθυμητός στόχος του λόγου αέρα-καυσίμου για κάθε ένα από αυτά και γιατί; (1 μον.) β) Με ποια τεχνολογία ελέγχεται ο λόγος αέρα-καυσίμου στους κινητήρες εσωτερικής καύσης. (1 μον.) α(1) Ο επιθυμητός στόχος, για την καύση λιγνίτη, είναι να γίνεται καύση με λ = AFR/AFRστοιχ. > 8/1, ώστε να υπάρχει περίσσεια αέρα για να καίγονται τα διασπώμενα από την καύση βαριά μόρια υδρογονανθράκων και να μη διαφεύγουν στην ατμόσφαιρα ως σωματίδια. α(2) Ο επιθυμητός στόχος, για την καύση πετρελαίου σε κινητήρες diesel οχημάτων, είναι να γίνεται καύση με λ = AFR/AFRστοιχ. 2.5:1, ώστε να υπάρχει περίσσεια αέρα για να καίγονται τα βαριά μόρια υδρογονανθράκων (HC) για να μη διαφεύγουν στην ατμόσφαιρα ως σωματίδια. Παράλληλα να είναι κατά το δυνατόν λιγότερα τα εκπεμπόμενα οξείδια του αζώτου (ΝΟx) α(3) Ο επιθυμητός στόχος, για την καύση αμόλυβδης βενζίνης σε κινητήρες ΟΤΤΟ, είναι να γίνεται καύση με λ = AFR/AFRστοιχ. = (0.97 1.03), δηλαδή στοιχειομετρική καύση, διότι στην περιοχή αυτή εμφανίζονται τα ελάχιστα των εκπομπών σε CO, HC και NOx. α(4) Ο επιθυμητός στόχος, για την καύση υγραερίου (LPG), είναι να γίνεται καύση με λ = AFR/AFRστοιχ. = (0.97 1.03), δηλαδή στοιχειομετρική καύση, διότι έχει τα ίδια χαρακτηριστικά με την αμόλυβδη βενζίνη και στην περιοχή αυτή εμφανίζονται τα ελάχιστα των εκπομπών σε CO, HC και NOx. α(5) Ο επιθυμητός στόχος, για την καύση φυσικού αερίου (LPG), είναι να γίνεται καύση με λ = AFR/AFRστοιχ. = (0.97 1.03), δηλαδή στοιχειομετρική καύση, διότι έχει τα ίδια χαρακτηριστικά με την αμόλυβδη βενζίνη και στην περιοχή αυτή εμφανίζονται τα ελάχιστα των εκπομπών σε CO, HC και NOx. α(6) Ο επιθυμητός στόχος, για την καύση πετρελαίου σε κινητήρες diesel οχημάτων, είναι να γίνεται καύση με λ = AFR/AFRστοιχ. 4:1, ώστε να υπάρχει περίσσεια αέρα για να καίγονται τα βαριά μόρια υδρογονανθράκων (HC) για να μη διαφεύγουν στην ατμόσφαιρα ως σωματίδια. Παράλληλα να είναι κατά το δυνατόν λιγότερα τα εκπεμπόμενα οξείδια του αζώτου (ΝΟx) β) Στους κινητήρες εσωτερικής καύσης ο λόγος αέρα καυσίμου που προκύπτει από την καύση ελέγχεται από τον αισθητήρα λάμδα που τοποθετείται στη ροή των καυσαερίων και καταγράφει συνεχώς την ύπαρξη ή την έλλειψη οξυγόνου στα καυσαέρια. Περίσσεια οξυγόνου στα καυσαέρια σημαίνει καύση φτωχού μίγματος ενώ η έλλειψή του σημαίνει καύση πλουσίου μίγματος. Η πληροφορία αυτή μεταδίδεται με ηλεκτρικό σήμα στον μονάδα ελέγχου της ποσότητας ψεκασμού καυσίμου στον κινητήρα, η οποία κάνει τη σχετική διόρθωση ώστε να εξασφαλισθεί η επιθυμητή ποιότητα καύσης.
ΘΕΜΑ 2 α) Με τι διατάξεις μπορούμε να μειώσουμε τις εκπομπές ρύπων στην ατμόσφαιρα, από οποιαδήποτε τυποποιημένη καύση, τη στιγμή που αυτή εξελίσσεται. Που αυτές τοποθετούνται και με ποια διαδικασία κάθε μια από αυτές μειώνουν τους ρύπους. (1 μον.) β) Το CO 2 είναι φυσιολογικό αποτέλεσμα κάθε καύσης. Γιατί θέλουμε να μην υπάρχει στα καυσαέρια και με ποιο/ους τρόπο/πους μπορούμε να το μειώσουμε ή να το εξαλείψουμε. (1 μον.) α) Οι εκπομπές ρύπων στην ατμόσφαιρα, μειώνονται με τη χρήση καταλυτικών διατάξεων. Οι πηγές καύσης μπορούν να διαχωριστούν σε δύο κατηγορίες: ΣΤΑΘΕΡΕΣ, καυστήρες σε βιομηχανικές μονάδες, και ΚΙΝΗΤΕΣ, όπως οι κινητήρες οχημάτων. Στις ΣΤΑΘΕΡΕΣ, όπου υπάρχει άφθονος χώρος για τοποθέτηση φίλτρων και καταλυτών, τοποθετούνται στους αγωγούς απαγωγής των καυσαερίων, ηλεκτροστατικά φίλτρα για την κατακράτηση των σωματιδίων διατάξεις που αναμειγνύουν αέρα με τα καυσαέρια ώστε να οξειδωθούν τα όποια μόρια μονοξειδίου του άνθρακα και άκαυστοι υδρογονάνθρακες έχουν διαφύγει και καταλυτικές που ανάγουν τα οξείδια του Αζώτου και τα οξείδια του Θείου, σε περίπτωση που το καύσιμο περιέχει άτομα θείου. Στους ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΟΧΗΜΑΤΩΝ οι διατάξεις απορρύπανσης των καυσαερίων τοποθετούνται στο σύστημα απαγωγής των καυσαερίων (εξάτμιση). Στους βενζινοκινητήρες, που οι εκπεμπόμενοι ρύποι είναι το μονοξείδιο του Άνθρακα, οι Άκαυστοι Υδρογονάνθρακες και τα Οξείδια του Αζώτου, τοποθετείται ένας τριοδικός καταλυτικός μετατροπέας που κατά τη διάρκεια της διέλευσης των καυσαερίων μέσα από αυτόν, οξειδώνει τα μόρια του μονοξειδίου του άνθρακα και των άκαυστων υδρογονανθράκων και ανάγει τα οξείδια του Αζώτου. Στους πετρελαιοκινητήρες, που οι εκπεμπόμενοι ρύποι είναι σωματίδια, τα οποία αποτελούνται κυρίων από άκαυστα μόρια βαριών Υδρογονανθράκων και τα Οξείδια του Αζώτου, τοποθετούνται δύο διατάξεις. Η πρώτη είναι ένα φίλτρο κατακράτησης των σωματιδίων που με κατάλληλη ρύθμιση της λειτουργίας του κινητήρα εξασφαλίζεται η καύση τους μέσα στο φίλτρο (αναζωογόνηση) και η δεύτερη είναι μια καταλυτική διάταξη αναγωγής των οξειδίων του αζώτου με τη χρήση ουρίας, στην οποία τα οξείδια του αζώτου διασπώνται σε Οξυγόνο και Άζωτο.. β) Παρά το γεγονός ότι από κάθε καύση θα προκύψει αναμενόμενα το διοξείδιο του άνθρακα η συμβολή του στο φαινόμενο του θερμοκηπίου έχει οδηγήσει στην ανάγκη να προσπαθούμε να βρούμε τρόπους μεθόδους με τις οποίες να το μειώνουμε. Κύριοι τρόποι με τους οποίους εξασφαλίζουμε την μείωσή του είναι: - Η δημιουργία μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές όπως η ηλιακή, η αιολική και η υδροδυναμική ενέργεια ώστε να αντικατασταθούν οι υπάρχουσες μονάδες παραγωγής από πετροκαύσιμα - Η χρήση βιοκαυσίμων. Τα βιοκαύσιμα προερχόμενα από φυτικές καλλιέργειες έχουν ελάχιστο έως μηδενικό τελικό ισοζύγιο εκπεμπομένου στην ατμόσφαιρα διοξειδίου του άνθρακα μια, που κατά την διάρκεια ανάπτυξης των φυτών, από τα οποία θα προέλθει το βιοκαύσιμο, μέρος του αποροφάται κατά την ανάπτυξη του φυτού. - Σε κινητήρες που είναι ήδη σε λειτουργία έχουμε μείωση του εκπεμπόμενου CO 2 αν αντικαταστήσουμε το χρησιμοποιούμενο καύσιμα με άλλο που να έχει λόγο άνθρακα προς Υδρογόνο μικρότερο. Π.χ. η μετατροπή ενός βενζινοκινητήρα σε κινητήρα με υγραεριοκίνηση ή ακόμη καλύτερα σε κινητήρα κινούμενο από Φυσικό Αέριο. - Η βελτίωση του βαθμού απόδοση των θερμικών μονάδων ώστε από την παραγόμενη ενέργεια να υπάρχει η μέγιστη δυνατή χρήση της. Με τον τρόπο αυτό για τις ίδιες ανάγκες καταναλώνουμε λιγότερα καύσιμα και κατά συνέπεια εκπέμπεται μικρότερη ποσότητα CO 2 στην ατμόσφαιρα.
ΘΕΜΑ 3 Για τα παρακάτω καύσιμα: (1) οκτάνιο, (2) αιθανόλη (3) αιθάνιο, (4) προπάνιο α) Να γράψετε τις χημικές εξισώσεις για στοιχειομετρική καύση. (1 μον.) β) Βρείτε την αναλογία κατά βάρος αέρα-καυσίμου για τα παραπάνω. (1 μον.) γ) Βρείτε την αναλογία κατά όγκο αέρα-καυσίμου για τα αέρια από αυτά. (1 μον.) (Θεωρήστε ότι η σύσταση του αέρας είναι 21% Ο 2 και 79% Ν 2 ) α) Οκτάνιο: C 8 H 18 + 12.5O 2 -> 8CO 2 + 9H 2 O Αιθανόλη: C 2 H 5 (HO) + 3O 2 -> 2CO 2 + 3H 2 O Αιθάνιο: C 2 H 6 + 3.5O 2 -> 2CO 2 + 2H 2 O Προπάνιο: C 3 H 8 + 5O 2 -> 3CO 2 + 4H 2 O β) Για τον υπολογισμό του λόγου αέρα καυσίμου είναι αναγκαίος ο υπολογισμός της ποσότητας κατά βάρος του Οξυγόνου στον αέρα. ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΕΡΑ Kατ Όγκο M.B. M.Β.air Kατά Bάρος N2 > 79.00% 28 22.12 76.70% O2 > 21.00% 32 6.72 23.30% TOTAL 100.00% 28.84 100.00% Οκτάνιο: Μάζα(C 8 H 18 ) = 8 * MB C + 18 * MB H = 114 g/mol Μάζα Οξυγόνου από τον αέρα = 2 * 12.5 * MB Ο / Κ.Β. Ο2 στον αέρα = 1716.67 g/mol Λόγος αέρα καυσίμου κατά βάρος για στοιχειομετρική καύση = 1716.67 / 114 = 15.06 Αιθανόλη: Μάζα(C 2 H 5 (HO)) = 2 * MB C + 6 * MB H + MB Ο = 46 g/mol Μάζα Οξυγόνου από τον αέρα = 2 * 3 * MB Ο / Κ.Β. Ο2 στον αέρα = 412 g/mol Λόγος αέρα καυσίμου κατά βάρος για στοιχειομετρική καύση = 412 / 46 = 8.96 Αιθάνιο: Μάζα(C 2 H 6 ) = 2 * MB C + 6 * MB H = 30 g/mol Μάζα Οξυγόνου από τον αέρα = 2 * 3.5 * MB Ο / Κ.Β. Ο2 στον αέρα = 480.67 g/mol Λόγος αέρα καυσίμου κατά βάρος για στοιχειομετρική καύση = 480.67 / 30 = 16.02 Προπάνιο: Μάζα(C 3 H 8 ) = 3 * MB C + 8 * MB H = 44 g/mol Μάζα Οξυγόνου από τον αέρα = 2 * 5 * MB Ο / Κ.Β. Ο2 στον αέρα = 686.67 g/mol Λόγος αέρα καυσίμου κατά βάρος για στοιχειομετρική καύση = 686.67 / 30 = 15.61 γ) Αέρια καύσιμα από τα παραπάνω είναι το Αιθάνιο και το προπάνιο. Για τον υπολογισμό του λόγου αέρα καυσίμου κατ όγκο του Οξυγόνου στον αέρα, θα χρειαστεί το ποσοστό του οξυγόνου στο αέρα, που είναι 21%. Αιθάνιο: Μόρια Οξυγόνου για στοιχειομετρική καύση: 3.5 mol Απαιτούμενα mol Οξυγόνου από τον αέρα = 3.5 / Κ.Ο. Ο2 στον αέρα = 16.67 mol Λόγος αέρα καυσίμου κατ όγκο: mol(αέρα) / 1mol(καυσίμου) για στοιχειομετρική καύση = 16.67 Προπάνιο: Μόρια Οξυγόνου για στοιχειομετρική καύση: 5 mol Απαιτούμενα mol Οξυγόνου από τον αέρα = 5 / Κ.Ο. Ο2 στον αέρα = 23.81 mol Λόγος αέρα καυσίμου κατ όγκο: mol(αέρα) / 1mol(καυσίμου) για στοιχειομετρική καύση = 23.81
ΘΕΜΑ 4 Περιγράψτε τι απεικονίζει καθένα από τα παρακάτω διαγράμματα. α) β) γ) (1 μον.) (1 μον.) (1 μον.) α) Πραγματικός κύκλος λειτουργίας Diesel σε τετράχρονο κινητήρα. - Καμπύλη: 0 1 1 ος χρόνος, Εισαγωγή αέρα. - Καμπύλη: 1 2 2 ος χρόνος, Συμπίεση. - Καμπύλη: 2 3 Έναρξη 3 ου χρόνου, Ψεκασμός Καυσίμου & παραγωγή έργου. - Καμπύλη: 3 4 3 ος χρόνος, Παραγωγή έργου - Εκτόνωση. - Καμπύλη: 4 0 4 ος χρόνος, Εξαγωγή καυσαερίων. β) Πραγματικός κύκλος λειτουργίας Diesel σε δίχρονο κινητήρα. - Εισαγωγή αέρα, Inlet opens Inlet closes - Συμπίεση, Exhaust closes Injection occurs - Ψεκασμός Καυσίμου, Injection occurs μέχρι το E της λέξης Expansion - Παραγωγή έργου Εκτόνωση, Injection occurs Exhaust opens - Εξαγωγή καυσαερίων, Exhaust opens - Exhaust closes γ) Πραγματικός κύκλος λειτουργίας ΟΤΤΟ σε τετράχρονο κινητήρα. - 1 ος χρόνος Φάση Εισαγωγής αέρα, κάτω καμπύλη στο pumping loop - 2 ος χρόνος Φάση Συμπίεσης, αριστερή καμπύλη στο power loop - Ανάφλεξη καυσίμου στη φάση της συμπίεσης όταν η καμπύλη γίνει σχεδόν κάθετη. - 3 ος χρόνος Φάση Παραγωγής έργου, δεξιά καμπύλη στο power loop. - 4 ος χρόνος Φάση Εξαγωγής καυσαερίων, πάνω καμπύλη στο pumping loop.
ΘΕΜΑ 5 Η Ανώτερη Θερμογόνο ύναμη (ΑΘ ) ενός καυσίμου με βάση την επί ξηρού στοιχειακή κ.β. σύσταση του, υπολογίζεται από τη σχέση: O ΑΘΔ 33.890, 4 C 144.180,6 (H ) kj/kg 8 όπου C, H και Ο η % κ.β. στοιχειακή σύσταση του καυσίμου, σε άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο, αντίστοιχα. Ποια είναι η Κατώτερη Θερμογόνος ύναμη (ΚΘ ) βιομάζας που περιέχει, επί ξηρού, 50% κβ άνθρακα, 6% κβ υδρογόνο, 44% κβ οξυγόνο και υγρασία 20 %; (23) Η συγκεκριμένη βιομάζα περιέχει 80% κβ ξηρή ύλη και 20% κβ νερό. Η ξηρή ύλη έχει ΑΘ : ΑΘ = 33.890,4 x 0,5 + 144.180,6 x (0,06 0,44/8) = 17.666 kj/kg ξηρής βιομάζας Οπότε, η συγκεκριμένη βιομάζα έχει ΑΘ : 0,8 kg ξηρής βιομάζας/kg βιομάζας x 17.666 kj/kg ξηρής βιομάζας = = 14.133 kj/kg βιομάζας Στο 1 kg βιομάζας (υγρή) περιέχεται: 20 % υγρασία ή 200 γρ νερού ή 200/18 = 11,11 mol νερού, Όπου: 18 gr/mol το μοριακό βάρος του νερού και Επιπλέον από την καύση 1 kg βιομάζας (υγρή) προκύπτουν: 80 % ξηρή βιομάζα ή 800 γρ ξηρής βιομάζας x 6% κβ υδρογόνο = 48 γρ ατομικού υδρογόνου ή 48/2 = 24 mol H 2, τα οποία κατά την καύση τους δίνουν 24 mol νερού. Τα συνολικά mol νερού που προκύπτουν μετά την καύση 1 kg υγρής βιομάζας είναι: 11,11 mol νερού από την υγρασία + 24 mol νερού από την καύση = 35,11 mol/kg βιομάζας Με δεδομένο ότι: - η ενθαλπία εξάτμισης σε Κ.Σ. του νερού ισούται με 2257 KJ/Kg - το μοριακό βάρος του νερού είναι 18 Kg/Kmol Προκύπτει: Η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης = 2257KJ/Kg * 18.0153Kg/Kmol = 40661KJ/Kmol = 40,7 kj/mol Η 2 Ο. Η ζητούμενη ΚΘ της συγκεκριμένης βιομάζας είναι: ΚΘ = 14.133kJ/kgβιομάζας 35,11molH 2 O/kgβιομάζας x 40,7kJ/molH 2 O = = 12.704 kj/kgβιομάζας
ΘΕΜΑ 6 α) Ποια είναι η χρήση της βιοαιθανόλης και ποια τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά της σε σχέση με αυτά της βενζίνης; (44) β) Ποια είναι τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του βιοντίζελ σε σχέση με αυτά του ορυκτού ντίζελ; (38) α) Η βιοαιθανόλη μπορεί να αναμιχθεί με τη βενζίνη, χωρίς να απαιτούνται μετατροπές στον κινητήρα του αυτοκινήτου, σε ποσοστό ως 25 %. - Η χρήση της βιοαιθανόλης ως βιοκαύσιμο ακολουθεί τον κύκλο του άνθρακα και μπορεί να θεωρηθεί ότι οι εκπομπές CO 2 είναι μηδενικές. - Σε σχέση με τη βενζίνη παρουσιάζει μεγαλύτερη πυκνότητα (0,79 kg/lt έναντι 0,69 kg/lt), - χαμηλότερη θερμογόνο δύναμη κατά 30 % (21 MJ/lt έναντι 32 MJ/lt) - ο αριθμός Οκτανίων της βιοαιθανόλης είναι μεγαλύτερος από τον αντίστοιχο της βενζίνης (108.6 RON έναντι 90 95 RON της απλής αμόλυβδης βενζίνης) - μπορεί να αντικαταστήσει την βενζίνη κατά 100% με κατάλληλη ρύθμιση του κινητήρα, ώστε να εξασφαλιστεί ο κατάλληλος για στοιχειομετρική καύση λόγος αέρα καυσίμου. β) Το βιοντίζελ προέρχεται από επεξεργασία φυτικών ελαίων. Τα φυτικά έλαια μπορούν να αναμιχθούν σε ποσοστό μέχρι 30% με το ορυκτό Diesel, χωρίς να απαιτούνται μετατροπές στον κινητήρα του αυτοκινήτου. - Μετά την διαδικασία της μετεστεροποίησης από την οποία προκύπτει η τελική μορφή του βιοντίζελ, οι πυκνότητες των δύο καυσίμων είναι παραπλήσιες με αποτέλεσμα να μπορούν να αναμιχθούν σε οποιαδήποτε αναλογία και να μη διαχωρίζονται με την πάροδο του χρόνου αποθήκευσης. - Το βιοντίζελ έχει θερμογόνο δύναμη 39,5 40,5 MJ/kg έναντι 42 44 του ορυκτού ντίζελ, - η πυκνότητα του βιοντίζελ κυμαίνεται από 0,87 0,89 kg/lt έναντι 0,83 0,85 kg/lt του ορυκτού ντίζελ. - Έτσι η θερμογόνος δύναμη ανά λίτρο καυσίμου είναι 34 35 MJ/lt για το βιοντίζελ και 35 36 MJ/lt για το ορυκτό ντίζελ. - Όσον αφορά στον αριθμό κετανίου το βιοντίζελ πλεονεκτεί έναντι του ορυκτού ντίζελ, με αριθμούς κετανίου από 48 55 έναντι 49 53. Σύμφωνα με τα παραπάνω η θερμογόνος του βιοντίζελ υστερεί της θερμογόνου του ορυκτού ντίζελ κατά 5 10 %, όταν αυτή εκφράζεται ανά μονάδα μάζας καυσίμου και 3 5 % αν η θερμογόνος εκφραστεί ανά μονάδα όγκου καυσίμου.