WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

исаенко павел викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

дорожных и строительных машин ПУТЕМ СовершенствованиЯ систем выпуска

отработавших газов

05.05.04 – Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск – 2004

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Томский государственный архитектурно-строительный университет".

Научный руководитель: Доктор физико-математических наук, профессор

Борзых Владимир Эрнестович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Удлер Эдуард Исаакович;

Доктор физико-математических наук, профессор

Кузнецов Гений Владимирович

Ведущая организация: ОАО "Томэкскавация"

Защита диссертации состоится " 27 " декабря 2004 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета К.212.265.01 при Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 634003, Томск, пл. Соляная, 2, корп. 4, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " 27 " ноября 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук,

доцент С.М. Кравченко

общая характеристика работы

Актуальность темы. Современные масштабы развития строительного производства неразрывно связаны с интенсивным использованием дорожных и строительных машин, оснащенных двигателями внутреннего сгорания, в том числе работающих на бензине. Степень многогранного их воздействия на окружающую среду во многом связана с особенностями конструкции отдельных узлов топливных систем, качеством применяемых бензинов и моторных масел, регулировок, а также режимов и условий технической эксплуатации машин при производстве дорожно-строительных работ. Эти и другие факторы предопределяют выбросы вредных веществ отработавших газов машин, выпускные системы которых в основном не имеют средств очистки газов от токсичных веществ. Это в полной мере относится к машинам, оснащенным бензиновыми двигателями. Поэтому обеспечение снижения выбросов вредных веществ дорожными и строительными машинами с бензиновыми двигателями является актуальной и комплексной проблемой, а одно из главных направлений ее решения – дальнейшее совершенствование систем выпуска с использованием эффективных систем нейтрализации.

Цель исследования. Повышение экологической безопасности дорожных и строительных машин путем совершенствования систем выпуска отработавших газов на основе создания пористых фильтроэлементов, полученных одной из современных технологий – самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС-технологией), позволяющих снизить выбросы загрязняющих

Объект исследования. Система выпуска отработавших газов дорожных и строительных машин с бензиновыми двигателями внутреннего сгорания.

Предмет исследования. Процессы получения пористых структур методом СВС и фильтры-нейтрализаторы отработавших газов машин на их основе.

Научная новизна. Впервые предложен способ формирования СВС-фильтроэлементов для системы выпуска отработавших газов дорожных и строительных машин на уровне изобретения.

Предложена физико-математическая модель фильтрации отработавших газов через пористую структуру с учетом переменных режимов работы двигателей машин.

Предложена комплексная методика для экспериментального изучения процессов получения пористых структур методом СВС для фильтроэлементов систем выпуска отработавших газов машин.

Предложен метод инженерного расчета и оптимизации конструктивных элементов систем выпуска отработавших газов машин.

Практическая ценность. Разработанная технология получения пористых СВС-элементов применима для создания эффективных фильтров-нейтрализаторов отработавших газов машин.

Предложенная конструкция фильтра-нейтрализатора для системы выпуска отработавших газов применима для широкого класса дорожных и строительных машин.

Предложенные методы расчета и оптимизации фильтров-нейтрализаторов для систем выпуска отработавших газов применимы в инженерной практике.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований ис­пользуются при выполнении научно-исследовательских, конструктор­ских работ по совершенствованию систем выпуска отработавших газов машин.

Разработанная техническая документация принята ОАО "Томскстрой­транс" для производства опытной партии фильтров-нейтрализаторов отработавших газов отработавших газов транспортных средств.

Методика расчета и оптимизации фильтров-нейтрализаторов для систем выпуска отработавших газов автотранспортных средств используется в учебном процессе ТГАСУ при чтении спецкурсов.

Апробация работы. Материалы исследований, теоретических и конструкторских разработок по теме диссертационной работы обсуждались и докладывались:

- на IV-международной научно-практической конференции «Качество – во имя лучшей жизни» (Томск, 1999г.);

- на международной научно-технической конференции "Архи­тек­тура и строительство" (Томск, 2002 г.);

- на Всероссийской научно-техниче­ской кон­фе­ренции с международным участием "Транспортные системы Сибири" (Красноярск, 2003 г.);

- на научных семинарах кафедр ТГАСУ, ТПУ г. Томска в 2000-2004 годах.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубли­ко­ваны в 8 научных трудах, в том числе в одном патенте РФ на изобретение.

Объем работы. Диссертация изложена на 173 страницах и состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 174 наименований и приложения.

Содержание работы

Введение. Сформулирована и обоснована актуальность работы, излагаются объект и предмет исследования, положения, выносимые автором на защиту.

Состояние вопроса. Цель и задачи исследования. На основании анализа литературных источников рассмотрены общие вопросы образования и состава отработавших газов (ОГ) машин, укомплектованных двигателями внутреннего сгорания (ДВС), в частности, бензиновыми, дан сравнительный анализ норм токсичности отечественных и зарубежных стандартов, средств и методов снижения выбросов токсичных компонентов ОГ, в том числе путем их нейтрализации. Отмечен вклад в развитие систем нейтрализации ОГ отечественных ученых: Звонова В.А., Кутенева В.Ф., Корнилова Г.С., Смайлиса В.И., Евстигнеева В.В., Новоселова А.Л., Мельберт А.А. и других, а также зарубежных исследователей: А. Крилла, Х. Ленца, Х. Шиндербауэра и других.

Установлено, что химические процессы, протекающие в фильтрах-нейтрализаторах отработавших газов, изучены достаточно полно. Поэтому дальнейшее совершенствование конструкции должно базироваться на более глубоком изучении теплофизических и гидравлических процессов, протекающих в системах фильтрации газов.

Показано также, что снижение выбросов загрязняющих веществ до требований ГОСТ Р 52033-2003 и норм "Евро" может быть обеспечено различными путями, в том числе совершенствованием рабочего процесса с рециркуляцией ОГ, впрыском топлива, качественными регулировками систем ДВС, применением специальных присадок к топливу, нейтрализацией ОГ дорожных и строительных машин. Наибольшую техническую целесообраз­ность имеет каталитическая нейтрализация ОГ. Однако на дорожных и строительных машинах, относящихся к категории N2 автотранспортных средств, она отсутствует. Основной причиной неукомплектованности систем выпуска машин каталитическими нейтрализаторами является высокая их стоимость и малая надежность, поскольку содержат элементы платиновой группы, отравляющиеся этилированным бензином.

В результате анализа сделан вывод о том, что снижение выбросов загрязняющих веществ до требуемого уровня обеспечивают фильтры-нейтрали­за­торы, изготовленные с использованием одной из современных технологий - самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС) конденси­ро­ван­ных смесей, не содержащих благородных металлов.

На основании проведенного анализа, исходя из поставленной цели исследования, определены и поставлены для решения следующие задачи:

1. Разработать лабораторный комплекс и методики экспериментальных исследований теплофизических процессов, протекающих в системах фильтрации газов.

2. Выполнить экспериментальные исследования влияния исходных свойств реагирующих смесей и теплофизических параметров на конечные фильтрационные свойства пористой СВС-структуры.

3. Разработать модели фильтрации отработавших газов машин от механических частиц загрязнения и токсичных веществ при течении в СВС-фильтроэлементах.

4. Провести экспериментальные исследования течения отработавших газов в СВС-фильтроэлементах с целью определения границ режимов течения и основных гидродинамических параметров.

5. Разработать способ получения пористых фильтроэлементов на основе объемного электроразогрева и оптимизировать состав реагирующей смесевой шихты.

6. Провести комплекс стендово-лабораторных и эксплуатационных испытаний эффективности фильтров-нейтрализаторов, в том числе на машинах в реальных условиях строительного производства.

7. Разработать инженерную методику расчета и оптимизации элементов конструкции систем выпуска отработавших газов машин.

Решение задач выполнено в несколько этапов научного исследования,

включающего: анализ экологической безопасности машин с бензиновыми двигателями; разработку технологии получения пористых СВС-структур в режиме ЭТВ; теоретические исследования гидродинамических и фильтрационных процессов в пористых СВС-структурах; стендово-лабораторные и эксплуатационные испытания СВС-фильтроэлементов и разработку фильтра-нейтрализатора, в том числе для дорожных и строительных машин категории N2.

Разработка технологии получения пористых структур фильтроэлементов. Исходя из общепринятой концепции СВС-технологии, разработана схема получения пористой структуры в режиме ЭТВ, при котором обеспечивается квазиабатичность процесса, связанная с высокой (до 1000 К/с) интенсивностью роста температуры реагирующей смеси компонентов в широком интервале, что соответствует основам теории синтеза. При ЭТВ реакция синтеза протекает в атмосферной среде без предварительной дегазации компонентов смеси, что выгодно отличает этот метод от других, применяемых в СВС-технологии.

Для реализации поставленных задач настоящей работы были разработаны стенды для получения пористых СВС-структур (рис.1) и оценки их гидродинамических характеристик (рис.2), а также блок-схема (рис.3) для автоматизированного сбора текущей информации, объединяющая функциональные действия технологического оборудования и измерительной аппаратуры.

Рис.1. Экспериментальный стенд «Теплосинтез»:

1 – металлическая станина; 2 – тран­сформатор; 3 – компрессорная установка; 4, 9 – нижняя и верхняя консоли; 5, 7 – контактные опоры; 6 – низковольтные кабели; 8 – поршень с нажимной втулкой; 10 – пневмопривод.

Рис.2. Общая схема стенда "Тест-нейтрализатор":

1 – газовый редуктор; 2 – образцовые манометры; 3 – манометр; 4 – ротаметр; 5 – узел крепления образца; 6 – газовый кран; 7 – фильтры; 8 – соединительные шланги давления; 9 – баллон высокого давления; 10 – компрессор.

Рис.3. Блок-схема автоматизированного сбора информации:

1 – верхний пуансон; 2 – нижний пуансон; 3 – контейнер; 4 – реакционная смесь; 5 – электроды; 6 – низковольтный силовой трансформатор; 7 – регулятор напряжения; 8 – трансформатор тока; 9, 10 – ампервольтметр; Р – давление; ТС – стенд "Теплосинтез"; БППК – блок предварительной подготовки компонентов; ВЛ – весы лабораторные; ПЭ – преобразующий элемент; СГ – спектрограф; КП – камерная печь; СП – смесительный прибор; ТН – установка "Тест-нейтрализатор"; БИЗиД – блок измерительных зондов и датчиков; ДД – датчик давления; ФД – фотодиод; ТП – термопара; НП – напорная трубка; ИБС – интерфейсный блок связи; ЭВМ – электронно-вычислительная машина; БВИ – блок вывода информации; М – монитор; П – принтер; Н – накопитель.

Технология получения пористых фильтроэлементов заключается в объемном разогреве электрическим током подготовленной реагирующей порошковой смеси с одновременной подпрессовкой, протекании экзотермической реакции и формировании в результате этого пористого материала.

При подпрессовке смеси выше или ниже расчетных пределов происходит нестабильный пджег брикета, разрушение конечного СВС-продукта и уменьшение коэффициента проницаемости до нуля.

При этом усадку шихты в виде коэффициента рекомендуется определять по формуле:

, (1)

где – плотность шихты; – коэффициент, зависящий от формы пуансона; F – площадь сечения пуансона; и – коэффициенты пористости до и после прессования; – коэффициент Пуассона.

Для проверки гипотезы о квазиобатичности ЭТВ вводится безразмерная величина теплоотдачи взрывной волны горения в окружающую среду при атмосферных условиях во время синтеза

, (2)

где Е – энергия активации;– скорость горения;– коэффициент теплоотдачи;– коэффициент теплопроводности; с, – теплоемкость и плотность смеси соответственно;, – наружный и внутренний диаметры образца.

При этом установлено, что с учетом критериев Грасгофа и Прандтля теплоотдача составляет менее 1 % и снижается с увеличением геометрических размеров СВС-образца. Типичная термограмма горения смеси Ti-C и газифицирующей добавки (рис.4) свидетельствует о кратковременности горения смеси в режиме ЭТВ. При этом структура конечного пористого карбида титана принимает вид (рис.5).

Рис.4. Типичная термограмма горения системы Ti-C:

t, Е – время и энергия горения соответственно.

а) б) в)

Рис.5. Структура пористого СВС-карбида титана при:

а) С/Ti = 0,4; б) С/Ti = 0,65; в) С/Ti = 0,9.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»