Применение рапсового масла в качестве биодизельного топлива

Автор: Запевалов М.В., Сергеев Н.С., Редреев Г.В.

Журнал: Вестник Омского государственного аграрного университета @vestnik-omgau

Рубрика: Процессы и машины агроинженерных систем

Статья в выпуске: 4 (44), 2021 года.

Бесплатный доступ

Рапс в настоящее время является широко распространенной масличной культурой. C учетом высоких затратах на дизельное топливо при возделывании сельскохозяйственных культур вполне логичным стали поиск альтернативного вида топлива и замена дизельного топлива на другое, менее экологически вредное, легко воспроизводимое в условиях сельскохозяйственного предприятия. Проведенные ранее исследования в части применения биотоплива на основе рапсового масла показали перспективность получения применимых результатов. Рапсовое масло практически не содержит серы, экологически безвредно, безопасно в пожарном отношении, обладает хорошими смазочными свойствами, что способствует увеличению срока службы топливной аппаратуры и самого двигателя. Прямое применение рапсового масла в качестве топлива невозможно, нужна технология приготовления топливной смеси. Разработанная технологическая линия позволяет получить топливную смесь с содержанием до 75% рапсового масла. Сравнительные испытания двигателя Д-240 на дизельном топливе и топливной смеси показали отсутствие падения мощности, равенство крутящего момента и снижение удельных затрат на топливо при некотором повышении расхода топливной смеси. Было выяснено, что большое значение имеет получение качественной смеси при имеющейся разнице в вязкости дизельного топлива и рапсового масла. При этом по энергетическим показателям топливная смесь не уступает минеральному дизельному топливу.

Еще

Альтернативное топливо, топливная смесь, энергетические показатели, технология приготовления смеси

Короткий адрес: https://sciup.org/142231232

IDR: 142231232 | DOI: 10.48136/2222-0364_2021_4_198

Текст научной статьи Применение рапсового масла в качестве биодизельного топлива

Рапс как сельскохозяйственная культура известен человечеству более двух тысяч лет . Рапс используется как для пищевых, так и для технических нужд. Посевная площадь рапса в мире постоянно растет. Он возделывается в 50 странах на площади свыше 26 млн га. Возделывание рапса распространено в странах с умеренным климатом, наиболее популярен он в Индии, Канаде, Китае, Германии, Франции, Великобритании, Польше. Наибольшие площади рапса находятся в Индии и Канаде. В странах Европейского союза первенство по выращиванию рапса принадлежит Германии и Франции.

Спрос на растительные масла растет во всем мире, в том числе в России. В связи с этим как увеличивается посевная площадь масличных культур, так и совершенствуется технология их возделывания. В Челябинской области в структуре масличных культур

под яровым рапсом площадь по годам колеблется от 30 до 50 тыс. га. Из-за нарушения технологии его возделывания средняя урожайность семян не превышает 11 ц/га, хотя природно-климатические условия Южного Урала позволяют получать урожайность до 20 ц/га. В 2019 г. в Челябинской области площадь под масличные культуры, в том числе под рапс, составила 205,5 тыс. га [1].

Производство сельскохозяйственной продукции связано с высокими затратами энергии. В первую очередь это касается топливо-смазочных материалов. В России в технологии возделывания сельскохозяйственных культур средний расход на один гектар составляет около 50 кг дизельного топлива. Следует отметить, что доля стоимости топлива в себестоимости возделываемой сельскохозяйственной продукции превышает 20%. Таким образом, возрастающие цены на топливо ведут к увеличению себестоимости сельскохозяйственной продукции, а при сдерживании ее цены на рынке к снижению рентабельности хозяйства [2].

Россия является одним из основных поставщиков природных энергоресурсов на мировой рынок. Запас этих ресурсов не безграничен, поэтому во всем мире ведутся исследования по применению альтернативных источников энергии. Уже сейчас стоит вопрос о замене минерального топлива на другое, экологически безвредное. Одним из таких видов, по крайней мере для сельского хозяйства, уже сейчас может стать биодизельное топливо на основе растительных масел [3–4].

Широкие исследования по применению растительного масла в качестве топлива для дизельных двигателей проводились еще в 70-е годы прошлого столетия. Известно, что молекула жира состоит из соединений трехвалентного спирта глицерина с тремя жирными кислотами и если к девяти массовым единицам растительного масла добавить одну единицу метанола, то при определенных условиях, в результате химической реакции, образуется метиловый эфир и глицерин. Метиловый эфир и является биотопливом. Существуют и другие способы его приготовления, например путем нейтрализации глицерина [5].

Биотопливо можно получать из любого растительного масла, однако наиболее рациональным является топливо на основе рапсового.

Рапс – это однолетнее масличное растение из семейства крестоцветных. В зависимости от сорта и условий возделывания в семенах содержится от 30 до 50% масла. Рапсовое масло содержит такие кислоты, как олеиновая – 43,7%; линолевая – 20,9%; эруковая – 15,4%; линоленовая – 8,5%; пальмитиновая – 4,8%; эйкозеновая – 4,8%; стеариновая – 1,7%. Рапсовое масло является ценным диетическим продуктом, так как содержит достаточно высокое количество полиненасыщенных жирных кислот. Тем не менее, оно широко используется на технические нужды. Еще в древние времена рапсовое масло применялось в фонарях для освещения улиц, смазки металлических деталей, контактирующих с водой и паром, с целью предотвращения коррозии. В настоящее время его применяют в гидравлических системах тракторов и сельхозмашин. Это отличное сырье для производства разлагаемой пластмассы и экологического топлива для тепловых двигателей. Если минеральное масло попадет на почву, то растения погибают и прорастать на этом месте не могут в течение нескольких лет. Рапсовое же масло не обладает бензоловым запахом, а при попадании в почву или воду не причиняет вреда ни растениям, ни живым организмам. Обладает коротким периодом распада (28–30 дней). Оно почти не содержит серы, в то время как при сгорании минерального дизельного топлива ее выделяется около 0,5%. При сгорании выделяется столько углекислого газа, сколько было потреблено растением из атмосферы для производства масла за весь период его жизни. Обладает хорошими смазочными показателями, что способствует увеличению срока службы топливного насоса и самого двигателя [6–7]. Повышенная температура воспламенения рапсового масла обеспечивает его пожарную безопасность. Все это говорит о рациональности применения рапсового масла в качестве топлива дизельных двигателей, которое может быть приготовлено в условиях сельскохозяйственного предприятия с себестоимостью ниже закупочной цены минерального дизельного топлива.

Целью исследования является определение сравнительных эксплуатационных показателей дизельного двигателя при работе на дизельном топливе и топливе на основе рапсового масла.

Задачи исследования : обоснование технической целесообразности применения рапсового масла в качестве топлива дизельного двигателя; разработка схемы технологической линии для приготовления топливной смеси и приготовление топливной смеси рапсового масла с дизельным топливом; проведение сравнительных испытаний дизельного двигателя при работе на дизельном топливе и смеси рапсового масла с дизельным топливом.

Материалы и методы

Несмотря на имеющиеся отличия физико-химических свойств рапсового масла и дизельного топлива (табл. 1), в настоящее время все большее применение рапсовое масло получает в качестве основного компонента при приготовлении биодизельного топлива [8]. Эти два компонента хорошо смешиваются, а полученная смесь имеет свойства, которые позволяют ее сжигать в дизельном двигателе без изменения его конструкции. Рапсовое масло существенно отличается от дизельного топлива по вязкости и температуре вспышки: если вязкость дизельного топлива составляет 4,3 мм2/с, то рапсового масла 75,1 мм2/с. Смесь 75% рапсового масла и 25% дизельного топлива имеет вязкость 36,0 мм2/с, плотность 891 кг/м3 и низшую теплоту сгорания 38,375 мДж/кг, то есть показатели, близкие к дизельному топливу.

Таблица 1

Физико-химические свойства рапсового масла и дизельного топлива

№ п/п	Параметр	Рапсовое масло	Дизельное топливо
1	Содержание, % С; Н; О	78,0; 11,5; 10,5	85,2; 13,7; 1,1
2	Плотность при 15°С, кг/м³	917	800–845
3	Кинематическая вязкость при 40°С, мм²/с	42,1	1,5–4,0
4	Динамическая вязкость при 20°С, Па/с	68,7 ∙ 10^–3	3,15 ∙ 10^–3
5	Поверхностное натяжение, н/м	33,2 ∙ 10^–3	27,1 ∙ 10^–3
6	Низшая теплота сгорания, мДж/м³	36,992	42,437
7	Цетановое число	36–55	46–49
8	Температура вспышки, не ниже, °С	100	55
9	Температура застывания, °С	–23	–10; –35; –45; –55
10	Содержание серы, %	0,005	0,5
11	Коксуемость 10%-ного остатка, не более, %	0,4	0,3

Результаты исследований

В Южно-Уральском ГАУ проведены исследования по приготовлению смеси рапсового масла с дизельным топливом и сравнительные исследования двигателя Д-240 при работе на дизельном минеральном топливе и топливе из смеси, состоящей из 75% рапсового масла и 25% дизельного топлива. При приготовлении смеси необходимо обеспечить точное дозирование компонентов и их равномерное смешивание. Анализ существующих технологий дозирования жидкостей показывает, что наиболее распространенным является объемное дозирование, для обеспечения которого применяются различные способы и технические средства, отличающиеся функциональностью и сложностью применяемых конструкций. При разработке технологического процесса приготовления топливной смеси ставилась задача по обеспечению его надежности и простоты конструкций при соблюдении заданной точности дозирования и равномерности смешивания. В связи с этим разработана технологическая линии для приготовления топливной смеси (рис. 1).

Рис. 1 . Технологическая линия приготовления топливной смеси: 1 – емкость для хранения рапсового масла; 2 – емкость для хранения минеральных компонентов; 3 – центробежные насосы;

4 – емкости постоянного уровня масла и минеральных компонентов; 5 – трубопроводы подачи жидкости;

6 – обратные трубопроводы; 7 – электромагнитные клапаны; 8 – щелевые дозаторы жидкости;

9 – центробежный роторный смеситель; 10 – пульт управления

Устройство работает следующим образом. Из емкостей для хранения 1 и 2 масло и минеральные компоненты центробежными насосами 3 по трубопроводам 5 подаются в емкости постоянного уровня 4 . При заполнении емкостей жидкостью до установленного уровня избыточная жидкость по обратному трубопроводу самотеком поступает в свои емкости. При включении смесителя жидкости 9 электромагнитные клапаны 7 открываются и жидкости поступают в щелевые дозаторы жидкости 8 , дозирующие в определенной пропорции. Далее жидкости подаются в устройство для смешивания 9 . Готовая топливная смесь по трубопроводу подается в накопительную емкость.

Для обеспечения качественного смешивания жидкостей было разработано и запатентовано устройство для смешивания жидкостей разной вязкости, представляющее собой центробежно-роторный смеситель [9]. Конструкция технологической линии проста в обслуживании и надежна в эксплуатации.

Сравнительные испытания двигателя Д-240 проводились в специализированной лаборатории ЮУрГАУ при работе с регулятором на электрическом обкаточно-тормозном стенде КИ-5543-ГОСНИТИ. Результаты испытаний представлены в табл. 2 и 3.

Таблица 2

№ п/п	Параметр и размерность	Обозначение	Номер испытания
№ п/п	Параметр и размерность	Обозначение	1	2	3	4	5	6	7
1	Частота вращения вала двигателя, об./мин	n	2350	2300	2270	2200	2170	2000	1650
2	Нагрузка на тормозе, кг	Pт	0	17,0	29,0	33,0	33,5	35,0	39,0
3	Расход топлива за испытание, г	ΔGт	50	100	100	100	100	100	100
4	Продолжительность испытания, с	Т	43	41	30	25,5	26,5	30,5	31,8
5	Показания U-образного манометра, мм	Δh	162	160	158	150	141	133	91
6	Давление масла, МПа	Pм	2,4	2,4	2,4	2,3	2,3	2,2	2,2
7	Температура масла, °С	tм	76	82	85	89	90	94	95
8	Температура охлаждающей жидкости, °С	tж	72	74	78	80	82	82	83
9	Температура отработавших газов, °C	tг	172	285	435	450	555	560	560
10	Давление атмосферное, кПа	Вокр	96	96	96	96	96	96	96
11	Температура окружающего воздуха, °С	t окр	21	22	22	22	22	23	23
12	Часовой расход топлива, кг/ч	Gт	4,2	8,8	12,0	14,1	13,6	11,8	11,3
13	Цикловая подача топлива, мг/цикл	g ц	14,8	31,8	44,1	53,5	52,2	49,2	57,2
14	Плотность воздуха, кг/м³	p окр	1,1363	1,1325	1,1325	1,1325	1,1325	1,1286	1,1286
15	Действительный расход воздуха, кг/ч	Gв	326	324	322	313	304	295	244
16	Теоретический расход воздуха, кг/ч	Gвт	381	373	368	356	352	324	267
17	Коэффициент наполнения	ήV	0,86	0,87	0,87	0,88	0,86	0,91	0,91
18	Коэффициент избытка воздуха	а	5,44	2,58	1,87	1,55	1,56	1,75	1,51
19	Усл. среднее давление мех. потерь, МПа	^РМ	0,23	0,22	0,22	0,22	0,21	0,20	0,17
20	Условная мощность мех. потерь, кВт	Nм	21,2	20,4	19,9	18,8	18,4	15,8	11,2
21	Крутящий момент, Нм	Мк	0	119	203	231	235	249	273
22	Среднее эффективное давление, МПа	Ре	0	0,31	0,54	0,61	0,62	0,66	0,72
23	Эффективная мощность, кВт	Nе	0,0	28,7	48,3	53,2	53,3	52,0	47,2
24	Уд. эффект. расход топлива, г/кВт ч	g е		306	249	265	255	227	240
25	Уд. затраты на топливо, руб./кВт ч	с е		10,19	8,29	8,82	8,49	7,56	7,99
26	Среднее индикаторное давление, МПа	Рi	0,23	0,54	0,76	0,83	0,83	0,86	0,89
27	Индикаторная мощность, кВт	N i	21,2	49,1	68,2	72,0	71,6	67,9	58,4
28	Удельный индикативный расход топлива, г/кВт	g i	197	179	176	196	190	174	194
29	Индикаторный КПД	ή i	0,44	0,48	0,49	0,44	0,46	0,50	0,45
30	Механический КПД	ή м	0,00	0,58	0,71	0,74	0,74	0,77	0,81

Таблица 3

№ п/п	Параметр и размерность	Обозначение	Номер испытания
№ п/п	Параметр и размерность	Обозначение	1	2	3	4	5	6	7
1	Частота вращения вала двигателя, об./мин	n	2350	2300	2270	2200	2170	2000	1650
2	Нагрузка на тормозе, кг	Pт	0	14,0	26,5	32,5	33,5	35,0	38,5
3	Расход топлива за испытание, г	ΔGт	50	100	100	100	100	100	100
4	Продолжительность испытания, с	Т	41	39	28,5	24,5	24,8	25,7	28,8
5	Показания U-образного манометра, мм	Δh	160	159	156	146	145	132	91
6	Давление масла, МПа	Pм	2,4	2,4	2,4	2,3	2,3	2,2	2,2
7	Температура масла, °С	tм	77	82	86	88	91	93	95
8	Температура охлаждающей жидкости, °С	tж	74	75	77	80	81	82	84
9	Температура отработавших газов, °C	tг	172	285	435	520	535	531	556
10	Давление атмосферное, кПа	Вокр	96	96	96	96	96	96	96
11	Температура окружающего воздуха, °С	t окр	21	22	22	22	22	23	23
12	Часовой расход топливной смеси, кг/ч	Gт	4,4	9,2	12,6	14,7	14,5	14,0	12,5
13	Цикловая подача топливной смеси, мг/цикл	g ц	15,6	33,4	46,4	55,7	55,7	58,4	63,1
14	Плотность воздуха, кг/м³	p окр	1,1363	1,1325	1,1325	1,1325	1,1325	1,1286	1,1286
15	Действительный расход воздуха, кг/ч	Gв	324	323	320	309	308	294	244
16	Теоретический расход воздуха, кг/ч	Gвт	381	373	368	356	352	324	267
17	Коэффициент наполнения	ήV	0,85	0,87	0,87	0,87	0,88	0,91	0,91
18	Коэффициент избытка воздуха	а	5,15	2,44	1,77	1,47	1,48	1,47	1,37
19	Условное среднее давление механических потерь, МПа	Р_М	0,23	0,22	0,22	0,22	0,21	0,20	0,17
20	Условная мощность механических потерь, кВт	Nм	21,2	20,4	19,9	18,8	18,4	15,8	11,2
21	Крутящий момент, Нм	Мк	0	98	186	228	235	245	270
22	Среднее эффективное давление, МПа	Ре	0	0,26	0,49	0,60	0,62	0,65	0,71
23	Эффективная мощность, кВт	Nе	0	23,6	44,1	52,4	53,3	51,3	46,6
24	Удельный эффективный расход топливной смеси, г/кВт ч	g е		391	286	280	272	273	268
25	Удельные затраты на топливную смесь, руб./кВт ч	с е		10,27	7,51	7,35	7,14	7,17	7,04
26	Среднее индикаторное давление, МПа	Рi	0,23	0,48	0,71	0,82	0,83	0,85	0,88
27	Индикаторная мощность, кВт	N i	21,2	44,0	64,0	71,2	71,6	67,1	57,8
28	Удельный индикаторный расход топливной смеси, г/кВт	g i	207	210	197	206	203	209	216
29	Индикаторный КПД	ή i	0,42	0,41	0,44	0,42	0,43	0,42	0,40
30	Механический КПД	ή м	0,00	0,54	0,69	0,74	0,74	0,76	0,81

При номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя 2170 об./мин эффективная мощность двигателя, работающего как на дизельном топливе, так и на смеси рапсового масла с дизельным топливом, составляет 53,3 кВт. Одинаковый крутящий момент 235 Н/м, а удельный эффективный расход топливной смеси больше всего на 17 г/кВт ч. При этом удельные затраты на топливную смесь ниже, чем на дизельное топливо [10].

Се, руб./КВт∙час

1600 1800 2000 2200 n, об./мин

Рис. 2 . Изменение удельных затрат на топливо (верхняя кривая – дизельное топливо; нижняя кривая – топливная смесь)

Энергетические и стоимостные показатели предоставляют основание для использования данной смеси в качестве топлива дизельного двигателя.

Выводы

Для обеспечения точного дозирования и равномерного смешивания рапсового масла и дизельного топлива при приготовлении топливной смеси для дизельного двигателя разработана технологическая линия, включающая запатентованное устройство для смешивания жидкостей разной вязкости. Для целей исследования была приготовлена топливная смесь для дизельного двигателя, состоящая из 75% рапсового масла и 25% дизельного топлива. Получены положительные результаты при сравнительных испытаниях на электрическом обкаточно-тормозном стенде КИ-5543-ГОСНИТИ двигателя Д-240 при работе на дизельном топливе и топливной смеси рапсового масла с дизельным топливом [11]. Испытания показали, что при номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя 2170 об./мин эффективная мощность двигателя, работающего как на дизельном топливе, так и на смеси рапсового масла с дизельным топливом, составляет 53,3 кВт. Одинаковый крутящий момент 235 Н/м, а удельный эффективный расход топливной смеси больше всего на 17 г/кВт ч. Данная топливная смесь по энергетическим показателям не уступает минеральному дизельному топливу.

M.V. ZAPEVALOV1, N.S. SERGEEV1, G.V. REDREEV2

1South Ural State Agrarian University, Chelyabinsk

2Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Omsk

The use of rapeseed oil as a biodiesel fuel

Список литературы Применение рапсового масла в качестве биодизельного топлива

Зыбалов В.С. Яровой рапс – культура больших возможностей на Южном Урале / В.С. Зыбалов. – Текст : непосредственный // АПК России. – 2019. – Том 26. – № 5. – С. 755–762.
Зыбалов В.С. Рациональное использование рапса в сельскохозяйственном производстве / В.С. Зыбалов, Н.С. Сергеев, М.В. Запевалов. – Текст : непосредственный // АПК России. – 2019. – Т. 26. – № 2.
Зыбалов В.С. Анализ химического состава и физических свойств подсолнечного и рапсового масла / В.С. Зыбалов, Я.С. Кожамкулова. – Челябинск : ЧГАА, 2013. – С. 33–38. – Текст : непосредственный.
Применение топлива на основе рапсового масла в дизелях / Д.Д. Матиевский, С.П. Кулманаков, С.В. Лебедев, А.В. Шашев. – Текст : непосредственный // Ползуновский вестник. – 2006. – № 4. – С. 118–127 ; Даманский Р.В. Оценка эффективности использования дизельного топлива с присадкой ПТЛМ на примере работы прецизионных сопряжений распылителей форсунок / Р.В. Даманский. – Текст : непосредственный // Вестник Омского ГАУ. – 2020. – № 2(38). – С. 152–158.
Рапс озимый и яровой : практическое руководство. – Москва : Госагрокомитет, 1988. – 44 с. –Текст : непосредственный.
Рапсовое масло как альтернативное топливо для дизеля / В.А. Марков, А.И. Гайворонский, С.Н. Девянин, Е.Г. Пономарев. – Текст : непосредственный // Автомобильная промышленность. – 2006. – № 2.
Керученко Л.С. Факторы, определяющие износ запорного сопряжения распылителя форсунки дизельного двигателя / Л.С. Керученко, И.В. Веретено, Р.В. Даманский. – Текст : непосредственный // Вестник ОмГАУ. – 2016. – № 2(22). – С. 222–226.
Жосан А.А. Сравнительные физико-химические свойства дизельного топлива из рапсового масла / А.А. Жосан, Ю.Н. Рыжов, А.А. Курочкин. – Текст : непосредственный // Инженерно-техническое обеспечение развития в АПК / Вестник ОрелГАУ. – Ч. 11.
Патент на изобретение № 2342985, РФ. Устройство для смешивания жидкостей разной вязкости / М.В. Запевалов, Н.С. Сергеев, С.П. Маринин. – опубл. 10.01.2009, Бюл. № 1. – Текст : непосредственный.
Квашин В.П. Способы экономии топлива в агропромышленном комплексе / В.П. Квашин,А.Г. Щербакова, С.В. Захаров. – Текст : непосредственный // Вестник Омского ГАУ. – 2018. – № 2(30). – С. 109–115.
Иванов А.А. Оценка эксплуатационных показателей машинно-тракторного агрегата при работе на метаноло-рапсовой эмульсии : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / А.А. Иванов. – Тверь, 2017. – 147 с. – Текст : непосредственный.

Еще

Статья научная