Откройте актуальную версию документа прямо сейчас
Если вы являетесь пользователем интернет-версии системы ГАРАНТ, вы можете открыть этот документ прямо сейчас или запросить по Горячей линии в системе.
Вход
Купить систему ГАРАНТ
Получить демо-доступ
Узнать стоимость
Информационный банк
Подобрать комплект
Семинары
- Главная
- Государственный стандарт РФ ГОСТ Р 51249-99 "Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения" (введен в действие постановлением Госстандарта России от 3 марта 1999 г. N 56) (отменен)
- Приложение В (рекомендуемое). Расчет расхода отработавших газов методами углеродного и углеродокислородного балансов
Приложение В (рекомендуемое). Расчет расхода отработавших газов методами углеродного и углеродокислородного балансов
Приложение В
(рекомендуемое)
Расчет расхода отработавших газов методами углеродного и углеродокислородного балансов
В приложении приведены методы расчета расхода отработавших газов и (или) расхода воздуха двигателем. Методы основываются на измерениях состава отработавших газов и расхода топлива. Приложение включает два метода для расчета массового расхода отработавших газов. Первый метод (углеродный баланс) применяется при использовании жидких углеводородных топлив, содержащих кислород и азот, в сумме не превышающих 1% по массе. Второй метод универсальный (углеродокислородный баланс) применяется при использовании жидких и газообразных топлив с содержанием Н, С, S, О, N в любых соотношениях.
В таблице В.1 приведены символы величин, используемые в формулах для расчетов, их наименования и единицы величин.
Таблица В.1
|
Символ |
Наименование параметра |
Единица величины |
|
ALF |
Содержание водорода в топливе Н |
% (по массе) |
|
AWC |
Атомная масса С |
а. е. м. |
|
AWH |
Атомная масса Н |
То же |
|
AWN |
Атомная масса N |
" |
|
AWO |
Атомная масса О |
" |
|
AWS |
Атомная масса S |
" |
|
BET |
Содержание углерода в топливе С |
% (по массе) |
|
CО2D |
Концентрация СО2 в "сухих" газах |
% (по объему) |
|
CО2W |
То же, во "влажных" газах |
То же |
|
COD |
Концентрация СО в "сухих" газах |
млн(-1) |
|
COW |
То же, во "влажных" газах |
То же |
|
CW |
Концентрация сажи во "влажных" газах |
мг/м3 |
|
DEL |
Содержание азота в топливе N |
% (по массе) |
|
EAFCDO |
Коэффициент избытка воздуха при полном сгорании топлива |
кг/кг |
|
EAFEXH |
Коэффициент избытка воздуха при неполном сгорании топлива |
То же |
|
EPS |
Содержание кислорода в топливе О |
% (по массе) |
|
ETA |
Содержание азота во "влажном" воздухе для сгорания N |
% (по массе) |
|
EXHCPN |
Отношение объемов отработавших газов и углеродосодержащих компонентов |
м3/м3 |
|
EXHDENS |
Плотность "влажных" отработавших газов |
кг/м3 |
|
FFCB |
Коэффициент состава топлива для расчета углеродного баланса |
м3/кг |
|
FFD |
Коэффициент состава топлива для расчета расхода "сухих" отработавших газов |
То же |
|
FFW |
То же, для влажных отработавших газов |
" |
|
FFH |
Коэффициент состава топлива для пересчета концентраций при переходе отработавших газов из "сухого" во "влажное" состояние |
" |
|
GAIRD |
Массовый расход "сухого" воздуха для сгорания |
кг/ч |
|
GAIRW |
То же, для "влажного" воздуха |
То же |
|
GAM |
Содержание серы в топливе S |
% (по массе) |
|
GCO |
Массовый выброс СО |
г/ч |
|
GC |
Массовый выброс С (сажа) |
То же |
|
GCO2 |
Массовый выброс СО2 |
" |
|
GHC |
Массовый выброс СН |
" |
|
CH2O |
Массовый выброс Н2О |
" |
|
GN2 |
Массовый выброс N2 |
" |
|
GNO |
Массовый выброс NO |
" |
|
GNO2 |
Массовый выброс NO2 |
" |
|
GO2 |
Массовый выброс О2 |
" |
|
GSO2 |
Массовый выброс SO2 |
" |
|
GEXHD |
Массовый расход "сухих" отработавших газов |
кг/ч |
|
GEXHW |
То же, "влажных" отработавших газов |
То же |
|
gexhw |
То же, рассчитанный методом углеродного баланса |
" |
|
GFUEL |
Массовый расход топлива |
" |
|
HTCRAT |
Соотношение водорода и углерода в топливе |
моль/моль |
|
HCD |
Концентрация углеводородов СН в "сухих" газах |
млн(-1) |
|
HCW |
То же, во "влажных" газах |
То же |
|
MV |
Молекулярный объем индивидуального газа, приведенный к нормальным атмосферным условиям* |
дм3/моль |
|
MW |
Молекулярная масса индивидуального газа |
г/моль |
|
NO2W |
Концентрация NO2 во "влажных" газах |
млн(-1) |
|
NOW |
Концентрация NО во "влажных" газах |
То же |
|
NUE |
Содержание воды в воздухе для сгорания |
% (по массе) |
|
O2D |
Концентрация О2 в "сухих" газах |
% (по объему) |
|
O2W |
То же, во "влажных" газах |
То же |
|
STOIAR |
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива |
кг/кг |
|
TAU |
Содержание О2 в воздухе для сгорания |
% (по массе) |
|
TAU1 |
Содержание О2 в воздухе, оставшееся после сгорания |
То же |
|
TAU2 |
Содержание О2, вступившего в реакции сгорания из топлива |
% (по массе) |
|
VCO |
Объемный выброс СО, приведенный к нормальным атмосферным условиям* |
м3/ч |
|
VCO2 |
Объемный выброс СО2, приведенный к нормальным атмосферным условиям* |
То же |
|
VH2O |
Объемный выброс Н2О, приведенный к нормальным атмосферным условиям* |
" |
|
VHC |
Объемный выброс СН, приведенный к нормальным атмосферным условиям* |
" |
|
VN2 |
Объемный выброс N2, приведенный к нормальным атмосферным условиям* |
" |
|
VNO |
Объемный выброс NО, приведенный к нормальным атмосферным условиям* |
" |
|
VNO2 |
Объемный выброс NO2, приведенный к нормальным атмосферным условиям* |
" |
|
VO2 |
Объемный выброс О2, приведенный к нормальным атмосферным условиям* |
" |
|
VSO2 |
Объемный выброс SO2, приведенный к нормальным атмосферным условиям* |
" |
|
* Нормальные атмосферные условия p_0 = 101,3 кПа, Т_0 = 273 К. | ||
В.1 Метод углеродного баланса
Метод включает шесть этапов расчета расхода отработавших газов по измеренным концентрациям углеродосодержащих компонентов с учетом состава топлива.
В.1.1 Первый этап. Расчет необходимого количества воздуха для сгорания стехиометрической смеси. Процесс полного сгорания:
С + О2 -> СО2 (В.1)
4Н + О2 -> 2Н2О (В.2)
S + О2 -> SO2 (B.3)
STOIAR = (BET/12,011 + ALF/(4 x 1,00794) + GAM/32,06) x (B.4)
х 31,9988/23,15.
В.1.2 Второй этап. Расчет коэффициента избытка воздуха при условии полного сгорания топлива по концентрации СО2:
EAFCDO = [BET x 10 x 22,262/(12,011 x 1000)]/(CO2D/100) +
+ STOIAR x 0,2315/1,42895 - BET x 10 x 22,262/(12,0111000) -
- GAM x 10 x 21,891/(32,06 x 1000)]/[STOIAR x (0,7685/l,2505 +
+ 0,2315/1,42895)]. (B.5)
В.1.4 Четвертый этап. Расчет коэффициента состава топлива для пересчета состава отработавших газов при их переходе из "влажного" состояния в "сухое".
В.1.4.1 Пересчет концентрации компонентов с "сухой" основы на "влажную":
conc = conc x [1 - FFH x (расход топлива/расход "сухого"
wet dry
воздуха)]; (В.7)
FFH x (pacxoд топлива/расход "сухого" воздуха) = (объем воды в
процессе сгорания/полный объем "влажных" отработавших газов). (В.8)
Полный объем "влажных" отработавших газов = азот в воздухе для
сгорания + избыточный кислород + аргон в воздухе для сгорания +
+ вода в воздухе для сгорания + вода процесса сгорания +
+ СО2 процесса сгорания + SO2 процесса сгорания. (В.9)
GFUEL 10 x ALF x MVH20 GFUEL
FFH x ----- = ----------------- x ---------------------------
GAIRD 1 x 1,0079 x 1000 / 0,7551 GAIRD
| ------ x -------------- x
\ 1,2505 GFUEL x STOIAR
-------------------------------------------------------------
0,2315 GAIRD 0,0129
x STOIAR + ------- x (-------------- - 1) x STOIAR + ------ x
1,42895 GFUEL x STOIAR 1,784
--------------------------------------------------------------
GAIRD 0,0005 GAIRD
x -------------- x STOIAR + ------ x -------------- x STOIAR +
GFUEL x STOIAR 1,9769 GFUEL x STOIAR
---------------------------------------------------------------
MVCO2 MVCO2
+ (ALF x 10 x -----------------) + (BET x 10 x -------------) +
2 x 1,0079 x 1000 12,011 x 1000
-------------------------------------, (B.10)
MVCO2 \
+ (GAM x 10 x ------------) | x GFUEL
32,06 x 1000 /
где MVH2O = 22,401 дм3/моль;
MVCO = 22,622 дм3/моль;
MVSO2 = 21,891 дм3/моль.
В.1.4.2 Формула для расчета коэффициента состава топлива после преобразований:
GFUEL
FFH x ----- = (0,111127 x ALF)/[0,055583 x ALF - 0,000109 x BET -
GAIRD
- 0,000157 x GAM + 0,773329 x (GAIRD/GFUEL)] (B.11)
и
FFH = (0,111127 x ALF)/[0,773329 + (0,0555583 x ALF - 0,000109 x
x BET - 0,000157GAM) x (GFUEL/GAIRD)]. (B.12)
В.1.5 Пятый этап. Расчет коэффициента избытка воздуха.
В.1.5.1 Расчет коэффициента избытка воздуха при полном сгорании топлива:
lv = расход воздуха/(расход топлива x стехиометрическое количество
воздуха); (В.13)
EAFCDO = GAIRD/(GFUEL STOIAR); (B.14)
GAIRD = EAFCDO x GFUEL x STOIAR; (В.15)
CWET = CDRY х (1 - FFH x GFUEL/GAIRD) = CDRY x [1 - FFH x
x GFUEL/EAFCDO x GFUEL x STOIAR)] = CDRY x [1 -
- FFH/(EAFCDO x STOIAR)]; (B.16)
CDRY = CWET x [1 - FFH/(EAFCDO x STOIAR) = CWET x EAFCDO x
x STOIAR/(EAFCDO x STOIAR - FFH); (B.17)
HCD = HCW x EAFCDO x STOIAR/(EAFCDO x STOIAR - FFH). (B.18)
B.1.5.2 Расчет коэффициента избытка воздуха при неполном сгорании топлива:
EXHCPN = (CO2D/100) + (COD/10(6)) + (HCD/10(6)); (B.19)
1 COD HCD HTCRAT
(------ - ---------------- - ------------ + ------ x
EXHCPN 6 6 4
10 x 2 x EXHCPN 10 x EXHCPN
EAFEXH = ---------------------------------------------------- ->
HTCRAT
4,77 x (1 + ------)
4
0,75 x HTCRAT \
-------------- |
1 - HCD 3,5 |
x ------------ - --------------------------- |
6 1 - 3,5 |
10 x EXHCPN ------- |
COD 1 - HCD |
------------ + ------------ |
6 6 |
10 x EXHCPN 10 x EXHCPN |
-> -------------------------------------------- |. (B.20)
HTCRAT |
4,77 x (1 + ------) |
4 /
В.1.6 Шестой этап. Расчет массового расхода отработавших газов:
расход отработавших газов = расход топлива + расход воздуха на
сгорание; (В.21)
расход воздуха на сгорание = lv x расход топлива x
x стехиометрическое количество воздуха; (В.22)
расход отработавших газов = расход топлива x (1 + lv x
x стехиометрическое количество воздуха;
GEXHW = GFUEL x (1 + EAFEXH x STOIAR). (B.24)
В.2 Универсальный метод углеродокислородного баланса
В.2.1 Расчет массового расхода отработавших газов на основе углеродного баланса:
4 (B.25)
GFUEL x BET x EXHDENS x 10 1
GEXHW = --------------------------- x -------------------------------.
AWC 4
CO2 x 10 COW HCW CW
(--------- + ---- + ---- + ---)
MVCO2 MVCO MVHC AWC
В.2.1.1 Условие полного сгорания:
GFUEL x BET x EXHDENS x MVCO2
GEXHW = -----------------------------. (B.26)
AWC x (CO2W - CO2AIR)
В.2.2 Расчет массового расхода отработавших газов на основе кислородного баланса:
Factor 1
-------------- + 10 x Factor 2 - 10 x EPS
1000 x EXHDENS
GEXHW = GFUEL x (----------------------------------------- + 1),
Factor 1
10 x TAU - ------------- (B.27)
1000 x EXDENS
где
4 MWO2 x O2W AWO AWO
Factor 1 = 10 x ---------- - ---- x COW + ----- x NOW +
MVO2 MVCO MVNO
2 x AWO 3 x AWO 2 x AWO
+ ------- x NO2W - ------- x HCW - ------- x CW. (B.28)
MVNO2 MVHC AWC
и
AWO 2 x AWO AWO
Factor 2 = ALF x ------- + BET x ------- + GAM x ---. (B.29)
2 x AWH AWC AWS
В.2.2.1 Условие полного сгорания:
4 MWO2
Factor 1 = 10 x ---- x O2W. (B.30)
compl MVO2
В.2.3 Вывод кислородного баланса с учетом неполного сгорания
В.2.3.2 Кислород на выходе (г/ч):
2 x AWO AWO AWO 2 x AWO
GO2 + GCO2 x ------- + GCO x ---- + GNO x ---- + GNO2 x ------- +
MWCO2 MWCO MWNO MWNO2
2 x AWO AWO
+ GSO2 x ------- + GN2O x -----. (B.32)
MWSO2 MWN2O
Формула (В.32) базируется на следующих расчетах.
Для расчета выбросов отдельных компонентов (г/ч) принимают "влажное" состояние отработавших газов:
MWO2 x 10
GO2 = -------------- x O2W x GEXHW; (B.33)
MVO2 x EXHDENS
MWCO
GCO = --------------------- x COW x GEXHW; (B.34)
MVCO x EXHDENS x 1000
MWNO
GNO = --------------------- x NOW x GEXHW; (B.35)
MVNO x EXHDENS x 1000
MWNO2
GNO2 = ---------------------- x NO2W x GEXHW; (B.36)
MVNO2 x EXHDENS x 1000
MWCO2 MWCO2 MWCO2
GCO2 = ----- x GFUEL x BET x 10 - GCO x ----- - GHC x ----- -
AWC MWCO MWHC
MWCO2
- GC x -----; (B.37)
AWC
MWH2O MWH2O
GH2O = ------- x GFUEL x ALF x 10 - GHC x -----; (B.38)
2 x AWH MWHC
MWSO2
GSO2 = ------- x GFUEL x GAM x 10; (B.39)
AWS
MWHC
GHC = --------------------- x HCW x GEXHW; (B.40)
MVHC x EXHDENS x 1000
1
GC = -------------- x CW x GEXHW. (B.41)
EXHDENS x 1000
В.2.3.3 Кислород на входе (г/ч) (В.31):
GEXHW
GAIRW x TAU x 10 + GFUEL x EPS x 10 = ------------- x
3
10 x EXHDENS
4
MWO2 x O2W x 10 AWO x COW AWO x NOW 2AWO x NO2W
x (---------------- - --------- + --------- + ----------- -
MVO2 MVCO MVNO MVNO2
3AWO x HCW 2AWO x CW ALF x AWO
- ---------- - ---------) + 10 x GFUEL x (--------- +
MNHC AWC 2 x AWH
BET x 2 x AWO GAM x AWO
+ ------------- + ---------). (B.42)
AWC AWS
EXHDENS рассчитывают по формуле (В.66).
В.2.3.4 Выражение (В.42) в первых скобках - Factor 1, во вторых - Factor 2 [см. также формулы (В.28) и (В.29)],
где GEXHW = GAIR + GFUEL. (В.43)
В.2.3.5 Массовый расход потребляемого воздуха и отработавших газов рассчитывают по следующим формулам:
Factor 1
-------------- + 10 x Factor 2 - 10 x EPS
1000 x EXHDENS
GAIRW = GFUEL x (-----------------------------------------) (B.44)
Factor 1
TAU x 10 x --------------
1000 x EXHDENS
и, следовательно:
Factor 1
-------------- + 10 x Factor 2 - 10 x EPS
1000 x EXHDENS
GEXHW = GFUEL x (----------------------------------------- + 1) (B.45)
Factor 1
TAU x 10 - --------------
1000 x EXHDENS
В.2.4 Вывод углеродного баланса с учетом неполного сгорания
В.2.4.2 Углерод на выходе (г/ч):
AWC AWC AWC AWC
GCO2 x ----- + GCO x ---- + GHC x ---- + GC x ---. (B.47)
MWCO2 MWCO MWNC AWC
В.2.4.3 Формула (В.47) базируется на следующих расчетах.
Для расчета выбросов отдельных компонентов принимается "влажное" состояние отработавших газов:
MWCO2 x 10
GCO2 = --------------- x CO2W x GEXHW. (B.48)
MVCO2 x EXHDENS
MWCO
GCO = --------------------- x COW x GEXHW; (B.49)
MVCO x EXHDENS x 1000
MWHC
GHC = --------------------- x HCW x GEXHW; (B.50)
MVNС x EXHDENS x 1000
1
GC = ------- x CW x GEXHW. (B.51)
EXHDENS
В.2.5 Расчет объемных расходов компонентов отработавших газов и их плотности с учетом неполноты сгорания:
-6
VCO = COW x 10 x VEXHW; (B.54)
-6
VNO = NOW x 10 x VEXHW; (B.55)
-6
VNO2 = NО2W x 10 x VEXHW; (B.56)
-6
VHC = HCW x 10 x VEXHW; (В.57)
GAIRW x NUE x MVH2O GFUEL x ALF x MVH2O
(------------------- + -------------------)
MWH2O 2 x AWN
VH2O = ------------------------------------------- - VHC; (B.58)
100
GAIRW x CO2AIR MVCO2 1
VCO2 = (-------------- + GFUEL x BET x -----) x --- - VCO - VHC, (B.59)
1,293 AWC 100
где CO2AIR - концентрация СО2 в воздухе для сгорания, % (по
объему).
GFUEL AWO 2 x AWO 2 x AWO
TAU2 = ----- x (ALF x ------- + BET x ------- + GAM x ------- - 1);(B.60)
GAIRW 2 x AWH AWC AWS
GAIRW x (T - TAU2) MVO2
VO2 = ------------------ x ---- + (1/2) x (VHC + VCO) -
100 MWO2
CW x GEXHW 2 x AWO x MVO2
- (1/2) x (VNO + VNO2) - ---------- x --------------; (B.61)
EXHDENS AWC x МWO2
MVN2 MVN2
GAIRW x ETA x ---- + GFUEL x DEL x ----
MWN2 MWN2
VN2 = --------------------------------------- - (1/2) x VNO -
100
- (1/2) x VNO2; (B.62)
MVSO2 x 2
GFUEL x GAM x ---------
AWS
VSO2 = -----------------------; (B.63)
100
VEXHW = VH20 + VCО2 + VО2 + VN2 + VSО2 + VCO + VNO +
+ VNO2 + VHC; (B.64)
VEXHD = VEXHW - VH20; (B.65)
EXHDENS = GEXHW/VEXHW; (B.66)
KEXH = VEXHD/VEXHW. (B.67)
B.2.6 Расчет коэффициентов состава топлива FFD и FFW при определении расхода отработавших газов:
(VEXHD - VAIRD)
FFD = ---------------; (B.68)
GFUEL
(VEXHW - VAIRW)
FFW = ---------------. (B.69)
GFUEL
В.2.6.1 Формулы для расчета расхода отработавших газов во "влажном" и "сухом" состоянии:
VEXHW = VH20 + VCO2 + VO2 + VN2 + VSO2; (В.70)
VEXHD = VCO2 + VO2 + VN2 + VSO2. (В.71)
В.2.6.2 Расчет коэффициента состава топлива для отработавших газов во "влажном" состоянии:
MVH2O MVO2 MVCO2
FFW = (ALF/100) x (------- - -------) + (BET/100) x (----- -
2 x AWH 4 x AWH AWC
MVO2 MVSO2 MVO2 MVN2
- ----) + (GAM/100) x (----- - ----) + (DEL/100) x (----) +
AWC AWS AWS MWN2
MVO2
+ (EPS/100) x (----). (B.72)
MWO2
После преобразований получаем числовой вид формулы (В.72) для "влажных" отработавших газов:
FFW = 0,05557 х ALF - 0,00011 х BET - 0,00017 х GAM +
+ 0,0080055 х DEL + 0,006998 х EPS. (B.73)
B.2.6.3 Расчет коэффициента состава топлива для отработавших газов в "сухом" состоянии:
MVO2 MVCO2
FFD = (ALF/100) x (- -------) + (BET/100) x (----- -
4 x AWH AWC
MVO2 MVSO2 MVO2 MVN2
- ----) + (GAM/100) x (----- - ----) + (DEL/100) x (----) +
AWC AWS AWS MWN2
MVO2
+ (EPS/100) x (----). (B.74)
MWO2
После преобразований получаем числовой вид формулы (В.74) для "сухих" отработавших газов:
FFD = -0,05564 х ALF - 0,00011 х BET - 0,00017 х GAM +
+ 0,0080055 х DEL - 0,006998 х EPS. (B.75)