Температура выхлопных газов самолета
Обновлено: 08.07.2024
Углеродные следы могут вводить в заблуждение
Авиация является одним из наиболее быстро растущих потребителей ископаемого топлива, причем на долю авиакомпаний приходится около 3,5% всех антропогенных выбросов парниковых газов. Это может показаться небольшим, но один трансатлантический рейс из Лондона в Нью-Йорк может увеличить ваш личный углеродный след на столько же, сколько весь бюджет отопления среднего европейца.
На больших высотах следы – белые линии, которые мы видим на небе – образуются вслед за самолетом. Эти высокогорные облака слишком тонкие, чтобы отражать много солнечного света, но кристаллы льда внутри них могут задерживать тепло. В отличие от низкоуровневого облака, которое имеет эффект чистого охлаждения, инверсии вносят значительный вклад в глобальное потепление, эффективно увеличивая долю авиационной промышленности в выбросах парниковых газов до, примерно, 4,9%.
По большей части экологическая выгода высокоскоростного железнодорожного транспорта воспринимается как должное. Большинство, но не все, исследования показывают, что высокоскоростная железная дорога может компенсировать выбросы от авиации, если она сможет привлечь достаточно пассажиров с альтернативных воздушных маршрутов. Но относительное климатическое воздействие авиации на другие виды транспорта зависит не только от двигателей и высоты.
Мы можем сравнить выбросы различных видов транспорта путем расчетов, производимых каждым из них при перемещении одного пассажира на один километр. Это эффективно сравнивает, сколько CO₂ выходит из выхлопных газов каждого транспортного средства, но он игнорирует выбросы парниковых газов при строительстве и обслуживании транспортных средств, инфраструктуры – таких как пути, взлетно-посадочные полосы и аэропорты – и при производстве топлива.
Согревающие эффекты различных парниковых газов происходят в разные периоды времени, от нескольких дней кратковременного интенсивного потепления до веков мягкого воздействия. Чтобы обеспечить общую единицу измерения воздействия различных газов, эффекты потепления стандартизированы в течение определенного периода времени. Обычно используемый период времени составляет 100 лет. Но если бы это было пять лет, эффект от следов привел бы к более глобальному потеплению, чем у всех автомобилей в мире. Они поднимают температуру атмосферы короткими, интенсивными всплесками. На более длительных сроках, например, 20 лет, краткосрочные эффекты менее важны и делают авиацию намного лучше – полет выглядит менее опасно, чем некоторые автомобили на таком же расстоянии.
Это еще не вся история, хотя энергозатраты для разных способов передвижения варьируются. При прямом сжигании ископаемого топлива в двигателях, например, реактивного керосина в самолетах, выделяются парниковые газы. В высокоскоростном рельсе с электроприводом поезд не производит выбросов, за исключением ископаемых видов топлива, используемых для производства этого электричества в других местах.
Сравнение жизненных циклов
Подход жизненного цикла дает лучшее понимание того, где происходят выбросы, и сравнивает виды транспорта на гораздо более ровном игровом поле. Это помогает нам понять, что большинство выбросов парниковых газов в воздушном и автомобильном транспорте происходит от полетов и вождения, тогда как в железнодорожных перевозках на климатические эффекты преобладают выбросы, создаваемые самой инфраструктурой. Выбросы от работающих поездов, как правило, ниже из-за сильной зависимости от электричества. Но есть все еще выбросы от производства и обслуживания технологий возобновляемой энергии.
Все режимы скоростных путешествий обходятся окружающей средой. Возможность точного сравнения энергетических потребностей и выбросов различных транспортных средств является первым шагом на пути к их влиянию на климат. Правительства часто пытаются побудить людей изменить свое поведение и сократить количество рейсов, которые они совершают. Но в случае скоростной ж/д трассы постоянная доступность региональных рейсов означает, что только 4% водителей и только 1% пассажиров самолетов могут изменить свое поведение. Легко указывать пальцем на авиацию и рассматривать железную дорогу как низкоуглеродную альтернативу. Но правительства должны учитывать и тщательно сбалансировать истинное воздействие транспорта на климат на каждом этапе его развития.
Первым делом самолеты, как говорится. В общем, решил я сделать серию статей про воздушный транспорт и его экологический вред, и потому, как тут не начать с боингов, аэрбасов и компании.
Вред у самолетов хоть и не так высок, как у автотранспорта и энергетики, но он все равно имеется. Объем углекислого газа вышедшего с реактивной струей авиалайнеров составляет примерно 2-2,5% от общего объема . Хоть и не выглядит солидно, но большая проблема в том, что они регулярно увеличиваются – на 70% с 2005 года.
Причем не только CO2 образуется при полете. Из двигателей вырываются угарный газ, оксиды азота и серы, углеводороды, твердые частицы – все, что остается после горения авиационного керосина и бензина (в малых поршневых движках). Также выделяется водяной пар, который и образует знакомые всем инверсионные следы в небе. Есть мнения, что они могут усилить глобальное потепление.
Второй вид вреда менее явный, но не менее вредный – звуковое загрязнение. Шум создают движки, воздух в турбулентных хаотичных потоках и системы самолета. Если вы бывали в аэропорту снаружи, когда очередная махина приземляется или взлетает, вы понимаете насколько это громко.
Это не так страшно если аэропорт находится за городом, но когда он в черте, то от шума страдают жители и обитатели окрестностей. Даже растения себя хуже чувствуют при повышенном шуме, чего уж тут говорить про нас. Для человека в списке последствий - недосып, головная боль, давление, повышенный риск инфарктов и инсультов.
Обе проблемы не принципиальные и вполне себе решаются. Сами двигатели можно модернизировать и переводить на экологичное топливо, вроде водорода или топлива растительного происхождения. Еще их можно оптимизировать, уменьшив время работы на земле и при рулении .
Недостатки авиационного транспорта не так плохи, конечно, как проблемы автомобилей, но они от этого не пропадают, и решать их тоже надо!
Отныне вы знаете немного больше о экологическом вреде самолетов. Знание – сила! ЭкоФакт начнет готовить новый "труд", а вы ставьте лайки (или дизлайки), комментируйте, предлагайте темы в чате, будет интересно!
Температура продуктов сгорания, выходящих газов, температура выхлопных газов, температура выпуска, вытяжная температура, температура выхлопа, температура выхлопных газов, температура отходящих газов - различные процессы, природный газ, сжиженный газ, дизтопливо и т.д.
Дополнительная информация от Инженерного cправочника DPVA, а именно - другие подразделы данного раздела:
Если Вы не обнаружили себя в списке поставщиков, заметили ошибку, или у Вас есть дополнительные численные данные для коллег по теме, сообщите , пожалуйста.
Вложите в письмо ссылку на страницу с ошибкой, пожалуйста.
Как было показано выше доля теплоты рубашки охлаждения двигателя, а также теплота, отходящая с выхлопными газами может составлять более 50% от подводимой с топливом теплоты в двигатель. В данном обзоре для газопоршневых двигателей внутреннего сгорания автор ставит перед собой задачу оценить зависимость мощности теплоты уходящей с выхлопными газами, а также мощности теплоты, которая отводится охлаждающей жидкости в рубашке охлаждения в зависимости от электрической мощности генератора. Последнее обусловлено тем, что в открытом доступе удалось найти подробную информацию по газопоршневым электростанциям. Однако, зная электрический КПД электрогенератора, а также КПД соединительных устройств, читатель без проблем сможет сопоставить предложенные зависимости для выходной мощности газопоршневого двигателя.
База данных, на базе которой проводится анализ, была взята с сайтов известных производителей газопоршневых электростанций. К ним относятся такие мировые лидеры как CATERPILLAR, DEUTZ, GE JENBACHER, MAN и прочие. Предполагается, что все двигатели используют топливо с низшей теплотой сгорания - 35,88 МДж/м³. Диапазон электрической мощности для исследуемых двигателей был выбран в пределе от 70 до 3 895 кВт электрической мощности, с турбонаддувом и интеркулером, что дало возможность оценить все отводимые тепловые мощности.
На рисунке №3 (левая шкала) показана зависимость тепловой мощности, которая может получиться при охлаждении выхлопных газов от их температуры после двигателя (включая его работу, которую он совершает в турбине турбонаддува) до температуры 120°С от электрической мощности. Красная линия показывает линию тренда для этой зависимости. В большинстве случаев температурный уровень в 120°С выбирается потому, что он гарантирует отсутствие конденсации водяных паров, которые содержатся в выхлопных газах двигателя. Там же на рисунке №3 (правая шкала) показана доля теплоты от подведённой теплоты топлива, которая уносится с выхлопными газами.
Очевидный разброс данных по правой шкале (доля теплоты) и очевидная зависимость с малой погрешностью между отводимой теплотой с выхлопными газами в зависимости от мощности двигателя по левой шкале говорит о том, что двигатели могут иметь различные режимы работы и что их эффективность в зависимости от электрической мощности может сильно различаться. Однако автор не исключает вероятность того, что данные, опубликованные на официальных русскоязычных сайтах компаний, могут быть неверно перенесены с оригинала. Также возможна погрешность измерений расхода топлива, от которой зависит теплота, подведённая двигателя с топливом.
На рисунке №4 представлены аналогичные зависимости, но для случая, когда теплота выхлопных газов утилизируется полностью, т.е. температура выхлопных газов после теплообменника равна температуре окружающей среды – 20°С. Однако в этом случае не учитывается теплота, которая может получиться при конденсации водяных паров, которые содержатся в выхлопных газах.
Анализируя данные, которые приведены в каталогах производителей электростанций на базе газопоршневых двигателей можно сделать вывод о том, что количество тепла, которое может быть получено при охлаждении выхлопных газов до температуры 20°С в среднем на 1,3 … 1,4 раза больше, чем то количество тепла, которое может быть получено при охлаждении выхлопных газов до температуры 120°С.
Здесь следует отметить, что в общем случае при работе газопоршневых электростанций в режиме когенерации, т.е. с использованием тепла выхлопных газов на нужны теплофикации – выработка горячей воды и отопления, выполняют охлаждение выхлопных газов до температуры 110 … 120°С. Часто это обусловлено тем, что вода, которая используется на нужны отопления, имеет температурный уровень прямой и обратной воды на уровне 70/90°С. Поэтому, использование температур ниже 110°С может привести к тому, что не выхлопные газы будут греть воду, а наоборот. Ещё одной причиной является выпадение конденсата, которые в большинстве случаев состоит не только из воды, а включается в себя также различные кислоты (в зависимости от содержания продуктов сгорания), которые разрушают теплообменные поверхности, что может привести к аварии.
На рисунке №5 представлена зависимость температуры выхлопных газов после турбины турбонаддува от электрической мощности.
Минимальная значение температуры выхлопных газов, приведённой на графике равно 356°С при электрической мощности 360 кВт, а максимальная температура равна 561°С при электрической мощности 70 кВт. Однако в данном случае эти температуры не являются показателями, так их значение зависит от многих параметров.
Возвращаясь к тепловой энергии, отводимой от двигателя, необходимо помнить, что до 30% (по различным данным) подведённой тепловой энергии с топливом отводится от рубашки охлаждения двигателя. Как уже было описано выше, температура охлаждающей жидкости при выходе из рубашки двигателя не должна превышать 90 … 110°С, что обусловлено оптимальным его охлаждением.
На рисунке №6 показана зависимость суммарной теплоты отводимой от рубашки двигателя и теплоты выхлопных газов, при их охлаждении до 120°С.
Из рисунка №6 видно, что при утилизации как теплоты охлаждения рубашки двигателя, так и при утилизации теплоты выхлопных газов, можно получить до 60% от всей тепловой мощности, подводимой с топливом. При КПД двигателя на уровне 30 … 35%, общий КПД использования топлива в 95% является отличным показателем.
Однако не всю теплоту можно утилизировать. Так теплоту, которая теряется при конвективном теплообмене с охлаждающей средой с поверхности двигателя утилизировать достаточно сложно.
На рисунке №7 представлена зависимость тепловой мощности, которая теряется в окружающую среду с поверхности двигателя от электрической мощности электродвигателя по левой шкале, а также её доля от подводимой тепловой мощности с топливом. Возрастание тепловой мощности, теряемой с поверхности двигателя, обусловлено тем, что с возрастанием мощности двигателя увеличиваются его размеры и, следовательно, его поверхность, что способствует увеличению теплообмена с окружающей средой.
Выше было сказано, что при увеличении мощности двигателя появляется необходимость охлаждать воздух, который поступает после компрессора турбонаддува. Воздух охлаждается в интеркулере – теплообменнике, который установлен после компрессора и перед камерой сгорания двигателя.
Так на рисунке №8 показан график зависимости тепловой мощности, отводимой от сжатого воздуха интеркулером от электрической мощности.
Приведённые выше зависимости могут послужить отправной точкой для анализа как мощности отводимого тепла, так и температурного уровня выхлопных газов для двигателей внутреннего сгорания, работающего на природном газе или схожих с ним по свойствам газов.
Читайте также: