Що таке автогаз (LPG)
LPG розшифровується як Л.iquified нафта Gяк і являє собою суміш, яка є газоподібною при кімнатній температурі і, по суті, складається з пропану та бутану. В принципі, LPG хімічно не відрізняється від "LPG", який багато хто використовує для опалення і який зберігається у відносно великих бензобаках десь у саду. Тільки співвідношення змішування може відрізнятися. Кемпінговий газ, який ви можете придбати як у невеликих картриджах, так і у більших газових пляшках, містить суміші пропан/бутан і тому дуже схожий на зріджений газ, як і "легший газ". Багато подробиць про зріджений газ та його використання можна знайти у Вікіпедії. Я не хочу там повторювати зміст, а скоріше поглянути на LPG з хімічної та енергетичної точок зору. Тож якщо текст на цій сторінці занадто «хімічний» для вас, ви можете знайти потрібну інформацію на сторінці Вікіпедії.
ЗПГ - DIN EN 589
DIN EN 589 визначає властивості зрідженого газу, а отже, також визначає відмінності між кемпінговим газом та зрідженим газом, що використовується для опалення, для яких існують окремі стандарти. Я настійно не рекомендую намагатися експлуатувати автомобіль з рідкими газами, які не відповідають DIN EN 589, оскільки як електроніка газових систем, так і сама система розроблені відповідно до DIN EN 589. Якщо використовується суміш, яка не відповідає стандарту, тиск та теплотворна здатність газу можуть бути поза специфікацією з непередбачуваними наслідками. На жаль, як і більшість DIN, DIN EN 589 коштує грошей. Стандарти захищені авторським правом і не розповсюджуються безкоштовно. Ви можете отримати його, наприклад, на веб-сайті www.din.de, де на даний момент DIN EN 589 (03.02.2017) коштує 73,90 €.
Насос для зрідженого газу Westfalen AG сказав, що співвідношення бутан: пропан становить 60:40 влітку та 40:60 взимку. На запитання Westfalen AG також сказала мені, що це масові відсотки. Співвідношення змішування, ймовірно, буде подібним до інших постачальників.
Більший вміст пропану взимку повинен регулювати тиск пари до літнього газу при нижчих температурах повітря, оскільки пропан має вищий тиск пари, ніж бутан при тій же температурі.
Пропан і бутан
Хімічно пропан і бутан дуже схожі. Обидва вони складаються з молекул, які містять лише атоми вуглецю та водню, але молекула бутану трохи більша. Молекула пропану складається з 3 атомів вуглецю та 8 водню (C3H8), тоді як бутан - C4H10.
| Представлення в моделі | ||
| формула | C3H8 | C4H10 |
| Щільність зрідженого Газ при 20 ° C | 501,8 г/л | 574,2 г/л |
| нижча теплотворна здатність | 12,87 кВт-год/кг i | 12,70 кВт-год/кг i |
| Ентальпія горіння | -2217 кДж/моль 1 | -2874 кДж/моль 1 |
| Точка плавлення | -188 ° C ii | -138,3 ° C iii |
| Точка кипіння | -42 ° C ii | -0,5 ° C iii |
У таблиці коротко узагальнено основні властивості обох речовин. Про щільність люб’язно повідомив мені Westfalen AG. Пояснення теплотворної здатності можна знайти на цих сторінках у розділі "Що таке теплотворна здатність?".
Виробництво, подальші властивості та інші способи використання обох речовин тут не обговорюються, оскільки це описано у Вікіпедії як для пропану, так і для бутану.
Для енергетичного використання зрідженого газу, тобто для керування ним, зріджений газ потрібно спалити. Тому спалювання пропану або бутану буде розглянуто спочатку.
горіння
пропан
Наступна хімічна реакція відбувається при спалюванні пропану:
Отже, якщо ви хочете спалити молекулу пропану, вам потрібно 5 молекул кисню, і ви отримаєте три молекули вуглекислого газу і 4 молекули води. Якщо перетворюється 1 моль пропану, тобто 6,023 · 10 23 молекул, під час реакції виділяється 2217 кДж енергії, якщо вона відбувається в стандартних умовах (25 ° С, 1013 гПа або 1013 мбар). Горіння природно відбувається не при кімнатній температурі, а при значно вищій. Однак помилка при обчисленні зі стандартними розмірами лише незначна, саме тому я відмовлюся від перетворення тут.
В принципі, неважливо, чи розраховуєте ви за допомогою ентальпії реакції, чи використовуєте безпосередньо теплотворну здатність із таблиці - у будь-якому випадку результат полягає в тому, що при спалюванні 1 кг пропану 12,87 кВт-год (46,32 МДж) на керування автомобілем доступна корисна енергія.
Оскільки 1 моль пропану важить 44 г, 1 кг містить пропан
1000 г: (44 г/моль) = 22,73 моль
Молекули пропану. Оскільки при спалюванні 1 моль пропану утворюється 3 моль діоксиду вуглецю, то отримується згоряння 22,73 моль пропану (1 кг)
3 х 22,73 моль = 68,18 моль
Вуглекислий газ. Оскільки 1 моль вуглекислого газу також важить 44 г, отримують 1 кг порпану
68,18 моль x 44 г/моль = 3000 г = 3 кг
Щодо 1 кВт-год корисної енергії ви отримуєте:
3 кг СО2/кг: 12,87 кВт-год/кг = 0,233 кг СО2/кВт-год
Для отримання 1 кВт-год або 3,6 МДж корисної енергії для керування спалюванням пропану виділяється 233 г вуглекислого газу.
При спалюванні 1 л скрапленого пропану щільність з таблиці вище дає 1,505 кг вуглекислого газу та 6,46 кВт-год енергії при 20 ° C.
бутан
Наступна хімічна реакція відбувається при спалюванні бутану:
Отже, якщо ви спалите одну молекулу бутану, вам потрібно 6,5 молекул кисню, і ви отримаєте 4 молекули вуглекислого газу і 5 молекул води. Якщо таким чином перетворити 1 моль бутану, тобто 6,023 · 10 23 молекул, виділяється 2874 кДж або 0,798 кВт-год теплової енергії.
Коли спалюється 1 кг бутану, загалом отримується 12,70 кВт-год або 3,53 МДж енергії, придатної для руху. Оскільки при спалюванні 1 моль бутану утворюється 4 моль вуглекислого газу, а 1 моль бутану важить 58 г, в результаті розрахунку пропану виходить:
1000 г: 58 г/моль = 17,24 моль бутану
17,24 моль · 4 = 68,96 моль СО2
68,96 моль CO2 44 г/моль = 3034 г CO2
3,034 кг СО2/кг: 12,7 кВт-год/кг = 0,239 кг СО2/кВт-год
Якщо енергія, необхідна для руху, отримується з бутану, на кВт-год корисної енергії виділяється 239 г вуглекислого газу, тобто не зовсім на 3% більше.
При спалюванні 1 л скрапленого бутану щільність, наведена в таблиці вище, дає 1,742 кг вуглекислого газу та 7,29 кВт-год енергії при 20 ° C.
Порівняння пропану/бутану з бензином/дизелем
| Вуглекислий газ на кг палива | 3000 кг | 3,034 кг | 3,023 кг | 3,183 кг |
| Вуглекислий газ на кВт-год | 0,233 кг | 0,239 кг | 0,266 кг | 0,270 кг |
| корисна енергія на кг палива | 12,87 кВт-год | 12,7 кВт-год | 11,38 кВт-год | 11,8 кВт-год |
| корисна енергія на літр при 20 ° C | 6,46 кВт-год | 7,29 кВт-год | 8,5 кВт-год | 9,8 кВт-год |
| Викиди вуглекислого газу на літр (20 ° C) | 1,505 кг | 1,742 кг | 2,26 кг | 2,65 кг |
| Вуглекислий газ на км при споживанні еквівалента 6 літрів дизеля на 100 км | 137 г. | 141 г. | 156 г. | 159 г. |
У таблиці ще раз коротко узагальнено числові значення вищезазначених розділів та порівняно їх із значеннями для бензину та дизельного палива, що можна приблизно визначити з двох статей Вікіпедії iv, v.
З поверхневого погляду бутан виявляється набагато більшим "вбивцею клімату", ніж пропан, оскільки на літр виробляється майже на 16% більше вуглекислого газу. Це перше враження помилкове, оскільки ми їдемо не з "літрами", а з енергією, а оскільки бутан також містить приблизно на 13% більше енергії, ніж пропан, то споживання в літрах чистого бутану теоретично на 13% нижче, ніж у Використання чистого пропану.
Для впливу на клімат не потрібно враховувати кількість вуглекислого газу на літр палива, але кількість вуглекислого газу, виробленого за кВт-год (або МДж), і тут бутан, з його приблизно на 3% вищими викидами вуглекислого газу, робить лише трохи гірше, ніж пропан. Тут значно гірші бензин та дизель. Однак ви також можете помітити, що вміст енергії в літрі дизеля значно вищий, ніж у літрі бензину, і що він все ще значно вищий, ніж у пропану або бутану. Це одна з причин, чому споживання дизельного палива є настільки низьким, а споживання зрідженого газу порівняно високим. Тим не менше, викиди вуглекислого газу з дизелем значно вищі на кожен кілометр, ніж з викидами зрідженого газу. З екологічної точки зору, низька витрата (в літрах) дизеля не приносить жодних переваг, як показує останній рядок таблиці. Якби ви керували автомобілем, який споживає 6 літрів на 100 км з дизелем з такою ж енергоефективністю, як і у Popan, викиди вуглекислого газу зросли б кожен Кілометри падають із 159 г до 137 г.
ЗВГ - суміш пропану і бутану
Зараз автогаз (LPG) - це суміш пропану та бутану, яка влітку містить більше бутану, ніж взимку. Westfalen-AG визначає склад 40% пропану та 60% бутану влітку та 60% пропану та 40% бутану взимку для заправних станцій, які він постачає, при цьому це масовий відсоток, а не об'ємний відсоток. Через велику схожість пропану з бутаном немає ніяких дивних ефектів змішування, таких як ті, що виникають при розчиненні солі у воді. Більшість властивостей суміші відповідають властивостям окремих речовин із відповідною вагою. Далі це буде продемонстровано за допомогою розрахунку щільності.
При 20 ° C щільність пропану становить 501,8 г/л, а бутану - 574,2 г/л. При співвідношенні змішування 40:60 пропан: бутан, щільність:
0,4 x 501,8 г/л + 0,6 x 574,2 г/л = 545,2 г/л
Для зимової суміші з 60% пропану ви отримуєте відповідно:
0,6 x 501,8 г/л + 0,4 x 574,2 г/л = 530,8 г/л
Обидва розраховані значення точно узгоджуються з густиною, яку Westfalen-AG люб'язно надав мені для двох сумішей при температурі 20 ° C і тим самим доводить допустимість цього розрахунку.
горіння
При спалюванні зрідженого газу спалюється пропан/бутанова суміш, саме тому горіння в двигуні автомобіля можна розглядати як згоряння окремих речовин. Наведені вище цифри дають відповідний результат:
| Вуглекислий газ на кг палива | 3,020 кг | 3,014 кг | 3,023 кг | 3,183 кг |
| Вуглекислий газ на кВт-год | 0,237 кг | 0,235 кг | 0,266 кг | 0,270 кг |
| корисна енергія на кг палива | 12,77 кВт-год | 12,80 кВт-год | 11,38 кВт-год | 11,8 кВт-год |
| корисна енергія на літр при 20 ° C | 6,96 кВт-год | 6,79 кВт-год | 8,5 кВт-год | 9,8 кВт-год |
| Викиди вуглекислого газу на літр (20 ° C) | 1,65 кг | 1,60 кг | 2,26 кг | 2,65 кг |
| Вуглекислий газ на км при споживанні еквівалента 6 літрів дизеля на 100 км | 139,4 г. | 138,6 г. | 156 г. | 159 г. |
Ви можете бачити, що літній та зимовий зріджений газ майже не відрізняються, але обидва вони призводять до значно нижчих викидів вуглекислого газу, ніж при експлуатації бензину або навіть дизеля, якщо припустити однакову енергоефективність, тобто на 100 км споживається однакова кількість кВт-год. Розрахунок з такою ж кількістю літрів буде помилковим, оскільки один літр зрідженого газу містить набагато менше енергії, ніж один літр дизельного палива.
Вплив зовнішньої температури
Чутки
В основному, всі двигуни працюють трохи менш ефективно при нижчих зовнішніх температурах, тобто вони спричиняють трохи більший витрата, ніж при більш високих температурах. Це пов'язано з тим, що двигун досягає свого оптимального ККД лише при більш високій робочій температурі, і взимку для досягнення цієї температури потрібно більше часу, і тому людина довше знаходиться в дорозі з фізично і технічно гіршим ККД, тобто з більшим споживанням. Звичайно, це особливо важливо, коли ви їдете на невеликі відстані. Це не єдина причина, чому вам слід використовувати велосипед або ноги замість машини на короткі відстані. Однак тут не слід далі розглядати питання енергоефективності при різних температурах. Натомість я звернусь до зміни LPG при різних температурах, оскільки ви читаєте про це дуже дивні речі на різних форумах.
Як і у всіх речовин, крім води, об’єм безперервно зростає із збільшенням температури та зменшується із зниженням температури. Це стосується як бензину, так і дизеля, а також зрідженого газу. Результат полягає в тому, що при низьких температурах ви отримуєте більшу кількість палива з кожним літром, ніж при більш високих температурах, оскільки кожен літр трохи важчий - тому щільність збільшилася. Тож взимку ви отримуєте більше енергії за ті самі гроші з однаковим обсягом і відповідно менше влітку. Нібито, цей ефект повинен бути настільки сильним для зрідженого газу, що влітку слід переходити на бензин з фінансових причин - це рекомендували на деяких форумах. На викиди вуглекислого газу на кілометр не впливає зміна щільності, ані більше, ніж споживання енергії. Однак моє власне суб’єктивне відчуття змушує мене вірити у більш високе споживання газу влітку (вимірюється в літрах!). Детально про мій експеримент із споживанням можна дізнатись у розділі "Збереження енергії шляхом перетворення на зріджений газ?" описані і не повинні повторюватися тут.
Завдяки дружній підтримці Westfalen AG, яка надала нам таблиці щільності для літнього та зимового зрідженого газу для температур від -30 ° C до +40 ° C, ми тепер можемо пролити світло на цю темряву.
Температурна залежність щільності зрідженого газу
Як видно з діаграми, щільність зрідженого газу зменшується майже рівномірно з підвищенням температури, тоді як щільність зрідженого газу з 60% пропану завжди приблизно на 12-16 г/л вище. При тій же температурі один літр зрідженого газу важить трохи більше влітку, ніж взимку. Однак, оскільки при продажі зимового зрідженого газу температури дещо нижчі, ви завжди отримуєте приблизно однакову масу зрідженого газу в кожен сезон
Викиди вуглекислого газу на літр зрідженого газу при різних температурах
Як видно з діаграми викидів вуглекислого газу, викиди вуглекислого газу на літр зрідженого газу для літнього зрідженого газу завжди на 40-50 г на літр зрідженого газу вищі, ніж для зимового зрідженого газу, але навіть при -40 ° C він навіть не наближається до значень бензину або дизель.
Вміст енергії в зрідженому газі при різних температурах
Вміст енергії в одному літрі зрідженого зрідженого газу приблизно на 0,2 кВт-год перевищує показник зимового зрідженого зрідженого газу за будь-якої температури і зменшується із збільшенням температури, як і щільність та викиди вуглекислого газу на літр. Тому споживання повинно зростати із підвищенням температури, оскільки кожен літр забезпечує менше енергії. У той же час, однак, кожен літр також виробляє менше вуглекислого газу, тому викиди вуглекислого газу повинні залишатися постійними. Однак споживання в літрах і, отже, витрати пального на кілометр зростають із підвищенням температури, оскільки кожен літр забезпечує все меншу кількість енергії і, таким чином, забезпечує все менший діапазон. З кожним ступенем підвищення температури ви втрачаєте приблизно 0,016 кВт-год або близько 0,2% енергії на літр через збільшення обсягу. Підвищення температури на 5 ° C призводить до приблизно 1% вищих витрат пального на те саме паливо, 25 ° C вищих температур призводить до приблизно 5% вищих витрат - лише невеликий ефект порівняно з додатковим споживанням завдяки безпечно ввімкненому кондиціонеру.
Результат
Зміна щільності зрідженого газу зі зміною температури не впливає на викиди вуглекислого газу і лише незначно малий вплив на витрати палива, припускаючи порівнянну енергетичну ефективність двигуна. На обидва фактори впливає поведінка водіння та робота системи кондиціонування повітря влітку набагато більшою мірою, ніж зміна щільності. У порівнянні з експлуатацією автомобіля на бензині або дизелі, переваги та недоліки роботи зрідженого газу влітку та взимку однакові, оскільки щільність бензину та дизеля змінюється подібно до зрідженого газу, і ефект у будь-якому випадку дуже малий є.