CALCULATING SPECIFIC HEAT OF COMBUSTION PRODUCTS IN GAS MODE DIESEL ENGINES
Authors:
1.
Far Eastern State Technical University of Fisheries
Type:
Article
Pages:
from 48
to 55
Status:
Published
Received:
20.05.2019
Accepted:
25.05.2019
Published:
25.05.2019
Subject area:
UDK 621.431.74.004
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
gas fuel, heat capacity, heat capacity analysis, combustion products, gas components
Abstract (English):
The task of using natural gas-engine fuel in transport diesel engines (marine and automobile) is very actual. The trends of converting diesel engines to gas mode on ships of the port fleet and fishing vessels are becoming widespread. The importance to clarify the calculation methods of the working process for gas mode diesel engines is growing. Natural gas has been stated to comprise different gases - methane, ethane, propane, butane, carbon monoxide, etc., the percentage correlations of which being presented. There has been studied the method of calculating heat capacity of “pure” combustion products, i.e. under fuel combustion with excessive air coefficient α =1. The chemical reactions of oxidation elements of gas fuel components during its combustion determine the amount of kilomole of combustion products. To determine the heat capacity of the components of the combustion products - CO2, H2O and N2, the known tables of gases and water vapor properties were used. As a result of data processing, approximating linear and quadratic dependences were obtained. Нeat capacities are calculated in the linear formula of the specific heat of “pure” combustion products as the heat capacity of the gas mixture. As a result, a formula for determining the heat capacity of “clean” combustion products of gas fuel has been obtained: CVG = 25.03 + 0.0065· T . For determining the heat capacity of “clean” combustion products of gas fuel with 10% additive of ignition diesel fuel the formula has the following form CVGZH = 24.57 + 0.006· T . The dependences obtained are fairly accurate and recommended for using in the practice of converting diesel engines to gas-engine fuel, as well as when carrying out works and watercraft technology in building the ships and water transport.
The task of using natural gas-engine fuel in transport diesel engines (marine and automobile) is very actual. The trends of converting diesel engines to gas mode on ships of the port fleet and fishing vessels are becoming widespread. The importance to clarify the calculation methods of the working process for gas mode diesel engines is growing. Natural gas has been stated to comprise different gases - methane, ethane, propane, butane, carbon monoxide, etc., the percentage correlations of which being presented. There has been studied the method of calculating heat capacity of “pure” combustion products, i.e. under fuel combustion with excessive air coefficient α =1. The chemical reactions of oxidation elements of gas fuel components during its combustion determine the amount of kilomole of combustion products. To determine the heat capacity of the components of the combustion products - CO2, H2O and N2, the known tables of gases and water vapor properties were used. As a result of data processing, approximating linear and quadratic dependences were obtained. Нeat capacities are calculated in the linear formula of the specific heat of “pure” combustion products as the heat capacity of the gas mixture. As a result, a formula for determining the heat capacity of “clean” combustion products of gas fuel has been obtained: CVG = 25.03 + 0.0065· T . For determining the heat capacity of “clean” combustion products of gas fuel with 10% additive of ignition diesel fuel the formula has the following form CVGZH = 24.57 + 0.006· T . The dependences obtained are fairly accurate and recommended for using in the practice of converting diesel engines to gas-engine fuel, as well as when carrying out works and watercraft technology in building the ships and water transport.
Keywords:
gas fuel, heat capacity, heat capacity analysis, combustion products, gas components
gas fuel, heat capacity, heat capacity analysis, combustion products, gas components
Введение В существующей литературе приведены выражения для расчёта теплоёмкостей в характерных точках цикла дизелей, работающих на жидком топливе [1]. В последнее время всё более широкое применение находят судовые дизели, использующие газовое топливо и газовое топливо с присадкой жидкого топлива. Это, как правило, главные дизели судов-газовозов. Всё большее распространение получают идеи перевода на газомоторное топливо и других типов судов - прежде всего, судов портового флота, затем рыболовных судов. В этой связи приобретает значение уточнение расчётных методов рабочего процесса дизелей, работающих на газомоторном топливе. В работе [2] приводятся выводы и результаты по расчётным значениям теплоёмкости для процесса сжатия, когда газовое топливо подаётся на всасывание четырёхтактного дизеля. Однако не существует зависимостей для теплоёмкости от температуры для «чистых» продуктов сгорания в дизелях газового топлива и газового топлива с присадкой запального дизельного топлива. Методика расчёта теплоёмкости продуктов сгорания Природный газ включает в себя ряд компонентов: метан, этан, пропан, бутан, окись углерода и др. В зависимости от месторождения процентное соотношение между компонентами газа различается, но преобладающим является количество метана - более 97,8 %. Определение теплоёмкости «чистых» продуктов сгорания, кДж/(кмоль·К), производится по обычному уравнению теплоёмкости смеси газов: (1) где mk - количество k-го компонента; сvk - теплоёмкость k-го компонента; l - количество компонентов. По химическим реакциям окисления элементов в компонентах газового топлива при его горении находим количество киломолей продуктов сгорания: a·СnНm + b·О2 = c·СО2 + d·H2O, (2) где a, b, c, и d - коэффициенты, уравнивающие левую и правую часть уравнения (2). В природном газе содержание компонентов зависит от месторождения. Однако оно изменяется в довольно узких пределах. Доля содержания, %, метана находится в пределах = 97,8÷98,36; этана - = 0,08÷0,99; пропана - = 0,0÷0,11; бутана - = 0,0÷0,1; азота - = 0,5÷1,1; углекислого газа - = 0,2÷1,0 [3]. По аналогии, как и для дизельного топлива [1], примем, что природный газ, используемый в качестве газомоторного топлива, имеет следующий средний состав, %: = 98,08; = 0,64 (= 0,535; = 0,055; = 0,05); = 0,5; = 0,5. Согласно (2) «чистые» продукты сгорания состоят из углекислого газа СО2 и паров воды Н2О. Кроме того, они будут включать долю чистого азота N2, имеющегося в исходном продукте - газомоторном топливе. Тогда общее количество СО2 в «чистых» продуктах сгорания, кмоль, определяем по формуле (3) где - количество углекислого газа в продуктах сгорания, образовавшегося от сгорания доли k-го компонента в газомоторном топливе; - относительная доля углекислого газа в исходном газомоторном топливе. Общее количество Н2О в «чистых» продуктах сгорания, кмоль, находим по формуле где - количество паров воды в продуктах сгорания образовавшейся от сгорания доли k-го компонента в газомоторном топливе. Общее количество азота N2 в «чистых» продуктах сгорания, кмоль, вычисляем следующим образом: , где - относительная доля азота в исходном газомоторном топливе. Для определения теплоёмкости компонентов мы воспользовались таблицами свойств газов и водяного пара [4, 5]. В результате обработки данных были получены аппроксимирующие зависимости. Для средней мольной изохорной теплоёмкости углекислого газа СО2, водяного пара и азота получаются линейные зависимости вида сvk = avk + bkT. Формула теплоёмкости всех продуктов сгорания также будет линейной зависимостью сvг = avг + bгT, где коэффициенты avг и bг определяются по формулам avг = Σ(avkmk) / Σmk, bг = Σ(bkmk) / Σmk. Расчёт Предварительно необходимо определить объёмные доли продуктов сгорания. Рассмотрим процесс горения компонентов газового топлива исходя из стехиометрических соотношений согласно уравнению (2). Если исходить из стехиометрических соотношений и игнорировать тепловой эффект реакции, то в результате полного сгорания доли метана в газовом топливе получим СН4 + 2О2 = СО2 + 2H2O. Однако если исходить из атомных весов составляющих компонентов, то можно записать для сгорания метана: 16 кг (СН4) + 64 кг (О2) = 44 кг (СО2) + 36 кг (H2O), или 16 кг (СН4) + 2 кмоль (О2) = кмоль (СО2) + 2 кмоль (H2O), или 1кг (СН4) + 2 / 16 кмоль (О2) = 1 / 16 кмоль (СО2) + 2 / 16 кмоль (H2O). (4) Учитывая, что относительная доля метана в природном газе = 0,9808, то формула (4) примет вид: кг (СН4) + 2/ 16 кмоль (О2) = 1 / 16кмоль (СО2) + 2/ 16 кмоль (H2O), или 0,9808 кг (СН4) + 0, 9808 кг / 8 кмоль (О2) = 0, 9808 / 16 кмоль (СО2) + 0, 9808 / 8 кмоль (H2O). Таким образом, в результате сгорания доли метана в природном газе в дизеле мы получим = 0, 9808 / 16 кмоль (СО2) и = 0, 9808 / 8 кмоль (H2O). Для сгорания следующего компонента природного газа - этана: 2С2Н6 + 7О2 = 4СО2 + 6H2O, 36 кг (С2Н6) + 7 кмоль (О2) = 4 кмоль (СО2) + 6 кмоль (H2O), или 1кг (С2Н6) + 7 / 36 кмоль (О2) = 4 / 36 кмоль (СО2) + 6 / 36 кмоль (H2O). (5) Учитывая, что относительная доля этана в природном газе = 0,00535, то формула (5) примет вид: 0,00535 кг (С2Н4) + 7·0,00535 / 36 кмоль (О2) = 0,00535 / 9 кмоль (СО2) + 0,00535 / 6 кмоль (H2O). Таким образом, в результате сгорания доли этана в природном газе в дизеле мы получим = 0,00535 / 9 кмоль (СО2) и = 0,00535 / 6 кмоль (H2O). Для сгорания следующего компонента природного газа - пропана: С3Н8 + 5О2 = 3СО2 + 4H2O, 44 кг (С3Н8) + 5 кмоль (О2) = 3 кмоль (СО2) + 4 кмоль (H2O), или 1 кг (С3Н8) + 5 / 44 кмоль (О2) = 3 / 44 кмоль (СО2) + 4 / 44 кмоль (H2O). (6) Учитывая, что относительная доля пропана в природном газе = 0,00055, то формула (6) примет вид: 0,00055 (С2Н4) + 0,00275 / 44 кмоль (О2) = 0,00165 / 44 кмоль (СО2) + 0,0022 / 22 кмоль (H2O). Таким образом, в результате сгорания доли пропана в природном газе в дизеле мы получим = 0,00165 / 44 кмоль (СО2) и = 0,0022 / 22 кмоль (H2O). Для сгорания следующего компонента природного газа - бутана: 2С4Н10 + 13О2 = 8СО2 + 10H2O, 116 кг (С4Н10) + 13 кмоль (О2) = 8 кмоль (СО2) + 10 кмоль (H2O), или 1кг (С4Н10) + 13 / 116 кмоль (О2) = 8 / 116 кмоль (СО2) +10 / 116 кмоль (H2O). (7) Учитывая, что относительная доля бутана в природном газе = 0,005, то формула (7) примет вид: 0,005 кг (С2Н4) + 0,065 / 116 кмоль (О2) = 0,04 / 116 кмоль (СО2) + 0,05 / 116 кмоль (H2O). Таким образом, в результате сгорания доли бутана в природном газе в дизеле мы получим = 0,04 / 116 кмоль (СО2) и = 0,05 / 116 кмоль (H2O). Количество азота = 1 / 28. Определим общее количество кмолей углекислого газа по формуле (3): Определим общее количество кмолей водяных паров: Для определения теплоёмкости компонентов воспользуемся таблицами свойств газов и водяного пара [4, 5]. В результате обработки данных были получены следующие аппроксимирующие зависимости. Для средней мольной изохорной теплоёмкости углекислого газа СО2 - линейная: при стандартном среднеквадратичном отклонении σ2 = 1,464 и коэффициенте корреляции R2 = 0,93. Более точная - нелинейная: при стандартном среднеквадратичном отклонении σ2 = 0,345 и коэффициенте корреляции R2 = 0,996. Для средней мольной изохорной теплоёмкости водяных паров Н2О - линейная: при стандартном среднеквадратичном отклонении σ2 = 0,162 и коэффициенте корреляции R2 = 0,998. Более точная - нелинейная: при стандартном среднеквадратичном отклонении σ2 = 0,1602 и коэффициенте корреляции R2 = 0,998. Для средней мольной изохорной теплоёмкости азота N2 - линейная: при стандартном среднеквадратичном отклонении σ2 = 0,14 и коэффициенте корреляции R2 = 0,991. Более точная - нелинейная: при стандартном среднеквадратичном отклонении σ2 = 0,135 и коэффициенте корреляции R2 = 0,991. Для определения теплоёмкости «чистых» продуктов сгорания газового топлива воспользуемся формулой (1): Таким образом, формула для определения теплоёмкости «чистых» продуктов сгорания газового топлива имеет вид: (8) тогда как формула для расчёта теплоёмкости «чистых» продуктов сгорания дизельного топлива: При использовании газожидкостного цикла доля жидкого топлива выступает в качестве запальной, поэтому следует учесть изменение теплоёмкости от наличия в выпускных газах продуктов сгорания жидкого топлива. Доля жидкого топлива составляет в среднем примерно 10 %. Тогда теплоёмкость продуктов сгорания газожидкостного дизеля будет определена следующим образом: avгж = 25,03 · 0,9 + 20,47 · 0,1 = 24,57, bvгж = 0,0063 · 0,9 + 0,0036 · 0,1 = 0,0067, cvгж = 24,57 + 0,006T. Аналогичным образом были подсчитаны значения коэффициентов avг, bг и с для более точной нелинейной модели вида: сvг = avг + bгT + сгT 2. Тогда теплоёмкость продуктов сгорания по нелинейной модели газового топлива будет определена следующим образом: cvг = 23,266 + 0,0099T - 2,58 · 10-7T 2. Теплоёмкость «чистых» продуктов сгорания газожидкостного дизеля с добавкой 10 % запального дизельного топлива определяется по формуле (9) Заключение Для расчётов по методу Гриневецкого - Мазинга [1] рабочего цикла двигателя, работающего на газомоторном топливе, следует использовать следующие формулы: - при работе только на природном газе: cvг = 25,03 + 0,0065Т; - при работе с 10 % добавкой запального дизельного топлива: cvгж = 24,57 + 0,006T. Для расчётов рабочего цикла методом численного моделирования [6] двигателя, работающего на газомоторном топливе, можно рекомендовать следующие формулы: - при работе только на природном газе: cvг = 23,266 + 0,0099T - 2,58 · 10-7T 2; - при работе с 10 % добавкой запального дизельного топлива: cvг = 23,341 + 0,0093Т - 2,58 · 10-7T 2. Сравнительные расчёты доказали, что при температуре 300 К разница в расчётных значениях теплоёмкостей «чистых» продуктов сгорания при использовании формулы для дизельного топлива и формулы для газомоторного топлива составляет 25 %, а при температуре 1 800 К - 36 %. Разница в расчётных значениях теплоёмкостей при расчётах по упрощённой линейной модели (8) и более точной нелинейной модели (9) составляет при 300 К - 2,9 %; при 1 800 К - 10,5 %. Данное обстоятельство отразится на точности вычисления рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания, что следует учитывать при расчётах.
1. Vansheydt V. A. Sudovye dvigateli vnutrennego sgoraniya. L.: Sudostroenie, 1977. 390 s.
2. Sobolenko A. N., Samsonov A. I. Raschet teploemkosti zaryada szhatiya v cilindre dvigatelya, rabotayuschego na gazomotornom toplive // Mor. intellektual. tehnologii. 2018. № 4 (42). T. 5. S. 66-69.
3. Pahomov Yu. A., Korobkov Yu. P., Dmitrievskiy E. V., Vasil'ev G. L. Toplivo i toplivnye sistemy sudovyh dizeley. M.: Translit, 2007. 494 s.
4. Novikov I. I. Termodinamika: ucheb. dlya vuzov. M.: Lan', 2009. 370 s.
5. Ovsyannikov M. K., Kostylev I. I. Teplotehnika: ucheb. dlya vuzov. SPb.: El'mor, 2014. 208 s.
6. Gonchar B. M. Chislennoe modelirovanie rabochego processa dizeley: avtoref. dis. … d-ra tehn. nauk. L., 1969. 24 s.
