Vladivostok, Russian Federation
Russian Federation
The article underlines the interest to using gas fuel in diesel engines of the coastal fishing vessels. If the change to liquefied natural gas is limited by the lack of bunkering capabilities in the Russian ports, using compressed gas has become widespread in transport and in the household. A number of gas fueling stations are already available for this purpose. It seems reasonable to start the conversion of the port fleet to compressed gas from using the motor gas bottling equipment for that purpose. It is important to evaluate the change in engine performance parameters when converting to compressed gas. Compressed gas is a mixture of gases such as propane, ethane, butane, methane, etc. There is given the percentage of each gas content, according to GOST. The quantitative composition of the pure compressed gas combustion outcomes, as well as the gas ignited by the ignition diesel fuel was determined by the oxidation reactions of the chemical elements of which they consist, as well as by oxygen from air. As a result of regression analysis applied to define the properties of water vapor and gases, there have been derived linear and quadratic approximating dependences of the heat capacities of gases (CO2, N2) and water vapor (H2O) on temperature. There have been obtained the equations for determining the heat capacity of the combustion products of compressed gas for fuel grade A and B. There have been produced the formulas for determining heat capacity of pure combustion products of compressed gas ignited by the ignition diesel fuel. The obtained expressions are recommended to be used for analysis of the working cycle of a diesel engine running on the compressed gas.
gas fuel, compressed gas, heat capacity, combustion products, linear dependence, quadratic dependence
Введение
Использование сжиженного природного газа на судах, в том числе портофлота, сдерживается отсутствием бункеровочных возможностей. Но в настоящее время довольно широкое распространение получило использование сжатого (компримированного) газового топлива в автомобильных двигателях и бытовой технике, топлива марок «А» и «Б» [1]. В городах создана ограниченная сеть газозаправочных станций, куда газовое топливо поставляется в компримированном виде в баллонах. Таким образом, уже существует определенная доступность. Например, в Таиланде вдоль автомобильных междугородних трасс имеются склады с определенным запасом заправленных газом баллонов. Водители по пути при необходимости меняют баллоны, затрачивая минимальное время.
В портовых городах определенный интерес имеет использование этого вида экологически чистого топлива на судах портофлота. При этом может быть использована схема заправки простой заменой баллонов. Но перевод существующих двигателей портового флота на газ вызовет некоторое изменение рабочего процесса по сравнению с существующей работой на дизельном топливе. Необходимо предварительно в каждом случае произвести расчетную оценку изменения мощности дизеля и определить, каков будет расход газа.
В расчетах рабочего процесса весьма заметное значение на результат оказывают принятые выражения для вычисления теплоемкости.
В работе [2] приводятся выражения для вычисления значений теплоемкости смеси сжимаемого газа и воздуха для процесса сжатия при подаче природного газа на всасывание четырехтактного дизеля, в работе [3] – выражения для вычисления значений теплоемкости для рабочего процесса дизеля при сгорании сжиженного природного газа. Отсутствуют необходимые для расчета рабочего процесса дизеля формулы определения теплоемкости продуктов сгорания компримированного газа.
Методика расчета
Согласно ГОСТ 27577-87 компримированный газ представляет собой смесь нескольких газов. Преобладающим по количеству является метан. В компримированном газе – топливе марки «А» – в соответствии с ГОСТ 27577-87 содержание метана составляет 90–100 %; в топливе марки «Б» – 85–95 %.
Теплоемкость «чистых» продуктов сгорания, кДж/(кмоль·К), рассчитывается по уравнению теплоемкости смеси газов:
(1)
где mk – количество k-го компонента; сvk – теплоемкость k-го компонента; l – количество компонентов.
По химическим реакциям окисления элементов в компонентах газового топлива при его горении находим количество кмоль продуктов сгорания:
(2)
где a, b, c, и d – коэффициенты, уравнивающие левую и правую части выражения (2) [3].
Основываясь на данных [1], примем следующий состав компримированного газа, примененного в качестве топлива:
– топливо марки «А»: доля метана ; доля этана
; доля пропана
; доля бутана
; доля пентана
; доля диоксида углерода
; доля азота
;
– топливо марки «Б»: доля метана ; доля этана
; доля пропана
; доля бутана
; доля пентана
; доля диоксида углерода
; доля азота
.
Из формулы (2) следует, что в результате сгорания компримированного газа образуется смесь диоксида углерода СО2 и паров воды Н2О.
В смеси диоксида углерода СО2 и паров воды Н2О при сгорании топлива марки «Б» присутствует азот N2, имеющийся в исходном топливе.
Общее количество СО2 в «чистых» продуктах сгорания, кмоль, вычисляем по формуле
(3)
где – количество углекислого газа в продуктах сгорания, образовавшегося от сгорания доли k-го компонента в газомоторном топливе;
– доля углекислого газа в исходном газомоторном топливе.
Общее количество Н2О в «чистых» продуктах сгорания, кмоль, определяем по выражению
(4)
где – количество паров воды в продуктах сгорания, образовавшееся от сгорания доли k-го компонента в газомоторном топливе.
Общее количество азота N2 в «чистых» продуктах сгорания, кмоль, вычисляем посредством формулы
где – доля азота в исходном газомоторном топливе [3].
Формулы для определения теплоемкости
- Топливо марки «А» по ГОСТ 27577-87.
Полное сгорание метана (CH4), содержащегося в компримированном газовом топливе, – это окисление углерода (C) и водорода (H), в результате чего получается углекислый газ (CO2) и водяные пары (H2O). Эта реакция описывается уравнением
(5)
Весовое количество веществ, вступивших в реакцию и получившихся в ее результате на основе их атомных весов, рассчитывается следующим уравнением:
(6)
с переводом на кмоль:
(7)
или
(8)
В результате сгорания 1 кмоль метана получается:
и
(9)
Сгорание следующего компонента компримированного газа – этана – можно описать следующими уравнениями:
(10)
(11)
(12)
отнесенные к 1 кг газа:
(13)
В результате сгорания 2 кмоль этана получается:
и
(14)
Химические реакции сгорания пропана можно выразить следующими уравнениями:
(15)
(16)
(17)
(18)
В результате сгорания 1 кмоль пропана получается:
и
(19)
Химические реакции сгорания бутана описываются следующими уравнениями:
(20)
(21)
(22)
(23)
В результате сгорания 2 кмоль бутана образуется:
и
(24)
Химические реакции сгорания пентана описываются следующими уравнениями:
(25)
(26)
(27)
(28)
В результате химических реакций сгорания 1 кмоль пентана получается:
и
. (29)
Количество азота кмоль.
Общее количество кмоль углекислого газа (СО2) в продуктах сгорания топлива марки «А» рассчитывается по формуле (3):
Общее количество кмоль водяных паров в продуктах сгорания топлива марки «А» рассчитывается по формуле (4):
Посредством регрессионного анализа таблиц свойств водяного пара и газов [4, 5] были получены линейные и квадратичные уравнения регрессии теплоемкостей газов (CO2, N2) и водяного пара (H2O) в зависимости от температуры:
1) для углекислого газа:
– простая линейная:
при коэффициенте корреляции R2 = 0,93 и среднеквадратичном отклонении σ2 = 1,464;
– квадратичная (более точная):
при коэффициенте корреляции R2 = 0,996 и среднеквадратичном отклонении σ2 = 0,345;
2) для водяных паров:
– простая линейная:
при коэффициенте корреляции R2 = 0,998 и среднеквадратичном отклонении σ2 = 0,162;
– квадратичная (более точная):
при коэффициенте корреляции R2 = 0,998 и среднеквадратичном отклонении σ2 = 0,1602;
3) для азота:
– простая линейная:
при коэффициенте корреляции R2 = 0,991 и среднеквадратичном отклонении σ2 = 0,14;
– квадратичная (более точная):
при коэффициенте корреляции R2 = 0,991 и среднеквадратичном отклонении σ2 = 0,135.
Коэффициенты в формуле теплоемкости продуктов сгорания рассчитываем согласно (1):
Зависимость средней теплоемкости продуктов сгорания компримированного газового топлива марки «А» от температуры имеет вид:
При использовании дизельного топлива в качестве запального следует учесть изменение теплоемкости от наличия в выпускных газах продуктов сгорания дизельного топлива.
Формула для расчета теплоемкости продуктов сгорания дизельного топлива [6]:
Доля жидкого топлива составляет обычно около 0,1. В этом случае теплоемкость продуктов сгорания определяется по следующим выражениям:
Аналогичным образом были подсчитаны значения коэффициентов avг, bг и сг для более точной квадратичной модели:
Рассчитаем теплоемкость продуктов сгорания по квадратичной модели газожидкостного топлива:
Теплоемкость продуктов совместного сгорания компримированного газа и запального дизельного топлива может определяться по формуле
cvгж = 22,9 + 0,0087Т – 2,53·10–7T2.
- Топливо марки «Б» по ГОСТ 27577-87.
Данный расчет основывается на результатах вычислений (5)–(29).
Число кмоль углекислого газа рассчитано по формуле (3):
Число кмоль водяных паров рассчитано по формуле (4):
Виды аппроксимирующих формул для расчета теплоемкостей при линейной и нелинейной зависимости от температуры примем такими же, как и для топлива марки «А».
Для определения теплоемкости продуктов сгорания компримированного газового топлива воспользуемся опять формулой (1):
В результате получаем формулу для определения теплоемкости продуктов сгорания чисто газового топлива марки «Б»:
При использовании запального дизельного топлива, доля которого составляет в среднем около 0,1, теплоемкость продуктов сгорания определится по нижеприведенным формулам:
Аналогично были определены коэффициенты для более точной квадратичной зависимости
сvг = avг + bгT + сгT2.
Определим теплоемкость продуктов сгорания по квадратичной модели компримированного топлива:
cvг = 22,55 + 0,00846T – 1,106 ·10–6T2.
Формула для расчета теплоемкости продуктов сгорания дизеля, использующего компримированный газ марки «Б» по ГОСТ 27577-87 и запальное дизельное топливо имеет следующий вид:
cvгж = 22,34 + 0,00797T – 1,106 ·10–6T2.
Линейные зависимости теплоемкости от температуры для продуктов сгорания в дизеле компримированного газа сведены в табл. 1.
Таблица 1
Линейные зависимости теплоемкости от температуры для продуктов сгорания
в дизеле компримированного газа
|
Топливо марки «А» |
Топливо марки «Б» |
||
|
При сгорании только |
При совместном сгорании |
При сгорании только чистого газа |
При совместном сгорании |
|
cvг = 24,84 + 0,0063T |
cvгж = 24,4 + 0,00603T |
cvг = 23,94 + 0,00563T |
cvгж = 23,59 + 0,00543T |
Квадратичные зависимости теплоемкости от температуры для продуктов сгорания в дизеле компримированного газа сведены в табл. 2.
Таблица 2
Квадратичные зависимости теплоемкости от температуры для продуктов сгорания
в дизеле компримированного газа
|
Топливо марки «А» |
Топливо марки «Б» |
||
|
При сгорании только |
При совместном сгорании |
При сгорании только |
При совместном сгорании |
|
cvг = 23,166 + 0,0097T – – 2,53 ·10–6T2 |
cvгж = 22,9 + 0,0087T – |
cvг = 22,55 + 0,00846T – |
cvгж = 22,347 + 0,00797T – |
Разница в результатах расчета средней теплоемкости по линейной модели в сравнении с квадратичной зависимостью составляет в среднем 1,4 %, т. е. незначительна.
Заключение
Полученные линейные зависимости рекомендуются для использования в расчетах рабочего цикла дизеля методом Гриневецкого – Мазинга, а полученные квадратичные зависимости рекомендуются для использования в расчетах рабочего цикла дизеля методом численного моделирования [7].
Зависимости теплоемкости от температуры компонентов в продуктах сгорания газового топлива – углекислого газа, паров воды, азота – аппроксимируются полиномами первого порядка при коэффициенте корреляции в пределах R2 = 0,93÷0,998. При аппроксимации полиномами второго порядка коэффициент корреляции R2 = 0,996÷0,998.
Cравнительные расчеты доказали, что при температуре 300 К разница в расчетных значениях теплоемкостей «чистых» продуктов сгорания при использовании формулы для дизельного топлива [6] и формулы для топлива марки «А» составляет 24 %, а при температуре 1 800 К – 34,2 %; для топлива марки «Б» при температуре 300 К – 18,9 %, а при температуре 1 800 К – 26,4 % соответственно. При сравнении с теплоемкостями продуктов сгорания газомоторного топлива (чистый природный газ) [3] разница в расчетных значениях для топлива марки «А» при температуре 300 К составляет 1 %, при температуре 1 800 К – 1,5 %; для топлива марки «Б» при температуре 300 К – 5,2 %, при температуре 1 800 К – 7,8 % соответственно.
1. Pakhomov Iu. A., Korobkov Iu. P., Dmitrievskii E. V., Vasil'ev G. L. Toplivo i toplivnye sistemy sudovykh dizelei [Fuel and fuel systems of marine diesel engines]. Moscow, Translit Publ., 2007. 494 p.
2. Sobolenko A. N., Samsonov A. I. Raschet teploemkosti zariada szhatiia v tsilindre dvigatelia rabotaiushchego na gazomotornom toplive [Calculating heat capacity of compression charge in cylinder of engine running on gas fuel]. Morskie intellektual'nye tekhnologii, 2018, no. 4 (42), vol. 5, pp. 66-69.
3. Sobolenko A. N. Raschet teploemkosti produktov sgoraniia gazomotornogo topliva v dizeliakh [Analysis of heat capacity of combustion products of gas fuel in diesel engines]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2019, no. 2, pp. 48-55.
4. Novikov I. I. Termodinamika: uchebnik [Thermodynamics: textbook]. Moscow, Lan' Publ., 2009. 370 p.
5. Ovsiannikov M. K., Kostylev I. I. Teplotekhnika. Tekhnicheskaia termodinamika i teploperedacha: uchebnik [Heat engineering. Technical thermodynamics and heat transfer: textbook]. Saint-Petersburg, El'mor Publ., 2014. 208 p.
6. Vansheidt V. A. Sudovye dvigateli vnutrennego sgoraniia [Ship internal combustion engines]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1977. 390 p.
7. Gonchar B. M. Chislennoe modelirovanie rabochego protsessa dizelei: avtoreferat dis. … d-ra tekhn. nauk [Numerical modeling working process of diesel engines: diss. abstr. ... dr. tech. sci.]. Leningrad, 1969. 24 p.
