РАСЧЕТ ТЕПЛОЕМКОСТИ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ГАЗОМОТОРНОГО ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЯХ
Авторы:
1.
Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет
Тип:
Статья
Страницы:
с 48
по 55
Статус:
Опубликован
Получено:
20.05.2019
Одобрено:
25.05.2019
Опубликовано:
25.05.2019
Классификаторы:
УДК 621.431.74.004
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
газомоторное топливо, теплоёмкость, расчёт теплоёмкости, продукты сгорания, компоненты газа
Аннотация (русский):
Задача использования газомоторного топлива - природного газа - в транспортных дизелях (судовых и автомобильных) весьма актуальна. Всё большее распространение получают идеи перевода на газомоторное топливо дизелей, используемых на судах портового флота и рыболовных судах. Важное значение приобретает уточнение расчётных методов рабочего процесса дизелей, действующих на газомоторном топливе. Отмечено, что природный газ включает в себя ряд газов: метан, этан, пропан, бутан, окись углерода и др., приводятся их процентные соотношения. Рассматривается методика расчёта теплоёмкости «чистых» продуктов сгорания, то есть при сгорании топлива с коэффициентом избытка воздуха, равным 1. По химическим реакциям окисления элементов в компонентах газового топлива при его горении определяется количество киломолей продуктов сгорания. Для определения теплоёмкости компонентов продуктов сгорания СО2, Н2О и N2 были использованы известные таблицы свойств газов и водяного пара. В результате обработки данных были получены аппроксимирующие зависимости: линейные и квадратичные. Рассчитаны коэффициенты в линейных формулах теплоёмкости «чистых» продуктов сгорания как теплоёмкости смеси газов. В результате получена формула для определения теплоёмкости «чистых» продуктов сгорания газового топлива: cvг = 25,03 + + 0,0065 Т . Для определения теплоёмкости «чистых» продуктов сгорания газового топлива с 10 % присадкой запального дизельного топлива формула определения теплоёмкости имеет вид: cvгж = 24,57 + 0,006 T . Полученные зависимости достаточно точны, рекомендуется использовать их в практике перевода дизелей на газомоторное топливо, а также при выполнении исследований в области техники и технологии кораблестроения и водного транспорта.
Задача использования газомоторного топлива - природного газа - в транспортных дизелях (судовых и автомобильных) весьма актуальна. Всё большее распространение получают идеи перевода на газомоторное топливо дизелей, используемых на судах портового флота и рыболовных судах. Важное значение приобретает уточнение расчётных методов рабочего процесса дизелей, действующих на газомоторном топливе. Отмечено, что природный газ включает в себя ряд газов: метан, этан, пропан, бутан, окись углерода и др., приводятся их процентные соотношения. Рассматривается методика расчёта теплоёмкости «чистых» продуктов сгорания, то есть при сгорании топлива с коэффициентом избытка воздуха, равным 1. По химическим реакциям окисления элементов в компонентах газового топлива при его горении определяется количество киломолей продуктов сгорания. Для определения теплоёмкости компонентов продуктов сгорания СО2, Н2О и N2 были использованы известные таблицы свойств газов и водяного пара. В результате обработки данных были получены аппроксимирующие зависимости: линейные и квадратичные. Рассчитаны коэффициенты в линейных формулах теплоёмкости «чистых» продуктов сгорания как теплоёмкости смеси газов. В результате получена формула для определения теплоёмкости «чистых» продуктов сгорания газового топлива: cvг = 25,03 + + 0,0065 Т . Для определения теплоёмкости «чистых» продуктов сгорания газового топлива с 10 % присадкой запального дизельного топлива формула определения теплоёмкости имеет вид: cvгж = 24,57 + 0,006 T . Полученные зависимости достаточно точны, рекомендуется использовать их в практике перевода дизелей на газомоторное топливо, а также при выполнении исследований в области техники и технологии кораблестроения и водного транспорта.
Ключевые слова:
газомоторное топливо, теплоёмкость, расчёт теплоёмкости, продукты сгорания, компоненты газа
газомоторное топливо, теплоёмкость, расчёт теплоёмкости, продукты сгорания, компоненты газа
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. Ваншейдт В. А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л.: Судостроение, 1977. 390 с.
2. Соболенко А. Н., Самсонов А. И. Расчёт теплоёмкости заряда сжатия в цилиндре двигателя, работающего на газомоторном топливе // Мор. интеллектуал. технологии. 2018. № 4 (42). Т. 5. С. 66-69.
3. Пахомов Ю. А., Коробков Ю. П., Дмитриевский Е. В., Васильев Г. Л. Топливо и топливные системы судовых дизелей. М.: Транслит, 2007. 494 с.
4. Новиков И. И. Термодинамика: учеб. для вузов. М.: Лань, 2009. 370 с.
5. Овсянников М. К., Костылёв И. И. Теплотехника: учеб. для вузов. СПб.: Эльмор, 2014. 208 с.
6. Гончар Б. М. Численное моделирование рабочего процесса дизелей: автореф. дис. … д-ра техн. наук. Л., 1969. 24 с.
