Владивосток, Россия
Россия
Применение газового топлива в дизелях на судах портового флота и рыболовных судах прибрежного лова представляет определенный интерес. И если перевод на сжиженный природный газ ограничивается неразвитостью бункеровочных возможностей в портах России, то использование компримированного газа получило довольно широкое распространение в автомобилях и быту. Для этого уже имеется ряд газонаполняющих станций. Представляется целесообразным начать осуществление перевода судов портового флота на компримированный газ, используя существующее газобаллонное оборудование для автомобилей. Необходимо оценить изменение параметров работы двигателей при конвертировании на компримированный газ. Компримированный газ содержит пропан, этан, бутан, метан и др. Рассматривается доля содержания каждого газа по ГОСТу. Количественный состав продуктов сгорания чисто компримированного газа, а также газа, поджигаемого запальным дизельным топливом, был определен по химическим реакциям окисления химических элементов, из которых они состоят, кислородом воздуха. Посредством регрессионного анализа свойств водяного пара и газов получены линейные и квадратичные уравнения регрессии теплоемкостей газов (CO2, N2) и водяного пара (H2O) в зависимости от температуры. Получены выражения для определения теплоемкости продуктов сгорания компримированного газа для топлива марки «А» и марки «Б». Представлены формулы определения теплоемкости для «чистых» продуктов сгорания компримированного газа, поджигаемого запальным дизельным топливом. Полученные выражения рекомендуется использовать при расчете рабочего цикла дизеля на компримированном газе.
газовое топливо, компримированный газ, теплоемкость, продукты сгорания, линейная зависимость, квадратичная зависимость
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. Пахомов Ю. А., Коробков Ю. П., Дмитриевский Е. В., Васильев Г. Л. Топливо и топливные системы судовых дизелей. М.: Транслит, 2007. 494 с.
2. Соболенко А. Н., Самсонов А. И. Расчет теплоемкости заряда сжатия в цилиндре двигателя, работающего на газомоторном топливе // Мор. интеллектуал. технологии. 2018. № 4 (42). Т. 5. С. 66-69.
3. Соболенко А. Н. Расчет теплоемкости продуктов сгорания газомоторного топлива в дизелях // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2019. № 2. С. 48-55.
4. Новиков И. И. Термодинамика: учеб. М.: Лань, 2009. 370 с.
5. Овсянников М. К., Костылев И. И. Теплотехника. Техническая термодинамика и теплопередача: учеб. СПб.: Эльмор, 2014. 208 с.
6. Ваншейдт В. А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л.: Судостроение, 1977. 390 с.
7. Гончар Б. М. Численное моделирование рабочего процесса дизелей: автореф. дис. … д-ра техн. наук. Л., 1969. 24 с.
