РАСЧЕТ ТЕПЛОЕМКОСТИ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ КОМПРИМИРОВАННОГО ГАЗОВОГО ТОПЛИВА МАРОК «А» И «Б» В ДИЗЕЛЯХ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

DOI: 10.24143/2073-1574-2021-2-65-74 УДК 621.431.74.004

РАСЧЕТ ТЕПЛОЕМКОСТИ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ КОМПРИМИРОВАННОГО ГАЗОВОГО ТОПЛИВА МАРОК «А» И «Б» В ДИЗЕЛЯХ

А. Н. Соболенко, М. В. Флорианская

Морской государственный университет им. адмирала. Г. И. Невельского, Владивосток, Российская Федерация

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 компримирован-ный 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 (С02, N2) и водяного пара (Н20) 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 ком-примированного газа, поджигаемого запальным дизельным топливом. Полученные выражения рекомендуется использовать при расчете рабочего цикла дизеля на компримированном газе.

Ключевые слова: газовое топливо, компримированный газ, теплоемкость, продукты сгорания, линейная зависимость, квадратичная зависимость.

Для цитирования: Соболенко А. Н., Флорианская М. В. Расчет теплоемкости продуктов сгорания компримированного газового топлива марок «А» и «Б» в дизелях // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2021. № 2. С. 65-74. DOI: 10.24143/2073-1574-2021-2-65-74.

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 компримиро-ванном 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/(кмольК), рассчитывается по уравнению теплоемкости смеси газов:

1

Е тк°ук

с = —, (1)

Е т

к=1

где тк - количество к-го компонента; сук - теплоемкость к-го компонента; 1 - количество компонентов.

По химическим реакциям окисления элементов в компонентах газового топлива при его горении находим количество кмоль продуктов сгорания:

а ■ СН + Ь ■ 02 = с • С02 + d ■ Н20, (2)

п т 2 2 2"

где а, Ь, с, 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 гСН4 = 91,2 %; доля этана гС Нб = 4 %; доля пропана

гСзн8 = 1,5 %; доля бутана гС Н о = 1 %; доля пентана гС Н 2 = 0,3 %; доля диоксида углерода гСо2 = 1 % ; доля азота г^ = 1 %;

- топливо марки «Б»: доля метана гСН4 = 87,2 %; доля этана гС Нб = 4 %; доля пропана гС Н8 = 1,5 %; доля бутана гС Нм = 1 %; доля пентана гС Нц = 0,3 %; доля диоксида углерода гС0>2 = 1 % ; доля азота г^ = 5 %.

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

r

тС02 =Е ткСо2 гк +"4^ (3)

где ткС02 - количество углекислого газа в продуктах сгорания, образовавшегося от сгорания доли к-го компонента в газомоторном топливе; гС02 - доля углекислого газа в исходном газомоторном топливе.

Общее количество Н2О в «чистых» продуктах сгорания, кмоль, определяем по выражению

= Е mkH2o rk , (4)

тН20 =Е т

где ткН0 - количество паров воды в продуктах сгорания, образовавшееся от сгорания доли к-го компонента в газомоторном топливе.

Общее количество азота N в «чистых» продуктах сгорания, кмоль, вычисляем посредством формулы

mN = — ^ 28

где г^ - доля азота в исходном газомоторном топливе [3].

Формулы для определения теплоемкости

1. Топливо марки «А» по ГОСТ 27577-87.

Полное сгорание метана (СН4), содержащегося в компримированном газовом топливе, -это окисление углерода (С) и водорода (Н), в результате чего получается углекислый газ (С02) и водяные пары (Н20). Эта реакция описывается уравнением

СН4+ 202= С02+ 2Н20. (5)

Весовое количество веществ, вступивших в реакцию и получившихся в ее результате на основе их атомных весов, рассчитывается следующим уравнением:

16 кг (СН4) + 64 кг (02) = 44 кг (С02) + 36 кг (Н20), (6)

с переводом на кмоль:

16 кг (СН4) + 2 кмоль (02) = 1 кмоль (С02) + 2 кмоль (Н20), (7)

или

2 1 2 1 кг (СН4) + — кмоль (02) = — кмоль (С02) + — кмоль (Н20). (8)

16 16 16

В результате сгорания 1 кмоль метана получается:

тмет.С02 = 16 кмоль (С02) и тмет.Н20 = £ кмоль (Н20). (9)

Сгорание следующего компонента компримированного газа - этана - можно описать следующими уравнениями:

2 (С2Н6) + 7 (02) = 4 (С02) + 6 (Н20), (10)

60кг (С2Н6) + 224кг (02) = 176кг(С02) + 108кг (Н20), (11)

60 кг (С2Н6) + 7 кмоль (02) = 4 кмоль (С02) + 6 кмоль (Н20), (12)

отнесенные к 1 кг газа:

7 4 6

1 кг (С2Н6) + — кмоль (02) = — кмоль (С02) + — кмоль (Н20). (13)

60 60 60

В результате сгорания 2 кмоль этана получается:

4 6

тэт.С02= "60 кмоль (СО2) и тэт.Н20 = "60 кмоль (Н2О). (14)

Химические реакции сгорания пропана можно выразить следующими уравнениями:

(СзН8) + 5 (02) = 3 (С02) + 4 (Щ0), (15)

44 кг (С3Н8) + 160 кг (02) = 132 кг (С02) + 72 кг (Н20), (16)

44 кг (С2Н6) + 5 кмоль (02) = 3 кмоль (С02) + 4 кмоль (Н20), (17)

5 3 4

1 кг (С3Н8) + — кмоль (O2) = — кмоль (CO2) + — кмоль (H2O). (18)

mnpon.CO2= TT км0ль (СО2) и тпроп.Н20 = TT км0ль (H2O). (19)

тбут.С02 км0ль (C02) и тбут.Н20 = ~ км0ль (Н20). (24)

В результате сгорания 1 кмоль пропана получается:

3 4

— кмоль (СО2) и тпропН 0 = —

44 4 2' проп .Н20 44

Химические реакции сгорания бутана описываются следующими уравнениями:

2(С4Ню) + 13(02) = 8 (С02) + 10(Н20), (20)

116 кг (С4Н10) + 416 кг (02) = 352 кг (С02) + 180 кг (Н20), (21)

116 кг (С4Н10) + 13 кмоль (02) = 8 кмоль (С02) + 10 кмоль (Н20), (22)

13 8 10

1 кг (С4Н10) +- кмоль (02) = - кмоль (С02) + - кмоль (Н20). (23)

116 116 116

В результате сгорания 2 кмоль бутана образуется:

8 (гп ^ 10

116 кмоль (С02) и т^нг0 =

Химические реакции сгорания пентана описываются следующими уравнениями:

(С5Н12) + 8 (02) = 5 (С02) + 6 (Н20), (25)

72 кг (С5Н12) + 256 кг (02) = 220кг(С02) + 108кг(Н20), (26)

72 кг (С5Н12) + 8 кмоль (02) = 5 кмоль (С02) + 6 кмоль (Н20), (27)

1 кг (С5Н12) + -782кмоль (02) = -72 кмоль (С02) + кмоль (Н20). (28)

В результате химических реакций сгорания 1 кмоль пентана получается:

тпент.С02 = 12 кмоль (СО2) и тпент.Н20 = ^ кмоль (Н2О). (29)

Количество азота т = — кмоль.

^ 28

Общее количество кмоль углекислого газа (СО2) в продуктах сгорания топлива марки «А» рассчитывается по формуле (3):

Е + ГС02 = + + + + +

ткС02 Гк + 44 тмет.С02 ГСН4 + тэт.С02 ГС2Н6 + тпроп.С02 ГС3Н8 + тбут.С02 ГС4Н10 + тпент.С02 ГС5Н12 +

+ ^ = —0,912 + —0,04 + —0,015 + —0,01 + —0,003 + 001 = 0,0619. 44 16 60 44 116 72 44

Общее количество кмоль водяных паров в продуктах сгорания топлива марки «А» рассчитывается по формуле (4):

тН20 = Е ткН20 Гк = тмет.Н20 ГСН4 + тэт.Н20ГС2Н6 + тпроп.Н20 ГС3Н8 + тбут.Н20ГС4Н10 + тпент.Н20ГС5Н12 =

= 10,912 + —0,04 + —0,015 + — 0,01 + —0,003 = 0,12. 8 60 44 116 72

Посредством регрессионного анализа таблиц свойств водяного пара и газов [4, 5] были получены линейные и квадратичные уравнения регрессии теплоемкостей газов (С02, N2) и водяного пара (Н20) в зависимости от температуры:

1) для углекислого газа: - простая линейная:

= ауСО + Ьсо Т = 28,774 + 0,00852Т

при коэффициенте корреляции В2 = 0,93 и среднеквадратичном отклонении о2 = 1,464;

- квадратичная (более точная):

с„СО2 = 23,422 + 0,019Т - 4,2 • 10-6Т2

при коэффициенте корреляции В2 = 0,996 и среднеквадратичном отклонении о2 = 0,345;

2) для водяных паров:

- простая линейная:

сНО = а Н О + ЬН ОТ = 23,22 + 0,00555Т

уН2О уН2О Н2О ' '

при коэффициенте корреляции В2 = 0,998 и среднеквадратичном отклонении о2 = 0,162;

- квадратичная (более точная):

с„Н2О = 23,32 + 0,00537Т + 7,662 • 10-8Т2

при коэффициенте корреляции В2 = 0,998 и среднеквадратичном отклонении о2 = 0,1602;

3) для азота:

- простая линейная:

= + Т = 19,9 + 0,00258Т

у^ у^ N2 ' '

при коэффициенте корреляции В2 = 0,991 и среднеквадратичном отклонении о2 = 0,14;

- квадратичная (более точная):

су„2 = 19,75 + 0,00262Т + 9,94 • 10-8Т2

при коэффициенте корреляции В2 = 0,991 и среднеквадратичном отклонении о2 = 0,135.

Коэффициенты в формуле теплоемкости продуктов сгорания рассчитываем согласно (1):

а,.„ =

X ауктк = ауС02 тС02 + ауН20тН20 + ауЩ mN2 Е т тС02+ тН20+ mN2

28,774 • 0,0619 + 23,22 • 0,12 +19,9 • 0,01 „ , „„

—-----------— = 24,84;

0,0619 + 0,12 + 0,01

, _ Е ьуктк _ ЬС02 тС02 + ЬН20тН20 + bN2 Щя2 _

Е>

тС02 + тН20 + mN2

= 0,00852 • 0,0619 + 0,00555 • 0,12 + 0,00236 • 0,01 = 0 0063 = 0,0619 + 0,12 + 0,01 = , .

Зависимость средней теплоемкости продуктов сгорания компримированного газового топлива марки «А» от температуры имеет вид:

с = а + ЬТ = 24,84 + 0,0063Т.

уг уг уг

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]:

с = 20,47 + 0,0036Т.

уж ' '

с

Доля жидкого топлива составляет обычно около 0,1. В этом случае теплоемкость продуктов сгорания определяется по следующим выражениям:

аугж = 24,84 ■ 0,9 + 20,47 ■ 0,1 = 24,4; Ь = 0,0063 ■ 0,9 + 0,0036 ■ 0,1 = 0,00603;

угж ' ' ' ' ' '

с = 24,4 + 0,00603Т.

угж ' '

Аналогичным образом были подсчитаны значения коэффициентов ауг, Ьг и сг для более точной квадратичной модели:

с = а + ЬТ + сТ2.

Рассчитаем теплоемкость продуктов сгорания по квадратичной модели газожидкостного топлива:

23,422 ■ 0,0619 + 23,32 ■ 0,12 +19,75 ■ 0,01 „„

а =-= 23,167;

0,0619 + 0,12 + 0,01

= 0,0194■ 0,0619 + 0,12■ 0,00537 + 0,01-0,00262 = 0 0097. г = 0,0619 + 0,12 + 0,01 = , ;

-4,255 ■Ю-6 ■ 0,0619 + 7,662 ■Ю-8 ■ 0,12 + 9,94 ■Ю-8 ■ 0,01 Лп7

с =-= -2,53-10 ;

г 0,0619 + 0,12 + 0,01

с = 23,17 + 0,0097Т - 2,53 ■10-7Т2.

уг ' ' '

Теплоемкость продуктов совместного сгорания компримированного газа и запального дизельного топлива может определяться по формуле

сугж = 22,9 + 0,0087Г - 2,53- 10-7Т\

2. Топливо марки «Б» по ГОСТ 27577-87.

Данный расчет основывается на результатах вычислений (5)-(29). Число кмоль углекислого газа рассчитано по формуле (3):

ЕГС02 =

ткС02 Гк + 44 = тмет.С02 ГСН4 + тэт.С02 ГС2Н6 + тпроп.С02 ГС3Н8 + тбут.С02 ГС4Н10 + тпент.С02 ГС5Н12 + 44

=—0,872 +—0,04 +—0,015 +—0,01 +—0,003 +0,01 = 0,0594. 16 60 44 116 72 44

Число кмоль водяных паров рассчитано по формуле (4):

тН20 =Е ткН20Гк = тмет.Н20ГСН4 + тэт.Н20ГС2Н6 + тпроп.Н20ГС3Н8 + тбут.Н20 ГС4Н10 + тпент.Н20ГС5Н12 =

= 10,872 + — 0,04+ — 0,015 + —0,01 +—0,003 = 0,115. 8 60 44 116 72

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):

C0,

Я „ =

Z avkmk = avC02 mC02 + avH20mH20 + avN2 mN2 Z mk mC02 + mH20 + mN2

28,774• 0,0594 + 23,22• 0,115 + 19,9• 0,05 = 23 94;

0,0594 + 0,115 + 0,05 = , '

, Z Km bC02 mC02 + bH20 mH20 + bN2 mN2

Z mk mC02 + mH20 + mN2

0,00852• 0,0594 + 0,00555• 0,115 + 0,00238• 0,05 n ^^^

-= 0,00563i .

0,0594 + 0,115 + 0,05

В результате получаем формулу для определения теплоемкости продуктов сгорания чисто газового топлива марки «Б»:

с = 23,94 + 0,00563Т.

уг ' '

При использовании запального дизельного топлива, доля которого составляет в среднем около 0,1, теплоемкость продуктов сгорания определится по нижеприведенным формулам:

а = 23,94 • 0,9 + 20,47 • 0,1 = 23,59;

угж ' ' ' ' ' '

Ь = 0,00563 • 0,9 + 0,0036 • 0,1 = 0,00543;

угж

с = 23,59 + 0,00543Т.

угж ' '

Аналогично были определены коэффициенты аугж, Ьугж и сг для более точной квадратичной зависимости

Суг а-уг + ЬгТ + СгТ2.

Определим теплоемкость продуктов сгорания по квадратичной модели компримирован-ного топлива:

23,422• 0,0594 + 23,32• 0,115 + 19,75• 0,05 „„ „

а =-= 22,55;

0,0594 + 0,115 + 0,05

= 0,0194• 0,0594 + 0,115• 0,00537 + 0,05• 0,00262 = 0 00846. г = 0,0594 + 0,115 + 0,05 = ' ;

-4,255•Ю-6 • 0,0594 + 7,662•Ю-8 • 0,115 + 9,94•Ю-8 • 0,05 1п6

сг =-= -1,106 • 10 ;

г 0,0594 + 0,115 + 0,05

Суг = 22,55 + 0,00846Т - 1,106 • 10-6Т2.

Формула для расчета теплоемкости продуктов сгорания дизеля, использующего компримиро-ванный газ марки «Б» по ГОСТ 27577-87 и запальное дизельное топливо имеет следующий вид:

сугж = 22,34 + 0,00797Т - 1,106 • 10-6Т2.

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 чистого газа При совместном сгорании компримированного газа и запального дизельного топлива При сгорании только чистого газа При совместном сгорании компримированного газа и запального дизельного топлива

Суг = 24,84 + 0,0063 Т Сугж = 24,4 + 0,00603Т Суг = 23,94 + 0,00563Т Сугж = 23,59 + 0,00543Т

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 чистого газа При совместном сгорании компримированного газа и запального дизельного топлива При сгорании только чистого газа При совместном сгорании компримированного газа и запального дизельного топлива

Суг = 23,166 + 0,0097Т -- 2,53 •10-6Т2 Сугж = 22,9 + 0,0087Т -- 2,53 •10-6Т2 Суг = 22,55 + 0,00846Т --1,106 •10-6Т2 Сугж = 22,347 + 0,00797Т -- 1,106 •10-6Т2

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.

Сравнительные 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.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

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.

Статья поступила в редакцию 09.03.2021

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Анатолий Николаевич Соболенко - д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры судовых двигателей внутреннего сгорания; Морской государственный университет им. адмирала Г. И. Невельского; Россия, 690003, Владивосток; sobolenko_a@mail.ru.

Мария Васильевна Флорианская - канд. техн. наук, доцент; профессор кафедры судовых двигателей внутреннего сгорания; Морской государственный университет им. адмирала Г. И. Невельского; Россия, 690003, Владивосток; flormary@yandex.ru.

ANALYSIS OF SPECIFIC HEAT OF COMPRESSED GAS FUEL A AND B COMBUSTION PRODUCTS

IN DIESELS

A. N. Sobolenko, M. V. Florianskaya

Maritime State University named after Admiral G. I. Nevelskoy, Vladivostok, Russian Federation

Abstract. 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.

Key words: gas fuel, compressed gas, heat capacity, combustion products, linear dependence, quadratic dependence.

For citation: Sobolenko A. N., Florianskaya M. V. Analysis of specific heat of compressed gas fuel A and B combustion products in diesels. Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Marine Engineering and Technologies. 2021;2:65-74. (In Russ.) DOI: 10.24143/2073-15742021-2-65-74.

REFERENCES

1. Pakhomov Iu. A., Korobkov Iu. P., Dmitrievskii E. V., Vasil'ev G. L. Toplivo i toplivnye sistemy su-dovykh 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 rabo-taiushchego 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 gosudarstven-nogo 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.

The article submitted to the editors 09.03.2021

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Anatoly N. Sobolenko — Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Ship Internal Combustion Engines; Maritime State University named after Admiral G. I. Nevelskoy; Russia, 690003, Vladivostok; sobolenko_a@mail.ru.

Maria V. Florianskaya — Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Professor of the Department of Ship Internal Combustion Engines; Maritime State University named after Admiral G. I. Nevelskoy; Russia, 690003, Vladivostok; flormary@yandex.ru.