автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Выбор определяющих параметров комбинированного дизеля с системой вторичного использования теплоты

ВВЕДЕНИЕ

I. МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИИ И АНАЛИЗА БИНАРНОГО ЦИКЛА

КОМБИНИРОВАННОЙ АВТОТРАКТОРНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ.

1.1. Особенности работы комбинированного двигателя внутреннего сгорания с системой вторичного использования теплоты и задачи исследования.

1.2. Математическая модель комбинированного дизеля с бинарным циклом

1.3. Методика проведения экспериментального исследования на опытном модуле двигателя

1.3.1. Экспериментальная установка и программа исследования на опытном модуле

1.3.2. Выбор основных параметров цикла Ренкина при моделировании систем утилизации.

1.3.3. Методика построения номограмм

1.4. Методика оптимизации рабочего процесса комби" нированного дизеля с бинарным циклом.

1.5. Методика анализа рабочего процесса комбинированного дизеля с системой вторичного использования теплоты по приросту энтропии системы

1.5.1. Методы анализа рабочего процесса, применяемые в ДВС и их энергетические схемы.

1.5.2. Определение эксергетических потерь методом балансов анергии

1.5.3. Анализ рабочего процесса комбинированного ДВС с бинарным циклом по приросту энтропии системы.

2. ОПТИМИЗАЦИЯ И АНАЛИЗ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА КОМБИНИРОВАННОГО ДИЗЕЛЯ С БИНАРНЫМ ЦИКЛОМ И ВОДОЙ В КАЧЕСТВЕ РАБОЧЕГО ТЕЛА В СИСТЕМЕ ВТОРИЧНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ.

2.1. Зависимость эффективных показателей комбинированного дизеля с бинарным циклом от определяющих термодинамических параметров системы утилизации.

2.2. Зависимость показателей комбинированного дизеля с бинарным циклом от номинальной мощности силовой установки

2.3. Особенности работы системы газотурбинного наддува силовой установки с бинарным циклом

3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА КОМБИНИРОВАННОГО

ДИЗЕЛЯ С РАЗЛИЧНЫМИ РАБОЧИМИ ТЕЛАМИ В СИСТЕМЕ ВТОРИЧНОГО

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ

3.1. Оптимизация и сравнительный анализ рабочего процесса комбинированного дизеля с бинарным циклом и рабочими телами: вода, фреон-П, фреон-21, фреон

3.2. Оценка эффективности комбинированного дизеля в зависимости от его энергетической схемы

3.2.1. Влияние регенератора двигателя Ренкина на эффективные показатели комбинированной автотракторной силовой установки с бинарным циклом

3.2.2. Эффективность автотракторной силовой установки с бинарным циклом на турбокомпрессорных режимах номинальной мощности.

3.2.3. Сравнение эффективности исследуемых схем комбинированного дизеля с системой утилизации и рекомендации к выбору схемы КДВСс бинарным циклом на первом этапе создания адиабатного дизеля

3.3. Эффективность системы вторичного использования теплоты на частичных режимах работы ДВС

3.3.1. Методика упрощенного расчета системы вторичного использования теплоты на переменных режимах ДВС

3.3.2. Работа силовой установки с бинарным циклом на режимах нагрузочных характеристик ДВС.

3.3.3. Оценочный и среднеэксплуатационный расход топлива комбинированной силовой установки с бинарным циклом

3.4. Пример утилизации теплоты отработавших газов и охлаждающей жидкости

3.5. Оценка погрешностей

3.5.1. Погрешности измерений на опытном модуле:, дизеля 44HI2/I

3.5.2. Оценка адекватности эмпирических зависимостей примененных в оптимизационном исследовании.

3.6. Оценка эффективности использования силовой установки с бинарным циклом

Экономическая стратегия и тактика Коммунистической партии Советского Союза, определенная на ХХУ1 съезде КПСС / I /, применительно к двигателестроению предусматривает решение задач по значительному повышению уровня технико-экономических показателей ДВС. При этом первостепенное внимание уделено улучшению топливной и масляной экономичности двигателей внутреннего сгорания.

Однако в двигателестроении эта проблема не может быть решена лишь такими традиционными способами совершенствования рабочего процесса ДВС или уменьшения механических потерь. Это связано с тем, что термодинамические показатели современных дизелей находятся на достаточном высоком уровне, их индикаторный к.п.д. достигает (46-49) %. Кроме того значительного совершенства достиг подбор материалов и механическая обработка трущихся деталей, а также подбор наиболее подходящих смазочных масел, поэтому в ближайшее время трудно ожидать радикального повышения топливной экономичности за счет снижения механических потерь. Таким образом, резервы повышения к.п.д. дизелей традиционными методами в значительной степени уже использованы.

Вместе с тем, известны другие еще слабо применяемые способы существенного повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания, среди которых определенное место занимает вторичное использование энергоресурсов поршневых двигателей. Актуальность исследований по разработке систем утилизации ДВС возрастает и в связи с новым направлением в дизелестроении - созданием комбинированного адиабатного ДВС (КАД). По мнению ряда советских и зарубежных ученых КАД обязательно должен быть оборудован системой вторичного использования теплоты.

Проведенный автором анализ данных технической литературы и патентов позволяет отметить, что отечественный и зарубежный опыт работы судовых и стационарных комбинированных ДВС с системами утилизации, а также зарубежный опыт с аналогичными силовыми установками автотракторного типа показали значительные резервы повышения к.п.д. двигателей внутреннего сгорания при вторичном использовании энергоресурсов поршневых двигателей. Так в настоящее время для стационарных и судовых ДВС достигнут уровень эффективного использования (70-85 ) % теплоты, внесенной в двигатель с топливом, автотракторная силовая установка с бинарным циклом, разработанная корпорацией Термо-Электрон (США), позволяет снизить потребление топлива на номинальном режиме на 15 %.

Отметим, что бинарным циклом в настоящей работе названа организация циклов Дизеля и Ренкина в одной силовой установке. Но внедрение систем вторичного использования теплоты двигателей внутреннего сгорания может иметь практическую ценность лишь при рациональном сочетании параметров бинарного цикла комбинированного ДВС. Поэтому целью данной работы является разработка практических рекомендаций по выбору определяющих параметров бинарного цикла силовой установки автотракторного типа. Она выполнена в рамках научно-исследовательских работ кафедры ДВС ХПИ им.В.И. Ленина по хоздоговорной тематике с НИКТИД (тема № 27878), предусмотренных постановлением Государственного Комитета СССР по науке и технике № 375 от 8сентября 1980 года.

На первом этапе основное внимание было уделено разработке методики оптимизации и анализа рабочего процесса комбинированного дизеля с системой вторичного использования теплоты, методов экспериментального исследования на опытном модуле поршневого двигателя 44HI2/I4.

На втором этапе проведено экспериментальное исследование бинарного цикла КДВС.

На третьем - анализ экспериментального материала и выработка практических рекомендаций по выбору определяющих параметров бинарного цикла комбинированной силовой установки автотракторного типа с поршневым двигателем СМД 4-4HI2/I4-.

Результаты проведенного исследования отражены в отчетах кафедры ДВС ХПИ им.В.И.Ленина "Создание комбинированного адиабатного двигателя внутреннего сгорания" № 859, № 860, № 896 и № 950.

Результаты выполненного исследования показали, что при внедрении комбинированной автотракторной силовой установки с бинарным циклом удельный эффективный расход топлива на номинальном режиме может быть уменьшен на величину до 15 % по сравнению с аналогичным дизелем СМД. Оценочный же расход топлива, определенный в соответствии с ГОСТ 18509-80, снижается на 1,6 гДкВт.ч) при максимальном значении к.п.д. паровой турбины двигателя Ренкина Clnrmax) равном 45 % и на 6,7 гДкВт.ч) при ? =70 %.

При работе КДВС (44HI2/I4, СМД-23) на частичных режимах f* система вторичного использования теплоты функционирует в диапазоне среднего эффективного давления дизеля от 0,73 до 1,2 МПа для Ъ = 45 % и от 0,6 до 1,2 МПа в случае если i-пттах

Хтт*х= 70

Использование системы утилизации позволяет несколько разгрузить поршневой двигатель, что повышает надежность его работы.

- 13

I. МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИИ И АНАЛИЗА БИНАРНОГО ЦИКЛА КОМБИНИРОВАННОЙ АВТОТРАКТОРНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ

I.I. Особенности работы комбинированного двигателя внутреннего сгорания с системой вторичного использования теплоты и задачи исследования

В отечественном и мировом двигателестроении все более широкое распространение находят комбинированные двигатели с системами утилизации теплоты, отводимой от ДВС в окружающую среду, что обусловлено все возрастающими трудностями по обеспечению жидким моторным топливом. Чаще всего двигатели с бинарным циклом применяются в стационарных и судовых силовых установках с ДВС / 2 /, / 3 /, / 4 /. В них системы вторичного использования теплоты работают для нужд теплоснабжения, получения электрической энергии, дополнительной мощности, подогрева топлива, опреснения морской воды и т.д.

Известно множество примеров работы систем ВИТ. Так, в нашей стране системы глубокой утилизации выпускных газов установлены на судах типа "Капитан Кушнаренко", "Великий Октябрь" и др. / 2, с.87 /.

Кафедра ДВС Ленинградского политехнического института имени М.И.Калинина разработала схему утилизации теплоты охлаждающей жидкости и отработавших газов для газомотокомпрессора 10 ГК-1 / 3, с.25б /.

ЦНИДИ для дизелей мощностью от 70 кВт до 550 кВт создал серию котлов-утилизаторов /6,с.218/. Работы по вторичному использованию теплоты ОГ и ОХ для дизелей типа Д-70 и Д-IOO велись совместно кафедрой ДВС Харьковского политехнического инсти

- 14 тута имени Б.И.Ленина и заводом имени Б.А.Малышева.

Оценивая зарубежный опыт в данной области, необходимо указать на работы корпорации Термо-Электрон (Тher-mo ECectron) (США). Она построила совместно с фирмой Зульцер ( Швейцария ) высокоэкономичную дизель-генераторную установку мощностью 48800 кВт с суммарным коэффициентом использования теплоты топлива равным 87,2 % / 7 /. Известны и работы этой корпорации по созданию комбинированного двигателя с системой утилизации теплоты ОГ для грузовиков дальнего действия и тракторов. Созданный ими двигатель с системой утилизации экономичнее примерно на 15 % по сравнению с прототипом / 8/, / 9/, / 10 /. Он имеет суммарную мощность Ne = 244 кВт при /1= 2100 мин"1 (у базового дизеля hJe = 210 кВт, П = 1800 мин""1) / II/, причем в / 12 / отмечено, что вес системы ВИТ составляет 360 кг. Предполагалось начать выпуск разработанных комбинированных двигателей с 1983 года /12/. По оценкам специалистов корпорации затраты, связанные с установкой системы утилизации (двигателя Ренкина), окупятся за 1-2 года / 13 /.

В целом за рубежом вопросы вторичного использования теплоты ДВС активно разрабатываются французским НИИ тепловых двигателей / 13 /, а также научными центрами таких известных фирм и корпораций как Дженерал Электрик (J. Electric) ( США ) / II/, Фиат ( Fiat) (Италия ) / 15 /, МАН ( МДА/) (ФРГ) / 16 /, Мицу-биси ( Mitshu^Lski ) (Япония) / 17 / и другими.

Такое распространение в отечественном и мировом двигателе-строении исследований по вопросам вторичного использования теплоты двигателей внутреннего сгорания свидетельствует о перспективности данного направления.

Применяемые в Советском Союзе и за рубежом схемы систем утилизации самые различные, в стационарных силовых установках с

ДВС чаще всего используются схемы с высокотемпературным охлаждением (ВТО) и утилизацией теплоты ОГ. Наиболее полно эти схемы описаны в / 3 /. Для примера на рис.1.1 приведена схема стационарного ДВС с системой ВИТ, разработанная кафедрой ДВС Ленинградского политехнического института имени М.И.Калинина. Основной особенностью этой схемы является применение турбоагрегата низкого давления, а также испарительного охлаждения ДВС.

Подобные схемы систем ВИТ нашли применение и в судовых СУ с ДВС. Они подробно описаны в / 2 /, / 4 /. Одна из наиболее рациональных схем судового комбинированного двигателя с системой утилизации приведена на рис.1.2. Для этой схемы представляется возможным достичь без ВТО величины дополнительной мощности системы утилизации дА/ = 0,01 - 0,03 кВт на I кВт мощности дизеля, а с применением ВТО (tgb/x = 120°С) ДА/ составит 0,05 - 0,06 кВт/кВт / 2, с.93/.

Корпорация Термо Электрон при разработке комбинированного автотракторного двигателя с системой утилизации теплоты ОГ использовала классическую схему двигателя Ренкина с регенеративным подогревом рабочего тела. Эта схема представлена на рис.1.3 / 18 /. Главным преимуществом данной схемы перед вышеприведенными является возможность получения более высоких энергетических параметров пара перед расширительной машиной системы утилизации, что, как известно, повышает эффективность работы системы ВИТ. К примеру, во время испытаний автомобиля с комбинированным дизелем ДN составил порядка 0,15 кВт/кВт / 18 /.

Следует отметить, что в практике двигателестроения нашли применение схемы утилизации с силовыми газовыми турбинами, независимыми контурами для утилизации теплоты ОГ и ОК, с комплексной утилизацией всей теплоты, отводимой от ДВС в окружающую среду. Такое многообразие применяемых схем систем вторичного использо

Система комплексной утилизации при испарительном охлаждении ДВС и использовании пара в паротурбоагрегате низкого давления эжектор 3; 5 - насос холодной воды; б - циркуляционный насос добавочного контура; 7 - двигатель;

• 8 - конденсатор вакуумный; 9 - переключатель направления движения газа; 10 - паровая турбина; II - пароперегреватель; 12 - автомат питания системы охлаждения; 13 - пароотделитель с сепаратором; 14 - дроссельное устройство; 15 - подогреватель воды; 16 - подогреватель питательной воды

Рио.1.1

Принципиальная охема совместного использования энергореоурса выпускных газов и охлаждающей воды .--1 ± Л-Y/6

I I 1 si/ + . . . ^

•— охлаждающая вода

I- пароперегреватель ; 2- пароиспаритель; 3- экономайзер; 4- пароперегреватель контура низкого давления пара; 5- паровая турбина; 6- потребители теплоты; 7- конденсатор; 8- эжектор; 9- кон-денсатный насос; 9- конденсатор эжектора; Ю- вспомогательный конденсатор; II- емкость теплой воды; 12- питательный насос; 13- сепаратор контура среднего давления пара; 14- дроссель; 15- сепаратор ; 16- циркуляционный насоо; 17- насоо; 18- холодильник; 19- термостат; 20- ДВС

Рис.1.2

Схема комбинированного дизеля карпорации Термо Электрон

I- дизель; 2- комбинированный радиатор; 3- конденсатор; Ц- регенератор; 5- парогенератор; б- расширительная машина; 7- редуктор; 8- подкачивающий насос

Рис.1.3

- 19 вания теплоты предопределило первую задачу исследования, а именно - выбор наиболее рациональной схемы системы ВИТ для автотракторного дизеля 44HI2/I4, а также анализ эффективности выбранных схем.

Основываясь на том, что силовая установка с бинарным циклом разрабатывается для нужд сельского хозяйства,для исследования были отобраны наиболее простые схемы комбинированных ДВС с системами утилизации вторичных энергоресурсов. А именно: а) дизель СЩ - турбокомпрессор - двигатель Ренкина без регенератора; б) дизель СВД - турбокомпрессор-двигатель Ренкина с регенератором ; в) дизель СВД-силовая газовая турбины - двигатель Ренкина без регенератора; г) дизель СЩ - силовая газовая турбина - двигатель Ренкина с регенератором.

Энергетическая схема комбинированного дизеля по п.а) и п.в) представлена на рис.1.4.а, а по п.б) и п.г) на рис.1.4.б. В диссертационной работе эффективность этих схем оценивается по значению удельного эффективного расхода топлива на номинальном режиме.

В Советском Союзе и за рубежом в системах вторичного использования теплоты применяют различные рабочие тела. Причем,как и для схем систем утилизации, авторы чаще всего указывают на необходимость индивидуального подбора рабочих тел для системы ВИТ конкретного комбинированного ДВС. Поэтому, второй задачей исследования является оценка влияния свойств рабочего тела системы утилизации комбинированного автотракторного дизеля типа СЩ на показатели работы поршневого двигателя и силовой установки в целом.

На основании анализа термодинамических качеств рабочих тел,

Энергетические схемы комбинированной оиловой установки о бинарным циклом

С1о Qx Яр Qw

Qn Qk ft

UlTUL

Узе

ПН L nn

Qx* Vp Qytf

Рис. 1.4 применяемых в системах вторичного использования теплоты, для исследования в качестве рабочих тел двигателя Ренкина были взяты: вода, фреоя-П, фреон-21, фреон-318.

Отметим также, что на основании анализа выполненных комбинированных ДВС с системами утилизации не представляется возможным выбрать основные термодинамические параметры двигателя Ренкина для разрабатываемого в рамках комплексной программы нового двигателя ОВД. Поэтому, третьей задачей исследования является оценка влияния определяющих термодинамических параметров рабочего тела системы ВИТ на показатели работы поршневого двигателя и силовой установки.

Руководствуясь Постановлением Государственного Комитета СССР по науке и технике № 375 от 8 сентября 1980 года выбранные схемы комбинированных ДВС и рабочие тела систем утилизации исследованы в диапазоне номинальных мощностей от /S/в = 70 кВт до 1\1е = 130 кВт.

В связи с тем, что автотракторный ДВС большую часть времени работает на частичных режимах, научный и практический интерес представляет вопрос о работоспособности системы ВИТ на долевых режимах поршневого двигателя. Это следующая задача исследования.

По мнению автора,для анализа качества превращения теплоты в работу недостаточно использовать энергетические балансы . В данной работе в дополнение к ним предусмотрено применение энер-го-эксергетических и энергетических балансов. Это позволяет определить термодинамические потери по ходу движения рабочих тел комбинированного двигателя и целенаправлено вести поиск путей повышения к.п.д. силовой установки.

Исходя из вышеуказанного отметим, что в настоящей работе предусмотрено:

I. Создание математической модели комбинированного ДВС с бинарным циклом и реализация ее на цифровой ЭВМ.

2. Разработка методики экспериментального исследования рабочего процесса комбинированного дизеля с системой вторичного использования теплоты на опытном модуле многоцилиндрового двигателя.

3. Разработка методики (схемы) оптимизации определяющих параметров комбинированного ДВС с системой утилизации вторичных энергоресурсов поршневого двигателя.

4. Разработка методики анализа рабочего процесса комбинированного ДВС с бинарным циклом с учетом необратимости реальных процессов.

5. Исследование влияния свойств рабочих тел системы утилизации, а также энергетических схем и определяющих параметров бинарного цикла на показатели работы дизеля и силовой установки в целом (номинальный режим ).

6. Исследование работы комбинированного ДВС с бинарным циклом на режимах частичных нагрузок ДВС.

7. Обобщение результатов проведенного исследования и выработка практических рекомендаций по выбору определяющих параметров комбинированного дизеля с системой вторичного использования теплоты.

Решение поставленных задач позволит выбрать на стадии проектирования оптимальные параметры 1ЭДВС и создаваемой для него системы вторичного использования теплоты, т.е. решить задачу термодинамической оптимизации создаваемой силовой установки.

- 23

у воды.

На рис.3.10 представлены результаты оптимизационного исследования силовой установки с бинарным циклом f\lgy = 90 кВт. Для такой СУ обращает на себя внимание тот факт, что комбинированный ДВС с двигателем Ренкина при использовании воды в качестве рабочего тела, оказывается эффективнее чем для фреона-П и фреона-318 во всем диапазоне рассмотренных fiijfiz. Разница между лучшими значениями удельного эффективного расхода топлива комбинированного ДВС с системой ВИТ при использовании в качестве рабочего тела воды и фреона-21 составляет 1,3 гДкВт.ч), тогда как для СУ такой же мощности, но с регенератором (рис.3.5), эта величина равна 2,4 г/(кВт.ч).

Следует отметить, что для КДВС выполненного по схеме рис. 1.4.а и с водой в качестве рабочего тела системы ВИТ, значение ^ецтт Увеличилось на 0,6, с фреоном-318 - 4,8, фреоном-II на 2,0, фреоном-21 - на 1,8 г/(кВт.ч). Это позволяет сделать вывод (как и для Л/ец = 70 кВт), что переход на двигатель Ренкина без регенератора комбинированной СУ с Л/^ = 90 кВт приводит к значительному ухудшению эффективности системы утилизации с рассмотренными фреонами в качестве рабочего тела и практически не снижает ее при использовании в системе ВИТ воды.

Для силовой установки с бинарным циклом мощностью А^у = = ПО кВт (рис.3.б, 3.II), отмеченные в данном подразделе тенденции сохраняются.

При рассмотрении зависимости (^еу) д5 см.рис.3.12) видно, что эффективность силовой установки с бинарным циклом и водой в качестве рабочего тела системы утилизации выше ,чем для такой же СУ с фреоном-318 во всем исследуемом диапазоне по мощности, с фреоном-II выше для /\4у У1 81 кВт, с фреоном-21 - для л/gg > 87,5 кВт.

Двигатель Ренкина без регенератора; Л/еу =90 кВт; I- фреон-II; 2- фреон-21; 3- фреон-318; 4 - вода йгс.ЗЛО

Двигатель Ренкина без регенератора; /Vey =110 кВт; I- фреон-П; 2- фреон-21; 3- фреон-318; 4 - вода

Ric.3.11

Минимальный удельный эффективный расход топлива в зависимости от мощности силовой установки с бинарным циклом

35 famLn, г/(*Вт-ч)

225

215

205

3 г4

-

80

100 tie у, к Вт 120

Двигатель Ренкина без регенератора; = 5;

I- фреон-П; 2- фреон-21; 3- фреон-318; 4 - вода

- 152

На основании приведенного анализа необходимо сделать следующие выводы:

- В силовой установке с бинарным циклом и фреонами в качестве рабочих тел системы утилизации регенерация теплоты фреона после расширительной машины двигателя Ренкина обязательна, так как в противном случае значительно до 5 гДкВт.ч) ухудшается удельный эффективный расход топлива комбинированного ДВС. К тому же увеличенное количество теплоты, которое эффективно не используется в фреоновой турбине, требует больших размеров конденсатора и большей мощности на привод вентилятора, что также ухудшает показатели комбинированного двигателя.

- Упрощение схемы системы ВИТ за счет перехода на двигатель Ренкина без регенератора мало сказывается на эффективности системы утилизации, использующий в качестве рабочего тела воду. Поэтому,постановка регенератора в таких комбинированных силовых установках с бинарным циклом не обязательна.

- Приведенный анализ позволяет рекомендовать промышленности схему комбинированного автотракторного ДВС с двигателем Ренкина без регенератора и водой в качестве рабочего тела системы вторичного использования теплоты.

В заключение отметим, что как и в подразделе 3.1 величина fyeymLn для приведенного анализа была получена с помощью разработанной автором методики (схемы) оптимизации определяющих параметров бинарного цикла автотракторной силовой установки, которая описана в подразделе 1.4.

- 153

3.2.2. Эффективность автотракторной силовой установки с бинарным циклом на турбокомпрессор-ных режимах номинальной мощности

В подразделе I.I одной из взятых за основу схем комбинированной силовой установки с бинарным циклом является схема состоящая из поршневого двигателя, турбокомпрессора и двигателя Ренкина. Так как выше был сделан выбор в пользу двигателя Ренкина без регенератора и с водой в качестве рабочего тела, то в данном подразделе рассмотрим показатели двигателя с автономным турбокомпрессором и такой схемой системы утилизации.

На основании полученных на опытном модуле двигателя 44HI2/I4 экспериментальных данных были смоделированы турбоком-прессорные режимы КДВС с бинарным циклом, после чего с помощью эмпирических зависимостей проведен трехфакторный расчетный эксперимент. Варьируемыми параметрами в нем были давление наддува fls , значение которого изменялось от 0,175 до 0,225 МПа, мощность СУ ( 70^гЛ/^^130 кВт) и давление водяного пара перед турбиной системы утилизации ( 0,5 ^ 4,0 МПа). Это позволило построить изопараметрические зависимости Тт-f (p-s , Л/e^j . Они представлены на рис.3.13-3.14.

Характер изменения зависимостей ~ f (f1*,,p"f, Л/ец} П03~ воляет отметить четко выраженный оптимум по jis , который смещается с увеличением Л/еу от 0,185 до 0,195 МПа. В зоне опти-малвных jzs и при /Zy = 4,0 МПа достигается значение удельного эффективного расхода топлива для мощности СУ 70,100,130 кВт соответственно 231,9, 207,8 и 202,0 гДкВт.ч). Наличие оптимума по /Т-S объясняется тем, что такой оптимум есть для поршневого двигателя с системой ГТН. Для силовой установки с бинарным циклом оказывается меньшим, при этом оптимальное значение jis изменяется мало.

Линии равных уровней удельного эффективного расхода топлива

Рабочее тело системы утилизации - воды; силовая установка выполнена по схеме: поршневой двигатель + турбокомпрессор + + двигатель Ренкина без регенератора; 71 = 1900 мин"*; а) = 70 кВт; б)-А/еу = 100 кВт; в) « 130 кВт

Рис,ЗЛЗ о

Р-^МПа «0

Л1± 5\ ю \ •105 V 00 V т ssi (

4720 ч л

0,19 0/9 0,г fig, МПа 0,12. к,О

Рч.МПа гр

Q io t (

И5 \8г \815 205 \Л95 \ 785 \ 775 ч

N N

0,18 0,1$ 0,2 /\МПа 0t2Z

Рабочее тело системы утилизации вода; силовая установка выполнена по схеме: поршневой двигатель + турбокомпрессор + двигатель Ренкина без регенератора; 71 = 1900 мин"1; а)-/\£у=70 кВт; б)- Nej = 100 кВт; = 130 кВт

Вио.3.14

- 156

Обращает на себя внимание также то, что увеличение Л/^ с 70 до 100 кВт обуславливает уменьшение (^щ примерно на 24 г/(кВт.ч), а со 100 до 130 кВт - всего на б гДкВт.ч). Кроме того, увеличение от 0,5 до 4,0 МПа обеспечивает снижение удельного эффективного расхода топлива на 8-10 гДкВт.ч).

В настоящей работе уже рассмотрено влияние А/еу и /г^ на показатели работы силовой установки с бинарным циклом. Так как характер влияния этих величин прежний, то в данном случае раскрывать его не будем.

Рассмотрим кривые Тт ~f (ps,/!представленные на рис.3.14. Они позволяют отметить, что мощность А/щ = 70 кВт можно получить в диапазоне 690^ Тт ^ 725 К, 100 кВт

- 770 Тт < 850 К, а А/ец = 130 кВт - 870 СТТ £ 1000 К. В тоже время оптимальное значение p.s для 70 кВт соответствует Тт » 705 К, А/еу= 100 кВт - (805-815) К, а /\/еу = = 130 кВт - (935-955) К.

Такое распределение Тт "fffafp-i^ey) позволяет сделать важный практический вывод о том, что для повышения надежности работы газовой турбины исследуемого комбинированного ДВС с бинарным циклом при его номинальной мощности л/еу > 120-130 кВт необходимо парогенератор системы утилизации или часть его располагать после выпуского коллектора перед ГТ. Таким образом можно снизить величину 7т любого необходимого значения.

Отметим также, что для уровня Тт соответствующего А/ду = = 70 кВт оптимальные давления пара перед ПТ находятся в диапазоне МПа. С ростом мощности и температуры Тт оптимальная величина этого давления увеличивается.

Зависимости, представленные на рис.3.13-3.14, позволяют для исследуемой силовой установки в первом приближении выбрать значения fa и fa с учетом мощности КДВС.

- 157

Так при наличии расширительной машины системы утилизации, способной срабатывать перепад давлений ^^jfa = 2/0,II,необходимо выбрать следующие основные параметры бинарного цикла (табл. 3.1 ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

I. Разработаны методики расчетно-экспериментального исследования, анализа и оптимизации рабочего процесса комбинированного дизеля с системой вторичного использования теплоты.

1.1. Математическая модель комбинированного дизеля с системой вторичного использования теплоты позволяет на цифровой ЭВМ совместно вести расчет и анализ рабочего процесса поршневого двигателя, систем газотурбинного наддува и утилизации теплоты отработавших газов.

1.2. Методика проведения экспериментального исследования комбинированного двигателя внутреннего сгорания с бинарным циклом позволяет на основании исследования по поршневому двигателю моделировать отсутствующие системы газотурбинного наддува и вторичного использования теплоты и получать эффективные показатели и исследуемые параметры как по дизелю, так и по силовой установке в целом.

1.3. Реализованная на цифровой ЭВМ методика анализа рабочего процесса комбинированного двигателя с системой вторичного использования теплоты позволяет по ходу движения рабочих тел в узлах силовой установки оценить качественную и количественную сторону совершенства процессов.

Показано, что теплота » отводимая от ДВС в окружающую среду, обуславливается приростом энтропии системы (окружающая среда + горячий источник + рабочее тело ). На основании этого в целях анализа получено новое уравнение для эффективного к.п.д. комбинированного двигателя с бинарным циклом, учитывающее необратимость реальных процессов (прирост энтропии системы ) в каждом из узлов КДВС.

- 197

Показано, что анерго-эксергетическая схема теплового двигателя является обобщающей для энергетических, энерго-эксерге-тических, эксергетических и энергетических схем.

1Л. Реализованная на цифровой ЭВМ методика оптимизации определяющих параметров комбинированного двигателя внутреннего сгорания с системой вторичного использования теплоты обеспечивает минимизацию удельного эффективного расхода топлива на номинальном режиме.

При этом задача оптимизации решается применительно к различным энергетическим схемам КДВС с бинарным циклом и различным рабочим телом двигателя Ренкина.

2. В диссертационной работе проведено исследование влияния рабочих тел системы утилизации, а также энергетических схем и определяющих параметров бинарного цикла на показатели работы дизеля и СУ в целом, даны практические рекомендации.

2.1. Применение систем ВИТ на дизелях типа СМД позволит снизить удельный эффективный расход топлива на номинальном режиме на 15-30 г/(кВт.ч ), а среднеэксплуатационный удельный эффективный расход топлива на 3-10 г/(кВт.ч). Таким образом, одним из эффективных способов улучшения топливной экономичности силовох установок с ДВС является утилизация вторичных энергоресурсов поршневого двигателя.

2.2.Система утилизации теплоты отработавших газов имеет широкий диапазон ее использования при работе ДВС на частичных режимах. Так при максимальном значении к.п.д. расширительной машины двигателя Ренкина ^ттахг О»^5 °на обеспечивает снижение расхода топлива для дизеля СМД-23 в диапазоне его среднего эффективного давления 0,731|2 МПа, а при \nrrYia^- 0,7

0,6 /1^4 1,2МПа. Отношение мощности, при которой двигатель Ренкина должен быть отключен, к номинальной ( Ыа ) для

- 198.lnTmaf 0,45 изменяется от Ny = 0,607 ( П = 2000 мин""1 ) до

Щ = 0,455 ( /7 = 1500 мин"1), а для 0,7 - от д^ = 0,5 ( П = 2000 мин"1 ) до Л^ = 0,375 ( п = 1500 мин"1 ).

2.3. Применение системы вторичного использования теплоты » позволяет разгрузить поршневой двигатель до 15 что должно способствовать повышению надежности форсированного поршневого двигателя.

2.4. Из известных энергетических схем комбинированных силовых установок с системами утилизации теплоты отработавших газов перспективной для применения на ДВС сельскохозяйственного назначения, следует признать схему, состоящую из дизеля, системы газотурбинного наддува (свободный турбокомпрессор), двигателя Ренкина без регенератора и водой в качестве рабочего тела системы ВИТ. Она позволяет достичь снижения удельного эффективного расхода топлива на 15-25 г/(кВт.ч ). Дальнейшее усложнение этой схемы за счет постановки силовой газовой турбины и регенератора двигателя Ренкина позволяет дополнительно снизить удельный эффективный расход топлива на 3-6 гДкВт.ч ).

2.5. Применение фреонов в качестве рабочих тел системы вторичного использования теплоты целесообразно для комбинированных ДВС с бинарным циклом, имеющих температуру отработавших газов ( Тт <870 К ).

При этом двигатель Ренкина обязательно должен содержать регенератор.

2.6. Для разрабатываемого комбинированного адиабатного дизеля СМД-КАД, имеющего высокую температуру ОГ перед системой утилизации, целесообразным является применение воды в качестве рабочего тела двигателя Ренкина.

2.7. В комбинированных двигателях с системами вторичного использования теплоты увеличен диапазон оптимальных значений

- 199

P'sjp'T по сравнению с комбинированными двигателями без систем утилизации. Оптимальное сочетание давления наддува и давления отработавших газов в выпускном коллекторе /гг зависит как от параметров дизеля, так и параметров двигателя Ренкина. Получено, что большие значения р^ необходимы для больших Л/^у, П , меньших и двигателей Ренкина без регенератора.

2.8. Термодинамические параметры двигателя Ренкина оказывают существенное влияние на показатели комбинированной силовой установки с бинарным циклом. Показано, что за счет подбора давления и температуры рабочего тела перед расширительной машиной и давления после нее, температуры ОГ после парогенератора можно изменить удельный эффективный расход топлива на 5-10 гДкВт.ч).

2.9. По результатам проведенного исследования рекомендованы определяющие параметры комбинированного двигателя внутреннего сгорания с системой вторичного использования теплоты, его энергетическая схема и рабочее тело двигателя Ренкина.

2.10. Показано, что дополнительно за счет утилизации теплоты охлаждающей жидкости можно снизить удельный эффективный расход топлива по исследуемой силовой установке на величину до

9 гДкВт.ч ).

3. Проведена оценка экономической эффективности создания комбинированного дизеля с системой вторичного использования теплоты.

3.1. Экономически нецелесообразно создавать специальный комбайновый адиабатный дизель с бинарным циклом.

3.2. Экономически целесообразно использовать комбинированный дизель с бинарным циклом на тракторе. Прогнозируемый экономический эффект за весь срок службы составит около 1400 рублей (на один трактор ).

- 200

1. Материалы ХХУ1 съезда КПСС. М.: Политиздат, 1982. - 223 с.

2. Курзон А.Г., Юдовин Б.С. Судовые комбинированные энергетические установки. Л.: Судостроение, 1981. - 216 с.

3. Ливенцев Ф.Л. Силовые установки с двигателями внутреннего сгорания. Л.: Машиностроение, 1969. - 346 с.

4. Храпченков А.С. Судовые вспомогательные и утилизационные парогенераторы. Л.: Судостроение, 1979. - 280 с.

5. Э, Таг hi R.fl, tlppii cation of Ran kine iottominq dieseC enqins to marine vesseis.-SAE Technical Fbpar Series, 1919> tilSQ. p .21

6. C.F. Perspectives d'evoCution cLes cyc£es des moteuis diese-C de fyrande puissanee. -Revue Francaise de Hicani^ue, 1918, a/53 ,p.£0.

7. Eaonomie d'energLe fyiace an „Totem"de Fiat. -Pevue tech.nl fue automogiCe; 1913,34, a/392 ,/>• 101.16. \N'&xmeokonomLicke dniaoenrTechniscke Pundsck&u, 1978, 70, a/15 , p. 11-21.

8. MHI devefops advanced medium speed die$e-£ pCant. - а/ог wegian Sh ipping л/ews, <1377, N,'21 F} p <34.

9. Bode J?. The latest on organic Pankine bottoming cuctez.- Dieiet and Gas Tut&ine Progress.1№,a/Bkp.

10. Тепловые двигатели и газовые турбины /Глаголев Н.М., Куриц А.А., Водолагиченко В.В. и др. М.: Гострансжелдор,1957. 460 с.

11. Глаголев Н.М. Способы повышения к.п.д. тепловозных двигателей, механический и эффективный к.п.д. В кн.: Тепловозные и судовые двигатели. - М.: Машгиз, 1962, с. 5-31.

12. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей / Н.Д.Вырубов, Н.А. Иващенко, В.И.Ивини др.: Под ред. А.С.Орлияа, М.Г.Круглова 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983. - 372 с.

13. Шокотов Н.К. Основы термодинамической оптимизации транспортных дизелей. Харьков: Вища школа. Изд-во при Харьк. ун-те, 1980. - 120 с.

14. Вукалович М.Ш?, Новиков И.И. Термодинамика. М.: Машиностроение, 1972. - 672 с.

15. Вукалович М.П., Зубарев В.Н., Сергеева Л.В. Уравнение состояния перегретого водяного пара, пригодные для расчета турбины с помощью цифровых ЭВМ. Теплоэнергетика, 1967, № 5, с. 60-65 .

16. Физическое моделирование характеристик тепловозных и судовых дизелей на опытном двигателе. / Шеховцов А.Ф., Воронкин А.А., Шокотов Н.К. и др. Харьков: Изд-во Минвуза УССР, 1974. - 54 с.

17. Выбор и отработка основных параметров и схемы наддува двигателя Д70. Отчет кафедры ДВС ХПИ им.В.И.Ленина J6 927.- 203 -Харьков, 1983. 153 о.

18. Создание комбинированного адиабатного двигателя внутреннего сгорания. Разработка способа эффективной утилизации энергии отработавших газов. Отчет кафедры ДВС ХПИ им.В.И.Ленина

19. J& 860. Харьков, 1981. 208 с.

20. Монтгомери Д.К. Планирование эксперимента и анализ данных. Пер. с англ. Л.: Судостроение, 1980. - 384 с.

21. Винарский М.С., Лурье М.В. Планирование эксперимента в технологических исследованиях. Киев: Техника, 1978. - 168 с.

22. Бэр Г.Д. Техническая термодинамика. М.: Мир, 1977. - 518с.

23. Андрющенко А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок. М.: Высшая школа, 1977. - 74 с.

24. Шокотов Н.К., Марченко А.П. К вопросу об исследовании на цифровой ЭВМ рабочего процесса комбинированного дизеля с системой вторичного использования теплоты. В кн.: Двигатели внутреннего сгорания, 1983, вып.37, с.106-112.

25. Дегтярев Ю.И. Методы оптимизации. М.: Сов.радио. 1980.272 с.

26. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процессов сгорания в дизелях. Харьков: Вища школа. Изд-во при Харьк. ун-те, 1980. - 169 с.

27. Щуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ. Пер. с англ. М.: Мир, 1982. - 238 с.

28. Шокотов Н.К. Термодинамические основы оптимизации характеристик перспективных тепловозных и судовых дизелей. Диссертация на соискние ученой степени доктора технических наук. Харьков, 1978.

29. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. М.: Энергия, 1973. - 296 с.

30. Гохштейн П.П. Современные методы термодинамического анализа энергетических установок. М.: Энергия, 1969. - 368 с.- 205

31. Энергия и эксергия. Перевод с немецкого. Под ред. д-ра техн.наук. В.М.Бродянокого. М.: Мир, 1968. - 189 о.

32. Техническая термодинамика. Под ред. В.И.Крутова. М.: Высшая школа, 1971. - 472 с.

33. Шокотов Н.К., Сорокотяга А.С., Марченко А.П. Исследование изменения параметров рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания методом балансов теплоты, эксергии и анергии.

34. В кн.: Современный уровень и пути совершенствования экономических и экологических показателей двигателей внутреннего сгорания (тезисы докладов), Ворошиловград, 1983, с.46.

35. Симеон А.Э. Газотурбинный наддув дизелей. М.: Машиностроение, 1964. 248 с.

36. Волошин Ю.П. Исследование эффективности систем газотурбинного надцува быстроходного комбинированного дизеля. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Харьков, 1975.

37. Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания. Под ред. М.Г.Круглова, М.: Машиностроение, 1973. 296 с.

38. Создание комбинированного адиабатного двигателя внутреннего сгорания. Патентные исследования. Отчет кафедры ДВС ХПИ им.В.И.Ленина № 859. Харьков. 1981. 68 с.

39. Создание комбинированного адиабатного двигателя внутреннего сгорания общего назначения. Разработка эффективного способа утилизации энергии отработавших газов. Отчет кафедры ДВС- 206

40. ХПИ им.В.И.Ленина № 950. Харьков, 1983. 223 с.

41. Рабочее тело для двигателей внешнего сгорания. Патент США, кл.F 01 К 25/06, № 3841099.

42. Агрегат ДВС и парового двигателя. Патент ФРГ, кл.F 02 £3/00, J6 2750549.

43. Комбинированная силовая установка. Патент ФРГ, кл.F0I Р9/00, № 2639187.

44. Способ и термодинамическая установка для производства энергии. Патент США, кл. F 02 С 7/02, № 4166362.

45. Рабочая жидкость для двигателей внешнего сгорания. Патент США, кл. F0I К 25/08, № 4008573.

46. Перспективы применения утилизационной фреоновой ступени в судовых ГТУ / Б.С.Дьяченко, Г.В.Ноздренко, Г.С.Сердаков и др. Судостроение, 1970, № 9, с.25-28.

47. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 720 с.

48. Лариков Н.Н. Общая теплотехника. М.: Стройиздат, 1966. -446 с.

49. Наталевич А.С. Воздушные микротурбины. М.: Машиностроение, 1970. - 208 с.

50. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М.: Энергия, 1974.592 с.

51. Создание комбинированного адиабатного двигателя внутреннего сгорания общего назначения. Расчет паровой турбины системы вторичного использования теплоты адиабатного дизеля. Отчет кафедры ДВС ХПИ им.В.И.Ленина № 918. Харьков, 1982. 30 с.

52. Тракторные дизели. / Б.А.Взоров, А.В.Адамович, А.Г.Арабян и др.: Под общ. ред. В.А.Взорова. М.: Машиностроение, 1981. - 535 с.

53. ГОСТ 18509-80. Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний. М.: Изд-во стандартов, 1980. - 57 с.

54. Корнев Н.Н., Фуфрянский Н.А. Топливная экономичность тепловоза в эксплуатации. М.: Транспорт, 1974. - 56 с.

55. Методика оптимизации параметров номинального режима тепловозной дизель-турбинной установки по средне эксплуатационному расходу топлива. / Шокотов Н.К., Губин А.И., Мороз В.И.и др. В кн.: Двигатели внутреннего сгорания, 1983, вып.31, с. 30-34.

56. Эпштейн А.С., Кудряш А.П., Шеховцов А.Ф. К оценке средне-эксплуатационной экономичности тепловозных дизелей. В кн.: Двигатели внутреннего сгорания, 1974, вып.19, с.157-162.

57. Кривов В.Г., Синатов С.А. Повышение эффективности дизельных энергоустановок путем утилизации отходящей теплоты. Двигателе строение, 1979, № 10, с.14-18.

58. Кривов В.Г., Синатов С.А. Обеспечение работоспособности дизелей с ГТН и ВТО при повышенных сопротивлениях газовоздушных трактов. В кн.: Двигатели внутреннего сгорания. - М.: ЩИИТЭИтяжмаш, 1979, & 14, с.20-21.

59. Ложкин А.Н., Петриченко P.M. Повышение эффективности дизельных энергоустановок при разомкнутых системах испарительного охлаждения. Энергомашиностроение, 1969, № I, с.24-26.- 208

60. Ливенцев Ф.Л. Высокотемпературное охлаждение поршневых двигателей внутреннего сгорания. Л.: Машиностроение, 1964. - 192 с.

61. Комплексная утилизация тепла энергетических установок с двигателями внутреннего сгорания / Б.А.Харитонов, Ю.Н.Исаков, Ю.Б.Когинев и др. Тр. Ленингр. политехн. ин-та, 1977, № 388, с.101-105.

62. Комбинированная силовая установка. Франц. заявка, кл.Р 01 К 23/06, 25/00, № 2449780.

63. Устройство для утилизации теплоты охлаждающей жидкости и отработавших газов. Патент ГДР, кл.Г 02 B4I/00, № I33I68.80. £Сьеве К. Jnterna.tLona,£ei Veriiennungs kxaftmCLwkLnen-KonQzes (CiMAC-) i9Bb in PaiL&. Hansa, 1923, 120,1. MM, s.130$"/3H.

64. Система утилизации отводимой теплоты в автомобильном ДВС. Патент США, кл.F 01 , К 23/10, № 435II55.

65. Глаголев ^Н.М., Ибрагимов А.Б., Цветкова Н.И. Уменьшение теплоотвода с водой и маслом как один из главных показателей тепловозного двигателя. Тр. Харьк. ин-та инж. железнодор. транспорта, 1962, вып.62, с.5-18.

66. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. М.: Изд-во стандартов, 1976. - 10 с.

67. ГОСТ 11.002-73. Правила оценки анормальности результатов наблюдений. М.: Изд-во стандартов, 1973. - 24 с.

68. ГОСТ 8.011-72. Показатели точности измерений и формы представления результатов измерений. М.: Изд-во стандартов, 1972. - 5 с.

69. ГОСТ 11.004-74. Прикладная статистика. Правила определения оценок и доверительных границ для параметров нормального- 209 распределения. М.: Изд-во стандартов, 1974. - 20 с.

70. Райков И.Д. Испытания двигателей внутреннего сгорания. -М.: Высшая школа, 1975. 320 с.

71. Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы. / Б.Д.Кошарский, Т.Х.Безяовская, В.А.Бек и др. Л.: Машиностроение, 1976. - 488 с.

72. Электрические измерения неэлектрических величин. / А.М.Тури-чин, В.П.Новицкий, Е.С.Левшина и др. Л.: Энергия, 1975.- 576 с.

73. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. / К.Хартман, Э.Лецкий, В.Шефер и др. М.: Мир, 1977 - 552 с.

74. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА И АНАЛИЗА БИНАРНОГО ЦИКЛА СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ АВТОТРАКТОРНОГО ТИПА

75. П.I. Алгоритм расчета цикла комбинированного дизеля на номинальном режиме

76. П.1.1. Исходные данные для расчета

77. II. п. ! Параметр Размерность 1 !0бозна- (чание • I 1 • !Числовое {значение •1.! 2 3 ! 4 1 51. Диаметр цилиндра м э 0,122. Ход поршня м S 0,14

78. Эффективная мощность дизеля кВт А/в 1204. Число цилиндров г 4

79. Максимальное давление цикла МПа Л* IIб. Тактность двигателя 1 47. Число ЗС л 3.I4I6

80. Частота вращения коленчатого вала мин~* п 2000

81. Температура окружающей среды К То 293

82. Давление окружающей среды МПа N 0,10131.. Эффективный к.п.д. дизеля (предварительная величина) % 0,33

83. Низшая теплотворная способность топлива кДж/кг Qh 42280

84. Количество воздуха, теоретически необходимое для сжигания I кг топлива кмоль Mo 0,495

85. Давление наддува МПа h 0,2

86. Потери давления в воздухоохладителе МПа 0,004

87. Потери давления на входе в компрессор МПа Л10, 0 ,004

88. Степень эффективности воздухоохладителя Е 0,7

89. Коэффициент полезного действия компрессора 1 0,6-0,71.119.20. 21.22.