Файл: Нигматулин И.Н. Тепловые двигатели учеб. пособие.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 10.04.2024

Просмотров: 257

Скачиваний: 2

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

П р и м е ч а н и е . Для газовых двигателей приведены данные для

природного

газа следующего

состава:

С Н 4 = 9 8 % ;

С 2 Н в + С з Н 8 = 0 , 5

%;

C 4 H 8 - f - C 5 H 1 2 =0,08%,

N 2 = l , 1 8 % ; С О 2

= 0 , 3 %

и # £ = 35300

к Д ж / м 3 .

 

 

 

§ 3-11. Тепловой баланс двигателя

 

 

 

Распределение тепла, которое выделяется

при

сгорании

топлива

в цилиндре двигателя, на отдельные составляющие и количественные значения этих составляющих отражает тепловой баланс двигателя.

Тепловой баланс составляют в кДж для 1 кг (а в газовых двигате­

лях — для 1 нм3) израсходованного

топлива,

а

также

для тепла,

затраченного при получении 1 кВт-ч эффективной

работы, или же для

тепла, затраченного за 1 ч работы двигателя.

 

 

 

Уравнение теплового

баланса для

1 кг жидкого топлива

QH =

Q E

+

QOXA + <2газ +

Qn-неп +

QOCT'.

(3-145)

для 1 нм3 газового

топлива

 

 

 

 

HI =

Qe

+

Q0 X J I +',Qr a 3 +

Qn.nen +

QOCT,

[(3-146)

где QS И Hi — теплота

сгорания 1 кг (1 нм3 ) топлива, т. е. располагае­

мое тепло, введенное в двигатель с топливом,

кДж/кг;

Qe — тепло,

эквивалентное эффективной работе двигателя,

кДж/кг;

Q 0 M — т е п л о ,

унесенное с охлаждающим агентом (жидкостью или воздухом), кДж/кг; <2газ — тепло, унесенное с выпускными газами, т. е. тепло, израсхо­ дованное на повышение энтальпии выпускных газов, кДж/кг; Qn .H e n—

тепло, потерянное от неполноты

сгорания топлива, кДж/кг; Q0 C T —•

остаточный член теплового баланса, кДж/кг.

Уравнение

теплового

баланса можно выразить и в процентах:

 

 

Че +

<7охл + <7газ +

<7п.„еп + <7ост =

Ю 0 % ,

(3-147)

где

 

 

 

 

qe = (QJQ»)

ЮО°/о; q0XR

< ( Q 0 M / Q £ ) 100% и т. д.

 

Отдельные члены теплового баланса определяются следующим образом.

Тепло, эквивалентное эффективной работе двигателя, для жидких топлив

Qe

= QH rje =

3600 NJG4;

(3-148)

для газовых топлив

 

 

 

 

Qe

=

HI V e =

3600 Ne/V4.

(3-149)

Нетрудно видеть, что -це представляет эффективный

к.п.д.

Для комбинированных

турбопоршневых двигателей

Qe =

 

Ql У\ек =

3600 NJG4,

(3-150)

296

где NeK и t\eV — соответственно эффективная

мощность и

эффектив­

ный к.п.д. всей комбинированной силовой установки.

 

Охлаждение двигателя, т. е. отвод тепла

от цилиндра,

головки,,

а в теплонапряженных и в крупных двигателях — иногда и от поршня, необходимо для обеспечения определенных допустимых температур стенок. Превышение этих температур помимо ухудшения экономич­ ности вследствие снижения коэффициента наполнения вызывает раз­ личные нарушения в работе двигателя: ухудшение смазки и пригорание поршневых колец, коробление деталей, понижение механической прочности материалов головки и цилиндра двигателя. Перегрев дви­ гателей с искровым зажиганием сопровождается появлением прежде­ временных вспышек и детонации. Таким образом, потери тепла с охлаждением неизбежны. Количество отводимого от двигателя тепла при этом составляет 15-f-30% от всего тепла, внесенного с топливом.

При жидкостном охлаждении количество тепла, унесенного с ох­

лаждающим

агентом,

определяется

выражением

 

 

 

 

 

 

Q-охл =

(1*VG4 )

с(tBblx

- tm)

+ (WJG4)

см

(t"Bblx

-

t"BX),

(3-151)

где W4

— часовой расход

воды,

идущей

на

охлаждение двигателя

(без охлаждения

поршня);

Wu

— часовой

расход масла

или воды

на

охлаждение

поршня; tBX

и

tBh!X—температура

 

воды, входящей

и вы­

ходящей

из двигателя;

^ х

и ^ ы х —

температура масла или воды, вхо­

дящих

и

выходящих

из

 

поршня;

 

с — теплоемкость

охлаждающего

агента

 

[для

воды

 

с — 4,19

кДж/кг-°С;

для

 

масла

см

=

= 2,4

кДж/(кг-°С)1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для комбинированных турбопоршневых двигателей добавляется третий член, учитывающий охлаждение компрессора и промежуточно­ го холодильника и количество тепла, унесенного с охлаждающим агентом:

 

 

Сохл = (WVG,) с(tBta

-

tBX) + (Wn/G4)

х

 

 

 

 

X си

(tnBUX -

О

+

(WK/G4)

с {tin—

^вх),

 

(3-152)

где

WK

— часовой

расход

воды,

идущей

на охлаждение компрессора

и

промежуточных

холодильников;

 

Гвых—температура

воды

после

компрессора и промежуточного

холодильника;

f^x

— температура

свежей воды, входящей в промежуточный холодильник.

 

 

 

Тепло, унесенное с выпускными

газами,

 

 

 

 

 

 

 

Qr a 3

= Мс'р

tp — Mucptu,

 

 

(3-153)

где М — количество продуктов

сгорания; М0 — количество горючей

смеси;

/ р — температура

газов

после

двигателя;

t0

— температура

горючей смеси (свежего заряда).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для

комбинированных

двигателей

/ р

— температура

газов

после

газовой

турбины, ^0 — температура

заряда перед

компрессором.

 

При

неполном

сгорании жидкого

топлива могут

быть получены

сажа С и СО.

297,

При сгорании 1 кг углерода в С 0 2

выделяется 34000 кДж тепла,

а при сгорании в СО — только 10300 кДж тепла; остаются

невыделен­

ными при неполном сгорании 1 кг углерода в СО

 

 

 

34000 — 10300 = 23700 кДж.

 

 

 

Следовательно, тепло, потерянное

от неполноты сгорания,

 

Qn .„en = 34000 срс С +

23 700 Ф с о

с ,

(3-154)

где ф С — доля

несгоревшего

углерода,

оставшегося в

форме

сажи;

фсо —доля

углерода,

сгоревшего только в

СО;

С — доля

углерода в топливе.

 

Коэффициенты фС

и ф С j определяют­

ся при экспериментальном исследовании

работы двигателя.

 

 

 

В

карбюраторных

двигателях

при

а <

1 неполноту сгорания обычно

при­

нимают только в форме СО. Потери теп­

ла в этом

случае

 

 

 

Рис. 3-25. Схема теплового баланса двигателя:

ния;

— низшая

теплота

 

сгора­

Qi

—тепло, эквивалентное

индикаторной

работе; • Qe

— теп­

ло,

эквивалентное

эффективной

работе; <2охл — тепло,

унесенное

охлаждающим

агентом; <Зг а з

тепло,

унесенное

выпускными

газами за счет повышения эн­

тальпии

 

отработавших

 

газов;

*3п.неп. — тепло, теряемое от не­

полноты

сгорания; QOCT

— оста­

точный член

теплового

баланса;

Q, — тепло,

идущее

на

подогрев

свежего заряда перед цилиндром

двигателя;

Q2

— тепло,

идущее

на

подогрев

свежего

 

заряда

охлаждающим

агентом;

Q3 —

тепло, идущее на подогрев све­

жего

заряда

 

выпускными

 

газа­

ми;

Qt — тепло, отдаваемое

га­

зами

стенкам

цилиндра;

 

Qs —

тепло,

унесенное

газами

через

выпускной

клапан;

 

Qe — тепло

от трения

 

поршней

о

зеркало

цилиндра;

 

Q7 — тепло,

идущее

1 от выпускных

газов

к охлаж­

дающему

агенту;

Qs — тепло,

теряемое

лучеиспусканием

охла-

. ждающей

системы;

Qg — тепло,

теряемое

 

лучеиспусканием

вы­

пускной

системы;

<?ю — тепло,

. эквивалентное

 

кинетической

энергии

выпускных

газов;

<ЭИ —

тепло, эквивалентное

механиче­

 

 

ским

потерям

 

 

 

<5п.неп = 285000 МсокДж/кг,

(3-155)

где 285 000

кДж/моль — теплота Сгора­

ния 1 моля СО.

 

 

 

 

 

Так

как

согласно

 

(3-29)

Мсо =

=

0,42

(1 - a ) L 0 ,

 

 

 

 

то

 

 

 

 

 

 

 

 

Q n . « e « = Н 9 700 (1 - а )

Ь0.

(3-156)

 

Д л я

газового топлива

(при неполно­

те

сгорания

газового

 

топлива

в форме

СО)

 

 

 

 

 

 

 

 

Qn.H en = 285000 Мсо,

(3-157)

где М с э — количество

окиси

углерода

в выпускных

газах,

моль/1нм3

газового

топлива.

 

 

 

 

 

 

Остаточный член

теплового

баланса

включает потери тепла

в

окружающую

среду от лучеиспускания

с поверхности

двигателя, на нагрев смазочного масла во всех трущихся деталях, с кинетичес­ кой энергией выпускных газов и пр.:

для жидкого топлива

298

QOCT = Ql —{Qe + Qoxn + Qraa + Qn.HenV,

(3-158)

для газового топлива

Q 0 C T = m - ( Q e + Q 0 „ + Q R A 3 + Q N . H E N ) .

(3-159)

На рис. 3-25 приведена развернутая схема теплового баланса дви­ гателя, где показано движение тепловых потоков, включаемых в от­ дельные члены теплового баланса.

§3-12. Пример теплового расчета рабочего процесса

иопределение основных размеров двигателя

Задачей теплового расчета рабочего процесса двигателя внутрен­ него сгорания является определение показателей, характеризующих экономичность и эффективность цикла в данных конкретных усло­ виях и необходимых для расчета деталей на прочность, жесткость и износоустойчивость. На основании теплового расчета можно с доста­ точной для практики точностью построить индикаторную диаграмму, подсчитать среднее индикаторное давление и по заданной мощности определить размеры и число цилиндров для вновь проектируемых двигателей. Тепловой расчет производят обычно для режима работы двигателя, соответствующего номинальной мощности при наивыгод­ нейших условиях подвода и сгорания топлива. При необходимости теплового расчета для других режимов работы двигателя (частичная нагрузка или перегрузка) следует учитывать, что ряд параметров — коэффициент избытка воздуха, степень повышения давления, степень предварительного расширения и др. — будут иметь иные значения.

Давление и температура окружающей среды принимаются при от­ сутствии особых указаний от заказчика стандартными: р0 = 1,013 X X Ю5 Н/м2 , т. е. 760 мм рт. ст.; Т0 = 288 К-

Экспериментальные исследования показывают, что при работе двигателя следующие один за другим рабочие циклы не одинаковы, они различаются газодинамическими условиями, колебаниями давле­ ний при впрыске топлива, скоростью распространения пламени и рядом других факторов. Возникающие вследствие этого колебания давления сгорания и среднего индикаторного давления смежных ра­ бочих циклов могут достигать 10% . В связи с этим при расчетах при­ нимают усредненные значения параметров, полученных в результате анализа ряда циклов при устойчивой работе двигателя.

Наиболее распространенный способ расчета дизелей включает оп­ ределение параметров конца сгорания, основанное на выборе величин степени повышения давления и давления конца сгорания рг, как это выполнено в примере 3 - 1 . В некоторых случаях выбирают степень предварительного расширения р и далее определяют остальные пара­

метры.

В двигателях

с искровым

зажиганием (карбюраторных и га­

зовых)

при расчете параметров конца сгорания принимают степень

предварительного расширения р =

1, а затем подсчитывают степень

повышения давления

Я и давление

конца сгорания рг.

299

Смотрите также файлы