Структурная и параметрическая оптимизация систем промышленного теплотехнического и технологического оборудования Агапов Дмитрий Станиславович

Содержание к диссертации

Введение

1. Концепция работы. анализ состояния вопроса 17

1.1. Специфика функционирования теплотехнического и технологического оборудования в различных отраслях производства

1.1.1. Характер объектов производств и конечной продукции 17

1.1.2. Цикличность производственных процессов 18

1.1.3. Интенсификация производства 18

1.1.4. Непрерывность функционирования производств 19

1.1.5. Климатические особенности 19

1.1.6. Экологические ограничения функционирования 20

2. Совершенствование теплоэнергетических систем на основе энтальпийного подхода 37

2.1. КПД группы тепловых двигателей с параллельной и секвентальной внутренней структурой 37

2.2. Теоретические основы разработки способа подвода теплоты к рабочему телу ДВС при температурно-динамических ограничениях40

2.3. Система предпусковой тепловой подготовки дизелей с использованием аккумулированной энергии 42

2.4. Подбор оборудования на основе энергетического баланса 48

2.5. Управление энергетическими системами на основе энергетического баланса 54

3. Оценка и совершенствование отдельных элементов сложных теплоэнергетических систем на основе эксергетического и энтропийного подходов 62

3.1. Сравнение и выбор методов термодинамической оптимизации систем 62

3.2. Оценка термодинамического совершенства теплотехнического и теплового технологического оборудования систем на основе эксергетического подхода 66

3.2.1. Эксергетические балансы различных теплоэнергетических систем 66

3.2.2. Эксергетическая функция теплоты и термический КПД энергоустановок при переменной температуре 73

3.2.3. Оценка совершенства теплового двигателя на основе эксергетического подхода 78

3.3. Совершенствование тепловых двигателей энтропийным методом на основе положений неравновесной термодинамики 88

3.3.1. Исследование внутрицилиндровых процессов подвода теплоты к рабочему телу в цикле ДВС 95

3.3.2. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 106

3.3.3. Оценка достоверности разности результатов исследования 115

4. Структурная оптимизация теплоэнергетических систем путём интеграции тепловых процессов на основе пинч-технологии 119

4.1. Структурная оптимизация систем путём интеграции теплоты на основе пинч-анализа 119

4.2. Критерии и показатели термодинамического совершенства теплотехнического и технологического оборудования 131

4.3. Определение оптимального минимума разности температур между композитными кривыми при проведении пинч-анализа энергетических систем 132

4.4. Определение нагрузок на теплообменные аппараты

4.4.1. Определение возможной теплоты для передачи между двумя различными стационарными тепловыми потоками 139

4.4.2. Частные случаи определение теплоты для передачи для каждого возможного варианта интеграции 144 4.5. Алгоритмы интеграции 150

4.5.1. Выбор алгоритма 150

4.5.2. Совершенствование алгоритма выбора эвристик для синтеза теплообменной сети структурно оптимизируемой технической системы

4.6. Снижение энергетических затрат систем путём глубокой интеграции тепловых процессов 159

4.7. Интеграция нестационарных тепловых потоков 165

4.8. Синтез и дизайн теплообменных сетей энергопреобразующих технических систем

4.8.1. Совершенствование конструкции тепловых двигателей на основе пинч-технологии с учётом особенностей функционирования 167

4.8.2. Улучшение теплообменной сети утилизационного модуля когенерационных установок 177

5. Термоэкономическая оценка и параметрическая оптимизация теплоэнергетических систем 192

5.1. Проблемы термоэкономической оценки систем с двумя и более конечными продуктами 192

5.2. Предлагаемая методика термоэкономической оценки конечной, промежуточной продукции и потерь 195

5.2.1.Определение капитальных вложений 203

5.2.2. Остаточный ресурс оборудования 208

5.3. Параметрическая оптимизация теплоэнергетических систем... 212

6. Термодинамическое совершенствование отдельных вновь проектируемых и существующих теплоэнергетических систем и интеграция в них тепловых двигателей 221

6.1. Термодинамическое совершенствование проектируемых систем 221

6.1.1. Структурная оптимизация технологии получения сахара с интеграцией газотурбинной установки 221

6.1.2. Структурная оптимизация бензинового теплового двигателя 2 6.2.1. Структурная и параметрическая оптимизация газопоршневой когенерационной установки с тепловым двигателем на примере МТЭС 100/150 242

6.2.2. Пример структурной оптимизации пищевой технологии при интеграции в неё тепловых двигателей 257

Заключение 276

Выводы 279

Список литературы

• Цикличность производственных процессов
• Система предпусковой тепловой подготовки дизелей с использованием аккумулированной энергии
• Оценка термодинамического совершенства теплотехнического и теплового технологического оборудования систем на основе эксергетического подхода
• Критерии и показатели термодинамического совершенства теплотехнического и технологического оборудования

Введение к работе

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности.

Необходимость совершенствования промышленных теплоэнергетических систем, разработки и создания нового теплотехнического и теплового технологического оборудования напрямую связаны с требованиями уменьшения энергетических затрат на единицу продукции, сбережения материальных ресурсов и защитой окружающей среды. Однако достижение эффективности производства оценивается множеством взаимозависимых критериев.

Применяемый на ранних этапах создания новой техники и технологий балансовый (энтальпийный) метод оценки энергетической эффективности технических систем не позволяет в полной мере дать их объективную оценку. Это обусловлено как сменой целевых функций оптимизации производств (энергосбережение, энергоэффективность, экологическая безопасность, ресурсосбережение и др.), так и попыткой поиска глобального решения, одинаково удовлетворяющего (неудовлетворяющего) всем критериям оптимизации. Под ресурсосбережением понимается система мер по обеспечению рационального использования различных ресурсов – энергетических, финансовых, сырьевых и т.п.

Усложнение производственных технологий и техническое совершенствование применяемого теплотехнического и технологического оборудования все более затрудняет решение задач производственной оптимизации. Определенные перспективы открывает применение опыта эмпирического улучшения технических систем на основе разработанных эффективных математических методов оптимизации и алгоритмов для их компьВю тсеврянзоий с рэетаилми зваоцзини.к ает необходимость создания единой концепции термодинамического и термоэкономического совершенствования, структурной и параметрической оптимизации промышленных теплоэнергетических систем, теплотехнического и технологического оборудования на всех этапах их существования (проектирование, конструирование, производство, эксплуатация и утилизация). В случае решения этой актуальной задачи появляется возможность найти оптимальные решения на основе математических методов с учетом практических экспертных оценок.

Научная концепция.

Оценка термодинамического совершенства промышленных теплоэнергетических систем, входящего в них теплотехнического и технологического оборудования, разработка решений по ресурсосбережению осуществляется на основе интеграции тепловых потоков (пинч-технология) и термоэкономического анализа.

Цель работы.

Создание научных основ для совершенствования промышленного теплотехнического и технологического оборудования, ресурсосбережения при его проектировании и эксплуатации с помощью структурной и параметрической оптимизации. В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи:

1. Проанализировать современные производства различного назначения

по энергетическим параметрам и установить связи между составляющими энергетического баланса применяемых технологических линий и силовых установок на различных режимах работы; выявить целесообразные направления улучшения структурных и параметрических показателей промышленного теплотехнического и технологического оборудования;

1. Разработать метод оптимизации систем промышленного теплотехнического и технологического оборудования, позволяющий в комплексе производить их структурную и параметрическую оптимизацию на основе принципов неравновесной термодинамики и технологии интеграции тепловых потоков;

2. Синтезировать критерий оценки структурного совершенства промышленного теплотехнического и технологического оборудования и на его основе создать обобщенный показатель термодинамического совершенства технических систем с использованием критерия совершенства протекающих в системах процессов;

3. Найти и предложить алгоритм структурной оптимизации теплообмен-ных связей промышленного теплотехнического и технологического оборудования;

4. Разработать способ и средство интеграции нестационарных тепловых потоков;

5. Создать программу автоматизированного проектирования оптимальных теплообменных схем с возможностью учета экспертных рекомендаций;

6. Произвести структурную и параметрическую оптимизацию нескольких существующих вариантов промышленного теплотехнического и технологического оборудования;

7. Провести экспериментальную проверку определенных в процессе параметрической оптимизации рабочих параметров функционирования оборудования;

8. Разработать метод оценки и повышения показателей термодинамического совершенства промышленного теплотехнического и технологического оборудования. Выработать рекомендации по ее применению;

10. Обоснованно предложить элементы усовершенствования термоэко
номического анализа и, с их учетом, провести технико-экономическую оценку
промышленного теплотехнического и технологического оборудования.

Объект исследований.

Теплотехнические системы в технологических процессах производств различного назначения.

Предмет исследований.

Процессы преобразования энергии в теплотехнических системах и принципы их совершенствования путем структурной и параметрической оптимизации теплотехнического и технологического оборудования промышленных производств.

Методология и методы исследований.

В основу методологии исследования положено сочетание теоретического анализа процессов передачи и преобразования энергии, протекающих в различных установках, с экспериментальными и расчетными исследованиями.

В теоретических исследованиях использовались основные положения теории теплообмена, теории тепловых двигателей, классической термодинамики, методы математического моделирования, численные методы решения уравнений и задач оптимизации с применением вычислительной техники.

При экспериментальных исследованиях на натурных образцах технологического оборудования использовались современные исследовательские методики на основе теории планирования эксперимента, корреляционного и регрессионного анализа.

Предложена методика, включающая три этапа: при термодинамическом совершенствовании отдельных элементов промышленного теплотехнического оборудования применяется эксергетический анализ; структурный анализ существующей или синтез новой технологических систем осуществляется интеграцией тепловых потоков на основе пинч-анализа; параметрическое совершенствование промышленного теплотехнического оборудования достигается улучшением его термоэкономических показателей.

Достоверность результатов и выводов работы.

Достоверность результатов и выводов работы подтверждена:

применением современных апробированных методов исследования на основе законов термодинамики и теплопередачи; обоснованностью принятых теоретических предпосылок, а также опыта, накопленного учеными при изучении энергетических систем; использованием апробированных методов;

использованием теории математического планирования эксперимента; современного оборудования и средств регистрации исследуемых показателей; приборов, прошедших сертификацию согласно стандарту; достаточной точностью применявшегося информационно-измерительного комплекса;

строгостью математического аппарата, используемого в работе; использованием общепринятых методик, методов математической статистики; проверкой расчетов с помощью компьютерных технологий;

оценкой погрешностей; согласованием полученных зависимостей с теоретическими положениями и данными экспериментов, хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных данных и их удовлетворительным совпадением.

Научную новизну работы составляют:

1. Критерий степени интеграции тепловых потоков;

2. Обобщенный показатель оценки термодинамического совершенства технических систем;

3. Предложенный эвристический алгоритм структурной оптимизации теплооб-менных связей;

4. Программный код для автоматизированного проектирования сети
теплообменников, позволяющий учитывать экспертные рекомендации;

5. Дополнительные уравнения термоэкономического анализа энергопреобра-зующих технических систем;

6. Метод комплексной оптимизации промышленного теплотехнического и технологического оборудования при его проектировании и эксплуатации.

Практическая значимость.

Для практического использования представляют интерес:

1. Методы и средства для интеграции нестационарных тепловых потоков в технических системах;

2. Структурная и параметрическая оптимизация существующих технических систем;

3. Рабочие параметры функционирования технических систем, эксперимен
тально определенные в процессе параметрической оптимизации;

4. Рекомендации по применению методики оценки и повышения показателей термодинамического совершенства энергопреобразующих технических систем;

5. Усовершенствованная технико-экономическая оценка технических систем.

Реализация результатов работы.

Результаты работы внедрены и используются в различных областях перерабатывающей промышленности и народного хозяйства:

в молочном производстве при совершенствовании установок пастеризации, СПК «Детскосельский», г. Санкт-Петербург;

в перерабатывающем производстве при подборе энергетических установок и определении оптимальных режимов эксплуатации системы энергоснабжения (ООО «Бекон») г. Тосно, Ленинградская область;

в мясном производстве при совершенствовании линии сушки зерна на предприятии, СПК «Детскосельский», г. Санкт-Петербург;

в строительстве при модернизации технологической линии производства по выпуску негорючей изоляции предприятия ООО «Роквул-Север», г. Выборг, Ленинградская область;

при выполнении научно-исследовательской работы по высокотемпературному охлаждению дизелей Д-240 и Д-240Т на кафедре «Автомобили, тракторы и технический сервис» (СПбГАУ);

в учебном процессе СПбГАУ при проведении лабораторных работ по теплотехническим дисциплинам на специально сформированной лабораторной установке.

На защиту выносятся.

1. Способ и средство для интеграции нестационарных тепловых потоков в промышленном теплотехническом и технологическом оборудовании;

2. Критерий оценки степени интеграции тепловых потоков в оборудовании;

3. Обобщенный показатель оценки термодинамического совершенства про
мышленного теплотехнического и технологического оборудования;

4. Предложенный алгоритм выбора эвристик структурной оптимизации тепло-обменных связей;

5. Метод комплексной оптимизации промышленного теплотехнического и технологического оборудования при его проектировании и эксплуатации;

6. Научно-обоснованные усовершенствования термоэкономического анализа
для оценки и параметрической оптимизации промышленного теплотехническо
го и технологического оборудования;

7. Рекомендации по повышению показателей термодинамического совершенст
ва энергопреобразующего промышленного оборудования.

Апробация результатов работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных международных научно-технических конференциях на кафедре «Тракторы автомобили и технический сервис» (Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, 2001 – 2015 гг.); на международных научно-практических конференциях «Новые горючие и смазочные материалы с присадками» (Международная Академия Прикладных Исследований 2004 – 2014 гг.); на отраслевых научно-практических конференциях молодых специалистов ОАО «Концерн «Морское подводное оружие – Гидроприбор» (2008 – 2015 гг.); в Санкт-Петербургском научном центре РАН на совете по горению и взрыву (2013 – 2015 гг.); на международных научно-практических конференциях «Перспективные технологии и технические средства в сельскохозяйственном производстве» (Белорусский государственный аграрный технический университет, 2006 – 2014 гг.); на II Международном форуме «Инновационные технологии в сервисе» (Санкт-Петербургский государственный универсистет сервиса и экономики, 2010 г.); на II Всероссийской межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики» (Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, 2013 г.).

Публикации результатов исследований.

По теме диссертации опубликовано 60 статей, в том числе 21 статья в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для докторских диссертаций. Шесть учебно-методических пособий (общим объемом 18 п. л.). Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015612919 от 29 февраля 2015 года и 3 патента на полезную модель № 157238 от 12 января 2015 года, № 155349 от 9 февраля 2015 года и 156745 от 17 февраля 2015 года.

Соответствие паспорту специальности. По тематике, методам исследования, предложенным новым научным положениям диссертация соответствует паспорту специальности научных работников 05.14.04 «Промышленная теплоэнергетика» по пунктам: 1 – «Разработка научных основ сбережения энергетических ресурсов в промышленных теплоэнергетических устройствах и использующих тепло системах и установках»; 2 – «Оптимизация схем энергетических установок и систем для генерации и трансформации энергоносителей, основанных на принципах их комбинированного производства»; в части пункта 3 – «Совершенствование методов расчета тепловых сетей и установок с целью улучшения их технико-экономических характеристик, экономии энергетических ресурсов»; и по пункту 5 – «Оптимизация параметров тепловых технологических процессов и разработка оптимальных схем установок, использующих тепло, с целью экономии энергетических ресурсов и улучшения качества продукции в технологических процессах».

Структура и объем диссертации.

Цикличность производственных процессов

Кроме того в понятие эффективности функционирования «напрашиваются» и такие факторы как затраты на обслуживание, эксплуатацию, лицензирование и сертификацию, а также утилизацию производства. При всём при этом никто не отменяет того положения, что энергетические потери ведут к снижению эффективности функционирования производства в целом [58].

Изложенное выше позволяет сделать заключение о необходимости создания единого инструмента для оценки эффективности функционирования производств любой сложности и направленности, для возможности осуществления на его основе структурной и параметрической оптимизации производства в целом, с учётом не только объективных (измеряемых) факторов, но и субъективных.

Именно данной проблеме и посвящена эта работа. Исходя из того положения, что совершенство системы в целом определяется совершенством отдельных её элементов, был сформулирован первый этап методологического подхода к решению задачи повышения технического совершенства систем в целом.

Как отмечалось выше на начальных этапах развития технической мысли с открытием первого начала термодинамики, а точнее закона сохранения энергии, для оценки эффективности технических устройств применялся КПД, с помощью которого можно было оценивать не только полезное действие, но и бесполезное. Это, так называемое бесполезное действие характеризующее потери энергии в окружающую среду, объяснялось несовершенством техники и технологии того времени. Такой подход к оценке эффективности машин назывался балансовым или энтальпийным.

На его основе были сделаны существенные достижения в области теории двигателей и их теплового баланса такими учёными как: Н.Р. Брилинг, Е.К. Мазинг, В.И. Гриневецкий, Р.З. Кафтарадзе, А.К. Костин, А.В. Николаенко, Р.М. Петриченко, М.Р. Петриченко, В.С. Семёнов, Б.А. Шароглазов, В.В. Эфрос, В.В. Кукис и многие другие. Также известен ряд институтов, имеющих научные школы ВлГУ, МГТУ, МЭИ, СПбГАУ, ЧГАУ, СПбГПУ, ЮУрГУ; научно 23 исследовательских институтов (НАТИ, ЦНИДИ, ЦНИТА, и др.), которые тоже внесли существенный научный вклад в развитие теории создания и эксплуатации тепловых двигателей. Однако исследования в данной области были направлены, в основном, на организацию процессов рабочего цикла, как правило, в отрыве от систем, внутри которых данные двигатели функционируют.

Современные энергетические установки, непрерывно совершенствуясь, представляют собой некоторую совокупность сложных взаимодействующих систем. Сам по себе тепловой двигатель уже представляет собой подобную совокупность систем. Однако, в силу того, что в большинстве случаев потребитель механической работы этого двигателя находится в непосредственной близости с ним, то становится очевидным, что общий анализ эффективности целесообразно вести не только в пределах самого двигателя, но и всей энергетической установки, в которую входит сам двигатель и непосредственный потребитель механической энергии.

Так как непосредственным потребителем механической энергии, вырабатываемой двигателем, выступают объекты различных назначений, конструкций и сложности, (например, насос, электрогенератор, трактор, комбайн, автомобиль и др. устройства), то необходим комплексный подход к оптимизации протекающих в установке процессов.

Для анализа протекающих процессов, определения путей совершенствования установки в целом, а также разработки конкретных технических решений по совершенствованию требуется соответствующий научный инструмент.

Исторически сложились два принципиально различных подхода к исследованию и анализу процессов, протекающих в энергетических установках, это метод прямых и обратных циклов и метод термодинамических потенциалов [59].

Основу метода построенного на рассмотрении прямых и обратных циклов заложили Карно и Клаузиус. Данный метод нашёл широкое применение в технике. Сопоставляя циклы реальных установок с теоретическими циклами можно оп 24 ределить потери энергии вследствие несовершенства протекающих процессов, определить КПД установки, её эффективность.

Основу метода термодинамических потенциалов заложил Гиббс. Данный метод необходим при анализе систем, где преобразование энергии протекает вообще без участия рабочего тела, (например, фотоэлементы). Метод считается более перспективным, универсальным, логическим и менее громоздким в расчётах [60].

Однако даже этот метод даёт оценку энергетической ценности потоков вещества и энергии безотносительно к внешним условиям, в которых данный поток существует [61].

Широкое применение тепловых двигателей не ограничивается воздушным, водным и наземным транспортом. Непременное условие отвода теплоты при производстве механической работы указало ещё ряд наиболее рациональных областей их применения [62, 63]. Это различные энергоустановки (когенерационные и тригенерационные), а также различные технологические линии (по переработке сельскохозяйственной продукции, производства нефтепродуктов и химических продуктов и др.), в которых для осуществления технологического процесса на разных этапах производства возникает необходимость подвода и отвода различных видов энергии, и в частности теплоты.

Также в отдельных устройствах этих линий постоянно происходят процессы превращения работы в теплоту и реже — теплоты в работу [64]. Данные превращения не всегда являются целью функционирования этих установок, а происходят параллельно с технологическим процессом, реализуемым установкой. В связи с этим зачастую возникают различного рода потери энергии вследствие диссипации и деградации.

В отдельных случаях [65] предпринимаются попытки частичного использования теряемой энергии либо для отдельных этапов технологического процесса (регенерация), либо для дальнейшего преобразования в необходимые формы (утилизация).

Система предпусковой тепловой подготовки дизелей с использованием аккумулированной энергии

Определение в предыдущих пунктах этой главы технических характеристик объектов в зависимости от их структуры и режимных факторов являются важным и необходимым условием для составления и решения задачи оптимизации и термо-динамичекого совершенствования рассматриваемого технического объекта [153].

Однако, необходимо заметить, что до того как система выходит на расчётный режим эксплуатации параметры её функционирования не являются оптимальными. В этом случае необходимы технические решения и мероприятия по скорейшему достижению системой своих оптимальных рабочих параметров.

Кроме того, на современных предприятиях используемая техника размещается как в закрытых помещениях, так и на открытых специально оборудованных площадках. В последнем случае проблема быстрого введения в эксплуатацию тракторов в зимний период является довольно острой. В первую очередь, данная проблема характерна для тракторов отечественного производства. Существует достаточно большое количество методов предпусковой тепловой подготовки дизелей. Авторам представляется целесообразным с учётом работ профессора М.И. Куколева [154] и других исследователей [155] использовать для этих целей аккумулированную энергию.

Для проведения эксплуатационных испытаний системы предпусковой тепловой подготовки выбран колёсный трактор «Белорус – 320» с дизелем ЛДВ-1603 с разделённой камерой сгорания. Испытуемый трактор выполнял работы по расчистке проезжих дорог, прифермских территорий от снежных заносов, осуществлял операции по снегозадержанию на посевных полях (рисунок 2.3). За весь период проведения эксплуатационных испытаний была обеспечена безгаражная стоянка трактора. Задачами эксплуатационных испытаний являются монтаж системы, отладка выбранной схемы, оценка работоспособности и эффективности системы тепловой подготовки в условиях эксплуатации, а также отработка технической документации на окончательную установку системы в соответствии с ре 43 зультатами испытаний и техническими требованиями к элементам комплектации системы.

Температура окружающего воздуха То во время испытаний изменялась от минус 28 до минус 2оС. Тракторный дизель имеет объём системы охлаждения 10 литров охлаждающей жидкости, при этом внутренний и внешний контуры системы охлаждения имеют объём 5 литров. Тепловой аккумулятор фазового перехода установлен слева по ходу трактора в месте, удобном для монтажа испытательного оборудования (рисунок 2.4).

Расположение теплового аккумулятора фазового перехода на двигателе испытуемого трактора При температуре 0 С окружающей среды дизель отстоял 16 часов с заря П 0 женным ТАФ (температура расплава 96 С). При этом температура в тепловом аккумуляторе опустилась до 80 С. Далее начинался процесс тепловой подготовки. Во время работы системы в режиме разрядки ТАФП (подогрева двигателя) испытатель, находящийся в кабине трактора, через равные промежутки времени (30 с) регистрирует показания термопар. При пуске дизеля оценивается время пуска. При этом контролируется температура окружающей среды на всех режимах работы системы.

В течение первых 10 мин от момента включения автономного электронасоса средняя скорость увеличения температуры ОЖ достигает очень высоких значе АТ о ний = (1,2…2) С/с, а разность температур между входом и выходом из Ат ТАФП составляет до 25 С. Это свидетельствует о том, что ТАФП отдает высокую стартовую тепловую мощность. Последующие 10 мин. разрядки ТАФП (от 10 до 20 мин) характеризуются уменьшением средней скорости изменения температуры AT о .„ о ОЖ — от (0,12…2) до 0 С/с иА1 до 17 С. Затем температуры ОЖ на входе и вы Ат ходе из ТАФП изменяются незначительно, при этом AT в течение 100 мин плавно уменьшается от 17 до 0 С. По результатам экспериментальных исследований построен график зависимости температуры охлаждающей жидкости от времени прогрева дизеля в режиме отдачи теплоты тепловым аккумулятором при температуре окружающей среды 0 С (рисунок 2.5).

Анализ полученных зависимостей показывает, что охлаждающая жидкость во внутреннем контуре охлаждения (объём которого составляет 6 литров ОЖ) прогревается до температуры 77 С за 15 мин. При 77 С открывается клапан-термостат, при этом подключается внешний контур охлаждения (объём внешнего контура составляет 13 литров ОЖ). В течение 3-х минут температура ОЖ падает до 62 С. Это объясняется тем, что за эти три минуты холодная жидкость из внешнего контура перетекает (Тоб) в нагретый внутренний контур и охлаждает

общую систему до 62 0С. Затем температура охлаждающей жидкости с помощью ТАФП за 12 минут поднимается до температуры 75 0С.

В связи с вышеизложенным предпусковую тепловую подготовку дизеля в стендовых условиях можно осуществить за 15 минут, подогрев ОЖ до температуры 75 … 77 0С. Однако за 5 … 8 минут ОЖ прогревается до температуры 40 … 55 0С. А при этих температурах время выхода дизеля на пусковые обороты и продолжительность пускового периода вполне удовлетворительная и составляет 3 … 5 секунд (рисунок 2.6).

Зависимость времени выхода дизеля на пусковые обороты и продолжительности пускового периода от температуры охлаждающей жидкости. На основании проведённых исследований можно рекомендовать осуществлять пуск дизеля при температуре предварительно прогретой до 40 … 55 0С ОЖ, но делать это допустимо при температурах окружающей среды не ниже минус 25 0С. При этом время тепловой подготовки будет составлять 5 … 8 мин., выход на пусковые обороты и продолжительность пуска в сумме будут составлять 6…10 сек.

В режиме хранения теплоты фиксируется время межсменной стоянки трактора на открытой площадке при воздействии низких температур окружающей среды. Процесс хранения теплоты продолжался в течение 14 ч при температуре наружного воздуха минус 17…19 оС.

Установить термопары во внутреннюю полость ТАФП, заполненную охлаждающей жидкостью, либо разместить их внутри теплоаккумулирующей капсулы в условиях эксплуатации трактора не удалось. Несомненно, это позволило бы получить достоверную информацию о тепловом состоянии ТАМа в любой момент времени и в любом режиме функционирования системы. Поэтому об эффективности ТАФП в процессе хранения теплоты в условиях эксплуатации трактора можно судить лишь по интегральным показателям, получаемым в процессе его разрядки.

По апробированной методике были проведены сравнительные испытания системы подогрева тракторного дизеля с раздельным и непосредственным впрыском топлива при температурах окружающей среды от минус 25 0С до 0 0С и определено время, в течение которого осуществляется надёжный пуск дизеля (рисунок 2.7).

По результатам испытаний [156] установлено, что для дизелей с раздельным впрыском легче осуществить предпусковую тепловую подготовку разрабатываемым методом. Это объясняется тем, что у дизелей с раздельным впрыском камера сгорания находится в головке блока. При организации предпусковой тепловой подготовки нагреваемая ТАФП жидкость поступает сразу в головку блока, а затем в рубашку блока цилиндров дизеля. Тем самым тепловые условия для самовоспламенения топлива в дизеле с разделённой камерой сгорания создаются быстрее на 3 … 6 мин. В дизелях с непосредственным впрыском камера сгорания находится в поршне. При организации предпусковой тепловой подготовки нагреваемая ТАФП жидкость поступает в рубашку блока цилиндров дизеля, а затем в головку блока. Поскольку камера сгорания находится в поршне, необходимо прогреть блок цилиндров и поршни. Поэтому условия для самовоспламенения топлива в дизеле с непосредственным впрыском создаются на 3 … 6 мин дольше. Этот вывод относится к дизелям, имеющим одинаковый объём охлаждающей жидкости в системе охлаждения. Опыт проведения экспериментальных исследований показал, что время предпусковой тепловой подготовки дизелей с турбонаддувом увеличивается на 3 … 5 мин при прочих равных условиях из-за наличия турбины.

Оценка термодинамического совершенства теплотехнического и теплового технологического оборудования систем на основе эксергетического подхода

Учёт необратимости процессов на основе второго закона термодинамики указывает направление протекания процессов и оговаривает условия взаимопревращения энергий различных форм. Так, например, энергии высокого по 63 рядка (механическую работу, электричество, излучение) можно полностью превратить в энергии низшего порядка (теплоту), но невозможно всю энергию низшего порядка целиком преобразовать в энергию высокого порядка. Практически возможно превратить только её часть, заплатив непревращённой частью за упорядочение превращённой части. По этой причине возникает вопрос о величине части энергии способной к преобразованию. Эта величина зависит от температур, при которых эта теплота передаётся, то есть от температур теплоисточника и теплоприёмника. Так как в большинстве случаев сток теплоты осуществляется в окружающую среду, параметры которой меняются весьма незначительно, то обратимость теплоты в работу будет определяться в основном температурой источника, с поправкой на незначительные изменения параметров окружающей среды. Такая функция, характеризующая обратимую часть энергии, получила название эксергия (работоспособность системы в условиях окружающей среды) [171].

Эксергия — часть энергии, равная максимальной полезной работе, которую может совершить термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой [172].

Эксергетический метод был предложен 1851 — 1854 гг. и благодаря своей простоте нашёл широкое применение в различных отраслях промышленности, где он успешно применяется, по сей день [56].

Эксергия положительна, при этом не имеет значение, кто является источником энергии, а кто приёмником. То есть тела с меньшей температурой, чем у окружающей среды также обладают положительной эксергией [57].

Для теплоты Q, передаваемой от источника с температурой Т в окружающую среду с температурой Т0 эксергия определится следующим образом: Ex = Q- 1—0 , Дж (3.1) V Т)

Определению параметров эксергии, а также других эксергетических функций посвящено множество работ отечественных и зарубежных учёных. В эксергетическом анализе главной функцией, характеризующей термодинамическое совершенство системы является эксергетический КПД, равный отношению суммы эксергий всех полезных выходящих из системы потоков к сумме эксергий всех входящих потоков (3.2). г/Е =- . (3.2) где: Ех// — сумма эксергий всех полезных, выходящих из системы, потоков. Ех. — сумма эксергий всех входящих в систему потоков. Таким образом, эксергетический метод имеет возможность определять эксергетический КПД системы, который более полно в отличие от энергетического КПД позволяет оценивать степень её совершенства.

Однако ввиду наличия дискуссионных моментов в теоретическом обосновании метода и его практических приложениях позднее в 1951 году начинает оформляться другой метод — энтропийный. Он появился благодаря попыткам анализировать термодинамические циклы эксергетическим методом. В результате было установлено, что снижение работоспособности системы, то есть потери эксергии связаны с производством энтропии. Скорость её производства получила название диссипативной функции а, занимающая центральное место в энтропийном подходе, (как г\Ех в эксергетическом методе) (3.3). dS т = — (3.3) dz где: S — энтропия системы, Дж/(кгград). т— время, с. Диссипативная функция возникает в связи с тем, что нет закона сохранения эксергии, по аналогии с энергией. Уравнение эксергетического баланса будет выглядеть следующим образом: У, Ех/ = У Ех// + У D (3.4) где: ED — суммарная потеря эксергии в системе, Дж. Таким образом, чем больше диссипация, тем меньше КПД системы. Это делает энтропийный подход хорошим инструментом для поиска направлений по конструктивному совершенствованию систем.

Несмотря на незначительные отличия этих двух методов их возможности и решаемые частные задачи разнятся. Разница этих методов относительно совершенствования технических систем заключается лишь в том, что эксергети-ческий метод определяет эксергию потоков и старается её максимизировать, а энтропийный метод определяет потери эксергии (производства энтропии) и пытается их минимизировать.

Достоинством эксергетического метода считается его привязка к реальным условиям, то есть к параметрам окружающей среды. В энтропийном методе такой чёткой привязки не прослеживается, что, по мнению ряда ученых, ограничивает его возможности анализа.

Достоинства энтропийного анализа, построенного на методе циклов, является возможность количественной характеристики степени необратимости как замкнутых, но и разомкнутых процессов.

Несмотря на простоту и наглядность эксергетического метода имеется ряд недостатков, таких как отсутствие простой связи между эксергетическими КПД каждого элемента системы с эксергетическим КПД всей системы, а также с перерасходом топлива обусловленным необратимостью протекающих в системе процессов. Кроме того эксергетический КПД для различных узлов имеет различную математическую запись.

По этим причинам в данной работе мы будем использовать для оценки термодинамического совершенства технических систем эксергетический КПД, а для разработки мероприятий по повышению термодинамического совершенства систем энтропийный метод.

Любая техническая система представляется для эксергетического анализа как объект (рисунок 3.1), в который входят и выходят эксергетические потоки. Эксергию могут нести потоки вещества (массы), а также эксергия может поступать без материального носителя, например излучение. Для определения численных значений величин этих эксергетических потоков необходимо, сначала определить соответствующие энергетические потоки. Отдельные случаи определения энергетических потоков рассмотрены во второй главе при составлении тепловых балансов. Затем, зная величину энергии каждого потока и характеристики условий его существования (например, для теплового потока это температура), определяем непосредственно значения эксергии потока.

Критерии и показатели термодинамического совершенства теплотехнического и технологического оборудования

Исследованиями установлено (рисунок 3.13), что индикаторная мощность с повышением температуры охлаждающей жидкости на дизеле 4Ч11/12,5 в испытуемом диапазоне температур увеличивается на 2,4%, причём в исследуемом диапазоне температур может быть достаточно точно описана линейной зависимостью [210]. Повышение индикаторной мощности обусловлено не только снижением потерь работоспособности рабочего тела, но и уменьшением зазоров в ЦПГ и как следствие снижением утечек рабочего тела через эти зазоры.

Мощность же механических потерь, как видно из рисунка 3.13 на номинальном режиме с повышением температуры охлаждающей жидкости вначале снижается, примерно до 115С градусов на 9%, а затем возрастает со 115С до 135С на 23%. Причём интенсивность дальнейшего нарастания значительно больше интенсивности предварительного спада. Такой характер данной кривой объясняется тем, что предварительный спад, как и его невысокая интенсивность обусловлены, прежде всего, изменением вязкостных свойств масла, применяемого для данного ДВС, которые зависят от температуры особенно сильно до 100С. Этим же объясняется и практическая неизменность мощности механических потерь в диапазоне температур от 110С до 120С. Дальнейшее воз 108 растание мощности механических потерь на 23% в диапазоне со 115С до 135С с повышением температуры охлаждающей жидкости, как и значительную интенсивность возрастания объясняются следующими обстоятельствами: a) жидкое при высоких температурах масло выдувается газами из зазоров между поршнем, кольцами и гильзой, вызывая граничное трение в ЦПГ, тем самым, увеличивая мощность, расходуемую на трение [211, 212]; b) при повышенных температурах увеличивается натяг соединения ЦПГ, причём как со стороны поршня, так и со стороны гильзы.

Характер изменения эффективной мощности зависит от двух выше рассмотренных мощностей: индикаторной и механических потерь. Можно констатировать, что максимум эффективной мощности на номинальном режиме для дизеля 4Ч11/12,5 наблюдается при температуре охлаждающей жидкости равной 115С, или в диапазоне от 111 до 119С.

Наихудшими условиями работы дизеля являются режимы с малыми рабочими температурами, для исследуемого диапазона порядка 60С. С повышением температуры охлаждающей жидкости с 60 до 115С наблюдается рост то-пливно-экономических и энергетических показателей. Интенсивность этого роста с повышением температуры замедляется, достигая нуля при температуре охлаждающей жидкости равной 115–119С. Здесь же, при данной температуре для номинального режима наблюдается максимум эффективной мощности 61,537 кВт, эффективного КПД 0,3698 и минимум удельного эффективного расхода топлива 229,066 г/кВтч.

Зависимость эффективного КПД от температуры охлаждающей жидкости (рисунок 3.14), подобна зависимости эффективной мощности (рисунок 3.13), в то время как индикаторный КПД с ростом температуры постоянно поднимается, хотя и не значительно. Так при температуре охлаждающей жидкости 115С его увеличение составило всего 1%. Механический КПД с увеличением температуры охлаждающей жидкости в начале возрастает на 3,6 % при 115С, а затем снижается на 2,9 % при 135С, обуславливая снижение и эффективного КПД.

Анализ теплового баланса дизеля 4Ч11/12,5 рисунок 3.15 показывает, что с повышением температуры охлаждающей жидкости до 115С количество теплоты отводимой через систему охлаждения снижается почти вдвое, что даёт возможность существенно снизить теплообменную поверхность радиатора, который выполнен из цветного металла. Однако такое значительное снижение теплоты, отводимой через систему охлаждения, не означает аналогичного по значению снижения потока теплоты от рабочего тела в стенки цилиндров. Дело в том, что при повышении температуры охлаждающей жидкости происходит перераспределение практически всех составляющих теплового баланса. Так, например, с ростом температуры охлаждающей жидкости увеличивается и темпе 111 ратура смазочного масла, то есть часть теплоты, которая отводилась через систему охлаждения, начинает отводиться через систему смазки. Это положение подтверждает и увеличение члена невязки теплового баланса с ростом температуры, так как специального охладителя для масла испытуемый ДВС не имел. Также из рассмотрения теплового баланса (рисунок 3.15) следует, что при увеличении температуры до 119С на номинальном режиме количество теплоты отводимой через систему охлаждения снижается на 38 % и повышается количество теплоты отводимое отработавшими газами на 8,7 %, а также их температура на 17,5С (рисунок 3.14). При этом возрастает количество теплоты, рассеиваемое нагретыми частями дизеля на 29,6 %.

Установлено, что оптимальной рабочей температурой охлаждающей жидкости в системе охлаждения тракторного дизеля, при которой обеспечивается наилучшие топливно-экономические и энергетические показатели тракторного двигателя, является температура 115С. Это подтверждено регулятор-ными характеристиками (рисунок 3.16).

Из установленной взаимосвязи между тепловым состоянием и топливно-экономическими и энергетическими показателями автотракторного дизеля для совершенствования управления его тепловым состоянием на эксплуатационных режимах можно рекомендовать систему охлаждения, поддерживающую рабочую температуру охлаждающей жидкости 115С с допустимыми колебаниями ±4С. Эффективная мощность при этом на номинальном режиме возрастает на 4,3%, а удельный эффективный расход топлива снижается на 3,9%. На долевых нагрузках повышение температуры охлаждающей жидкости даёт ещё больший эффект по всем рассмотренным показателям. Так, например, при нагрузке 75% от номинальной эффективная мощность возрастает на 4,6 %, при нагрузке 50% на 5,4 %, а при 25% на 7,4 %. Удельный эффективный расход топлива при нагрузке 75% снижается на 4,2% при нагрузке 50% на 4,9%, а при 25% на 6,7%.

Несмотря на ожидаемое снижение потерь эксергии в рабочем теле и как следствие увеличение индикаторной работы цикла, жёсткоть работы дизеля и максимальное давление цикла снижаются.