Содержание к диссертации
Введение
1. Целесообразность использования теплоты отработавших газов дизеля для обеспечения его топливом 15
1.1. Обзор существующих способов использования теплоты отработавших газов двигателей
1.2. Использование теплоты отработавших газов дизелей, работающих вблизи мест наличия углеводородного сырья 19
1.3. Принципиальная схема системы получения топлив использованием теплоты отработавших газов 23
1.3.1. Общие положения -
1.3.2. Принципиальная схема 24
1.3.3. Принципиальная схема нагревателя-разделителя 28
1.4. Цели и задачи работы 32
1.5. Выводы 33
2. Разработка методики расчета нагревателя-разделителя системы получения топлив использованием теплоты отработавших газов 34
2.1. Общие положения -
2.2. Эквивалентная углеводородная смесь 35
2.3. Уравнения фазовых переходов эквивалентной углеводородной смеси 38
2.4. Методика теоретического определения фракционного состава эквивалентной углеводородной смеси 41
2.5. Методика расчета процессов теплопередачи в нагревателе 44
2.5.1. Основные уравнения -
2.5.2. Уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи 46
2.5.3. Уравнения для определения давления углеводородного сырья в нагревательном элементе 52
2.6. Уравнения теплового баланса разделителя 53
2.7. Выводы 55
3. Экспериментальное исследование совместной работы дизеля и нагревателя-разделителя 56
3.1. Описание экспериментального стенда -
3.2. Порядок проведения и результаты экспериментальных исследований 59
3.2.1. Экспериментальное исследование на воде -
3.2.2. Экспериментальное исследование на газовом конденсате . 64
3.3. Исследование работы дизеля на полученном топливе 70
3.4. Выводы 73
4. Расчетно-теоретическое исследование совместной работы дизеля и системы получения топлив использованием теплоты отработавших газов 74
4.1. Определение оценочных показателей
4.2. Влияние конструктивных параметров нагревателя 76
4.3. Влияние температуры нагрева углеводородного сырья на производительность системы 80
4.4. Влияние режима работы дизеля 83
4.5. Влияние вида углеводородного сырья на производительность системы 91
4.5.1. Виды углеводородного сырья для исследования -
4.5.2. Светлые газовые конденсаты 93
4.5.3. Темные газовые конденсаты 97
4.5.4. Нефти 102
4.5.5. Выводы о влиянии вида углеводородного сырья 108
4.6. Влияние конструктивных факторов дизеля на характеристики его совместной работы с системой 110
4.6.1. Общие положения -
4.6.2. Влияние типа камеры сгорания -
4.6.3. Влияние газотурбинного наддува 114
4.6.4. Влияние степени сжатия 116
4.6.5. Влияние доли теплоты, передаваемой в систему охлаждения . 118
4.6.6. Выводы о влиянии конструктивных факторов дизеля 120
4.7. Расчет экономического эффекта от применения системы получения топлив использованием теплоты отработавших газов 121
4.8. Выводы 124
Результаты и выводы 126
Литература 128
- Использование теплоты отработавших газов дизелей, работающих вблизи мест наличия углеводородного сырья
- Методика теоретического определения фракционного состава эквивалентной углеводородной смеси
- Экспериментальное исследование на газовом конденсате
- Влияние температуры нагрева углеводородного сырья на производительность системы
Введение к работе
Актуальной проблемой двигателестроения является повышение эффективности ДВС и энергетических установок на их базе. Под эффективностью понимается способность двигателя или энергетической установки вырабатывать механическую и другие виды полезной энергии при наименьшей затрате материальных ресурсов. К основным показателям эффективности ДВС или установок на из базе относятся КПД, удельный расход топлива и стоимость единицы энергии, вырабатываемой двигателем или энергетической установкой.
При эксплуатации дизель-энергетических установок одну из самых значительных статей расходов составляют расходы на обеспечение дизеля топливом. Так, дизель-генераторная установка ДГУ-100 производства Челябинского тракторного завода, силовым агрегатом которой является дизель Д-180, за один год потребляет количество топлива, стоимость которого превышает цену самой дизель-генераторной установки. В большинстве случаев расходы на обеспечение дизеля топливом являются фактором, в наибольшей степени обуславливающим стоимость единицы вырабатываемой энергии, а значит, эффективность дизель-энергетической установки.
Поэтому важной задачей современного двигателестроения является повышение эффективности дизель-энергетических установок за счет снижение расходов на обеспечение их топливом. Традиционным путем решения проблемы является улучшение топливной экономичности дизелей, что достигается в первую очередь совершенствованием конструкции дизелей и их рабочих процессов, использованием систем утилизации теплоты ОГ, обеспечением оптимальных режимов работы и другими способами.
С другой стороны, снижения расходов на обеспечения топливом дизелей можно достичь путем уменьшения цены самого топлива. Например, все более распространенным подходом является использование газодизельных двигателей при наличии вблизи места работы дизеля природного или попутного газа [61, 65].
Другим способом, позволяющим существенно снизить расходы на обеспечение дизеля топливом, является получение дизельного топлива непосредственно на месте работы дизеля при наличии вблизи какого-либо вида жидкого УС: нефти или газового конденсата.
Для получения дизельного топлива широко используются методы прямой перегонки УС [10, 62]. При этом для выделения фракций дизельного топлива УС нагревается до высокой температуры, что требует значительных затрат энергии. В среднем для получения 1 кг дизельного топлива путем прямой перегонки необходимо затратить порядка 0,8-1,0 МДж энергии.
Вместе с тем, учитывая, что одной из наиболее весомых составляющих потерь теплоты, выделяющейся из топлива при работе дизеля, являются потери с ОГ, представляется целесообразным использование этой теплоты для нагрева УС с целью выделения из него дизельных топлив. Это возможно благодаря достаточно высокой температуре ОГ дизеля, составляющей 350-700 С на номинальном режиме работы, а также значительному количеству энергии, уносимой с ОГ, которое может достигать 40-50% от энергии, выделяющейся при сгорании топлива [3, 11, 24, 47].
Использование теплоты ОГ является одним из наиболее перспективных путей повышения эффективности дизель-энергетических установок, находящим все более широкое применение. Однако в отличие от ставших традиционными методов использования теплоты ОГ [1, 2, 23, 39, 41, 44, 79, 83, 100, 117, 120, 124] новый способ [78] позволяет не только более полно использовать энергию, выделяющуюся при сгорания топлива, но также уменьшить стоимость топлива, делая возможным существенное повышение эффективность дизель-энергетических установок, работающих вблизи мест наличия УС, проявляющееся в снижении стоимости единицы энергии, вырабатываемой дизелем.
Перспективность такого подхода к повышению эффективности дизелей и дизель-энергетических установок обусловлена тем, что Россия обладает значительными запасами различных видов УС, месторождения которого занимают большую площадь территории страны. Добыча УС активно ведется на севере центральной части России, в Сибири, на Дальнем Востоке, на Кавказе и
на Урале. Дизель-энергетические установки широко используются в качестве источников механической, тепловой и электрической энергии в этих регионах. В частности, дизель-генераторные, дизель-насосные и дизель-компрессорные установки активно применяются для обслуживания мест добычи УС или природного газа. Кроме того, в силу ряда обстоятельств, в последнее время в рассматриваемых районах страны наметилась тенденция к повышению роли малой энергетики, основу которой составляют дизель-энергетические установки, наряду с газотурбинными и паротурбинными энергетическими установками [61]. Таким образом, значительное количество дизелей уже сегодня работает в условиях наличия УС, и существует тенденция к увеличению числа таких дизелей в ближайшее время.
Дополнительные расходы на обеспечение топливом дизелей, работающих в этих районах, обуславливаются необходимостью доставки топлива к местам их работы. Во многих случаях доставка осложняется труднодоступностью регионов. Неблагоприятные метеорологические условия могут приводить к перебоям в снабжении дизелей топливом.
Таким образом, проблемы снижения расходов на топливо и повышения эффективности дизелей, работающих в районах, где есть в наличии УС, можно решить за счет применения систем получения топлив использованием теплоты ОГ (ПТИТОГ).
Однако до сих пор такие системы не разработаны и не изучены, в результате чего они не нашли применения, хотя потребность в них высока. Отсутствуют как принципиальные схемы таких систем, так и методики их расчета, а также данные о влиянии на работу таких систем различных факторов, обуславливающих степень повышения эффективности дизель-энергетических установок при применении систем ПТИТОГ.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности стационарных дизель-энергетических установок, работающих в условиях наличия углеводородного сырья.
На защиту выносятся следующие положения, отражающие научную новизну диссертационной работы:
новый способ повышения эффективности дизель-энергетических установок, а также обоснование возможности его осуществления и целесообразности;
методика расчета нагревателя-разделителя системы ПТИТОГ, позволяющая в полной мере учитывать его конструктивные особенности и определять фракционный состав получаемых в системе дизельных топлив;
результаты экспериментального исследования работы дизеля на получаемых в системе ПТИТОГ дизельных топливах; результаты исследования влияния на работу дизель-энергетической установки, оснащенной системой ПТИТОГ, различных конструктивных, эксплуатационных и режимных факторов;
результаты определения степени повышения эффективности дизель-энергетических установок при использовании систем ПТИТОГ.
Использование теплоты отработавших газов дизелей, работающих вблизи мест наличия углеводородного сырья
В нашей стране насчитывается несколько сотен месторождений УС - нефти [19, 20, 62] или газового конденсата [7, 32, 73, 89], на которых ведется его добыча и подготовка к транспортировке. На большинстве месторождений УС отличается достаточно высоким качеством [85, 86, 97]. Для удовлетворения потребностей технологического оборудования в различных видах энергии на местах добычи УС широко применяются ДВС, в основном дизели. Наиболее широко дизели используются для выработки электрической энергии в составе дизель-генераторных установок, а также для непосредственного привода различного оборудования, в частности, насосов, компрессоров, буровых установок. Мощности дизель-генераторных установок, применяемых на месторождениях УС, составляют от десятков киловатт до нескольких мегаватт. Кроме того, в последнее время одним из перспективных путей решения энергетических проблем страны стало развитие малой энергетики, что связано с рядом причин, в числе которых [44, 61]: - тенденция к децентрализации энергетического комплекса страны для повышения эффективности энергоснабжения и уменьшения потерь энергии при передаче; большой износ оборудования и линий электропередач энергетического комплекса страны, что обуславливает низкое качество и нестабильность снабжения электроэнергией удаленных потребителей; - развитие малого бизнеса, предпочитающего автономное энергоснабжение; - малые капитальные вложения при создании комплексов малой энергетики. Основными типами силовых агрегатов малой энергетики являются дизели и газотурбинные установки. Согласно прогнозам, доля малой электроэнергетики в ближайшие годы увеличится в несколько раз [61, 68]. Значительная потребность в средствах малой энергетики ощущается в районах, где имеется в наличие УС, в частности, в Сибири, на Дальнем Востоке, на севере европейской части России, на Кавказе.
Крайне актуальной задачей является снижение затрат на обеспечение подобных дизель-энергетических установок топливом, которые составляют наиболее значительную часть эксплуатационных расходов. Эффективность использования дизелей во многом определяется расходами на обеспечение их топливом. Например, основным показателем эффективности дизель-генераторной установки является стоимость единицы вырабатываемой электроэнергии (руб./кВт-ч), которая практически прямо пропорциональна расходу и стоимости дизельного топлива.
Проблема усугубляется тем, что дизели, работающие вблизи мест наличия УС, зачастую располагаются в труднодоступных районах, удаленных от населенных пунктов, что значительно затрудняет доставку к ним топлива, увеличивая его стоимость, причем, в некоторых случаях, затраты на доставку могут являться доминирующей составляющей в общем балансе расходов, определяющих стоимость топлива [32]. Кроме того, иногда доставка топлива возможна только в определенное время года или при определенных метеорологических условиях, что может вызывать перебои в снабжении дизелей топливом.
Снижение расходов на обеспечение рассматриваемых дизелей топливом за счет применения на них традиционных СУТОГ далеко не всегда является экономически оправданным мероприятием. Фактически, из перечисленных в пункте 1.1 систем внешней утилизации, применение нашли лишь СУТОГ, предназначенные для снабжения потребителей тепловой энергией. Но, как отмечалось выше, такой подход не позволяет снизить расходы на обеспечение топливом самого дизеля. Остальные системы утилизации отличаются сложностью и дороговизной, а их эксплуатация и обслуживание требует специально обученного персонала. В результате, повышение экономичности дизеля на 5-8% не позволяет окупить установку таких систем утилизации в экономически оправданные сроки, чем и обусловлено их крайне ограниченное применение на дизелях, работающих вблизи мест наличия УС.
Однако, при наличии вблизи места работы дизелей УС, целесообразным представляется использование теплоты ОГ не для выработки какого-либо вида энергии, а для производства дизельного топлива из УС непосредственно на месте работы дизеля. При таком подходе снижение расходов на топливо будет обусловлено не уменьшением его потребления дизелем, а снижением цены самого топлива, которое достигается за счет:
снижения себестоимости топлива, поскольку отпадает необходимость транспортировать его от места добычи к месту переработки, упрощается процесс переработки, исчезает необходимость сжигать часть топлива для нагрева УС до высоких температур; отсутствия необходимости доставки топлива к месту работы дизелей.
Например, средняя цена на дизельное топливо при его отгрузке на нефтеперерабатывающем заводе составляет 9,2 рубля за килограмм (данные интернет-портала NGE.RU на 28.07.04). С учетом доставки к месту работу дизеля эта цена может увеличиться в 1,5-2 раза в зависимости от района и способа доставки. Себестоимость нефти на российских месторождениях составляет 0,27-0,64 рубля за килограмм (данные интернет-портала NGE.RU). Таким образом, оценочная себестоимость дизельного топлива, получаемого непосредственно на месте работы дизеля, с учетом расходов на производство, составляет 0,75-1,0 рубля за килограмм. Следовательно, снижение расходов на обеспечение топливом дизеля может превышать 90%, что значительно больше аналогичных показателей для других способов утилизации теплоты ОГ.
Помимо снижения расходов на топливо такой подход позволяет обеспечить стабильность снабжения дизелей топливом вне зависимости от времени года и метеорологических условий. Кроме того, в этом случае дизель-энергетические установки могут использоваться в районах, где их применение было затруднено в связи с невозможностью доставки к ним топлива экономически оправданным способом.
Применение рассматриваемого способа использования теплоты ОГ целесообразно для снабжения жидким топливом газодизельных двигателей. В районах, где ведется добыча газа, обычно имеется в наличии жидкое УС. Получение из УС дизельного топлива за счет использования теплоты ОГ позволяет полностью исключить необходимость доставки жидкого топлива к газодизелю, дополнительно повысив эффективность энергетической установки на его базе.
Помимо традиционных дизельных топлив (ГОСТ 305-82) в настоящее время к использованию в дизелях допущены различные виды топлива ШФС, представляющего собой смесь фракций традиционного дизельного топлива с прямогонными бензиновыми фракциями. Многочисленные исследования [13, 14, 49, 52, 55, 58, 82, 88, 90, 91, 121] показали возможность улучшения качества и количества прямогонного дизельного топлива за счет расширения его фракционного состава. В наибольшей степени преимущества топлив ШФС проявляются при снабжении дизелей топливом, получаемым непосредственно вблизи места работы дизеля, поэтому, в рамках данной работы, топлива ШФС рассматриваются как наиболее перспективный вид топлива для дизелей.
Методика теоретического определения фракционного состава эквивалентной углеводородной смеси
Важной характеристикой различных углеводородных жидкостей, широко применяемой на практике, является фракционный состав [10, 33, 84]. Он отражает зависимость доли жидкости, испарившейся при определенных условиях, от температуры. Обычно фракционный состав выражается температурами начала кипения tHK, температурами выкипания 10, 20, 30, ..., 90, 96 % жидкости по объему или по массе (соответственно) a также температурой конца кипения tKK.
В химмотологической практике накоплен значительный экспериментальный материал о влиянии фракционного состава на свойства дизельных топлив, а также о влиянии фракционного состава топлив на характеристики дизеля. Имеются многочисленные зависимости, которые позволяют определить цетановое число [106], температуры вспышки, застывания и воспламенения топлива, давление насыщенных паров в зависимости от фракционного состава [7, 33, 28, 67, 72, 93, 95]. Наиболее распространенным методом лабораторного определения фракционного состава является периодическая дистилляция. Метод стандартизован (ГОСТ 2177-82) и широко распространен. Поэтому для удобства анализа результатов расчета системы ПТИТОГ с использованием методики расчета, целесообразно включить в нее уравнения, позволяющие теоретически определять фракционный состав ЭУС при периодической дистилляции исходя из ее компонентного состава. Уравнения, приведенные в п. 2.3, позволяют рассчитывать процессы непрерывной дистилляции. При расчете периодической дистилляции следует учитывать, что испарившиеся компоненты сразу же отводятся из зоны раздела фаз, что интенсифицирует испарение легких фракций, существенно влияя на долю испарившейся ЭУС. Кроме того, происходит непрерывное уменьшение количества вещества в жидкой фазе. Обозначим отношение текущего количества жидкости к начальному гж. Расчет фракционного состава ЭУС при периодической дистилляции проводится в следующей последовательности. Сначала с использованием уравнения (2.10) определяется температура начала кипения tHK. Выбирается шаг расчета At, и температура увеличивается на значение шага. При каждом новом значении температуры жидкость и пар приходят в новое состояние равновесия. Проводится расчет доли испарившейся жидкости D и составов фаз xt и yt по уравнениям (2.5) и (2.6). Однако, в отличие от расчетов непрерывной дистилляции, доли компонентов х не остаются постоянными, а для каждой новой температуры t принимаются равными текущим долям xh что отражает явление постепенного «выпаривания» компонентов из жидкости. Зависимость V(t) и есть выражение фракционного состава ЭУС, определенного методом периодической дистилляции. Для оценки степени адекватности замены реального УС на ЭУС в качестве критерия целесообразно выбрать степень совпадения фракционных составов этих жидкостей. Фракционный состав является характеристикой, отражающей реальный состав углеводородной жидкости, а также показатели ее испаряемости, поэтому при совпадении фракционных составов УС и ЭУС можно считать замену адекватной в рамках разрабатываемой методики расчета. Фракционный состав реального УС определяется в лаборатории. Для расчета фракционного состава ЭУС применяется изложенный выше метод. Количественно степень совпадения этих характеристик можно оценить с помощью дисперсии: где Ґхх - температуры tHK t,0, t20, t30 ..., t90, t96, tKK для реального УС, С; txx- то же для ЭУС; N- количество точек характеристики фракционного состава. Доверительный интервал для температур при уровне значимости 0,05 составляет: Обычно лабораторная точность измерения температур, определяющих фракционный состав, не превышает 8изм-\-2 С. Поэтому, если выполняется условие: то замену УС на ЭУС следует признать адекватной. Если условие (2.13) не выполняется, то необходима корректировка компонентного состава ЭУС. Изменение доли любого компонента ЭУС приводит к искажению всей характеристики фракционного состава. Поэтому для систематического поиска долей отдельных компонентов целесообразно применить следующую методику. Зададимся шагом приращения доли отдельного компонента Лх . При этом доля остальных компонентов уменьшается в равной степени на величину Ax/Ji/(N-1). Для всех і вычислим изменение дисперсии (As21) І при изменении доли /-ГО компонента на величину шага. Среди совокупности значений изменений дисперсии (As2 J І выберем наименьший отрицательный. Именно изменение доли компонента, соответствующему этому изменению, способствует максимальному приближению фракционного состава ЭУС к фракционному составу реального УС. Для нового значения дисперсии s2t вычисляем значение доверительного интервала и проверяем выполнение условиях (2.13). Если оно не выполняется, расчет проводится заново. Если после выполнения нескольких расчетов все изменения дисперсией оказываются положительными, но условие (2.13) все равно не выполняется, это свидетельствует о недостаточном количестве компонентов эус или о неправильном задании характеристик отдельных компонентов. В этом случае следует добавить несколько компонентов, проверить правильность задания их свойств и повторить расчет заново. Зачастую наибольшее несоответствие фракционных составов УС и ЭУС обусловлено тем, что в реальном УС содержатся компоненты, температуры кипения которых либо значительно ниже, либо значительно выше пределов выкипания УС. Поэтому после определения первоначального компонентного состава ЭУС на основании данных о фракционном составе по истинным температурам кипения, необходимо добавить несколько компонентов с температурами кипения tsi, выходящими за интервал выкипания реального УС. Определение долей этих компонентов осуществляется с использованием изложенной методики корректировки состава ЭУС.
При разработке методики расчета целесообразно предусмотреть возможность расчета характеристик нагревателя при использовании в качестве нагреваемого теплоносителя не только УС, но и воды. Теплофизические свойства воды хорошо известны [40]. В то же время, вода является негорючим веществом. В результате, вода является подходящим теплоносителем для проведения испытаний системы ПТИТОГ, а также для экспериментальной проверки методики расчета процессов теплоотдачи от ОГ к нагревательному элементу. Кроме того, составленная методика расчета в этом случае применима для расчета СУ ТОГ, в которых происходит передача теплоты ОГ к воде.
Экспериментальное исследование на газовом конденсате
Коэффициент запаса топлива ХТ. Равен отношению количества дизельного топлива, выработанного системой, к количеству топлива, потребленному дизелем за это же время: Коэффициент запаса топлива является одним из наиболее важных показателей эффективности системы ПТИТОГ, поскольку позволяет оценить, насколько полно система удовлетворят потребности дизеля в топливе. Расчетно-теоретическое исследование проводилось при оснащении системой ПТИТОГ дизеля Д-180, работающего в составе дизель-генераторной установки ДГУ-100. Характеристики дизеля и установки приведены приложении 1. Нагреватель является элементом системы ПТИТОГ, в наибольшей степени определяющий ее максимальную производительность и эффективность, в частности, степень утилизации теплоты ОГ дизеля, равную коэффициенту полезного действия нагревателя т]нагр. Оценка влияния конструктивных параметров нагревателя производилась на номинальном режиме работы дизеля. Основные конструктивные параметры нагревателя в базовом варианте приведены в приложении 1.
При оценке влияния конструктивных параметров нагревателя-разделителя на эффективность системы внимание уделялось гидравлическому сопротивлению проточной части нагревателя, которое не должно превосходить определенного значения. Так, для дизеля Д-180 общее сопротивление системы выпуска ограничивается величиной 5 кПа, поэтому, с учетом сопротивления соединительных и выхлопных патрубков нагревателя-разделителя, гидравлическое сопротивление проточной части нагревателя не должно превышать 2,1 кПа.
Существенное влияние на работу нагревателя оказывает площадь его проточной части Fx (см. рис. 4.1, где / =0,0145 м2 - площадь проточной части базового варианта). При уменьшении площади проточной части при фиксированном режиме работы дизеля происходит существенное увеличение средней скорости движения ОГ в нагревателе. При этом увеличиваются коэффициенты теплоотдачи от ОГ к нагревательному элементу, в результате чего возрастает мощность теплопередачи и КПД нагревателя. Однако увеличение скорости ОГ приводит к значительному повышению гидравлического сопротивления нагревателя, причем, темпы роста гидравлического сопротивления существенно превышают темпы увеличения КПД. Так, при уменьшении относительной площади Fx/F6aj со 180% до 40%, скорость ОГ повышается в 3 раза, коэффициент теплоотдачи от ОГ к нагревательному элементу в 2,7 раза, КПД нагревателя в 1,36 раза, а гидравлические сопротивления в 14 раз.
В связи с этим, повышение эффективности системы ПТИТОГ за счет уменьшения площади проходного сечения проточной части нагревателя следует признать нецелесообразным. В то же время, слишком большие значения площади проходного сечения, обеспечивая малые гидравлические сопротивления проточной части, могут привести к достаточно резкому падению эффективности нагревателя при работе дизеля на режимах частичных нагрузок, когда уменьшается расход и температура ОГ.
Допустимое значение скорости движения ОГ в узких сечениях проточной части нагревателя из условия обеспечения приемлемых гидравлических сопротивлений потоку ОГ лежит в пределах от 35 до 60 м/с и зависит от ряда конструктивных параметров нагревателя, например, количества витков іш.
Другим конструктивным параметром нагревателя, влияющим на эффективность и производительность системы ПТИТОГ, является площадь наружной поверхности теплоотдачи нагревателя. Изменение этого параметра может быть достигнуто различными способами, основными среди которых являются: изменением количества витков змеевика ізм, изменением диаметра средней линии змеевика D3M, изменением наружного диаметра трубы змеевика d2.
Оценим влияние площади теплопередачи нагревателя Fmo на его характеристики при различных способах изменения площади. При исследовании температуру нагрева УС в нагревателе задавалась равной =250 С, а гидравлическое сопротивление проточной части - ЛРог=2,\ кПа за счет варьирования площади Fx проточной части.
Пределы изменения площади теплопередачи составили 1,20 ... 3,22 м2 (78-209% относительно базового варианта), что достигалось изменением количества витков в пределах 25 ... 67, диаметра средней линии в пределах 152 ... 365 мм, диаметра трубы змеевика в пределах 19 ... 52 мм. При варьировании одного параметра остальные соответствовали значениям базового варианта.
Было выявлено, что изменение количества витков ізм и изменение диаметра средней линии змеевика D3M оказывают одинаковое влияние -на производительность системы по УС: при одинаковой площади теплопередачи разница в расходе УС не превышала 2%, поэтому на рисунке 4.2 зависимости для этих двух случаев отражены общей кривой 1.
При этом в обоих случаях при увеличении площади теплопередачи происходило возрастание гидравлического сопротивления проточной части, для поддержания которого на заданном уровне приходилось увеличивать площадь проточной части нагревателя. При увеличении диаметра средней линии змеевика D3M повышение гидравлических сопротивлений объяснялось увеличением угла набегания потока ОГ на витки змеевика (угол изменялся от #=20 при Fmo=l,2 м до 9=30приі о=3,22м2). В результате, при изменении площади теплопередачи в указанных пределах за счет изменения ізм или D3M мощность нагревателя 2нагр изменялась от 38 кВт до 62 кВт, коэффициент полезного действия нагревателя г]нагр - от 33 % до 54 %, коэффициент запаса топлива Х,т при доле отбора дизельного топлива d()ll 0,5 и одностадийной переработке - от 5,3 до 8,6.
Влияние температуры нагрева углеводородного сырья на производительность системы
Но дизели с различными типами камер сгорания могут работать при различных минимальных значениях коэффициента избытка воздуха amin.
Обеспечивая хорошее качество смесеобразования, вихрекамеры делают возможной бездымную работу дизеля при коэффициенте избытка воздуха amin=l,2-\,4. Полуразделенные камеры сгорания, в частности ЦНИДИ, для бездымной работы требуют коэффициента избытка воздуха не менее amin-l,4-1,8. Минимальные коэффициент избытка воздуха для неразделенных камер сгорания обычно составляют 1,6-2,0 [24, 65].
Вместе с тем, дизели с разделенными камерами сгорания отличаются повышенными потерями теплоты в систему охлаждения, которая на 10-25% больше [24], чем у аналогичных дизелей с полуразделенными и неразделенными камерами сгорания. В результате, при одинаковых значениях коэффициента избытка воздуха, дизели с разделенными камерами сгорания работают с существенно меньшими температурами ОГ. Кроме того, дизели с разделенными камерами сгорания отличаются худшей топливной экономичностью.
Анализ количественных данных позволяет сделать вывод, что при значениях коэффициента избытка воздуха, близких к минимально допустимому amin, дизели с полуразделенными и неразделенными камерами сгорания обеспечивают примерно одинаковые коэффициенты запаса топлива. Дизели с разделенными камерами сгорания в среднем обеспечивают несколько меньшие значения коэффициентов запаса топлива. Это объясняется тем, что при прочих равных условиях при одинаковой температуре ОГ дизели с разделенными камерами сгорания расходуют больше топлива, что обусловлено их худшей топливной экономичностью. В таблице 4.8 приведены обобщающие сведения о влиянии типа камеры сгорания дизеля на работу системы ПТИТОГ при работе дизеля на номинальном режиме с минимально возможным коэффициентом избытка воздуха amin. Данные о коэффициенте запаса топлива приведены в процентах относительно коэффициента запаса топлива при использовании полуразделенной камеры СГОраНИЯ Лт (полуразд)- Вместе с тем, разделенные камеры сгорания обеспечивают эффективную и надежную работу дизеля на различных видах топлива, включая бензины. Это может быть важным достоинством для дизеля, оснащенного системой ПТИТОГ, который работает на топливах с повышенным содержанием легких бензиновых фракций. Однако многие современные дизели с полуразделенными камерами сгорания также могут эффективно и надежно работать на топливах с повышенным содержанием бензиновых фракций, что достигается за счет реализации модели объемно-пленочного смесеобразования [59]. Таким образом, для оснащения системой ПТИТОГ в наибольшей степени подходят дизели с полуразделенными камерами сгорания, позволяющие получить большие коэффициенты запаса топлива и хорошие показатели многотоп ливности. Важно отметить, что в качестве стационарных дизелей, работающих в составе дизель-энергетических установок, в большинстве случаев используются дизели с газотурбинным наддувом. В этом случае даже на номинальном режиме дизель не всегда работает с минимально допустимым коэффициентом избытка воздуха, что отражается на температуре ОГ и производительности системы ПТИТОГ [87]. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен в п. Наличие газотурбинного наддува позволяет повысить плотность воздушного заряда в цилиндре дизеля. В результате, при прочих равных условиях, повышение давления наддува приводит к изменению теплового баланса дизеля: уменьшается доля теплоты q0XJI, отводимая в систему охлаждения, и повышается доля теплоты qoe, уносимая с ОГ [24, 87]. Поэтому, несмотря на совершение ОГ работы на турбине турбокомпрессора, при увеличении степени повышения давления в компрессоре лк и постоянном коэффициенте избытка воздуха а температура ОГ растет (рис. 4.19). При этом у дизелей, оснащенных ОНВ, с увеличением давления наддува температура ОГ растет быстрее, поскольку охлаждение поступающего воздуха еще больше увеличивает его плотность. Также при повышении давления наддува происходит рост количества ОГ, поэтому для сохранения гидравлического сопротивления проточной части нагревателя необходимо увеличивать площадь ее поперечного сечения Fx. В результате, при повышении давления наддува производительность системы ПТИТОГ растет. Однако растет и расход топлива Gm, потребляемого дизелем. Поэтому коэффициент запаса топлива Xj изменяется незначительно (см. рис. 4.19), в пределах 15%. При этом, после достижения лк некоторого значения, дальнейшее повышение давления наддува приводит к плавному падению коэффициента запаса топлива как в случае дизеля с ОНВ, так и без ОНВ.
Вместе с тем, как уже отмечалось, многие дизели, оснащенные системой наддува, на номинальном режиме работают с коэффициентами избытка воздуха, существенно превышающими минимально допустимое значение. Например, дизель Д-180 на номинальном режиме имеет степень повышения давления в компрессоре жк=\,9 и коэффициент избытка воздуха а близкий к 2,0. Это связано с тем, что дизель не оснащен системой перепуска ОГ, поэтому для обеспечения необходимой производительности турбокомпрессора на малых частотах вращения коленчатого вала, проходное сечение соплового аппарата турбины выбрано из расчета создания достаточного давления наддува на низких частотах вращения. При этом с повышением частоты вращения коленчатого вала увеличивается расход ОГ, что приводит к существенному росту давления наддува и, как следствие, повышению коэффициента избытка воздуха. В результате, температура отработавших газов tozo дизеля Д-180 при частоте вращения и=1250 мин"1 составляет 400 С, тогда как при частоте вращения «=625 мин"1 приближается к 500 С.
