Содержание к диссертации
Введение
1. Методика оптимизации и анализа бинарного цикла комбинированной автотракторной силовой установки 13
1.1. Особенности работы комбинированного двигателя внутреннего сгорания с системой вторичного использования теплоты и задачи исследования 13
1.2. Математическая модель комбинированного дизеля с бинарным циклом 23
1.3. Методика проведения экспериментального исследования на опытном модуле двигателя 35
1.3.1. Экспериментальная установка и программа исследования на опытном модуле 35
1.3.2. Выбор основных параметров цикла Ренкина при моделировании систем утилизации 42
1.3.3. Методика построения номограмм 44
1.4. Методика оптимизации рабочего процесса комбинированного дизеля с бинарным циклом 56
1.5. Методика анализа рабочего процесса комбинированного дизеля с системой вторичного использованиятеплоты по приросту энтропии системы 66
1.5.1. Методы анализа рабочего процесса, применяемые в ДВС и их энергетические схемы 66
1.5.2. Определение эксеpreтических потерь методом балансов анергии 71
1.5.3. Анализ рабочего процесса комбинированного ДВС
с бинарным циклом по приросту энтропии системы. 75
2. Оптимизация и анализ рабочего процесса комбинированного дизеля с бинарным циклом и водой в качестве рабочего тела в системе вторичного использования теплоты 82
2.1. Зависимость эффективных показателей комбинированного дизеля с бинарным циклом от определяющих термодинамических параметров системы утилизации ... 82
2.2. Зависимость показателей комбинированного дизеля с бинарным циклом от номинальной мощности силовой установки 108
2.3. Особенности работы системы газотурбинного наддува силовой установки с бинарным циклом 114
Сравнительный анализ рабочего процесса комбинированного дизеля с разжчными рабочими телами в системе вторичного использования теплоты 129
3.1. Оптимизация и сравнительный анализ рабочего процесса комбинированного дизеля с бинарным циклом и рабочими телами: вода, фреон-П, фреон-21, фреон-318 129
3.2. Оценка эффективности комбинированного дизеля в зависимости от его энергетической схемы 145
3.2.1. Влияние регенератора двигателя Ренкина на эффективные показатели комбинированной авто тракторной силовой установки с бинарным циклом 145
3.2.2. Эффективность автотракторной силовой установки с бинарным циклом на турбокомпрессорных режимах номинальной мощности ...153
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 157
3.3. Эффективность системы вторичного использования теплоты на частичных режимах работы ДВС ..159
3.3.1. Методика упрощенного расчета системы вторичного использования теплоты на переменных режимах ДВС 161
3.3.2. Работа силовой установки с бинарным циклом на режимах нагрузочных характеристик ДВС .167
3.3.3. Оценочный и среднеэксплуатационный расход топлива комбинированной силовой установки с бинарным циклом 174
3.4. Пример утилизации теплоты отработавших газов и охлаждающей жидкости 177
3.5. Оценка погрешностей 183
3.5.1. Погрешности измерений на опытном модуле:, дизеля 4ЧНІ2/І4 183
3.5.2. Оценка адекватности эмпирических зависимостей примененных в оптимизационном исследовании 188
3.6. Оценка эффективности использования силовой установки с бинарным циклом 191
Заключение 196
Список использованных источников
- Особенности работы комбинированного двигателя внутреннего сгорания с системой вторичного использования теплоты и задачи исследования
- Экспериментальная установка и программа исследования на опытном модуле
- Зависимость эффективных показателей комбинированного дизеля с бинарным циклом от определяющих термодинамических параметров системы утилизации
- Оптимизация и сравнительный анализ рабочего процесса комбинированного дизеля с бинарным циклом и рабочими телами: вода, фреон-П, фреон-21, фреон-318
Введение к работе
Экономическая стратегия и тактика Коммунистической партии Советского Союза, определенная на ХХУІ 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 ШКТИД (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 4ЧНІ2/І4.
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-ЧНІ2/І4.
Результаты проведенного исследования отражены в отчетах кафедры ДВС ХПИ им В.И.Ленина "Создание комбинированного адиабатного двигателя внутреннего сгорания" Ш 859, й 860, Ш 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 .
Использование системы утилизации позволяет несколько разгрузить поршневой двигатель, что повышает надежность его работы.
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-І / 3, с.256 /.
ЦНИДИ для дизелей мощностью от 70 кВт до 550 кВт создал серию котлов-утилизаторов /6,с.218/. Работы по вторичному использованию теплоты ОГ и 01 для дизелей типа Д-70 и Д-100 велись совместно кафедрой ДВС Харьковского политехнического инсти тута имени В.И.Ленина и заводом имени В.А.Малышева.
Оценивая зарубежный опыт в данной области, необходимо указать на работы корпорации Термо-Электрон {Thermo Electron ) (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 Ыд = 244 кВт при /1= 2100 мин"1 (у базового дизеля ftJe = 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 ( Fiai ) (Италия )/15/, МАИ ( MAN) (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 А Л/ = 0,01 - 0,03 кВт на I кВт мощности дизеля, а с применением ВТО (tfax = 120С) 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 ДЛ/ составил порядка 0,15 кВт/кВт / 18 /.
Экспериментальная установка и программа исследования на опытном модуле
Для проведения экспериментальных исследований по теме № 27878, выполняемой в свете постановления Государственного Комитета СССР по науке и технике № 375 от 8 сентября1980 года, была создана экспериментальная установка, позволяющая проводить исследования рабочего процесса комбинированного дизеля с системой утилизации. Подробное описание установки и ее схема даны в / 29 / В данном пункте отметим только основное.
Экспериментальная установка выполнена на базе дизеля 4ЧНІ2/І4- (типа СВД) без турбокомпрессора, вентилятора, воздухоочистителя и глушителя. На поршневом двигателе установлены:угол опережения впрыска топлива S равный 23 градусам поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки, степень сжатия = = 13,5. В установку также входят системы питания дизеля топливом, впуска воздуха и выпуска отработавших газов, двухконтурные охлаждения масла, воды, наддувочного воздуха, эксплуатационных и специальных измерений, пуска двигателя. Наддув ДВС осуществляется автономным ротационным компрессором. Дроссельные заслонки, установленные на системах впуска воздуха и выпуска отработавших газов,позволяют имитировать влияние на модуль поршневого двигателя систем утилизации и компрессора наддувочного воздуха.
Система впуска обеспечивает работу ДВС с давлением наддува р$ в пределах (0,1-0,3) МПа, температурой воздуха перед клапанами Ts - (300-430) К, система выпуска с давлением отработавших газов в выпускном коллекторе р.т - ( 0,1-0,4) МПа.
Системы специальных и эксплуатационных измерений дизеля предусматривают измерения крутящего момента двигателя, часового расхода топлива, частоты вращения коленчатого вала, температур воды и масла на входе и выходе из ДВС, а также во вторичном контуре охлаждения, расхода воды во вторичном контуре охлаждения, давлений масла в главной магистрали, температур и давлений наддувочного воздуха во впускном коллекторе, температур и давлений отработавших газов на входе в газосборник турбины 1,4 и 2,3 цилиндров, температур воздуха перед и после мерного сопла, перепад давлений на мерном сопле давлений картерных газов, атмосферных условий. Кроме того, с помощью пневмо-электрического индикатора МАй-2 предусмотрено индицирование 4-го цилиндра ДВС. Все измерения выполнены в соответствии с ГОСТ 18509-80.
Программа исследования на опытном модуле двигателя разработана с применением математического планирования эксперимента в соответствии с / 30,31 /. За основу был взят дробный центральный композиционный ротатабельный план второго порядка типа 5 . Получение уравнений регрессии, анализ их достоверности и расчет необходимых режимов велись с помощью алголпрограммы, разработанной на кафедре ДВС ХПЙ им.В.И.Ленина для цифровой ЭВМ М-222.
В табл.1.4 приведены выбранные варьируемые параметры, их кодовые обозначения, диапазон изменения и размерность, а в табл. 1.5 план-матрица экспериментального исследования.
Независимыми параметрами (табл.1.4, 1.5) в эксперименте установлены: давления и температура наддувочного воздуха перед впускными клапанами р-$ и t$, давление и температура отработавших газов на входе в газосборник турбины р-т и Гт, а также частота вращения коленчатого вала П .
Диапазон изменения варьируемых параметров (табл.1.4) выбран исходя из необходимости обеспечения исследования различных номиу нальных режимов комбинированного ДВС с системой ВИТ при его совместной работе как со свободным турбокомпрессором, так и силовой газовой турбиной.
Рандомизация в данном экспериментальном исследовании была обеспечена тем, что при снятии режимов (табл.1.5) на поршневом двигателе их порядок устанавливался случайным образом.
Зависимость эффективных показателей комбинированного дизеля с бинарным циклом от определяющих термодинамических параметров системы утилизации
Покажем влияние давления и температуры водяного пара перед турбиной двигателя Ренкина, давления рабочего тела после нее и температуры отработавших газов после парогенератора на эффективность силовой установки, использовав для этой цели разработанную автором математическую модель (подраздел 1.2). Кроме того, в данном подразделе с помощью методики оптимизации определяющих параметров бинарного цикла номинальных режимов силовой установки автотракторного типа на основании обработки экспериментальных данных покажем влияние fi-f/р-г ( flz = 0,11 МПа = const) на минимальный удельный эффективный расход топлива geyrnin.
Основные параметры бинарного цикла силовой установки, принятые в расчетном исследовании, приведены в табл.2.I, а некоторые результаты этого исследования проиллюстрированы на рис.2.1 -- 2.12.
На рис.2.1-2.3 представлены зависимости, характеризующие влияние давления рабочего тела двигателя Ренкина /у на показатели бинарного цикла силовой установки.
Изменение составляющих баланса работ в абсолютных и относительных долях показано соответственно на рис.2.La и 2.1.6. Приведенные зависимости свидетельствуют, что с увеличением давления /1-/ от 0,5 до 2,5 МПа доля работы паровой турбины возрастает на -2,05 %. Так как мощность оиловой установки остается неизменной ( hJeu- 121,3 кВт = const ), то увеличение работы паровой турбины системы утилизации разгружает дизель и, как следствие этого, необходимое количество теплоты, внесенной в двигатель с топливом ( Qx ), уменьшается, а эффективный к.п.д. комбинированной силовой установки увеличивается на 1,72 %. В исследовании принято, что работа условного узла механизмов двигателя
L/wn= 0,305 кДж/цикл = const ( /гМд = 0,18 МПа), поэтому уменьшение QJC обусловливает увеличение Амп , а также снижение эффективного к.п.д. поршневого двигателя. Незначительное снижение работы газовой турбины вызвано уменьшением температуры Тт , которая убывает по мере разгрузки ДВС. й хотя доля работы газовой турбины ( йп ) растет, доля силовой турбины (Лет) имеет тенденцию к уменьшению. Разность между увеличением Апт и ростом V, равная 2,05-1,72 = 0,33 %, идет на покрытие дополни-тельно возникших потерь.
На рис.2.2 приведены эффективный к.п.д. СУ и его составляющие, выраженные через относительные величины прироста энтропии системы (рис.2.2.а), а также удельный эффективный расход топлива комбинированного ДВС с системой ВИТ и топливные эквиваленты, соответствующие ASL (рис.2.2.б).
Из рис.2.2.а видно, что главное влияние на характер изме-нения Іщ в зависимости от /Z--/ оказывает величина дБ которая уменьшается на 2,32 %, покрывает при этом увеличение AS na 0,45 % и ASn/yHa 0,16 %, В результате увеличивается на 1,72 %.
Несмотря на увеличение ЛSe,топливной эквивалент потерь эксергии по поршневому двигателю (рис.2.2.б) уменьшается с 89,2 до 86,5 г/(кВт.ч ), что определяется согласно уравнению (2.5 ) изменением 0. . С увеличением /Zy в пределах расчетного исследования топливный эквивалент &9т изменяется с 25,09 до 19,43 г/(кВт.ч ).
Так как с увеличением flj уменьшение потерь эксергии по системе вторичного использования теплоты комбинированного ДВС оказывает определяющую роль в формировании Ъри , рассмотрим ха-рактер изменения Л Si по узлам двигателя Ренкина (рис.2.3. а) и их топливные эквиваленты (рис.2,3. б). Отметим, что снижению потерь эксергии во всех узлах системы утилизации способствует уменьшение количества рабочего тела, происходящее пропорционально увеличению давления Д/
Оптимизация и сравнительный анализ рабочего процесса комбинированного дизеля с бинарным циклом и рабочими телами: вода, фреон-П, фреон-21, фреон-318
Дальнейшее усложнение схемы комбинированной СУ за счет постановки вместо ТК силовой газовой турбины позволяет еще дополнительно уменьшить йщ на {2.-6) гДкВт.ч).
Лучшие показатели величины удельного эффективного расхода топлива имеет комбинированный ДВС с силовой газовой турбиной и двигателем Ренкина с регенератором. Применение такой схемы позволит уменьшить на номинальном режиме Qst, на (16-25,2) гДкВт.ч) при /1 = 0,5 МПа и на (23-) гДкВт.ч) при П.J = 4,0 МПа. По сравнению с силовой установкой, состоящей из ДВС, турбокомпрессора и двигателя Ренкина без регенератора, снижение Ощ достигается на (3,8-6,3) гДкВт.ч).
В целом данные табл.3 2 позволяют на первом этапе создания адиабатного дизеля рекомендовать промышленности схему комбинированной СУ с бинарным циклом, состоящей из ДВС, турбокомпрессора и двигателя Ренкина без регенератора. По сравнению с другими схемами систем ВИТ она является наиболее простой и позволяет значительно уменьшить Qeu . Далее,по мере совершенствования рабочего процесса комбинированного ДВС с бинарным циклом, а также узлов его системы ВИТ,можно за счет усложнения схемы утилизации дополнительно получить снижение Ощ на (3-6) гДкВт.ч).
В заключение отметим, что полученные результаты справедливы для принятых в ходе моделирования к.п.д. компрессора, газовой и паровой турбин, а также других параметров.
Общеизвестно, что в эксплуатации автотракторные ДВС на номинальном режиме работают незначительное время. Так, например, по данным НИКТИД / 64 / в течении годового цикла тракторный дви гатель работает во всем диапазоне крутящего момента, причем 33-52 % рабочего времени с коэффициентом загрузки менее 0,6. Поэтому,при разработке автотракторной силовой установки с бинарным циклом актуальным является вопрос эффективности системы утилизации на частичных режимах поршневого двигателя.
Вначале укажем, что хотя в ряде трудов советских и зарубежных авторов приведена оценка эффективности системы вторичного использования теплоты по характеристике комбинированного ДВС /2, 43 / и другие, однако эти данные могут служить лишь первичным ориентиром. Во-первых, в подавляющем большинстве они относятся к судовым и стационарным СУ, во-вторых, в ряде случаев оценка выполнена с грубыми допущениями. Кроме того, данные по агрегатам системы ВИТ автотракторных комбинированных ДВС с бинарным циклом скудны (зарубежные источники),в связи с этим автор вынужден был использовать характеристики подобных агрегатов.
В настоящем подразделе автор поставил цель ответить на вопрос-как будет работать система вторичного использования теплоты на долевых режимах ДВС, где для исследуемой силовой установки с бинарным циклом проходит граница, отделяющая зону в которой система ВИТ дает положительный эффект, и зону, в которой она должна быть отключена. Причем, моделируя систему утилизации на переменных режимах работы ДВС необходимо учитывать изменение к.п.д. паровой турбины, давления перед расширительной машиной системы ВИТ, мощности, затрачиваемые на привод подкачивающего насоса и вентилятора конденсатора, так как в противном случае будет искажен результат.
Для системы вторичного использования теплоты баланс работы будет иметь вид / = / L -L (3-i ) ивит ипт вк ипн В общем случае применительно к схеме рис.1.4.а U = f(Ti,IH,Tss,lm,Qn, {) (3.2) Было принято, что теплоотвод в стенки ПГ составляет 3 % ( -4( = 0,97 ), а потери давления в парогенераторе порядка 10 % от /2у , то есть /Zse = р" /о,903 Температура Т55 принята равной 343 К. Кроме того,было условлено, что система регулирова ния расхода воды в двигателе Ренкина построена таким образом, чтобы обеспечить Тух = 423 К, что определило Qn= (JOT-ХД
Дополнительно, автором проанализированы экспериментальные харак теристики -f/u/Caa) воздушных парциальных микротурбин. Согласно / 65 / для большинства из них коэффициент полезного действия при оптимальном (и!Саа)= 0,3-0,5 равен 0,4-0,5. Поэтому из /65, с. 43 / была взята экспериментальная характеристика мик ротурбины " = 0,45 ( I вариант расчета). С другой сторо ны, по данным из / 8 /, /II/, а также кафедры термодинамики и гидравлики Завод-Втуза им.Лихачева для турбин такого класса мож но получить пт= 0,7.
Поэтому,с целью оценки возможностей системы ВИТ,экспериментальная характеристика турбины п\пгта 0,45 была эквидистантно видоизменена до \птт01зс= 0,7 ( П вариант расчета). Обе эти зависимости представлены на рис.3.15.
