CC BY
7
УДК 621.43 + 621.51 В.Л. Юша, Г.И. Чернов
Омский государственный технический университет, г. Омск
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ КОМБИНИРОВАННОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ С РАЗЛИЧНЫМИ ТИПАМИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ
Эффективность системы утилизации тепловых потерь комбинированной силовой установки определяется ее влиянием на экономичность установки и возможностью ее конструкторско-технологической реализации. Последнее связано с режимными параметрами системы утилизации. Особенностью комбинированных силовых установок является сочетание ДВС с наддувочным компрессором и расширительной турбиной [1 - 5]. В отличие от газопаровых циклов, при внешней утилизации теплоты выхлопных газов основной рабочий цикл не изменяется: не снижается индикаторная мощность, не снижается температурный уровень. Утилизированная теплота позволяет получить дополнительную мощность в силовой установке, при этом энергетическая эффективность зависит в том числе от теплофизических свойств теплоносителя [4].
Для оценки влияния свойств дополнительного теплоносителя на экономичность комбинированного ДВС и режимные параметры внешней утилизационной системы на примере одного из возможных вариантов взаимосвязанных термодинамических циклов Отто и Рен-кина применительно к комбинированному ДВС, при котором последовательно осуществляется внешнее охлаждение сжимаемого воздуха и выхлопных газов дополнительным теплоносителем, а отведенная теплота преобразуется в механическую энергию в расширительной машине.
Математическая модель идеального рабочего цикла комбинированного ДВС для рассматриваемого цикла включает в себя систему допущений, расчетные уравнения, условия однозначности. Для решения поставленной задачи приняты упрощающие допущения. Для цикла Отто: топливо - воздушная смесь, продукты сгорания топлива со свойствами воздуха; все процессы обратимы; процесс предварительного сжатия является политропным с постоянным показателем политропы; теплоемкости веществ, осуществляющих цикл постоянны на всем интервале температур цикла; вся отводимая теплота передается циклу Ренкина. Для цикла Ренкина: перегретый пар в цикле Ренкина является идеальным газом; связь параметров в области влажного пара определяется зависимостями для идеального рабочего тела; вся
104
теплота, полученная от цикла Отто, подводится к рабочему телу; максимальная температура в цикле Ренкина после перегрева пара принимается равной температуре продуктов сгорания в цикле Отто после их адиабатного расширения, но при соблюдении условия, что адиабатное расширение в цикле Ренкина должно заканчиваться в области влажного пара; все процессы в цикле обратимы; теплоемкости веществ, осуществляющих цикл постоянны на всем интервале температур цикла.
Расчетные уравнения математической модели рассматриваемого идеального рабочего процесса комбинированного ДВС с утилизационным контуром включают в себя:
для цикла Отто - уравнения, описывающие политропное предварительное сжатие топливо - воздушной смеси; изохорный подвод тепла за счет сгорания топлива в воздушной среде; адиабатное расширение продуктов сгорания; изобарный псевдопроцесс вытеснения расширенных продуктов сгорания в атмосферу; уравнения для определения работы в соответствующих процессах и КПД цикла;
для цикла Ренкина - уравнения, определяющие зависимость температуры кипения от давления; кривую насыщения (зависимость температуры точек кривой насыщения Т от
удельной энтропии Б, Б = 0
считается для жидкости при
Т0 ); зависимость удельной теплоты
парообразования от давления; удельную энтропию на линии насыщенного пара; удельную энтальпию в области перегретого пара; массу вещества, реализующего цикл Ренкина; величину работы в соответствующих процессах цикла Ренкина; КПД цикла, а также КПД бинарного цикла.
Расчет рассматриваемого цикла комбинированного ДВС с парогазовым рабочим телом
Р
5
производился при следующих условиях однозначности:
0
= 10
Па; Т0 = Тж0 = 273 К; £01 =
1; £12 = 15. Теплофизические свойства теплоносителя соответствовали свойствам рассматриваемых теплоносителей (Н20, Ю2, Я22, Я23, Ю25, Ю34а, Я404а, Я707, пропан, этан, эфир, этиловый спирт).
Как показали полученные результаты, внешняя утилизация теплоты сжатия и выхлопных газов в рекуперативном теплообменнике с последующим возвратом энергии на вал силовой установки позволяет существенно повысить экономичность комбинированной силовой установки. Для рассмотренных типов теплоносителей КПД цикла составил 0,77-0,95, что в 1,3 - 2 раза выше, чем аналогичные показатели существующих силовых установок с базовой схемой без утилизации тепловых потерь. Наиболее экономичный термодинамический цикл обеспечивается при использовании в утилизационном контуре в качестве теплоносителя воды, этилового спирта, хладона Я23. У этих веществ по сравнению с остальными рассмотренными теплоносителями КПД оказался выше на 5 - 15%.
Однако, водяной пар и пары этилового спирта имеют недопустимо большие удельный объем и заправочную массу, требующие применения в системе утилизации крупногабаритных узлов: расширительной машины и теплообменников. Это создаёт технические проблемы при обеспечении требуемых весовых и габаритных параметров транспортной силовой установки. Кроме того, для них требуется система вакуумирования в области низкого давления, что усложняет конструкцию установки в целом. Для хладона Я23 эти проблемы не возникают. Кроме того, имеется целый ряд веществ, которые обеспечиваю величину КПД цикла лишь на 5 - 18% ниже, чем у рассмотренных выше (пропан, хладоны Ю2, Я22, R134а, R404а, Я707 и др.), имея при этом вполне приемлемые для практической реализации удельный объем, заправочную массу и рабочие давления.
105
Библиографический список
1. Кавтарадзе, Р. З. Теория поршневых двигателей / Р. З. Кавтарадзе. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. - 720 с.
2. Двигатели внутреннего сгорания : Теория поршневых и комбинированных двигателей / Д. Н. Вырубов [и др.] ; под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. - М. : Машиностроение, 1983. - 375 с.
3. Двигатели внутреннего сгорания : в 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов. - М. : Высш. шк., 2007. - 479 с.
4. Селиверстов, В. М. Утилизация тепла в судовых дизельных установках / В. М. Селиверстов. - Л. : Судостроение, 1973. - 342 с.
5. Юша, В. Л. Анализ эффективности идеального термодинамического цикла комбинированного двигателя внутреннего сгорания с парогазовым рабочим телом / В. Л. Юша, Г.
И. Чернов // Омский научный вестник. - 2009. - № 3(83). - С. 154 - 158.
