Тепловой баланс работы двигателя

Тепловой баланс котельного агрегата | Экономия топлива на электростанциях малой и средней мощности

Страница 6 из 41

IV. РАЦИОНАЛИЗАЦИЯ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

1. Тепловой баланс котельного агрегата и его анализ

Каждый котельный агрегат должен давать устойчиво заданное количество пара от минимума до максимума (не ниже проектного) при нормативном качестве насыщенного и перегретого пара и при высоком общем к. п. д.

Рис. 3. Определение максимально длительной паропроизводительности котла по качеству его пара.

Качество пара определяется химическими анализами отобранных проб насыщенного пара, а при наличии регулятора перегрева и проб перегретого пара.
Насыщенный пар и пар после регулятора перегрева (при своей неисправности регулятор с охлаждением водой сам может явиться причиной загрязнения перегретого пара) взаимно сверяются по солесодержанию, которое не должно быть выше 0,3 мг/л (для котлов давлением от 20 до 59 ати).

Повышенное солесодержание насыщенного пара, и особенно броски котловой воды, отмечаемые самопишущими солемерами, помимо аварийности (пережог труб перегревателей, занос солями проточной части турбин), приводят к ухудшению теплопередачи в пароперегревателе, снижению температуры пара перед турбиной, к повышению температуры уходящих газов после котельного агрегата, к снижению вырабатываемой мощности и к росту удельных расходов условного топлива. Котел не может считаться нормально работающим, если он, давая даже увеличенную паропроизводительность, не обеспечивает нормативного (качества пара. Наоборот, строя зависимость солесодержания пара С от паровой нагрузки котла и зная нормы солесодержания С можно определить, какова в данных условиях допустимая паропроизводительность котла D макс (рис. 3).
Качество пара по температуре и давлению определяет экономичность работы паровых двигателей (см. раздел V) и поэтому в эксплуатации не должны допускаться колебания давления пара более +0,5 ат и температуры перегретого пара более ± 5° С.

Паропроизводительность котла и экономичность его при разных нагрузках характеризуются данными специальных испытаний, в результате чего получается тепловая кривая характеристики котлоагрегата (рис. 4):

Обычно здесь же, на этом графике дается кривая удельных расходов условного топлива на выработанную тонну пара:

Рис. 4. Тепловая характеристика котлоагрегата.

и кривая зависимости к. п. д. котлоагрегата от нагрузки. Коэффициенты полезного действия котлоагрегата определяются из следующих выражений: к. п. д. брутто
(20)
к. п. д. нетто — тепловой
(21)
к. п. д. нетто—энергетический
(22)
где: Dбp—общее количество выработанного пара котлоагрегатом, кг/час;

Dотп — полезно отпущенное количество пара, кг/час

Δϊ — количество тепла, воспринятое в котлоагрегате 1 кг пара

ΔΙ- где:      ine —теплосодержание перегретого пара при давлении и температуре его за перегревателем, ккал/кг; ίn. в — теплосодержание питательной воды при входе в экономайзер, ккал/кг;
В — часовое количество израсходованного топлива, кг/час;

Qэ — расход тепла на собственные нужды котла, включая и расход электроэнергии, ккал/час.
Помимо тепловой характеристики котла, для анализа его работы необходимо определять все основные статьи теплового баланса агрегата. В приходной части баланса основной статьей, принимаемой за 100% прихода, является низшая рабочая теплота сгорания топлива.

Во избежание ошибок при ее определений необходимо строго соблюдать правила отбора средней пробы, подготовки и производства анализа в соответствии с установленными для этого ГОСТами.

Если нет возможности точно измерить расход топлива или количество отпущенного пара, тепловой баланс строится обратным путем, и полезно использованное с паром тепло определяется как разность баланса по сумме найденных при испытании тепловых потерь. Этот метод дает тем меньшую ошибку, чем меньше сумма потерь и выше к. п. д. котлоагрегата, поэтому он меньше пригоден для небольших котлоагрегатов, зато часто употребляется при испытании мощных и высокоэкономичных котлоагрегатов, имеющих к. п. д. 82—88%. 

Рис. 6. Тепловой баланс котла ТС-30.

Данные испытания по расходу топлива кладутся в основу расчета тепловой характеристики котлоагрегата В = φ (D) и b=ψ (D) (см. рис. 4), которая служит основой для ведения режима котельной при наивыгоднейшем сочетании нагрузок отдельных агрегатов (см. ниже).
Эти же данные позволяют установить пути улучшения работы котлоагрегата за счет уменьшения отдельных статей расходной части теплового баланса.

В качестве примера графического изображения теплового баланса по данным испытания на рис. 6 показан тепловой баланс котла ТС-30 на кузнецком угле. Котел номинальных параметров р = 23 ата, t = 375° С с решеткой БПР «Комета» R= 25 м2. Хвостовые поверхности состоят из экономайзера ЦККБ и трубчатого воздухоподогревателя.
Как видно из графика, котел работает с к. п. д. ниже расчетного (85%). Причиной служит ряд эксплуатационных недостатков, выявленных при испытании.

Механические потери увеличены из-за неправильного монтажа и неправильной работы цепной решетки. Потери с уходящими газами повышены из-за загрязнения поверхностей нагрева и присосов через обмуровку.
Точка, отмеченная кружкой, показывает работу котла на черемховском угле, а точка, отмеченная крестиком, — на Кузнецком угле после его длительного хранения без соблюдения необходимых условий (см. раздел III).

Потеря от механической неполноты выросла примерно с 4,5% для кузнецкого угля недавнего хранения до 13% для угля длительного хранения, что дало понижение к. п. Д. котлоагрегата почти на 8%.

На рис. 7, а и б показаны графики тепловых балансов котлов НЗЛ 250 и 300 м2, работающих с параметрами р = 17 ати и t = 375° С, оборудованных наклонно-переталкивающими топками типа «Каблиц». Топливо — бурый уголь Райчихинского месторождения. Испытание [4] котлов выявило низкий уровень их эксплуатации, свидетельством чего является весьма малый к. п. д.(брутто) котлов, едва достигающий 60%, в то время как он должен быть равен 75—80%.

Рис. 7. Тепловые балансы котлов НЗЛ; а) Нк = 250 м2;

б) Нк = 300 м2.
Неудовлетворительное состояние решеток привело к чрезвычайно большим потерям от механической неполноты сгорания, доходящим до 24,9%. Неналаженность топочного режима обусловила повышение потери от химической неполноты сгорания (6,6%). Наличие внутренних и внешних загрязнений поверхностей нагрева котлоагрегата отразилось на потерях тепла с уходящими газами, которые доходят до 15,85%.

Низкий технический уровень эксплуатации этих котлоагрегатов сказывается и в отсутствии контроля за содержанием горючих в шлаках и в неналаженности водного режима котлов (что привело к наличию накипи в котлах толщиной до 2 мм), и в том, что большинство контрольно-измерительных приборов на щитах бездействовало.
Эти примеры тепловых балансов, полученных на основании данных испытаний, подтверждают, что экономичность котлов очень сильно зависит от качества работы эксплуатационного персонала.

• Назад
• Вперёд

Как повысить эффективность двигателя внутреннего сгорания

Повышение эффективности

Как улучшить работу двигателя внутреннего сгорания …

Включите JavaScript

Как повысить эффективность двигателя внутреннего сгорания двигатель внутреннего сгорания (ДВС), и для его улучшения проводится множество исследований. Но что такое КПД двигателя внутреннего сгорания и как его измерить? Эффективность любого двигателя просто рассчитывается из энергии топлива, подаваемой в единицу времени для выполнения работы, и выходной мощности на валу двигателя после вычитания всех потерь. Входная мощность топлива может быть получена из массы топлива и его теплотворной способности. Мощность вала можно измерить с помощью тормозного динамометра. Проще говоря, эффективность — это выход/вход. Средний ДВС имеет КПД от 20 до 30%, что очень мало.

Если мы посмотрим на тепловой баланс двигателей внутреннего сгорания для двигателей с искровым зажиганием или бензиновых двигателей, мы обнаружим, что эффективность тормозной нагрузки составляет от 21 до 28 %, тогда как потери на охлаждающую воду составляют от 12 до 27 %, потери на выхлопные газы составляют от 30 до 55 %, а потери из-за неполного сгорания составляют от 0 до 45 %.

Аналогичным образом, когда мы анализируем тепловой баланс двигателя с воспламенением от сжатия или дизельного двигателя, мы обнаруживаем, что его эффективность тормозной нагрузки составляет от 29 до 42 %, а потери на охлаждающую воду — от 15 до 35 %, потери на выхлоп — от 25 до 45 %, а потери из-за неполного сгорания — от 0 до 5 %.

Анализируя два баланса тепла, мы обнаруживаем, что в бензиновых двигателях потери из-за неполного сгорания могут быть довольно высокими. В этой статье мы обсудим различные технологии и методы, которые могут быть использованы для повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания, а также автомобилей.

Тепловой баланс

Факторы, ограничивающие эффективность двигателя внутреннего сгорания

Анализируя тепловой баланс, мы находим, что факторы, ограничивающие эффективность двигателя внутреннего сгорания, следующие:

• Потери тепла при охлаждении двигателя.
• Потери тепла с выхлопными газами.
• Потери на трение
• Потери эффективности передачи. Потери в сцеплениях и гидромуфтах и ​​др.
• Потери на трение в шинах. Выбор шин — это компромисс между безопасностью, стабильностью и производительностью. Более безопасная шина обеспечивает минимальный тормозной путь, хорошую устойчивость, меньшее заносы, но меньшую топливную экономичность. Шина с меньшим контактом с поверхностью и большим контактом с линией будет экономичной, но небезопасной.
• Потери из-за неполного и неполного сгорания. Полное сгорание привело бы к образованию углекислого газа и воды.
• Потери из-за торможения
• Потери из-за вязкости смазочного масла.
• Степень сжатия. Чем выше степень сжатия, тем выше тепловой КПД. Поскольку в двигателях с искровым зажиганием или бензиновых двигателях степень сжатия ограничивается предварительным зажиганием (не в двигателях с воспламенением от сжатия или дизельных двигателях), дизельные двигатели примерно на 30% более эффективны, чем бензиновые двигатели.
• Сопротивление автомобиля
• Неправильная синхронизация клапанов
• Потери в приводных распредвалах
• Энергия, потребляемая вспомогательными агрегатами, такими как водяные и масляные насосы

Теорема Карно для КПД

Второе Закон термодинамики гласит, что невозможно построить двигатель, который будет работать в полном цикле и не производить никакого другого эффекта, кроме подъема веса и охлаждения теплового резервуара. Таким образом, существует предел тепловой эффективности тепловых двигателей.

Сади Карно, французский военный инженер, изучив второй закон, заявил, что «никакая тепловая машина, работающая в цикле между двумя резервуарами с постоянной температурой, не может быть более эффективной, чем обратимая машина, работающая между теми же двумя резервуарами». Таким образом, максимальная эффективность любой тепловой машины достигается при использовании цикла Карно (две обратимые изотермы и две обратимые адиабатические). Предел Карно — это максимальный КПД, который может иметь любой двигатель. На сегодняшний день самый высокий КПД, который был получен, составляет 52% в морском дизельном двигателе мощностью

лошадиных сил.

Методы и технологии повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания

Ниже перечислены практические методы и новые технологии, помогающие повысить эффективность двигателей внутреннего сгорания: при спуске). В этом случае электромагнитное торможение осуществляется по мере того, как небольшие двигатели поглощают энергию и преобразуют ее в энергию батареи.

Турбокомпрессоры: Турбокомпрессор представляет собой устройство для рекуперации выхлопных газов, которое увеличивает давление наддува, тем самым оптимизируя сгорание. Повышает эффективность на 7-8%.

Ссылки

Термодинамика и паровые двигатели R Yadav

Дизельные двигатели A. J. Wharton Engineering

Термодинамика П.К. Нага Двигатели внутреннего сгорания М.Л. Матур и Р. П. Шарма

https://ecen.com/content/eee7/motoref.htm

https://mb-soft.com/public2/engine.html

https://www.fueleconomy.gov/feg/tech_adv.shtml

Кредиты на изображения 9000 3

Тепловой баланс, Мохит Сангури, главный инженер

Эффективность двигателя

Эффективность двигателя

Ханну Яаскеляйнен

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Abstract : Преобразование энергии топлива в полезную работу в двигателе внутреннего сгорания сопряжено с рядом потерь. К ним относятся потери химической энергии с выбросами, потери тепла двигателем и через выхлопные газы, а также потери на перекачку газа и потери на трение в двигателе. Соответственно, общий тепловой КПД торможения двигателя является продуктом сгорания, термодинамического, газообменного и механического КПД.

• Потери энергии двигателя
  • Сводка убытков
  • Топливная энергия
  • Эффективность сгорания
  • Термодинамическая эффективность
  • Тепловые потери
  • Эффективность газообмена
  • Механический КПД
• Эффективность с точки зрения топлива

Сводка потерь

Преобразование энергии топлива в полезную работу в двигателе внутреннего сгорания сопряжено с рядом потерь. Основные потери энергии двигателя и соответствующие коэффициенты эффективности показаны на рис. 1 9.0138 [3038] . Другие исследования факторов, влияющих на эффективность двигателя, с акцентом на низкотемпературное сгорание, можно найти в литературе [4886] .

Рисунок 1 . Обзор потерь энергии в типичном двигателе внутреннего сгорания

Начиная со сжигания углеводородного топлива и выделения его энергии, небольшое количество топлива не превращается полностью в идеальные продукты сгорания СО ₂ и Н ₂ О. Энергия, остающаяся в несгоревшем топливе и промежуточных продуктах сгорания, приходится на эффективность сгорания .

Второй закон термодинамики определяет, что из энергии, высвобождаемой в процессе горения, только часть ее может быть преобразована в полезную работу. Эта доля объясняется термодинамическим КПД , который зависит от деталей цикла, используемого для преобразования тепла в работу. Для двигателей внутреннего сгорания верхний предел термодинамического КПД обычно определяют с помощью расчетов циклов Отто и Дизеля. Энергия сгорания, которая не преобразуется в механическую работу, теряется в виде тепла либо за счет выброса горячих выхлопных газов в окружающую среду, либо за счет передачи тепла через поверхности камеры сгорания. валовая указанная эффективность равна произведению эффективности сгорания и термодинамической эффективности и отражает общую работу, произведенную при сгорании топлива.

Из энергии, которая была преобразована в работу, часть этой работы используется для подачи всасываемых газов в двигатель и вытеснения выхлопных газов. Эти насосные потери учитываются с помощью эффективности газообмена . Чистая указанная эффективность регулирует общую указанную эффективность с учетом работы, необходимой для перемещения газов в двигатель и из него.

Некоторая работа также должна быть использована для преодоления трения между скользящими поверхностями, такими как поршневые кольца и подшипники, и для привода необходимых вспомогательных устройств, таких как масляные насосы и насосы охлаждающей жидкости. Последнее учитывается с механическим КПД . Как ни странно, потери при газообмене и потери на трение иногда объединяются в одну потерю, которая используется для определения механического КПД. Это обсуждается ниже.

Таким образом, оставшаяся работа, работа торможения, может быть получена от двигателя для выполнения полезной работы. Эффективность торможения (или термическая эффективность тормоза) может быть выражена как:

η _тормоз = η _{сжигание} · η _{термодинамический} · η _{газообмен} · η _{механический} (1)

Другой способ выразить эффективность торможения — [3980] :

.

η _тормоз = η _{закрытый цикл} · η _{открытый цикл} · η _{механический}
(2)

где:
η _{закрытый цикл} – КПД замкнутого цикла, причем закрытый цикл является частью 4-тактного цикла, когда впускной и выпускной клапаны закрыты. η _{закрытый цикл} = η _{сгорание} · η _{термодинамический}
η _{открытый цикл} — КПД открытого цикла, причем открытый цикл является частью 4-тактного цикла, когда впускной или выпускной клапаны открыты. η _{открытый цикл} = η _{газообмен}

Следует отметить, что это обсуждение КПД двигателя ведется с точки зрения процесса, используемого для преобразования тепла в работу, т. е. оно ограничено определенным типом машины и отражает ограничения машины или термодинамического цикла, используемого для преобразования тепла в работу. Эффективность также можно рассматривать с точки зрения топлива и количества топливной эксергии, которая может быть преобразована в работу. Более поздний подход, обсуждаемый позже, является более общим и не ограничивается каким-либо конкретным термодинамическим циклом.

Топливная энергия

В двигателе внутреннего сгорания воздух и топливо смешиваются, образуя горючую смесь, которая воспламеняется и выделяет энергию в виде тепла. Количество выделяемого тепла зависит от ряда факторов. В то время как количество топлива, попавшего в цилиндр, является основным фактором, определяющим содержание энергии в попавшей воздушно-топливной смеси и, следовательно, общее количество тепла, которое может быть выделено, ряд вторичных факторов также важен. Эти вторичные факторы включают детали о составе топлива, такие как тип элементов, содержащихся в топливе, и характер связей, соединяющих элементы вместе.

Для двигателей чистая энергия, выделяемая при сгорании, обычно представлена ​​низшей теплотворной способностью (LHV) топлива, поскольку предполагается, что вода, образующаяся при сгорании, остается в парообразном состоянии. На рис. 2 показана LHV ряда видов топлива, которые можно использовать в двигателе внутреннего сгорания, в зависимости от их стехиометрического соотношения воздух-топливо. Обратите внимание, что для углеводородного топлива значения LHV очень похожи и значительно выше, чем для топлива, содержащего кислород. Кислородсодержащие функциональные группы дают меньшую чистую энергию во время сгорания, внося значительный вклад в массу и объем топлива.

Рисунок 2 . Более низкая теплотворная способность (LHV) различных видов топлива по сравнению со стехиометрическим соотношением воздух-топливо

Данные с [391]

После того, как выбор топлива определен, мощность двигателя определяется содержанием энергии воздушно-топливной смеси, попавшей в цилиндр перед сгоранием. Для двигателей, в которых смешивание воздуха и топлива осуществляется до поступления всасываемого заряда в цилиндр, эта энергия связана с количеством воздушно-топливной смеси, которая может быть введена и захвачена в цилиндре. Для двигателей, в которых смешивание воздуха и топлива происходит в цилиндре после IVC, это зависит от количества воздуха, которое может быть введено и захвачено в цилиндре. Можно показать, что [4730] :

Hport=ρmixLHVfλ·AFRstoich+1H_port = {ρ_mix LHV_f} по {λ AFR_stoich +1}
(3)

где:
H _порт = энергоемкость на единицу объема цилиндра смеси, образующейся до поступления в цилиндр, МДж/м ³
ρ _смесь = плотность смеси, кг/м ³
LHV _{f 901 47 = низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг
λ = относительная воздушно-топливная смесь
AFR стеич = стехиометрическая воздушно-топливная составляющая}

и

HDI=ρairLHVfλ·AFRstoichH_DI = {ρ_air LHV_f} над {λ AFR_stoich}
(4)

где:
H _DI = энергоемкость единицы объема цилиндра смеси, образующейся в цилиндре после ВВК, МДж/м ³
ρ _воздух = плотность воздуха, кг/м ³

Следует отметить, что для большинства жидких топлив разница между H _порт и H _DI невелика. Однако для газообразного топлива, такого как метан, основной компонент природного газа, разница может быть более существенной, рис. 3. Кроме того, в некоторых случаях, когда воздух и топливо смешиваются в цилиндре перед IVC, H _порт больше отражает энергию, которая может быть захвачена в цилиндре. Влияние повышения давления на входе с помощью турбонагнетателя или нагнетателя в уравнении (3) и уравнении (4) учитывается через член плотности.

Рисунок 3 . Энергия сгорания на единицу объема цилиндра смеси метана и воздуха в зависимости от λ

При 0°C, 101,325 кПа

На рис. 4 показаны значения H _порта и H _DI стехиометрических смесей нескольких топлив при стандартных условиях в зависимости от их стехиометрического соотношения воздух-топливо и на основе наиболее распространенных способов их смешивания с всасываемым воздухом 9.0138 [4730] . Хотя существуют важные различия, следует отметить, что выходная мощность двигателя, работающего на любом из этих видов топлива, исходя только из плотности энергии смеси, будет удивительно схожей.