Цикл воздушной холодильной установки

Воздух, охлаждённый в результате адиабатного расширения до температуры Т₂, поступает в охлаждаемую камеру и, где он отбирает тепло в изобарном процессе.

По выходе из охлаждаемой камеры воздух поступает в компрессор, его давление повышается до Р₁, температура до Т₄. Сжатый воздух поступает в охладитель. Цикл воздушной холодильной установки в Р - v и T - s диаграммах п


Рис.17. Цикл воздушной холодильной

установки: а) – в координатах Pv;

б) – в координатах TS
оказан на рис.17.



Рис. 16. Схема воздушной холодильной установки: 1-детандер;2-охлаждаемаякамера; 3-компрес сор; 4–охладитель

Холодильный коэффициент ε = =;

Холодильный коэффициент обратного цикла Карно при одном и том же значении Т₁

ε_к = , где Т₃; ε_к > ε.

t_s ≤ 0 ºС.

Схема холодильной установки с влажным паром показана на рис.18.

Сжатый в компрессоре 3 влажный пар поступает в охладитель 4, где за счёт отдачи тепла охлаждающей воде происходит конденсация пара. Процесс конденсации происходит по изобаре-изотерме 4 - 1, так, что из охладителя выходит жидкость.

Когда процесс отвода тепла происходит по изотерме, разность температур конденсирующегося пара и охлаждающей воды может быть весьма малой.

С

Поэтому здесь детандеры, как правило, не применяются. Вместо процесса расширения с отдачей внешней работы используется процесс расширения без отдачи внешней работы, т.е. процесс дросселирования. Дросселирование влажного пара всегда происходит с понижением температуры. Процесс адиабатного дросселирования сопровождается ростом энтропии дросселируемого вещества, энтальпия вещества при этом не меняется. Необратимый процесс дросселирования в редукционном вентиле на диаграмме ТЗ - ср.1- 2.

Изобарно-термический процесс подвода тепла к хладоагенту в испарителе от охлаждаемой камеры изображается линией 2 - 3. Давление Р₂ выбирается таким образом, чтобы соответствующая этому давлению температура насыщения была несколько ниже температуры охлаждаемого объёма.

ε = = ; ℓ_комп = i₄ – i₃ = ℓ_ц; q₂ = i₃ – i₂ .

По сравнению с воздушной холодильной установкой парокомпрессионная имеет значительный больший холодильный коэффициент и большую холодопроизводительность. При малых температурных интервалах выгоднее парокомпрессионные холодильные установки. При больших температурных интервалах выгоднее газовые холодильные установки.

Верхняя температура цикла парокомпрессионной установки определяется температурой охлаждающей воды, поступающий в охладитель (конденсатор) 4. Нижняя температура цикла Т₂ задаётся в зависимости от назначения холодильной установки.

Выбор хладоагента определяется величиной интервала температур в которой работает установка, т.е. чтобы в этом интервале температур мог существовать влажный пар хладоагента.

Во вторых нужно, чтобы в этом интервале температур давление насыщенных паров хладоагента было с одной стороны не слишком низким (чтобы не иметь дело с глубоким вакуумом), с другой стороны не слишком высоких, что требует высокой плотности и прочности и также усложняет установку. Желательно, чтобы при нижней температуре цикла Т₂ давление насыщенных паров хладоагента было близко атмосферному.

Этим условиям хорошо удовлетворяют «фреоны» - фторхлорироизводные простейших углеводородов (в основном метана) фреон 14 (СF₄), фреон 13 (ССℓF₃), фреон 22 (СРСℓF₂), фреон 12 (ССℓ₂F₂), но экология (озоновые дыры).

2. Основы теплопередачи
2.1. Основные понятия
Теплообмен – сложный процесс, в котором перенос тепла осуществляется одновременно тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и лучеиспусканием (тепловым излучением).

Теплопроводность – это передача тепла при непосредственном соприкосновении частиц, имеющих различную температуру тел. Кинетическая энергия микрочастиц, составляющих тело (молекул, атомов, электронов) передаётся от более подвижных частиц к менее подвижным. В чистом виде теплопроводность может наблюдаться только в твёрдых телах.

Конвекция – это перенос тепла достаточно большими (макроскопи-ческими) частицами жидкости или газы при взаимном перемещении этих частиц. Более нагретые частицы сталкиваются с менее нагретыми и отдают им часть своей энергии теплопроводностью. Передача тепла конвекций в сочетании с теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Частным случаем конвективного теплообмена является теплообмен между жидкостью и стенкой.

Тепловое излучение - это процесс распространения энергии в виде электромагнитных волн. Сопровождается двойным превращением энергии – тепловой в лучистую, и, обратно, лучистой в тепловую.

П


Рис. 19. Передача тепла теплопроводностью
ередача тепла теплопроводностью через стенку - количество тепла, проходящего через стенку, определяется по закону Фурье

Φ = λF₁

где Ф – тепловой поток, Вт; λ- коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); t₁ и t₂ - температура наружных поверхностей стенки; δ – толщина стенки, м (рис. 19); F – площадь поверхности стенки, м².

Коэффициент теплопроводности – это количество тепла прошедшее единицу длины, в единицу времени через единицу поверхности тела при разности температур равном единице.

Величину  = q – называют плотностью потока, : q = ( t₁- t₂).

Величину называют тепловой проводимостью, а обратную ей величину δ/λ - термическим сопротивлением, м² К/Вт.

Передача тепла через многослойную стенку

Рассмотрим стенку из трёх слоёв различных материалов. Плотность теплового потока q для всех слоёв одинакова

q


Рис. 20. Изменение температур

в многослойной стенке
=( t₁- t^’), q = ( t^’- t^”), q = ( t^”- t₂)

Отсюда можно получить

t₁- t₂ = q ;

q =(t₁- t₂)

Закон изменения температур в многослойной стенке показан на рис. 20.

2.2. Конвективный теплообмен

Т

Величина теплового потока Ф при конвективном теплообмене прямо пропорциональна площади F и разности температур стенки и жидкости t.

Ф =(t- t_ст)F,

где – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К).

t_ст = t - q;

Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов, поэтому он меняется для одного и того же вещества в больших пределах.

На него влияют:

1. Физические свойства жидкости или газа (вязкость, плотность, теплопроводность, теплоёмкость).

2. Скорость движения жидкости или газа. С увеличением скорости λ возрастает.

3. Форма омываемой поверхности.

4. Шероховатость стенки

5. Характер движения жидкости или газа (турбулентное,  т.е.  завихренное, или ламинарное, т.е. слоистое).

Пример турбулентного движения – горный поток, ламинарного – течение реки на равнине.

При ламинарном движении теплообмен между жидкостью и стенкой осуществляется только теплопроводностью. Теплообмен при ламинарном движении меньше, чем при турбулентном.

2.3. Лучистый теплообмен
Особенностью лучистого теплообмена - отсутствие непосредственного соприкосновения тел. Теплообмен может приходить при большом расстоянии друг от друга.

Носителем лучистой энергии являются электромагнитные колебания с различной длиной волн. В зависимости от длины волны различают рентгеновские, ультрафиолетовые, световые, γ - лучи, инфракрасные и т.п. В теплообмене большое значение имеют тепловые (инфракрасные лучи).

Рис.22. Баланс падающего на тело излучения

Q_o = Q_A+ Q_R + Q_D

Тело, полностью поглощающее лучистую энергию, называется абсолютно чёрным (сажа, чистый углерод, чёрный бархат поглощают 97 % энергии).

Тело, полностью отражающее всю падающую на тело лучистую энергию, называется абсолютно белым или зеркальным.

Тело, полностью пропускающее лучистую энергию, называется прозрачным.

Абсолютно чёрных, белых и прозрачных тел в природе нет: близки к абсолютно белым полированные металлы (97 %), к абсолютно прозрачным одноатомные и двухатомные газы.

Ф = С_пр F ,

где С_пр = приведённый коэффициент лучеиспускания,

С_о = 5,67 константа излучения абсолютно чёрного тела.

2.4. Сложный теплообмен

1. Конвективный теплообмен между греющей средой и поверхностью стенки;

2. Передача тепла теплопроводностью через стенку;

3. Конвективный теплообмен между внутренней поверхностью стенки и нагреваемой средой.

В


Рис.23 Теплопередача

через стенку
сложном теплообмене наряду с конвективным может осуществляться и лучистый теплообмен.

Величина теплового потока, переданного от греющей среды к стенке, определяется уравнением Ньютона - Рихмана

Ф = α₁ (t₁ - t)F, Вт.

Величина теплового потока, переданного теплопроводностью через стенку, определяется законом Фурье:

Ф = ( t- t)F

Величина теплового потока, переданного от внутренней поверхности стенки к нагреваемой среде

Ф = α₂(t- t₂)F.

При установившемся режиме эти величины одинаковы. Разделив эти уравнения на F, и почлено сложив, получим

t₁ - t₂ = q, откуда

q = (t₁- t₂); q = К (t₁- t₂); Ф = К (t₁- t₂)F;

где К = - коэффициент теплопередачи, .

Коэффициент теплопередачи численно равен величине теплового потока, передаваемого через стенку площадью 1 м², при разности температур между греющей и нагреваемой средами, равной 1 ºС.

При наличии в теплопередаче, кроме конвекции, лучистого теплообмена необходимо определять общий коэффициент теплоотдачи

α = α_к+ α _л,

где α_к – конвективный коэффициент теплоотдачи; α_л - условный коэффициент теплоотдачи излучением.

α_л = , .

Основное назначение энергетической установки на судах и кораблях – обеспечение движения судов и кораблей с заданными скоростями хода. Поэтому часть СЭУ предназначенная в основном для выработки механической энергии и передачи её движителям, называется главной или пропульсивной установкой, а её элементы – главными (например, главный двигатель, главный котёл). Остальная часть СЭУ, обеспечивающая многочисленные другие судовые потребители энергии называется вспомогательной энергетической установкой, а её элементы – вспомогательными.

Важнейшими потребителями механической энергии, кроме судовых движителей являются насосы, компрессоры, вентиляторы, палубные механизмы и др. Их привод зачастую более удобен от электродвигателей, а не от тепловых. Поэтому в составе вспомогательной энергетической установки всегда имеется достаточно мощная электростанция, оборудованная дизель – или турбогенераторами.

Соотношение мощностей главных двигателей и двигателей судовой электростанции зависит от назначения и размеров судна. Например, в СЭУ БМРТ типа «Маяковский» это отношение равно 0,6; в установках танкеров типа «Ленинский Комсомол» - 0,125.

Взаимосвязь элементов СЭУ осуществляется её системами. Системы СЭУ предназначены для снабжения СЭУ топливом, маслом, питания парогенераторов водой и т.д. В зависимости от назначения различают: топливную, масляную, охлаждения, воздухоподачи, газоотвода, сжатого воздуха, кондесатно-питательную и др.

СЭУ классифицируют по следующим основным признакам:

- по роду топлива – на использующие органические топливо (продукты перегонки нефти, уголь) и использующие ядерное топливо.

На морских транспортных судах в настоящее время используют в основном продукты перегонки нефти;

- по типу главных двигателей - с поршневыми и турбинными двигателями. На судах имеются установки с поршневыми ДВС, с газо и паротурбинными двигателями. Своё название СЭУ получают по типу главных двигателей: СЭУ с ДВС (теплоходы), ПТУ, ГТУ.

- по способу передачи энергии движителям - с прямой и не прямой передачей. В случае не прямой передачи между двигателем и движителем имеется промежуточное передаточное звено (механическая, электрическая или гидравлическая передача).

- по числу судовых валопроводов - одно и многовальное.

На июнь 1971 г. состав мирового торгового флота:

Пароходы: количество – 7350 = 13 %.

Валовая вместимость, рег. т. - 87518130 ≈ 35 %.

Теплоходы – количество - 47691

Валовая вместимость, рег. т. - 159684504.

С


Рис. 24.Состав танкерного флота
остав танкерного флота на середину 2002 года представлен на рис. 24.
Классификация танкеров показана в таблице 1.

Основные типы транспортных судов показаны на рис.25. На рис. 26 представлено пассажирское судно с дизель-электрической установкой.

Благодаря рациональному использованию химической энергии топлива, без применения какого-либо промежуточного рабочего тела (например, пара) и вследствие большой разности температур между максимальной температурой при сгорании (1800-2000 К) и минимальной в конце процесса расширения (900-1000 К) эффективный коэффициент полезного действия (е) современных ДВС значительно выше е других типов тепловых двигателей.

; ,

где g_е – удельный эффективный расход топлива, кг/(кВтч);

В_ч – часовой расход топлива;

– низшая теплота сгорания топлива;

N_е – эффективная мощность двигателя.

Таблица 1

Характеристика танкеров и каналов

З

Рис. 26. Пассажирское судно

Н

Рис. 27. Главная пропульсивная установка с МОД

3.2. Термодинамические циклы поршневых ДВС

1. Рабочее тело – идеальный газ.

2. Масса рабочего тела неизменная и одинаковая во всех процессах;

3. Изменением теплоемкости рабочего тела пренебрегают или учитывают изменение теплоемкости в зависимости от температуры и состава смеси газов.

4. Подвод теплоты к рабочему телу осуществляется ее отдачей от горячего источника.

5. Процессы газообмена заменяют обратимым процессом с отводом теплоты от рабочего тела холодному источнику.

6. Процессы сжатия и расширения принимают адиабатными.

ДВС – тепловая машина, в которой подвод тепла к рабочему телу осуществляется за счет сжигания топлива внутри самого двигателя. Рабочим телом в таких двигателях является на первом этапе воздух или смесь воздуха с легко воспламеняющимся топливом, а на втором − продукты сгорания этого жидкого или газообразного топлива.

В ДВС давления рабочего тела не слишком высоки и температуры его намного превышают критические, что позволяет с хорошим приближением рассматривать рабочее вещество как идеальный газ; что существенно упрощает термодинамический анализ цикла.

ДВС обладают двумя существенными преимуществами по сравнению с другими типами тепловых двигателей. Во-первых, нет необходимости в больших теплообменных поверхностях, через которые осуществляется подвод тепла от горячего источника к рабочему телу. Во-вторых, в ДВС предельное значение непрерывно меняющейся температуры рабочего тела, получающего тепло не через стенки двигателя, а за счет тепловыделения в объеме самого рабочего тела может существенно превосходить предел допустимости для конструкционных материалов. К тому же стенки цилиндра и головки двигателя удобно охлаждать, что позволяет расширить температурные границы цикла и тем самым увеличить его термический к.п.д.

Различают три основных вида циклов поршневых ДВС: цикл Отто (сгорание при V = const), цикл Дизеля (сгорание при Р = const), цикл Тринклера (сгорание при V = const, и затем при Р = const).

Цикл Отто, (рис. 30) названный по имени немецкого конструктора Н. А. Отто, осуществившего этот цикл в 1876 году. В процессе а - 1 поршень движется вниз и в цилиндре создается разрежение, происходит впуск воздуха с парами топлива (карбюраторный двигатель). В точке 1 всасывающий клапан закрывается и в процессе 1- 2 происходит сжатие горючей смеси. В точке 2 смесь зажигается свечой. Сгорание мгновенное, поршень не успевает переместиться, давление растет до точки 3.

Под действием давления поршень перемещается вниз, совершая работу расширения, отдаваемую потребителю. В точке 4 открывается выхлопной клапан, давление снижается до Р₅. Затем поршень идет вверх, выталкивая оставшийся газ.

а

б)

Рис.30. Цикл Отто: а) индикаторная диаграмма; б) идеализированный цикл
Термодинамический анализ цикла Отто удобно производить, рассматривая идеализированный цикл. Реальный цикл ДВС − разомкнутый цикл.

Поскольку в горючей смеси, подаваемой в цилиндр, топлива немного по сравнению с воздухом, то можно считать, что цикл ДВС является замкнутым, рабочим телом является воздух, количество которого в двигателе остается неизменным, а подвод тепла к рабочему телу осуществляется от внешнего горячего источника через стенку цилиндра в изохорном процессе 2 - 3 и отвод тепла в изохорном процессе 4 - 1. С точки зрения термодинамического анализа такой замкнутый цикл не отличается от разомкнутого цикла Отто.

Процессы сжатия 1 - 2 и расширения 3 - 4 происходят за весьма короткие промежутки времени, в течение которых не успевает произойти заметного теплообмена с окружающей средой и с хорошим приближением эти процессы можно считать адиабатными.

Термический к.п.д. цикла Отто:

Для идеального газа в адиабатном процессе:

Для адиабат 1 - 2 и 3 - 4:

Разделив почленно и учитывая, что и , получим:

Термический к.п.д. цикла Отто зависит только от степени сжатия рабочего тела в адиабатном процессе 1 - 2, причем, чем выше степень сжатия , тем выше к.п.д. двигателя. Практически осуществить сжатие до слишком высоких значений , сопровождающееся значительным повышением температуры и давления, не удается, так как происходит самовоспламенение горючей смеси, детонация и разрушение элементов двигателя. Обычно  = 7  12. Величина степени сжатия зависит от качества топлива, повышаясь с улучшением антидетонационных свойств, характеризуемых октановым числом;  − можно повысить, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух, а затем, после окончания процесса сжатия, вводить в цилиндр горючее. На этом принципе построен цикл Дизеля (рис. 31), по имени немецкого инженера Рудольфа Дизеля, построившего в 1896 году двигатель, работающий по этому принципу (патент № 67207 с 1892г.).

Из общего выражения для термического к.п.д. цикла

В изобарном процессе идеального газа:

Из уравнений адиабаты для процессов 1 - 2, 3 - 4 следует:

с учетом того, что и почленно деля, получаем:

Заменяя Р1 и Р4 на изохоре v₄ = v₁ по уравнению Клайперона -Менделеева,

и, подставляя отношение температур, получим

К.п.д. цикла Дизеля тем выше, чем больше степень сжатия ε (как и в цикле Отто) и чем меньше величина ρ.

Двигатель Дизеля не нуждается в карбюрировании топлива, может работать на более низкосортном топливе. Н


Рис. 32. Цикл Тринклера
едостаток - относительная тихоходность из-за медленного сгорания топлива.

Цикл со смешанным сгоранием, или цикл 

Тринклера (рис. 32) по имени Российского инженера  Г.В. Тринклера, впервые предложившего этот цикл в 1904 г.)


. (12)

Для изохоры 4 - 1 из уравнения Клайперона-Менделеева

где  = Р₅ /Р₂ − степень повышения давления в изохорном процессе сгорания (отношение максимального давления цикла к давлению в конце сжатия в цилиндре), - степень предварительного расширения в изобарном процессе сгорания.

С учетом этого соотношения получаем:

; ; ; .

. (13)

При ρ = 1 (отсутствие изобарного процесса) уравнение превращается в уравнение для цикла Отто, а при  = 1 (отсутствие изохорного процесса) уравнение превращается в уравнение для цикла Дизеля.

Сравнение термического к.п.д. цикла Тринклера с термическими к.п.д. циклов Отто и Дизеля показывает, что при одинаковых степенях сжатия  (рис. 33, а)

,

а при одинаковых максимальных температурах цикла Т₃ (рис. 33, б):

Указанные соотношения наглядно объясняются Т- s диаграммой (рис. 6).

а) б)

Рис. 33. Сравнение циклов: а)при одинаковой степени сжатия;	б)при одинаковых максимальных температурах цикла

Так для всех трех циклов теплота q₂ равна и в координатах Т - s эквивалентна площади а -1- 4 - б - а. Работа цикла, которая соответствует площади, ограниченной линиями процессов цикла, у всех циклов разная. При одинаковой степени сжатия она максимальна у цикла Отто, а при одинаковой наибольшей температуре цикла она максимальна у цикла Дизеля.

3.3. Термодинамические циклы комбинированных ДВС

Теоретический цикл, приведенный на рис. 34, характерен для рабочих циклов судовых двигателей с газотурбинным наддувом и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха. На диаграмме отдельные линии обозначают следующие процессы (в скобках – соответственно процессы в действительном цикле):

1 – 2 – предварительное внецилиндровое адиабатное сжатие идеального газа (политропное сжатие воздуха, поступившего из окружающей среды, в турбокомпрессоре);

2 – 3 – отвод теплоты Q при p = cоnst от адиабатически сжатого идеального газа вне цилиндра (промежуточное охлаждение воздуха в охладителе наддувочного воздуха при p = cоnst с отводом теплоты Q в охлаждающую забортную воду);

3 – 4 – адиабатное сжатие идеального газа ( политропное сжатие заряда воздуха в цилиндре до давления p₄ = p_с, где p_с – давления сжатия, соответствующее минимальному объему рабочего тела);

4 – 5 – подвод теплоты Q при V = cоnst (сгорание впрыснутого в цилиндр топлива при постоянном объеме);

5 – 6 – подвод теплоты Q к идеальному газу при p = cоnst (сгорание топлива в цилиндре дизеля при p_Ζ = p_max= cоnst, где p_Ζ – максимальное давление рабочего цикла);

6 – 7 – адиабатное расширение идеального газа (политропное расширение продуктов сгорания – газов в цилиндре двигателя с совершением работы, т. е. рабочий ход поршня);

7 – 8 – отвод теплоты Q при V= cоnst (процесс выпуска газов из цилиндра в коллектор при V_7-8 =V_В= cоnst, где V_В – объем цилиндра в начале выпуска газов);

8 – 9 – подвод теплоты Q при p = cоnst (часть кинетической энергии выпускных газов в выпускном коллекторе переходит в тепловую энергию, что повышает температуру газов перед газовой турбиной; происходит как бы подвод теплоты Q к рабочему телу при p_8-9 = p_т= cоnst, где p_т − давление газов перед турбиной);

9 – 10 – адиабатное расширение газов (расширение газов в газовой турбине при начальном давлении p_8-9, равном давлению p_т);

10 – 1 – отвод теплоты Q к холодному источнику согласно второму закону термодинамики (отвод теплоты отработавших в турбине выпускных газов в окружающую среду или утилизирующие теплоту устройства).

Условились считать, что теплота Q, отводимая из цилиндров на участке цикла 7 – 8, полностью подводится к турбине на участке 8 – 9 в виде теплоты Q в результате перехода кинетической энергии газов в тепловую, т. е. Q= Q.

К основным соотношениям приведенного цикла следует отнести (в дополнение к приведенным по циклу поршневого двигателя ε, λ, ρ)

ε₁ = V₁/V₂ – степень сжатия в компрессоре;

ε₀ = ε ₁ ε – общую степень сжатия комбинированного двигателя;

ω = V₂/V₃ – степень уменьшения объема при промежуточном охлаждении; при отсутствии промежуточного охлаждения V₂ = V₃ и ω = 1;

φ₁ = V₃/V₈ – степень изменения объема газа (практически в четырехтактных дизелях ) φ₁ = 1, в двухтактных φ₁ = 0,9 ÷ 0,8);

τ = p₃/p₈ – степень уменьшения давления (в выпускном трубопроводе дизеля перед турбиной);

π_к = p₂/p₁ – степень повышения давления (в компрессоре);

z – степень понижения давления (в турбине);

так как р₈ = р₉; р₂ = р₃; р₁ = р₁₀, то z = π_к /τ.

С учетом изложенных соотношений и равенств, термический к.п.д. цикла комбинированного двигателя в общем виде

η_т = 1 - . (14)

При подстановке в это уравнение выражений для Q, представленных через параметры цикла, получим выражение для η_т в развернутом виде, позволяющее сделать выводы о влиянии отдельных параметров на экономичность цикла комбинированного двигателя:

η_т = 1- (15)

Для двигателя без промежуточного охлаждения воздуха формула (15) остается в силе при условии ω = 1. По результатам анализа уравнения можно сделать следующие выводы:

термический к.п.д. цикла с промежуточным охлаждением воздуха после сжатия в компрессоре ниже, чем цикла без охлаждения. При этом разность между значениями к.п.д. η_т = η_т – η_тохл возрастает с увеличением степени повышения давления в компрессоре π_к. Следует учитывать, что в реальном двигателе при охлаждении наддувочного воздуха эффективный к.п.д. η_е понижается меньше, а иногда даже растет, чем термический к.п.д. η_т в теоретическом цикле, так как повышается индикаторный η_i и механический η_м к.п.д.

Значение η_i повышается вследствие уменьшения потерь теплоты в охлаждающую среду от стенок цилиндров. Механический к.п.д. η_м повышается вследствие того, что индикаторная мощность повышается в большей степени, чем растут механические потери.

В практике дизелестроения путем наддува стремятся повысить мощность дизеля при сохранении теплонапряженности на уровне, предельно допустимом для длительной работы дизеля. Согласно опытным данным, охлаждение наддувочного воздуха на каждые 10 К позволяет повысить мощность дизеля на

2,5  3 % при сохранении теплонапряженности на прежнем уровне.

При газотурбинном наддуве существует два основных способа использования энергии выпускных газов поршневого ДВС:

1) с турбиной постоянного давления (давление газов перед турбиной

Р_т = const);

2) с импульсной турбиной (давление газов перед турбиной Р_т = var).

При работе турбины на газах переменного давления, Р_т = var, можно использовать часть кинетической энергии выпускных газов. На рис.7 этот процесс изображен тонкой линией 7 – 11 – 10. В этом случае выпускную систему разделяют на несколько коротких трубопроводов малого сечения и объема, к которым подключают выпускные газы от группы (2, 3, 4) цилиндров.

Линия 9 - 10 (рис.7) соответствует процессу расширения газов в турбине постоянного давления. Выпускные газы из всех цилиндров направляются в общий выпускной коллектор достаточно большой емкости, поэтому перед турбиной устанавливается почти постоянное давление. Большая часть кинетической энергии газов расходуется на потери при перетекании газов из цилиндра в коллектор, дросселирования в газовыпускных органах, вихреобразования и других факторов. Часть кинетической энергии превращается в теплоту, благодаря чему объем газов увеличивается на ∆V (с точки 11 до 9), повышается температура газов перед турбиной.

Известно, что на диаграмме Р,V площадь под линией процесса определяет удельную работу процесса, площадь цикла - полезную работу цикла, чем выше крутизна процесса расширения в турбине или процесса сжатия в компрессоре, тем выше адиабатный к.п.д. турбомашины. Отсюда можно заключить, что при изобарном наддуве по сравнению с импульсным за счет повышения к.п.д. турбины получается выигрыш энергии равной площади 11 – 9 – 10, но теряется кинетическая энергия газов равная площади 7 – 8 – 11. При повышении наддува линия 8 – 9 рис. 7 перемещается выше, площадь 11 – 9 – 10 растет, а площадь 7 – 8 – 11 уменьшается. Поэтому при малых давлениях наддува термический к.п.д. цикла с постоянным давлением газов перед турбиной примерно на 4  8 % ниже термического к.п.д. цикла с пульсирующим потоком (импульсная система наддува). При повышении величины π_к разница между значениями термического к.п.д. циклов уменьшается. При давлении наддува больше 200 кПа эффективней становится изобарный наддув.

Расширение пределов изменения объема рабочего тела при осуществлении цикла (увеличение степени сжатия и последующего расширения) обеспечивает увеличение термического к.п.д. Анализ основных показателей термодинамических циклов показывает, что при степени сжатия двигателя ε = 12÷13 и степени повышения давления в компрессоре π_к = 2 ÷ 3 для комбинированного двигателя η_т =  0,7 ÷ 0,72.

При увеличении отношения давления τ = р₃/р₈  = 1 ÷ 1,4 (чему соответствует отношение р_s/р_т в реальном двигателе) термический к.п.д. цикла уменьшается примерно на 4  5%.

При увеличении степени изменения объема газа в цилиндре φ₁ = 0,8 ÷ 1,2 к.п.д. цикла η_т увеличивается на 5  6%.

Термический к.п.д., а следовательно, и экономичность цикла со смешанным подводом теплоты возрастают с увеличением доли теплоты Q, подведенной при постоянном объеме, и уменьшением доли теплоты Q, подведенной при постоянном давлении. Другими словами, при ρ = 1,2 ÷ 1,4 к.п.д. η_т и среднее индикаторное давление цикла меньше, чем при ρ = 1,0, примерно на 1 %, однако максимальное давление цикла р_z (давление сгорания топлива), а следовательно, и механическая напряженность двигателя при этом значительно ниже, что приводит к более высокому значению механического к.п.д. η_m. Поэтому эффективный к.п.д. двигателя η_е, среднее эффективное давление р_е при ρ = 1,4 могут быть выше, чем при ρ = 1. Исходя из этого, нормальная эксплуатация дизеля обеспечивается при ρ = 1,3 ÷ 1,4, а не при ρ = 1.

Действительный цикл двигателя сопровождается тепловыми, гидравлическими и механическими потерями. Турбокомпрессор наддува ДВС представлен на рис. 35.

3.4. Схемы работы ДВС

Четырехтактный ДВС

Рассматривать работу ДВС удобно по индикаторным диаграммам, представляющим в координатах Р,V зависимость давления от объема цилиндра по ходу поршня от ВМТ к НМТ и наоборот.

Первый такт – наполнение (рис. 36, а). Поршень движется от ВМТ к НМТ. Через впускной клапан (1) турбокомпрессор подает в цилиндр воздух под давлением.

Для обеспечения максимального наполнения цилиндра воздухом впускной клапан открывается до прихода поршня в ВМТ с некоторым углом опережения впуска _оп.вп  20  50 ПКВ и закрывается с некоторым углом запаздывания после НМТ _зап  20  45 ПКВ. Полный угол положения впускного клапана в открытом состоянии составляет _вп   220 ÷ 280 ПКВ. На индикаторной диаграмме этому соответствует линия rа. В конце процесса наполнения воздух в цилиндре имеет следующие параметры: Р_а  130  400 кПа; Т_а  40  130 С.

Второй такт - сжатие (рис. 36, б). Поршень движителя от НМТ к ВМТ, сжимает воздух, поступивший в цилиндр за первый такт. В процессе сжатия необходимо повысить параметры сжимаемого воздуха до значений, надежно обеспечивающих самовоспламенение топлива. Давление и температура в конце

сжатия: Р_с    4,5  8,0 МПа; Т_с   530 ÷ 730 С. Эта температура превышает температуру самовоспламенения топлива на 160  200 С. Процесс сжатия на индикаторной диаграмме изображен линией ас.

Топливо в цилиндр впрыскивается с некоторым опережением до ВМТ при высоком давлении, обеспечивающем качественное распыливание топлива. Опережение впрыскивания топлива обеспечивает подготовку его к самовоспламенению в момент прихода поршня к ВМТ. На номинальном режиме угол опережения впрыска топлива

j_{0 т}   » 8  16 °ПКВ.

Третий такт – сгорание и расширение (рис. 36, в). Такт является рабочим, на протяжении которого в дизеле совершается полезная работа – превращение тепловой энергии газа в механическую работу. Участок индикаторной диаграммы сz соответствует периоду сгорания. Максимальное давление в цилиндре Р_z » 6  19 МПа, температура газов Т_z  » 1700 - 2000 К. Процессу расширения газов на диаграмме соответствует линия zв.


Рис. 36. Схема работы четырехтактного ДВС: а) наполнение; б) сжатие;

в) сгорание и расширение; г) выпуск
Четвертый такт - выпуск (рис. 36, г). Поршень движется от НМТ к ВМТ. Выпуск начинается в момент открытия выпускного клапана (2), до прихода поршня в НМТ на угол j_{оп.вып .} » 40  55 °ПКВ. Выпуск газов продолжается в течение всего хода поршня и заканчивается после закрытия выпускного клапана за ВМТ. Запаздывание закрытия выпускного клапана относительно ВМТ j_{зап.вып.} » 40  70 °ПКВ. На индикаторной диаграмме процесс выпуска соответствует линии вr. Выпускные газы поступают в газовую турбину, где их энергия используется для привода компрессора, подающего воздух в цилиндры.
Двухтактный ДВС
У двухтактного ДВС наполнение цилиндра воздухом и очистка от продуктов производятся в конце хода расширения и в начале сжатия. Газы из цилиндра отводятся через выпускные окна в нижней части цилиндра или через выпускные клапаны в крышке цилиндра. Воздух поступает в цилиндр через продувочные окна, размещенные в нижней части цилиндра. Открытие и закрытие окон производит поршень.

П

Рис. 37. Схема работы двухтактного ДВС: а)продувка  и  сжатие; б)сгорание и расширение

Второй такт - сгорание, расширение, выпуск и продувка, (рис. 37,б) - соответствует ходу поршня от ВМТ к НМТ. За 3  35 °ПКВ (в зависимости от типа дизеля) до прихода поршня к ВМТ происходит впрыск топлива в цилиндр, которое самовоспламеняется и сгорает (линия сz).

Под действием давления газов поршень движется к НМТ, идет процесс расширения газов (рабочий ход), что соответствует линии zа′ на диаграмме.

В момент открытия выпускных окон, за 65  75° ПКВ до НМТ (для выпускных клапанов за 70  95 °ПКВ до НМТ) начинается выпуск продуктов сгорания (точка в) из цилиндра в выпускной коллектор (4), из которого газы поступают в газовую турбину. Продувочные окна открываются поршнем после открытия выпускных окон, когда давление в цилиндре становится примерно равным (несколько меньшим) давлению воздуха в ресивере (3).

С открытием продувочных окон начинаются продувка и наполнение цилиндра свежим зарядом воздуха. Продувка продолжается вплоть до закрытия поршнем продувочных окон при его движении к ВМТ. На индикаторной диаграмме (рис. 37, б) показаны процессы рабочего цикла: ас – сжатие, сz – сгорание топлива, zв – расширение (рабочий ход), ва′а – газообмен.

По диаграмме можно установить характерные объемы цилиндра: V_s –  рабочий, V_с – камеры сгорания, V–  неполный, определяющий момент начала сжатия до ВМТ и конец расширения после ВМТ, V_s – потерянный, занятый выпускными и продувочными окнами, V_а – полный. Мощность двухтактного ДВС при одинаковых объемах цилиндров в 1,75  1,85 раза больше мощности четырехтактного ДВС. При прочих равных условиях рост в 2 раза обусловлен большим количеством рабочих ходов в единицу времени. Но у двухтактных ДВС хуже очистка цилиндров от продуктов сгорания, наполнение цилиндров свежим зарядом воздуха; часть рабочего объема цилиндра теряется на окна.

На рис. 38 показан поперечный разрез 4-тактного двигателя внутреннего сгорания.

Рис. 38. Поперечный разрез 4-тактного ДВС

3.5. Состав и свойства топлив, применяемых в ДВС

К высоковязкому остаточному топливу относится моторное топливо; ДМ, мазут М-0,9; М-1,5 и М-2,0 , топочный мазут М40 и М40 В.

Тяжелое топливо обладает значительно худшими показателями и его применение требует дополнительных затрат на топливоподготовку, но использование в судовых МОД и СОД является экономически оправданным. Они в 1,5 ÷ 2,0 раза дешевле дистиллятных. Кроме нефтяного можно использовать и другое топливо.

Элементарный состав топлива нефтяного происхождения изменяется примерно в следующих пределах:

состав в % С – 83 - 87;

Н – 12 - 14;

S – 0,1 - 5,0;

O – 0,1 - 1,0;

N – 0,1 - 0,2.

Теплота сгорания – количество теплоты (энергии) выделяющейся при полном сгорании 1 кг. топлива. Разделяется на высшую и низшую. Вторая не учитывает теплоту, выделяющуюся при конденсации паров воды.

Плотность топлива – масса единицы объема. У дизельного топлива плотность  = 830  890 кг/м³, у тяжелых доходит до 990 кг/м³ (моторное 900-910, мазуты 950 - 990). При увеличении температуры плотность уменьшается, и это нужно учитывать при определении запасов топлива на судне по формуле

,

где  = (0,712 ÷ 0,528) – поправочный коэффициент.

Испаряемость (фракционный состав) указывает температурные пределы постепенного выкипания различных фракций топлива. Фракционный состав топлива оказывает влияние на качество смесеобразования. Широкий фракционный состав вызывает ухудшение качества распыливания. Высококачественное топливо характеризуется узким диапазоном фракций. В тяжелом топливе наличие фракций, кипящих при температуре  350 °С, приводит к возрастанию периода задержки воспламенения и снижению интенсивности сгорания.

Вязкость (внутреннее трение) топлива – свойство оказывать сопротивление при перемещении частиц вещества под действием внешней силы. Является важнейшей физической характеристикой, определяющей качество распыливания, характер и дальнобойность топливной струи, текучесть топлива по трубопроводам. Различают кинематическую, динамическую и условную вязкость.

Единицей кинематической вязкости  является Стокс (Ст), см²/с, сотая часть которого именуется сантистоксом (сСт) мм²/с. В основных единицах СИ кинематическая вязкость измеряется в м²/с 1Ст  = 10^-4 м²/с.

Условной вязкостью (ВУ) принято считать отношение времени истечения 200 мл топлива из вискозиметра при температуре испытания t ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды при 20 °С. Единица измерения °ВУ (градус вязкости условной) соответствует °Е − градусу Енглера.

Динамическая вязкость − .

Вязкость дизельного топлива 3 ÷ 6 мм²/с, тяжелого топлива 36 ÷180 мм²/с, начинает доходить до 700 мм²/с. Измеряется для дизельного топлива при 20 °С, для тяжелых 50 °С.

Коксуемость – способность топлива к отложению нагара, выражается в процентах. Коксовым числом называется процентное количество твердого остатка, которое остается после выпаривания топлива. Твердые частицы нагара оказывают абразивное действие на детали ЦПГ.

Кислотность – оценивается количеством миллиграммов КОН, необходимого для нейтрализации кислот, содержащихся в 1 мл топлива. Кислотность вызывает коррозию. Допускаемая кислотность не более 5 мг КОН.

Температура вспышки, Т_всп – минимальная температура, при которой топливо, испаряясь, вспыхивает при соприкосновении с открытым пламенем. Регистр России допускает использовать на судах топливо, температура вспышки которого в закрытом тигле не ниже 61 °С. Т_всп – является показателем пожарной опасности.

Температура самовоспламенения – минимальная температура, при которой топливо воспламеняется в присутствии воздуха и продолжает гореть без воздействия постороннего источника зажигания.

Температура застывания – температура, при которой теряется способность текучести. Для топлив судовых ДВС находится в диапазоне +5 ÷ - 60 °С.

Цетановое число - Ц.Ч. характеризует склонность топлива к самовоспламенению. Продолжительность периода задержки самовоспламенения определяется по совпадению периода задержки самовоспламенения эталонного и испытуемого топлива, т.е. цетановым числом называется показатель воспламеняемости топлива, численно равный такому процентному ( по объему) содержанию цетана (С₁₆ Н₃₄) в смеси с  - метилнафталином (С₁₀Н₇СН₃), при котором периоды задержки воспламенения этой смеси и испытуемого топлива будут одинаковы. (Цетан – легковоспламеняющееся,  - метилнафталин – трудно воспламеняющееся вещество. Цетановое число его = 0).

Ц.Ч. = 40÷60 – дизельное топливо, у тяжелого топлива Ц.Ч. = 25 ÷ 40.

Зависимость продолжительности периода задержки воспламенения от цетанового числа показана на рис. 39.

Октановое число характеризует антидетонационные свойства топлива. Октановое число для бензинов 66 - 94.

Зольность топлива определяется количеством остатков веществ минерального происхождения, образующихся в результате сжигания топлива. Наиболее вредными зольными элементами являются пятиокись ванадия V₂O₅, соли Nа, так как у них низкая температура плавления (550-600 °С) и они прилипают к металлическим поверхностям.



Рис. 39. Задержка воспламенения в зависимости от цетанового числа топлива (заштрихована область дизельных топлив): – время от момента начала поступления топлива в цилиндр до момента самовоспламенения
Содержание золы должно быть меньше (0,01 ÷ 0,02) % в дизельном топливе и меньше 0,15 % в тяжелом. Механические примеси в топливе разрушают сопловые отверстия форсунок, что увеличивает длину факела. Возможно зависание плунжеров топливной аппаратуры. Особенно опасны частицы размером более 5 мкм. Механические примеси  0,5 % для тяжелого топлива.

Вода снижает теплоту сгорания топлива, вызывает электрохимическую коррозию плунжерных пар. Содержание воды в топливе для МОД должно быть меньше 1 %, в ВОД – недопустимо.

Сера – в тяжелом топливе доходит до 5 %. Вызывает коррозию, усиливает нагарообразование. При горении сера окисляется до сернистого ангидрида (SO₂) и серного ангидрида (SO₃). Реагируя с водяными парами, они образуют пар H₂SO₄. Реакция усиливается в присутствии ванадия или никеля (которые являются катализаторами). При температуре верхнего пояса цилиндра  150 °С на нем конденсируются пары H₂SO₄ и способствуют активной электрохимической коррозии цилиндра и поршневых колец. Для борьбы необходимо поддерживать высокую температуру воды в зарубашечном пространстве и применять высокощелочные масла, которые нейтрализуют кислоту.

3.6. Смазочные материалы для ДВС

- в открытых, негерметизированных узлах трения;

- в труднодоступных местах;

- при одновременном использовании в качестве материала для консервации;

- для герметизации подвижных уплотнений и сальников;

- при высоких нагрузках и малых скоростях, ударных нагрузках, периодической работе и частых остановках;

- при вынужденном контакте узла трения с водой. Твердые смазки используются как: присадки к пластичным смазкам; наполнители материалов на полимерной основе и твердосмазочные покрытия; компоненты материалов, получаемых методом порошковой металлургии.

Основным компонентом жидких и пластичных смазочных материалов является хорошо очищенное базовое масло. Его получают из мазута. Мазут перегоняют на масла в вакууме в присутствии водяного пара.

Различают масляные дистилляты (продукты перегонки) и остаток или полугудрон. Из дистиллятов получают дистиллятные масла, а из остатка - остаточные (масла с повышенной вязкостью). Жидкие смазочные материалы – это базовые масла, легированные присадками. Присадки в базовые масла вводят в строго определенных количествах, в результате получаются легированные смазочные материалы, значительно отличающиеся по своим свойствам от исходных природных масел.

Основные типы присадок:

- антиокислительные – тормозят окисление масел;

- антикоррозионные – образуют на смазываемых поверхностях гидрофобные пленки, защищающие поверхности от контакта с водой;

- противопенные – диспергированные частицы полисилоксановой жидкости присоединяются к пузырькам воздуха и разрушают их;

- моющие – предотвращают образование отложений на поверхностях, соприкасающихся с маслом, препятствуют коагуляции продуктов окисления;

- антиэмульсионные – разрушают водомасляные эмульсии;

- вязкостные – повышают вязкость масел и уменьшают ее зависимость от температуры;

- депрессорные – понижают температуру застывания масла, т.к. препятствуют образованию кристаллической решетки при застывании парафинов;

- противозадирные и противоизносные – образуют сульфидные, хлоридные, фосфатные пленки железа, которые препятствуют задиру трущихся поверхностей и уменьшают изнашиваемость;

- противоскачковые – снижают разность между силой трения покоя и силой трения движения.

Смазочные масла подразделяются в зависимости от применения на моторные, индустриальные и специальные (компрессорные, турбинные и др.). Характеристики смазочных масел делятся на обязательные для всех видов масел и обязательные для отдельных видов масел. К обязательным для всех видов масел относятся следующие: вязкость, температуры застывания и вспышки, содержание водорастворимых кислот и щелочей, содержание воды и механических примесей.