Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра промышленной теплоэнергетики

 

 

               

ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ПРОМИСПЫТАНИЯ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И СИСТЕМ

 Методические указания к выполнению лабораторных работ для магистрантов всех форм обучения специальности 6М071700 Теплоэнергетика (магистратура профильная)

Часть I

 

 

Алматы 2011

         СОСТАВИТЕЛИ: Стояк В.В., Поданев И.Е. Эксплуатация    и промиспытания   теплотехнологических   установок  и    систем. Методические указания к лабораторным работам для магистрантов всех  форм обучения специальности 6М071700 Теплоэнергетика- Алматы: АУЭС,2011- 40 с. Часть I

 

         Лабораторные работы разработаны на базе действующей лабораторной установки « Тригенерационная лабораторная установка кафедры ПТЭ на базе двигателя внутреннего сгорания  Д905-ЕВG-2 для проведения удаленного эксперимента». В настоящих методических указаниях представлено 7 лабораторных работ, охватывающих часть I всего комплекса лабораторных работ, проводимых на установке.

         Методические указания к лабораторным работам составлены в соответствии с требованиями квалификационной характеристики специалистов и Государственных стандартов. Они направляют обучающихся на самостоятельную активизацию учебного процесса и включают в себя обоснование изучения  темы, решения задач на заданную тему и способы их решения. В расчетах используются значения параметров, полученных экспериментально на действующей установке. Полученные расчетом параметры затем проверяются экспериментально.

                   Илл.  8 , табл 8, библиогр.7 назв.

 

         Рецензент:  канд. техн. наук, доцент А.А. Кибарин.

 

        Печатается по плану издания  некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на  2011 г. 

 

                             © НАО Алматинский университет энергетики и связи, 2011 г.

 

         1Лабораторная работа №1

 

         Тема лабораторной работы: «Изучение устройства и работы лабораторной установки « Тригенерационная лабораторная установка кафедры ПТЭ на базе двигателя внутреннего сгорания  Д905-ЕВG-2 для проведения удаленного эксперимента» установленной в лаборатории   кафедры ПТЭ АУЭС №10».

 

         Цель работы: ознакомление с общим устройством лабораторной установки. Изучение устройства и работы двигателя внутреннего сгорания  Д905-ЕВG-2, его систем жизнеобеспечения, устройства и работы системы утилизации тепла выходных газов двигателя и системы утилизации тепла воды охлаждающей двигатель, а также  устройств диагностики  и регулирования  основных параметров  перечисленных систем. Полученные  знания при проведении данной лабораторной работы могут осознанно использоваться при проведении  последующих лабораторных работ на базе рассматриваемой  лабораторной установки.

 

         Материалы и объекты для изучения и исследования

         В качестве объекта  для изучения использовать лабораторную  установку, смонтированную в лаборатории №10 университета  и описание установки, изложенное в методических материалах данной лабораторной работы.

 

1.1  Устройство и работа лабораторной установки

 

         Лабораторная установка состоит из двигателя внутреннего сгорания, закрепленного на раме остова, который посредством амортизаторов установлен на  полу лаборатории, а также содержит два бака- накопителя тепловой энергии емкостью по 300 литров каждый, выносной электронный пульт управления  с программным обеспечением и компьютером, устройство для согласования диагностических параметров всех систем лабораторной установки с компьютером  электронного пульта управления.

         На раме и других элементах остова двигателя установлены: газоводяной теплообменник для утилизации тепла выходных газов двигателя, два компрессора ТНУ с механическим приводом от вала  двигателя посредством клиноременных передач, штатный электрогенератор мощностью , штатный пульт управления с элементами сигнализации, два конденсатора, два испарителя, радиатор системы охлаждения двигателя и другое оборудование теплонасосной  установки, а также элементы устройства утилизации тепла масляной системы и системы охлаждения двигателя. Баки- накопители тепловой энергии  установлены  на отдельных рамах. На раме бака ТНУ установлено оборудование холодильника.

         Все перечисленное оборудование показано на рисунке 1, рисунке 2 и указано в их подрисуночных надписях.

 

                        

1 – двигатель внутреннего сгорания в сборе; 2 – бак накопитель тепла утилизируемой из выходных газов и системы охлаждения двигателя; 3 – бак накопитель тепла ТНУ; 4 – электронный пульт управления с программным обеспечением и компьютером; 5 – устройство для согласования диагностических параметров с компьютером.

         Рисунок 1 – Тригенерационная лабораторная установка кафедры ПТЭ для проведения удаленного эксперимента (вид спереди)

 

 

                           

1 – двигатель внутреннего сгорания; 2 – рама остова двигателя; 3 – бак накопитель тепла ТНУ; 4 – штатный пульт управления с элементами сигнализации; 5 – устройство для согласования диагностических параметров установки с компьютером; 6 – газо-водяной теплообменник;7-компрессор ТНУ;8- штатный электрогенератор; 9 – конденсаторы ТНУ; 10 – испарители ТНУ; 11 – радиатор системы охлаждения двигателя; 12 – холодильник.   

         Рисунок 2 – Тригенерационная лабораторная установка кафедры ПТЭ для проведения удаленного эксперимента (вид сбоку)

 

 

         Штатная энергетическая установка, выполненная на базе двигателя внутреннего сгорания Д905-ЕВG-2 предназначена для выработки электрической энергии, т.е. двигатель в этой установки работает только на электрогенераторе мощностью .

         В лабораторной установке проведена следующая модернизация энергетической установки:

         1) На выходе газового тракта двигателя установлен газо-водяной теплообменник позволяющий утилизировать тепло выходных газов двигателя. Это тепло накапливается в баке-накопителе в идее горячей воды, которая может использоваться  в системе отопления здания и для горячего водоснабжения.

         2) Круг циркуляции охлаждающей воды двигателя через радиатор перекрывается автоматическим краном предельной температуры, что исключает отвод тепла от воды системы охлаждения двигателя в атмосферу от радиатора посредством продувки воздуха через него приводным вентилятором. Это тепло утилизируется путем организации внешнего круга циркуляции содержащего циркуляционный насос, регулирующий смесительный клапан, водоводяной теплообменник, установленный в баке-накопителе тепла и счетчик тепловой энергии с расходомером воды в круге циркуляции. Тепловая энергия  из системы охлаждения двигателя передается в воду бака накопителя посредством трубчатого водоводяного теплообменника.

         3) На базе двигателя внутреннего сгорания может быть организована работа теплонасосной установки. В этом случае двигатель работает частично или полностью на привод компрессоров ТНУ. Для этого в лабораторной установке дополнительно смонтированы два компрессора с приводом от вала двигателя посредством клиноременных  передач. Ведущий  шкив передач установлен на валу электрогенератора по неподвижной посадке. Соединение валов двигателя и электрогенератора сохранено  штатное. Ведущий шкив имеет два ручья под клиновой ремень. Ведомые шкивы, установленные на валах компрессов, одноручейные  и содержат электромагнитные муфты сцепления шкивов с валами компрессоров. Включение муфт сцепления осуществляется с электронного пульта управления посредством компьютера.       Таким образом,  двигатель лабораторной установки может работать только на электрогенератор. При этом будет вырабатываться электрическая энергия в количестве  и тепловая энергия в результате утилизации тепла выходных газов и тепла системы охлаждения двигателя. Двигатель может работать на электрогенератор и на один из компрессоров. В этом случае будет вырабатываться электрическая энергия  в количестве   , тепловая энергия за счет утилизации тепла выходных газов и системы охлаждения двигателя, а также в теплонасосной установке в количестве . Двигатель может работать на оба компрессора. В этом случае электрогенератор должен работать в холостом режиме, т.к. вся механическая энергия вырабатываемая двигателем будет расходоваться на привод компрессоров, и будет вырабатываться только тепловая энергия, получаемая в теплонасосной установке и в результате утилизации тепла выходных газов и системы охлаждения двигателя. Программа работы лабораторной установки задается с электронного пульта управления. Запуск  в работу двигателя, программа его работы и останов осуществляются в автоматическом  режиме. При этом через каждые две минуты работы установки происходит регистрация значений давления и температуры теплоносителей во всех контурах и баках- накопителях тепла. Значения  этих параметров фиксируются на принципиальной схеме установки, в точках установки датчиков, показанной на рисунке 3.

 

 

         Рисунок 3- Принципиальная схема тригенереционной установки

 

         Расход топлива в каждый двухминутный  интервал времени работы установки измеряется при помощи электронных весов. Расходы теплоносителя в кругах их циркуляции измеряются расходомерами, установленными в этих кругах. Расход топлива  и теплоносителей фиксируются визуально и записываются в таблицу через каждые две минуты работы  установки. В дальнейшем планируется эти параметры также заносить в компьютер и фиксировать на принципиальной схеме.

         Программа регистрации диагностических параметров, показанных на принципиальной схеме  рисунок 3, составлена так, что вся диагностическая информация обновляется через каждые две минуты работы двигателя с регистрацией  через каждый двухминутный интервал  времени на новой принципиальной схеме, фиксируемой в памяти ЭВМ. Это позволяет получать диагностическую информацию, работы лабораторной установки по любой программе и использовать ее в любое время, а также передавать пользователям, удаленным на большие расстояния от места нахождения лабораторной установки.

         Из рисунка 3 видно, что система утилизации тепла выходных газов и тепла утилизируемого из системы охлаждения двигателя гидравлически не связана с теплонасосной установкой, поэтому методическое обеспечение лабораторных работ можно разделить на две самостоятельные части методически не связанные друг с другом.

         Используя разработанную методику тепловых расчетов первой части можно составить программу расчетов  на компьютере и получать требуемые результаты в окончательном виде в виде таблиц и графиков.

 

1.2  Устройство и работа двигателя Д 905-ЕВG-2

 

         Общий вид двигателя и основные элементы его жизнеобеспечения показаны на рисунке 4 и рисунке 5.

                   1.2.1 Техническая характеристика двигателя (см. источник[1]).

         1) Тип - вертикальный, рядный, четырехтактный дизельный мотор.

         2) Число цилиндров-3.

         3) Диаметр цилиндров и ход поршня в мм. 72х73,6.

         4) Полный объем в литрах L=0,898 литров.

5) Длительная электрическая мощность в кВт при П об/мин-6,5кВт/1500 об/мин.

         6) Эффективная мощность двигателя Ne=7,3 кВт ( при П=1500 об/мин).

         7) min обороты Пmin=800-900 об/мин.

         8) max обороты Пmax=1575 об/мин.

         9) Порядок работы цилиндров-1,2,3.

         10) Направление вращения коленчатого вала - по часовой стрелки со стороны вентилятора.

         11) Форсунки впрыска- фирмы Boch.

12) Давление впрыска- 140 атм (13,73МПа).

         13) Угол опережения впрыска-16,5 до ВМТ.

         14) Степень сжатия -22:1.

 

         1.2.2 Общее описание устройства и работы двигателя.

         Для обеспечения надежной работы двигатель работы имеет следующие системы его жизнеобеспечения: топливную систему, масляную систему, систему охлаждения двигателя, систему автоматического регулирования и управления  двигателем, систему защиты двигателя от аварийных режимов.

         Основные элементы этих систем указаны в подрисуночных надписях рисунка 4 и рисунка 5. Двигатель разработан для привода электрогенератора. Однако в лабораторной установке он может работать на привод двух компрессоров.

 

 

 

1- воздухозаборное устройство;2- рычаг системы регулирования подачи топлива; 3-устройство аварийного останова двигателя;4-блок форсунок подачи топлива;5- топливный насос;6-вентилятор системы охлаждения двигателя; 7-ведущий шкив клиноременной передачи привода вентилятора;8-масляный фильтр;9-масляный насос;10-топливные фильтры; 14-щуп замера масла в картере; 17-пробка слива масла из картера;19-остов двигателя

 

         Рисунок 4-Общий вид двигателя (вид слева)

3

11-выхлопной коллектор двигателя; 12-электогенератор зарядки аккумуляторной батареи; 13-электротартер запуска двигателя; 15-термодатчик масла двигателя; 16-фланец привода электрогенератора;18-картер масла двигателя; 20- сливное отверстие охлаждающей жидкости двигателя.

 

         Рисунок 5- Общий вид двигателя (вид справа)

 

 

         Двигатель представляет собой дизельный мотор, работающий с воспламенением топлива от сжатия по четырехтактному циклу. Топливная система двигателя содержит приводной от вала двигателя топливный насос высокого давления, подающий топливо в цилиндры двигателя через форсунки.  Топливо содержится в емкости для топлива и подкачивается к топливному насосу высокого давления через  электромагнитный топливный клапан посредством подкачивающего насоса. Расход топлива в двигателе лабораторной установки измеряется электронными весами.

         Двигатель оснащен системой жидкостного охлаждения. Система содержит штатный приводной от вала двигателя циркуляционный насос, прокачивающий через охлаждаемые полости двигателя жидкость (воду или антифриз). Эта жидкость затем проходит в радиатор, через который приводным вентилятором продувается атмосферный воздух, который отнимает тепло от охлаждающей жидкости и сбрасывает его в окружающую среду. В охлаждающую жидкость посредством водомасляного теплообменника отводится тепло из масляной системы двигателя служащей для смазки подшипников коленчатого вала двигателя и его шатунно-поршневой группы. Масло для смазки подается приводным насосом из картера, а затем охлажденное снова сливается в картер. Система охлаждения двигателя лабораторной установки претерпела изменения. В этой системе тепло отнимаемое от охлаждающей жидкости не выбрасывается в окружающую среду, а утилизируется в воду бака-накопителя тепловой энергии посредством трубчатого водоводяного теплообменника установленного в нем. Принципиальная схема модернизированной системы охлаждения двигателя, описание устройства и работы приведены ниже в соответствующем разделе.

         Система автоматического регулирования и управления рабочим процессом двигателя состоит из трех основных компонентов: пульта управления, комплекта реле управления, прерывателя цепи на выходе электрогенератора. Пульт управления обеспечивает запуск и останов двигателя, контроль его работы и автоматического отключения при низком давлении масла или высокой температуре двигателя. Управляющие реле предназначены для включения (выключения) стартера, прогрева двигателя, включения топливного подкачивающего насоса и топливного электромагнитного клапана. Электрические цепи этих элементов защищены плавкими предохранителями. Прерыватель цепи на выходе электрогенератора служит для защиты электрогенератора от короткого замыкания и защиты двигателя от перегрузки.

         В лабораторной установке имеется штатный пульт управления и пульт управления посредством компьютера. На рисунке 6 показан штатный пульт управления. Панель этого пульта управления содержит: счетчик рабочих часов, сигнальные лампы неисправности, клавишный выключатель, кнопку аварийного останова.

         На пульте управления вместо слов использованы символы, указывающие назначение устройств управления и сигнальных  ламп. На рисунке 6 приведены условные обозначения всех применяемых символов.

         Управление двигателем и всеми системами лабораторной установки с электронного пульта управления связанного с компьютером производится с использованием принципиальной схемы тригенерационной установки показанной на рисунке 3. Включение (выключение) в работу двигателя, компрессоров, циркуляционных насосов, регулирующих и запорных клапанов, осуществляется при помощи мыши, нажатием   в соответствующих точках принципиальной схемы. Выключенное состояние элементов высвечивается красным цветом, а включенное синим.

         В схеме управления двигателем предусмотрена защита от следующих неисправностей:

         1) низкое давление масла;

         2) высокая температура двигателя;

         3) отказ зарядного устройства;

         4) превышение числа оборотов;

         5) падение числа оборотов (потеря сигнала датчика числа оборотов);

         6) отказ при пуске.

         При включении контролируемого параметра включается красный сигнал светодиода на панели управления штатного пульта. Счетчик рабочих часов отсчитывает рабочие часы в случае, когда имеется сигнал расхода топлива.

        

D:\4 курс Валя\5.jpgD:\4 курс Валя\6.jpg

 

        

 

1-счетчик рабочих часов;2-клавишный контрольный выключатель и кнопка аварийного выключения двигателя; 3-сигнальные лампы неисправности.

 

         Рисунок 6- Штатный пульт управления

 

         2 Лабораторная работа №2

 

         Тема лабораторной работы: «Теоретическое и экспериментальное определение расходов топлива, воздуха, газов и количества тепловой энергии подведенной от сжигания топлива в цилиндрах двигателя при работе его в номинальном, холостом и промежуточном режиме, когда двигатель работает только на один из двух компрессоров».

 

         Цель работы: определение расхода топлива, воздуха, газов и количества тепловой энергии подведенной от сжигания топлива в цилиндрах двигателя при работе его на всех возможных режимах.

         Задействованные системы, необходимые расходные материалы и приборы в процессе проведения лабораторной работы:

         1)Работающий двигатель и его функциональные системы жизнеобеспечения (система подачи топлива, система подачи воздуха, система выхлопа отработавших газов, система охлаждения двигателя, масляная система двигателя, система управления автоматического регулирования и защиты от аварийных режимов).

         2) Для работы двигателя необходимо топливо (соляровое масло).

         3) Измеритель расхода топлива (электронные весы).

          4)Необходима электроэнергия для нормальной работы функциональных систем жизнеобеспечения двигателя (аккумулятор электрической энергии и система его подзарядки).

 

          2.1 Порядок проведения лабораторной работы

 

         2.1.1 Убедиться, что все требования выполнены для безопасного включения двигателя в работу.

         2.1.2 Включить систему электропитания функциональных систем жизнеобеспечения двигателя системы диагностики и управления.

         2.1.3 Через компьютер, используя принципиальную схему установки, включить в работу циркуляционные насосы всех водяных контуров системы утилизации тепла выходных газов, воды системы охлаждения двигателя и теплонасосных установок.

         2.1.4 Зафиксировать количество топлива в расходной ёмкости установленной на электронных весах.   

         2.1.5 Зафиксировать по счетчикам расхода теплоносителя по всем водяным контурам.

         2.1.6 Через компьютер, используя принципиальную схему установки, включить в работу двигатель. Двигатель будет работать по программе. Через каждые 2 минуты работы двигателя на принципиальных схемах установки будут автоматически фиксироваться значения измеряемых параметров систем установки (температур и давления теплоносителей в контурах и баках-аккумуляторах).

         2.1.7  Через каждые 2 минуты работы двигателя, используя секундомер, нужно фиксировать количество оставшегося топлива в мерной ёмкости по показаниям электронных весов.

         В будущем этот параметр должен быть заведен в программу компьютера.

         2.1.8 По полученным значениям показаний электронных весов определяем расход топлива в каждый 2-х минутный промежуток времени работы двигателя и записываем эти значения в таблицу 2.1.

         2.1.9 После выполнения заданной программы работы, двигатель будет остановлен автоматически.

 

         2.2 Методика достижения поставленной цели и решения задач

 

         2.2.1 Из эксперимента известен расход топлива , кг в каждый 2-х минутный промежуток времени работы двигателя. Работа двигателя в каждый из 15 двух минутных промежутков времени осуществлялась на холостом режиме, или при включенном под нагрузку одним компрессором из двух, т.е. в промежуточном режиме. В таблице 2.1 участки работы двигателя на холостом режиме обозначены значком “х”, а на промежуточном значком “пр”.

         2.2.2 Имеем в виду, что на всех режимах работы двигателя число оборотов коленчатого вала двигателя одинаково и равно . Это означает, что часовой расход воздуха в двигателе одинаково на всех режимах работы, который определяется из выражения:

 .

 

         Здесь: z=3 – число цилиндров

–литровый объем одного цилиндра.

           – диаметр цилиндра;

          – ход поршня;

           =0,88 – коэффициент наполнения.

         Температура воздуха в конце процесса впуска, в двигателях без наддува, за счет нагрева от горячих поверхностей цилиндра и поршня, составляем . Можно принять в расчете . При такой температуре и давлении близком к атмосферному, плотность воздуха

                             3.

         – число оборотов коленчатого вала двигателя.

 

         Тогда

    .

         2.2.3 Удельный расход топлива на 1 кг воздуха gТi в каждый 2-х минутный промежуток времени определяем из выражения

.

         Полученные значения  сводим в таблицу 2.1. Из анализа полученных результатов можно принять для холостого режим , для промежуточного режима . Для номинального режима эксперимент не проводился, однако значение можно определить расчетным путем.

         2.2.4 Определяем  коэффициент избытка воздуха на двухминутном временном интервале работы двигателя из выражения

         Значение теоретически необходимого количество воздуха  для сжигания 1 кг дизельного топлива можно определить по формулам Менделеева [3].

Состав дизельного топлива (, , , ).

.

         Затем    .

         С учетом плотности воздуха   , находим массовое количество теоретически необходимого воздуха для сжигания 1 кг дизельного топлива из выражения

.

         Значение для дизельного топлива можно  также принять из источника [4], (см. приложение, таблица 2, стр. 61). Затем по вышеприведенной формуле находим   для каждого временного интервала  . Значения записываем в таблицу

         2.2.5 Коэффициент избытка воздуха в дизелях на номинальном режиме обычно составляет  в нашем случае можно принять.

При меньших значениях происходит не полное сгорание топлива, что приводит к снижению экономичности и перегреву двигателя.

         2.2.6 Удельный расход топлива на 1 кг воздуха в номинальном режиме должен составить величину:

.

 

         Значение   принято из источника [4].

         2.2.7 Расход топлива на каждом временном участке находим из выражения:

.

         Полученные  значения    и  записываем в таблицу 2.1

         Эксперимент для номинального режима не проводился, поэтому все параметры для номинального режима могут быть получены расчетным путем и тоже записаны в таблицу 2.1 отдельной строкой, например расход топлива в номинальном режиме

        

Таблица 2.1

          Режим работы

 

 

    № промеж. Времени

      Время в минутах

    Кол-во расх. топлива

           G*Ti, кг

   Удельный расх. топлив.

     gTi, (кг.топл/кг.возд)

    Коэф. избытка воздуха,

                       αi

    Расход топлива GTi  ,  

                  кг/с

 

 

 Кол-во тепловой      энергии , подводимого при сжигании топлива

  

  

Расход газов   ,

 

    кВт

 

   кДж

    ккал

 

ккал

 

   кг/с

Х

1

2

0,017

 

4,55

 

 

 

 

 

Х

2

4

0,017

 

4,55

 

 

 

 

 

Х

3

6

0,017

 

4,55

 

 

 

 

 

Х

4

8

0,022

 

3,5

 

 

 

 

 

Х

5

10

0,026

 

2,96

 

 

 

 

 

Х

6

12

0,023

 

3,305

 

 

 

 

 

пр

7

14

0,034

 

2,12

 

 

 

 

 

пр

8

16

0,037

 

2,09

 

 

 

 

 

пр

9

18

0,039

 

1,98

 

 

 

 

 

пр

10

20

0,038

 

2,03

 

 

 

 

 

Х

11

22

0,022

 

3,5

 

 

 

 

 

Х

12

24

0,023

 

3,305

 

 

 

 

 

пр

13

26

0,039

 

1,98

 

 

 

 

 

пр

14

28

0,042

 

1,84

 

 

 

 

 

X

15

30

0,023

 

3,305

 

 

 

 

 

Нр

 

 

 

0,0435

1,6

0,000407

 

 

 

0,00977

 

 

         2.2.8 Расход газов на каждом 2-х минутном временном участке определяем из выражения

.

         Аналогично для номинального  режима

.

         Полученные значения записываем в таблицу 2.1

         2.2.9 Количество тепла подводимого при сжигании топлива на каждом временном участке составит величину

.

         Или                                 .

         Или                               .

         Аналогично для номинального режима определяем .

         Полученные значения сводим в таблицу 2.1.

                Низшая теплотворность способность дизельного топлива может быть принята равной    см . источник [5] (стр.354.Таблица 4.6), или определена по формулам Менделеева,  см . источник [3].

 

         3 Лабораторная работа № 3

 

         Тема лабораторной работы: «Теоретическое и экспериментальное определение мощности двигателя расходуемой на привод вентилятора, генератора зарядки аккумуляторных батарей, насосов топлива, воды, масла, а также температуры газов на выходе из двигателя из газоводяного теплообменника и  уходящих, в атмосферу количества тепловой энергии, утилизируемой из выходных газов за счет снижения их температуры в газоводяном теплообменнике и  трубчатом газоводяном теплообменнике, установленном в баке - накопители тепла».

 

         Цель работы: определить расходуемую мощность двигателя на собственные нужды и тепловую мощность, утилизируемую из выходных газов в результате снижения их температуры.

 

         3.1 Устройство и работа системы утилизации тепла выходных газов двигателя

 

         Принципиальная схема системы утилизации выходных газов  и охлаждающей двигатель воды приведена на рисунке 7. Система утилизации тепла выходных газов двигателя 1 состоит из газоводяного  теплообменника 2, бака- аккумулятора тепловой энергии 3, циркуляционного водяного насоса 4, трубчатого газоводяного теплообменника 5, обратного клапана 6, запорного клапана 7, сборного бака конденсата 11, выходного устройства газов в атмосферу 12, бачка 13 для слива конденсата из сборного бака 11.      

 

1 – двигатель внутреннего сгорания D905-EBG-2; 2 – газоводяной теплообменник; 3 – бак-накопитель тепловой энергии ёмкостью 300 л; 4 – циркуляционный насос; 5 – трубчатый теплообменник; 6,6’,6* - обратные клапана; 7 – запорный кран; 8 – кран, регулирующий 3х ходовой смесительный; 9 – циркуляционный насос; 10 – теплообменник водоводяной трубчатый; 11 – сборный бак конденсата; 12 – выходное устройство газов; 13 – бак для конденсата; 14 – гидрогазовый аккумулятор; 15 – холодильник; 16 – фильтр; 17 – кран регулирующий; 18 – кран автоматический предельной температуры; 19 – радиатор водяной; 20 – водо-масляный теплообменник; 21 – штатный масляный насос масляной системы двигателя; 22 – кран для выпуска воздуха из бака-накопителя; 23 – предохранительный клапан; 24 – манометр; 25 – канализация; 26 – штатный водяной насос системы охлаждения двигателя; 27 – теплосчетчик UR1 с расходомером воды; 1*, 2*, 3* - термопары; 2°, 3°, 10°, 11°, 12°, 13°, 14°, 15° - термодатчики (терморезисторы); I – водяной контур трубчатого водоводяного теплообменника бака-накопителя тепловой энергии; II – водяной контур системы охлаждения двигателя; III – водяной контур радиатора штатной системы охлаждения двигателя.

                  Рисунок 7 – Принципиальная схема системы утилизации тепла выходных газов и охлаждающей двигатель воды

 

           Газовый тракт выхлопных газов образуется газовыми  полостями газоводяного теплообменника 2 и трубчатого газоводяного теплообменника 5, установленного внутри бака 3. Газы с выхода теплообменника 5 проходят через сборный бак конденсата 11 и далее через выходное устройство 12 в атмосферу. Внутренняя полость бака 3 заполнена водой. В этой полости установлены трубчатые теплообменники 5 и 10. Температура воды в баке измеряется термодатчиками 2° и 3° ,установленными в  верхней и нижней частях бака. Для   выпуска воздуха из бака установлен кран 22, а для измерения давления воды в баке манометр 24 и предохранительный клапан 23. Круг циркуляции по водяной стороне теплообменника 2 организован посредством всасывающей и нагнетательной линий и установленных в них водяного насоса 4, обратного клапана 6, запорного клапана 7 и термодатчиков 11°, 12°. По газовому тракту установлены термопары 1*, 2*, 3*, измеряющие температуру газов в разных сечениях. Забор воды в круг циркуляции осуществляется из бака 3 затем вода, нагревшись в газоводяном теплообменнике 2 за счет утилизации тепла выходных газов двигателя, с большей температурой снова сбрасывается в бак 3.

 

         3.2 Результаты измеренных и полученных расчетом параметров необходимых для решения поставленных задач в лабораторной работе и решение этих задач

 

         3.2.1 Из технической характеристики двигателя известно, что эффективная мощность двигателя на коленчатом валу, при работе на номинальном режиме, составляет Nе = 7,3 кВт, а электрическая Nэ = 6,5 кВт. Можно полагать, что

.

         Это мощность, расходуемая на привод вентилятора, электрогенератора подзарядки аккумуляторных батарей, насосов топлива, воды и масла.

         3.2.2 Температура газов на выходе из двигателя на каждом двух минутном участке работы двигателя определена из эксперимента. Записываем эти значения температур газов на входе в газоводяной теплообменник  в таблицу 3.1. На рисунке 7  = Числовые значения температур указаны на рисунках 3.

         3.2.3 Значения температуры газов на выходе из газоводяного теплообменника  также определены из эксперимента. Их значения записываем в таблицу 3.1. На рисунке 7    =.

         3.2.4 Из таблицы 2.1 (см. лабораторную работу № 2) для каждого временного промежутка   работы двигателя переписываем в таблицу 3.1 значения коэффициента избытка воздуха αi.

         3.2.5 Из номограммы (см. приложение, рисунок 1) в зависимости от  и α определяем значение теплоёмкости газов и записываем в таблицу 3.1.

         3.2.6 Из таблицы 2.1 (см. лабораторную работу № 2) для каждого временного промежутка  работы двигателя переписываем в таблицу 3.1 значения расхода газов .

                   3.2.7 Количество тепловой энергии для каждого временного промежутка , утилизируемой из выходных газов в газоводяном теплообменнике в результате снижения их температуры определяем из выражения

 [кВт].

         Полученные значения записываем в таблицу 3.1.

         3.2.8 Количество тепловой энергии, полученное в течение каждого из двух минутного промежутка времени = 120 с, утилизируемое из выходных газов  в результате снижения их температуры, выраженное в кДж, определяется из выражения

 [кДж],

а  в ккал  из выражения:

 [ккал].

         Полученные значения тоже записываем в таблицу 3.1.

 

Таблица 3.1

 

  Режим

  работы

промежутка

Время

в мин

,

°С

,

°С

  

 ,

,

   кВт

  кДж

   ккал

Х

1

2

156,6

32,51

 

 

 

 

 

 

Х

2

4

172,2

34,75

 

 

 

 

 

 

Х

3

6

176,6

35,65

 

 

 

 

 

 

Х

4

8

179,1

36,24

 

 

 

 

 

 

Х

5

10

180,6

36,74

 

 

 

 

 

 

Х

6

12

180,5

37,33

 

 

 

 

 

 

Пр

7

14

270,5

37,42

 

 

 

 

 

 

Пр

8

16

314,6

39,14

 

 

 

 

 

 

Пр

9

18

323,6

40,88

 

 

 

 

 

 

Пр

10

20

328,8

41,88

 

 

 

 

 

 

Х

11

22

201,4

42,47

 

 

 

 

 

 

Х

12

24

183,5

41,88

 

 

 

 

 

 

Пр

13

26

319,4

42,56

 

 

 

 

 

 

Пр

14

28

358,9

44,37

 

 

 

 

 

 

Х

15

30

206,1

44,18

 

 

 

 

 

 

 

         3.2.9 Значения температуры газов на выходе из трубчатого  газоводяного теплообменника  установленного в баке-накопителе полученные из эксперимента записываем в таблицу 3.2. В таблицу 3.2 из таблицы 3.1 переписываем значения температур

         3.2.10 Значения перепада температурна входе и выходе из  трубчатого газоводяного теплообменника вычисляем из выражения:

         И тоже записываем в таблицу 3.2.

         3.2.11 Количество тепловой энергии переходящей в воду бака-накопителя утилизируемой за счет тепла выходных газов в трубчатом газоводяном теплообменнике для каждого временного интервал определяем из выражения:

.

         Затем переводим в кДж, ккал  (см. п. 3.2.8) и заносим в таблицу 3.2.

 

Таблица 3.2

     Режим работы

 

 

  № промеж. времени

    Время в минутах

                         ,

 

                         ,       

 

 

                       

 

                

 

 

 

     

 

    

кВт

 

кДж

 

 

ккал

кВт

 

кДж

 

 

ккал

 

Х

1

2

32,51

26,19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

2

4

34,75

26,47

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

3

6

35,65

26,81

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

4

8

36,24

27,15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

5

10

36,74

27,56

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

6

12

37,33

27,99

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пр

7

14

37,42

28,61

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пр

8

16

39,14

29,52

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пр

9

18

40,88

30,39

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пр

10

20

41,88

31,35

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

11

22

42,47

31,98

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

12

24

41,38

32,54

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пр

13

26

42,56

33,32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пр

14

28

44,37

34,31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

15

30

44,18

34,91

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                                                                                                                                

                3.2.12 Определяем суммарное количество тепловой энергии полученной за счет утилизации тепла выходных газов в трубчатом газоводяном теплообменнике из выражения

.

         3.1.13 Определяем суммарное количество тепловой энергии тепловой энергии полученной за счет утилизации тепла выходных газов в результате снижения их температуры в каждый промежуток времени

.

         Значение количества тепловой энергии утилизируемой из выходных газов в газоводяном теплообменнике в результате снижения их температуры берем из таблицы 3.1.

                3.2.14 Определяем суммарное количество тепловой энергии утилизируемой  из выходных газов в результате снижения их температуры за все время проведения эксперимента , ккал.

         Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.

 

                   4 Лабораторная работа № 4

 

         Тема лабораторной работы: «Определение количества тепловой энергии, получаемой в результате конденсации паров воды, содержащихся в выходных газах двигателя за каждый интервал времени ».

 

         Цель работы: определение расхода водяных паров, содержащихся в выходных газах двигателя, за каждый промежуток времени  образующихся в результате сжигания топлива и поступающих в двигатель в составе влажного воздуха. Определение количества утилизируемой тепловой энергии за счет конденсации паров воды, содержащихся в газах.        

         Из анализа температуры газов на выходе из двигателя и на выходе из газоводяного теплообменника, полученных экспериментально, видно, что температура газов на выходе из газоводяного теплообменника на всех временных промежутках  работы двигателя существенно ниже точки росы для воды. Из этого следует, что в газоводяном теплообменнике идет конденсация паров воды на всех режимах работы двигателя в течение всего времени проведения эксперимента. При этом выделяется тепло переходящее в воду круга циркуляции газоводяного теплообменника и затем в воду бака-накопителя тепловой энергии.

 

         4.1 Методика достижения поставленной цели и решения задач

 

         4.1.1 Дизельное топливо имеет следующий состав

                               , , , .

         4.1.2 Из реакции горения водорода, содержащегося в топливе

         Следует, что при сжигании 1 кг водорода образуется 9 кг воды.

         4.1.3 В составе дизельного топлива содержится  водорода, следовательно при сжигании 1 кг топлива образуется вода в количестве

                                                   -  

             Это для сухого окислителя (воздуха).

         4.1.4 При влажности воздуха и его расходе     (см. лабораторную работу № 2) за каждый интервал времени  за счет влаги воздуха (окислителя) будет конденсироваться следующее количество паров воды

.

         4.1.5 За счет сжигания топлива за каждый интервал времени  образуется вода в виде пара в количестве

.

         4.1.6 Суммарное количество паров воды, конденсирующихся в газоводяном теплообменнике в течение периода времени  определяем из выражения

         4.1.7 Количество тепловой энергии, полученной в результате конденсации паров воды, находящихся в газах в каждом интервале времени работы двигателя определяем из выражения

.

         Здесь:   – энтальпия пара воды при температуре  на входе в газоводяной теплообменник, а – энтальпия конденсата при температуре   на выходе из газоводяного теплообменника.

         Значения энтальпий взять из справочника [3], или [6].

         Переводим значения полученной тепловой энергии в ккал., используя выражение
                                            .

                Здесь и далее.

         Мощность теплового источника в кВт в каждом промежутке определяем из выражения  

         Здесь .

 

 

  Таблица 4.1

проме-жутка Δτ

         Время

         в мин

 

,

кг.топл

 

,

кг.воды

 

 

 

кВт

кДж

ккал

кВт

кДж

ккал

кВт

кДж

ккал

1

2

0,017

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

4

0,017

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

6

0,017

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

8

0,022

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

10

0,026

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

12

0,023

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

14

0,034

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

16

0,037

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

18

0,039

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

20

0,038

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

22

0,022

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

24

0,023

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

26

0,039

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

28

0,042

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

30

0,023

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Таблица 4.2

 

проме-жутка

 

Время

в мин

,

°С

,

°С

 

,

°С

,

ккал

 ,         

,

     кг/с

1

2

26,8

29

 

 

 

 

2

4

27,1

35,2

 

 

 

 

3

6

27,4

40,6

 

 

 

 

4

8

27,7

29,2

 

 

 

 

5

10

27,9

28,5

 

 

 

 

6

12

28,4

28,7

 

 

 

 

7

14

28,8

29,6

 

 

 

 

8

16

29,5

30,4

 

 

 

 

9

18

30,2

31,3

 

 

 

 

10

20

30,9

31,7

 

 

 

 

11

22

31,5

32,1

 

 

 

 

12

24

32,0

32,4

 

 

 

 

13

26

32,6

33,5

 

 

 

 

14

28

33,3

34,1

 

 

 

 

15

30

33,9

34,7

 

 

 

 

 

 

                4.1.8 Суммарное количество тепловой энергии, полученной в газоводяном теплообменнике в результате снижения температуры газов и количества тепловой энергии, перешедшей в воду бака-накопителя, утилизируемой за счет тепла выходных газов в трубчатом газоводяном теплообменнике, установленного внутри бака, и  в результате конденсации паров воды, находящихся в газах, определяем из выражения

.

         Значения  для каждого временного участка  взять из таблицы 3.1, а  из таблицы 3.2 (см. лабораторную работу № 3), выраженные в кВт, кДж, ккал.

         4.1.9 Экспериментальные значения расхода топлива , расчетные значения суммарного расхода паров воды в составе выходных газов , количества тепла, полученного в результате конденсации паров воды  и суммарного количества тепла, полученного в газоводяном теплообменнике  записываем в таблицу 4.1.

         4.1.10 Расход воды по водяной стороне газоводяного теплообменника можно определить из уравнения теплового баланса теплообменника

         Здесь:  должно быть взято из таблицы 4.1 в ккал, значения  из эксперимента, ,  .

         Это уравнение можно записать в виде

, .

         Полученные значения расхода воды  в каждом временном интервале  записываем в таблицу 4.2, а затем находим среднее значение из выражения

, .

         Здесь: Пвр.уч. – количество временных участков  работы двигателя за весь период проведения эксперимента.

         Проанализировать полученные результаты и сделать выводы. Обратить внимание на аномальные значения полученных результатов    для первых четырех временных интервалов . Очевидно на этих участках не был  включен в работу циркуляционный насос круга циркуляции воды через газоводяной теплообменник. При расчете  этот факт надо учесть.

 

         5 Лабораторная работа № 5

 

         Тема лабораторной работы: «Определение количества тепловой энергии, утилизируемой из водяной системы охлаждения за каждый интервал времени  и общего количества тепла, передаваемого воде бака-накопителя».

 

         Цель работы: изучить устройство и принцип действия модернизированной системы охлаждения двигателя. Определить количество тепловой энергии, утилизируемой из водяной системы охлаждения двигателя за каждый интервал времени и общего количества тепла, передаваемого воде бака-накопителя утилизируемого из воды системы охлаждения двигателя за всё время проведения эксперимента.

 

         5.1 Устройство и работа модернизированной системы охлаждения двигателя

 

         Принципиальная схема модернизированной системы охлаждения двигателя приведена на рисунке 8.

          Эта система включает водяную полость системы охлаждения двигателя 1, масляную систему смазки подшипников вала двигателя, водо-масляный теплообменник 20, штатный масляной насос 21 с приводом от коленчатого вала двигателя, штатный циркуляционный водяной насос 26 с приводом от вала двигателя, кран регулирующий трехходовой смесительный 8, дополнительный водяной циркуляционный насос 9, трубчатый водо-водяной теплообменник 10 установленный в баке-накопителе тепловой энергии 3, обратный клапан 6* установленный в прямом трубопроводе водяной системы охлаждения двигателя, кран автоматический 18 предельной температуры воды системы охлаждения двигателя, водо-воздушный радиатор 19 штатный, приводной от вала двигателя вентилятор штатный (на рисунке 8 не показан), водяной контур I трубчатого теплообменника, водяной контур II водяной полости 1 системы охлаждения двигателя, водяной контур III водо-воздушного радиатора 19, расходомер 27 UR, установленный в контуре I.

          Температура воды измеряется на входе и выходе трубчатого теплообменника 10 посредством термодатчиков 15° и 14° соответственно. Температура воды на входе трехходового крана 8 соответственно по горячей и холодной стороне измеряется термодатчиками 10°, 13°. Расход воды через трубчатый теплообменник 10, или на выходе из трехходового крана 8, измеренный расходомером 27 составляет .

Штатная система охлаждения двигателя состояла из приводного вентилятора и радиатора 19 замкнутого на водяной контур II водяной полости 1 системы охлаждения двигателя. При этом вся тепловая энергия, перешедшая в воду и масло двигателя через радиатор 19, уносилась потоком воздуха, создаваемого вентилятором, в окружающую среду.

1 – двигатель внутреннего сгорания Д 905-ЕВG-2; 3 – бак-накопитель тепловой энергии ёмкостью 300 л; 6°, 6* – обратные клапана;  8 – кран, регулирующий 3х ходовой смесительный; 9 – насос циркулирующий; 10 – теплообменник водоводяной трубчатый; 18 – кран автоматический предельной температуры; 19 – радиатор водяной; 20 – водомасляный теплообменник; 21 – штатный масляный насос масляной системы двигателя; 26 – штатный водяной насос системы охлаждения двигателя; 27 – счётчик расхода воды в контуре; I – водяной контур трубчатого теплообменника бака накопителя; II – водяной контур системы охлаждения двигателя; III – водяной контур радиатора; IV – масляный контур системы смазки подшипников двигателя; 10°, 13°, 14°, 15° – термодатчики (терморезисторы).

 

         Рисунок 7 – Установка клапана для смешения потоков воды в системе охлаждения двигателя

 

         Модернизированная система охлаждения двигателя работает следующим образом. Поток воды на выходе из трубчатого теплообменника 10 с расходом   разделяется на два потока. Один поток с расходом  поступает в водяную полость двигателя для его охлаждения и охлаждения масла системы смазки подшипников, а другой поток с расходом поступает на вход В по холодной стороне трехходового регулирующего крана 8, где смешивается с потоком горячей воды, идущей из двигателя на вход А по горячей стороне трехходового регулирующего клапана. С выхода АВ регулирующего клапана 8 объединенный поток воды с общим расходом воды    и температурой    насосом 9 подается в трубчатый теплообменник 10, где тепловая энергия потока передается в воду бака-накопителя тепловой энергии 3.

 

         5.2 Определение количества тепловой энергии утилизируемой из водяной системы охлаждения двигателя за каждый временной промежуток Δτ и общего количества тепла передаваемого воде бака-накопителя

 

         5.2.1 Из эксперимента определяем температуру воды ,  на входе в трубчатый теплообменник и на выходе из него. Значения температур для каждого временного участка записываем в таблицу 5.1.

         5.2.2 В контуре трубчатого теплообменника установлен расходомер. Расход воды, измеренный расходомером,  составляет:

.

         5.2.3 Количество тепла, поступившее в бак-накопитель тепла из системы охлаждения двигателя, в каждый временной интервал определяем из выражения:

                            ;

или                    ;

или                    .

         Полученные данные заносим в таблицу 5.1

         5.2.4 Суммарное количество тепла, поступившего в бак-накопитель тепловой энергии за счет утилизации тепла выходных газов и тепла системы охлаждения двигателя в каждый интервал времени  

.

         Здесь   - количество тепла, поступившего   бак-накопитель за счет утилизации тепла выходных газов. Значения взять из таблицы 4.2. (см лабораторную  работу  №4).

         Значение  и   также заносим в таблицу 5.1.

         5.2.5 Находим общее количество тепловой энергии, переданное в бак-накопитель за счет тепла выходных газов и тепла из системы охлаждения двигателя за всё время проведения эксперимента, т.е. за 30 минут работы двигателя по выбранной программе в ккал

                                                                      .

              Это количество тепла получено расчётом с использованием  экспериментальных параметров теплоносителей (выходных газов и воды).

Таблица 5.1

Режим работы

промежутка

Время

в мин

,

град

,

град

,

град

   кВт

  кДж

  ккал

   кВт

  кДж

  ккал

   кВт

  кДж   

  ккал

Х

1

2

27,4

28,4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

2

4

28,8

30,8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

3

6

29,8

32,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

4

8

30,2

32,7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

5

10

31,1

34,9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

6

12

31,9

35,9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пр

7

14

33,2

39,4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пр

8

16

34,3

40,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пр

9

18

35,2

41,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пр

10

20

35,8

42,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

11

22

35,4

39,4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

12

24

35,5

39,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пр

13

26

37,3

44,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пр

14

28

38,4

45,9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

15

30

37,7

42

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 5.2

проме-жутка Δτ

Время

в мин

град

,

град

,

град

,

град

град

Град 

,

град

 

кг/c

1

2

27,4

28,4

 

  27

 

  39,2

 

 

2

4

28,8

30,8

 

 28,3

 

 52,3

 

 

3

6

29,8

32,1

 

 29,3

 

 60,5

 

 

4

8

30,2

32,7

 

 29,8

 

 66,0

 

 

5

10

31,1

34,9

 

 30,6

 

 70,1

 

 

6

12

31,9

35,9

 

 31,4

 

 70,3

 

 

7

14

33,2

39,4

 

 32,7

 

 71,2

 

 

8

16

34,3

40,5

 

 33,8

 

 71,4

 

 

9

18

35,2

41,5

 

 34,7

 

 71,5

 

 

10

20

35,8

42,2

 

 35,3

 

 71,6

 

 

11

22

35,4

39,4

 

 34,9

 

 70,8

 

 

12

24

35,5

39,5

 

 35,0

 

 70,8

 

 

13

26

37,3

44,2

 

 36,9

 

 71,5

 

 

14

28

38,4

45,9

 

 38,0

 

 71,7

 

 

15

30

37,7

42

 

 37,3

 

 70,9

 

 

 

        

         5.2.6 Определить среднюю тепловую мощность двигателя, передаваемую в бак-накопитель в результате утилизации тепла выходных газов и воды системы охлаждения за всё время работы двигателя на холостом режиме и на режиме с включенным одним компрессором в, кДж/с.

 

         5.3 Исследование динамики регулирования расходы воды через систему охлаждения двигателярегулирующим клапаном при изменении режима работы двигателя и температуры теплоносителя

 

         5.3.1Уравнение теплового баланса потоков воды через систему охлаждения двигателя и регулирующий клапан имеет вид

Подпись: -Δt2Подпись: Δt1Подпись: Δt

 

         Здесь:  т.к. .

         Тогда можно написать

                  

и далее  

         Откуда  .

         Вписать в таблицу 5.2 значения всех температур для каждого интервала  из эксперимента. Определить значения  для каждого временного интервала .

         Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.

 

         6 Лабораторная работа №6

 

         Тема лабораторной работы: «Термогазодинамический расчет двигателя внутреннего сгорания Д 905-EBG-2 для номинального режима».

 

         Цель работы: теоретическое определение количества тепла, подводимого при сжигании топлива в номинальном режиме, количества тепла, унесённого водой и маслом, уносимого выхлопными газами ,а также температуры и расхода уходящих газов, составление баланса тепловой мощности двигателя.

 

         6. 1 Порядок и алгоритм проведения расчётов

 

         6.1.1 Теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1кг. дизельного топлива ,.

         6.1.2 Коэффициент избытка воздуха в дизелях . Принимаем . (При меньших значениях  происходит не полное сгорание топлива, что приводит к снижению экономичности, надёжности, перегреву).

         6.1.3  Расход топлива на 1 кг воздуха

, .

6.1.4 Часовой расход воздуха в двигателе находим из выражения   .

         Здесь z=3 – число цилиндров.

  - литровой объем одного цилиндра.

72 мм=0,72 дм – диаметр цилиндра.

73,6 мм=0,736 дм – ход поршня.

0,88 – коэффициент наполнения.

         Температура воздуха в конце процесса впуска в двигателях без наддува за счет нагрева от горячих поверхностей цилиндра и поршня ,составляет . Принимаем в расчете  (100). При такой температуре и давлении, близком к атмосферному, плотность воздуха

0,946 .

  - число оборотов коленчатого вала двигателя в номинальном режиме.

         Тогда: ,. Перевести в размерность .

         6.1.5 Расход топлива  в единицу времени в номинальном режиме составит  величину

,.                                                                                            Далее рассчитать в размерности , , , , .

         6.1.6 Удельный эффективный расход топлива на единицу вырабатываемой  электрической мощности составляет:

,    , .

          6.1.7 Количество тепла подводимого при сжигании топлива в номинальном режиме будет равно   ,.

      6.1.8 Индикаторная мощность двигателя определяется из выражения: , .

         6.1.9 Количество тепла, уносимого с выхлопными газами составляет: , что составляет  от тепла вносимого при сжигании топлива следующее количество в  %.

         6.1.10 Из технической характеристики двигателя известно, что эффективная мощность двигателя на коленчатом валу  , а электрическая мощность - .

          Можно полагать что

.

         Эта мощность расходуется на привод вентилятора, электрогенератора подзарядки аккумуляторных батарей, насосов топлива, воды, масла ( в % это составляет величину).

         6.1.11 Тепло унесенное водой и маслом, а также потери на трение цилиндро-поршневой группе составляют: , что составляет  в % следующую величину.

         6.1.12 Эффективный КПД установки без утилизации тепла уходящих газов составляет:

 ,%.

         6.1.13 Температура газов на выходе из цилиндров двигателя может быть определена из выражения:

.

         Здесь: ,  тепловая мощность уходящих выхлопных газов. Уменьшаемое правой части - это тепловая мощность газов со средней температурой  проходящих через цилиндры, в том числе и идущей на нагрев поверхностей цилиндров и поршней.

Вычитаемое - это тепловая мощность, передаваемая воздуху от горячих поверхностей двигателя в процессе наполнения цилиндров свежим воздухом.

 - теплоемкость газов при температуре  (принято ) и .

 - теплоемкость воздуха.

         После преобразования получим:

           Полученный результат по температуре выходных газов двигателя для номинального режима работы сравнить с экспериментальным значением и сделать выводы. Значения температуры   для холостого и промежуточного режимов будет меньше в результате больших коэффициентов избытка воздуха на этих режимах работы двигателя.

         6.1.14 Баланс тепловой мощности имеет вид:

                          

В процентах получается.  Рассчитать и проставить числовые значения Сделать анализ полученных результатов.

         Из теплового баланса следует, что наибольший эффект можно получить в результате утилизации тепла выхлопных газов, причём путем применения простых технических решений не нарушая системы жизнеобеспечения двигателя и не снижая его надежность, а также в результате утилизации тепла воды охлаждающей двигатель и масло масляной системы двигателя.

 

         6.2 Процессы сжатия и расширения в цилиндрах двигателя

 

         В процессе сжатия воздуха в цилиндрах двигателя давление увеличивается в результате уменьшения объема и за счёт увеличения температуры. Степень повышения давления в процессе сжатия  (из характеристики).

         6.2.1 В конце такта сжатия давление достигает

.

         6.2.2 Удельная работа, затрачиваемая на адиабатическое сжатие 1 кг воздуха в цилиндрах, составляет величину:

 .

         6.2.3 Температура воздуха в цилиндрах двигателя в конце сжатия:

.

         При впрыске топлива в цилиндры двигателя под давлением   посредством форсунок, топливо оказывается в мелкодисперсном состоянии и хорошо перемешивается с горячим воздухом. Происходит воспламенение и горение топлива, причем при любом значении коэффициента избытка воздуха . Для полного сгорания топлива .

         В конце сгорания топлива давление в  цилиндрах достигает  а температура газов при    и Тк=21500К (см. приложение 2).

         В процессе расширения газов совершается полезная работа. При этом поршень движется от ВМТ до НМТ. При положении поршня от ВМТ 10150 угла поворота вала наступает конец сгорания топлива. При этом температура и давление газов максимальные. По мере дальнейшего движения поршня к НМТ давление и температура газов уменьшаются и достигают атм 0К не доходя до НМТ на  угла поворота коленчатого вала открывается клапан выпуска. При этом до НМТ из цилиндра со скоростью м/с выбрасывается около 70% газов. После прохода поршнем  НМТ процесс выпуска газов продолжается. При подходе поршня к ВМТ скорость истечения газов уменьшается, давление снижается до  МПа, а температура до . Не доходя поршня к ВМТ до 10150 открывается клапан впуска в цилиндр свежего воздуха, а клапан выпуска газов закрывается за ВМТ через 15200, т.е. на участке угла поворота коленчатого вала равном 25350 одновременно открыты впускной и выпускной клапана. Значения температур и давления газов, приведенные в анализе, получены расчетом и экспериментально. Эти данные приведены в  [2], [7]. Для утилизации тепла выхлопных газов на выхлопном тракте двигателя устанавливаем рекуперативный газо-водяной теплообменник для получения горячей воды. Горячая вода может использоваться для обогрева здания и для бытовых нужд.

 

        7 Лабораторная работа №7

 

       Тема лабораторной работы: «Определение общего количества тепловой энергии, переданное воде бака-накопителя по параметрам воды в баке. Определение общего количества тепловой энергии уносимой газами в атмосферу»

 

       Цель работы: анализ полученных результатов  общего количества тепловой энергии, переданное воде бака-накопителя по параметрам воды в баке и по параметрам источников тепла, полученных в лабораторных работах №3, №4 и №5.

 

         7.1  Исходные данные для проведения расчётов

 

         7.1.1  Емкость бака-накопителя составляет

         7.1.2  Из эксперимента определяем начальную и конечную температуру воды в баке    

         7.1.3 Из таблиц источника  [3] или [6] определяем объемную плотность воды для данных температур

         Удельная масса воды составит величину

         Плотность воды в пределах указанных температур принимаем равной:

         7.1.4 Масса воды в баке составляет величину

         Для других значений температур воды параметр   надо уточнить.

 

         7.2 Расчёт количества тепловой энергии, перешедшей в воду бака-накопителя и уходящей с газами в атмосферу

 

         7.2.1 Суммарное количество тепловой энергии, переданное воде бака-накопителя в течение всего времени работы двигателя (за 30 минут)

.

         Или                        .

              Теплоёмкость воды  = 4,217 ,кДЖ/кг .К.

         7.2.2 Общее количество тепловой энергии, переданное в бак-накопитель за счёт утилизации тепла выходных газов и тепла из системы охлаждения двигателя, рассчитанное по параметрам источников тепла влабораторных работах №3, №4, и №5 за всё время проведения эксперимента, т.е. за 30 минут работы двигателя по выбранной программе. Числовое значение получено в лабораторной работе №5 и приведено в таблице 5.1.

                                                                                    .

                         Значения  в размерности  кВт, кДж, ккал и  из  таблицы 5.1 перенести в таблицу 7.1.

        Сравнить полученные значения    и , ккал. Эти значения по величине должны быть близкими.  Только в этом случае можно считать, что методика расчётов верная и все расчёты проведены правильно.

        7.2.3 Количество тепловой энергии уходящей с выходными  газами в атмосферу в каждом временном интервале ∆τi определяем из выражения

.

         Или                         ;

         Или                    .

        7.2.4 Общее  количество тепловой энергии уходящей с выходными газами в атмосферу за всё время проведения эксперимента составляет  величину

.

         Полученные значения температуры газов  из эксперимента и расчётные значения, ,записываем в таблицу 7.1. Значение температуры окружающей среды  принять . Теплоёмкость газов на выходе в атмосферу можно принять равной   

 

  

 Т а б л и ц а  7.1

Режим

№ пром.  

Количество тепловой энергии

 

 

 

  

 

 

 

подводимой с топливом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        кВт

  кДж

  ккал

      ºС

     кг/с

      ºС

     кВт

     кДж

     ккал

     кВт

    кДж

     ккал

Х

1

6,1

735

 175,6

 26,2

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

2

6,1

735

 175,6

 26,5

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

3

6,1

735

 175,6

 26,8

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

4

7,9

956

 228,3

 27,2

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

5

9,4

1125

 268,7

 27,6

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

6

8,3

995

 237,7

 28

 

 

 

 

 

 

 

 

ПР

7

12

1471

 351,3

 28,6

 

 

 

 

 

 

 

 

ПР

8

13

1600

 382,2

 29,5

 

 

 

 

 

 

 

 

ПР

9

14

1687

 402,9

 30,4

 

 

 

 

 

 

 

 

ПР

10

14

1644

 392,7

 31,4

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

11

7,9

956

 288,3

 32

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

12

8,3

995

 237,7

32,5

 

 

 

 

 

 

 

 

ПР

13

14

1687

 402,9

33,3

 

 

 

 

 

 

 

 

ПР

14

15

1817

434

34,3

 

 

 

 

 

 

 

 

Х

15

8,3

995

 237,7

35

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 ,

                                                                                                                                                                             

 

        7.2.5 Средняя мощность теплового источника (утилизация тепла выходных газов и тепла воды охлаждения рубашки двигателя)

 ,здесь   

        7.2.6 Количество тепловой энергии, переданное воде бака накопителя за счет тепла воды рубашки охлаждения двигателя и за счет утилизации тепла выходных газов двигателя, работающего на холостом режиме в первые 6 двух минутных промежутков времени, т.е. в течение 12 минут. Начальная и конечная температура воды в баке

                                              

                                    

         Или                    

        7.2.7 Мощность теплового источника (утилизация тепла выходных газов и воды системы охлаждения двигателя) на режиме холостого хода.

        7.2.8 Количество тепловой энергии, переданное воде бака накопителя за счет тепла воды рубашки охлаждения двигателя и за счет утилизации тепла выходных газов двигателя, работающего на один из компрессоров в первые из 4 двухминутных промежутков времени, т.е. в течение 8 минут

 . 

         Или             

         7.2.9 Мощность теплового источника при работе двигателя на один из компрессоров в первые из 4 двухминутных промежутков времени

        7.2.10 Количество тепловой энергии переданное воде бака накопителя при работе двигателя на холостом режиме в середине эксперимента в следующие два двухминутных промежутков времени, т.е в течение 4х минут

  

Или .

         7.2.14 Мощность теплового источника

        7.2.15 Количество тепловой энергии переданное воде бака накопителя при работе двигателя работающего на один из двух компрессоров в следующие два двухминутных промежутка ,т.е в течение 4х минут

;     

         Или                 .

        7.2.16 Мощность теплового источника

          7.2.17 Количество тепловой энергии, переданное воде бака накопителя при работе двигателя на холостом режиме в последний двухминутный промежуток времени

                            

         Или               .

                   7.2.18 Мощность теплового источника

         7.2.19 Суммарное количество тепловой энергии переданной воде бака накопителя за весь период проведенного эксперимента.

Или             

         Сделать анализ использования тепловой энергии полученной в результате сжигания топлива имея в виду что при работе двигателя в штатном холостом режиме, когда электрогенератор не нагружен, полезная работа не совершается. В случае утилизации тепла из теплоносителей получаем тепловую энергию в виде горячей воды. При работе двигателя на один из двух компрессоров, потребляющего 3 кВт мощности двигателя. При этом в ТНУ может вырабатываться более 17 кВт .час. тепловой энергии.

          Сделать выводы.

   

Приложение 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Истинная теплоемкость газов   в зависимости от  Т и коэффициента избытка воздуха

 

 

 

Приложение 2

         Зависимости теплоемкости газа Ср и удельного расхода топлива gт на 1 кг воздуха от температуры входа Т3 и выхода Т4 их камеры сгорания.

 

 

Список литературы

 

1. Дизель генераторный агрегат Д905-ЕВG-2. Руководство по эксплуатации VJLSON, K8-1, 5023461/0040.

2. М.М. Масленников, М.С. Рапипорт. Авиационные поршневые двигатели.

-М: Оборониздат, 1951-847 с.

3.Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Под общей редакцией В.А. Григорьева и В.М. Зорина. Книга 2-М,: Энергоиздат, 1988.-560с.

4. Энергетический менеджмент. Руководство по энергосбережению концерна Du Pont (США).-     Чебоксары.: «Чувашия»,  1997-193 с.

5. Тепловые и атомные электрические станции. Справочник. Под  общей редакцией В.А. Григорьева и В.М. Зорина. Книга 3- М.: Энергоиздат,

1989-608 с.

6. Ривкин С.Л., Александров А.А. термодинамические свойства воды и водяного пара. 2 изд. -М: Энергоиздат,1984.

7. Двигатели внутреннего сгорания (тепловозные дизели и газотурбинные установки). Учебник. Симсон А.Э. и др.- М.: Транспорт, 1980-384 с.

 

Содержание 

1Лабораторная работа №1                                                                                     .3

1.1 Устройство и работа лабораторной установки                                               3

1.2 Устройство и работы двигателя Д 905-ЕВG-2                                                7

2 Лабораторная работа №2                                                                                    12

2.1 Порядок проведения лабораторной работы                                                   12

2.2 Методика достижения поставленной цели и решения задач                       13

3 Лабораторная работа № 3                                                                                   16

3.1Устройство и работа системы утилизации тепла выходных газов      двигателя                                                                                                                 16                                                                               

3.2Результаты измеренных и полученных расчетом параметров необходимых для решения поставленных задач в лабораторной работе т решение этих    задач                                                                                                                         18

4 Лабораторная работа № 4                                                                                    21

4.1 Методика достижения поставленной цели и решения задач                        21

5 Лабораторная работа № 5                                                                                    25

5.1 Устройство и работа модернизированной системы охлаждения

Двигателя                                                                                                                 25

5.2 Определение количества тепловой энергии утилизируемой из водяной системы охлаждения двигателя за каждый временной промежуток Δτ и общего количества тепла передаваемого воде бака-накопителя                        27

5.3 Исследование динамики регулирования расходы воды через систему охлаждения двигателя регулирующим клапаном при изменении режима работы двигателя и температуры теплоносителя                                                29

6 Лабораторная работа №6                                                                                    29

6. 1 Порядок и алгоритм проведения расчётов                                                    29

7 Лабораторная работа №7                                                                                    33

7.1  Исходные данные для проведеия расчётов                                                   33

7.2 Расчёт количества тепловой энергии перешедшей в воду бака-накопителя и уходящей с газами в атмосферу                                                                         34