Что такое внешний тепловой баланс двигателя

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Тепловой баланс — двигатель

Тепловым балансом двигателей внутреннего сгорания называют равенство между количеством теплоты, поступившим в цилиндр двигателя с топливом, с одной стороны, и статьями расхода этого топлива — с другой. [16]

Под тепловым балансом двигателя понимается распределение теплоты, получающейся при сгорании топлива, на полезную работу и потери при работе двигателя. [17]

Отсюда выводится тепловой баланс двигателя по фиг. [18]

Если проанализировать тепловой баланс двигателя внутреннего сгорания , то сразу обнаруживается, что теплота, не превращенная в работу, слагается главным образом из тепла, уносимого продуктами сгорания при выхлопе, и теп лоты, отданной охлаждающей среде через стенки цилиндра. Когда выхлоп производится при небольшом избыточном давлении ( это осуществимо только в стационарных двигателях, где нет необходимости стремиться к предельной компактности двигателя), то теплота, уносимая продуктами сгорания при выхлопе, является термодинамически неизбежной потерей и может быть только косвенно использована для каких-либо целей подогрева. При больших избыточных давлениях выхлопа ( как в авиационных моторах) остаточное теплосодержание выхлопных газов может быть непосредственно использовано для получения дополнительной работы; с этой целью выхлопные газы направляют в газовую турбину, которая вращает нагнетатель, поджимающий воздух, подаваемый в двигатель. [19]

При рассмотрении теплового баланса двигателя внутреннего сгорания можно увидеть, что только около 30 % тепла, получаемого при сгорании топлива, преобразуется в механическую работу, в то время как 30 — 35 % уносится газами и примерно 30 % уходит непосредственно или через охлаждающие приспособления бесполезно в атмосферу. Поэтому вполне возможно использование тепла воды из радиатора или отработавших газов для отопления автомобиля. [20]

Таким образом, тепловой баланс двигателя указывает на большие возможности использования отработанного тепла, заключенного в охлаждающей воде и отработавших газов. [21]

Значения отдельных составляющих теплового баланса двигателя не являются постоянными, а изменяются в зависимости от нагрузки, степени сжатия, состава смеси, теплового состояния и угловой скорости коленчатого вала двигателя. В табл. 1 приведены примерные значения отдельных составляющих внешнего теплового баланса автомобильных двигателей при максимальной их мощности. [22]

Остаточный член QOCT теплового баланса двигателя включает следующие тепловые потери, связанные с: физической неполнотой сгорания, являющейся результатом недостаточно хорошего перемешивания топлива с воздухом; работой вспомогательных механизмов; трением в подшипниках коленчатого вала; прочими неучтенными потерями и неточностями теплового баланса. [23]

Величины отдельных составляющих теплового баланса двигателя не являются постоянными и изменяются в зависимости от нагрузки. [24]

Что понимают под тепловым балансом двигателя . [25]

Теплобалансовые испытания проводятся для составления теплового баланса двигателя . [26]

Двигатели с воздушным охлаждением изображена схема теплового баланса двигателя внутреннего сгорания , из которой видно, распределение тепловых потерь двигателя. [27]

Таким образом, при ориентировочных подсчетах можно считать, что тепловой баланс двигателя Дизеля или газового двигателя состоит из трех равных частей: полезного тепла, обращенного в механическую работу, тепла, отведенного с охлаждающей водой, и тепла, ушедшего с отходящими газами. Не учтены в этом балансе: механические потери и потери а излучение. [28]

Второй способ связан со значительными трудностями, поэтому опытные данные теплового баланса двигателя являются также ориентировочными и служат для получения общего представления о распределении теплоты в двигателе, что дает возможность установить совершенство его конструкции и оценить его экономичность по сравнению с двигателями других типов. [29]

Относительная доля потерь теплоты с ОГ и в систему охлаждения подсчитывается при снятии теплового баланса двигателя . [30]

Внешний тепловой баланс двигателя

По окончании расчета рабочего процесса двигателя может быть составлен ориентировочный тепловой баланс, дающий представление о распределении тепла, полученного при сгорании топлива. Обычно тепловой баланс представляется в виде:

(41)

где Q_o – располагаемое тепло:

Q_e – полезно используемое тепло:

Q_охл – потери тепла на охлаждение.

Последнюю величину можно определить только при испытаниях двигателя. При составлении расчетного теплового баланса в данном курсовом проекте Q_охл вместе с Q_ост будем определять как остаточный член теплового баланса, т.е.:

Потери тепла с выхлопными газами находим по формуле:

где М_вых – расход выхлопных газов:

где j_п – коэффициент продувки. Для 4-тактных двигателей j_п =1,05…1,2; для 2-тактных j_п =1,25…1,5.

Удельные теплоемкости выхлопных газов и продувочного воздуха определяются по формулам (18) – (21) для соответствующих температур. Температура смеси выхлопных газов и продувочного воздуха T_r находится из предположения, что при истечении газов из цилиндра в выхлопной коллектор происходит политропическое расширение с условным показателем политропы m = 1,3…1,35. В этом случае температура выхлопных газов определяется из выражения:

(49)

а температура смеси:

Напомним, что в формулах (49), (50) Р_в и Р_р – давление газов в конце расширения и в выхлопном коллекторе, МПа; Т_в и Т_к – температура газов в конце расширения и температура наддувочного воздуха, К; Т_о – температура окружающей среды, К.

При наличии турбокомпрессора необходимо учесть тепло выхлопных газов, полезно используемое в газовой турбине. Поэтому для двигателей с газотурбинным наддувом:

где N_тк – мощность, потребляемая турбокомпрессором:

где h_ткм – механический кпд турбокомпрессора, равный 0,97…0,99;

G_в – секундный расход воздуха через двигатель:

R_о – газовая постоянная для воздуха; R_о = 287.

Потери тепла на излучение в окружающую среду по опытным данным не превышают 2…3% от располагаемого тепла, т.е.

Остаточный член теплового баланса Q_ост характеризует неучтенные потери тепла:

– часть тепла, соответствующую работе трения (за вычетом доли тепла трения, отданной охлаждающей воде и маслу);

– количество тепла, соответствующее кинетической энергии выхлопных газов (если она не используется в импульсной турбине турбокомпрессора);

– другие неучтенные потери теплоты и погрешности расчета.

В таблице 1 приведены средние значения отдельных составляющих теплового баланса для различных типов двигателей.

Таблица 1 – Значения составляющих внешнего теплового баланса двигателей различных типов (%)

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Тепловой баланс двигателя

Общее количество тепловой энергии, которое вводится в двигатель с топливом и определяется по низшей теплотворной способности последнего, не используется в двигателе полностью. В лучшем случае только 20…43% от всей располагаемой теплоты превращается в полезную эффективную работу, остальная же часть не используется, уходя в окружающую среду с отработавшими газами и пр.

Внешний тепловой баланс оценивает характер и величину потерь теплоты в двигателе на эксплуатационных режимах работы и дает возможность принять необходимые меры для снижения отдельных составляющих потерь теплоты; оценить теплонапряженность наиболее нагретых узлов и деталей; установить целесообразность использования теряемой теплоты в целях повышения КПД двигателя.

Тепловой баланс выражают в абсолютных единицах Q, кДж/ч, удельный q, кДж/ч, либо относительных (в процентах к количеству подводимой теплоты). На практике чаще всего пользуются удельным и относительным балансами теплоты. Запишем уравнение теплового баланса

q_т=q_e+q_охл+q_г+q_ост,

где q_т — располагаемая теплота сгоревшего топлива;

q_e – теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя;

q_охл – теплота, отводимая в охлаждающую среду;

q_г – теплота, отводимая с выпускными газами;

q_ост – остаточный член баланса (невязка баланса), равный сумме неучтенных потерь.

Располагаемую теплоту определяют по эффективному удельному расходу топлива g_e ,кг/кВт.ч и низшей теплоте сгорания топлива Q_н , кДж/кг.

Q_т=g_eQ_н .

Теплота, эквивалентная эффективной работе, равна Q_e=3600N_e кДж/кг.

Отношение Q_e/Q_т равно эффективному КПД двигателя η_е .

Теплота, отводимая в охлаждающую среду, равна

Q_охл=Q_в+Q_м= ,

где Q_в – теплота, отводимая в воду;

Q_м – теплота, отводимая в масло;

G_охл – расход жидкости, кг/ч;

с – теплоемкость жидкости, кДж/(кг∙ о С).

Теплота, отводимая в охлаждающую среду, состоит из теплоты, отданной рабочим телом и теплоты, эквивалентной работе трения двигателя.

Теплота, израсходованная на потери трения, переходит в основном, в охлаждающую жидкость; теплота трения поршня и поршневых колец отводится через втулку цилиндра в воду, а теплота от трения в подшипниках уносится маслом. Теплоту трения не включают в тепловой баланс, кроме доли трения, не перешедшей в охлаждающую среду (учитывается остаточным членом баланса).

Теплота, отводимая выпускными газами, Q_г определяется, как разность энтальпий газов и поступающего в цилиндр свежего заряда.

Q_г=Mg_e

Потери теплоты из-за не полного сгорания топлива незначительны и включаются в остаточный член теплового баланса. Остаточный член теплового баланса q_ост определяется как разность

q_ост=q_т-(q_e+q_охл+q_г)

и включает потери теплоты, эквивалентные неполному сгоранию топлива q_н.сг., потерям на трение, не перешедшим в охлаждающую среду, кинетической энергии газов, q_к.э. (если она не используется), лучеиспусканию двигателя в окружающую среду q_л , сумме ошибок от неточности измерения и неучтенных потерь теплоты.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что такое среднее индикаторное и эффективное давления и как они определяются?

2. Что такое механические потери, их источники и составляющие?

3. Как определяется эффективная мощность?

4. Что такое тепловой баланс?

5. Перечислите состав системы питания карбюраторного двигателя.

6. Как осуществляется непосредственный впрыск бензина?

7. Перечислите состав топливной системы дизеля.

8. Перечислите методы повышения мощности двигателя.

9. Для каких целей служит наддув двигателей?

10. Назовите основные конструктивные элементы турбокомпрессора.

Внешний и внутренний тепловой баланс

Эффективность преобразования теплоты сгорания топлива в полезную работу, в тепловой энергетической установке, оценивается с помощью энергетического теплового баланса. Теплота, выделившаяся при сгорании топлива, только частично переходит в полезную эффективную работу на валу двигателя. Значительная её часть уносится с отработавшими газами, передается в систему охлаждения, окружающую среду и т.д. т.е. составляет тепловые потери.

Распределение теплоты, выделившееся при сгорании топлива, на эффективную работу и отдельные виды тепловых потерь называется тепловым балансом.

Различают внешний и внутренний тепловой баланс.

— Распределение теплоты, выделяемой при сгорании топлива, на основные составляющие, определяемые экспериментально по так называемым внешним показателям работы двигателя (эффективная мощность, температура воды, масла и др.) называется внешним тепловым балансом.

— Распределение теплоты, выделяемой пари сгорании топлива, на основные составляющие, определение которых связано со знанием индикаторных (внутренних) показателей двигателя получаемых из индикаторных диаграмм называется внутренним тепловым балансом.

Составление теплового баланса, как заключительного этапа расчета, имеет следующее назначение:

Первое — это вычисление величины тепловых потерь. Зная потери теплоты можно наметить способы их уменьшения за счет использования новых технологий и принципов утилизации теплоты. В результате использования тепловых потерь можно спроектировать установку с более высо­ким коэффициентом полезного действия, чем коэффициент полез­ного действия самого двигателя;

Второе —заключается в том, что знание тепловых потерь даёт основание для проектирования вспомогательных систем двигателя (водяной, масляной и др. систем) и проведения оценки их эффективности. Например, из теплового баланса определяется температура выхлопного газа, необходимая для рас­чета и конструирования турбокомпрессора (при газотурбинном и комбинированном наддуве). Таким образом, составление теплового баланса имеет непосредственно практическое значение;

Третье —чисто расчетное. Составление теплового баланса позволяет проконтролировать правильность расчетов. Расход теплоты должен быть равен приходу. Если баланс не сходится, то это указывает на неправильность в расчете.

Уравнение внешнего теплово­го баланса для комбинированного двигателя с охлаждением воздуха пос­ле компрессора в абсолютных величинах имеет вид.

Уравнение внешнего теплово­го баланса для комбинированного двигателя с охлаждением воздуха пос­ле компрессора в абсолютных величинах .

заменяя

получим

Количество подведенной с топливом располагаемой (хими­ческой) теплоты.

где: — коэффициент эффективного тепловыделения ( показывающий полноту сгорания топлива);

— расход топлива, ;

— низшая теплотворная способность топлива, .

Количество физической теплоты, внесенной с воздухом:

где : — расход воздуха, ;

— средняя массовая удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, ;

t_к — температура воздуха после компрессора, К (перед охладителем воз­духа).

Количество физической теплоты, внесенной в цилиндр с топли­вом,

— расход топлива, ;

с_Т — средняя массовая удельная теплоемкость топлива , ;

t_Т — температура топлива, К .

В связи с малым относительным количеством подаваемого топлива и низкой его температурой абсолютная вели­чина указанного количества теплоты незначительна и при опреде­лении теплового баланса обычно не учитывается т.е.

Количество теплоты, превращаемой в полезную работу двигателя,

Где: 3600 тепловой эквивалент 1 кВт (1кВт = 3600кДж);

– соответственно эффективная мощность(кВт) и КПД двигателя.

Количество теплоты, отводимой с охлаждающими жидкостями,

,

состоит из теплоты, отведенной:

— в охлаждающую воду

,

.

Здесь — расход воды и масла, кг/ч;

с_в и с_м — удельная теплоемкость воды и масла, кДж/(кг-°С);

— температуры воды и масла на входе и выходе из двигателя, К.

Следует учитывать, что теплота, отведенная с охлаждающими жидкостями, включает теплоту охлаждения цилиндропоршневой группы, передаваемую как за счет теплоотдачи от газа к стенкам, так и за счет механических потерь трения поршня и поршне­вых колец о втулку. Кроме того, теплота, выделяемая при трении подшипников, уносится охлаждающим маслом. В тепло­ту, отданную в систему охлаждения, входит также работа, со­вершаемая водяным и масляным насосами. Для четырех­тактных двигателей учитывается также работа насосных потерь, т.е. работа, затраченная на наполнение цилиндра свежим воздухом и очистку цилиндра от газов.

Остаточный член теплового баланса уравнения наряду с тепловыми по­терями в окружающую среду от наружных нагретых поверхностей двигателя учитывает остальные потери и находится в пределах 2-3 % общего количества подведенной теплоты.

Количество теплоты, отводимой от воздуха после компрессора в охладителе,

где: — средняя массовая удельная теплоемкость воздуха при

давлении, ;

t_к, t_к1 — температуры воздуха до и после воздухоохладителя, К.

Количество теплоты, уносимой отработавшими газами,

где: — средняя массовая удельная теплоемкость ОГ, кДж/(кг·К),

t_Т — температура ОГ в выпускном коллекторе (перед тур­биной), К.