Тепловой расчет судового дизельного двигателя
На основании теплового расчета строится индикаторная диаграмма, необходимая для определения давления газов в цилиндре, а также расчета деталей на прочность, определяются параметры системы турбо наддува. При выполнении теплового расчета для проектируемого дизеля исходные параметры оцениваются по данным исследований дизеля аналогичной конструкции, т.е. дизеля-прототипа. 2.1 Процесс газообмена Выбирается число клапанов в цилиндре и их размеры. Принимается число клапанов z = 1. При таком их количестве в зависимости от частоты вращения вала диаметры клапанов при z = 1 принимается в пределах: dкл = (0,30…0,45) ∙ d Принимаем: dкл.вп = 10 см; dкл.вып = 7,75 см; Максимальный подъем клапана hk.max = (0.18...0.32 ) ∙ dкл; Принимаем: hk.вп = 1,8 см, hk.вып = 1,4 см; Угол наклона фаски кл = 45°. В первом приближении оценка качества процессов выпуска и наполнения производится по средним условным скоростям газа.
где Vk - средняя условная скорость газа в клапане, м/с. Для расчета отношения давления газа после клапана, к давлению до него используется известная из термодинамики формула для действительной скорости потока на выходе из сопла:
где φкл - коэффициент температура скорости; φкл = 0,6…0,7; k - показатель адиабаты; k = 1,4; T1, P1 - и давление газа на входе в сопло; P2 - давление газа на выходе из сопла. Используя формулу бинома Ньютона, отношение давлений представляют:
После подстановки этого выражения в формулу для скорости и алгебраических преобразований получены уравнения:
где Pd - давление в цилиндре в начале сжатия, равное среднему давлению на такте впуска, кПа ; Vвп - средняя угловая скорость во впускном клапане, м/с; Pq - среднее давление отработавшего газа за цилиндром, кПа; Pr - среднее давление в цилиндре на такте впуска, кПа; Vвып - средняя условная скорость в выпускном клапане, м/с; Rг - удельная газовая постоянная отработавших газов, Дж/(кг К). Принимается Rr Rairw; Tr - температура остаточных газов. Tr = 700…900 К. По опытным данным: Pd/Pint = 0,9...0.96; Pq/Pr = 0.87...0.95. Протекание газообмена и расход воздуха на продувку цилиндра зависит от отношения давлений Pint/Pq. Для обеспечения продувки цилиндра рекомендуется принимать это отношение = 1,02...1,1. Верхний предел относится к дизелям с высоким средним эффективным давлением. Коэффициент остаточных газов:
где ζоч - коэффициент отчистки, характеризующий количество остаточных газов в цилиндре после продувки. Принимается равным 0,5...0,7; ΔТ = 5...15 К - повышение температуры воздуха в следствии подогрева от стенок цилиндра. Pr/Pd - отношение среднего давления в цилиндре на такте выпуска к среднему давлению на такте впуска:
где: ԑc =12...17 - номинальная степень сжатия; ζ = 1,09...1,13 - коэффициент равный отношению средних теплоемкостей остаточных газов и воздуха. По опытным данным r = 0...0,04. Температура в начале сжатия:
Коэффициент наполнения:
Значение Фс находится в пределах 0,8…0,95, а при качественной продувке и до зарядке цилиндра может превышать единицу. После определения Фс следует уточнить значения Pint и Тв. 2.2 Количество и состав продуктов сгорания Теоретическое необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кмоль/кг:
то же в кг/кг L΄o = 28,72 ∙ Lo где 0,2054 - объемная доля кислорода в воздухе с относительной влажностью 60%; С - масса углерода в 1 кг топлива, кг; Н - масса водорода в 1 кг топлива, кг; О - масса кислорода в 1 кг топлива, кг; S - масса серы в 1 кг топлива, кг. Теплота сгорания и химический состав дизельного топлива приводится ниже: QH = 42700 кДж/кг. Содержание элементов, кг/кг: C = 0,869; H = 0,128; O = 0,001; S = 0,002. Количество свежего заряда на 1кг топлива, кмоль/кг:
Количество «чистых» продуктов сгорания 1кг топлива , кмоль/кг:
где ξW - массовое содержание воды в водо-топливной эмульсии , %. Количество смеси из «чистых» продуктов сгорания и воздуха, образующееся при сгорании 1 кг топлива с α1>1 кмоль/кг:
Теоретический коэффициент молекулярного изменения:
Действительный коэффициент молекулярного изменения:
По опытным данным µд 1,03...1,04. 2.3 Зависимость теплоемкости рабочего тела от температуры Рабочее тело считается смесью идеальных газов: влажного атмосферного воздуха и «чистых» продуктов сгорания. Средняя изохорная молярная теплоемкость влажного атмосферного воздуха, кДж/(к∙моль∙К), по уравнению:
где aairw = rwaw + (1 - rw)∙aair ; bairw = rwbw + (1 - rw)∙bw ; rw = φair∙Ps / 100∙Pa ; lg Ps = 7,97465 -(2227,3 / Та); rw - объемная доля водяных паров во влажном воздухе; φair - относительная влажность воздуха, %; Ps - давление насыщенных паров; aairw, bairw - эмпирические коэффициенты формулы средней изохорной теплоемкости сухого воздуха; aw, bw - то же, водяного пара. Эмпирические коэффициенты в предыдущей формуле получены обработкой табличных данных из книги Бэра Г.Д. «Техническая термодинамика». (аairw = 19,696; bairw = 0,002351; aw = 22,843; bw = 0,004973). Для влажного воздуха соответствующего стандартным условиям, теплоемкость:
Средняя изохорная молярная теплоемкость чистых продуктов сгорания, кДж/(кмоль К), считается по уравнению:
где aq = rс∙aс + rн∙aW + rS∙aS + rn∙an; bq = rс∙bс + rн∙aW + rS∙aS + rn∙an; rc = c / (12 ∙ Mo);
rS = S / (32 ∙ Mo); rN = 1-(rc + rн + rs); dW = 622∙Pw / (Pa - Pw); PW = φair ∙ Ps / 100; где rc,h,s,n – объемные доли соответственно углеродистого газа, водяных паров, двуокиси серы и атмосферного азота в «чистых» продуктах сгорания; dw – влагосодержание атмосферного воздуха, г/кг; μv = 18,016 – молярная масса водяных паров, кг/моль; ab,c,s,n – эмпирические коэффициенты формул средней изохорной молярной теплоемкости двуокиси углерода, двуокиси серы, атмосферного азота. Значения коэффициентов, определенные по табличным данным внутренней энергией газа: ac = 21,774; bc = 0,011; an = 19,713; bn = 0,002; as = 34,237; bs = 0,00481. Молярная теплоемкость «чистых» продуктов сгорания во влажном атмосферном воздухе, соответствующем стандартным условиям, определяются зависимостями: для дизельного топлива:
В процессе сжатия теплоемкость рассчитывается из условия, что рабочее тело состоит из смеси воздуха с остаточными газами, последние считаются «чистыми» продуктами сгорания. Теплоемкость смеси на такте сжатия, кДж/(кмоль∙К):
где aa = aairw∙qα + ag∙qg; ba = bairw∙qα + bg∙qg; qg = γг / (α1∙(1 + γг)); qα = 1 – qg. Для упрощения расчетов теплоемкости на такте расширения условно принимается, что все топливо мгновенно сгорает в ВМТ поэтому на такте расширения теплоемкость считается для смеси постоянного состава из чистых продуктов сгорания всего топлива и оставшегося воздуха:
где aв = аairw∙rα + aq∙rq; bв = bairw∙rα + bq∙rq; ; rα = 1 – rg; rα - объемная доля воздуха в заряде после окончания горения; rg - объемная доля чистых продуктов сгорания в заряде после окончания горения. 2.4 Процесс сжатия Температура заряда Тс в конце сжатия и показатель политропы сжатия n1 определяются решением системы уравнений:
где ψ – коэффициент суммарного теплообмена при сжатии, равный отношению теплоты, отданной рабочим телом в стенки при сжатии, к работе сжатия. По опытным данным ψ = 0…0,045. Значение ψ возрастает с уменьшением частоты вращения вала, рабочего объема цилиндра, с увеличением Тint и Pint. Наибольшее значения коэффициента суммарного теплообмена наблюдается в дизелях с предкамерным и вихре камерным смесеобразованием. По опытным данным n1 = 1,37…1.42 у высокооборотных дизелей. Для надежного самовоспламенения топлива значение Тс не должно быть ниже 700 К. Давление заряда в конце сжатия, МПа:
где Pint – в кПа. 2.5 Максимальное давление и температура сгорания Максимальное давление сгорания, МПа:
где λ – степень повышения давления, значения которой принимаются по прототипу. Имеет зависимость от Рmax:
где Pmax – в кПа; n – об/мин. Максимальная температура сгорания из термодинамического уравнения сгорания:
где: Z – коэффициент использования теплоты в точке Z. Это значение берется из результатов испытаний прототипа. В дизелях с объемным и объемно-пленочным смесеобразованием: Z = 0,75…0,85. При расчете на ЭВМ выражение (2.46) решается методом последовательных приближений для чего приводится к виду:
где . При подстановке Tz = 1800 К в знаменатель определяется новое значение Tz. Модуль разности этих значений не должен превышать 0,5 К. Окончательное значение Tz дается с округлением до 5 К. По опытным данным для ВОД, Tz ≤ 1900…2000 К. 2.6 Процесс расширения Степень предварительного расширения:
По опытным данным ρ = 1,2…1,6. Температура рабочего тела в конце процесса расширения Tb и показатель политропы расширения n2 определяются решением системы уравнений:
где b – коэффициент использования теплоты в точке "b". По опытным данным для ВОД b = 0,85…0,9. Система уравнений решается методом последовательных приближений подобно системе уравнений. Окончательное значение показателя политропы расширения дается с тремя знаками после запятой. По опытным данным: n2 = 1,15…1,3. Tв = 1000…1200 К. Давление рабочего тела в конце расширения, МПа:
По опытным данным Pb =350…800 КПа. 2.7 Процесс выпуска Давление в цилиндре на такте выпуска, кПа:
Среднее давление газов перед турбиной, кПа:
Средняя температура выпускных газов без учета их смешения с продувочным воздухом, К:
где m = 1,3…1,33 – средний показатель политропы расширения газов при выпуске. Средняя температура газов перед турбиной с учетом их смешения с продувочным воздухом, К:
где A = (Rµ + ab + bb∙T’q1)∙µт∙T’q1 + (Rµ + aairw + bairw∙Tint)∙(φ - 1)∙Tint;
где φ - коэффициент продувки. При оч = 0,7…0,6, φ = 1,05…1,1, при оч = 0,55…0,5, φ= 1,15…1,20. Уравнение решается относительно Tq1 методом последовательных приближений. Для обеспечения надежной работы турбины значение Tq1 должно быть ниже 920 К. 2.8 Индикаторные и эффективные показатели Среднее индикаторное давление, кПа:
где φскр = 0,92 …0,97 – коэффициент округления индикаторной диаграммы (меньшие значения относятся к высокооборотным дизелям). Среднее эффективное давление, кПа:
Удельный эффективный расход топлива, г/(кВт∙ч):
где Pint – в кПа, Lo’- в кг/кг; Pme – в кПа, Tint – в К. Эффективная мощность дизеля, кВт:
где Pme – в кПа, d - в см, S – в см; N – в об/мин. Часовой расход топлива, кг/ч:
Полученные значения Pmi, Pme должны отличатся от выбранных предварительно не более чем на 1%. То есть для эффективной мощности. Рассчитанное значение be не должно отличаться от выбранного более чем на ± 3 г/(кВт·ч). 2.9 Построение свернутой индикаторной диаграммы Свернутая индикаторная диаграмма вычерчивается на бумаге формата А3. Масштаб давлений принимается mp = 50 кПа/мм, масштаб объемов mv = 0,000058 м3/мм. В координатах PV сначала наносят точки: d(Pd, Vа), C(Pc, Vc), у(Pmax, Vc), Z(Pmax, Vz), b(Pb, Vа). Значения давлений берутся из результатов теплового расчета. Объемы определяются из соотношений: Vs = (π∙d2∙S) / 4 = (3,14∙0,232∙0,32) / 4 = 0,01329 м3; Vc = Vs / (ԑc - 1) = 0,01329/(12 – 1) = 0,001208 м3; Vа = Vs + Vc = 0,01329 + 0,001208 = 0,0145 м3; Vz = ρ∙Vc= 1,296 ∙ 0,001208 = 0,00461 м3. Точки ( с,у) соединяются изохорой (су), а точки (у,z) – изобарой (уz). Через точки (d,c) проводится политропа процесса сжатия, описываемая уравнением:
где Рd – давление, соответствующее объему V цилиндра, кПа. Через точки (z,b) проводится политропа процесса расширения, описываемая уравнением:
Таблицы для вычерчивания свернутой диаграммы. Таблица 4 - Политропа сжатия
Таблица 5 - Политропа расширения
Заканчивается вычерчивание индикаторной диаграммы после нанесения линий давления в цилиндре при выпуске (Рr = const), при впуске (Рd = const) и скругления линий давления в районах ВМТ и НМТ. Соответствие давлений в цилиндре углам поворота вала устанавливается с помощью бицентровой диаграммы Брикса, вычерчиваемой под свернутой диаграммой. Эта поправка характеризующая отклонение перемещения поршня от значения, равного половине его хода, при положении кривошипа под углом 900 к оси цилиндра, в масштабе чертежа равна:
где λш – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. λш = R / Lш = S / (2 ∙ Lш); где R – радиус кривошипа. R = S / 2 = 32 / 2 = 16 см; Lш – длина шатуна проектируемого дизеля. Принимается Lш = 64 см. λш = 32/ (2 ∙ 64) = 0,25. Ls – длина отрезка, соответствующего рабочему объему цилиндра. Vs = Vа – Vс = 0,0145-0,0012 = 0,0133 м³. Ls = Vs /mv = 0,0133 /0,000058 = 229,31 мм. 00’= 0,25∙0,25∙229,31 = 14,3232 мм. 2.10 Анализ результатов теплового расчёта судового дизельного двигателя Тепловой расчет выполняется на ЭВМ программой «Tepras» имеющейся на кафедре СДВС. Все данные участвующие в расчете и результаты расчета приведены ниже: Предварительное определение параметров дизеля Заданная мощность Pe = 500 кВт Заданная частота вращения коленчатого вала n = 500 об/мин Заданное отношение S/D = 1,36 Принятое значение среднего эффективного давления Pme = 1504,3 кПа Принятое количество цилиндров i = 6 Принятый диаметр цилиндра d = 23 см Принятый ход поршня s = 32 см Уточненное значение среднего эффективного давления Pme = 1504,3 кПа Средняя скорость движения поршня Vm = 5,333 м/с Механический КПД = 0,87 Среднее давление механических потерь Pm = 224,78 кПа Среднее индикаторное давление Pmi = 1729,08 кПа Удельный эффективный расход топлива be = 203 г/(кВт*ч) Давление воздуха: Pa = 100 кПа Температура воздуха: Ta = 300 К Относительная влажность воздуха: fi = 60 % Молекулярная масса вохдуха: Mair = 28,726 кг/моль Удельная газовая постоянная: Rair = 289,424 Дж/(кг*К) Температура наддувочного воздуха Tint = 320 К Коэффициент избытка воздуха = 2 Давление наддувочного воздуха: Pint = 249,652 кПа Степень сжатия атмосферного воздуха = 2,496 Адиабатический КПД компрессора = 0,75 Температура наддувочного воздуха после компрессора Tв = 419,467 К Степень охлаждения наддувочного воздуха = 0,832 Тепловой расчет Количество впускных (выпускных) клапанов в цилиндре = 1 Угол наклона фаски клапанов = 45 градусов Диаметр впускного клапана = 10 см Диаметр выпускного клапана = 7,75 см Максимальный подъем впускного клапана = 1,8 см Максимальный подъем выпускного клапана = 1,4 см Средняя условная скорость газа во впускном клапане Vk = 55,412 м/с Средняя условная скорость газа в выпускном клапане Vk = 91,928 м/с Коэффициент скорости = 0,6 Температура остаточных газов = 700 К Отношение Pint/Pg = 1,02 Отношение Pd/Pint = 0,953 Отношение Pg/Pr = 0,942 Коэффициент очистки = 0,5 Повышение температуры воздуха = 10 К Номинальная степень сжатия = 12 Коэффициент отношения теплоемкостей остаточных газов и воздуха = 1,09 Отношение средних давлений в цилиндре на такте выпуска к среднему давлению на такте впуска Pг/Pd = 1,092 Коэффициент остаточных газов (обычно 0,00...0,04) = 0,022 Температура заряда в начале сжатия = 339,32 K Коэффициент наполнения = 0,958 Масса углерода в 1 кг топлива = 0,869 кг Масса водорода в 1 кг топлива = 0,128 кг Масса кислорода в 1 кг топлива = 0,001 кг Масса серы в 1 кг топлива = 0,002 кг Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива = 0,508 кмоль/кг Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива = 14,592 кг/кг Низшая удельная теплота сгорания безводного топлива = 42700 кДж/кг Содержание воды в водотопливной эмульсии = 0 % Количество свежего заряда на 1 кг топлива = 1,016 кмоль/кг Количество "чистых" продуктов сгорания 1 кг топлива = 0,54 кмоль/кг Количество смеси из "чистых" продуктов сгорания и воздуха, образующиеся при сгорании 1 кг топлива = 1,048 кмоль/кг Теоретический коэффициент молекулярного изменения = 1,031 Действительный коэффициент молекулярного изменения (обычно 1,03...1,04) = 1,03 Объемная доля водяных паров во влажном воздухе r(w) = 0,021 Средняя изохорная молярная теплоемкость влажного атмосферного воздуха = 19,762 + 0,002406*T, кДж/(кмоль*К) Влагосодержание атмосферного воздуха = 13,539749 г/кг Объемная доля углекислого газа в "чистых" продуктах сгорания r(С) = 0,134104 Объемная доля водяных паров в "чистых" продуктах сгорания r(H) = 0,138826 Объемная доля двуокиси серы в "чистых" продуктах сгорания r(S) = 0,000115 Объемная доля атмосферного азота в "чистых" продуктах сгорания r(N) = 0,726954 Средняя изохорная молярная теплоемкость "чистых" продуктов сгорания = 20,425 + 0,0037976*T, кДж/(кмоль*К) Объемная доля воздуха в заряде на такте сжатия = 0,01 Объемная доля остаточных газов в заряде на такте сжатия = 0,99 Средняя изохорная молярная теплоемкость смеси на такте сжатия = 19,768 + 0,002419*T, кДж/(кмоль*К) Объемная доля "чистых" продуктов сгорания в заряде после окончания горения = 0,515 Объемная доля воздуха в заряде после окончания горения = 0,485 Средняя изохорная молярная теплоемкость смеси постоянного состава из "чистых" продуктов сгорания всего топлива и оставшегося воздуха = 20,103 + 0,003122*T, кДж/(кмоль*К) Коэффициент суммарного теплообмена при сжатии = 0,012 Температура заряда в конце сжатия Tc = 836,896 К Показатель политропы сжатия n1 = 1,363 Давление заряда в конце сжатия Pc = 7,036 МПа Максимальное давление сгорания = 11,8 МПа Коэффициент использования теплоты в точке z =0,78 Максимальная температура сгорания Tz = 1756,677 К Степень предварительного расширения = 1,289 Коэффициент использования теплоты в точке b = 0,95 Температура рабочего тела в конце процесса расширения Tb = 1094,158 К Показатель политропы расширения n2 = 1,211 Давление рабочего тела в конце расширения Pb = 791,607 кПа Давление в цилиндре на такте впуска Pr = 259,806 кПа Среднее давление газов перед турбиной Pd = 244,737 кПа Коэффициент продувки = 1,1 Средняя температура выпускных газов с учетом их смешения с продувочным воздухом = 874,165 К Коэффициент скругления индикаторной диаграммы = 0,97 Уточненное значение давления наддувочного воздуха: Pint = 234,537 кПа Уточненное значение температуры наддувочного воздуха после компрессора Tв = 410,287 К Уточненное значение степени охлаждения наддувочного воздуха = 0,818 Среднее индикаторное давление Pmi = 1681,887 кПа Среднее эффективное давление Pme = 1463,241 кПа Удельный эффективный расход топлива be = 204,465 г/(кВт*ч) Эффективная мощность дизеля Pe = 486,352 кПа Часовой расход топлива B = 99441,961 кг/ч Сводка основных результатов: Степень повышения давления = 1,677 Степень предварительного расширения = 1,289 Максимальное давление сгорания Pmax = 11,8 МПа Давление сжатия Pc = 7,036 МПа Среднее давление на выпуске Pd = 244,737 кПа Среднее давление на впуске Pr = 259,806 кПа Давление в конце расширения Pb = 791,607 кПа Давление наддува Pint = 234,537 кПа Температура в начале сжатия Td = 339,32 К Температура в конце сжатия Tc = 836,896 К Температура в точке z Tz = 1756,677 К Температура в конце расширения Tb = 1094,158 К Показатель политропы сжатия n1 = 1,363 Показатель политропы расширения n2 = 1,211 Среднее индикаторное давление Pmi = 1681,887 кПа Среднее эффективное давление Pme = 1463,241 кПа Удельный эффективный расход топлива be = 204,465 г/(кВт*ч)
Популярное: Почему двоичная система счисления так распространена?: Каждая цифра должна быть как-то представлена на физическом носителе... Почему люди поддаются рекламе?: Только не надо искать ответы в качестве или количестве рекламы... Модели организации как закрытой, открытой, частично открытой системы: Закрытая система имеет жесткие фиксированные границы, ее действия относительно независимы... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (1767)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |