Тепловий баланс двигуна тепловоза

Теплота, що виділилася при згоранні палива, тільки частково перетворюється в ефективну роботу на колінчастому валу двигуна.

Інша її частина відводиться з відпрацьованими газами, передається в системи охолоджування і мастила, навколишнє середовище і т.д., тобто складає теплові втрати (рис. 6.24).

Розподіл теплоти, що виділяється при згоранні палива в двигуні на окремі складові (корисно використовувану теплоту і різні види теплових втрат), визначувані експериментально за так званими зовнішніми показниками роботи двигуна (ефективна потужність, температури теплоносіїв і ін.), називають зовнішнім тепловим балансом.

Зовнішній тепловий баланс двигуна дозволяє оцінити його досконалість, теплові втрати і можливість їх зменшення, намітити шляхи поліпшення техніко-економічних показників силової установки за рахунок використання нових технологій і принципів утилізації теплоти.

Тепловий баланс складається для різних режимів, тобто роботі по зовнішній, навантаженню і гвинтовій характеристиках, при зміні регульованих параметрів і т.д.

Рис. 6.24. Тепловий баланс дизеля

Рівняння зовнішнього теплового балансу для сучасного комбінованого форсованого дизеля має наступний вигляд:

,

де – кількість теплоти, що виділяється в циліндрі при згоранні палива:

, кВт,

де – витрата палива, кг/с:

– нижча теплота згорання палива, Дж/кг;

– кількість фізичної теплоти, підведеної в двигун з повітрям:

, кВт,

– витрата повітря, кг/с;

– середня масова питома теплоємність повітря, кДж/(кг °С);

– температура повітря після компресора (перед охолоджувачем наддувочного повітря) °С;

– кількість фізичної теплоти, внесеної до циліндра з паливом:

, кВт,

де – питома середня масова теплоємність палива, кДж/(кг °С). У зв’язку з відносною малою величиною і низькою температурою величина незначна і тому при аналізі теплового балансу двигуна не враховується;

– кількість теплоти, що перетворюється на корисну ефективну роботу двигуна. Значення еквівалентне значенню :

або ,

і – кількість теплоти, що відводиться від двигуна відповідно охолоджуючим середовищем (рідиною або повітрям) і змащувальним маслом;

– кількість теплоти, відведеної від повітря після компресора у повітряохолоджувачі:

, кВт,

– середня масова питома теплоємність повітря при постійному тиску, кДж/(кг °С);

і – температура повітря на вході і виході з охолоджувача наддувочного повітря, °С; – залишкова кількість теплоти (нев’язність теплового балансу):

.

Теплота складається з теплоти, переданої від газів стінкам циліндра і поверхні циліндрової кришки; частині теплоти, відданій головці поршня; частині теплоти, еквівалентній роботі тертя поршня в циліндрі; теплоти, що відводиться від газів у випускному каналі циліндрової кришки і випускному патрубку після випуску охолоджуючої рідини з циліндра

, кВт,

де – витрата охолоджуючого середовища, кг/с;

– питома масова теплоємність охолоджуючого середовища, кДж/(кг °С);

і – температура охолоджуючого середовища на вході і виході двигуна °С.

Теплота полягає: з частини теплоти, що відводиться від головки поршня; теплоти, що виділяється при терті в підшипникових вузлах КШМ

, кВт,

де – питома масова теплоємність дизельного масла, кДж/(кг °С);

– витрата змащувального масла, кг/с;

і – температура масла на вході і виході з дизеля °С;

– кількість теплоти, що відводиться з циліндра з відпрацьованими газами.

Величина включає:

- теплоту, що відводиться в навколишнє середовище від зовнішніх поверхонь двигуна і його агрегатів унаслідок теплообміну конвенцією і випромінюванням;

- теплоту, відповідну кінетичній енергії випускних газів;

- теплоту, що не виділилася при згоранні палива із-за неповноти згорання.

Значення складає не більше 2…3% від загальної кількості підведеної теплоти і використовується для розрахунку вентиляції кузова тепловоза.

Часто при визначенні зовнішнього теплового балансу користуються питомими (по відношенню до наявної теплоти згорілого палива, тобто на 1 кг палива) складовими теплового балансу.

Рівняння теплового балансу, в цьому випадку має наступний вигляд:

,

де , ,

, , , .

Окрім зовнішнього теплового балансу, розрізняють внутрішній тепловий баланс, під яким розуміють розподіл теплоти, що виділяється при згоранні палива, по складовим, визначення яких пов’язане із знанням індикаторних показників двигуна, що отримуються з індикаторних діаграм

,

де – теплота, перетворена на внутрішню індикаторну роботу двигуна, тобто, , ; і – кількість теплоти, відведена водою і маслом тільки за рахунок тепловіддачі від газу до стінок КШМ без урахування теплоти, еквівалентної механічним втратам.

Величина кожної складової теплового балансу залежить від типу двигуна, режиму роботи і ступеня форсування. При форсуванні двигуна росте середня температура газів, проте унаслідок підвищення щільності робочого тіла і літрової потужності питома поверхня камери згорання, що визначає процес теплопередачі, зменшується, що призводить до зниження частки теплоти, відведеної охолоджувачем.

Застосування охолоджувача наддувочного повітря знижує середню температуру циклу, внаслідок чого зменшується частка теплоти, що відводиться від циліндра. Збільшення скорочує час зіткнення гарячих газів із стінками, що зменшує теплоотвод в охолоджуючому пристрої.

Можливе зниження частки теплоти, що відводиться з охолоджувачем за рахунок підвищення його температури. Експериментальними дослідженнями А.С. Орліна встановлено, що при збільшенні температури охолоджувача на кожні 10°С частки теплоти, що відводиться, знижується на 3…4%. У свою чергу це сприяє підвищенню механічного ККД двигуна із-за зменшення втрати на тертя. Зниження частки теплоти, що відводиться охолоджувачем в навколишнє середовище, з одного боку, підвищує частку теплоти, що відводиться з випускними газами, що дозволяє підвищити працездатність відпрацьованих газів в турбінах комбінованого двигуна, а з іншого боку, – зменшити масогабаритні розміри охолоджуючих пристроїв і понизити потрібну потужність насосів для циркуляції охолоджувача в системі охолоджування силової установки.

Співвідношення складових теплового балансу певною мірою залежить від режиму роботи силової установки.

Складові теплового балансу вітчизняних дизелів тепловозів на режимах максимальної потужності і холостого ходу представлені в табл. 6.2.

З аналізу приведених табличних даних виходить, що на режимі холостого ходу істотно знижується значення ефективного ККД () дизеля, що обумовлене зростанням втрати теплоти в систему охолоджування унаслідок неможливості підтримки оптимального теплового стану силової установки при стоянці тепловоза і його роботі на вказаному режимі, особливо в міжсезонний і зимовий період експлуатації.

Таблиця 6.2. Розподіл доль теплового балансу дизелів тепловозів

Параметри	Дизелі
ПД1М	2Д100	10Д100	14Д40	11Д45	1А-5Д49	2А-5Д49	ЗА-5Д49	ЗД70	2Д70
Ефективна потужність, кВт
Частота обертання, об./хв.
Кількість теплоти, підведеної з паливом, кДж/год.
Частка теплоти, підведеної з повітрям %	6.84	4,54	8,82	10,01	9,69	5,70	5,16	6.21	9,73	10,2
Відведення теплоти: - з водою % - з маслом % - з повітрям, ,% - з газами %	22,48 3,07 2,05 37,64	15,67 9,85 — 38,9	15,92 11,05 4,12 36,53	16,06 8,60 — 47,52	17,09 8,94 4,55 39,1	14,94 8,05 6,41 32,1	13,43 6,42 7,50 34,43	16,54 7,63 5,70 32,22	11,28 6,31 7,08 40,91	14,12 5,35 5,03 40,5
Залишковий член	3.6	3,72	3,5	3,82	3,61	3,69	3,58	3,62	3,45	3,7
Ефективний ККД на режимі холостого ходу при установці дизеля на тепловоз, %	—	7,8	7,0	6,4	—	8,58	8,2	—	—	—

За знайденими значеннями складових балансу тепловоза представляється можливим: оцінити ефективність використання хімічної енергії палива, розрахувати і підібрати оптимальні конструкції охолоджуючих пристроїв, водомасляних теплообмінників, повітряохолоджувачів; вирішити проблему утилізації теплоти, що відводиться в навколишнє середовище; знайти напрями вдосконалення системи прогріву дизелів тепловозів в експлуатації.

Утилізація теплових втрат локомотивів енергетичною установкою сприяє підвищенню ступеня використання теплоти, що виділяється при згоранні палива. Найбільша ефективність тепловикористання може бути досягнута за рахунок утилізації теплових втрат з випускними газами і охолоджувачем (вода і масло дизеля).

Одним з напрямів утилізації теплових втрат з водою і маслом дизеля є використання принципу рециркуляції нагрітого повітря між охолоджуючим пристроєм і кузовом тепловоза, що дозволяє тепло, що віддається в радіаторах тепловозів від охолоджуючої рідини в навколишнє середовище, перепускати в повітрозабірні пристрої дизеля, забезпечуючи підігрів наддувочного повітря за рахунок багатократної його рециркуляції, особливо на часткових режимах і холостому ході в зимовий період експлуатації тепловозів. При цьому теплота не відводиться з охолоджуючого пристрою в навколишнє середовище, а повертається в кузов тепловоза, а отже, в циліндри дизеля.

Впровадження вказаного принципу рециркуляції на тепловозах з дизелями 5Д49 і 10Д100 дозволило на 6...12% підвищити економічність роботи енергетичної установки за рахунок зниження втрат теплоти з охолоджуючою водою і дизельним маслом і підвищення теплового стану, а відповідно механічного ККД дизеля.

Утилізація теплових втрат з охолоджуючими теплоносіями дизеля може бути досягнута за рахунок удосконалювання системи охолоджування силової установки на основі впровадженні високотемпературного охолоджування, при якій температур води підвищується до 105…115°С, що знижує ефективність тепловіддачі від стінки циліндра до охолоджуючої рідини; системи осушення радіаторів, що дозволяє значно понизити теплові втрати з охолоджуючого пристрою в навколишнє середовище; міжконтурного перепуску теплоносіїв, такого, що забезпечує підвищення температури масла і наддувочного повітря на режимах холостого ходу і часткових навантажень в міжсезонний і зимовому періоді експлуатації.

При утилізації втрат теплоту з випускними газами, що має величезне значення для підвищення ефективності к.п.д енергетичної установки, мають серйозні труднощі. Це пов’язано з тим, що при реалізації в дизелі пристроїв утилізації підвищується опір випускної системи двигуна, а отже, значення противотиску. Це викликає погіршення якості очищення циліндра від відпрацьованих газів, зниження коефіцієнта наповнення, неповне згорання палива, зниження потужності, ефективного ККД і підвищення питомої витрати дизеля. Крім того, випускні гази мають в своєму складі сажу, смолянисті речовини і т.д., що викликають закоксування пристроїв утилізації.

В даний час для використання енергії випускних газів широко застосовуються комбіновані дизелі, в яких теплота, що відводиться з випускними газами з поршневої частини, передається в газову турбіну. При цьому частина теплоти перетворюється на корисну роботу силової турбіни, інша її частина – в роботу турбіни турбокомпресора, що забезпечує стиснення наддувочного повітря в компресорі. Невикористана частина теплоти відводиться випускними газами з турбіни.

Утилізація теплових втрат з випускними газами можлива на шляху впровадження теплообмінників для підігріву наддувочного повітря дизеля, адсорбуючих пристроїв, термоелектричних генераторів, рециркуляції відпрацьованих газів і перепуску їх в повітряний ресивер для підігріву повітря на режимах холостого ходу і часткових навантажень.