Разработка методики расчета тепловой и электрической мощности когенерационноной установки на базе судового двигателя внутреннего сгорания - Статья

Науковий вісник Херсонської державної морської академії № 1 (10), 2014Разработка методики расчета тепловой и электрической мощности когенерационной установки на базе судового двигателя внутреннего сгорания с помощью теплобалансовых расчетов последовательно, начиная с цилиндров двигателя и заканчивая утилизационными теплообменными аппаратами. При расчете тепловой мощности, установка делится на модули, и определяются составляющие подведенной и отведенной теплоты к каждому из них на основе уравнений теплового баланса. Электрическая мощность установки определяется как разница подводимой от дизеля к генератору эффективной мощности и суммарной мощности всех потерь в генераторе. Приведенная методика позволяет производить оценку эффективности установки и дает возможность решения проблем, связанных с экономией и рациональным использованием первичных энергетических ресурсов. Получены основные критерии эффективности (суммарный коэффициент полезного действия с учетом теплогидравлической эффективности теплообменной поверхности теплообменных аппаратов, коэффициент использования топлива) позволяющие оценить энергоэффективность когенерационной установки при различных схемах утилизации теплоты и разных конструкциях теплообменных аппаратов.Науковий вісник Херсонської державної морської академії № 1 (10), 2014 потери во внешнюю среду в теплообменном оборудовании и дополнительные потери энергии, затрачиваемые на прокачку охлаждающей жидкости. В теории двигателей внутреннего сгорания (ДВС) имеются обширное количество работ, где приведены сведения о тепловом балансе ДВС и его отдельных составляющих, которые определяются в основном экспериментальным путем [2, 3, 4]. Расчет тепловой мощности двигателя основывается на определение количества теплоты, которая теряется при сгорании топлива в цилиндре с последующим учетом числа цилиндров двигателя. КГУ на основе ДВС можно разделить на следующие модули: цилиндр двигателя (с учетом их количества), зарубашечное пространство двигателя, контур смазки двигателя, теплообменный аппарат охлаждения пресной воды внутреннего контура, теплообменный аппарат охлаждения масла системы смазки и устройство утилизационного контура (утилизационный паровой/водогрейный котел или утилизатор теплоты отработанных газов). Уравнение теплового баланса во внутреннем контуре надпоршневой полости представляющее собой равенство подведенных и отведенных потоков теплоты через граничную поверхность за 1 час работы двигателя имеет вид: Qch1 ? Qph1 ? Qph2 ? Qi ? l ? Qph3 (1)Количество теплоты Ql , которое передается в охлаждающую среду (охлаждающую воду и масло) через поверхность крышки цилиндра, днища поршня, цилиндровую втулку и выпускной патрубок определяется выражением ? ? где Q?Г , Q?П , Q?Ц и QВП - теплота, которая передается газами, соответственно поверхностям - крышке цилиндра, поршня, цилиндровой втулки и выпускного патрубка. 1? ?Q?Г /Ql ?? ?Q?П /Ql ?? Q?Ц /Ql ?? ?QВП /Ql ?? ?Г ??П ? ?Ц ??ВП , (5) где ?Г , ?П , ?Ц , ?ВП - доли теплоты, которые передаются газами соответственно поверхностям крышки цилиндра, поршня, втулки цилиндра и выпускного (?ВП ? 0,15?0,2, в ориентировочных расчетах принимается ?Г ? ?П ? 1??ВП ?/2 ? 0,40?0,43). Количество теплоты, отданное поверхности втулки цилиндра в общем случае состоит из теплоты Q?Ц , воспринятой втулкой цилиндра непосредственно от газов, ? и теплоты Q?Ц , равной сумме теплоты, прошедшей через поршень и воспринятой поршневыми кольцами и юбкой, а также теплоты, выделяющейся при трении поршневых колец и поршня: ?? Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке надпоршневой полости цилиндра определяют по полуэмпирическим формулам, в основе которых лежат степенные функция от средней скорости поршня, давления и температуры газов в цилиндре: ?Г ? acx PYT z m, N где ?охл - коэффициент теплоотдачи от стенок к охлаждающей жидкости, КВТ/(м2 ·К); FCT - площадь поверхности, которая омывается охлаждающей средой, м2 ; Тсм2 - температура стенки со стороны охлаждения, К; Тохл - температура охлаждающей среды, К. Коэффициент теплоотдачи от внешней стенки надпоршневой полости цилиндра к охлаждающей жидкости определяется с помощью выражения: Nuж ??ж охл экв d Количество теплоты Qохл , которое передается от внешних стенок цилиндра к охлаждающей среде за 1 час определяется по формуле: Qохл ? Qохл60nz. В первом приближении эта величина может быть определена исходя из количества теплоты QM , которое отводится маслом от смазываемых деталей в охладитель, которая составляет 3,5-6 % от количества теплоты, которое выделяется в цилиндре при сгорании топлива [2]. Необходимая производительность насоса для прокачки охлаждающей среды рассчитывается исходя из количества теплоты, которое необходимо отвести от деталей двигателя и перепада температур охлаждающей среды ?T ?T2 ?T .Расчет потерь в стали представляет большие трудности, поэтому они часто определяются приближенно как 0,5-2 % от номинальной мощности электрической машины.