Главная | • Сотрудничество | • Публикации | • Написать письмо

Line

Содержание:


Line

   3. АНАЛИЗ ТЕМПЕРАТУРНОГО УРОВНЯ И ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ, ОТВОДИМОЙ В ДВС

   Как было показано выше доля теплоты рубашки охлаждения двигателя, а также теплота, отходящая с выхлопными газами может составлять более 50% от подводимой с топливом теплоты в двигатель. В данном обзоре для газопоршневых двигателей внутреннего сгорания автор ставит перед собой задачу оценить зависимость мощности теплоты уходящей с выхлопными газами, а также мощности теплоты, которая отводится охлаждающей жидкости в рубашке охлаждения в зависимости от электрической мощности генератора. Последнее обусловлено тем, что в открытом доступе удалось найти подробную информацию по газопоршневым электростанциям. Однако, зная электрический КПД электрогенератора, а также КПД соединительных устройств, читатель без проблем сможет сопоставить предложенные зависимости для выходной мощности газопоршневого двигателя.

   База данных, на базе которой проводится анализ, была взята с сайтов известных производителей газопоршневых электростанций. К ним относятся такие мировые лидеры как CATERPILLAR, DEUTZ, GE JENBACHER, MAN и прочие. Предполагается, что все двигатели используют топливо с низшей теплотой сгорания - 35,88 МДж/м³. Диапазон электрической мощности для исследуемых двигателей был выбран в пределе от 70 до 3 895 кВт электрической мощности, с турбонаддувом и интеркулером, что дало возможность оценить все отводимые тепловые мощности.

   На рисунке №3 (левая шкала) показана зависимость тепловой мощности, которая может получиться при охлаждении выхлопных газов от их температуры после двигателя (включая его работу, которую он совершает в турбине турбонаддува) до температуры 120°С от электрической мощности. Красная линия показывает линию тренда для этой зависимости. В большинстве случаев температурный уровень в 120°С выбирается потому, что он гарантирует отсутствие конденсации водяных паров, которые содержатся в выхлопных газах двигателя. Там же на рисунке №3 (правая шкала) показана доля теплоты от подведённой теплоты топлива, которая уносится с выхлопными газами. 

Рисунок №3 Зависимость тепловой мощности выхлопных газов (120) а также её доля
Рисунок №3. Зависимость тепловой мощности выхлопных газов (120°С), 
а также её доля в общем балансе тепла от электрической мощности.

   Очевидный разброс данных по правой шкале (доля теплоты) и очевидная зависимость с малой погрешностью между отводимой теплотой с выхлопными газами в зависимости от мощности двигателя по левой шкале говорит о том, что двигатели могут иметь различные режимы работы и что их эффективность в зависимости от электрической мощности может сильно различаться. Однако автор не исключает вероятность того, что данные, опубликованные на официальных русскоязычных сайтах компаний, могут быть неверно перенесены с оригинала. Также возможна погрешность измерений расхода топлива, от которой зависит теплота, подведённая двигателя с топливом. 

   На рисунке №4 представлены аналогичные зависимости, но для случая, когда теплота выхлопных газов утилизируется полностью, т.е. температура выхлопных газов после теплообменника равна температуре окружающей среды – 20°С. Однако в этом случае не учитывается теплота, которая может получиться при конденсации водяных паров, которые содержатся в выхлопных газах.

Рисунок №4 Зависимость тепловой мощности выхлопных газов (20) а также её доля
Рисунок №4. Зависимость тепловой мощности выхлопных газов (20°С), 
а также её доля в общем балансе тепла от электрической мощности.

   Анализируя данные, которые приведены в каталогах производителей электростанций на базе газопоршневых двигателей можно сделать вывод о том, что количество тепла, которое может быть получено при охлаждении выхлопных газов до температуры 20°С в среднем на 1,3 … 1,4 раза больше, чем то количество тепла, которое может быть получено при охлаждении выхлопных газов до температуры 120°С.

   Здесь следует отметить, что в общем случае при работе газопоршневых электростанций в режиме когенерации, т.е. с использованием тепла выхлопных газов на нужны теплофикации – выработка горячей воды и отопления, выполняют охлаждение выхлопных газов до температуры 110 … 120°С. Часто это обусловлено тем, что вода, которая используется на нужны отопления, имеет температурный уровень прямой и обратной воды на уровне 70/90°С. Поэтому, использование температур ниже 110°С может привести к тому, что не выхлопные газы будут греть воду, а наоборот. Ещё одной причиной является выпадение конденсата, которые в большинстве случаев состоит не только из воды, а включается в себя также различные кислоты (в зависимости от содержания продуктов сгорания), которые разрушают теплообменные поверхности, что может привести к аварии.

   На рисунке №5 представлена зависимость температуры выхлопных газов после турбины турбонаддува от электрической мощности.

Рисунок №5 Зависимость температуры выхлопных газов после
Рисунок №5. Зависимость температуры выхлопных газов после
турбины турбонаддува от электрической мощности.

   Минимальная значение температуры выхлопных газов, приведённой на графике равно 356°С при электрической мощности 360 кВт, а максимальная температура равна 561°С при электрической мощности 70 кВт. Однако в данном случае эти температуры не являются показателями, так их значение зависит от многих параметров. 

   Возвращаясь к тепловой энергии, отводимой от двигателя, необходимо помнить, что до 30% (по различным данным) подведённой тепловой энергии с топливом отводится от рубашки охлаждения двигателя. Как уже было описано выше, температура охлаждающей жидкости при выходе из рубашки двигателя не должна превышать 90 … 110°С, что обусловлено оптимальным его охлаждением. 

   На рисунке №6 показана зависимость суммарной теплоты отводимой от рубашки двигателя и теплоты выхлопных газов, при их охлаждении до 120°С.

Рисунок №6 Зависимость суммарной теплоты отводимой от рубашки охлаждения двигателя и выхлопных газов, при их охлаждении до 120
Рисунок №6. Зависимость суммарной теплоты отводимой от рубашки 
охлаждения двигателя и выхлопных газов, при их охлаждении до 120°С.

   Из рисунка №6 видно, что при утилизации как теплоты охлаждения рубашки двигателя, так и при утилизации теплоты выхлопных газов, можно получить до 60% от всей тепловой мощности, подводимой с топливом. При КПД двигателя на уровне 30 … 35%, общий КПД использования топлива в 95% является отличным показателем. 

   Однако не всю теплоту можно утилизировать. Так теплоту, которая теряется при конвективном теплообмене с охлаждающей средой с поверхности двигателя утилизировать достаточно сложно. 

   На рисунке №7 представлена зависимость тепловой мощности, которая теряется в окружающую среду с поверхности двигателя от электрической мощности электродвигателя по левой шкале, а также её доля от подводимой тепловой мощности с топливом. Возрастание тепловой мощности, теряемой с поверхности двигателя, обусловлено тем, что с возрастанием мощности двигателя увеличиваются его размеры и, следовательно, его поверхность, что способствует увеличению теплообмена с окружающей средой. 

Рисунок №7 Потеря теплоты с поверхности двигателя
Рисунок №7. Потеря теплоты с поверхности двигателя.

   Выше было сказано, что при увеличении мощности двигателя появляется необходимость охлаждать воздух, который поступает после компрессора турбонаддува. Воздух охлаждается в интеркулере – теплообменнике, который установлен после компрессора и перед камерой сгорания двигателя. 

   Так на рисунке №8 показан график зависимости тепловой мощности, отводимой от сжатого воздуха интеркулером от электрической мощности.

Рисунок №8 График зависимости тепловой мощности, отводимой от сжатого
Рисунок №8. График зависимости тепловой мощности, отводимой 
от сжатого воздуха интеркулером от электрической мощности.

   Приведённые выше зависимости могут послужить отправной точкой для анализа как мощности отводимого тепла, так и температурного уровня выхлопных газов для двигателей внутреннего сгорания, работающего на природном газе или схожих с ним по свойствам газов.

© Н.Д. Денисов-Винский

Line

.