VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов (далее - ТЭР) на энергоустановках является одним из важных способов повышения эффективности их работы. Потенциал энергосбережения энергоустановок отличается существенно и может быть представлен следующими минимальными соотношениями:

• по тепловой энергии – 15-25%;

• по электрической энергии – 10-20%.

Повышение эффективности использования ТЭР можно добиться следующими путями:

• модернизацией технологических процессов, что требует значительных затрат и зачастую имеет большой срок окупаемости;

• реконструкцией систем энергоустановки, что позволяет в меньшей степени совершенствовать технологические процессы, но в тоже время, такой метод менее затратный с финансовой точки зрения.

Независимо от выбранного направления для любой системы энергоустановки целесообразно разрабатывать комплексные программы энергосбережения ТЭР. Созданию таких программ способствует проведение энергетического обследования.

Энергетическое обследование – это обследование потребителей топливно-энергетических ресурсов с целью установления показателей эффективности их использования и разработки экономически обоснованных мер по их выполнению, с целью снижения затрат потребителей на топливо [1].

Основными задачами энергетического обследования являются:

• определение энергетических характеристик энергоустановок и протекающих в них процессов;

• выявление и анализ причин потерь энергии при эксплуатации энергоустановок;

• анализ характеристик систем и их влияние на экологию;

• повышение надежности энергоустановки [2].

Основным параметром эффективности любой системы и в целом энергоустановки является теоретическая энергоёмкость, которая рассматриваться, как минимальная потребность в энергии для получения единицы результата . За выбранный промежуток времени при получении определенного объёма результата R, определяется теоретически минимальный расход энергии на его получение по следующей формуле [3]

.

В настоящее время растущие требования к экологичности и экономичности производимых двигателей внутреннего сгорания (далее - ДВС) становятся наиболее эффективным способом борьбы за рынки сбыта продукции, использующей ДВС в качестве силового агрегата.

Однако резервы совершенствования ДВС традиционными высокотехнологичными способами практически использованы до предела, поэтому дальнейшее совершенствование требует новых решений.

Эти решения лежат не в области механики, где достигнуты коэффициенты полезного действия (далее - КПД) выше 0.9, а в области рабочих процессов двигателей, где КПД остается на уровне 0.25-0.53.

Такие решения на сегодня известны и связаны они с выделением в рабочем цикле ДВС сгорания в самостоятельный процесс.

Разделим работу ДВС на 2 процесса по принципу их разной природы и функционального назначения:

Первый и главный процесс - извлечение энергии топлива и превращение этой энергии в работу расширения газов. Степень его совершенства характеризуется индикаторным КПД, который учитывает потери всех химических, физических, термо-, гидро- и газодинамических процессов, происходящих в рабочих полостях двигателя. У современных ДВС этот КПД лежит в диапазоне 0,25÷0,53.

Второй процесс - преобразование энергии расширения газов в механическую энергию. Чистая механика. Задачей этого процесса является вывод механической энергии из ДВС, а степень его совершенства характеризуется в большей степени механическим КПД. Механический КПД зависит от форсированности рабочего цикла. Чем форсированнее цикл, тем меньшую относительную долю составляют его механические потери в балансе мощностей, тем выше его механический КПД. В механические потери также входят затраты мощности двигателя на газообмен и на обслуживающие двигатель агрегаты: топливный и масляный насосы, систему охлаждения и др. Механический КПД в лучших вариантах ДВС превышает 0,9.

В части уменьшения потерь двигателя на трение эффективным способом является переход от 4-х тактного цикла к 2-х тактному. В 4-х тактном цикле двигатель половину времени работает как поршневой воздушный насос, обеспечивающий газообмен (такты впуска и выпуска). В 2-х тактных двигателях эту работу чаще всего выполняет специальный агрегат – продувочный компрессор с механическим приводом от коленчатого вала двигателя. Размер этого агрегата в десятки раз меньше двигателя. Поэтому переход на 2-х тактный цикл позволяет значительно уменьшить размеры и вес двигателя.

Другим эффективным способом повышения механического КПД двигателя является применение турбонаддува. Использование теряемой с отработавшими газами энергии для привода турбокомпрессора позволяет уменьшить потери двигателя на газообмене, а в некоторых случаях даже превратить газообмен в дополнительную полезную работу.

Турбонаддув активно применяется как в 4-х тактных, так и в 2-х тактных двигателях. Еще одним способом, снижающим потери на газообмене и улучшающим очистку и наполнение цилиндров, является управление фазами газообмена.

Тем не менее, доля потерь на привод агрегатов и обеспечение газообмена в классическом ДВС, как правило, составляет порядка 4% от мощности двигателя. Отсюда вывод – увеличение механического КПД ДВС больше 0,96 проблематично.

Таким образом, можно сказать, что в механической части ДВС, больших резервов нет, а вот в рабочем цикле, где индикаторный КПД ДВС составляет всего лишь 0,25÷0,53, есть.

Для получения максимальной работы цикла, необходимо энергию уже сгоревшего топлива подвести в начале такта рабочего хода, а не в середине и не в конце. Поскольку теплота, подведенная в конце такта рабочего хода, уже не востребована и прямиком попадает в выхлопную трубу.

Резервы здесь, колоссальны. Потерянная энергия составляет 47%÷75% от энергии, которую может выделить топливо.

Потерянная энергия для разных типов двигателей и разных режимов их работы имеет разное деление на составляющие, но значения этих составляющих находятся в диапазонах, указанных ниже:

• потери от неполноты сгорания топлива 2%÷25%

• потери в систему охлаждения – 15%÷30%

• потери с отработавшими газами – 20% ÷ 55%

• потери от несвоевременности подвода тепла к циклу.

Потери энергии из-за неполноты сгорания топлива связаны в основном с крайне коротким для современного высокооборотного двигателя менее миллисекунды – периодом, в течение которого нужно обеспечить сгорание топлива. Условия сгорания после прохождения ВМТ такта рабочего хода ухудшаются – объем полости сгорания расширяется, из-за чего давление и температура газа имеют тенденцию к понижению, а площадь охлаждающих поверхностей, и, соответственно, потери тепла, увеличиваются.

Задача системы охлаждения энергоустановки заключается не только в охлаждении, но и в управлении температурами. Неравномерный или излишний отвод тепла, как и подвод, отражается на нормальной работе энергоустановки. Создание системы охлаждения – процесс трудоёмкий, требующий огромной исследовательской и конструкторской работы. При разработке такой системы необходимо учитывать напряжения и перемещения деталей от термических расширений и от газовых сил. Вся конструкция должна надежно функционировать при постоянно меняющихся режимах работы.

Тепло, образующееся при работе энергоустановки, необходимо отводить, по следующим причинам:

• высокие температуры поверхностей рабочей полости ДВС приводят к подогреву свежего заряда (воздуха или рабочей смеси), поступающего в цилиндр на такте впуска. От нагрева плотность заряда снижается. Чем меньше плотность заряда, тем меньше его масса, и, следовательно, меньше топлива можно сжечь. Значит, и меньше мощность;

• подогрев заряда на такте сжатия, когда температура поверхностей выше температуры заряда, заставляет его расширяться, а двигатель совершать лишнюю работу сжатия, которую смело можно отнести к потерям;

• подогрев заряда также приводит к росту максимального давления в цилиндре, а оно ограничено прочностью деталей;

• прочность деталей зависит от температуры. С ростом температуры прочность материалов снижается.

Первый метод решения проблемы – уменьшить теплообмен рабочего тела с ограничивающими его поверхностями за счет материалов или создания пограничных условий, препятствующих теплообмену. Реализовать такой метод чрезвычайно сложно с технической точки зрения.

Второй метод – уменьшить сами поверхности теплообмена. И здесь есть два давно известных и используемых решения. Первое решение вытекает из законов геометрии. Газ, содержащий тепло, занимает объем, а теплообмен определяется площадью поверхности, которая ограничивает этот объем. Объем – это кубическая величина, и с увеличением прирастает в третьей степени, в то время как площадь – квадратичная величина, и прирастает во второй степени. Таким образом, с увеличением размеров цилиндров двигателя отношение поверхности к объему уменьшается, и относительные тепловые потери также уменьшаются. Отсюда вывод: двигатель с одним цилиндром будет иметь меньшие тепловые потери, чем с шестью цилиндрами и тем же суммарным рабочим объемом. Просто потому, что поверхности теплообмена уменьшатся.Второе решение этой задачи – уменьшение количества контактирующих с газом поверхностей. Это возможно, например, в схеме, когда в одном цилиндре располагаются два поршня, движущиеся навстречу друг другу. Рабочая полость здесь находится между поршнями. Как понятно из описания, здесь отсутствуют две головки цилиндров. Нет головок – нет поверхностей теплообмена. Такие двигатели работают по двухтактному циклу, а газообмен у них осуществляется с помощью продувочного насоса через окна в районах нижних (еще их называют наружными) мертвых точек поршней. Продувка называется прямоточно-щелевой и является самой эффективной из всех применяющихся в ДВС. Схема эта классическая, известна много лет и широко применяется.

Таким образом, показанные здесь резервы – укрупнение цилиндров с одновременным уменьшением их количества и сокращение контактирующих с газом поверхностей за счет конструктивной схемы двигателя – наиболее перспективные способы в борьбе за мощность и экономику.

Потери с отработавшими газами возникают по большей части из-за несвоевременности подвода тепла и недостаточности хода поршня для полного расширения газов до атмосферного давления. Эта энергия может быть использована для привода турбин компрессоров наддува двигателей, реже – еще и для привода дополнительных силовых турбин, отдающих мощность на выходной вал. Во всех этих случаях двигатели называются уже не поршневыми, а комбинированными.Срабатывание этой энергии в дополнительных силовых турбинах транспортных машин усложняет и удорожает силовую установку из-за необходимости использования редукторов с большим понижающим числом, а также дополнительных узлов защиты от разрушения из-за резко изменяющихся оборотов коленчатого вала, а вот в гибридных схемах, где режимы двигателя достаточно стабильны и отсутствуют ударные нагрузки, применить силовую турбину проще - еще один резерв.

Потери от несвоевременности подвода тепла, связаны с неэффективным использованием полученного тепла. Чем позже после ВМТ рабочего хода подведено тепло, тем меньше оно используется, тем больше его попадает в трубу с отработавшими газами. Для получения максимальной работы все тепло должно быть подведено в ВМТ перед тактом рабочего хода, ни раньше – увеличится отрицательная работа сжатия, ни позже–уменьшается эффективность расширения. Но для этого сжечь топливо надо в ВМТ.

Дополнительно к рассмотренным выше способам повышения эффективности рабочего цикла можно назвать следующие: форсирование за счет наддува и промежуточного охлаждения надувочного воздуха, управление степенью сжатия двигателя и рециркуляцию отработавших газов. Все эти способы известны достаточно давно и, за исключением изменения степени сжатия, применяются в серийно выпускаемых двигателях. То есть их применение можно отнести к достигнутому на сегодня уровню эффективности ДВС [4].

Такимобразом, представленные материалы в настоящей статье подтверждают необходимость проведения энергетического обследования энергоустановок, в частности, такой силовой установки, как ДВС.

Кроме того, можно утверждать, что энергетическое обследование необходимо воспринимать, как первый шаг к оптимизации, модернизации существующей, а также к проектированию и разработке новой энергоустановки.

Литература

1. Правила проведения энергетических обследований организаций. Утв. первым зам. министра Минтопэнерго РФ В. И. Оттом 25.03.98.

2. Губин В. Е. Малоотходные и ресурсосберегающие технологии в энергетике / В. Е. Губин, С. А. Косяков. – Томск : Изд-во НТЛ, 2002. – 252 с.

3. Гулин С.В., Пиркин А.Г. Основы энергетического менеджмента и энергоаудита в аграрном секторе экономики. Учебно-методическое пособие. СПб.: СПбГАУ. 2011-85с.

4. Митрофанов С.В. О ДВС, его резервах и перспективах развития глазами специалиста. http://rtc-ec.ru/.

7

Код для цитирования: Скопировать