CC BY
153
УДК 621.43.013.016.4
А.В. Разуваев, Е.А. Соколова ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ДИЗЕЛЯ 6ЧН 21/21
С целью модернизации системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания исследуется ее работа и определяется вид зависимостей теплоотвода в воду от мощности.
Двигатель внутреннего сгорания, система охлаждения, стенд для экспериментальных исследований, мощность, температура воды, математическая зависимость
A.V. Razuvaev, E.A. Sokolova EXPERIMENTAL STUDY OF COOLING DIESEL 6CHN 21/21
The article deals with the issues of modernization of the cooling systems in internal combustion engines, and identifies the dependence of the heat-removal system in the water from the power rate.
Internal combustion engine, the cooling system, the stand for experimental researches, power rate, temperature of the water, mathematical dependence
Анализ литературных данных [1] показывает, что повышенный температурный режим охлаждающей жидкости ДВС позволяет повысить экономичность его работы.
Для определения зависимости количества теплоты, отведенной в воду системы охлаждения поршневого ДВС, от его мощности были проведены стендовые теплобалансовые испытания.
Исследования проводились для двух модификаций двигателя 6ЧН 21/21, установленных на стендах экспериментальной лаборатории ОАО «Волжский дизель им Маминых», а именно для газо-
вого двигателя-генератора ГДГ-90 и дизеля-генератора ДГ-70, которые имеют номинальную мощность соответственно 500 кВт при п = 16,7 с-1 и 630 кВт при п = 25 с-1.
В качестве топлива для газового двигателя-генератора использовался природный газ, а для дизеля-генератора - дизельное топливо по ГОСТ 305.
Общий вид экспериментальной установки на базе дизеля 6ЧН 21/21 представлен на рис. 1.
Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки на базе двигателя 6ЧН 21/21
При испытаниях двигатель работал при изменении нагрузки от минимальной до номинальной, а также в режиме холостого хода, температура окружающей среды находилась в пределах 300-302К, атмосферное давление Р^ было равно 101,2 кПа; относительная влажность воздуха ф составляла 82,2-91,6%. Принципиальная схема стенда с экспериментальным двигателем, к которому подводился природный газ, и точки измерения основных параметров работы системы охлаждения дизеля при проведении исследовательских работ представлены на рис. 2.
т
1 V 6
1 9
1
1 о 6
1 8
Д
Р 1
1
ГТ
п 2
8
—►
(вГ)
РБ
о 3
7
т 5
4
т 4
4
ЭВ 2
Рис. 2. Принципиальная схема стенда для экспериментальных исследований параметров системы охлаждения двигателей на базе дизеля 6ЧН 21/21: Д - ДВС, ГТ - гидротормоз, ВВТ - водо-водяной теплообменник, РБ -расширительный бак, ЭВ1 - электровентиль регулирования расхода охлаждающей жидкости в системе охлаждения, ЭВ2 - электровентиль регулирования расхода жидкости через гидротормоз, ВН - водяной насос
----------------------- - техническая охлаждающая вода
- топливо
Измеряемый параметр О - расход
Р - давление (разрежение) Т - температура V - вес
Номер точки измерения Номер применяемого прибора (табл. 2)
Перечень контролируемых параметров двигателя при исследовании системы охлаждения представлен в табл. 1, а тип и данные применяемых приборов - в табл. 2.
Контроль за работой системы охлаждения осуществлялся по соответствующим приборам с пульта управления, общий вид которого показан на рис. 3.
Таблица 1
Параметры энергетической установки, контролируемые при проведении исследовательских работ
Измеряемый параметр Объект измерения Место измерения № точки измерения Прибор №
Мощность двигателя Г идротормоз Коленчатый вал двигателя 1 1
Частота вращения Коленчатый вал Вал гидротормоза 2 5
Расход Газ Перед ГДГ-90 6 8
Вес Дизельное топливо Перед ДГ-70 6 9
Расход Охлаждающая жидкость После двигателя 3 7
Температура Охлаждающая жидкость Перед двигателем 4 4
Температура Охлаждающая жидкость После двигателя 5 4
Таблица 2
Приборы, используемые при проведении исследований
№ п/п 1 Измеряемый параметр Тип (модель) прибора Единица измере- ния Кл. точ- ности Предел измере- ния Цена деления ГОСТ или ТУ Примечание
Мощность Г идротормоз АРА - 2И Н 0,4-- 0,4 2 0 о ■ о ■ о 1 - «Хофман» ФРГ
2 Атмосферное давление Барометр М - 67 мм. рт. ст. 600... 800 1 - -
3 Влажность Психрометр термометр ТМ6 °С 0,500 0 0,5 + 1 (Л о о : 0,2 112-78 -
4 Температура Термометр ртутный ТЛ-4-3 °С 4 50.. 105 0,1 - -
5 Частота вращения Тахометр ТЭСА об/мин 9 со о со ■ со ■ со 1 21399-75 -
6 Интервал времени Секундомер С 0..3600 0,2 - -
7 Расход охлаждающей жидкости Счетчик воды крыльчатый ВДГ -50 м3/ч 0 1^ 0 - - -
8 Расход природного газа Счетчик газа ротационный РСГ 0160 м3/ч 0. 250 2 дм3 - ООО «Сигнал »
9 Вес дизельного топлива Весы РН - 10Ц13У Г 100. 10000 5 13888-68 -
Изменение температурного режима охлаждающей жидкости осуществлялось за счет регулирования расхода технической воды, проходящей через теплообменник ВВТ, при помощи электровентиля ЭВ1.
Эффективная мощность дизеля определялась по формуле
Ре = кРгтП, [кВт] (1)
где Ргт - нагрузка по шкале гидротормоза, n - частота вращения коленчатого вала, k - коэффициент приведения.
Рис. 3. Общий вид пульта управления экспериментальной установкой на базе двигателя 6ЧН 21/21
Результаты экспериментальных исследований работы дизеля обрабатывались с использованием следующих известных зависимостей:
Удельный расход топлива для дизеля-генератора подсчитывался следующим образом
Ь= 3600 ' ° , г/кВт • ч, (2)
Т ■ Ре
где в - масса навески топлива, Г; т - время расхода навески топлива, с; Ре - мощность дизеля, Вт.
Оценка погрешности измерения и расчета параметров работы дизеля проводилась в соответствии с рекомендациями [2].
Погрешность измерения параметров работы дизеля соответствующими приборами равна погрешности приборов, перечень которых приведен в табл. 2.
Максимальная суммарная относительная погрешность определяемого параметра вычислялась по выражению
5 = 8х + 52 + ... + 51 , (3)
где 5х, 52, 5; - погрешности составляющих параметров.
Среднеквадратичная относительная погрешность определялась по формуле
дъ = ±д/ 512 + 52 + ••• + (4)
Абсолютная погрешность при измерении параметра находилась из выражения
д = Аг / г -100
(5)
где А1 - точность измерения данного параметра; I - величина измеряемого параметра.
Погрешность определения мощности дизеля:
- максимальная суммарная
д = дГТ + 5 (6)
где 5ГТ = 0,4 (табл. 2.); 5П = А1/1 ■ 100 = 1/1500 ■ 100 = 0,066% - для дизеля-генератора ДГ-70; 5П = А1/1 ■
100 = 1/1000 ■ 100=0,1% - для двигателя-генератора ГДГ-90.
Абсолютная суммарная погрешность:
для дизеля-генератора ДГ-70 5 = 0,4 + 0,066 = 0,466%,
для двигателя-генератора ГДГ-90 5 = 0,4 +0,1=0,5%.
Среднеквадратичная относительная погрешность: для дизеля-генератора ДГ-70
5Е = ±70,42 + 0,062 = ±0,401°/. (7)
для газового двигателя-генератора ГДГ-90
5е =±л/0,42 + 0,12 = ±0,412% (8)
В процессе испытаний для каждого мощностного режима работы двигателей внутреннего сгорания обеих модификаций температура воды в системе охлаждения на входе в двигатель и на выходе из него измерялась шесть раз. Затем на основании полученных данных рассчитывались разность температур и количество теплоты, отведенной в воду системы охлаждения. Значения результатов исследований, подтверждаемые протоколами теплобалансовых испытаний ОАО «Волжский дизель им Маминых», приведены в табл. 3, 4.
Таблица 3
Экспериментальные и расчетные значения теплоотвода в воду газового двигателя-генератора ГДГ-90
в зависимости от развиваемой мощности
№ режима Мощность ГДГ-90 Ре (кВт) Экспериментальное значение теплоотвода в воду Qqool (кВт) Рассчитанное по математ. модели значение теплоотвода в воду У1 (кВт) Значение ошибки (кВт) Значение ошибки (%)
I 112 111,1 118.2 -7,1 6,4
II 147 134 129 5 3,7
III 264 181 172,9 8,1 4,5
IY 397 243,1 241 2,1 0,9
Y 512 301,2 321,3 -20,1 6,7
YI 532 357,1 337,8 19,3 5,4
Таблица 4
Экспериментальные и расчетные значения теплоотвода в воду дизеля-генератора ДГ-70 в зависимости от развиваемой мощности
№ режима Мощность ДГ-70 Ре (кВт) Экспериментальное значение теплоотвода в воду Qqool (кВт) Рассчитанное по математ. модели значение теплоотвода в воду У1 (кВт) Значение ошибки (кВт) Значение ошибки (%)
I 63 88.3 85,5 2,8 3,2
II 140 128.2 132,4 -4,2 3,1
III 290 196.9 197,1 -0,2 0,0
IY 420 234.7 241,4 -6,7 2,8
Y 630 313.3 301,4 11,9 3,8
На основании результатов исследований в Excel были получены нелинейные математические модели зависимости количества отводимой теплоты от текущего значения мощности двигателя.
Для газового двигателя-генератора ГДГ-90 эта зависимость имеет вид
y1=aebx=89,342e0 0025x, (9)
где у1 - количество отведенной теплоты (кВт), х - текущее значение мощности двигателя-генератора (кВт).
Как видно из графиков на рис. 4 и данных табл. 3, адекватность модели подтверждается хорошим совпадением экспериментальных и рассчитанных по модели значений количества отводимой теплоты, а также значением квадрата смешанной корреляции - И2 =0,98.
Зависимость теплоотвода в воду системы охлаждения от мощности газового двигателя-генератора ГДГ-90
Рис. 4. Экспериментальные (1), рассчитанные по математической модели (2) значения отводимой теплоты,
ошибка расчета по математической модели (3)
Для дизеля-генератора ДГ-70 получена зависимость вида
у1=ахь= 8,8632х0'55. (10)
Адекватность модели также как и в первом случае подтверждается хорошим совпадением экспериментальных и рассчитанных по модели значений количества отводимой теплоты (табл. 4 и рис. 5) и значением квадрата смешанной корреляции И2, который равен 0,98.
Зависимость теплоотвода в воду системы охлаждения от мощности для дизеля-генератора ДГ-70
Рис. 5. Экспериментальные (1), рассчитанные по математической модели (2) значения отводимой теплоты, ошибка расчета по математической модели (3)
При работе ДВС в режиме холостого хода и нагрузках близких к нему большая часть теплоты, поступившей в камеру сгорания двигателя, затрачивается на преодоление сил трения в трущихся парах, а также отводится в воду системы охлаждения. Поэтому в данном случае целесообразно величину теплоотвода в воду системы охлаждения определить в зависимости от числа оборотов ДВС. С этой целью для дизеля-генератора ДГ-70 были проведены теплобалансовые испытания при его работе на холостом ходу.
Как и в случае работы двигателя под нагрузкой, в процессе испытаний температура воды в системе охлаждения на входе в дизель и на выходе из него, а также число оборотов дизеля-генератора измерялись шесть раз. Затем на основании полученных данных рассчитывались разность температур и количество теплоты, отведенной в воду системы охлаждения. Значения результатов исследований, подтверждаемые протоколом теплобалансовых испытаний ОАО «Волжский дизель им Маминых», приведены в табл. 5.
Таблица 5
Экспериментальные и расчетные значения теплоотвода в воду дизеля-генератора ДГ-70 в зависимости от числа оборотов при работе на холостом ходу
Число оборотов n (с-1) Экспериментальное значение теплоотвода в воду Qqool (кВт) Рассчитанное по модели значение теплоотвода в воду У1 (кВт) Значение ошибки (кВт) Значение ошибки (%)
8,7 26,2 29,6 -3,4 13
10,6 43,6 37 6,6 15,1
14,9 54,1 54,6 -0,5 0,9
16,8 61,3 62,5 -1,2 2
18,7 70 70,6 -0,6 0,9
21,7 85,1 81,7 3,4 3,9
25 96,1 98,3 -2,2 2,3
На основании результатов исследований в Excel была получена нелинейная математическая модель зависимости количества отводимой теплоты от часового расхода топлива двигателя ДГ-70:
yi=axb= 2,5241x 1Д376 (1 1)
где yi - количество отведенной в воду теплоты (кВт), x - текущее значение числа оборотов дизеля-генератора ДГ70 (с-1)
Также как при исследовании работы ДВС под нагрузкой адекватность модели подтверждается хорошим совпадением экспериментальных и рассчитанных по модели значений количества отводимой теплоты (табл. 5 и рис. 6) и значением квадрата смешанной корреляции R2, который равен 0,96.
Тепловыделение в воду системы охлаждения в зависимсоти от числа оборотов дизеля генератора ДГ-70
Рис. 6. Экспериментальные (1), рассчитанные по математической модели (2) значения отводимой теплоты, ошибка расчета по математической модели (3)
Таким образом, в результате обработки данных экспериментальных исследований были получены математические зависимости, позволяющие определить величину теплоотвода в воду системы охлаждения для двух модификаций дизеля 6ЧН21/21 в зависимости от нагрузки и холостом ходу.
Математические зависимости (9),(10) и (11) могут быть использованы в расчетах, необходимых при проведении модернизации системы охлаждения ДВС. В частности при наличии соответствующего алгоритма расчета они позволяют рассчитать величину теплового потока, отводимого от охлаждающей жидко-228
сти в тепловой аккумулятор, установленный в тракт системы охлаждения с целью поддержания в ней повышенного температурного режима во всем диапазоне режимов работы ДВС.
На основании проведенного анализа литературных источников и патентных исследований была подана заявка на систему жидкостного охлаждения тепловой машины № 2011145416/06(068024) от 08.11.2011 г. на изобретение и выдачу патента; получено положительное решение от 14.11.2012 г.
Полученные зависимости теплоотвода в охлаждающую жидкость от величины мощности ДВС будут способствовать более точному расчету элементов запатентованной системы охлаждения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Разуваев А.В. Повышение эффективности энергетических установок / А.В. Разуваев, Е.А. Разуваева, Е.А. Соколова // Вестник СГТУ. 2010. № 3. С 150-159.
2. Овсянников М.К. Эффективность топливоиспользования в судовых дизельных установках / М.К. Овсянников, В.А. Петухов. Л.: Судостроение. 1984. 96 с.
3. Разуваев А.В. Поршневые двигатели внутреннего сгорания с высокотемпературным охлаждением / А.В. Разуваев. Саратов: СГТУ, 2001. 128 с.
4. Львовский Е.Н. Статистические методы постарения эмпирических формул / Е.Н. Львовский. М.: Высш. шк., 1988. 239 с.
Разуваев Александр Валентинович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Технология и автоматизация машиностроения»
Балаковского института техники, технологии и управления Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Соколова Елена Анатольевна -
ассистент кафедры «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники технологии и управления Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Статья поступила в редакцию 12.11.12, принята к опубликованию
Alexander V. Razuvaev -
Dr. Sc., Professor
Department of Technology and Automation of Mechanical Engineering,
Balakovo Institute Engineering, Technology and Management:
Part of Gagarin Saratov State University
Elena A. Sokolova -
Assistant Lecturer
Department of Technology and Automation of Mechanical Engineering,
Balakovo Institute Engineering, Technology and Management:
Part of Gagarin Saratov State University
