МЕТОДЫ ТЕПЛОВЫХ РАСЧёТОВ ДИЗЕЛЕЙ ПРИ РАБОТЕ НА ВОДО-ТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЯХ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 621.3.014

МЕТОДЫ ТЕПЛОВЫХ РАСЧЕТОВ ДИЗЕЛЕЙ ПРИ РАБОТЕ НА ВОДОТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЯХ

© 2009 г. И.А. Иванов

Ростовская государственная академия Rostov Academy

сельскохозяйственного машиностроения of Agricultural Engineering

На основе термохимических реакций горения получены формулы расчёта коэффициента активного тепловыделения для обработки индикаторных диаграмм работы дизелей.

Ключевые слова: водотопливные эмульсии; горение дизельных топлив; коэффициент активного тепловыделения; индикаторные диаграммы дизелей.

On the basis of thermochemical reactions of burning calculation formulas are received factor of an active thermal emission for processing of display diagrammes of work of diesel engines.

Keywords: water fuel emulsions; burning of diesel fuels; factor of an active thermal emission; display diagrammes of diesel engines.

Один из самых эффективных способов повышения экономичности и снижения токсичности дизелей является применение в качестве топлива водо-топливных эмульсий (ВТЭ). Ниже приводится методика расчета тепловых расчетов работы дизелей на водо-топливных эмульсиях.

Для анализа процесса сгорания при использовании ВТЭ целесообразно на основании снятых индикаторных диаграмм построить характеристики тепловыделения. Для этого при тепловых расчетах надо учесть особенности определения коэффициента молекулярного изменения и теплоемкости газовой смеси в цилиндре при работе на эмульсии.

Относительное изменение количества газа при сгорании характеризуется коэффициентом молекулярного изменения М0 (теоретический коэффициент молекулярного изменения:

.. M2 AM Mn =—2 = 1 + -

M

M

AM = M 2 - Mj

где М1 - количество кмоль воздуха; М2 - количество кмоль продуктов сгорания.

При горении эмульсии ДМ увеличивается на велиК

чину - кмолей паров воды на килограмм топ-

18(1 — К)

лива, где К - отношение массы воды к топливу в эмульсии;

МЭ = 1 + -

8Н + От

K

(1)

32аХ0 (1 — К )18аХ0

где а — коэффициент избытка воздуха; L0 определяется из стехиометрических соотношений необходимого количества воздуха для сгорания составляющих элементов дизельного топлива, кмоль/кг

L,

1 ( ^ + - От

0,2091 12 4 32 32

Принимая для сгорания топливо среднего элементарного состава (С = 0,87;Н = 0,126; ОТ = 0,004 и S < 0,002), получаем L0 = 0,497 кмоль/кг топлива.

Определим полный коэффициент молекулярного изменения

М= М2 + Мг _М0 +Y г

М1 + Мг

1 + Y r

(2)

где Мг - количество остаточных газов; уг - коэффициент остаточных газов.

Подставив значение уравнений (1) в уравнение (2), получим

,,Э , 0,0636 М Э = 1 + —-+ -

К

а(1 + у) 8,946а (1 — К )(1 + у)

Текущее значение коэффициента молекулярного изменения можно определить путем вычислений, аналогично вычислению МЭ, предполагая общее изменение числа молекул в процессе горения пропорциональным изменению Х-доли сгоревшего топлива

Э (0,569 + 0,431К ) Х

М Э = 1 + ^---.

8,946а(1 — К )(1 + у)

Средняя мольная теплоемкость смеси в

цилиндре в любой момент, когда доля сгоревшего топлива равна Х от всего количества, определяется из условий, что смесь состоит из чистых продуктов сгорания, воздуха и дополнительных паров воды.

Ввиду малого количества остаточных газов Мг

Мг

можно принять, что они состоят из —- чистых про-

а

дуктов сгорания и Мг (1 — —) воздуха. Поскольку

а

содержание дополнительных паров воды в выпускных газах даже при а =1,5 и содержании воды в эмульсии 40 % по весу будет менее 5 %, а коэффициент остаточных газов бывает не более 0,1, то содержание водяных паров в остаточных газах можно не учитывать.

В этом случае общее количество чистых продуктов сгорания:

+

M„

дм

L0 X + ДМ 0 X + —^ = L0[(1 +-) X + у г ] =

а

L

=0,497(1,0636 X + уг), кмоль. Общее количество воздуха в этот момент

^о - L0X + Му- М^ = Lo [а(1 + уу) - (X + уг)] =

Количество

КХ

0,497 [а(1 + уг) - (X + уг)], кмоль.

дополнительных паров кмоль.

воды:

Н.М. Иноземцева, которая была доработана Ю.И. Шошиным [3].

Согласно первому закону термодинамики,

-V, = ^, (7)

gQн

где Д и, - повышение внутренней энергии газов от начала сгорания до /-момента, кДж; L, - работа газов от начала сгорания до /-момента, кДж; g - расход топлива за рабочий цикл, кг/цикл; QH - низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг;

18(1 - К)

Средняя мольная теплоемкость смеси ределяется по правилу смещения [1]:

оп-

Д U = U - UH = M, C

Ус

tmT- МнСу Тн, (8)

(1,0636X + у г )цСут + [а(1 + у г) - (X + у г )]цСут +

KX

ЦСУ

8,946(1 - K)

ЦСу

0,0636X + а(1 + у r) +

KX

(3)

8,946(1 - K)

где |СУт , |СУт , |СУт - средняя мольная теплоемкость соответственно чистых продуктов сгорания, воздуха и паров воды.

На основе известных таблиц [2] при обработке на ЭВМ в системе MathCAD получены линейные регрессии в пределах от 773 до 2173 К с максимальным отклонением от табличных данных для продуктов сгорания - ±1,6, воздуха - ±1,3, воды - ±0,3 %.

Результирующие формулы для расчета имеют вид:

где М1 - количество кмолей газа в рассматриваемый ,-момент времени; т - средняя мольная теплоем-

кость смеси газов в цилиндре при температуре Т,К, кДж/кмоль-К; Т, -температура газа в цилиндре в рассматриваемый момент времени, К; Мн - количество кмолей газа в момент воспламенения топлива; ^СУнт - средняя мольная теплоемкость

воздуха в начале горения при ТН, кДж/кмоль- К; Тн -температура воздуха в момент воспламенения топлива, К.

По характеристическому уравнению можно выразить

РУ

Cm = 21,876+334,9-10 -5 Т,

цСУт = 20,093+242,8-10 -5 Т,

Cm = 22,955+573,8-10 -5 Т,

кДж ; кмоль - К

кДж кмоль - К

кДж кмоль - К

М Т =- 1 1

м

R

(9)

(4)

(5)

(6)

где Р - давление газов, кПа; Уi - объем занимаемый газом, м3; RM - универсальная газовая постоянная, RM=8,3144 (кДж/кмоль-К).

Подставим уравнение (9) в (8), получим

Ди = ^^Усмт - РНУН !СУнп

R

(10)

м

Характеристика тепловыделения определяет динамику подвода тепла к рабочему телу. Обычно она выражается в виде X, - отношения активно выделенного тепла в данное время ко всему теплу, подведенному за цикл. X, называется коэффициентом активного тепловыделения. Активно выделенное тепло идет на изменение внутренней энергии и работу газов. При этом полностью выделенное тепло, кроме изменения внутренней энергии и работы газов, тратится на диссоциацию газов и теплопередачу.

Эти дополнительные потери тепла учитываются при помощи коэффициента у , который равен отношению активно выделенного тепла ко всему выделенному

X

теплу у, =

X

у, отличается для различных двигате-

лей, но для большинства современных двигателей он колеблется в пределах 0,92 - 0,96 [1].

За основу метода обработки индикаторных диаграмм с целью расчета коэффициента активного тепловыделения принята методика профессора

где Рн и Ун - давление и объем газов в момент воспламенения (начало отсчета).

Изменение теплоемкости газа от температуры с достаточной для практических расчетов точностью можно представить в виде линейной зависимости от температуры [1, 2]:

СУт = та + тЬТ .

Теплоемкость смеси газов в цилиндре зависит от содержания воздуха и чистых продуктов сгорания в смеси, т. е. от Х-доли топлива, сгоревшего к рассматриваемому моменту времени, от всего топлива, впрыскиваемого за цикл.Поэтому коэффициенты та и тЬ будут зависеть от Х:

та = тан (1 - X ) + maKX = тан + (таК - тан ) X , тЬ = тЬн (1 - X) + mbKX = тЬн +(тЬК - тЬн )X. Следовательно,

т

Сусмт = таН +тЬнТ+Х[таК —тан +(тЬК —тЬн)Т] ,(11) где тан и тЬн - коэффициенты значения теплоемкости воздуха; таК и тЬК - коэффициенты значения теплоемкости газов при полном сгорании топлива.

При полном сгорании топлива Х =1, у - коэффициент остаточных газов принимаем равным 0,05.

г

Подставив эти значения Х и у, а также цСу ,

п

цСу и цС™ из формул (4) - (6) в формулу (3) и проведя преобразования, найдем значения средней мольной теплоемкости газов при полном сгорании топлива

VCMm

= 20,093 +

1,89 + 2,862Ф 0,0606 +a+ Ф

где Ф =

242,8 +

К

97,7 + 331Ф 0,0606 + a + Ф

10—5 Т,

(12)

9,3933(1 - К)

Подставив значения тан и тЬн из формулы (5), а так и тЬк - из формулы (12) в формулу (11), получим значение средней мольной теплоемкости газов в зависимости от Т и Х

VCMm

= 20,093 + 242,8 -10—5T +

+X

1,89 + 2,862Ф + (97,7 + 331Ф) -10 —5 Т

0,0606 + a + Ф '

(13)

VCMm

= 20,093 + 242,8 -10—5T +

где Тi - температура газа в цилиндре в рассматриваемый момент времени в К; Р - давление газов, кПа; Vi - объем, занимаемый газом, м3; Рн и Ун - давление и объем газов в момент воспламенения (начало отсчета); Li - работа газов от начала сгорания до 1-момента, кДж; RM - универсальная газовая постоянная, RM = = 8,3144 (кДж/кмоль-К); у - отношение активно выделенного тепла ко всему выделенному теплу; g -расход топлива за рабочий цикл, кг/цикл.

При расчете тепловыделения при использовании водотопливной эмульсии необходимо учитывать понижение теплотворной способности топлива - QpЭ :

QPHЭ = QPн —А (Ь Т — ЛТвн), 1 — к

где Qpp - низшая теплотворная способность безвод-

кДж1 , ,

- ; к Тг - удельная энтальпия

кг

ного топлива,

Отношение расходов топлива равно отношению выделенного при горении этого топлива тепла. Поэтому Х можно выразить через Х,. После подстановки

Х

значения Х=—- в формулу (13) имеем

У

сухого насыщенного пара воды при температуре выхлопных газов ТГ ; кТвн - удельная энтальпия воды при температуре впрыска в цилиндр - ТВН; к "Тг и кТвн определяем по таблицам [4].

Экспериментальные исследования автора по испытанию дизелей типа Д100 на ВТЭ показали, что зависимость Р = f (ф) при работе двигателя на дизельном топливе и водотопливной эмульсии отличается незначительно, а температурный максимум при работе на ВТЭ сдвинут в сторону расширения на 10° поворота кривошипа по сравнению с работой на дизельном топливе, но к концу сгорания температурные зависимости работы на дизельном топливе и эмульсии сближаются. Характер выделения тепла показывает, что при работе на эмульсии значительно увеличивается интенсивность горения топлива и происходит более полное его выгорание.

Xi (1,89 + 2,862Ф + (97,7 + 331Ф) • 10—5 Т у (0,0606 + a + Ф) .

(14)

Подставив значения Д и из формулы (10) и цСр-Смт из формулы (14) в формулу (7), после преобразований получим формулу для определения Х,

(20,093+242,8-10—5 ^ )(р. V — Рн¥н )+L1Rм

+0305К +35,238К 5 т т '

р оГ)Р 1—К 1—К 111

< пп0,1065К

ш(а+0,0606н—--)

(1—К)

X

Литература

1. Дизели : справочник / Б.П. Байков [и др.] М., 1977. С. 3839.

2. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей / Д.Н. Вырубов [и др.] М., 1983. С. 42.

3. Шошин Ю.С. О методике исследования тепловыделения в период горения топлива в двигателях с воспламенением от сжатия // Энергомашиностроение. 1958. № 1. С. 31-32.

4. Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара : справочник. М., 1984. С. 8-37.

Поступила в редакцию

23 марта 2009 г.

Иванов Игорь Александрович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Экономика и менеджмент в машиностроении», Ростовская государственная академия сельскохозяйственного машиностроения. Тел.: (863)258-91-84.

Ivanov Igor Aleksandrovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Economy and management in mechanical engineering», Rostov Academy of Agricultural Engineering. Ph.: (863)258-91-84.

+