CC BY
12
УДК 621.431.74.016 Борис Иванович Руднев
Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет, доктор технических наук, профессор кафедры холодильной техники, кондиционирования и теплотехники, SPIN-код: 2797-1790, AuthorlD: 423385, Россия, Владивосток
Ольга Владимировна Повалихина
Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет, доцент кафедры холодильной техники, кондиционирования и теплотехники, SPIN-код: 9956-1129, AuthorlD: 875839, Россия, Владивосток, e-mail:роvаliсhinа@mаil.ru
Определение параметров излучения пламени в камере сгорания судового дизеля
Аннотация. Температура пламени и степень черноты определяют его собственное излучение. Однако оценка указанных параметров на стадии проектирования судовых дизелей представляет собой трудную и еще пока нерешенную проблему. Последнее обусловливается сложностью достоверного математического моделирования процесса сгорания топлива в дизельных двигателях и весьма высокой стоимостью экспериментальных исследований в этой области. Целью данной статьи является разработка расчетно-экспериментального метода определения параметров излучения пламени в камере сгорания судового дизеля 6 ЧН 24/36. Показано, что оценка величины температуры пламени в камере сгорания в функции угла поворота коленчатого вала может быть выполнена по температуре газов, найденной из экспериментальной или расчетной индикаторной диаграммы и специального параметра. Последний определяется на основании зависимости, полученной путем обобщения экспериментальных данных по измерениям температуры пламени на ряде дизельных двигателей. Представлены результаты по температуре пламени для судового дизеля 6 ЧН 24/36, полученные с использованием разработанного расчетно-экспериментального метода. Установлено, что с ростом нагрузки температура пламени возрастает. При этом в диапазоне изменения нагрузки дизеля от 50 до 100 % от номинальной мощности увеличение температуры пламени примерно в два раза превышает увеличение температуры газов. Использование полученных результатов для оценки собственных потоков излучения пламени в камере сгорания судового дизеля 6 ЧН 24/36 и сопоставление их с известными экспериментальными данными показало сходимость в пределах 10-15 %.
Ключевые слова: температура газов, температура пламени, камера сгорания, радиационный теплообмен, судовой дизель.
Boris I. Rudnev
Far Eastern State Technical Fisheries University, doctor of technical sciences, professor of the department of refrigeration, air conditioning and heat engineering, SPIN-cod: 2797-1790, AuthorlD: 423385, Russia, Vladivostok
Olga V. Povalikhina
Far Eastern State Technical Fisheries University, associate professor of the department of refrigeration, air conditioning and heat engineering, SPIN-cod: 9956-1129, AuthorlD: 875839, Russia, Vladivostok, e-mail:роvаliсhinа@mаil.ru
Definition of radiation parameters of flame in marine diesel combustion chamder
Abstract. Temperature of flame and degree blackness determine its own radiation. However, estimation of these parameters in marine diesels designing present difficult and insolated problem. This determination is difficulty mathematical modeling of process combustion fuel in diesel engines and high size of experimental investigations in this field. Purpose of this paper is development of calculation-experimental method in parameters determination of flame radiation in the marine diesel 6 ChN 24/36 combustion chamber. Estimation of flame temperature in combustion chamber by function crank angle degree may be determined according to gases temperature find with experimental or calculation indicator diagram and special parameter. The parameter is determined on formula that received on integration of temperature flame experimental data with determination. Results by flame temperature for marine diesel 6 ChN 24/36 received with calculation-experimental method are given. Power increasing temperature flame increasing is settled. Temperature flame about twice degrees in comparison gases temperature if variation of diesel power 50 to 100 % from nominal power. Application of results for estimation own fluxes of radiation flame in marine diesel 6 ChN 24/36 combustion chamber and comparison there with known experimental data convergence 10-15 %.
Keywords: temperature of gases, temperature of flame, combustion chamber, radiation heat transfer, marine diesel.
Введение
Собственный поток излучения пламени в камере сгорания (КС) судового дизеля может быть определен по зависимости
(1)
где оо - постоянная Больцмана; ev - интегральная степень черноты пламени; Tv - температура пламени.
Основными параметрами, подлежащими определению в (1), являются интегральная степень черноты и температура пламени как объемного излучателя. Для оценки величины интегральной степени черноты пламени используются подходы, представленные ранее в [1]. Определение температуры пламени на стадии проектирования судового дизеля возможно, например, с помощью программного комплекса FIRE [2]. Однако, как отмечают сами авторы работы [3], начальные условия для расчетов на ЭВМ приходится задавать на основании экспериментальных данных, если таковые отсутствуют, то на основании нульмерного расчета. При этом давление и температуру рабочего тела в начальный момент времени принимают также по результатам нульмерного расчета рабочего процесса дизеля. Достоверность полученных расчетным путем локальных температур рабочего тела надо подтвердить путем сравнения их с экспериментальными данными по температуре пламени. Как правило, на стадии проектирования судового дизеля таковые отсутствуют.
В связи с отмеченным для первого этапа проектирования авторами статьи предлагается подход, базирующийся на обобщении экспериментальных данных по температуре пламени. Последние получены при испытании ряда дизельных двигателей, в том числе и судовых типа ЧН 24/36.
ijco6V %
Оценка параметра, учитывающего превышение температуры пламени над температурой газов в КС
В настоящей статье расчетное определение температуры объемного излучателя (пламени) Ту в КС судового дизеля 6 ЧН 24/36 основывается на следующих положениях. Еще Л.М. Белинкий [4] экспериментально установил, что температура пламени в КС дизельного двигателя существенно превышает температуру газа (рабочего тела), найденную из индикаторной диаграммы. Этот факт в современных исследованиях по теплообмену в дизельных двигателях является общепризнанным [5-9]. Превышение температуры пламени Ту над температурой газов Тг количественно можно оценить коэффициентом Ко по зависимости
к
к0 - тг-
(2)
Естественно, что поскольку температура газов Тг и температура пламени Ту являются функциями угла поворота коленчатого вала (ПКВ), то и коэффициент Ко также изменяется по углу ПКВ и зависит от режима работы дизельного двигателя. В работе [10] приведена развернутая формула для коэффициента Ко, полученная путем обобщения экспериментальных данных по ряду дизельных двигателей различной форсировки, в том числе и по отсеку 1Ч 24/36. Она имеет следующий вид:
(3)
где Ту и Тг - температура пламени и температура рабочего тела, найденная по индикаторной диаграмме; Б = 1.2 сг0-3 - коэффициент, учитывающий величину начального превышения температуры пламени над температурой рабочего тела; а - суммарный коэффициент избытка воздуха; = 2{Ртш/РтМ}0,5 ■ С^/^рий)0"3 ~~ коэффициент, зависящий от типа двигателя и режима работы; <рп = 5.В<р2„ая!(Ьа/ЬдМ]0-333 - функция, определяющая продолжительность процесса активного сгорания; <р2таж - угол ПКВ дизельного двигателя от начала «видимого» сгорания до момента достижения второго максимума скорости тепловыделения (е£х/^у)г,ша.г °ПКВ; <pi - текущий угол ПКВ, отсчитываемый от начала «видимого» сгорания, °ПКВ; Рт1,Ье,Ст - соответственно среднее индикаторное давление, цикловая подача топлива, средняя скорость поршня; Рт1,Ъе, - то же самое для режима максимального крутящего момента; СтН - средняя скорость поршня для режима номинальной мощности.
Следует отметить, что значение коэффициента В можно определить и расчетным путем в соответствии с рекомендациями, предложенными в [11]. Раскрывая значения параметров, входящих в (3), окончательное выражение для коэффициента Ко можно представить в виде
Ту (
К0 = — = В+ Аехр
2.4
— (П ~ <Рп)2 ■<Рп
( Р • \0'5 / С \оя К0 = 1.2а03 + 2 (-Щ ■ рг_)
с
г
"тН
■ ехр
2.4[р£ - 5.5<р2тах(.Ье/ЬеМ)0-333]
5.5(р2тах(Ье/Ье
ло.ззз 1)
(4)
Однако применительно к судовому дизелю 6 ЧН 24/36, на котором авторы настоящей статьи проводили экспериментальные исследования, имеются надежные опытные данные по температурам пламени и газов. Последние получены экспериментальным путем на отсеке 1Ч 24/36 при его испытаниях по нагрузочной характеристике. Обработка представленных в [12, 13] опытных данных по температуре пламени Ту и температуре газов Тг позволили получить зависимость коэффициента Ко в функции угла ПКВ при работе дизеля 6 ЧН 24/36 по нагрузочной характеристике. Указанная зависимость показана на рис. 1.
Рис. 1. Изменение коэффициента Ко для судового дизеля 6 ЧН 24/36: 1 - нагрузка 50 % от Ne™; 2 - 75 %; 3 - 100 % Fig. 1. Variation of coefficient Ko for marine diesel 6 ChN 24/36: 1 - power 50 % from Nenom; 2 - 75 %; 3 - 100 %
Определение температуры газов и пламени в камере сгорания
Значения температуры газов Тг, определенные в результате обработки экспериментальных индикаторных диаграмм для судового дизеля 6 ЧН 24/36, представлены на рис. 2.
Расчет температуры газов по экспериментальным индикаторным диаграммам производился по зависимости (4), предложенной в [14].
где Та, Ра - температура и давление надувочного воздуха; £ - степень сжатия; Рг - текущее давление газа в КС; ф - текущий угол ПКВ.
Параметр В, входящий в формулу (3), определяется следующим образом:
/360\
в = (-1
V л ) (£-1)(1 + Л)'
(6)
где X - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна (для судового дизеля 6 ЧН 24/36 X = 0,273).
Располагая экспериментальными данными по температуре газов для судового дизеля 6 ЧН 24/36 (см. рис. 2) и используя ранее найденные значения коэффициента Ко, представленные на рис. 1, значение температуры пламени в функции угла ПКВ для соответствующего режима работы определяли по зависимости
Tv — К0Тт
Полученные таким способом температуры пламени показаны на рис. 3.
Рис. 2. Изменение температуры газов в КС судового дизеля 6 ЧН 24/36: 1 - нагрузка 50 % от Ne^; 2 - 75 %; 3 - 100 % Fig. 2. Variation gases of temperature in marine diesel combustion chamber 6 ChN 24/36: 1 - power 50 % from Nenom; 2 - 75 %; 3 - 100 %
TV, К 2400
2300 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500
-10 BMT 10 20 30 40 50 60 70 80 90 <p°, ПКВ
Рис. 3. Изменение температуры пламени в КС судового дизеля 6 ЧН 24/36: 1 - нагрузка 50 % от Ne^; 2 - 75 %; 3 - 100 % Fig. 3. Variation flame of temperature in marine diesel combustion chamber 6 ChN 24/36: 1 - power 50 % from Nenom; 2 - 75 %; 3 - 100 %
Ранее в [1] авторами настоящей статьи предложена методика и приведены расчетные результаты по интегральной степени черноты пламени для судового дизеля 6 ЧН 24/36.
Таким образом, все параметры, определяющие собственное излучение пламени: интегральная степень черноты и температура - определены. Приведенные выше значения указанных параметров были затем использованы для определения собственного потока излучения пламени, падающего потока и результирующих потоков излучения, воспринимаемых поверхностями крышки цилиндра, поршня и втулки цилиндра. Расчет этих потоков излучения выполнялся по зависимостям, представленной в [15] зональной математической модели.
Заключение
Предложенный в статье расчетно-экспериментальный подход к определению коэффициента, показывающего превышение температуры пламени над температурой газов и самой температуры пламени, позволил еще на стадии проектирования оценить собственный поток излучения пламени, падающие и результирующие потоки излучения на поверхностях деталей, образующих КС судового дизеля. Сравнение их с известными экспериментальными данными показало сходимость в пределах 10-15 %, что удовлетворяет требованиям современной практики проектирования и доводки судовых дизелей.
Список литературы
1. Руднев Б.И., Повалихина О.В. Оценка спектральной оптической толщины пламени в камере сгорания судового дизеля // Морские интеллектуальные технологии. 2020. Т.2, № 1(47). С. 91-94.
2. FIRE. User's Manual Version 2009. AVL List GmbH Graz, Austria, 2009, (License Agreement for Use of the Simulation Software AVL FIRE between Moscow State Technical Univ. n.a. N.E. Bauman and AVL List GmbH, 2010).
3. Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О., Зеленцов А.А. Трехмерное моделирование нестационарных теплофизических процессов в поршневых двигателях. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. 88 с.
4. Белинкий Л.М. Теплоизлучение в камере сгорания быстроходного дизеля с воспламенением от сжатия // Тр. НИЛД. Л.; М.: Машгиз, 1955. С. 83-113.
5. Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 472 с.
6. Руднев Б.И. Процессы локального теплообмена в камере сгорания дизелей. Владивосток: Дальнаука, 2000. 221 с.
7. Cheung C.S., Leung C.W., Leung T.P. Modeling global heat flux in a direct injection diesel engine // Heat Transfer. Proc. 10th Int. Heat Transfer Conf. Brighton. 1994. Vol. 2. P1-RC-2. P. 7-12.
8. Mohammad Sarny I., Borman G.L. Measurement of soot and flame temperature along three directions in the cylinder of a DI diesel // SAE Techn. Pap. Ser. 1991. № 910728. P. 1-15.
9. Kostin A.K., Rudnev B.I. Radiative heat transfer in a diesel cylinder an experiment and method of calculation // Proc. 19th Int. Symposium "Heat and mass transfer in gasoline and diesel engine". Dubrovnik, 1987. P. 439-448.
10. Дьяченко Н.Х., Батурин С.А., Ложкин В.Н. Исследование температуры и излучатель-ной способности турбулентного сажистого пламени в циклических процессах сгорания // Тр. ЛПИ. 1977. № 358. С. 96-100.
11. Лоскутов А.С., Новоселов А.Л., Вагнер В.А. Снижение выбросов окислов азота дизелями в атмосферу // Алтайское краевое правление Союза НИО СССР. Барнаул, 1990, 120 с.
12. Костин А.К., Ларионов В.В., Михайлов Л.И. Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания: справ. пособие. Л.: Машиностроение, 1979. 222 с.
13. Дьяченко Н.Х., Батурин С.А., Ложкин В.Н. Экспериментальное исследование температуры сажистого пламени четырехтактных дизелей // Исследование рабочего процесса и систем быстроходных дизелей: межвуз. сб. Барнаул, 1976. Вып. 3(58). С. 17-24.
14. Теория двигателей внутреннего сгорания. Руководство к лабораторным работам / под ред. Б.А. Харитонова. Л.: ЛПИ, 1975. 168 с.
15. Израильский Ю.Г., Повалихина О.В., Руднев Б.И. Математическая модель локального радиационного теплообмена в камере сгорания судового дизеля // Морские интеллектуальные технологии. 2016. Т. 1, № 3(33). С. 146-151.
Руднев Б.И., Повалихина О.В., 2020
Для цитирования: Руднев Б.И., Повалихина О.В. Определение параметров излучения
пламени в камере сгорания судового дизеля // Научные труды Дальрыбвтуза. 2020. Т. 54,
№ 4. С. 65-71.
Статья поступила в редакцию 26.10.2020, принята к публикации 3.11.2020.
