CC BY
13
УДК 621.43 + 621.51 В.Л. Юша, Г.И. Чернов
Омский государственный технический университет, г. Омск
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ СНИЖЕНИЯ РАСХОДА ТОПЛИВА В КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВКАХ С ПРИВОДОМ ОТ ДВС
Общеизвестен факт, что свыше 60% тепловой энергии, подводимой к ДВС в результате сгорания топлива, выбрасывается в окружающую среду [1, 2]. Другой факт состоит в том, что вся механическая энергия, подводимая к компрессору, преобразуется в тепловую, которая также выбрасывается в атмосферу [3]. Утилизация этого отбросного тепла позволила бы повысить кпд теплосиловой установки (что уже используется на крупных тепловых электростанциях), или понизить расход топлива в мобильных компрессорных установках [4].
Объектом проведенного исследования является компрессорная установка с приводом от ДВС.
Цель исследования - оценка перспективы снижения расхода топлива на привод компрессора за счет утилизации тепла, отводимого от мобильной компрессорной станции, в дополнительном контуре, реализующем теплосиловой цикл Ренкина.
Анализ этой перспективы основан на следующих положениях.
1. Тепловой поток, выделяемый в компрессоре в результате сжатия газа Qк, независимо от процесса сжатия (изотермический, адиабатный или политропный), равен мощности, затрачиваемой на сжатие газа в компрессоре N
Рк = N . (1)
2. Мощность Кд0, отводимая от двигателя внутреннего сгорания (ДВС), используемого в качестве привода компрессора, при отсутствии утилизации тепла равна мощности компрессора N (кпд механической передачи между ДВС и компрессором равен 1).
N. = N,0 . (2)
106
3. При утилизации тепла, отводимого от компрессора и ДВС, посредством дополнительного контура, реализующего паровой цикл Ренкина, мощность, потребляемая компрессором Дк, равна сумме мощностей, отводимых от ДВС Дд1 и установки, реализующей цикл Ренкина N
N = Кд + N . (3)
При этом будем считать, что мощность компрессора не изменилась. Поэтому Кд1<Кд0.
4. Тепловой поток, отводимый от ДВС, и тепловой поток, отводимый от компрессора, полностью преобразуются в тепловой поток, подводимый к циклу Ренкина. Теплообменник, реализующий это преобразование, обладает кпд равным 1.
Qp = Qк
+ О*
(1- п
). (4)
В дополнение к этим положениям учтем следующие равенства
д
рд1 = М1 • Я • п д ,
ч С о 1 1 о ч СУ (6)
^р пр ■ Qp . (7)
Кд1 _ Лд- Од1 . (8)
2 к II N д о II Л д О д о (9)
где:
Пд - кпД ДВС;
ПР - кпд цикла Ренкина;
ОдгО-П) - тепловой поток, отводимый от ДВС;
ОР - тепловой поток, подводимый к цикле Ренкина; пд -число циклов ДВС в единицу времени;
М0 - масса топлива, подводимая к одному циклу; д -удельная теплота сгорания топлива.
Мі - масса топлива, подводимая к одному циклу ДВС в случае с утилизацией тепла. Учитывая неизменность мощности компрессора в случаях с утилизацией тепла и без
нее, а так же (6), имеем, что
Мі < М0 . (10)
На основе выражений (1) - (9) можно получить отношение М1/М0
Мі _
М _
1 - Пр
(11)
п
-11
V д
0
1
Р
которое показывает, какую долю составляют затраты топлива на привод компрессора с утилизацией тепла от затрат топлива без утилизации.
107
Приняв М0=1, можно построить зависимости М1 от пР при различных значениях пд (см. рис. 3), а также зависимости М1 от пд при различных значениях пР (см. рис. 4).
Анализ выражения (10) показывает, что экономия топлива тем больше, чем меньше кпд цикла ДВС и чем больше КПД цикла Ренкина.
Проводя подобный термодинамический анализ для частных случаев утилизации тепла, можно получить, что:
в случае утилизации тепла, отводимого только от ДВС, доля расходуемого в этом слу-
чае топлива определяется выражением
Гм, ¡1
V М у
,
Г ^ , (12)
0 Д 1 + п
п
. I 1 - 11
в случае утилизации тепла, отводимого только от компрессора, доля расходуемого в этом случае топлива определяется выражением
Iм, ,
= 1 - п
Г ^
I I р
V Мо Ук
Сравнивая (15), (16) и (17), можно заметить, что
м, Г м, ^
Г м, ^
(14)
(13)
М0 V М0 Л
V Мо Уд
т.е. доля расхода топлива при полной утилизации тепла равна произведению долей при частичной утилизации.
В частности, при пд=0,35 и пР=0,33 выражение (13) дает значение 0,67, выражение (12)
- 0,62, а выражение (14) - 0,42. Это показывает, что в экономию топлива утилизация тепла
р
д
компрессора и утилизация тепла ДВС вносят, примерно, равный вклад; при этом снижение расхода топлива на привод компрессора может составить около 50%.
Библиографический список
1. Кавтарадзе, Р. З. Теория поршневых двигателей / Р. З. Кавтарадзе. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. - 720 с.
2. Двигатели внутреннего сгорания : Теория поршневых и комбинированных двигателей / Д. Н. Вырубов [и др.] ; под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. - М. : Машиностроение, 1983. - 375 с.
3. Теплотехника / А. М. Архаров [и др.]. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. -
712 с.
4. Юша, В. Л. Анализ эффективности идеального термодинамического цикла комбинированного двигателя внутреннего сгорания с парогазовым рабочим телом / В. Л. Юша, Г. И. Чернов // Омский научный вестник. - 2009. - № 3(83). - С. 154 - 158.
