Підвищення економічності суднових енергетичних установок шляхом використання твердих палив у двигунах внутрішнього згоряння

Размещено на http://www.allbest.ru/

Український державний морський технічний

університет імені адмірала Макарова

УДК 621. 436. 12. 001. 2

АВТОРЕФЕРАТ

Дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Підвищення економічності суднових енергетичних установок шляхом використання твердих палив у двигунах внутрішнього згоряння

спеціальність 05. 08. 05. - Суднові енергетичні установки

БІЛОУСОВ Євген Вікторович

Миколаїв 2002

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

тверде паливо

Актуальність теми. Дисертаційна робота присвячена зниженню собівартості морських перевезень за рахунок використання в суднових енергетичних установках (СЕУ) з двигунами внутрішнього згоряння (ДВЗ) твердих видів палива. На сьогодні понад 90% морських суден обладнані дизельними енергетичними установками, тому проблема використання для цих двигунів більш дешевих твердих палив і продуктів їх переробки має велике значення. Нестабільність цін на нафту і нафтопродукти, а також вичерпання запасів цього енергоносія обумовлюють актуальність досліджень щодо використання нетрадиційних для суднових ДВЗ палив, зокрема, вугілля. Результати дослідження дозволяють вирішувати питання зниження паливної складової вартості вантажних перевезень при експлуатації суден.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертація виконана в рамках науково-дослідної програми Міністерства освіти і науки України: «Розробка загальної концепції вдосконалення процесів в енергетичному обладнанні на основі альтернативних робочих тіл і енергоносіїв» в період 1998-2001 рр., реєстраційний номер 01198U004220.

Мета і задачі дослідження. Метою даного дослідження є підвищення економічності суднових енергетичних установок шляхом використання у ДВС твердих палив, зокрема вугілля. Визначення найбільш ефективних шляхів використання твердих палив, визначення раціональних схемних та конструктивних рішень енергетичного устаткування, що дозволяє реалізувати ефективний робочий процес шляхом вдосконалення шарового способу спалення твердих палив в суднових ДВЗ за рахунок застосування раціональних конструкцій зовнішніх камер згоряння (реакторів).

задачі дослідження:

визначення раціональних параметрів процесу в судновому ДВЗ, що використовує тверді палива;

розробка математичної моделі процесів в судновому ДВЗ, що використовує вугілля як паливо;

експериментальна перевірка адекватності математичної моделі і працездатності запропонованих технічних рішень, пов'язаних з використанням твердого палива в судновому ДВЗ;

розробити рекомендації для впровадження суднових ДВЗ, працюючих на твердому паливі, в практику проектування.

як об'єкт дослідження в роботі розглянуто процес підвищення економічності суднових енергетичних установок шляхом використання твердих палив у ДВЗ.

як предмет дослідження в роботі розглянуті процеси в судновому двигуні внутрішнього згоряння, працюючого в комплексі з реактором, який забезпечує ефективне спалювання твердого палива в шарі з примусовою продувкою.

Методи дослідження. У роботі використовувалися методики на основі системного підходу, що дозволило проаналізувати найбільш відомі методи вирішення задач щодо використання твердих палив у судновому ДВЗ. Це дозволило виділити шаровий метод спалення у виносному реакторі як найбільш перспективний.

Процеси в двигуні внутрішнього згоряння і вигоряння твердого палива у виносному реакторі досліджені методом математичного моделювання.

Стиснення повітряного заряду, з урахуванням підведення теплоти у вільному просторі шару, також досліджувалися за допомогою математичного моделювання з використанням персонального комп'ютера (ПК).

При перевірці адекватності математичних моделей і їх достовірності, а також працездатності запропонованих технічних рішень використовувалися випробувані методи експериментальних досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів. Основне наукове положення, сформульоване на основі проведеного дослідження, полягає в тому, що використання твердого палива для суднового ДВЗ зі спалюванням у зовнішньому реакторі шаровим методом є принципово можливим. Термодинамічна ефективність такого ДВЗ може перебувати на рівні аналогічних зразків, що працюють на рідкому паливі. Наукове положення підтверджується отриманими науковими результатами:

встановлено, що теплова інерційність шару твердого палива достатня для підтримки палива в активному стані під час відсутності продування, що не є очевидним фактом та було невідомим до цього часу;

вперше встановлено, що при використанні шарового методу спалювання швидкість протікання реакцій в шарі палива достатня для ефективного підводу теплоти до робочого тіла в робочому просторі двигуна;

вперше визначено, що режим продування шару твердого палива в реакторі суднового ДВЗ суттєво впливає на процес підводу теплоти до робочого тіла;

визначений вплив співвідношення фаз між робочим поршнем та поршнем-витискувачем на процес підводу теплоти;

вперше встановлений вплив щільності шару палива на підвід теплоти при стисненні повітряного заряду.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що визначені принципова можливість і раціональний шлях використання твердого палива в суднових ДВЗ. Розроблені практичні рекомендації, що дозволяють здійснити переведення існуючих суднових ДВЗ на тверде паливо. Результати роботи дозволяють визначити раціональний підхід до створення твердопаливних поршневих двигунів, які за термодинамічною ефективністю порівнянні з існуючими судновими ДВЗ. Використання в таких ДВЗ дешевих сортів твердого палива дозволить більш ніж вдвічі знизити вартість тонно-милі морських вантажних перевезень.

Запропонована в роботі математична модель дозволяє виконувати практичні розрахунки процесів в ДВЗ, визначати початкові дані для проектування обладнання.

Запропоновані конструктивні рішення додаткового обладнання для суднових малообертових та середньообертових дизелів дозволяють забезпечити можливість ефективної роботи як на важкому рідкому, так і на твердому паливі.

Новизна розробленого способу шарового спалювання твердих палив у ДВЗ підтверджена патентом України №32644 від 15. 02. 2001 р.

Результати дисертаційної роботи передані та використовуються у наступних організаціях: філіал «Дизельний завод» ДП «Завод ім. В. О. Малишева» (м. Харків), Науково-технічний центр вугільних енерготехнологій Національної Академії наук України і Мінпаливенерго (м. Київ). А також використовуються у навчальному процесі Українського державного морського технічного університету (м. Миколаїв) і сумісному факультеті Херсонського державного технічного університету та Харківського Національного автомобільно-дорожнього університету (м. Херсон).

Використання результатів роботи у визначених організаціях підтверджується відповідними документами.

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі задач, пов'язаних з ефективним використанням твердих палив у суднових ДВЗ. Здобувач є автором способу спалювання твердого палива в ДВЗ шляхом циклічного примусового продування шару, що підтверджено патентом України. Особисто автором розроблена математична модель процесу стиснення повітряного заряду в твердопаливному поршневому двигуні з урахуванням теплоти, що підводиться до робочого тіла у вільному просторі шару палива. Ним розроблена і за його участю виготовлена експериментальна установка, на якій проведені дослідження, пов'язані з підтвердженням адекватності математичних моделей і визначенням характеристик горіння твердого палива в імпульсному режимі. За участю співробітників Науково-технічного центру вугільних енерготехнологій НАН України і Мінпаливенерго д. т. н. Майстренка А. Ю., к. т. н. Пацкова В. П., к. х. н. Пацкової Т. В. розроблена математична модель вигоряння палива при його спалюванні шаровим способом у реакторі суднового ДВЗ.

Апробація результатів дисертації. Основні положення даної дисертації докладалися і обговорювалися на Науково-практичному семінарі кафедри суднових двигунів внутрішнього згоряння Українського державного морського технічного університету, листопад 2000 р. ; міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми створення нових машин і технологій», м. Кременчук, 22-25 травня 2000 р. ; міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми і шляхи вдосконалення вугільної енергетики», м. Київ, 12-14 грудня 2000 р. ; технічній нараді провідних фахівців ВГК НВО ВАТ «Мотор-січ», м. Запоріжжя, 12 квітня 2001 р. ; засіданні провідних фахівців відділу процесів газифікації і горіння вугілля Науково-технічного центру вугільних енерготехнологій НАН і Мінпаливенерго, м. Київ, 9 лютого 2001 р. ; технічній нараді провідних фахівців ЦКБ з середньообертових дизелів і філіалу «Дизельний завод» ДП «Завод ім. Малишева», м. Харків, 30 травня 2001 р. ; технічній нараді провідних фахівців ЦКБ «Изумруд», м. Херсон, 10 жовтня 2001 р..

Публікації. По темі дисертації опубліковано 8 друкарських робіт (7 робіт у збірниках наукових праць і 1 патент), у тому числі 3 друкарські роботи опубліковані у співавторстві. Опубліковані роботи в досить повній мірі відображають зміст дисертації та її основні результати.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу і п'яти розділів, які викладені на 142 сторінках, переліку літературних джерел зі 112 найменувань, дев'яти додатків. Робота проілюстрована 38 малюнками і 5 таблицями.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність, сформульовано мету та задачі дослідження, відбито наукову новизну та практичну цінність роботи, подано перелік основних результатів, що виносяться на захист.

У першому розділі на основі огляду літератури аналізується стан проблеми підвищення економічності СЕУ з ДВЗ, робляться висновки про доцільність вивчення можливості використання у суднових поршневих двигунах твердих видів палива, оскільки вони є найбільш поширеними як на земній кулі загалом, так і на території України зокрема. Ціни на ці види палива у декілька разів менші, ніж на нафтові.

На основі проведеного аналізу виділено основні шляхи вирішення проблеми переведення СДВЗ на тверде паливо:

- переробка твердих палив на рідкі синтетичні;

- газифікація твердого палива з подальшим використанням генераторного газу в газовому або газодизельному двигуні;

- безпосереднє спалювання твердого палива в двигуні.

Переробка твердого палива на рідке є в більшій мірі проблемою хімічної технології. До енергетичної установки паливо подається як готовий продукт. У самій енергоустановці перетворення палива не відбувається, що є безперечною перевагою даного способу. Однак у процесі переробки за існуючими технологіями втрачається до 60% теплоти, що міститься в початковому паливі. Сучасні методи отримання синтетичних палив мають низьку селективність, а вихід паливних фракцій для більшості з них не перевищує 35... 40%. Переробка твердих палив на рідкі потребує створення цілої галузі промисловості. Синтетичні палива мають низьку хімічну стабільність, що обмежує час їх використання і не дозволяє створювати значних запасів на борту судна.

Отримання генераторного газу шляхом газифікації твердого палива з подальшим спалюванням його в двигуні представляє певний інтерес. Однак використання цього методу має досить жорсткі обмеження, особливо при використанні газогенератора в складі СЕУ. Хоча, безсумнівно, витрати на створення газогенераторів значно менші, ніж на створення технологічного обладнання для отримання рідкого синтетичного палива.

Пряме спалювання твердих палив дозволяє якомога повніше використати ті переваги, які вигідно відрізняють ДВЗ від інших теплових двигунів. Однак такий спосіб використання твердих палив у ДВЗ пов'язаний з великими технічними труднощами. Донедавна, в основному, всі зусилля дослідників були спрямовані на спалювання твердих палив у циліндрах двигуна у вигляді пилу. Проте помітних результатів у вдосконаленні таких методів на сьогоднішній день не досягнуто. Насамперед це пояснюється циклічністю і швидкоплинністю процесів у двигуні, що не дозволяє отримати стійкого запалення, горіння та повного вигоряння вугільних часток. Не вирішена на сьогоднішній день і проблема абразивного зносу елементів циліндро-поршневої групи, паливопостачальної апаратури, лопаток турбокомпресора. Приготування вугільного пилу вимагає значних витрат енергії на розмел. Зберігання на борту судна вугільного пилу приведе до підвищення вибухо- і пожежонебезпечності процесу отримання енергії. При використанні колоїдних розчинів на їх приготування і підтримку у завислому стані витрачається енергія. Це підвищує вартість їх використання, особливо при тривалому зберіганні.

Проаналізувавши можливі шляхи вирішення проблеми, можна зробити висновок: від більшості недоліків, властивих найбільш відомим методам використання вугільного пилу, можна позбутися при шаровому спалюванні. Спосіб шарової циклічної газифікації, описаний у роботі як прототип, має істотні недоліки, однак вони цілком переборні. Це дозволяє зробити висновок про те, що шаровий метод спалювання твердих палив в ДВЗ має реальні перспективи для подальших досліджень, які можуть привести до створення твердопаливного поршневого двигуна (ТППД).

Шаровий метод спалювання твердого палива у ДВЗ порівняно з іншими має ряд переваг:

Порівняно з газифікацією:

При шаровому спалюванні процеси виділення теплоти і тепломасопереносу відбуваються всередині робочого простору двигуна, що дозволяє значно скоротити непродуктивні втрати теплоти.

Спалювання твердого палива шаровим способом дозволяє отримати в циліндрі відразу чисті продукти згоряння, що приводить до скорочення непродуктивних втрат тепла.

Взаємодія кисню повітря з паливом безпосередньо в робочому просторі двигуна дозволить забезпечити наповнення циліндра на рівні аналогічних показників для рідкопаливних ДВЗ.

При шаровому спалюванні, за рахунок скорочення висоти шару в межах окислювальної зони і за рахунок скорочення комунікацій, можливе значне зменшення габаритів СЕУ.

Порівняно з процесом отримання синтетичного рідкого палива:

Спалювання палива всередині робочого простору двигуна дозволяє уникнути більшості втрат, пов'язаних з багатостадійністю процесу синтезу.

Тверде паливо з характеристиками, що дозволяють спалювати його в ТППД шаровим методом, можна отримати на сучасних вуглезбагачувальних фабриках і коксохімічних заводах.

Фракції твердого палива для шарового спалювання в ТППД можуть бути отримані як проміжний етап пилоприготування для пиловугільних котлоагрегатів електростанцій.

Кускове тверде паливо може зберігатися на борту судна без погіршення своїх властивостей практично необмежений час.

Порівняно зі спалюванням пилу безпосередньо в циліндрі двигуна:

При шаровому спалюванні горіння відбувається поза циліндром, це значно зменшує кількість абразивного матеріалу, що виноситься. при необхідності продукти згоряння можуть зазнавати гарячого очищення.

Отримати необхідні фракції для спалювання в шарі можливо, піддавши паливо процесу дроблення, який є більш дешевим, ніж розмел.

При шаровому спалюванні паливо знаходиться в активованому стані, тому процеси горіння починаються відразу з початком продування без додаткових витрат рідкого палива на активацію процесу горіння.

При шаровому спалюванні одна і та ж частинка палива бере участь в горінні протягом декількох продувань, поки не вигорить весь вуглець, що міститься в ній.

Для зберігання дробленого палива не потрібні будь-які спеціальні умови.

Порівняно з використанням колоїдних сумішей шаровому спаленню властиві ті ж переваги, що і спалюванню вугільного пилу, а також те, що до механізмів, які є у складі ТППД, висуваються не такі високі вимоги щодо ущільнення зазорів, як до механізмів паливопостачання дизелів.

У другому розділі розглянуті теоретичні положення щодо вивчення можливості застосування шарового спалювання твердих палив у ДВЗ, поданий аналіз структури шару палива і її вплив на ефективність процесу шарового горіння в спалювальному пристрої ТППД. розглянуті дії факторів, що впливають на процес підведення теплоти у шарі, та шляхи підвищення ефективності спалювання твердих палив у спалювальному пристрої ТППД шаровим методом. аналізується вплив на процеси горіння у виносному реакторі таких факторів, як підвищена температура повітря на вході до шару палива, підвищений тиск у робочому просторі двигуна, аеродинамічний опір шару палива та інші. Визначаються найбільш впливові фактори, дію яких треба враховувати при створенні математичних моделей процесів, подається аналіз структури шару палива і її вплив на ефективність процесу шарового горіння в спалювальному пристрої ТППД.

У третьому розділі викладені основні методи та методики досліджень. Основні положення дисертації досліджені методами фізичного та математичного моделювання. Дослідження процесів, що відбуваються у шарі палива, здійснювалось з використанням об'єктивних критеріїв порівняльної ефективності впливу діючих у робочому просторі двигуна чинників. застосовані математичні моделі побудовані з використанням системного підходу на основі перевірених методик, з використанням класичних термодинамічних та термохімічних рівнянь. Експериментальне дослідження проводилось із застосуванням найбільш перевіреного й інформативного методу, індицирування фізичної моделі двигуна, що працює за запропонованою схемою.

четвертий розділ присвячено дослідженню шарового процесу спалювання твердих палив у двигунах внутрішнього згоряння

Як предмет дослідження в роботі розглянуто спосіб спалювання твердих палив у ДВЗ шляхом циклічного примусового продування заздалегідь стисненим у робочому циліндрі повітрям розігрітого шару палива. При цьому паливо розміщене у виносному реакторі, який постійно сполучається з робочим циліндром двигуна.

Даний спосіб відрізняється від відомих тим, що продування шару розігрітого палива здійснюється примусово, за допомогою витіснення повітря, шляхом перерозподілу об'ємів між первинною і вторинною камерою спалювального пристрою реактора, згідно з заздалегідь заданим законом.

Для реалізації способу розроблена схема двигуна, у якого виносний реактор дообладнаний витискувальним пристроєм (рис. 1). Шарове спалювання твердого палива в даному пристрої здійснюється таким чином: повітря заповнює робочий циліндр 1 за допомогою органів газорозподілу двигуна.

На такті стиснення, під дією поршня в робочому циліндрі 1, повітря витісняється в первинну камеру реактора 4 по спеціальному каналу 2, забезпеченому запірним пристроєм 3, який в процесі стиснення залишається відкритим. До закінчення стиснення в первинній камері 4 збирається основна частина повітря. Реактор являє собою контейнер, частина якого заповнена твердим паливом. Паливо за допомогою спеціального пристрою (на рисунку не показано) заздалегідь розігріте до температури активації реакцій між горючими компонентами і киснем повітря. Ця частина являє собою другу камеру реактора 5. Крім місткості для палива друга камера 5 оснащена пристроєм для подачі палива в контейнер 6 і пристроєм для видалення золи 7. Конструкція цих пристроїв повинна забезпечувати герметичність реактора на такті стиснення і робочого ходу. Друга камера 4 сполучається з робочим циліндром 1 за допомогою спеціального каналу 8, забезпеченого запірним пристроєм 9, з приводом від ДВЗ (на малюнку не показано). Друга камера реактора відділена від першої за допомогою витискувального пристрою (витискувач) 10, який може бути виконаний у вигляді поршня.

Витискувальний пристрій 10 приводиться від двигуна через шток 11. Вільна від витискувального пристрою і твердого палива частина простору реактора утворить первинну камеру 4, де і збереться повітря в процесі стиснення. При стисненні в реакцію з паливом вступає лише незначна частина повітря, рівна об'єму вільного простору між частками палива. У процесі стиснення повітря робочим поршнем 1, витискувач 10 в реакторі залишається нерухомим. Коли поршень в робочому циліндрі 1 на такті стиснення досягає ВМТ, запірний пристрій 3 каналу первинної камери 4 закривається, а запірний пристрій 9 другої камери 5, відкривається. У той же час починає переміщатися витискувач 10, зменшуючи об'єм первинної камери реактора 4 і збільшуючи об'єм другої камери 5. Обидві камери реактора сполучаються між собою за допомогою спеціального з'єднувального каналу 12 таким чином, що повітря, витіснене з первинної камери 4, проходить через шар розігрітого палива і заповнює простір, що звільняється витискувачем 10. При проходженні через шар палива кисень повітря вступає в реакції з горючими компонентами. При цьому кінцевим продуктом реакцій може бути як генераторний газ, так і чисті продукти згоряння. Останнє залежить від конкретних умов організації руху повітря через шар палива, від товщини шару палива і від розподілу в ньому температур.

Теплота, що виділилася в ході реакцій, частково витрачається на підтримку температурного стану шару палива, а частково на збільшення внутрішньої енергії продуктів згоряння. Це приводить до зростання тиску в реакторі і в робочому циліндрі 1. Далі продукти згоряння по каналу 8, що з'єднує другу камеру реактора 5 з робочим циліндром двигуна 1, через відкритий запірний пристрій 9 попадають в робочий циліндр 1, де при ході поршня від ВМТ до НМТ здійснюють корисну роботу. Потім продукти згоряння через органи газорозподілу двигуна віддаляються, після чого цикл повторюється. У залежності від організації газообміну з навколишнім середовищем даний спосіб спалювання твердого палива може бути використаний як у дво-, так і у чотиритактних двигунах.

Кількість підведеної теплоти в процесі згоряння, а також характер її підведення прямо залежать від кількості повітря, що пройшло через шар палива. Тому в даному способі спалювання твердого палива характер підведення теплоти і її кількість залежать від закону, за яким переміщується витискувач.

Далі у четвертому розділі йдеться про експериментальне дослідження процесу стиснення і процесу підведення теплоти в термодинамічному циклі ТППД. Для проведення експериментів по вивченню ефективності процесів, що відбуваються при спалюванні твердого палива в ТППД, було сконструйовано і побудовано експериментальну установку. За основу був взятий двигун 1Ч 5, 1/4. У її конструкції витискувальний поршень додатково виконує функції золотника. Таке рішення дозволило не тільки спростити конструкцію, але і скоротити довжину з'єднувальних каналів. Остання обставина особливо важлива для скорочення втрат тепла з боку каналу, по якому гарячі продукти згоряння повертаються в робочий циліндр, оскільки невеликі розміри установки не дозволяють зробити необхідну теплоізоляцію з'єднувального каналу. У ході експериментального дослідження були отримані рц осцилограми процесу стиснення з підведенням теплоти. На рис. 2 представлені результати розшифровки осцилограм, а також результати аналітичного дослідження процесу стиснення.

Аналітично отримана залежність представлена на графіку з кроком в 1о, експериментальна з кроком 11о. Відмінність між даними експериментів і розрахунковими даними коливається від 1% до 18%, що дозволяє використати запропоновану методику розрахунку параметрів робочого тіла в процесі стиснення при попередніх розрахунках ТППД.

Попереднє горіння в спалювальному пристрої - чинник шкідливий, воно приводить до непродуктивної витрати палива і збільшення негативної роботи в процесі стиснення. Шляхи скорочення втрат палива в процесі стиснення розглянуті в роботі.

У ході проведення експериментального дослідження процесу підводу теплоти були отримані Pц осцилограми, які підтверджують, що в процесі горіння палива в спалювальному пристрої реальні процеси протікають досить близько до ізобарного. На рис. 3 представлені результати розшифровки осцилограм, з яких видно, що в ході термодинамічного циклу в експериментальній установці отримана корисна робота.

Таким чином, результати експериментальних досліджень свідчать про те, що робочий процес ТППД має позитивний ефект. Це дає підстави зробити висновки про працездатність запропонованих схемних та конструктивних рішень.

Далі у четвертому розділі розглянуті математичні моделі процесів вигоряння палива в спалювальному пристрої ТППД і термодинамічних процесів, що відбуваються в робочому просторі двигуна.

У математичній моделі процесу вигоряння шару палива в спалювальному пристрої процес розглядається в одномірній нестаціонарній постановці.

Математична модель процесів перенесення маси, імпульсу і енергії в щільному зернистому шарі палива складена з урахуванням прийнятих допущень. Це зумовлене вельми складними фізико-хімічними закономірностями процесів шарового спалювання твердих палив в умовах нестаціонарного режиму продування шару палива. істотний вплив на їх протікання надає: кінетика гетерогенних хімічних реакцій всередині пор і на поверхні паливних часток; кінетика вторинних гомогенних хімічних перетворень; процес перенесення маси, імпульсу і енергії в газовій фазі, що фільтрується через шар палива; конвекційний тепло- і масообмін між поверхнею паливних часток, газовим потоком і стінками реактора спалювального пристрою, перепускними каналами, стінками циліндра двигуна; зовнішня і внутрішня не стаціонарність і не ізотермічність процесу, що розглядається.

Розроблена методика дає можливість: розрахувати всі необхідні характеристики процесу у вигляді профілів змінних в різні моменти продувки шару; провести перевірку висунених допущень і гіпотез; відробити режими випробувань і спланувати експерименти в судновому ТППД; здійснити чисельні дослідження процесів в широкому діапазоні режимних характеристик, фізико-хімічних і структурних характеристик палива.

Математична модель процесу стиснення реалізована за допомогою ПК і являє собою логічну систему, що складається з таблиць, яки містять розрахункові параметри процесу.

За допомогою вказаної моделі в роботі досліджується процес стиснення в ТППД. Відмінність процесу стиснення у ТППД полягає в наступному: при стисненні повітряного заряду концентрація повітря у всіх об'ємах двигуна зростає, внаслідок чого деяка його частина з робочого циліндра поступає у вільний простір між частками розігрітого палива, що знаходиться в спалювальной камері. При цьому кисень вступає в хімічну взаємодію з розігрітим паливом. Таким чином, в ході стиснення до робочого тіла підводиться деяка кількість теплоти.

Зміна кількості теплоти на дільниці переміщення поршня з V1 в V2 буде:

У ході приведеного аналізу показано, що температура робочого тіла змінюється під дією стиснення, з одного боку, і за допомогою підведення теплоти до нього з іншого. Таким чином:

, (1)

де Vа - повний об'єм циліндра; l - маса повітряного заряду, що потрапляє у шар палива; сn' - середня теплоємкість політропного процесу.

Знаючи температуру в точках V1 і V2 (1) з основного рівняння політропного процесу, приведений показник політропи для дискретної дільниці:

. (2)

Тоді величина тиску в точці V2:

,

де, Pa - тиск на початку процесу.

Знаючи приведений показник політропи (2) на дільниці V1, V2, можна визначити роботу, затрачену на стиснення:

.

Результати дослідження впливу щільності шару палива у реакторі на тиск у процесі стиснення в залежності від ступеня стиснення наведено на рис. 4.

Основна задача, що вирішується при організації термодинамічного циклу, це визначення співвідношення фаз переміщення витискувального поршня відносно робочого.

При розгляді термодинамічних процесів (крім ізохорного), кількість теплоти, підведеної до робочого тіла, визначається кількістю кисню, пропущеного через шар розігрітого палива. При цьому в ході переміщення робочого поршня концентрація кисню у всіх об'ємах двигуна змінюється. Отже, на кожному елементарному відрізку необхідно переміщувати витискувач відносно робочого поршня, враховуючи зміни концентрації кисню в одиниці об'єму заряду.

Якщо закон підведення теплоти до робочого тіла, а також параметри стану робочого тіла в точках Vроб1, Т1, Р1, задані, визначити кількість палива з нижчою теплотою згоряння Hu, яку необхідно спалити, щоб підвести на дискретному відрізку Vроб1, Vроб2 необхідну кількість теплоти

для ізохорного процесу:

; (3)

для ізобарного процесу:

; (4)

для ізотермічного процесу:

, (5)

де lзар - маса повітряного заряду, що бере участь в процесі горіння.

Знаючи масу палива, яку необхідно спалити для підведення теплоти в тому або іншому процесі, а також знаючи теоретично необхідну кількість повітря, необхідного для спалювання 1 кг твердого палива L0, можна визначити об'єм повітря, який треба пропустити через шар палива, і через цей об'єм знайти величину ходу витискувального поршня hвит на дискретній дільниці Vроб1, Vроб2.

, (6)

де Sвит - площа витискувального поршня.

Для визначення дискретного переміщення витискувального поршня у вираження (6) необхідно підставити значення mпал, з (3-5) відповідне вибраному процесу підведення теплоти.

На відміну від класичного ДВЗ, в ТППД не грає значної ролі температура, яку має заряд повітря у кінці стиснення, оскільки активація процесу горіння відбувається не за рахунок теплоти повітряного заряду, а за рахунок теплоти шару палива. Тому в ТППД можливо реалізувати окремі цикли, в яких політропне стиснення може бути замінено ізотермічним. Таким чином, застосувавши відведення теплоти від робочого тіла, в ході процесу стиснення, можна значно скоротити витрати механічної роботи за цикл. У роботі розглянуто декілька спеціальних циклів ТППД з ізотермічним стисненням повітряного заряду.

У п'ятому розділі розглядаються питання, пов'язані з особливостями структури СЕУ з ТТПД, і впровадження результатів досліджень в практику. Крім цього, розглянуто ряд питань, пов'язаних з підвищенням ефективності роботи ТТПД в складі СЕУ. Показано, що навіть при використанні спеціально підготовленого палива з високою теплотворною здатністю, вартість паливної складової знизиться в 2... 4, 7 рази. Приведена схема (рис. 5) автоматизації операцій по підготовці і транспортуванню палива всередині судна. Розглянута можливість реалізації в ТТПД спеціальних термодинамічних циклів, зокрема циклів з ізотермічним стисненням повітряного заряду. Показано, що ТТПД мають істотні резерви щодо вдосконалення робочого процесу.

ВИСНОВКИ

Результати роботи дають підставу зробити таки висновки:

На основі теоретичних і експериментальних досліджень показана принципова можливість роботи суднових ДВЗ на твердих паливах, зокрема, на вугіллі, що дозволяє в 2... 4, 7 рази знизити витрати на паливо і відповідно скоротити вартість морських перевезень.

Встановлено, що найбільш ефективним є використання в складі суднової енергетичної установки з ДВЗ зовнішнього реактора шарового спалення твердого палива, що дозволяє організувати оптимальний процес згоряння і приготувати робоче тіло для його подальшого розширення в поршневому двигуні.

Показано, що для подачі робочого тіла в циліндри поршневого двигуна доцільно використати метод продування шару розігрітого твердого палива заздалегідь стисненим в циліндрі повітрям, що забезпечує прийнятні параметри робочого тіла при достатній простоті конструкції реактора.

Розроблена принципово нова схема реалізації шарового способу спалення твердого палива в суднових ДВЗ, що дозволяє управляти процесом горіння палива і процесом підведення теплоти в термодинамічному циклі, дозволяє досягти ефективного ККД в межах 0, 40... 0, 48, сумірний з аналогічним показником сучасних ДВЗ, працюючих на рідких паливах.

Встановлено, що швидкість протікання гетерогенних реакцій в умовах топкового пристрою середньо- і малообертових твердопаливних поршневих двигунів достатня для того, щоб у часових проміжках, що відводяться в двигуні на продування шару, отримати ефективний підвід теплоти до робочого тіла у реакторі ТППД.

Розроблена математична модель термодинамічних процесів в робочому просторі твердопаливного поршневого двигуна дозволяє дослідити основні особливості термодинамічного циклу.

Показана можливість управління процесом горіння в двигуні, що дозволяє організувати процес підведення теплоти, близький до оптимального в умовах використання твердого палива.

Визначені шляхи подальшого вдосконалення термодінамічних процесів в твердопаливних поршневих двигунах з метою підвищення їх ефективності за рахунок заміни політропного стиснення на ізотермічне, а також застосування регенеративного циклу.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ РОБОТАХ

Белоусов Е. В. Использование твердых топлив в двигателях внутреннего сгорания // науч. труды КГПИ «Проблемы создания новых машин и технологий». - Кременчуг: КГПИ, - 2000. - № 1 (8). - С. 420-422.

Белоусов Е. В. Использование газогенераторов в составе судовой энергетической установки // зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2000. - № 2 (368). -С. 68-72.

Белоусов Е. В. Слоевой метод сжигания твердых топлив в двигателе внутреннего сгорания // зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2000. - № 3 (369). - С. 66-70.

Белоусов Е. В. Слоевой способ прямого сжигания твердых топлив в двигателях внутреннего сгорания // зб. науч. трудов НТУ Украины «КПИ» «Энергетика: экономика, технологии, экология». - К. : «Знання», 2000. - №4. - С. 62-65.

Белоусов Е. В. Белоусова Т. П. Особенности протекания политропного процесса сжатия в твердотопливных поршневых двигателях со слоевым сжиганием топлива. // зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2001. - № 3 (375). - С. 84-89.

Моделирование процесса выгорания твердого топлива в реакторе твердотопливного поршневого двигателя внутреннего сгорания со слоевым методом сжигания. / Белоусов Е. В., Майстренко Ю. А., Пацков В. П., Пацкова Т. В. // зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2001. - № 4 (376). - С. 93-104.

Белоусов Е. В., Тимошевский Б. Г., Белоусова Т. П. Усовершенствование слоевого метода сжигания твердых топлив в двигателях внутреннего сгорания. // зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2001. - № 6 (378). - С. 68-77.

Пат. 32644 Україна МКВ 7 F02B 45/02 Спосіб спалювання твердих палив в двигуні внутрішнього згоряння, Білоусов Є. В. (Україна) : Подано 17. 02. 2000. ; Видано 15. 02. 2001.

АНОТАЦІЇ

Особистий внесок здобувача у написання роботи [5] полягає в аналізі діючих під час стиснення факторів, визначенні параметрів математичної моделі для дослідження впливу щільності шару палива на процес стиснення у ТППД, обробці отриманих результатів. У роботі [6] здобувачем було сформульовано задачі щодо дослідження процесів у шарі палива методом математичного моделювання, визначено найбільш впливові чинники, від яких залежить ефективність підводу тепла до робочого тіла. До роботи [7] особистий внесок здобувача полягає у викладенні принципових положень щодо шарового способу спалювання шляхом примусової продувки шару, визначенні зв'язків між підводом теплоти та характером продування шару палива.

Білоусов Є. В. Підвищення економічності суднових енергетичних установок шляхом використання твердих палив в двигунах внутрішнього згоряння - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05. 08. 05. - Суднові енергетичні установки. Український державний морський технічний університет. - Миколаїв, 2002 р.

Дисертація присвячена питанням підвищення економічності СЕУ за рахунок використання твердих палив в двигунах внутрішнього згоряння. Актуальність теми зумовлена зростанням цін на нафту і продукти її переробки при практично незмінних цінах на тверде паливо. Оскільки паливна складова займає значне місце у вартості морських перевезень, перехід на дешевше паливо дозволить скоротити вартість однієї тонно-милі.

На основі проведеного аналізу різних шляхів вирішення проблеми, як найбільш перспективний метод використання твердих палив в робочому об'ємі двигуна розглядається шаровий метод спалювання з циклічним примусовим продуванням шару. При цьому паливо заздалегідь розігрівається для активації процесів горіння.

У роботі дається докладний опис шляхів реалізації шарового методу спалювання, розглядаються особливості протікання термодинамічних процесів і процесів вигоряння палива в шарі. Приводяться результати аналітичного і експериментального дослідження процесу стиснення, аналітичного дослідження процесів вигоряння шару, експериментального процесу підведення теплоти в термодинамічному циклі. У ході проведеного дослідження підтверджені можливість і ефективність шарового спалювання палива в двигуні внутрішнього згоряння

Ключові слова: СЕУ, ДВЗ, шарове спалювання, примусове циклічне продування, виносний реактор.

Белоусов Е. В. Повышение экономичности судовых энергетических установок путем использования твердых топлив в двигателях внутреннего сгорания - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05. 08. 05. - Судовые энергетические установки. Украинский государственный морской технический университет. - Николаев, 2002 г.

Диссертация посвящена вопросам повышения экономичности СЭУ за счет использования твердых топлив в двигателях внутреннего сгорания. Актуальность темы обусловлена ростом цен на нефть и продукты ее переработки при практически неизменных ценах на твердое топливо, стоимость которых в настоящее время в 6... 10 раз ниже. Поскольку топливная составляющая занимает значительное место в стоимости морских перевозок, переход на более дешевое топливо позволит значительно сократить стоимость одной тонно-мили.

На основе проведенного анализа различных путей решения проблемы, в качестве наиболее перспективного метода использования твердых топлив в рабочем объеме двигателя рассматривается слоевой метод сжигания с циклической принудительной продувкой слоя. При этом топливо предварительно разогревается для активации процессов горения. Топливо сжигается в специальном выносном реакторе, который постоянно сообщается с рабочим объемом цилиндра и имеет с ним общий тепло и массообмен. Такая схема сжигания твердого топлива позволяет максимально использовать те преимущества, которые выгодно отличают судовые ДВС от других типов первичных двигателей, применяемых на флоте.

В работе дается подробное описание путей реализации слоевого метода сжигания, рассматриваются особенности протекания термодинамических процессов и процессов выгорания топлива в слое. Приводятся результаты экспериментального исследования рабочих процессов, выполненного с использованием физической модели двигателя, работающего по разработанной схеме. Полученные результаты подтверждают, что скорость протекания окислительных реакций в слое достаточна для реализации слоевого сжигания твердых топлив в судовых малооборотных и среднеоборотных двигателях. Кроме того, установлено, что тепловая инерционность слоя достаточна для поддержания топлива в активированном состоянии в паузах между продувками, а скорость реакций в слое достаточна для эффективного подвода теплоты к рабочему телу.

В работе приведены результаты аналитического исследования процесса сжатия и процесса выгорания слоя. Установлена связь между параметрами слоя и тепловыми процессами в двигателе, в частности определено влияние плотности слоя на процесс сжатия воздушного заряда. Также установлена связь между характером принудительной продувки слоя и подводом теплоты к рабочему телу.

проведенное исследование подтверждает возможность эффективного сжигания твердого топлива в судовых ДВС слоевым методом.

Ключевые слова: СЭУ ДВС, слоевое сжигание, принудительная циклическая продувка, выносной реактор.

Biloysov J. Raise of profitability of ship propulsive plants by usage of solid fuel in internal combustion engines - Manuscript.

The dissertation for acquiring of a scientific degree of the candidate of technical science on a speciality 05. 08. 05. - Ship propulsive plants. The Ukrainian state marine technical university, Nikolaev, 2002.

The dissertation is dedicated to questions of raise of efficiency of usage of solid fuels in internal combustion engines. The urgency of a theme is caused by a rise in prices on petroleum at the practically invariable prices for solid fuel. As the cost of fuel strongly influences the cost of marine hauls, the transition to cheaper fuel will allow to shrink the cost of transportations to one conditional mile. On the basis of the conducted analysis of different paths of the solution of a problem, in quality of the most perspective method of usage of solid fuels in a displacement volume of the engine the method of burning in a stratum with a cyclic forced blow-down is considered. Thus the fuel is previously warmed up for activation of processes of burning. In work the detailed definition of paths of realization of a method of burning in a stratum is yielded, the features of weep of thermodynamic processes and processes of burnup of fuel in a stratum are considered. The results of analytical and experimental examination of compression process, analytical examination of processes of burnup of a stratum, experimental process of a heat input in a thermodynamic cycle are resulted. During the conducted examination the capability and efficiency of a firing in a stratum in an internal combustion engine is endorsed.

Keywords: SPP, eic, burning in a stratum, forced cyclic blow-down, offset reactor.

Размещено на Allbest.ru