1.4.5. Система газовыпуска

Система газовыпуска служит для отвода продуктов сгорания от главных и вспомогательных двигателей. В ее состав входят утилизационный котел, газовыпускные трубопроводы, компенсаторы температурных расширений и другие элементы. Утилизационный котел одновременно выполняет функции искрогасителя и глушителя шума двигателя.

Схема системы газовыпуска определяется типом ГЭУ и назначением судна. Она предназначена для транспортировки газов, имеющих высокую температуру (150-500 С), обладающих токсичностью и несущих несгоревшие частицы топлива в виде искр, которые могут вызвать пожар. Это заставляет предъявлять ряд специальных требований к газовыпускным системам при их проектировании.

Согласно Правилам Регистра РФ каждый двигатель должен иметь отдельный газовыпускной трубопровод. Допускается объединение этих трубопроводов при наличии надежных устройств, отключающих неработающий двигатель.

Дымоходы (газовыпускные трубопроводы) главных двигателей изготовляют из стальных труб стандартных размеров небольшой длины (3-5 м), соединяемых между собой с помощью фланцев. Между фланцами ставят паронитовые прокладки для газонепроницаемости стыков.

Для компенсации тепловых удлинений в газовыпускной трубопровод необходимо встраивать специальный эластичный элемент – компенсатор, который не только компенсирует температурные удлинения, но и снижает уровень шума и вибрации. Применяют сальниковые и линзовые компенсаторы. Их устанавливают на длинных прямых участках труб, а также у газовыпускных коллекторов или у выпускных патрубков воздухонагнетателей.

Трубы крепят при помощи жестких опор и упругих пружинных подвесок. Места расположения опор и подвесок определяют так, чтобы масса трубопровода передавалась на корпус судна, а не воспринималась двигателем.

Для повышения КПД СЭУ предусмотрена утилизация теплоты с помощью теплоутилизационных котлов, работающих от системы газовыпуска. Вода нагретая в них может использоваться как в СЭУ, для выработки электроэнергии, так и для хозяйственных нужд. Всего в системе 3 котла ТУК.

5. Расчет дизеля

1.5.1 Тепловой расчет

Теплота сгорания топлива:

Важнейшей характеристикой топлива служит теплота сгорания топлива — количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива. Она зависит от элементарного состава топлива применяемого в ДВС.

Низшую теплоту сгорания жидкого топлива можно определить по формуле Д.И. Менделеева:

где Q_H - низшая теплота сгорания рабочего топлива, МДж/кг;

C, H, О, S и W - массовые доли углерода, водорода, кислорода, серы и воды в топливе.

В нашем случае состав топлива имеет вид:

Н = 12 %; С = 87 %; О = 1 %

Тогда получаем:

Процесс наполнения

Основными параметрами, характеризующими процесс наполнения, являются:

_Н - коэффициент наполнения;

_Г - коэффициент остаточных газов;

Р_е - давление в конце наполнения;

Т_А - температура рабочей смеси;

Р_Г - давление остаточных газов;

Т_Г - температура остаточных газов.

Расчёт процесса наполнения заключается в определении значений этих параметров.

Давление в конце наполнения:

где С₂ - наибольшая скорость протекания свежего заряда при открытии выпускных клапанов.

Для определения С₂ необходимо знать скорость поступающего заряда C₁ через живые сечения клапана:

где F - площадь поршня;

f - площадь сечения полностью открытых впускных клапанов.

Величина k = F/f равна для двигателей средней быстроходности 6-9.

Принимаем k = 8.

Давление в конце наполнения:

Температуру Tк найдем по формуле:

где T'к - температура воздуха перед охладителем - К;

- понижение температуры в охладителе ( кохл = 20…60 oC - в одной секции; Tкохл = 120…150 oC - в двух секциях).

119[oC]

где To - температура окружающей среды - К;

Po - давление окружающей среды - Па;

Pк - давление за компрессором перед ресивером двигателя - Па;

196000[Па].

P'к - давление воздуха перед охладителем; P'к = (1,3…3,5).105 Па;

P'к - потери на сопротивление в охладителе; P'к = (0,02…0,06).105 Па

Коэффициент остаточных газов для расчёта четырёхтактных двигателей с наддувом определяется по формуле:

где: t - повышение температуры воздуха вследствие нагрева его в системе двигателя составляет по опытным данным для четырехтактных дизелей с наддувом 510 °С. Принимаем t = 7;

t₁ - повышение температуры заряда в следствии сжатия:

где n - показатель политропы сжатия в нагнетателе. Величина показателя политропы сжатия для ротационных нагнетателей 1,5-1,8.

Принимаем n = 1,8;

Коэффициент степени сжатия  = 15

При расчёте принимается давление остаточных газов Рг = 1,02...1,06 кг/см2 для тихоходных двигателей и Рг = 1,05...1,15 кг/см2 для быстроходных. Принимаем T_Г = 800 К.

При расчёте принимается давление остаточных газов Р_Г = 1,1 кг/см².

Температура смеси в конце наполнения определяется по уравнению:

Коэффициент наполнения через коэффициент остаточных газов определяется следующим образом:

где  - степень сжатия;

Тo - температура окружающей среды;

Po - давление окружающей среды;

Та - температура конца наполнения;

Ра - давление в конце всасывания;

Рг - давление остаточных газов.

Процесс сжатия

Основными параметрами, определяющими процесс сжатия, являются:

Р_А - давление начала сжатия;

Т_А - температура начала сжатия;

 - степень сжатия;

n₁ - показатель политропы сжатия;

Т_C - температура конца сжатия;

Р_C - давление конца сжатия.

Так как процесс сжатия политропный, то величины, характеризующие начало и окончание его, связаны уравнениями:

Показатель политропы n₁=1,37. Выбирается из условия, что для дизелей средней быстроходности n₁=1,351,4.

Процесс сгорания

Прежде всего необходимо определить количество воздуха, теоретически необходимого для сгорания 1кг топлива:

Отношение количества воздуха, поступившего в цилиндр, к количеству воздуха, теоретически необходимому, называется коэффициентом избытка воздуха при горении и обозначается .

Действительное количество воздуха:

Величина  для СОД с наддувом равна 1,62,2.

Принимаем =1,8.

Мольное количество смеси воздуха и остаточных газов, находящихся в цилиндре до горения:

Количество молей продуктов сгорания:

Действительный коэффициент молекулярного изменения:

Теплоемкости смеси газов определяют по формулам:

r - мольные концентрации отдельных газов в конце сжатия:
- для азота									0,790
- для кислорода										0,2056
- для водяного пара								0,00259
- для углекислого газа								0,00313

и - мольные теплоемкости отдельных газов при постоянных объемах и давлениях.

	1) при постоянном объёме:
	- для азота		.Сv = 20660 + 2,57 . Т=							23456,08						Дж/кмоль.К
	- для кислорода		.Сv = 21250 + 3,4 . Т=							24949,094						Дж/кмоль.К
	- для водорода		.Сv = 20480 + 1,12 . Т=							21698,525						Дж/кмоль.К
	- для окиси углерода		.Сv = 20750 + 2,82 . Т=							23818,072						Дж/кмоль.К
	- для водяного пара		.Сv = 24540 + 5,44 . Т=							30458,55						Дж/кмоль.К
	- для воздуха		.Сv = 20790 + 2,41 . Т=							23412,005						Дж/кмоль.К
	- для углекислого газа		.Сv = 28280 + 7,91 . Т=							36885,833						Дж/кмоль.К
	2) при постоянном давлении :
	- для азота		.Сp = 28970 +2,57 . Т=							31766,08						Дж/кмоль.К
	- для кислорода		.Сp = 29560 +3,4 . Т=							33259,094						Дж/кмоль.К
	- для водорода		.Сp = 28790 +1,12 . Т=							30008,525						Дж/кмоль.К
	- для окиси углерода		.Сp = 29060 +2,82 . Т=							32128,072						Дж/кмоль.К
	- для водяного пара		.Сp = 32890 +5,44 . Т=							38808,55						Дж/кмоль.К
	- для воздуха		.Сp = 29100 +2,41 . Т=							31722,005						Дж/кмоль.К
	- для углекислого газа		.Сp = 36650 +7,91 . Т=							45255,833						Дж/кмоль.К
r - мольные концентрации отдельных газов в конце горения:
-для азота														0,7655
- для кислорода														0,0991
- для водяного пара														0,0613
- для углекислого газа															0,0740

Температура T_Z определяется из уравнения сгорания.

Уравнение сгорания для смешанного цикла имеет вид:

где  - коэффициент использования тепла;

 - степень повышения давления.

Коэффициент использования тепла  учитывает потери тепла, связанные с догоранием части топлива в процессе расширения, теплообмен со стенками камеры сгорания, диссоциацию.

Для СОД =0,750,92.

Принимаем  = 0,82.

Для судовых среднеоборотных дизелей значение степени повышения давления  = 1,351,55. Принимаем  = 1,4.

36132,6 Дж

27815,7 Дж

T_Z=1952,9 К

Степень предварительного расширения определяется зависимостью:

Степень последующего расширения:

Процесс расширения

Основными параметрами определяющими процесс расширения, являются:

T_Z - температура начала расширения;

Р_Z - давление начала расширения;

n₂ - показатель политропы расширения;

T_b - температура конца расширения;

Р_b - давление конца расширения.

Давление начала расширения равно:

Давление и температура конца расширения:

У выполненных СОД при работе на номинальных режимах показатель политропы расширения n₂ =1,21,3. Принимаем n₂=1,25.

Процесс выпуска

В связи с тем, что в момент открытия выпускного клапана давление в цилиндре сравнительно высокое, приходится выпускной клапан открывать с некоторым опережением, несколько ранее прихода поршня в НМТ, чтобы избежать большого противодавления на поршень и, кроме того, чтобы ускорить и улучшить очистку цилиндра от остаточных газов.

Ввиду того, что характер колебаний давления газов при выпуске не поддается точному теоретическому подсчету, в расчетах обычно вместо переменного давления используют среднее постоянное давление газов в период выпуска P_Г.

Это давление выше давления в выпускной трубе .

По практическим данным можно принять:

Средняя температура отработавших газов для четырёхтактных ДВС - 350600 °С.

Построение расчётной индикаторной диаграммы

Теоретическую диаграмму строят по параметрам расчетного цикла, поэтому ее называют также расчетной или проектной.

Построение диаграммы начинают с выбора масштабов Р и V. По оси абсцисс откладывают объёмы м³, а по оси ординат - давление Мн/м².

Обозначим

где А - объём в точке а, выраженный в мм.

Значения V_С , V_S и V_Z, найдем как

Аналитический способ построения диаграммы:

Точка а – Р_А=0,09292МПа V_A=0,01479м³ Т_А=399,45 К;

Точка с – Р_С=3,796 МПа V_C=0,000986м³ Т_С=1087 К;

Точка z – P_Z=7,032 МПа V_Z=0,000986 м³ Тz=1952,9 K;

Точка z’ – P_Z’=7,032 МПа V_Z’=0,001259 м³;

Точка b – P_b=0,323 МПа V_b=0,01479м³;

Точка r – P_r=0,113 МПа V_r=0,000986 м³;

Для нормальных соотношений длины высоты диаграмм следует принять величину V_S/P_Z (в масштабе) в пределах:

Далее проводят ось давлений, атмосферную линию и линию выпуска. Политропу сжатия можно построить аналитическим или графическим способом. Аналитический способ основан на использовании уравнения политропы сжатия:

отсюда

(см. табл. 1.2)

Таблица 1.2

Va	0,01479 м3
Pa	0,09292 МПа
№	Vi (м3)	Pi (Па)
№ точки
1	0,01479	92921
2	0,013311	107349
3	0,011832	126148
4	0,010353	151470
5	0,008874	187088
6	0,007395	240173
7	0,005916	326054
8	0,004437	483566
9	0,002958	842755
10	0,001479	2178273
11	0,000986	3796272

         

При построении диаграммы цикла смешанного сгорания положение точки z’ определяется координатами (V_C; b; P_Z).

Кривую расширения строят аналогично кривой сжатия.

Из уравнения политропы расширения получают:

(см. табл. 1.3)

Таблица 1.3

Vb	0,01479017 м3
Pb	0,3235314 МПа
№ точки
№	Vi (м3)	Pi (Па)
1	0,00126	7032070
2	0,002958	2418961
3	0,004437	1457186
4	0,005916	1017048
5	0,007395	769492
6	0,008874	612671
7	0,010353	505294
8	0,011832	427616
9	0,013311	369074
10	0,01479	323531

Вычислив ряд значений Р_i, строим кривую политропы расширения. Далее, выбрав Р_r, откладываем его в масштабе и проводим линию выпуска (рис.12).

Рис.1.6 Индикаторная диаграмма дизеля

Спланиметрировав участок acz’zba диаграммы, получим ее площадь F, по которой найдем среднее теоретическое индикаторное давление:

Pi`2=0,571 МПа

Аналитически определим среднее теоретическое индикаторное давление для цикла смешанного сгорания:

Сопоставляем значения , вычисленные по формулам, приведенным ранее.

Расхождение ΔPi`=3,4%.

Среднее индикаторное давление с учётом поправки на полноту диаграммы:

где =0,950,98. Принимаем =0,97.

Параметры, характеризующие рабочий цикл

К параметрам, характеризующим действительный рабочий цикл двигателя, относятся давление в конце сжатия, давление в конце горения, среднее индикаторное давление, среднее эффективное давление Р_С эффективный расход топлива g_е, эффективный КПД _е, а также приводятся диаметр цилиндра D и ход поршня.

Среднее эффективное давление Р_С найдём так:

Согласно опытным данным, механический КПД _М при работе на номинальной мощности для судовых четырехтактных ДВС равен 0,890,91. Принимаем _М=0,9.

Удельный индикаторный расход топлива определим следующим образом:

Удельный эффективный расход топлива:

Индикаторный КПД:

или 41,4%

Эффективный КПД:

или 37,2%

Диаметр цилиндра определим по формуле:

Диаметр цилиндра принимаем в соответствии с рекомендуемым нормальным рядом. Принимаем D=0,26м.

Ход поршня:

Проверяем отношение S/D=1. Оно находится в пределах, нормируемых ГОСТ.