dvz_metod / gazdizel
.pdf
Міністерство освіти і науки України Первомайський політехнічний коледж Первомайського політехнічного інституту
Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова
Доценко С.М., Бельський Ф.В., Бондаренко М.І.
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ВИКОНАННЯ
РОЗРАХУНКУ РОБОЧОГО ПРОЦЕСУ, ТЕПЛОВОГО БАЛАНСУ,
ТЕОРЕТИЧНОЇ ТА ДІЙСНОЇ ІНДИКАТОРНОЇ ДІАГРАМ ГАЗОДИЗЕЛЬНОГО ДВИГУНА З ДИСЦИПЛІНИ
«ТЕОРІЯ ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ»
Первомайськ 2010
ББК 31.365 Д - 33
Доценко С.М., Бельський Ф.В., Бондаренко М.І.
Методичні вказівки до виконання розрахунку робочого процесу, теплового балансу, теоретичної та дійсної індикаторної діаграм газодизельного двигуна з дисципліни «Теорія двигунів внутрішнього згоряння». – Первомайськ: ППІ - 48 с.
Рекомендовано методичною радою ППІ НУК імені адмірала Макарова протокол №10/2010 від 19.05.10
Методичні вказівки містять матеріали для вибору основних параметрів теплового розрахунку. Також наведений приклад теплового розрахунку двигуна, який працює на суміші природного газу та дизельного пального.
Призначені до виконання для студентів Первомайського політехнічного інституту та коледжу.
Рецензент: к.т.н., Іодловський В.І.
© Первомайський політехнічний інститут НУК
2
|
|
Зміст |
|
Вступ |
|
4 |
|
1. |
Вибір основних параметрів теплового розрахунку |
6 |
|
2. |
Приклад розрахунку двигуна 6ГЖЧН 26/34 : |
17 |
|
|
2.1 |
Розрахунок робочого процесу двигуна |
17 |
|
2.2 |
Розрахунок індикаторної діаграми |
30 |
|
2.3 |
Розрахунок теплового балансу |
39 |
Література |
47 |
||
3
ВСТУП
Застосування двигунів внутрішнього згоряння, що працюють на газоподібному паливі, є на сьогоднішній день актуальним питанням, яке виникло у зв’язку із зменшенням видобутку нафти провідними нафтодобувними країнами світу. Зменшення об’ємів видобутку нафти в свою чергу різко зарило проблему забезпечення ДВЗ моторним паливом. Ця проблема не може бути вирішена за рахунок поглибленої переробки нафти,
оскільки окрім значних додаткових капітальних вкладень, вона не ліквідує дефіцит в моторному паливі і скоротить вихід котельно-пічного палива нафтового походження, потреба в якому також відчувається досить гостро.
Окрім того, проблема дефіциту моторного палива поглиблюється погіршенням екологічного стану, особливо в крупних містах, де основним забруднювачем атмосфери є транспорт.
У вирішенні проблеми скорочення витрат нафтового моторного палива і оздоровлення повітряних басейнів міст ведуча роль відводиться газовому моторному паливу (ГМП), яке без переробки використовується у вигляді стиснутого (компрімірованого до 20 МПа) метанового природного газу або ж скрапленого нафтового (пропан-бутанового ) газу.
Аналіз показує, що в теперішній час ці два виду ГМП є самими ефективними, в зв’язку з чим вони широко розпочали застосовуватися в багатьох країнах світу.
По своїм властивостям ГМП краще за нафтове паливо. При застосуванні його в ДВЗ забезпечуються високі техніко-економічні показники, оскільки ГМП має хороші антидетонаційні властивості,сприятливі умови сумішоутворення, широкі межі запалювання у суміші з повітрям.
В останні роки розпочалося широке застосування газових двигун-
генераторів в комунальній енергетиці та на підприємствах із безперервним циклом виробництва: котельні, склозаводи, фабрики по виробництву фарфору та інші.
4
Важливим місцем застосування газових двигунів мають стати вугільні шахти України, на яких при видобуванні кам’яного вугілля виділяється попутно шахтний метан-газ, що містить від 25% до 65% чистого метану
Спалювання шахтного метану в циліндрах газодизельного двигуна дає можливість отримати не тільки електричну і теплову енергію, але й значно оздоровити екологічний стан промислового Донбасу. При застосуванні газодизельних двигунів практично у всіх сферах господарства важливим є те,
що поряд із виробництвом електричної енергії можливо виробляти і теплову енергію. Пояснюється це тим, що у газодизельного двигуна в порівнянні із дизельним двигуном температури випускних газів значно вищі. Так, якщо у дизеля температура випускних газів в середньому складає 380...420 0С, то у газодизельного двигуна – 450...520 0С. Крім того, випускні гази у газодизельного двигуна більш чисті, що дозволяє використовувати утилізаційні котли із високоефективними оребреними теплообмінними елементами.
Для забезпечення довготривалої роботи газодизеля при високих температурах випускних газів і високому максимальному тиску згоряння його поршень виконується обертальним навколо своєї вісі. Така конструкція забезпечує рівномірний розподіл температур в елементах поршня, рівномірне зношування поршневих кілець і втулки циліндру.
5
1 Вибір основних параметрів теплового розрахунку
Таблиця 1. Розподіл двигунів за числом обертів колінчастого валу (к.в.)
Тип двигунів за частотою обертання к/в |
Число обертів к.в., хв-1 |
|
|
Малообертові двигуни (МОД) |
n≤250 |
|
|
Середньообертові двигуни (СОД) |
250≥n≤750 |
|
|
Високообертові двигуни (ВОД) |
750≥n |
|
|
Ступінь стиску ε – це відношення повного об’єму робочого циліндра Va
до об’єму камери стиску Vс.
де Vs – робочий об’єм циліндра;
Vс – об’єм камери стиску.
Для газодизельних двигунів пропонується ступінь стиску:
- з наддувом:
Стаціонарні двигуни:
ε= 11…18 [2,стор.563]; ε= 11…16 [6,стор.103];
- без наддуву:
Стаціонарні двигуни:
ε= 15…22 [6,стор.103];
-зі струйним і віхровим сумішоутворенням ε = 16…20 [2,стор.568];
-із передкамерним сумішоутворенням ε = 14…15 [2,стор.568].
Коефіцієнт надлишку повітря α – це відношення дійсної кількості
повітря L, яка бере участь в процесі згоряння палива, до теоретично необхідної
Lо, для повного згоряння палива.
6
де Vпов - дійсна кількість повітря, що надійшла у двигун, м3/год ;
- теоретично необхідна кількість повітря для повного згоряння 1 нм3
газу;
Vг – витрата газу, нм3/год ;
Gпал – витрата рідкого палива, кг/год ;
– теоретично необхідна кількість повітря для повного згоряння 1 кг рідкого палива, кмоль/кг.
Згідно дослідних даних α може змінюватися в наступних межах: - з наддувом:
Автотракторні двигуни:
α= 1,6…2,0 [1, стор.42];
α= 1,3…2,2 [5, стор.8];
Стаціонарні двигуни:
α= 1,4…2,2 [2, стор.564];
-з розділеною камерою згоряння α = 1,4…1,8 [1, стор.116 ,табл.4.3];
-з віхровим сумішоутворенням α = 1,3…1,45 [5, стор.8];
-з передкамерним сумішоутворенням α = 1,4…1,5 [5, стор.8].
Тиск наддуву Рк [6,стор.188], [5,стор.42]:
В формулу розрахунку підставляємо абсолютний тиск наддуву. Тиск наддувочного повітря для двигунів розподіляється на три умовні групи:
Помірний наддув…………………………………… Рк ~ (0,13…0,15) МПа;
Підвищений наддув...………………………………. Рк ~ (0,15…0,25) МПа;
Високий наддув……………………………..………………... Рк ≥ 0,25 МПа;
Температура та тиск навколишнього середовища:
За температуру та тиск навколишнього середовища зазвичай приймають Т0 =293 К (200С), Р0=0,1013 МПа.
7
Підігрів повітря від стінок циліндра ∆Т:
- без наддуву:
Автотракторні двигуни:
∆Т = 20...40 К [1,стор.55 табл.4.1];
∆Т =10...40 К [5,стор.44].
- з наддувом:
Автотракторні двигуни:
∆Т =0...10 К [1,стор.55 табл.4.1];
∆Т =0...10 К [5,стор.44];
Стаціонарні двигуни:
∆Т =0...20 К [7,стор.80];
Температура залишкових газів Тr:
Автотракторні двигуни:
Тr=600…900 К [5,стор.43];
Стаціонарні двигуни:
Тr=700…1000 К [2,стор.588];
Тr=700…900 К [7,стор.67].
Максимальний тиск згоряння Рz:
Автотракторні двигуни:
Рz =6…12 [1,стор.116, табл.4.3];
Рz =5…12 [5,стор.55];
Стаціонарні двигуни:
З високим наддувом Рz =10…15 [2,стор.57].
Коефіцієнт ефективного використання теплоти при згорянні палива
в точці «z» ζz:
Автотракторні двигуни:
- з нерозділеною камерою згоряння ζz=0,75…0,8 [1,стор.116, табл.4.3];
8
-з нерозділеною камерою згоряння ζz=0,7…0,88 [5,стор.52];
-з розділеною камерою згоряння ζz=0,7…0,78 [1,стор.116, табл.4.3];
-з розділеною камерою згоряння ζz=0,65…0,8 [5,стор.52].
Коефіцієнт повноти індикаторної діаграми ζ - це відношення площі
дійсної індикаторної діаграми до площі теоретичної індикаторної діаграми:
Стаціонарні двигуни:
ζ=0,94…0,97 [2,стор.589].
Елементарний склад палив
Таблиця 2. Елементарний склад природних газів газоконденсатних родовищ
[4,стор.288, табл.14.2]:
|
|
|
Склад газу, % |
|
|
Нижча теплота |
||
Родовище |
СН4 |
С2Н6 |
С3Н8 |
С4Н10 |
С5Н12 |
СО2 |
N2 |
згоряння, |
|
|
|
|
|
|
|
|
,кДж/м3 |
Шебелінське |
93 |
4 |
1 |
0,5 |
0,5 |
0,1 |
0,9 |
38090 |
(Україна) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Майкопське |
88 |
3,5 |
1 |
0,5 |
1 |
5 |
1 |
36630 |
(Росія) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Усть-Вілюйське |
90 |
4,5 |
0,9 |
0,3 |
1,1 |
0,2 |
0,3 |
37880 |
(Якутія Саха) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Наіпське |
85 |
3,0 |
4,0 |
2,0 |
1,5 |
1,0 |
3,5 |
37880 |
(Туркменія) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Газлійське |
95 |
3,0 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,4 |
0,1 |
40600 |
(Узбекистан) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблиця 3. Елементарний склад сухих природних газів [4,стор.288, табл.14.2]:
|
|
|
Склад газу, % |
|
|
Нижча теплота |
||
Родовище |
СН4 |
С2Н6 |
С3Н8 |
С4Н10 |
С5Н12 |
СО2 |
N2 |
згоряння, |
|
|
|
|
|
|
|
|
,кДж/м3 |
Дашавське |
98 |
0,4 |
0,2 |
0,1 |
0,1 |
0,2 |
1,0 |
35600 |
(Україна) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ставропольське |
99 |
0,3 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
0,3 |
35790 |
(Росія) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Березовське |
95 |
0,5 |
0,5 |
- |
- |
0,5 |
3,5 |
34740 |
(Росія) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Уренгойське |
98 |
0,1 |
- |
- |
- |
0,3 |
1,6 |
35160 |
(Росія) |
|
|
|
|
|
|
|
|
9
Таблиця 4. Елементарний склад дизельного палива [1,стор.29, табл.3.1]:
Вид палива |
С |
Н |
О |
Нижча теплота згоряння палива ,кДж/кг |
|
|
|
|
|
Дизельне (ДП) |
0,86 |
0,13 |
0,01 |
42500 |
|
|
|
|
|
Показник політропи стиску повітря в нагнітачі nк [5,стор.42], [2,стор.39]:
Таблиця 5. Показник політропи стиску повітря в нагнітачі nк
Тип нагнітача |
nк |
|
|
Поршневий |
1,4…1,6 |
|
|
Об’ємний |
1,55…1,75 |
|
|
Відцентровий з корпусом що охолоджується |
1,4…1,8 |
|
|
Відцентровий з корпусом що не охолоджується |
1,8…2,0 |
|
|
Середня мольна теплоємкість свіжої суміші |
|
|
|
|
|||||||
Таблиця 6. |
Середня |
мольна |
теплоємкість газів при |
сталому |
об’ємі |
||||||
[5,стор.16,табл. 5]. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Температура, |
|
Середня мольна теплоємкість при сталому об’ємі, |
|||||||||
°С |
|
|
|
|
|
кДж/кмоль×град |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Повітря |
О2 |
|
N2 |
H2 |
CO |
CO2 |
|
H2O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
20,759 |
|
20,960 |
|
20,705 |
20,705 |
20,809 |
27,546 |
|
25,185 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
20,839 |
|
21,224 |
|
20,734 |
20,621 |
20,864 |
29,779 |
|
25,428 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
200 |
|
20,985 |
|
21,617 |
|
20,801 |
20,759 |
20,989 |
31,746 |
|
25,800 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
300 |
|
21,207 |
|
22,086 |
|
20,973 |
20,809 |
21,203 |
33,442 |
|
26,261 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
400 |
|
21,475 |
|
22,564 |
|
21,186 |
20,872 |
21,475 |
34,936 |
|
26,776 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
500 |
|
21,781 |
|
23,020 |
|
21,450 |
20,935 |
21,785 |
36,259 |
|
27,316 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10