2.10 Тепловой баланс и утилизация тепловых потерь в двигателе

Итоговое распределение тепла, выделившегося при сгорании топлива называется внешним тепловым балансом двигателя.

Внешний тепловой баланс позволяет судить о степени совершенства двигателя, является исходным при проектировании систем охлаждения и смазки, определяет пути утилизации тепловых потерь.

Тепловой баланс двигателя определяют экспериментально.

Внешний тепловой баланс (абсолютный) (рис. 2.17) записывается в виде

Рис. 2.17. Распределение тепла в двигателе с наддувом (тепловой баланс)

где - тепло, выделяющееся при сгорании топлива в цилиндрах

,

- тепло, эквивалентное эффективной работе на фланце коленчатого вала двигателя, являющееся разностью тепла, эквивалентного индикаторной работе в цилиндрах и тепла, эквивалентного механическим потерям в двигателе ;

,

- тепло, уносимое с отработавшими газами и равное теплу отработавших газов в выпускном патрубке за вычетом количества тепла, входящего в неучтенные тепловые потери (тепло, эквивалентное неполному сгоранию топлива , кинетической энергии газов , лучеиспусканию ).

- тепло, отводимое с водой, охлаждающей стенки цилиндров и выпускной коллектор , а также с маслом ;

- неучтенные тепловые потери.

Следует отметить, что в современных двигателях с увеличением давления наддува и коэффициента избытка воздуха при сгорании потери тепла в охлаждающую среду уменьшаются. Потери тепла с отработавшими газами тоже уменьшаются за счет срабатывания большего теплоперепада в газовой турбине ГТН, а потери тепла в ОНВ резко возрастают из-за повышения степени наддува.

В относительном тепловом балансе составляющие теплового баланса выражают в долях (%) от тепла, подведенного с топливом

В современных дизелях (типа MC, RTA) составляющие относительного теплового баланса имеют примерно следующие значения

q_e =51 %; q_г =27 %; q_воды =18 %; q_м =3 %; q_нп =1 %

где = q_воды+ q_м

Степень использования тепловой энергии, полученной в двигателе, повышается за счет:

- утилизации тепла выпускных газов;

- утилизации тепла наддувочного воздуха;

- утилизации тепла пресной охлаждающей воды.

В энергетических установках современных транспортных судов общепринятой является утилизация тепла выпускных газов, тепла пресной воды системы охлаждения главных двигателей и тепла наддувочного воздуха.

Использование тепла отработавших газов высокого потенциала (t_г= 320 ^оС и более) и достаточном их количестве в утилизационном котле (УК) возможно для получения насыщенного и перегретого пара для работы утилизационного турбогенератора (УТГ), вырабатывающего электрическую энергию. Такая утилизация называется глубокой утилизацией тепла отработавших газов главного двигателя. В этом случае в ходовом режиме дизель-генераторы, как правило, не работают, что повышает экономичность всей СЭУ на 8 – 12 %.

В современных СЭУ с длинноходными двухтактными двигателями для которых, характерной является низкая температура отработавших газов (240 – 280 ^оС) получить в УК перегретый пар в нужном количестве и с нужными параметрами для работы УТГ весьма сложно. В таких СЭУ применяют комплексные системы утилизации, (рис. 2.18), использующие тепло отработавших газов, наддувочного воздуха.

Рис. 2.18. Схема комплексной утилизации тепла отработавших газов, наддувочного воздуха и охлаждающей воды.

При высоких значениях давления наддува температура воздуха за компрессором t_к составляет от 150 до 160 ^оС и это тепло наддувочного воздуха используют для предварительного подогрева воды, поступающей в УК или для нужд судовых потребителей (см. рис. 2.18). Чтобы использовать тепло наддувочного воздуха, охладители наддувочного воздуха (ОНВ) выполняют двух или трехсекционными. При этом одна или две секции ОНВ, называемые высокотемпературными охлаждаются пресной водой, а последняя – забортной водой до требуемой температуры воздуха. Вода, нагретая в первой секции используется для подогрева топлива в цистернах и отопления судовых помещений. Тепло, отводимое от второй секции ОНВ используется для подогрева питательной воды УК до 90 – 105 ^оС. В третьей секции наддувочный воздух охлаждается забортной водой до требуемой температуры воздуха (50 - 60 ^оС).

Широкое применение получает утилизация тепла пресной охлаждающей воды и отработавших газов вспомогательных двигателей, обеспечивающая тепловой энергией различные потребители на стоянке судна, в том числе и главные двигатели для поддержания необходимого теплового состояния.

Использование тепла пресной охлаждающей воды возможно в вакуумных опреснительных установках.

Кроме установки на теплоходах УТГ и вакуумных испарителей в современных длинноходных дизелях для повышения экономичности стали применять утилизационные силовые турбины (рис. 2.19).

Рис. 2.19. Схема подключения силовой турбины (система «турбокомпаунд») и валогенератора к дизелю

Благодаря высокому КПД современных ГТН часть энергии выпускных газов (~10%) используется в силовой газовой турбине, мощность которой может быть передана валогенератору или коленчатому валу двигателя.

Подобная система (см. рис. 2.19), получившая наименование «турбокомпаундной» применена в двигателях серии МС. Газовая турбина 1 присоединяется через понижающую зубчатую передачу к носовому концу коленчатого вала 4. Валогенератор 3 обеспечивает судно энергией на ходу. Его привод осуществляется от коленчатого вала 4 или силовой газовой турбины 1 через планетарную передачу 2 с регулируемым передаточным числом, позволяющим обеспечивать постоянство частоты вращения валогенератора 3.

Таким образом, силовая турбина может отдавать мощность на вал главного двигателя, повышая эффективный КПД двигателя или совместно с валогенератором работать на замещение вспомогательных двигателей дизель-генераторов для выработки электрической энергии. Применение системы «турбокомпаунд» позволяет повысить экономичность работы главного двигателя на 3 – 4 %.

Высокая экономичность современных дизелей и глубокая утилизация тепла отработавших газов, наддувочного воздуха и охлаждающей двигатель воды позволяют полезно использовать до 70 % тепла сгорания топлива.