Теоретическое количество воздуха, необходимое

Теоретическое количество воздуха, необходимое

для сгорания 1 кг топлива:

, где, например и т.д.

- коэффициент избытка воздуха для различных скоростных режимов

- коэффициент избытка воздуха, для номинального режима работы двигателя, принимаем несколько больше, чем для бензина, так как учитываем, что сгорания газообразного топлива происходит более полно, т.е.

Для скоростных режимов в интервале от до , коэффициент избытка воздуха принимаем постоянным. Для скоростных режимов в интервале коэффициент избытка воздуха определяем

по формуле

1.2 Действительный расход воздуха

Действительный расход воздуха для номинального режима

Количество свежего заряда

,

Продукты сгорания

При неполном сгорании топлива продукты сгорания представляют собой смесь углекислого газа водяного пара

, оксида углерода , избыточного кислорода и азота .

Количество отдельных составляющих продуктов сгорания в кмоль пр.сг/кг топл. определяются по следующим формулам:

,

- для метана

- для этана

- для пропана

- для бутана

Количество каждого компонента, входящего в состав продуктов:

.

кмоль пр.сг/кг топл.

,

,

кмоль пр.сг/кг топл.

кмоль пр.сг/кг топл.

кмоль пр.сг/кг топл.

Общее количество продуктов сгорания неполного сгорания в кмоль пр.сг/кг топл определяется по формуле:

,

кмоль пр.сг/кг топл.

Подставив значения в уравнение для расчета получим

Изменение количества молей рабочего тела при сгорании ΔМ в кмоль раб. тело/кг топл определяется по формуле:

кмоль раб. тело/кг топл

Относительное изменение количества молей при сгорании горючей смеси характеризуется химическим коэффициентом молекулярного изменения горючей смеси , который определяется по формуле:

Процесс впуска

За период процесса впуска осуществляется наполнение цилиндра свежим зарядом.

Давление и температура окружающей среды

Принимаются значения атмосферного давления и температуры в нормальных (стандартных) условиях: =0,1МПа и =293К.

При работе двигателя без наддува в цилиндр поступает воздух из атмосферы. В этом случае при расчете рабочего цикла двигателя давление и температура окружающей среды принимаются =0,1МПа и =293К.

Так как расчет ведется для двигателя без наддува, то справедливо условие:

Давление и температура остаточных газов

В цилиндре двигателя перед началом процесса наполнения всегда содержится некоторое количество остаточных газов, находящихся в объеме камеры сгорания. Величина давления остаточных газов устанавливается в зависимости от числа и расположения клапанов, сопротивлений впускного и выпускного трактов, фаз газораспределения, характера наддува, быстроходности двигателя, нагрузки, системы охлаждения и других факторов.

Для двигателей без наддува давление остаточных газов р_r в МПа определяется по формуле:

.

В зависимости от типа двигателя, степени сжатия, частоты вращения и коэффициента избытка воздуха выбираем значение температуры остаточных газов из следующих пределах:

для газовых двигателей .

принимаем из условия, что при увеличении степени сжатия и обогащении рабочей смеси температура остаточных газов снижается, а при увеличении частоты вращения - возрастает.

Степень подогрева заряда

В процессе наполнения температура свежего заряда несколько увеличивается на величину ΔТ благодаря подогреву от нагретых деталей двигателя.

Значение ΔТ принимаем из следующих пределов:

- для карбюраторных двигателей.

Принимаем .

Давление в конце впуска

Величина давления в конце впуска р_а в МПа определяется по формуле:

где - потери давления во впускном трубопроводе, МПа.

Потери давления во впускном трубопроводе Δр в МПа определяется по формуле:

,

.

где - коэффициент, учитывающий гидравлическое сопротивление впускного тракта;

- коэффициент затухания скорости заряда в цилиндре;

- средняя скорость движения заряда при максимальном открытии клапана, м/с;

- плотность заряда на впуске, .

При средней скорости заряда величину принимаем в пределах 2,5…4.

Плотность заряда на впуске в кг/м³ определяем по формуле:

,

кг/м³.

где - удельная газовая постоянная воздуха, Дж/(кг·град).

Подставим значения в формулу для расчета

.

Коэффициент и количество остаточных газов

Коэффициент остаточных газов для четырехтактных двигателей внутреннего сгорания определяем по формуле:

Количество остаточных газов Мr в кмоль ост.газов/кг топл определяется по формуле:

кмоль ост.газов/кг топл.

Температура в конце впуска

Температура в конце впуска Та в градусах Кельвина (К) определяется по формуле:

,

K.

Коэффициент наполнения

Для четырехтактных двигателей без учета продувки и дозарядки коэффициент наполнения определяется по формуле:

,

.

Полученные результаты заносим в таблицу 5.

Таблица 5. - Значения параметров процесса впуска

Тип двигателя	Параметры
Карбюраторный	1,17616	0,0013	303,90	1,285
Ориентировочные значения	0,080…0,095	0,04…0,10	340…370	0,70…0,90

Процесс сжатия

Показатель политропы сжатия

Учитывая, что теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра за процесс сжатия незначителен, то величину (показатель политропы сжатия) можно оценить по среднему показателю адиабаты сжатия по следующей формуле:

,

.

Значение определяется в зависимости от температуры и степени сжатия ε по аппроксимирующей формуле:

.

Давление и температура конца процесса сжатия

Давление в МПа и температура в Кельвинах (К) в конце процесса сжатия определяются из уравнения политропы с постоянным показателем

,

МПа;

,

К.

Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в конце сжатия

Рабочая смесь состоит из свежей смеси и остаточных газов.

Температура конца процесса сжатия в градусах Цельсия (°С):

,

.

Средняя мольная теплоемкость свежей смеси в конце сжатия

принимается равной теплоемкости воздуха кДж/(кмоль·град), и определяется по формуле:

,

кДж/(кмоль·град).

Средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце сжатия в кДж/(кмоль·град) определяется по следующей формуле:

,

кДж/(кмоль·град).

Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси в кДж/(кмоль·град) определяется по формуле:

,

кДж/(кмоль·град).

Рассчитанные параметры заносим в таблицу 6.

Таблица 6. - Значения параметров процесса сжатия

Тип двигателя	Параметры
Карбюраторный	1,372	2,03
Ориентировочные значения	1,34…1,38	0,9…2,0	600…700

Процесс сгорания

Процесс сгорания - основной процесс рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота, выделяющаяся вследствие сгорания топлива, идет на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.

С целью упрощения термодинамических расчетов ДВС принимают, что процесс сгорания в двигателях с воспламенением от искры происходит по циклу с подводом теплоты при постоянном объеме (V=const).

Целью расчета процесса сгорания является определение температуры и давления в конце видимого сгорания.

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси

Изменение объема при сгорании рабочей смеси учитывает коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси, который определяется по формуле:

,

.

Температура конца видимого сгорания

Температура газа в конце видимого сгорания определяется с использованием решения уравнения сгорания, которое имеет вид:

где - коэффициент использования низшей теплоты сгорания на участке видимого сгорания, который принимается из следующих интервалов значений для газового двигателя 0,8…0,95;

- потеря теплоты вследствие химической неполноты сгорания, кДж/кг, при α<1

,

кДж/кг.

- температура в конце видимого сгорания, °С;

- средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания при постоянном объеме. кДж/(кмоль·град). которая определяется по формуле:

(32)

где , , , , , - средние мольные теплоемкости продуктов сгорания при изменении температуры в диапазоне 1501…2800 °С, которые могут быть выражены в зависимости от температуры следующими формулами:

Подставим уравнения для средних мольных теплоемкостей продуктов сгорания в уравнение для расчета и получим следующее выражение:

После подстановки всех величин в уравнение сгорания получается квадратное уравнение вида

.

Решим это уравнение и выразим из него в градусах Цельсия (°С)

°С.

Температура в градусах Кельвина (К) определяется по формуле:

K.

Степень повышения давления цикла

Степень повышения давления цикла λ для карбюраторных двигателей определяется по формуле:

.

Степень предварительного расширения

Степень предварительного расширения для карбюраторных двигателей .

Максимальное давление сгорания

Величина максимального давления в МПа в конце сгорания определяется по формуле:

МПа.

Рассчитанные параметры заносим в таблицу 7.

Таблица 7. - Значения параметров процесса сгорания

Тип двигателя	Параметры
	λ	ρ	, МПа	, K
карбюраторный	1,98	1,0	4,019	1580,32
ориентировочные значения	1,2…4,2	1,0	3,5…7,5	1500….3100

Процесс расширения

В результате осуществления процесса расширения происходит преобразование тепловой энергии топлива в механическую работу.

Показатель политропы расширения

Так же как и при расчете процесса сжатия для упрощения расчетов кривую процесса расширения принимают за политропу с постоянным показателем .

Средний показатель политропы расширения незначительно отличается от показателя адиабаты и может быть определен по следующей формуле:

, где

,

Давление и температура конца процесса расширения

Значения давления в МПа и температуры в градусах Кельвина (К) в конце процесса расширения определяются по формулам:

.

.

Рассчитанные параметры заносим в таблицу 8.

Таблица 8. - Значения параметров процесса расширения

Тип двигателя	Параметры
		, МПа	, К
карбюраторный	1,285	0,27	873,70
ориентировочные значения	1,23…1,30	0,35…0,60	1200…1700

Проверка точности выбора температуры остаточных газов

Расчетная температура остаточных газов в градусах Кельвина (К) определяется по формуле:

,

.

Ошибка между принятой величиной и рассчитанной , в процентах определяется по формуле:

,

.

Так как ΔT_r < 10%, то расчет продолжаем с учетом прежнего значения T_r.

Тепловой баланс

Для анализа характера теплоиспользования и путей его улучшения при расчете двигателя определяются составляющие теплового баланса.

Уравнение теплового баланса

Уравнение теплового баланса имеет вид:

,

где - общее количество теплоты, введенное в цилиндр, Дж/с;

- теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя, Дж/с;

- теплота, отданная охлаждающей среде, Дж/с;

- теплота, уносимая из двигателя с отработавшими газами, Дж/с;

- теплота, потерянная при неполном сгорании топлива, Дж/с;

- неучтенные потери теплоты, Дж/с.

Общее количество теплоты

Общее количество теплоты в Дж/с определяется по формуле:

,

Дж/с.

Теплота, эквивалентная эффективной работе

Теплота , эквивалентная эффективной работе, в Дж/с определяется по формуле:

,

Дж/с.

Теплота, отданная охлаждающей среде

Теплота , отданная охлаждающей среде, для газовых двигателей с воздушным охлаждением, в Дж/с определяется по формуле:

,

Дж/с

Теплота, унесенная из двигателя с отработавшими газами

Теплота , унесенная из двигателя с отработавшими газами, в Дж/с определяется по формуле:

,

где - температура остаточных газов, °С

°С.

- теплоемкость остаточных газов в кДж/(кмоль·град)

,

кДж/(кмоль·град).

- теплоемкость свежего заряда в кДж/(кмоль·град)

,

кДж/(кмоль·град).

здесь =20°C.

Теплота, потерянная при неполном сгорании топлива

Теплота , потерянная при неполном сгорании топлива, в Дж/с определяется по формуле:

,

Дж/с.

Относительные значения составляющих теплового баланса

Тепловой баланс определяется также в процентах от всего количества введенной теплоты по следующим формулам:

,

;

;

;

;

Очевидно, что должно выполняться условие

.

Рассчитанные параметры заносим в таблицу 11.

Таблица 11. - Значения составляющих теплового баланса в процентах

Тип двигателя	Составляющие теплового баланса в процентах
газовый	35.9	27,99	35.9	7,9
ориентировочные значения	23…38	24…32	30…55	0…21

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Шевченко, П.Л. Тепловые расчеты автомобильных двигателей / П.Л. Шевченко. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. – 187 с.

2. Автомобильные двигатели. Под ред. М.С. Ховаха. – М.: Машиностроение, 1977. – 591 с.

ОСНОВНЫ ХАРАКТИРИСТИКИ

Энергоустановка МГТУ 100 -микротурбинная энергоустановка, не имеющая аналогов на отечественном рынке.

Микротурбина МГТУ-100 - это газотурбинный энергоагрегат мощностью 100 кВт, работающая на природном газе, и оснащённая устройством тепловой регенерации выпускных газов.

Сфера применения газовой микротурбины варьируется от комбинированного производства тепла и электроэнергии до использования горючих отходов и аварийного электроснабжения.

Она предназначена для автономного энергоснабжения:

· жилых зданий. Оборудование подойдет как для многоквартирных, так и для частных домов;

· производственных помещений;

· коммерческих сооружений.

Установка МГТУ обладает возможностью трансформации в когенерационный комплекс, путём установки дополнительного оборудования. Что позволяет эффективно утилизировать тепловую энергию продуктов сгорания, повышая функциональность и экологические параметры изделия.

Используя это оборудование в нефтегазовой отрасли, можно повысить экологичность процесса добывания нефти, используя попутный нефтяной газ в качестве топлива для турбины, и отказавшись от факельных систем утилизации, загрязнявших атмосферу.

Паровые двигателиSpilling

Паровой двигатель Spilling предлагается для использования на паровых котельных малой и средней мощности, в том числе:

· на мини-ТЭЦ, работающих на биотопливе, при тепловой мощности топлива от 2 МВт.

· при использовании на предприятии редуцированного пара расходом от 2,5 т/ч.

· на установках утилизации отходов.

Паровой двигатель SPILLING поставляется с генератором как готовый к работе электроагрегат с панелью системы управления и программными средствами. Кроме того, такой двигатель может работать на природном газе высокого давления в качестве детандера.

См. статью «Возвращение паровой машины» (на англ.)

Технические данные паровых двигателей

Электрическая мощность 100 — 1200 кВт

Частота вращения 750, 900, 1000 об/мин, переменная скорость для привода насосов, компрессоров и т.п.

Давление и температура пара на входе 4 — 60 бар изб., от температуры насыщения до 480°С.

Давление на выхлопе 0,2 — 15 бар изб.

Ориентировочная стоимость агрегата мощностью 500 кВт — 500 тыс. Евро, FCA.

Компания Eco Link Power Ltd. (Великобритания) комплектует паромоторными электроагрегатами Spilling единичной мощностью от 120 до 1200 кВт модульные когенерационные и тригенерационные энергетические установки AES, которые работают на биомассе. Рабочее давление свежего пара – от 0,6 до 6 МПа.

Когенерационне микротурбинные установки Flex Energy Микротурбины MT250 и МТ333обеспечивают длительную выработку электрической энергии высокого качества, работая совместно с внешней электросетью или изолированно, и одновременно могут полностью или частично покрывать тепловую нагрузку ГВС, промышленных процессов и т.п. Микротурбины могут работать в качестве надежного источника энергообеспечения резервной или основной мощности. Установки Flex Energy являются компактными сборно-разборными агрегатами, весьма удобными для эксплуатации и обслуживания. Основные узлы сконструированы как интегрированные блоки, в большинстве случаев заменяемые как один элемент. Большинство вспомогательных подсистем включены в базовый комплект.

Широкий диапазон газовых топлив с теплотворной способностью от 9130 до 70700 кДж/м3 и содержанием метана от 30 до 97 %, включая попутный нефтяной газ. Расчетный ресурс компонентов: 80 000 часов или 10 лет эксплуатации, по истечении которых рекомендуется выполнение первого капитального ремонта. Затраты на эксплуатацию минимальны Микротурбины имеют более длительные интервалы между обслуживаниями, чем газопоршневые машины. Интервал между регламентными работами, во время которых осуществляется проверка работоспособности оборудования и замена расходных материалов, составляет 8 000 часов. Плановые ремонты выполнятся на месте эксплуатации.     Присоединяется к объектам Заказчика простым подключением: газпроводов вентиляционных каналов электрокабелей водопроводов линии связи Варианты конструктивного исполнения для установки внутри помещения при температурах + 2… + 46 оС для наружной установки при температурах = - 60…+ 46 оС Технические характеристики микротурбин Flex Energy MT250 и MT333

Достоинства

• полностью автоматизированные готовые к работе модули
• электрический КПД – 30 %
• рабочий диапазон электрических нагрузок 10 – 100 %
• компактность и отсутствие вибрации (возможна установка на крыше )
• надежный источник электроэнергии и тепла для локальных энергопотребителей
• первый капремонт после 10 лет эксплуатации
• интервал между обслуживаниями – 8 тыс. ч
• межремонтные интервалы от 40 до 60 тыс. ч
• встроенная система утилизации тепла
• низкие вредные выбросы: NOx - < 5 ppm; CO - < 5 ppm (природный газ)
• встроенный дожимной газовый компрессор
• надежные в эксплуатации подшипники, охлаждаемые маслом
• наружный корпус, надежно защищающий от непогоды
• возможность работы параллельно с сетью, в автономном режиме или резерве
• возможность работы на газовом топливе с теплотворной способностью 9130 - 70700 и кДж/м3 и содержанием метана от 30 до 97 %, включая попутный нефтяной газ

Особенности технологии

В микротурбинных установках FlexTurbine воплощена самая чистая технология горения и низкая эмиссия при высоком КПД. В основе этого оборудования простой дизайн одновальной конструкции, являющейся одной из самых надежных в этом диапазоне мощности.

Газовое топливо подается в камеру сгорания где смешивается с воздухом, сжатым в компрессоре и предварительно подогретым в рекуператоре выхлопных газов турбины. Газовоздушная смесь, сгорая в камере сгорания, образует горячий, газ высокого давления.

Газ от камеры сгорания поступает в турбину и расширяется, передавая свою энергию ротору турбины. Ротор турбины, в свою очередь, вращает ротор электрического генератора через редуктор, одновременно вращая ротор компрессора, находящегося на том же валу. Выхлоп от турбины проходит через рекуператор, предварительно подогревая воздух, подаваемый компрессором в камеру сгорания.

Если газовая турбина оборудована дополнительной системой утилизации теплоты, то выхлоп из рекуператора проходит через теплообменник утилизации сбросного тепла. Этот теплообменник переносит теплоту выхлопного газа к сетевой воде, пригодной для использования в сетях отопления и ГВС. Далее выхлопной газ удаляется через дымовую трубу.

Теоретическое количество воздуха, необходимое

для сгорания 1 кг топлива:

, где, например и т.д.

- коэффициент избытка воздуха для различных скоростных режимов

- коэффициент избытка воздуха, для номинального режима работы двигателя, принимаем несколько больше, чем для бензина, так как учитываем, что сгорания газообразного топлива происходит более полно, т.е.

Для скоростных режимов в интервале от до , коэффициент избытка воздуха принимаем постоянным. Для скоростных режимов в интервале коэффициент избытка воздуха определяем

по ф