Тепловой и эксергетический балансы теплоэнергетических установок. 
Вторичные энергетические ресурсы

Тепловой баланс двигателя.

Дизельные двигатели относятся, как известно, к числу наиболее экономичных тепловых двигателей. Коэффициенты полезного действия лучших образцов достигают 50—51%, однако и в них теряется значительное количество теплоты. Тепловой баланс двигателя показывает распределение теплоты, выделенной при сгорании топлива.

Тепловые балансы часто составляют на 1 кг сжигаемого топлива или на 1 ч работы двигателя.

В расчете на 1 ч работы двигателя тепловой баланс ДВС, кДж/ч, записывают как.

где В_ч — часовой расход топлива, кг/ч; <2? — низшая теплота сгорания топлива, выделяющаяся при сгорании 1 кг топлива, кДж/кг; N_e — эффективная мощность ДВС, кВт; Q, — потери теплоты с выпускными газами, кДж/ч; Оохл ^— потери теплоты с охлаждающей водой, кДж/ч; Q_M — потери теплоты со смазочным маслом, кДж/ч; — остаточный член теплового баланса, учитывающий потери теплоты в окружающую среду, погрешности при определении составляющих теплового баланса и т. п.

Составляющие теплового баланса рассчитываются по данным испытаний — замеров расходов газов, охлаждающей воды, масла, а также температур сред на входе и на выходе из ДВС. Часто эти составляющие записывают в относительных единицах:

или где г_е — эффективный КПД двигателя;

где g_e — удельный эффективный часовой расход топлива, кгДкВт • ч);

q_r — доля теплоты, выделившейся при сгорании топлива, теряемой с выпускными газами; q_0XJi q_M q_0CT — доли теплоты, теряемой с охлаждающей водой, маслом, и остаточный член теплового баланса.

Тепловой баланс для двигателей различных типов не одинаков и зависит от тактности, быстроходности, конструкции, нагрузки, степени наддува и ряда других факторов.

На рис. 6.7 приведены ориентировочные составляющие теплового баланса ряда судовых дизелей при работе на номинальном режиме. Тепловой баланс не учитывает энергетическую неравноценность теплоты и работы, а также неравноценность теплоты различного потенциала, не позволяет обнаружить основные очаги необратимости. Эксергетический баланс лишен этих недостатков.

Рис. 6.7. Диаграмма теплового баланса ДВС:

X — химическая энергия топлива; МОД, СОД, ВОД — соответственно мало-, среднеи высокооборотные двигатели; — теплота, рассеиваемая двигателем в окружающую среду; q_M — теплота, воспринимаемая маслом в узлах трения двигателя; q_0XJl — теплота, отводимая от двигателя с охлаждающей пресной водой;

<7_В — теплота, отбираемая от воздуха в воздухоохладителе; q_r — теплота, отводимая с выпускными газами двигателя (все значения даны в процентах) Эксергетический баланс двигателя может быть составлен как соотношение исходной эксергии Ех_ь полезно преобразованной эксергии? г_1Юле311 и суммы различных потерь эксергии в процессе преобразования:

К исходной эксергии обычно относят химическую эксергию топлива. Часто ее определяют как высшую теплоту сгорания топлива реже — как низшую теплоту сгорания топлива Q%. В последнем случае оказывается, что эксергетический КПД двигателя равен значению эффективного КПД, в других случаях эти КПД несколько различаются.

К потерям эксергии относят все последствия диссипации и деградации энергии, вычисляемые и учитываемые в зависимости от целей составления баланса эксергии. Так, при определении эксергетической ценности различных потерь теплоты теплового двигателя, превращении этих потерь во вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) к потерям эксергии можно отнести следующие:

• потери от необратимости процесса горения топлива (деградации энергии):

• • потери с выпускными газами ДЕх_г;
• • потери с охлаждающей средой Д? г_охл;
• • потери с маслом Д? г_м;
• • остаточные потери ДЕх_ост.

В расчете на 1 ч работы двигателя эксергетический баланс может быть записан как.

где Т₀ — температура окружающей среды (Т₀ = 300 К); Т_]УТ₂— средние термодинамические температуры подвода и отвода теплоты, К (см. рис. 5.6); Г_охл, Т_м — средние абсолютные температуры охлаждающей среды и масла, К. В относительных единицах эксергетический баланс примет вид.

где &_вх_юр — доля потерь эксергии от необратимости процесса горения;

&_еХг — доля потерь эксергии с выпускаемыми газами;

&ех_охл — доля потерь эксергии с охлаждением;

и т.д.

Рис. 6.8. Эксергетический баланс ДВС.

При расчете составляющих эксергетического баланса для определения средних термодинамических температур может быть использована формула.

где Q — количество теплоты, участвующей в процессе; AS — изменение энтропии в процессе.

В случаях, когда подвод или отвод теплоты производится в ходе какоголибо политропного процесса (в том числе частного), значение средней термодинамической температуры может быть рассчитано по формуле.

где 1 и Т₂ — абсолютные температуры начала и конца процесса, К.

Вторичные энергетические ресурсы.

Величины эксергии, теряемой с выпускными газами и охлаждающей средой, являются вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР) ДВС.

Для расчета ВЭР,., кДж/ч, температуру выпускных газов следует принимать равной не средней термодинамической температуре отвода теплоты Т₂ (внутри цилиндра ДВС), а температуре газов в выпускном коллекторе за турбонагнетателем (t_v = 30(Н500°С):

Температура охлаждающей среды может быть принята как t_0X1 = = 7(Н80°С. С целью увеличения ВЭР_0ХЛ, кДж/ч, может быть использована система высокотемпературного охлаждения (система ВТО) ДВС, когда температура повышается до ?_охл = 150-Н60°С:

Таким образом, эксергетический баланс не заменяет тепловой баланс, а дополняет его, позволяет выявить пути повышения эффективности двигателя, снижая потери от необратимости процессов, сопоставить между собой величины вторичных энергетических ресурсов и указать пути повышения эффективности установки в целом.