Внешний и внутренний тепловой баланс

Эффективность преобразования теплоты сгорания топлива в полезную работу, в тепловой энергетической установке, оценивается с помощью энергетического теплового баланса. Теплота, выделившаяся при сгорании топлива, только частично переходит в полезную эффективную работу на валу двигателя. Значительная её часть уносится с отработавшими газами, передается в систему охлаждения, окружающую среду и т.д. т.е. составляет тепловые потери.

Распределение теплоты, выделившееся при сгорании топлива, на эффективную работу и отдельные виды тепловых потерь называется тепловым балансом.

Различают внешний и внутренний тепловой баланс.

- Распределение теплоты, выделяемой при сгорании топлива, на основные составляющие, определяемые экспериментально по так называемым внешним показателям работы двигателя (эффективная мощность, температура воды, масла и др.) называется внешним тепловым балансом.

- Распределение теплоты, выделяемой пари сгорании топлива, на основные составляющие, определение которых связано со знанием индикаторных (внутренних) показателей двигателя получаемых из индикаторных диаграмм называется внутренним тепловым балансом.

Составление теплового баланса, как заключительного этапа расчета, имеет следующее назначение:

Первое — это вычисление величины тепловых потерь. Зная потери теплоты можно наметить способы их уменьшения за счет использования новых технологий и принципов утилизации теплоты. В результате использования тепловых потерь можно спроектировать установку с более высо­ким коэффициентом полезного действия, чем коэффициент полез­ного действия самого двигателя;

Второе —заключается в том, что знание тепловых потерь даёт основание для проектирования вспомогательных систем двигателя (водяной, масляной и др. систем) и проведения оценки их эффективности. Например, из теплового баланса определяется температура выхлопного газа, необходимая для рас­чета и конструирования турбокомпрессора (при газотурбинном и комбинированном наддуве). Таким образом, составление теплового баланса имеет непосредственно практическое значение;

Третье —чисто расчетное. Составление теплового баланса позволяет проконтролировать правильность расчетов. Расход теплоты должен быть равен приходу. Если баланс не сходится, то это указывает на неправильность в расчете.

Уравнение внешнего теплово­го баланса для комбинированного двигателя с охлаждением воздуха пос­ле компрессора в абсолютных величинах имеет вид.

Уравнение внешнего теплово­го баланса для комбинированного двигателя с охлаждением воздуха пос­ле компрессора в абсолютных величинах .

заменяя

получим

Количество подведенной с топливом располагаемой (хими­ческой) теплоты.

где: - коэффициент эффективного тепловыделения ( показывающий полноту сгорания топлива);

- расход топлива, ;

- низшая теплотворная способность топлива, .

Количество физической теплоты, внесенной с воздухом:

где : - расход воздуха, ;

- средняя массовая удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, ;

t_к - температура воздуха после компрессора, К (перед охладителем воз­духа).

Количество физической теплоты, внесенной в цилиндр с топли­вом,

- расход топлива, ;

с_Т — средняя массовая удельная теплоемкость топлива , ;

t_Т - температура топлива, К .

В связи с малым относительным количеством подаваемого топлива и низкой его температурой абсолютная вели­чина указанного количества теплоты незначительна и при опреде­лении теплового баланса обычно не учитывается т.е.

Количество теплоты, превращаемой в полезную работу двигателя,

Где: 3600 тепловой эквивалент 1 кВт (1кВт = 3600кДж);

– соответственно эффективная мощность(кВт) и КПД двигателя.

Количество теплоты, отводимой с охлаждающими жидкостями,

,

состоит из теплоты, отведенной:

- в охлаждающую воду

,

- и масло

.

Здесь — расход воды и масла, кг/ч;

с_в и с_м — удельная теплоемкость воды и масла, кДж/(кг-°С);

- температуры воды и масла на входе и выходе из двигателя, К.

Следует учитывать, что теплота, отведенная с охлаждающими жидкостями, включает теплоту охлаждения цилиндропоршневой группы, передаваемую как за счет теплоотдачи от газа к стенкам, так и за счет механических потерь трения поршня и поршне­вых колец о втулку. Кроме того, теплота, выделяемая при трении подшипников, уносится охлаждающим маслом. В тепло­ту, отданную в систему охлаждения, входит также работа, со­вершаемая водяным и масляным насосами. Для четырех­тактных двигателей учитывается также работа насосных потерь, т.е. работа, затраченная на наполнение цилиндра свежим воздухом и очистку цилиндра от газов.

Остаточный член теплового баланса уравнения наряду с тепловыми по­терями в окружающую среду от наружных нагретых поверхностей двигателя учитывает остальные потери и находится в пределах 2-3 % общего количества подведенной теплоты.

Количество теплоты, отводимой от воздуха после компрессора в охладителе,

где: - средняя массовая удельная теплоемкость воздуха при

постоянном

давлении, ;

t_к, t_к1 — температуры воздуха до и после воздухоохладителя, К.

Количество теплоты, уносимой отработавшими газами,

где: — средняя массовая удельная теплоемкость ОГ, кДж/(кг·К),

t_Т — температура ОГ в выпускном коллекторе (перед тур­биной), К.