Тепловой баланс

Тепловой баланс

Тепловой баланс (табл. 1) показывает, на что расходуется теплота, выделяющаяся при сгорании топлива в двигателе.

Чем больше доля теплоты, преобразованной в полезную работу на маховике двигателя, по отношению к теплоте, выделяющейся при сгорании топлива, тем выше экономичность двигателя. Экономичность двигателя зависит от конструкции и режима работы двигателя, а также регулировки приборов питания и зажигания и других приборов и механизмов.

Преимущества дизельных двигателей заключаются в следующем:

1. доля теплоты, превращенной в полезную работу, составляет 29—42% против 21—28% у карбюраторных двигателей, поэтому удельный расход топлива у дизельных двигателей на 25—35% ниже;
2. для дизельных двигателей используют более дешевые, чем бензин, тяжелые сорта нефтяных топлив;
3. дизельное топливо менее опасно в пожарном отношении, чем бензин.

Однако в связи с более высокой степенью сжатия и повышенным давлением при сгорании — расширении газов значительно повышаются требования к прочности деталей кривошипно-шатунного механизма и точности действия топливоподающей аппаратуры, что в свою очередь усложняет конструкцию и вызывает увеличение веса дизельных двигателей сравнительно с карбюраторными. Кроме того, дизельные двигатели более шумны в работе, пуск их при низких температурах труднее, чем пуск карбюраторных двигателей, они требуют применения высококачественного смазочного масла и тщательно отфильтрованного дизельного топлива.

В табл. 2 приведены основные данные по двигателям отечественных грузовых автомобилей повышенной проходимости и большой грузоподъемности.

1 Общее число колес и число его ведущих колес.

2 ЗМЗ — Заволжский моторный завод; ЯМЗ — Ярославский моторный завод.

Статья из книги «Устройство грузового автомобиля». Читайте также другие статьи из

Что такое тепловой баланс двигателя внутреннего сгорания

В статье рассмотрены эрозионно-коррозионные разрушения поверхностей систем охлаждения дизельных двигателей и возможности их снижения применением в качестве теплоносителя антифризов и повышения их температуры. Приведены результаты экспериментальных исследований влияния воды, антифриза и их температуры на составляющие теплового баланса высокооборотного судового дизеля. Показано, что использование антифриза с температурой 90 ºС не нарушает работу судового дизель-генератора 3Ч12/14,5, ранее рассчитанного на использование в качестве теплоносителя воды при 70 °С. Установлено, что при переходе от охлаждения водой при 70°С к охлаждению антифризом при 90°С происходит перераспределение составляющих теплового баланса, небольшое увеличение эффективного КПД дизельного двигателя и сокращение расхода топлива, особенно заметное при нагрузках 25 и 50 %. При этом не были отмечены какие-либо негативные явления, что открывает перспективы повышения температуры антифриза до 100 — 110 °С без проведения существенных конструктивных изменений судовых высокооборотных ДВС.

Ключевые слова

судовые высокооборотные ДВС, эрозионно-коррозионные разрушения, жесткость рабочего процесса, вибрации, охлаждающие жидкости, антифризы, тепловой баланс, ультразвуковые теплорасходомеры

Читать полный текст статьи: PDF

Список литературы

Валишин А. Г. Оценка ресурса цилиндровых втулок ДВС при вибрационной кавитации / А. Г. Валишин // Двигателестроение. — 2008. — № 1. — С. 20-23.
Безюков O. K. Основы комплексного совершенствования охлаждения судовых дизелей: автореф. дис. … д-ра техн. наук / O. K. Безюков. — СПб.: СПГУВК, 1996. — 48 с.
Безюков О. К. Основные положения феноменологической модели эрозионно-коррозионных разрушения втулок цилиндров судовых дизелей / O. K. Безюков // Материалы докладов Всероссийской научно-методической конференции. — СПб.: СПГУВК, 1994. — С. 117-119.
Ионас Я. Б. К вопросу о влиянии скорости нарастания давления в камере сгорания на силовую нагрузку деталей поршневого двигателя / Я. Б. Ионас // Научные труды НАТИ. — 1970. — № 204. — С. 46-58.
Иванченко А. А. Выбор математической модели для описания характеристики выгорания топлива при доводке судового дизеля с аккумуляторной топливной системой / А. А. Иванченко, В. А. Макуров, И. А. Щенников // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2014. — № 2 (24). — С. 31-37.
Афанасьева О. В. Безразмерные комплексы для оценки виброактивности судовых дизелей / О. В. Афанасьева, О. К. Безюков // Эксплуатация морского транспорта. — 2008. — № 4. — С. 56-59.
Кавтарадзе Р. З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы / Р. З. Кавтарадзе. — М.: Изд- во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. — 720 с.
Тимофеев В. Н. Температурный режим двигателей внутреннего сгорания и его регулирование / В. Н. Тимофеев. — Чебоксары: Изд-во Чувашского университета, 2008. — 358 с.
Лудченко Н. И. Энергетическая эффективность подогрева наддувочного воздуха для ДВС типа ЧН21/21 / Н. И. Лудченко, О. Л. Мартемьянов, В. О. Сайданов [и др.] // Двигателестроение. — 2010. — № 3. — С. 22-25.
Разуваев А. В. Повышение эффективности систем высокотемпературного охлаждения двигателей / А. В. Разуваев // Двигателестроение. — 1999. — № 2. — С. 9-11.
ГОСТ 28084-89. Жидкости охлаждающие низкозамерзающие. Общие технические требования. — М.: Стандартинформ, 2007. — 15 с.
Кириченко Н. Б. Автомобильные эксплуатационные материалы / Н. Б. Кириченко. — М.: Академия, 2014. — 208 с.
Ратнов А. Е. Улучшение эксплуатационных показателей транспортных двигателей путем совершенствования свойств охлаждающих жидкостей: автореф. дис. … канд. техн. наук / А. Е. Ратнов. — СПб.: СПбГПУ, 2005. — 21 с.
Иванов И. Е. Системы охлаждения поршневых ДВС: монография / И. Е. Иванов, М. Г. Шатров, Т. Ю. Кричевская. — М.: Изд-во МАДИ, 2015. — 168 с.
Безюков О. К. Исследование динамики и эрозионного воздействия кавитационных полостей / О. К. Безюков, Ю. А. Гривнин, С. П. Зубрилов, В. А. Ларин // Межвузовский сб. «Взаимодействие тел с границами раздела сплошной среды». — Чебоксары, 1985. — С. 21-29.
Красножон П. А. Оценка влияния экологически безопасных охлаждающих жидкостей на надежность автомобильных двигателей / П. А. Красножон, В. А. Янчеленко // Двигателестроение. — 2014. -№ 2. — С. 35-37.
Макарьев Е. В. Стенд для теплобалансных испытаний судовых ДВС / Е. В. Макарьев // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2014. — № 5 (27). — С. 12-19.

Об авторах

Безюков Олег Константинович — доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»

Макарьев Евгений Васильевич — кандидат технических наук, ведущий инженер проектов

Махфуд Мохаммед Маад — аспирант

1.3 Тепловой баланс двс

Тепловой баланс ДВС имеет вид:

— теплота, выделившаяся при сгорании топлива, кВт;

— расход топлива, кг/час;

— низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;

— эффективная мощность двигателя – это мощность, измеряемая на выходном фланце коленчатого вала, для дизельредукторных агрегатов (ДРА) эффективная мощность измеряется на выходном фланце редуктора, кВт;

— сумма потерь теплоты, раздельно для каждого вида потерь, кВт.

Двигатели внутреннего сгорания относятся к числу наиболее экономичных двигателей. КПД лучших образцов ДВС достигает 50—51 %, однако и в них теряется значительное количество теп­лоты: около 30—40 % с выпускными газами, 10—20 % с охлаждающими средами (вода, масло).

На рисунке 1 представлена типовая диаграмма теплового ба­ланса судовых ДВС. Все потоки энергии выражены в процентах, причем за 100 % принята химическая энергия сжигаемого топлива q_т.

Рисунок 1 — Типовая диаграмма теплового баланса судовых ДВС

Полезная работа — q_пол характеризуется эффективным КПД двигателя – η_е.

К потерям энергии относятся: q_н — теплота, рас­сеиваемая двигателем в окружающую среду и неучтенные потери; q_M — теплота, отводимая с охлаждающим маслом; q_вод — теплота, отводимая от двигателя с охлаждающей водой; q_в — теп­лота, отбираемая от воздуха в воздухоохладителе турбонагнетателя, данный вид потерь имеет существенное значение и учитывается при высоких степенях наддува; q_вг — теплота, отводимая с выпускными газами двигателя.

Большие значения КПД – для ДВС большей мощности, меньшие для ДВС небольшой мощности. При мощности ДВС менее 200 кВт, нижнее значение КПД может уменьшиться на 5%.

Анализируя диаграмму можно сделать несколько выводов:

1 Наибольшие потери – это потери с выхлопными газами, далее, по степени убывания, идут потери с охлаждающей водой, потери теплоты, отбираемые от воздуха в воздухоохладителе турбонагнетателя, потери теплоты, отводимые с охлаждающим маслом, потери теплоты, рас­сеиваемые двигателем в окружающую среду и прочие неучтенные потери.

2 Наибольшие потери – это потери с выхлопными газами, далее, по степени убывания, идут потери с охлаждающей водой, потери теплоты, отбираемые от воздуха в воздухоохладителе турбонагнетателя, потери теплоты, отводимые с охлаждающим маслом, потери теплоты, рас­сеиваемые двигателем в окружающую среду и прочие неучтенные потери.

3 Тепловой баланс дизеля зависит от его типа. При этом принята следующая классификация дизелей по частоте вращения n об/мин:

Малооборотные дизеля (МОД) n = 90…300 об/мин;

среднеоборотные дизеля (СОД) n = 300…1000 об/мин;

высокооборотные дизеля (ВОД) n≥ 1000 об/мин.

4 Наибольший КПД и соответственно наименьший удельный расход топлива, у МОД, наибольший – у ВОД.

1.4 Тепловой баланс судовых котлов

Котлы (парогенераторы) относятся к наиболее совершенным преобразователям энергии. Их КПД составляет в среднем 80… 95%.

по назначению — главные, вырабатывающие пар для главных двигателей и других потребителей; вспомогательные, обеспечивающие всех судовых потребителей (кроме главных двигателей) паром или горячей водой. В отдельных случаях, как например, на супертанкерах типа «Крым», вспомогательные котлы могут обеспечивать паром и главные турбины при внештатных режимах работы судна;

по роду производимого теплоносителя — производящие пар (перегретый, охлажденный, насыщенный); производящие горячую воду (водогрейные котлы);

по роду используемого топлива — использующие жидкое топливо (мазут или дизельное); газообразное топливо (метан); твердое топливо (каменный уголь);

К отдельной группе относят вспомогательные утилизационные котлы, не имеющие топки и использующие теплоту уходящих газов ДВС или газовых турбин средней и большой мощности.

Тепловой баланс котлов имеет вид:

_{для парогенераторов :}

_{для водогрейных котлов:}

— химическая теплота, выделившаяся при сгорании топлива, кВт;

— полезная работа, определяемая количеством и качеством вырабатываемого теплоносителя (пара или воды), кВт;

— расход топлива, кг/час;

— низшая теплота сгорания топлива, кДж/час;

паропроизводительность котла по перегретому, охлажденному и насыщенному пару, кг/час;

энтальпия перегретого, охлажденного, насыщенного пара, питательной, горячей, продувочной воды соответственно, кДж/кг;

— потери с продувочной водой, кг/час. Для водогрейных котлов и котлов, производящих только насыщенный пар в данных расчетах не учитываются;

— сумма потерь теплоты, раздельно для каждого вида потерь, кВт.

На рис. 2 показана диаграмма теплового ба­ланса для котлов различного назначения.

Все потоки энергии выражены в процентах, причем за 100 % принята химическая энергия сжигаемого топлива q_т.

Полезная работа — q_пол, характеризуется КПД котла – η_к.

К потерям энергии относятся: q₅ — потери тепла в окружающую среду и неучтенные потери; q₄ — потери тепла от механической неполноты сгорания топлива, для котлов на жидком топливе принимаются равным нулю; q₃ — потери тепла от химической неполноты сгорания топлива; q₂ — потери тепла с уходящими газами.

Анализируя диаграмму можно сделать несколько выводов:

1 Наибольшие потери – это потери с уходящими газами.

2 Тепловой баланс котла зависит от его типа. Главные котлы имеют большой КПД, т.к. на них установлено предельно развитое хвостовое хозяйство – многосекционные экономайзеры и воздухоподогреватели, а также применены другие конструктивные усовершенствования.

Тепловой баланс пароперегревателей, имеющих собственную топку, имеет вид аналогичный рисуноку 2 и рассчитывается аналогично.

Тепловой баланс утилизационных котлов (УК) рассчитывается аналогично расчету теплообменных аппаратов, что изложено далее.

Рисунок 2 — Диаграмма теплового баланса для котлов различного назначения

Тепловой баланс двигателя — неизбежность потери, сведённая к минимуму

Каждому автовладельцу известен такой термин, как тепловой баланс двигателя внутреннего сгорания. Но что конкретно несёт в себе это понятие, как измеряется и на каких принципах основано? Об этом и пойдёт речь сегодня.

Не все до конца понимают, что такое тепловой баланс двигателя

Если бы можно было приостановить действие некоторых законов физики, человечество уже давно достигло пика своего развития. Но к сожалению, это невозможно. Нам остаётся только использовать их, стараясь извлечь при этом максимальную пользу.

С одним из таких «неудобных» законов напрямую связан низкий КПД силовых агрегатов автомобиля. Что же не позволяет нам развивать немыслимую скорость на своих авто? Какие попытки предпринимаются для преодоления этого препятствия? Сейчас мы с вами выясним.

Почему я не сокол, отчего не летаю

Принципы термодинамики — это основа работы всех двигателей внутреннего сгорания. Один из них гласит, что при сгорании топлива часть выделяемого тепла в любом случае поглощается средой происхождения реакции.

Видео о том, как работает ДВС:

В нашем случае средой является сам двигатель и его системы. Лишь от 20 до 40 процентов вырабатываемой здесь тепловой энергии используется для работы мотора. Остальное утрачено безвозвратно. Но куда девается львиная доля энергии? Давайте разбираться по порядку.

Формулировка понятия тепловой баланс

Итак, тепловой баланс двигателя — это разделение расхода полученной энергии на полезную отдачу и растрату впустую. Неизменным здесь является равенство или же баланс между полученной энергией тепла и её расходом.

Что такое полезная отдача, все мы понимаем. Это движение автомобиля. О расходе впустую — читаем дальше.

Причины утраты

Существует несколько причин бесполезной растраты энергии тепла. Вот так мы их сформулируем:

• преодоление энергией сопротивления при сжатии;
• отдача тепла двигателем в окружающую среду, по простому его остывание;
• выход в атмосферу вместе с выхлопными газами;
• расход некоторой доли энергии на работу охлаждающей системы двигателя и других агрегатов.

Количественный показатель этих статей растраты величина непостоянная. А от чего он зависит, мы рассмотрим в следующем разделе.

Как рассчитывают потери

Количество растраты зависит от многих факторов. Вот основные из них:

• нагрузка на силовую установку;
• конструкция двигателя и его систем;
• скорость, развиваемая автомобилем;
• состав смеси горючего;
• температура окружающей среды.

Скорость автомобиля может влиять на растраты энергии

Здесь стоит также отметить, что теплопотеря дизельного агрегата, ниже чем у карбюраторного на 10–12%. Измерения ведутся в абсолютных единицах теплопередачи или в процентном соотношении количества полученного тепла к его бесполезной растрате. Всё это принимается во внимание при расчётах, что позволяет достичь извлечения максимальной пользы от горения топлива.

Извлечение пользы из потери

Конечно, при таком раскладе, потеря энергии всё ещё остаётся огромной. Но в отрасли постоянно ведутся работы по улучшению результата. Внедряются инновационные методы разработки двигателей внутреннего сгорания.

Например, турбонаддувная установка, использующая давление горячих газов из выхлопа. Принцип её работы заключается в том, что выхлопные газы приводят в действие турбину, вращающую лопасти нагнетателя, обогащающего компонента внутрь цилиндров двигателя.

Ещё тепло, поглощённое охлаждающей системой, используется для обогрева салона автомобиля. Горячая вода из радиатора подаётся по нагревательным элементам печки.

Подведение итога

Мы выяснили, что такое тепловой баланс двигателя и какие есть потери энергии тепла. Вывод отсюда следующий — существующие на сегодняшний день двигатели внутреннего сгорания далеки от совершенства. Но разработчики не сидят сложа руки, ведутся постоянные поиски способа обернуть потерю в пользу. И нам остаётся только пожелать им удачи.

Внизу можно высказываться по теме. Ждём ваших комментариев. До скорых встреч!