Судовая энергетическая установка обстановочного теплохода

 

,                         (2.4.3)

 

где    –  состав дизельного топлива в долях массы: – углерод,

; – водород, ; – кислород, .

 

. 

 

Масса воздуха, необходимая для сгорания 1 кг топлива

 

,                                               (2.4.4)

 

где    –  молярная масса воздуха, .

 

. 

 

Суммарный коэффициент избытка воздуха

 

,                                                  (2.4.5)

 

где    –  коэффициент продувки, ;

 –  коэффициент избытка воздуха для сгорания, .

Принимаем .

 

. 

 

Расход воздуха дизелем , кг/ч

 

,                                             (2.4.6)

, 

 

Количество отработавших газов , кг/ч

 

,                                    (2.4.7)

, 

 

Количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива с теоретически необходимым количеством воздуха , кмоль/кг

 

,                              (2.4.8)

. 

 

Количество воздуха, расходуемого при сжигании 1 кг топлива , кмоль/кг

 

,     (2.4.9)

. 

 

Количество отработавших газов, расходуемых при сжигании 1 кг топлива , кмоль/кг

 

,     (2.4.10)

. 

 

Объемная доля продуктов сгорания в отработавших газах

 

,   (2.4.11)

. 

 

 Объемная доля избыточного воздуха в отработавших газах

 

,   (2.4.12)

. 

 

 Молярная масса отработавших газов , кг/кмоль

 

,  ( 2.4.13)

. 

 

2.5 Определение основных параметров рабочего процесса

двигателя

 

 Первоначальной задачей является определение давлений и температур рабочего тела в цилиндре в характерных точках индикаторной диаграммы и установление закономерностей изменения этих параметров в промежуточных точках.

Индикаторная диаграмма представляет зависимость давлений в цилиндре от его объема. Характерными точками расчетной индикаторной диаграммы, которая представлена на рисунке 3, являются:

– – начало сжатия рабочего тела;

– – конец сжатия и начало сгорания;

– – конец сгорания и начало расширения;

– – конец расширения рабочего тела.

Точки a и b соответствуют наибольшему объему цилиндра , определяемому при положении поршня в нижней метровой точке.

Точка всегда соответствует наименьшему объему цилиндра , определяемому положением поршня в верхней метровой точке.

Рабочий объем цилиндра , дм³

 

, ( 2.5.1)

. 

 

Объем камеры сжатия , дм³

 

, (2.5.2)

 

где    –  геометрическая степень сжатия, .

 

. 

 

Объем цилиндра, соответствующий точке индикаторной диаграммы , дм³

 

, (2.5.3)

 

 

Объем цилиндра, соответствующий точке индикаторной диаграммы равен объему цилиндра, соответствующему точке

 

 

 

Давление в начале сжатия , МПа

 

, (2.5.4)

, 

 

Температура рабочего тела в начале сжатия , К

 

, (2.5.5)

 

где    –  приращение температур в результате подогрева, . Принимаем ;

 –  коэффициент остаточных газов, ;

 –  температура остаточных газов, . Принимаем ;

 –  температура воздуха перед выпускными органами дизеля, , К.

 

, (2.5.6)

. 

. 

 

 

 

Коэффициент наполнения

 

, (2.5.7)

 

где    –  давление воздуха перед впускными органами цилиндра.

 

.

 

Давление рабочего тела в конце сжатия , МПа

 

, (2.5.8)

 

 

где    –  средний показатель политропы сжатия, .

Принимаем .

 

 

 

Температура рабочего тела в конце сжатия , К

 

, (2.5.9)

 

, 

 

Параметры конца сгорания характеризуются давлением и температурой . Прежде чем определить температуру , необходимо вычислить некоторые характерные величины, относящиеся к процессу сгорания.

Коэффициент молекулярного изменения при сгорании топлива

 

, (2.5.10)

 

 

Действительный коэффициент молекулярного изменения

 

, (2.5.11)

 

 

Степень повышения давления при сгорании

 

, (2.5.12)

 

где    –  наибольшее давление сгорания,

Принимаем .

 

 

 

Температура рабочего тела в конце сгорания определяется из уравнения сгорания

 

, (2.5.13)

 

где    –  универсальная газовая постоянная, ;

 –  средняя молярная теплоемкость при постоянном объеме для продуктов сгорания в точке ,

 

;                                   (2.5.14)

 

 –  коэффициент эффективного выделения тепла до точки ,

;

 –  средняя молярная теплоемкость при постоянном объеме для

продуктов сгорания в точке ,

 

;                                       (2.5.15)

 

 –  температура рабочего тела в точке ,

 

;                                              (2.5.16)

 

 –  средняя молярная теплоемкость при постоянном объеме для

продуктов сгорания,

 

; 

 

 –  средняя молярная теплоемкость при постоянном объеме для

воздуха,

 

; 

 

В формулы 2.8.13, 2.8.14, 2.8.15 значения температур подставляем для тех точек, в которых вычисляем теплоемкость.

Так как зависит от температуры , то уравнение 2.8.14 решаем методом последовательных приближений со сходимостью .

Вычисляем при 

 

, 

;

 

Обозначим правую часть уравнения  2.8.13 через

 

.

 

Примем первое приближение и вычисляем при

 

;

 

 

Температура рабочего тела в конце сгорания ,

 

, 

 

 

Проверим условие сходимости

 

, 

 

 

Сходимость обеспечивается.

Температура рабочего тела в конце сгорания

 

; 

 

 

Степень предварительного расширения

 

, (2.5.17)

. 

 

Объем цилиндра, соответствующий концу сгорания

 

, (2.5.18)

. 

 

Степень последующего расширения продуктов сгорания

 

, (2.5.19)

. 

 

Давление рабочего тела в конце расширения , МПа

 

, (2.5.20)

 

где    –  средний показатель политропы расширения, . Принимаем .

 

, 

 

Температура рабочего тела в конце расширения

 

, (2.5.21)

. 

 

После определения параметров характерных точек индикаторной диаграммы вычисляем показатели рабочего процесса.

Расчетное среднее индикаторное давление , МПа

 

, (2.5.22)

.

 

Среднее индикаторное давление действительного цикла , МПа

 

, (2.5.23)

 

где    –  коэффициент полноты индикаторной диаграммы, . Принимаем .

 

, 

 

Индикаторная мощность двигателя , кВт

 

, (2.5.24)

. 

 

Индикаторный КПД

 

, (2.5.25)

. 

 

Удельный индикаторный расход топлива

 

, (2.8.26)

. 

 

Эффективная мощность

 

, (2.5.27)

 

. 

 

Эффективный КПД

 

, (2.5.28)

 

. 

 

Удельный расход топлива

 

, (2.5.29)

. 

 

Часовой расход топлива дизелем

 

, (2.5.30)

 

. 

 

          Расход воздуха дизелем и количество отработавших газов вычисляется по формулам

 

; 

   

;

2.6 Построение индикаторной диаграммы

 

Индикаторную диаграмму построим в координатах давление – объем . По оси абсцисс откладываем вычисленные ранее объемы , соответствующие положению характерных точек индикаторной диаграммы. По оси ординат откладываем вычисленные ранее давления, соответствующие характерным точкам индикаторной диаграммы.

В процессе наполнения цилиндра воздухом (линия ) и выпуска отработавших газов (линия ) условно примем, что давление по линии сохраняется постоянным, при этом ; соединив точку с точкой , получим условное изображение процессов наполнения и выпуска.

Далее определяем координаты и расширения . Для этого выразим значение давления точек этих политроп при заданном текущем объеме .

При заданном угле поворота коленчатого вала текущий объем , дм³

 

, (2.6.1)

 

где    –  площадь поперечного сечения цилиндра, дм²

 

, (2.6.2)

 

 –  перемещение поршня от верхней мертвой точки, дм.

Давление промежуточных точек политропы сжатия , МПа

 

, (2.6.3)

 

Давление промежуточных точек политропы расширения , МПа

 

, (2.6.4)

 

Расчет политроп сжатия и расширения выполнен в таблице 2.1

 

Таблица 2.1 Расчет политроп сжатия и расширения

0	0,000	0,240	4,800	7,000
15	0,038	0,370	3,533	7,000
30	0,147	0,500	1,811	4,306
45	0,317	0,800	0,951	2,382
60	0,530	1,176	0,561	1,466
75	0,767	1,595	0,370	0,998
90	1,007	2,018	0,267	0,742
105	1,233	2,417	0,209	0,591
120	1,430	2,765	0,174	0,499
135	1,590	3,048	0,152	0,441
150	1,706	3,253	0,139	0,407
165	1,777	3,378	0,132	0,388
180	1,800	3,420	0,130	0,380