Баланс теплоты и работы в тепловом двигателе

Как рассчитывается тепловой баланс ДВС

В теории двигателестроения много внимания уделяется газообмену и распределению тепла в процессе работы ДВС. Немаловажный аспект в понимании работы – тепловой баланс двигателя.

БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ

Тепловым балансом называют соотношение количества теплоты, выполнившее полезную работу, к теплоте, растраченной впустую. Под напрасной растратой подразумеваются потери теплоты на нагрев элементов окружающей среды. Топливный баланс может быть составлен в процентном соотношении либо в единицах энергии (калориях, джоулях). В зависимости от преследуемых целее, уравнение теплового баланса позволяет подсчитать соотношение общего количества теплоты на 1 час работы, фиксированный цикл, на 1 кг израсходованного вещества либо на единицу получаемой продукции.

В области техники понятие применяется для анализа и изучения различного рода тепловых процессов, происходящих в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках, печах и т.д. Полученные из уравнения данные позволяют рассчитать коэффициент полезного действия как всего агрегата в целом, так и отдельных элементов установки. Иными словами, расчет теплового баланса позволяет нам узнать, насколько эффективно внутри двигателя происходит сгорание топливовоздушной смеси (ТПВС).

УРАВНЕНИЕ

Тепловой баланс может быть выражен в форме уравнения, одна часть которого будет показывать приход тепла в систему, а вторая – потери и расход. Для лучшего наглядного представления значения легко трансформируются в диаграммы и таблицы.

Левая часть уравнения теплового баланса (Q) — общее количество теплоты, подведенного в двигатель с горючим, вторая часть показывает распределение теплотворной способности топлива, где

• Q_e –количество полезного тепла. Показывает количество теплоты, израсходовавшейся на преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Это и будет эффективно расходованная энергия.
• Q_охл –тепло, растраченное на обогрев антифриза. В двигателях с воздушным охлаждением этот параметр будет обозначать потери на нагрев воздуха.
• Q_газ–количество теплоты, вышедшее из двигателя вместе с отработавшими газами.
• Q_хим –потери тепла вследствие неполноты сгорания топлива.

• Q_ост –остаточные потери, не учтенные в остальных пунктах.
• Q_м –передавая смазочным материалам теплота.

Если говорить о процентном выражении, то Q – 100% полученного тепла. Процентное соотношение общего количества тепла к каждому виду потерь можно получить по формуле:

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Большая часть теплоты при сгорании топлива уходит на нагрев поршня, стенок цилиндра и ГБЦ, но наибольшие потери происходят при выходе выхлопных газов. Именно поэтому использование выхлопа для раскручивания турбины повышает КПД двигателя внутреннего сгорания. Большая часть полезной работы затрачивается на преодоления трения, сжатия пружин и насосные потери, связанные с перекачиванием технических жидкостей (моторного масла, жидкости ГУР). Под потерями на трение подразумевается не только сопротивление движению поршней, вращению коленчатого и распределительного валов, но и, к примеру, затрачиваемое усилие на вращение шкива генератора.

КПД двигателя рассчитывается как соотношение полезной энергии к общему количеству энергии, высвободившейся в процессе горения ТПВС.

КПД конкретной модели двигателя зависит от многих параметров, но в целом можно сказать, что бензиновые агрегаты имеют эффективность в районе 20-25%, тогда как показатель атмосферных ДВС цикла Дизеля достигает 40%. Установка турбонагнетателя на дизельный двигатель позволяет получить внушительные 50-53% эффективности.

БОРЬБА С ПОТЕРЯМИ

Можно выделить 3 основные способа потери полезной энергии:

• топливная эффективность (порядка 25% всех потерь). Как бы ни старались конструкторы, но сжечь полностью порцию топлива и получить близкую к максимально возможной отдачу на современной стадии двигателестроения невозможно;
• тепловые потери в процентном эквиваленте достигают 35% от общей эффективности;
• механические потери, связанные с трением, насосными потерями (около 20%).

Существует 2 основных способа получения большей отдачи от сгорания ТПВС: увеличить топливную эффективность и уменьшить потери. Чтобы получить большую отдачу от сгорания бензина, ТПВС нужно как можно сильнее сжать. Но в случае с бензиновыми двигателями мы натыкаемся на большую проблему – детонацию. Дизельным моторам детонация не страшна, но увеличение энергии приводит к чрезмерным нагрузкам на коленчатый вал, вкладыши коленвала и т.д. Поддерживать чрезвычайно высокую температуру в камере сгорания двигателя также нет возможности, так как детали ЦПГ, головки блока цилиндров имеют определенный коэффициент расширения. Изготовление деталей из сверхпрочных материалов удорожит себестоимость производства, сделав тем самым изготовление экономически невыгодным. Уменьшение потерь – действенный способ увеличения КПД двигателя. Именно желание уменьшить потери привело современное двигателестроение к облегчению деталей ЦПГ, уменьшению размера поршневых колец, ранней блокировке ГДТ в коробках автомат и тому подобным мерам.

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 котла

• Что такое тепловой баланс котла
• Как рассчитать расширительный бак
• Что такое котлы-утилизаторы

Виды теплового баланса котлов

Тепловой баланс составляется для анализа процессов, происходящих в топке котла при сгорании топлива, с целью: определить причины снижения производительности к/а; разработать мероприятия, необходимые для повышения КПД.

Слагаемые теплового баланса

Тепловой баланс котла может быть записан в виде равенства Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5, где Q — это полное количество теплоты, поступившей в топку. Оно складывается из теплоты сгорания топлива, его физического тепла, а также тепла, поступившего в топку с паром и подаваемым на горение воздухом: Q = Qн + Qф.т + Qф.в + Qпар.

Qн — низшая теплота сгорания топлива, которая выделяется при полном сгорании без учета теплоты конденсации водяных паров.
Qф.т — физическое тепло топлива, учитывается при условии подогрева топлива перед подачей в топку.
Qф.в — тепло воздуха, внесенного в топку, учитывается в том случае, когда на котельной установлены воздухонагреватели.
Qпар — тепло пара, поступившего в топку.

Правая часть уравнения представляет собой сумму тепла, израсходованного на получение пара или воды (Q1) и тепловых потерь (Q2 + Q3 + Q4 + Q5)

Q1 — полезно используемое тепло, потраченное на производство пара или горячей воды.
Q2 — потери тепла с уходящими газами (самые значительные по величине, достигающие для современных котлов 4—10%. Их величина зависит от вида применяемого топлива, нагрузки к/агрегата, температуры и объема уходящих газов, и значительно возрастает при увеличении количества воздуха, подаваемого на горение).
Q3 — потери тепла от химической неполноты сгорания топлива (возрастают при уменьшении подачи воздуха на горение, кроме того, зависят от вида сжигаемого топлива, способа его сжигания, конструкции топки и других факторов).
Q4 — потери тепла от физической неполноты сгорания топлива (учитываются только при работе на твердом топливе).
Q5 — потери тепла в окружающую среду (зависят от качества и толщины обмуровки котла, от коэффициента теплопроводности ее материала, от температуры наружного воздуха, площади и т.д.). Подсчитываются по приблизительным формулам.

Тепловой баланс составляется при устоявшейся работе котла, выражается в кДж/кг (кДж/м3) и обычно относится к 1м3 газа или к 1 кг твердого и жидкого топлива, находящегося при T = 0°С и P = 760 мм рт. ст. (0,1 МПа).

Уравнение обратного баланса

Применяется в основном при испытаниях котлов. При этом высчитывается величина тепловых потерь и по известной теплоте сгорания топлива определяется КПД брутто котла: ηбр = 100 — (Q2 + Q3 + Q5).

Погрешности при определении потерь тепла ниже, чем при подсчете расхода топлива, поэтому метод определения КПД по обратному балансу более точен.

Задание по теме «Тепловой баланс ДВС»

Список вопросов теста

Вопрос 1

Что позволяет определить тепловой баланс двигателя?

Варианты ответов

• теплоту, отданную окружающей среде;
• общее количество теплоты;
• тепло, превращенное в полезную эффективную работу.

Вопрос 2

Что наглядно иллюстрируют составляющие внешнего теплового баланса ДВС?

Варианты ответов

• распределение тепловой энергии топлива, сгорающего в двигателе;
• перераспределение тепловой энергии топлива, сгорающего в двигателе

Вопрос 3

Варианты ответов

• 1
• 2
• 3

Вопрос 4

Варианты ответов

• теплота, уносимая из двигателя с отработавшими газами
• теплота, отданная окружающей среде;
• теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя.

Вопрос 5

Варианты ответов

• теплота, уносимая из двигателя с отработавшими газами;
• теплота, отданная окружающей среде;
• теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя.

Вопрос 6

Варианты ответов

• теплота, уносимая из двигателя с отработавшими газами;
• теплота, отданная окружающей среде;
• теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя;
• неучтенные потери теплоты.

Вопрос 7

В каких единицах измеряются составляющие теплового баланса ДВС?

Варианты ответов

• Дж/м;
• Дж/с;
• кДж/см.

Вопрос 8

Варианты ответов

• часовой расход топлива;
• удельный расход топлива;
• эффективный расход топлива.

Вопрос 9

В каких единицах измеряется величина эффективной мощности двигателя?

Варианты ответов

• кг;
• кВ;
• кВт.

Вопрос 10

В зависимости от каких параметров изменяются слагаемые теплового баланса?

Варианты ответов

• от нагрузки;
• от теплового состояния;
• скоростного режима работы двигателя;
• в перечисленных пунктах 1, 2, 3.

Вопрос 11

Что происходит с теплотой , преобразованной в полезную работу, при повышении степени сжатия?

Варианты ответов

• уменьшается;
• увеличивается;
• не изменяется.

Вопрос 12

При работе двигателя с полной нагрузкой лучшее теплоиспользование имеет место:

Варианты ответов

• на низких скоростных режимах;
• на средних скоростных режимах;
• на высоких скоростных режимах.

Вопрос 13

Как изменение состава смеси влияет на теплоиспользование в двигателе в следствие изменения теплоты сгорания и скорости сгорания топлива?

Варианты ответов

• работа на обогащенных смесях характеризуется увеличением эффективности использования теплоты.
• работа на обогащенных смесях характеризуется нормализацией эффективности использования теплоты.
• работа на обогащенных смесях характеризуется уменьшением эффективности использования теплоты.

Вопрос 14

Почему эффективный КПД у дизелей выше, чем у карбюраторных ДВС?

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Тепловой баланс — двигатель

Тепловым балансом двигателей внутреннего сгорания называют равенство между количеством теплоты, поступившим в цилиндр двигателя с топливом, с одной стороны, и статьями расхода этого топлива — с другой. [16]

Под тепловым балансом двигателя понимается распределение теплоты, получающейся при сгорании топлива, на полезную работу и потери при работе двигателя. [17]

Отсюда выводится тепловой баланс двигателя по фиг. [18]

Если проанализировать тепловой баланс двигателя внутреннего сгорания , то сразу обнаруживается, что теплота, не превращенная в работу, слагается главным образом из тепла, уносимого продуктами сгорания при выхлопе, и теп лоты, отданной охлаждающей среде через стенки цилиндра. Когда выхлоп производится при небольшом избыточном давлении ( это осуществимо только в стационарных двигателях, где нет необходимости стремиться к предельной компактности двигателя), то теплота, уносимая продуктами сгорания при выхлопе, является термодинамически неизбежной потерей и может быть только косвенно использована для каких-либо целей подогрева. При больших избыточных давлениях выхлопа ( как в авиационных моторах) остаточное теплосодержание выхлопных газов может быть непосредственно использовано для получения дополнительной работы; с этой целью выхлопные газы направляют в газовую турбину, которая вращает нагнетатель, поджимающий воздух, подаваемый в двигатель. [19]

При рассмотрении теплового баланса двигателя внутреннего сгорания можно увидеть, что только около 30 % тепла, получаемого при сгорании топлива, преобразуется в механическую работу, в то время как 30 — 35 % уносится газами и примерно 30 % уходит непосредственно или через охлаждающие приспособления бесполезно в атмосферу. Поэтому вполне возможно использование тепла воды из радиатора или отработавших газов для отопления автомобиля. [20]

Таким образом, тепловой баланс двигателя указывает на большие возможности использования отработанного тепла, заключенного в охлаждающей воде и отработавших газов. [21]

Значения отдельных составляющих теплового баланса двигателя не являются постоянными, а изменяются в зависимости от нагрузки, степени сжатия, состава смеси, теплового состояния и угловой скорости коленчатого вала двигателя. В табл. 1 приведены примерные значения отдельных составляющих внешнего теплового баланса автомобильных двигателей при максимальной их мощности. [22]

Остаточный член QOCT теплового баланса двигателя включает следующие тепловые потери, связанные с: физической неполнотой сгорания, являющейся результатом недостаточно хорошего перемешивания топлива с воздухом; работой вспомогательных механизмов; трением в подшипниках коленчатого вала; прочими неучтенными потерями и неточностями теплового баланса. [23]

Величины отдельных составляющих теплового баланса двигателя не являются постоянными и изменяются в зависимости от нагрузки. [24]

Что понимают под тепловым балансом двигателя . [25]

Теплобалансовые испытания проводятся для составления теплового баланса двигателя . [26]

Двигатели с воздушным охлаждением изображена схема теплового баланса двигателя внутреннего сгорания , из которой видно, распределение тепловых потерь двигателя. [27]

Таким образом, при ориентировочных подсчетах можно считать, что тепловой баланс двигателя Дизеля или газового двигателя состоит из трех равных частей: полезного тепла, обращенного в механическую работу, тепла, отведенного с охлаждающей водой, и тепла, ушедшего с отходящими газами. Не учтены в этом балансе: механические потери и потери а излучение. [28]

Второй способ связан со значительными трудностями, поэтому опытные данные теплового баланса двигателя являются также ориентировочными и служат для получения общего представления о распределении теплоты в двигателе, что дает возможность установить совершенство его конструкции и оценить его экономичность по сравнению с двигателями других типов. [29]

Относительная доля потерь теплоты с ОГ и в систему охлаждения подсчитывается при снятии теплового баланса двигателя . [30]