Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Тепловые двигатели

Диссертационная работа:

Краснов Артем Михайлович. Повышение эффективности стационарных дизель-энергетических установок за счет использования теплоты отработавших газов для обеспечения дизелей топливом : Дис. ... канд. техн. наук : 05.04.02 : Челябинск, 2004 151 c. РГБ ОД, 61:05-5/472

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ 5

* ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 5

ВВЕДЕНИЕ 11

1. ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ
ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕГО
ТОПЛИВОМ 15

  1. Обзор существующих способов использования теплоты отработавших газов двигателей _

  2. Использование теплоты отработавших газов дизелей, работающих

** вблизи мест наличия углеводородного сырья 19

1.3. Принципиальная схема системы получения топлив
использованием теплоты отработавших газов 23

  1. Общие положения -

  2. Принципиальная схема 24

  3. Принципиальная схема нагревателя-разделителя 28

Щ 1.4. Цели и задачи работы 32

1.5. Выводы 33

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА НАГРЕВАТЕЛЯ-
РАЗДЕЛИТЕЛЯ СИСТЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОТЫ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ 34

  1. Общие положения -

  2. Эквивалентная углеводородная смесь 35

^ 2.3. Уравнения фазовых переходов эквивалентной углеводородной

смеси 38

2.4. Методика теоретического определения фракционного состава
эквивалентной углеводородной смеси 41

2.5. Методика расчета процессов теплопередачи в нагревателе 44

  1. Основные уравнения -

  2. Уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи 46

2.5.3. Уравнения для определения давления углеводородного
сырья в нагревательном элементе 52

  1. Уравнения теплового баланса разделителя 53

  2. Выводы 55

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ
РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ И НАГРЕВАТЕЛЯ-РАЗДЕЛИТЕЛЯ 56

  1. Описание экспериментального стенда -

  2. Порядок проведения и результаты экспериментальных исследований 59

  1. Экспериментальное исследование на воде -

  2. Экспериментальное исследование на газовом конденсате ... 64

3.3. Исследование работы дизеля на полученном топливе 70

3.4. Выводы 73

4. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ
РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ И СИСТЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОТЫ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ 74

* 4.1. Определение оценочных показателей -

  1. Влияние конструктивных параметров нагревателя 76

  2. Влияние температуры нагрева углеводородного сырья на производительность системы 80

  3. Влияние режима работы дизеля 83

4.5. Влияние вида углеводородного сырья на производительность
системы 91

  1. Виды углеводородного сырья для исследования -

  2. Светлые газовые конденсаты 93

  3. Темные газовые конденсаты 97

  4. Нефти 102

  5. Выводы о влиянии вида углеводородного сырья 108

4.6. Влияние конструктивных факторов дизеля на характеристики его
совместной работы с системой 110

  1. Общие положения -

  2. Влияние типа камеры сгорания -

  3. Влияние газотурбинного наддува 114

  4. Влияние степени сжатия 116

  5. Влияние доли теплоты, передаваемой в систему охлаждения . 118

  6. Выводы о влиянии конструктивных факторов дизеля 120

4.7. Расчет экономического эффекта от применения системы

получения топлив использованием теплоты отработавших газов 121

4.8. Выводы 124

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 126

ЛИТЕРАТУРА 128

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ВКФ - высококипящие фракции;

ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

ДГУ - дизель-генераторная установка;

КПД - коэффициент полезного действия;

НКФ - низкокипящие фракции;

НПЗ - нефтеперерабатывающий завод;

ОГ - отработавшие газы;

ОНВ - охладитель наддувочного воздуха;

ПТИТОГ - {система} получения топ лив использованием теплоты отработавших

газов;

СУТОГ - система утилизации теплоты отработавших газов;

СЭП - среднеэксплуатационная производительность;

ТОПР - теплообменник охлаждения продуктов разделения;

УС - углеводородное сырье;

ШФС - {топливо} широкого фракционного состава;

ЭУС - эквивалентная углеводородная смесь.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Сдт, С 'дт - стоимость дизельного топлива на месте производства и потребления,

руб./кг;

Сус - стоимость УС, руб./кг;

сри с'Pi - теплоемкости /-того компонента ЭУС при постоянном давлении в

жидком и парообразном состоянии, Дж/моль- С;

сРог - теплоемкость ОГ при постоянном давлении, Дж/кг- С;

с<р - коэффициент, учитывающий угол обтекания;

Стране - расходы на транспортировку 1 кг топлива от места производства к месту

потребления, руб./кг;

Djj, Dm, Dv - молярная, массовая и объемная доли ЭУС, перешедшей в пар;

Dp3, F)m4 - молярная доля испарившейся ЭУС на входе в разделитель и в разделителе;

dj, d2 - внутренний и наружный диаметры трубы змеевика нагревателя-разделителя, м;

d360 - отношение объемного содержания фракций с температурой кипения более 360 С в дизельном топливе и в исходном УС; dl - длина бесконечно малого расчетного участка змеевика, м; Dmpi, Dmp2 - внутренний и наружный диаметры соединительного трубопровода, м;

dq - бесконечно малая тепловая мощность, передаваемая от ОГ к УС на бесконечно малом участке dl, Вт;

dqn, dqp - бесконечно малые тепловые мощности, передаваемые от ОГ в атмосферу и от ОГ внутрь разделителя, Вт;

Dbi, Db2 - внутренний и наружный диаметры корпуса разделителя, м; ddu3- доля отбора дизельного топлива;

D3M - диаметр средней линии змеевика нагревателя-разделителя, м; Dm, Dh2 - внутренний и наружный диаметры корпуса нагревателя-разделителя, м;

d3Ke - эквивалентный диаметр, м; /- число степеней свободы;

Fmo> F'mo -наружная и внутренняя площади теплообмена змеевика нагревателя-разделителя, м2;

F, FKp - расчетное и критическое значение критерия Фишера; Fp - площадь проходного сечения распылителя, м ; Froz - число Фруда для ОГ;

Fx, Fy площади проточной части нагревателя при поперечном и продольном обтекании витков змеевика, м ;

G'm- средний расход топлива дизеля в определенном интервале нагрузок, кг/сек; Gyc - расходы воды, ОГ и УС, кг/сек;

Gdu3 - выработка дизельного топлива системой ПТИТОГ, кг/сек; Gx, Gn - расходы жидких и паровых фракций на выходе из нагревателя-разделителя, кг/сек; Gm - расход топлива дизеля, кг/сек; Gm - средний эксплуатационный расход топлива дизеля, кг/сек;

G - СЭП системы ПТИТОГ по УС на /-той стадии переработки, кг/сек;

Gyc, G064 - среднеэксплуатационная и общая производительности системы

ПТИТОГ по УС, кг/сек;

Н(- энтальпия ЭУС, Дж/моль;

Ht3, Ht4 - энтальпии ЭУС на входе в разделитель и в разделителе, Дж/моль;

Ні, Htnl - энтальпии жидкой и паровой фаз на выходе из разделителя, Дж/моль;

h3M - шаг змеевика нагревателя-разделителя, м;

\ш - количество витков змеевика нагревателя-разделителя;

1тр - длина соединительного трубопровода, м;

hum - длина витка змеевика, м;

Мкр - крутящий момент дизеля, Н-м;

N- количество независимых опытов;

N'e- относительная эффективная мощность дизеля;

N'ecp- средняя по времени относительная эффективная мощность дизеля;

Ne - эффективная мощность дизеля, Вт;

Nu, Ииог - число Нуссельта УС и ОГ;

Ппар - число параллельных опытов;

пэус ~ количество компонентов ЭУС;

Р - текущее давление, Па;

Р0 - атмосферное давление, Па;

Pi, Р2 - давления ЭУС в нагревательном элементе и в разделителе, Па;

Рг, Ргст, Ргог - числа Прандтля УС при средней температуре потока и

температуре стенки и ОГ при средней температуре потока;

Рк - давление наддува дизеля, Па;

Рні - давление насыщенных паров г-го компонента ЭУС, Па;

Qmp - тепловая мощность, передаваемая от ОГ к атмосферному воздуху при

течении ОГ по соединительному патрубку от дизеля к нагревателю, Вт;

Qucn - мощность, затраченная на испарение НКФ в разделителе, Вт;

Qn, 0,ж - тепловые мощности, уносимые с паровыми и жидкими фракциями, Вт;

Qos - тепловая мощность, уносимая с ОГ дизеля, Вт;

Чохл, Чог ~ доли выделяющейся из топлива теплоты, отводимые в систему

охлаждения дизеля и теряемые с ОГ;

Qp - тепловая мощность, передаваемая от ОГ внутрь разделителя, Вт;

Qcucm, 0.нагр~ тепловые мощности системы ПТИТОГ и нагревателя-разделителя,

Вт;

R, Я0? - газовые постоянные воздуха и ОГ, Дж/кг-С;

г, Гі - мольные теплоты парообразования узкой фракции ЭУС и і-го компонента

ЭУС, Дж/моль;

Re - число Рейнольдса ЭУС;

Яеог, Яеогх, Reozy - числа Рейнольдса ОГ в соединительном трубопроводе, при

поперечном и продольном обтекании витков змеевика;

s - количество стадий переработки;

se, sr, sad - дисперсии параметра оценки адекватности, воспроизводимости

эксперимента и адекватности;

st - дисперсия характерных температур фракционного состава, С;

t - текущая температура ЭУС в жидкой фазе, С;

to, ti, t2, t3 - температуры окружающего воздуха, УС на входе в ТОПР, УС на

входе в нагреватель, УС на входе в разделитель, С;

tcm - температура внутренней стенки змеевика, С;

tsi - температура кипения /-того компонента ЭУС при нормальных условиях, С;

іЖ], tni - температуры жидкой и паровой фаз на выходе из разделителя, С;

tKpi - критическая температура /-того компонента ЭУС, С;

tHx> tio, ho, ho- tgo, he, tKK -температуры начала кипения, выкипания 10, 20, 30 ...

90, 96 % и конца кипения углеводородной жидкости, С;

toao, *огі, tQ22, toz - температуры ОГ на выходе из дизеля, на входе в нагреватель-разделитель, на выходе из него и средняя температура ОГ, омывающих бесконечно малый участок змеевика dl, С; ton* - температура охлаждающей жидкости дизеля, С;

V - текущий объем жидкой фазы при определении фракционного состава углеводородной жидкости, м3;

w, wy - скорость ОГ и ее составляющие по оси хиу, м/с; Xfu, xmi, xvi- молярная, массовая и объемная доли /-того компонента ЭУС; Хі - молярная доля /-того компонента в жидкой фазе; у,- - молярная доля /-того компонента в паровой фазе; гж - отношение текущего количества ЭУС в жидкой фазе к начальному; а - коэффициент теплоотдачи от ЭУС к змеевику (глава 2) или коэффициент избытка воздуха дизеля (глава 4);

атіп - минимальный допустимый коэффициент избытка воздуха; <*атм> сс'ог, &"ог - коэффициенты теплоотдачи от корпуса нагревателя к атмосферному воздуху, от ОГ к корпусу нагревателя и от ОГ к соединительному

9 П

трубопроводу, Вт/м С;

аог - коэффициенты теплоотдачи от ОГ к змеевику нагревателя-разделителя,

Вт/м2-С;

ссразд - коэффициент теплоотдачи от корпуса разделителя к УС внутри

разделителя, Вт/м С;

Хдиз - Доля извлечения целевых фракций;

У, Уобщ - коэффициент СЭП и общий коэффициент СЭП;

ЛрАв - перепад давления между соседними межвитковыми пространствами, Па;

ЛРог - потери давления ОГ в проточной части нагревателя-разделителя, Па;

8, 8t- доверительные интервалы;

8U3on - толщина изоляции, м;

8Шм - точность измерения температуры, С;

St - доля УС, поступающего на і-тую стадию переработки;

є- степень сжатия дизеля;

Лсист, "Пнагр - коэффициент полезного действия системы ПТИТОГ и нагревателя;

Л - коэффициент теплопроводности ЭУС, Вт/м-С;

ХТ - коэффициент запаса топлива;

Лст - коэффициент теплопроводности материала трубы змеевика, Вт/м-С;

Лизол - коэффициент теплопроводности изоляции, Вт/м-С;

(Ли (л - молярная масса і-того компонента ЭУС и ЭУС, кг/моль;

vm - вязкость дизельного топлива, м2/с;

v- вязкость ЭУС, м2/с;

уэус, Иж. vn - количество молей ЭУС, жидкой и парообразной фаз, моль;

voz - вязкость ОГ, м /с;

пк - степень повышения давления в агрегате наддува дизеля;

в- угол обтекания витков змеевика потоком ОГ, градусы;

р, рж, рп - плотности ЭУС, жидкой и паровой фаз ЭУС, кг/м ;

рог - плотность ОГ, кг/м3;

рв - плотность воды, кг/м3;

р, - плотность /-того компонента ЭУС при нормальных условиях, кг/м3;

г- время, с;

- коэффициент сопротивления трения;

щ - доля времени работы дизеля в определенном интервале нагрузок.

С,- коэффициент местных гидравлических сопротивлений;

С,р - коэффициент гидравлического сопротивления распылителя.

Введение к работе:

Актуальной проблемой двигателестроения является повышение эффективности ДВС и энергетических установок на их базе. Под эффективностью понимается способность двигателя или энергетической установки вырабатывать механическую и другие виды полезной энергии при наименьшей затрате материальных ресурсов. К основным показателям эффективности ДВС или установок на из базе относятся КПД, удельный расход топлива и стоимость единицы энергии, вырабатываемой двигателем или энергетической установкой.

При эксплуатации дизель-энергетических установок одну из самых значительных статей расходов составляют расходы на обеспечение дизеля топливом. Так, дизель-генераторная установка ДГУ-100 производства Челябинского тракторного завода, силовым агрегатом которой является дизель Д-180, за один год потребляет количество топлива, стоимость которого превышает цену самой дизель-генераторной установки. В большинстве случаев расходы на обеспечение дизеля топливом являются фактором, в наибольшей степени обуславливающим стоимость единицы вырабатываемой энергии, а значит, эффективность дизель-энергетической установки.

Поэтому важной задачей современного двигателестроения является повышение эффективности дизель-энергетических установок за счет снижение расходов на обеспечение их топливом. Традиционным путем решения проблемы является улучшение топливной экономичности дизелей, что достигается в первую очередь совершенствованием конструкции дизелей и их рабочих процессов, использованием систем утилизации теплоты ОГ, обеспечением оптимальных режимов работы и другими способами.

С другой стороны, снижения расходов на обеспечения топливом дизелей можно достичь путем уменьшения цены самого топлива. Например, все более распространенным подходом является использование газодизельных двигателей при наличии вблизи места работы дизеля природного или попутного газа [61, 65].

Другим способом, позволяющим существенно снизить расходы на обеспечение дизеля топливом, является получение дизельного топлива непосредственно на месте работы дизеля при наличии вблизи какого-либо вида жидкого УС: нефти или газового конденсата.

Для получения дизельного топлива широко используются методы прямой перегонки УС [10, 62]. При этом для выделения фракций дизельного топлива УС нагревается до высокой температуры, что требует значительных затрат энергии. В среднем для получения 1 кг дизельного топлива путем прямой перегонки необходимо затратить порядка 0,8-1,0 МДж энергии.

Вместе с тем, учитывая, что одной из наиболее весомых составляющих потерь теплоты, выделяющейся из топлива при работе дизеля, являются потери с ОГ, представляется целесообразным использование этой теплоты для нагрева УС с целью выделения из него дизельных топлив. Это возможно благодаря достаточно высокой температуре ОГ дизеля, составляющей 350-700 С на номинальном режиме работы, а также значительному количеству энергии, уносимой с ОГ, которое может достигать 40-50% от энергии, выделяющейся при сгорании топлива [3, 11, 24, 47].

Использование теплоты ОГ является одним из наиболее перспективных путей повышения эффективности дизель-энергетических установок, находящим все более широкое применение. Однако в отличие от ставших традиционными методов использования теплоты ОГ [1, 2, 23, 39, 41, 44, 79, 83, 100, 117, 120, 124] новый способ [78] позволяет не только более полно использовать энергию, выделяющуюся при сгорания топлива, но также уменьшить стоимость топлива, делая возможным существенное повышение эффективность дизель-энергетических установок, работающих вблизи мест наличия УС, проявляющееся в снижении стоимости единицы энергии, вырабатываемой дизелем.

Перспективность такого подхода к повышению эффективности дизелей и дизель-энергетических установок обусловлена тем, что Россия обладает значительными запасами различных видов УС, месторождения которого занимают большую площадь территории страны. Добыча УС активно ведется на севере центральной части России, в Сибири, на Дальнем Востоке, на Кавказе и

на Урале. Дизель-энергетические установки широко используются в качестве источников механической, тепловой и электрической энергии в этих регионах. В частности, дизель-генераторные, дизель-насосные и дизель-компрессорные установки активно применяются для обслуживания мест добычи УС или природного газа. Кроме того, в силу ряда обстоятельств, в последнее время в рассматриваемых районах страны наметилась тенденция к повышению роли малой энергетики, основу которой составляют дизель-энергетические установки, наряду с газотурбинными и паротурбинными энергетическими установками [61]. Таким образом, значительное количество дизелей уже сегодня работает в условиях наличия УС, и существует тенденция к увеличению числа таких дизелей в ближайшее время.

Дополнительные расходы на обеспечение топливом дизелей, работающих в этих районах, обуславливаются необходимостью доставки топлива к местам их работы. Во многих случаях доставка осложняется труднодоступностью регионов. Неблагоприятные метеорологические условия могут приводить к перебоям в снабжении дизелей топливом.

Таким образом, проблемы снижения расходов на топливо и повышения эффективности дизелей, работающих в районах, где есть в наличии УС, можно решить за счет применения систем получения топлив использованием теплоты ОГ (ПТИТОГ).

Однако до сих пор такие системы не разработаны и не изучены, в результате чего они не нашли применения, хотя потребность в них высока. Отсутствуют как принципиальные схемы таких систем, так и методики их расчета, а также данные о влиянии на работу таких систем различных факторов, обуславливающих степень повышения эффективности дизель-энергетических установок при применении систем ПТИТОГ.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности стационарных дизель-энергетических установок, работающих в условиях наличия углеводородного сырья.

На защиту выносятся следующие положения, отражающие научную новизну диссертационной работы:

новый способ повышения эффективности дизель-энергетических установок, а также обоснование возможности его осуществления и целесообразности;

методика расчета нагревателя-разделителя системы ПТИТОГ, позволяющая в полной мере учитывать его конструктивные особенности и определять фракционный состав получаемых в системе дизельных топлив;

результаты экспериментального исследования работы дизеля на получаемых в системе ПТИТОГ дизельных топливах; результаты исследования влияния на работу дизель-энергетической установки, оснащенной системой ПТИТОГ, различных конструктивных, эксплуатационных и режимных факторов;

результаты определения степени повышения эффективности дизель-энергетических установок при использовании систем ПТИТОГ.

Подобные работы
Ширлин Иван Иванович
Повышение эффективности эксплуатации дизеля на низкоцетановом топливе за счет перераспределения теплоты в камере сгорания
Русинов Александр Рудольфович
Повышение эффективности работы дизеля добавкой легких синтетических парафиновых углеводородов в дизельное топливо
Медведев Евгений Владимирович
Повышение эффективности неустановившихся режимов работы дизеля 8Ч13/14 добавкой сжиженного нефтяного газа к топливу
Рыжов Валерий Александрович
Обеспечение качественной подачи топлива в широком диапазоне частот вращения и нагрузок дизеля с помощью электрогидравлического управления
Смирнов Дмитрий Михайлович
Направление повышения интенсивности впрыскивания топлива с целью улучшения показателей автотракторных дизелей
Гайсин Эльмир Маликович
Повышение топливной экономичности тракторных дизелей регулированием режимов их работы пропуском подачи топлива
Казначевский Владимир Леонидович
Повышение энергетических, экономических и экологических качеств дизеля 8Ч13/14 регулированием физико-химических свойств топлива
Любов Виктор Константинович
Изучение особенностей горения крупных частиц натурального топлива с целью повышения эффективности работы вихревых топок ЛПИ
Мирошкин Вячеслав Васильевич
Повышение эффективности системы подачи топлива кислородно-метанового ЖРД с дожиганием восстановительного генераторного газа
Харитонов Владимир Вячеславович
Повышение эффективности пуска автотракторного дизеля в условиях низких температур окружающего воздуха

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net