Свойства материалов, сдерживающих применение форсированных ДВС в энергетических комплексах

V. Обсуждение результатов

Из результатов эксперимента видно, что снижаются расход топлива до 36 % и дисконтированные затраты до 20 %. Температура подогрева воздуха не столь высокая ^.опт=430 0С, что позволяет использовать уже существующие материалы для теплового утилизатора.

VI. Выводы и заключение

Подогрев воздуха, расчет и выбор оптимального значения его температуры в тепловом утилизаторе, способствуют повышению технико-экономического эффекта работы термического агрегата, с учётом минимизации затрат. Разработанный алгоритм позволяет определять оптимальную температуру подогрева воздуха с учетом изменения условий эксплуатации термического агрегата в зависимости от конструкции и стоимости теплого утилизатора, стоимости и вида топлива.

Список литературы

1. Герман М. Л., Тимошпольский В. И., Менделеев Д. В. Выбор технических решений при модернизации парка нагревательных и термических печей машиностроительных предприятий // Теплотехника и энергетика в металлургии: труды XV Междунар. конф. Днепропетровск: Новая идеология, 2008. С. 37-38.

2. Resource savings and energy efficiency in heat treatment shops // Irretier Olaf. Heat Process. 2014. Vol. 12, no. 1. Р. 47-52.

3. Lu Bing, Fang Changrong, Wang Zhoufu Naihuo cailiao // Refractories. 2007. Vol. 41, no. 2. P. 132-136.

4. Stumpp Hermann. Energy and global natural resources - from the point of the Furnace Industry // Heat Process. 2013. Vol. 11, no. 1. Р. 92-93.

5. Комина Г. П., Яковлев В. А. Энергосбережение и экономия энергоресурсов в системах ТГС. СПб.: Государственный архитектурно - строительный университет, 2009. 133 с.

6. Krail Jurgen, Buchner Klaus, Altena Herwig. Assessment and optimization of energy in heat treatment plans // Heat Process. 2013 Vol. 11, no. 3. Р. 51-60.

7. Парамонов А. М., Резанов Е. М. Определение оптимальной температуры подогрева воздуха, необходимого для горения топлива в печах с радиационными трубами // Промышленная энергетика. 2011. № 2. С. 35-38.

УДК 621. 436. 1

СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ, СДЕРЖИВАЮЩИХ ПРИМЕНЕНИЕ ФОРСИРОВАННЫХ ДВС

В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ

MATERIALS PROPERTIES CONTAINING THE ENERGY GRIDS FORCED INTERNAL COMBUSTION

ENGINES APPLICATION

А. В. Разуваев1, Е. Н. Слободина2

'Научно-исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва, Россия 2Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

A. V. Razuvaev1, E. N. Slobodina2

'National Research Nuclear University MEPhI, Moscow, Russia 2Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. Представлена актуальность повышения эффективности энергетических комплексов на базе двигателей внутреннего сгорания. В связи с этим рассмотрена и проанализирована возможность применения системы высокотемпературного охлаждения двигателя внутреннего сгорания в энергетической установке используя ее положительный эффект. Представлен анализ экспериментальных данных -замера температур огневого днища крышки цилиндра и параметров материалов в зависимости от их рабочей температуры. Полученные экспериментальные данные по уровню температур огневого днища крышки цилиндра позволили спрогнозировать ограничения по повышению агрегатной мощности форсированного ДВС.

Ключевые слова: энергетическая установка, двигатель внутреннего сгорания, термометрирование.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-160-164

I. Введение

Вопросам повышения энергоэффективности уделяется во всем мире особое значение, а также и в Европейском союзе. В нем разработан документ по лучшим имеющимся технологиям повышения энергоэффективности [1]. Он подготовлен для информации, а также для реализации и мониторинга в этой области, осуществляемого в соответствии со статьей 17(2) Директивы 2008/1/EC. В нем говорится (пункт 2.15.1.) [1]: «энергетические модели, базы данных и балансы представляют собой полезные инструменты для комплексного и детального энергетического анализа, которые часто используются в рамках аналитических энергоаудитов, в т.ч. комплексных. Модель представляет собой схему или описание, отражающее использование энергии в рамках установки, подразделения или системы».

Эти положения в полной мере относится и к энергетическим установкам, обеспечивающих энерго - и теплоснабжение объектов различного назначения, в том числе нефтегазовой отрасли. Данная отрасль может относиться к особенным, так как имеет свою специфику. Это связано с проведением разведывательных работ и работ по добыче углеводородного топлива, причем в небольших компактных и удаленных местах, где отсу т-ствует центральное энергоснабжение. Поэтому обеспечение теплом и электроэнергией этих удаленных объектов осуществляют средства малой энергетики. Эти энергетические комплексы, как вариант, могут базироваться на двигателях внутреннего сгорания.

Решение вопросов повышения эффективности энергетических комплексов на базе двигателей внутреннего сгорания также внесет свой определённый вклад в экономию энергоресурсов и к 2020 году позволит снизить расход топлива в стране на 40-48 %, что эквивалентно 360- 430 млн. т у. т. в год.

Энергоресурсосбережение является одной из самых актуальных задач текущего века. От решения этих проблем будет зависеть и место нашей экономики в ряду экономически развитых зарубежных стран, а также и повышения уровня жизни наших граждан.

Наш машиностроительный комплекс располагает необходимым интеллектуальным потенциалом для комплексного решения этих актуальных проблем.

II. Постановка задачи

Внедрение эффективных автономных энергетических комплексов, как отмечалось ранее, в том числе и для нефтегазовой отрасли, на базе поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) требует увеличения их агрегатной мощности. Это обстоятельство влечет за собой увеличение габаритных показателей радиаторных установок, что создает проблемы размещения их на объекте, а особенно это касается блок- контейнеров или транспортных средств.

Решению этой проблемы может способствовать применение системы высокотемпературного охлаждения (ВТО) ДВС, при котором температура охлаждающей жидкости на выходе превышает 373 К (100 оС).

К преимуществам можно отнести: повышение индикаторных показателей ДВС на частичных нагрузках за счет повышения температурного уровня деталей камеры сгорания и снижения необоснованно больших коэффициентов избытка воздуха, увеличение механического КПД ДВС во всем диапазоне нагрузок за счет снижения вязкости масла двигателя, изменение составляющих теплового баланса ДВС, в котором с выпускными газами повышается отвод теплоты и при этом влечет уменьшение величины отвода теплоты с охлаждающей жидкостью, что дает возможность уменьшить размеры, и соответственно, вес и стоимость радиаторов, снижение износа и кислотной коррозии деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) двигателей, что, в свою очередь, допускает возможность использовать для сжигания более сернистое топливо [2].

Наряду с этим, системы ВТО, имеют и недостатки, которые сдерживают распространение их применение. К некоторым из них относятся: уменьшение коэффициента наполнения цилиндров ДВС на номинальной мощности из-за роста температуры стенок ЦПГ, что приводит к снижению индикаторных показателей, особенно это заметно у высокофорсированных дизелей, необходимость увеличения давления в полостях системы охлаждения. Здесь необходимо отметить влияние повышения температуры охлаждающей жидкости на выходе из ДВС более 373 К на температурное состояние деталей ЦПГ и, в частности, крышки цилиндра.

III. Теория

Для оценки надежности всего энергетического комплекса необходимо, в первую очередь, определить уровень и перепад температуры крышки цилиндра и в целом по огневому днищу.

Экспериментальные исследования, в частности определение температур огневого днища крышки цилиндров, проводились на стенде с установленным полноразмерным двигателем 6ЧН 21/21 на различных режимах работы и разными температурами охлаждающей жидкости на выходе из двигателя.

Крышка цилиндра, помимо поршня и втулки цилиндра, является одной из наиболее теплонапряженных и ответственных деталей двигателя, особенно на высокофорсированных дизелях. Повышение надежности ра-

боты крышек цилиндров связано, в первую очередь, со снижением уровня ее температуры и перепадов температур по огневому днищу, которые относятся к наиболее нагруженным и ответственным деталям, либо применение более жаропрочных материалов.

Схема установки термопар с их координатами в крышке цилиндра со стороны огневого днища представлена на рис. 1.

вп а^

Рис. 1. Схема установки термопар в крышке цилиндра

IV. Результаты экспериментов В табл. 1 представлены величины температур (в градусах Цельсия) в точках крышки цилиндра на двух мощностных режимах - 852 кВт (1160 л.с.) и 883 кВт (1200 л.с.) при частоте вращения коленчатого вала

п = 25 -1с и изменениеи температуры охлаждающей жидкости (ОЖ) на выходе из двигателя до 390 К (117 оС) и масла до 369 К (96 оС).

ТАБЛИЦА 1

ВЕЛИЧИНЫ ТЕМПЕРАТУР КРЫШКИ ЦИЛИНДРА НА ДВУХ МОЩНОСТНЫХ РЕЖИМАХ

№ точки 852 кВт

1 269 277 283 286 292 274 286 290 296 306

2 380 385 390 396 400 383 390 394 397 408

3 280 290 292 294 302 278 287 293 294 306

4 250 250 254 260 264 243 250 256 260 266

5 292 292 302 309 317 291 306 310 315 326

6 361 361 364 380 380 360 373 378 382 390

7 352 352 354 364 365 346 357 363 365 375

8 357 357 365 370 374 360 371 373 379 394

тем-ра О.Ж,оС 83 90 98 105 117 83 90 98 105 117

Далее проведен анализ влияния уровня форсировки и температуры охлаждающей жидкости на выходе из двигателя, на основе полученных экспериментальных данных, на температурное состояние крышки цилиндра, а также сделана попытка оценить ожидаемые величины ее температур при дальнейшем повышении уровня форсировки ДВС в связи с актуальностью проблемы.

Результат анализа полученных исследований температурного состояния крышки цилиндров двигателя 6ЧН21/21 позволяет заключить, что при температуре охлаждающей жидкости 378К (105 °С) и масла 363К (90°С) при мощности ДВС 883 кВт находится на уровне до 667К (394 °С) и не превышает предельной величины 673-683К (400-410°С) для чугуна, из которого изготовлена крышка.

V. Обсуждение результатов

С целью обеспечения заданной величины моторесурса двигателя с одновременной его форсировкой проведен анализ зависимости механической прочности от величины температуры различных материалов, в данном случае чугунов. Результаты проведенного анализа, представленные в табл. 2, свидетельствуют, что при температуре более 673К (400°С) прочностные характеристики чугунов резко снижаются, поэтому температуры около 788 К (415 °С) являются предельными для крышки цилиндров с длительным сроком службы. В то же время у чугуна ЧВГ (перлит) даже при 773К (500°С) механическая прочность выше на 30 % по сравнению с серым чугуном при 673К(400 °С).

На основании проведенного анализа можно сделать предварительный вывод о том, что целесообразно перейти на более прочный чугун при повышенной температуре крышки цилиндра с увеличением уровня форси-ровки двигателя и температуры охлаждающей жидкости на выходе из двигателя.

В качестве одного из материалов для изготовления крышек цилиндров применяют серые чугуны СЧ18 и СЧ20, легированные хромом до 0,4 %, никелем до 0,9 %, молибденом до 0,5 %, медью до 0,6 % и титаном до 0,1 %; высокопрочный чугун, алюминиевые сплавы марок АЛ9 и АЛ30 с содержанием кремния до 7-13 %, сплавы алюминия-магния с содержанием магния до 5 % при наличии кремния до 1 %. Материал крышек цилиндров, кроме высоких прочностных характеристик, должен обладать в условиях динамического нагружения необходимым сопротивлением ползучести, механической и термической усталости.

Далее следует провести анализ технологических свойств и эффективность применения различных видов материалов.

Результаты анализа параметров в табл. 2 свидетельствуют, что при температуре более 673К (400°С) прочностные характеристики практически у всех чугунов снижаются. На основании этого можно считать, что температура в районе 783...788 К (410...415 0С) является предельной для данного применяемого материала крышки цилиндров.

ТАБЛИЦА2

ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ ЧУГУНОВ

Температура Т ф Прочность чугунов Е

Т, К ^ оС Серый ВЧШГ ЧВГ

293 20 33,5 45,9 42,5 39,3 49

623 350 33 40 42,5 39 50,3

673 400 33,5 35 41 38 48

723 450 31 29 39 37 43,9

773 500 28 20 34,2 32 40

823 550 25 14,3 29 27,5 31,5

873 600 23 8 22 21 24

Как отмечалась выше, была спрогнозирована температура крышки цилиндра при увеличении мощности дизеля до 957 кВт (1300 л.с.), которая составляет 706 К (433°С), что выше рекомендуемой величины при данном материале более чем на 8 %. Поэтому при выборе материала для крышек цилиндров следует обращать особое внимание на его прочностные характеристики с учетом температуры при эксплуатации.

Это говорит о том, что целесообразно перейти на более жаропрочный чугун, например, марки ЧВГ, при повышении температуры крышки цилиндра с увеличением агрегатной мощности ДВС.

В качестве примера в табл. 3 представлены механические свойства высокопрочных чугунов и основы металлической их структуры.

ТАБЛИЦА 3

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЧУГУНОВ

Чугун сВ, МПа 5, % НВ Структура металлической основы

ВЧ 38-17 380 17 1400-1700 Феррит с небольшим количеством перлита

ВЧ 42-12 420 12 1400-2000

ВЧ 50-7 500 7 1710-2410

ВЧ 60-2 600 2 2000-2800 Перлит с небольшим количеством феррита

ВЧ 80-2 800 2 2500-3300

ВЧ 120-2 1200 2 3020-3800

Химический состав после модифицирования данных чугунов имеет следующие величины: 3,0-3,6 % С; 1,1-2,9 % Si; 0,3-0,7 % Mn; до 0,02 % S и до 0,1 % Р. Основой высокопрочного чугуна является металлическая структура, которая может состоять из феррита или перлита. Состав ферритного чугуна в основном состоит из феррита и шаровидного графита, кроме этого, в нем допускается перлит до 20 %. Структура перлитного чугуна- сорбитообразный или пластинчатый перлит и шаровидный графит, и также допускается в нем феррит до 20 %.

Менее сильный концентратор напряжений чугунов с шаровидным графитом, чем пластинчатый графит, и потому они меньше снижают механические параметры металлической основы и обладают повышенной прочностью и небольшой пластичностью. Высокопрочные чугуны маркируются по пределу прочности и относительному удлинению.

Эти чугуны нашли широкое применение в различных отраслях техники, при этом, в некоторых случаях, заменяя сталь во многих изделиях и конструкциях. Из этих материалов изготавливают оборудование прокатных станов (прокатные валки массой до 12 т), кузнечно-прессовое оборудование (траверса пресса, шабот ковочного молота), лопатки направляющего аппарата, в турбостроении корпус и детали паровой турбины, в дизеле- и автомобилестроении, а это коленчатые валы, поршни и многие другие детали, относящиеся к основным, эксплуатационные параметры которых имеют высокие циклические нагрузки и в условиях изнашивания.

В некоторых случаях для повышения механических свойств изделий из этих материалов применяют термическую обработку отливок, а для повышения прочности - закалку и отпуск при 773...873 К (500-600 °С), а для увеличения пластичности - отжиг, способствующий сфероидизации перлита.

VI. Выводы и заключение

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что повышение эффективности автономных энергетических комплексов, в том числе и для нефтегазовой отрасли, на базе поршневых двигателей внутреннего сгорания следует обратить особое внимание на свойства применяемых материалов для ответственных дет алей, работающих в условиях повышенных температур, например, таких как крышка цилиндров.

Кроме того, полученные экспериментальные данные, на развернутом двигателе, по уровню температур огневого днища крышки цилиндра позволили спрогнозировать ограничения по повышению агрегатной мо щ-ности высокофорсированного ДВС с учетом эксплуатационных режимов работы.

Список литературы

1. Reference document on best available techniques for energy efficiency. URL: http://portal-energo.ru/files/articles/portal-energo_ru_dokument_es_po_e_ef.pdf (дата обращения 01.05.2018).

2. Петриченко Р. М. Системы жидкостного охлаждения быстроходных двигателей внутреннего сгорания. Ленинград: Машиностроение, 1975. 225 с.

3. Разуваев А. В. Поршневые двигатели внутреннего сгорания с высокотемпературным охлаждением. Саратов: СГТУ, 2001. 128 с.

УДК 621. 181. 123

ИССЛЕДОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ ПРИ КИПЕНИИ ЖИДКОСТИ

В ВАКУУМНООМ КОТЛЕ

TURBULENT FLOW INVESTIGATION OF THE VACUUM BOILER AT BOILING

Е. Н. Слободина, А. Г. Михайлов, С. В. Теребилов

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

E. N. Slobodina, A. G. Mikhailov, S. V. Terebilov

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. В данной статье рассмотрены методики определения коэффициента вязкости с учетом турбулентной составляющей при различных режимах работы котла в области давлений ниже атмосферного. В настоящее время решение данной задачи актуально для решения задач теплообмена в вакуумных котлах. Получены зависимости коэффициента вязкости в широком диапазоне удельных тепловых потоков при свободной конвекции и при пузырьковом кипении. Результаты исследования получены с помощью программного комплекса ANSYS CFX с использованием методики RPI.

Ключевые слова: турбулентность, вязкость, кипение, котел.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-164-169