ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЕ БАЛАНСЫ ЛОКОМОТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Рассмотрим эксергетические балансы локомотивных двигателей. Учитывая методическое значение анализа итоговых данных баланса ТЭУ паровоза, применявшегося в прошлом, для оценки практического значения эксергетического метода ниже рассматриваются наряду с балансами тепловозного дизеля и газотурбинного двигателя также балансы установки паровоза. Балансы выполнены для расчетного режима работы двигателей.
- При абсолютном к. п. д. паровоза 7%, к. п. д. котельного агрегата 70% и температуре выпускных из котла газов 250° С имеем:
Тепловой баланс, %
- Полезная работа.............................. 7
- Потери в котле.............................. 30
- Механические потери......................... 5
- Потери с отработавшим паром .58
Итого .................................................. 100
Эксергетический баланс, %
- Полезная работа................................. 7
- Потери в котле:
от необратимого теплообмена .37
при горении................................... 28
- Механические потери ....................... 5
- Потери с выпускными газами … 7
- Потери с отработавшим паром …16
Итого .................................................. 100
Здесь механические потери — часть подведенной энергии, которая в результате трения переходит в тепло.
Потери с отработавшим паром по тепловому балансу составляют 58%. Казалось бы, главное внимание следует уделить непосредственному снижению этих потерь. Однако возможности использования этого тепла на локомотиве, как известно, ограничены. Кроме того, с точки зрения потери работоспособности это всего 16%, в то время как потери из-за необратимых процессов теплообмена в котле составляют 37% и необратимого горения — 28%. Эти потери не видны в тепловом балансе. Большая потеря работоспособности в силовой установке паровоза от необратимого теплообмена вызвана большой конечной разностью температур газов и нагреваемых воды и пара в котле. Уменьшить эту потерю можно было бы повышением температуры нагреваемого тела путем увеличения давления и температуры перегрева пара, а также введением развитого регенеративного подогрева питательной воды, вторичного перегрева и т. д. Однако на локомотиве это практически невозможно, что послужило одной из причин отказа от применения паровоза.
Чтобы подчеркнуть значение эксергетического баланса, приведем следующие рассуждения. Предположим условно, что тепло отработавшего пара на паровозе полностью используется для тепловых нужд. Это привело бы к значительному повышению коэффициента теплоиспользования, который стал бы равен 65%. Остались бы только потери в котле и механические. Однако с точки зрения совершенства самой установки по преобразованию тепла топлива в работу изменений не происходит. К. п. д. установки остается равным 7%. В эксергетическом балансе остаются те же потери работоспособности от необратимости теплообмена и горения в котле, а также от выпуска пара в атмосферу.
Другая картина получилась бы, если бы к. п. д. установки вырос, например, вследствие повышения давления и температуры перегрева пара до 27%. В тепловом балансе (если принять для простоты тот же к. п. д. котла) это выразилось бы снижением потерь с отработавшим паром до 38%, т. е. на 20%, хотя работоспособность всей энергии отработавшего пара только 16%. К. п. д. возрастает за счет снижения потерь от необратимости теплообмена в котле. Потеря же работоспособности с отработавшим паром при неизменных конечных параметрах машины остается той же. Эксергетический баланс дает научное объяснение рассматриваемому явлению.
2. При удельном расходе топлива дизелем 144,3 г/э.л.с-ч. определены следующие составляющие балансов:
Тепловой баланс, %
- Полезная работа ........................... 43,2
- Механические потери..................... 3,3
- Потери с выпускными газами .32,9
- Потери с охлаждающей водой .20,6
Итого .................................................. 100
Эксергетический баланс, %
- Полезная работа ........................... 43,8
- Механические потери..................... 3,3
- Потери с выпускными газами .13,1
- Потери с охлаждающей водой .12,7
- Аэродинамические потери . . .5,2
- Потери при сгорании . . . .21,9
Итого .................................................. 100
Предполагается полное сгорание топлива. Как видно из приведенных цифр, наибольшая потеря работоспособности происходит при сгорании топлива вследствие необратимости процесса. Эксергетический баланс позволяет выделить аэродинамические потери, которые состоят из потерь давления в выпускном патрубке, а также потерь в агрегате газотурбинного наддува.
Сравнивая балансы дизеля и силовой установки паровоза, видим, что у первого потери работоспособности с охлаждающей водой и выпускными газами составляют 25,8%, что больше аналогичной потери с отработавшим паром на паровозе (16%). Однако у паровоза потеря работоспособности от необратимого теплообмена достигает 37%, в то время как потеря от необратимого теплообмена при охлаждении дизеля составляет 12,7%.
Потери при сгорании в дизеле также меньше (21,9% вместо 28%), в частности, вследствие нагрева воздуха при его сжатии в цилиндре.
Эти особенности и определяют высокую тепловую экономичность современного тепловоза, где дизель используется в качестве первичного двигателя.
Рис. 13. Тепловой (а) и эксергетический (б) балансы свободно-поршневого генератора газа GS-34
3. Энергетические балансы газотурбинной установки, отнесенные к валу, при наиболее простой схеме (без регенерации), получившей применение на газотурбовозе, и температуре газов перед турбиной 1023° К:
Тепловой баланс, %
- Полезная работа .......................... 26,2
- Механические потери...................... 1,0
- Потери с выпускными газами .72,8
Итого ................................................... 100
Эксергетический баланс, %
- Полезная работа ........................... 26,2
- Механические потери..................... 1,0
- Потери с выпускными газами .27,2
- Аэродинамические потери . . .6,7
- Потери при горении и смешении
в камере сгорания.......................... 38,9
Итого .................................................. 100
Здесь наибольшая потеря происходит вследствие необратимости сгорания топлива и особенно необратимости процесса смешения горячих газов с относительно холодным воздухом, что требуется для снижения температуры газов перед турбиной. Путь к снижению этой потери, как будет далее показано, — повышение температуры газа перед турбиной. При этом уменьшается количество воздуха, поступающего для смешения. Потеря работоспособности при сгорании может быть уменьшена введением регенеративного подогрева воздуха, поступающего после сжатия в компрессоре в зону горения камеры сгорания.
Сравнение балансов ГТУ и дизеля показывает, что преимущество дизеля вследствие высокой температуры при сгорании несколько теряется из-за необходимости его охлаждения. Разница в потерях при сгорании и с охлаждающей водой в дизеле (21,9 + 12,7 = 34,6%) и при сгорании в ГТУ (38,9%) относительно невелика. Основное расхождение, как видно, приходится на потерю работоспособности с отработавшими газами, которая в ГТУ значительно больше, чем в дизеле, ввиду большого количества газов, приходящихся на 1 кг топлива. Аэродинамические потери в ГТУ вместе с механическими несколько меньше, чем в дизеле, а потери на охлаждение отсутствуют.
На рис. 13 представлены тепловой и эксергетический балансы свободно-поршневого генератора газа (СПГГ) GS — 34 [1]. Как видно, и здесь распределение потерь существенно различается для обоих балансов. Эксергетический баланс устанавливает главнейшие источники потерь в СПГГ с точки зрения преобразования тепла в работу, а именно необратимость горения (29,2%), аэродинамические потери при продувке и выпуске газов (13,8%), потери в компрессоре (8,3%).
Таким образом, эксергетический метод, вытекающий из второго закона термодинамики, позволяет более глубоко изучить вопросы превращения тепла в работу. Учитывая большое практическое значение этого метода для исследования процессов локомотивов, мы привели ранее основные термодинамические обоснования его.
При оценке эффективности локомотивной ТЭУ необходимо знать материальный баланс установки, позволяющий определить количество рабочего тела, участвующего в процессе, и его утечки, а также баланс мощности, устанавливающий соотношение между вырабатываемой мощностью и мощностью, расходуемой на собственные нужды установки.
Выбор типа локомотивной ТЭУ, оптимальных параметров ее и методов эксплуатации должен быть сделан на основе технико-экономического анализа. Естественно, что ориентировка только на к. п. д. без учета стоимости установки и эксплуатационных издержек не может быть оправдана.