热损失分析（共9篇）
热损失分析 篇1
某化工厂加热炉F-101、F-201建成于2006年, 燃料主要是炼油厂提供的常减压渣油, 含有较多的固体不燃物。在加热炉运行过程中, 各炉的热效率逐年下降, 尤其近一年来下降明显, 低于设计热效率值70% (不包括余热回收系统的热效率) , 炉壁热损失严重是热效率较低的重要因素之一, 本文对其原因和对策进行了探讨。
1 加热炉炉壁热损失情况
日常操作及巡检过程发现加热炉外壁辐射热的人体可感度呈不断上升趋势, 显然这是由于炉体壁温升高造成的。为掌握炉壁温度的具体数据资料, 使用红外测温仪、数码相机、接触式温度计、风速仪等仪器, 对F-101及F-201的辐射室炉表温度进行测试。
由表1可知两炉各侧炉壁平均温度仍在控制指标范围内, 但出现局部高温点, 超过了炉壁正常的温控指标, 使得炉表面平均温度较其初期运行 (约50℃) 有较明显的升高, 导致炉体表面热流量增加, 炉壁散热损失加剧。计算表面热流的经验公式为:
q= (1.37×0.33 (t2-t1) +3.78× (t2-t1) 0.11+6×0.5V) × (t2-t1) ×4.1868 (1) 式中:q—表面热流KJ/m2h, t1—离物体1m处温度℃, t2—物体表面温度℃, V—离物体1m处风速m/s。
根据式 (1) 计算出炉体各侧面的热流值, 再结合侧面面积, 可算出两炉辐射段散热损失高达3198794.2 KJ/h。以燃料油热值39774.6KJ/Kg计算, 该项散热损失折合燃料油约0.08t/h。
2 加热炉炉壁热损失严重的原因分析
加热炉F-101、F-201对流室的炉壁保温衬里为岩棉浇注板加陶纤针刺毡, 且衬里迎火面均覆盖有防辐射涂料, 正常情况下能起到良好的保温作用。在长期运行过程中, 炉壁衬里保温性能会逐渐减退, 保温效果降低。根据可知, 在衬里热强度q一定的情况下, 导热系数λ增大、衬里壁厚δ减小, 平壁两侧的表面温差Δt会减小, 炉外壁壁温就会升高, 炉壁热损失就会升高[1]。因此炉壁热损失升高的原因有以下几点:
2.1 导热系数增大
造成导热系数λ增大的原因有:衬里长期处于高温工作环境中, 其自身不可避免的会出现老化板结的现象, 而导致其内部结构较使用初期过于致密紧凑, 显气孔减少, 容重增加, 导热系数增大;衬里受到炉膛烟气长期冲刷, 其抗渣性降低, 熔融燃料、烟灰、炉渣等侵入耐火材料内部, 同样造成气孔率降低, 导热系数增大。
2.2 衬里厚度减薄
衬里材料热力学性质的变化引起其厚度减薄。衬里的高温耐压强度在长期使用过程中逐渐降低, 导致其对冲击、摩擦和其他机械作用的抵抗能力减弱;衬里耐火材料在长期高温作用下, 可能进一步烧结和产生物相的继续变化, 如再结晶和玻璃化等, 脆性增加, 造成衬里表层比较容易风化脱落。
操作不当引起其厚度减薄。通常采用投加药剂在线化学清灰的方法来控制炉膛温度, 但因加药人员专业程度不高, 在送药工厂风的压力控制和药剂喷射的角度上易出现偏差, 造成部分药剂直接喷射在炉壁衬里上导致其破损减薄;装置运行过程中, 因电路或仪表原因造成加热炉突然联锁熄火时, 部分操作人员为赶时间或图省事, 没有逐个关闭熄灭火嘴的油路并进行吹扫, 而是直接托起电磁阀, 利用炉膛余热一次性点燃所有熄灭火嘴。这种违章操作虽为装置恢复运行争取了时间, 但所有火嘴同时引燃, 炉膛内部形成瞬间正压, 大量的烟气产生对衬里乃至整个炉体均产生严重的冲击破坏。
从现场观火孔已可看见炉膛内部衬里表面有大量被烟气和药剂冲刷的痕迹, 且局部的衬里片状脱落现象已较严重, 外壁钢板因长时间高温烘烤, 均出现了发红变形等恶劣现象。同时炉膛内部还可以看到相当数量的保温钉因衬里的减薄而暴露于烟气中, 保温钉均为直接焊接在炉壁钢板上, 热量可以沿保温钉迅速传递至炉体外壁, 造成外壁出现多个高超温点。
2.3 炉壁腐蚀穿孔
正是由于衬里的破损减薄, 使得衬里的耐火强度和耐压强度急剧降低, 烟气渗透的现象加剧。部分含硫酸蒸汽的高温烟气穿过衬里遇到炉壁低温钢板就会凝结成含有硫酸的液体, 产生严重的低温露点腐蚀, 最终造成钢板穿孔[2]。如图1所示, 两炉外壁均有局部腐蚀穿孔现象。而在炉壁钢板穿孔附近的环境冷空气又会沿孔隙进入炉体, 进一步降低了该区域的板面温度, 使得露点腐蚀现象愈发严重。如此恶性循环造成钢板穿孔面积逐渐增大, 热损失亦相应增加。
2.4 炉温温度升高
在其他因素均不变的情况下, 炉温温度升高, 也会造成炉壁温度升高, 热损失加重。积灰是逐渐积累形成的, 受热面上一旦有了积灰而没有及时清除将对新积灰的产生有很大的促进作用, 同时灰积灰所产生的负面影响也逐级递增, 造成炉膛温度超高, 从而使炉壁温度亦相应升高, 热损失加剧。
3 降低加热炉炉壁热损失的对策
3.1 更换加热炉炉壁及保温衬里
考虑到装置加热炉炉壁和保温衬里的恶劣现状, 在装置大检修期间, 对两炉的辐射段外壁及内部衬里全面更换。两炉更换后衬里结构如下:侧墙:100mm (80mm) 改性轻质浇注料+120mm致密高铝纤维衬里+3.5mm高温红外复合液乳料;端墙:100mm (80mm) 改性轻质浇注料+120mm致密高铝纤维衬里+3.5mm高温红外复合液乳料;炉顶:120mm (100mm) 改性轻质浇注料+120mm致密高铝纤维衬里+3.5mm高温红外复合液乳料。
3.2 彻底清除积灰
为减少灰积产生的负面影响, 在检修期间除了对辐射段炉管进行常规的人工清灰外, 还应在对流段炉管区域采用干冰清洗, 从而彻底清除了对流段炉管表面的常年厚重积灰。同时, 还应拆除加热炉对流段原有的除灰范围有限, 蒸汽消耗量大的蒸汽吹灰装置, 重新设计安装了除灰范围大、吹灰效率更为明显的声波吹灰器, 以达到及时有效清除附着于炉管表面灰积灰的目的。改造后应保证每周对加热炉使用声波吹灰器进行清灰工作, 也会减少积灰从而提高加热炉的效率。
4 改进效果
F-101、F-201在经过上述针对性的改造后, 炉壁平均温度降为60℃左右, 热损失亦随之下降, 而燃油单耗7、8月份平均值为0.366, 较去年同期0.384有了明显下降, 基本达到预期效果。当然, 降低加热炉运行中的热损失除了在硬件部分采取必要的措施外, 同时还需要在日常操作中注意操作的规范性和合理性, 提高操作技能, 杜绝违章操作以保证加热炉的平稳高效运行。
参考文献
[1]钱惠国.工业炉窑壁面散热及热污染控制的研究[D].上海:东华大学, 2010.
[2]钟国财, 邹坤华, 任燕翔.裂解炉对流段盘管露点腐蚀原因分析和防护措施[J].石油和化工设备, 2014 (9) :73-74.
热损失分析 篇2
摘要：事故是来自系统和环境的风险,导致死亡、职业相关病征、伤害、财产损失或其他损失,危害人类的生产、生活和生存.对事故造成的`损失进行分析与评价是事故处理的依据,也是安全管理的重要基础.分析了事故损失的多属性特征,确定了属性指标和评价矩阵,建立了基于TOPSIS的事故损失综合评价模型,并进行了实证分析.作 者：侯立峰 何学秋 HOU Li-feng HE Xue-qiu 作者单位：侯立峰,HOU Li-feng(中国矿业大学能源与安全工程学院,徐州,221000;徐州空军学院,徐州,221006)
何学秋,HE Xue-qiu(中国矿业大学能源与安全工程学院,徐州,221000;国家安全生产监督管理总局,北京,100713)
热损失分析 篇3
关键词：燃气锅炉；排烟热损失；措施
随着天然气的推广应用，燃气锅炉逐渐走到人们的日常生活之中，成为替代燃煤锅炉的重要采暖工具。与煤炭相比，天然气具有清洁、无污染、热值高等优点，随着天然气资源的开发，我国的能源消耗由过去的燃煤、燃油逐渐向燃气发展，大量的燃煤锅炉也逐渐被燃气锅炉所替代，在今后的一段时期内，燃气锅炉的应用前景会更加广阔。因此做好降低燃气锅炉排烟热损失工作就显得非常有意义。
一、影响排烟热损失的因素
影响排烟热损失的主要因素是排烟温度和排烟容积：
（一）排烟温度。排烟温度越高，排烟热损失越大。一般排烟温度每提高15℃，排烟热损失q2将提高1%。但为了避免尾部受热面的腐蚀，排烟温度也不宜过低。当燃用含硫分较高的燃料时，排烟温度相应要高一些，燃料含硫量低时可适当降低排烟温度。
（二）排烟容积。影响排烟容积大小的因素有炉膛出口过量空气系数、烟道各处漏风量及燃料所含水分。如炉墙及烟道漏风严重，过量空气系数大，燃料水分高，则排烟容积就大，排烟损失就增加。为了减少排烟损失，必须尽力设法减少炉墙烟道各处的漏风，减小过剩空气系数。
二、降低锅炉排烟热损失方法探索与实施
（一）降低排烟量。首先消除锅炉漏风，锅炉水冷壁为膜式壁，其漏风量可以忽略，利用正压法和负压法对空预器、烟道炉墙漏风情况进行检查消缺。其次，利用烟气分析仪对排烟进行分析，以烟气中CO含量不高于30m/L的最低炉膛出口氧量值为氧量值控制下限，通过试验确定此值为1.5%，据此确定锅炉氧量控制值为1.5%-2%，以减少烟气中的剩余氧气，从而减少SO2转化为SO3的量，减少低温腐蚀。
（二）降低排烟温度。在一级空预器与引风机之间的水平烟道内添加一套低温换热器，采用锅炉尾部出口的低温烟气来加热锅炉给水，按逆流布置，其入口烟气的温度平均为145℃，经过低温换热器后温度降为120℃，然后烟气经过引风机5并最终从烟囱排出。进入低温段换热器的水为来自凝汽器的凝结水，温度为40℃，流量按120t/h计算，经过低温段换热器后，温度升高到54℃，然后进入除氧器。
新加換热器后，来自发电机组凝汽器的凝结水经凝结水泵直接进入低温烟气换热器（在原凝结水管道和除氧器进水管道上加装阀门，通过阀门切换来实现换热器的投运或解列），经过烟气加温后，温度升高到54℃左右，然后进入除氧器，从除氧器出来的锅炉给水进入给水母管，最后进入锅炉。流经低温烟气换热器的水流量可以通过电动阀门远程控制，从而达到控制烟气排烟温度的目的。
三、提高锅炉热效率的解决措施探讨
（一）排烟温度因素。一般情况下，锅炉的排烟温度每升高15℃，那么锅炉的排烟损失就会相应的增加1%。而排烟温度主要是由于受热面积和灰渣来进行传热的。锅炉的受热面积影响排烟温度。因此，要想提高锅炉燃烧热效率，首先排烟因素就是我们需要重视的。一般，我们通过改造锅炉的内部水冷壁来加大锅炉的受热面积，从而实现锅炉热效率的提高，加快锅炉的重复使用。
（二）炉膛出口处烟气含氧量因素。炉膛出口处的烟气含氧量主要是通过对燃料的燃烧情况进行反应，当氧气含量通过较多时，就会造成耗电量明显增加，从而造成排烟热效率降低；因此，在燃烧的过程中，要将氧气含量控制在合理的水平。
（三）传染效率差因素。传热能力主要和受热面的材料和接触面积有关，其传导能力较差，就会导致热效率下降，同时我们能够看到，在受热接触面积不足时，也会严重影响到热效率。因此，一般情况下，我们选择在受热面较差的一面添加一些助片来有效的扩大受热面积，从而在实际的运行过程中，可以有效的将锅炉的排烟温度提高到100左右。使用空气预热器可以有效的提高受热面积，从而提高燃烧效率。
（四）炉膛负压过大导致漏风严重因素。在正常情况下，炉膛可以有效地避免冷风进人到炉膛内部，这样可以有效地实现锅炉内部不易漏风的问题，同时可以有效地提高锅炉燃烧的热效率。但是一般情况下，这样会导致锅炉内部混乱不堪，甚至会造成漏烟、冒气等现象，一旦出现这种现象，就会严重影响锅炉内部的安全。因此锅炉在运营的过程中，要严格保证炉膛内部的负压能力。经过实验证明，炉膛内部的负压一般情况下控制在-10-20帕之间为佳。
（五）保温因素。保温层对于锅炉的热效率也有很大的影响。一般情况下，锅炉在运营的过程中，一旦保温层出现故障，就会导致锅炉内部的温度散失，无法有效的进行储热。因此，保温层如果出现故障，就应该立即进行修复，否则就会因为热量大量散失而造成损失。
（六）管道布置因素。城市中锅炉的管道由于在很大程度上分布不合理，因此导致锅炉内部的流体流动的阻力变大，从而减慢了热量传递的速度。因此，要想有效的提高锅炉燃烧的热效率，就需要在铺设管道时注重管道的布置和分布，尽量减少弯道和，尽量实现圆弧形来完成修建，这样可以有效地减少流体流动的阻力，从而减少热量的散失，提高锅炉的热效率。
（七）火焰在炉膛内部位置因素。在实际操作中，可以根据火焰的温度，对上下层的阀门进行调大或者调小，使得烟气的流动路线有所改变，从而力求使得炉膛内的空间变大，使锅炉内部燃料燃烧的更加充分，提高锅炉的热效率。
四、结论
通过分析本文主要从排烟温度高与排烟量大两方面原因进行分析，通过采取一些措施来降低燃气锅炉排烟热损失，希望能够提高燃气锅炉的热效率，促进燃气锅炉的进步。
参考文献：
[1]李龙飞，程秀，柳民涛.降低锅炉排烟热损失及燃气工业锅炉冷凝余热回收装置的应用[J].河南科技，2014，14；88.
[2]雷亚.提高燃气锅炉热效率的方法及措施[J].电子制作，2013，07；208-210.
热损失分析 篇4
随着各种微型化机械装置系统的出现, 研制作为其能量供给的微能源系统 (Power MEMS System) 受到了世界各国的普遍重视。1997年美国麻省理工学院 (MIT) 首次提出了研制硅基微燃烧/透平发动机的设想, 并随后开发出一种能量密度远高于锂电池数十倍, 亚立方厘米体积的微燃烧/透平发动机[1]。与现存的其它微型能源相比, 该发动机具有能量密度高、供电时间长、体积小、无污染等优点, 因而具有较广阔的应用空间[1]。其相关技术的研究受到了各国专家的普遍关注。
研制微燃烧/透平发动机首先需要充分掌握微尺度燃烧机理, 研制微燃烧器。有关研究表明[1], 当常规尺度的燃烧器缩小为数十立方厘米甚至数立方厘米时, 火焰燃烧的完全程度、火焰的稳定性均表现出与常规尺度不同的燃烧特性。
目前研究微燃烧器燃烧特性的方法大都采用数值计算的方法[1,4], 主要原因有两点:1) 微燃烧器尺寸过小, 相关参数、实验数据的测量非常困难;2) 当前使用的实验设备不能较好地胜任微尺度下相关数据的测量。
从查阅的相关文献来看[1,2,4,5,6,7,8], 以MIT研制的硅基六晶片微燃烧器为研究对象, 研究其燃烧特性的现在只有美国和新加坡的两所大学, 并且只有新加坡的大学进行了三维微尺度燃烧特性的研究。
这些微燃烧器设计上的重要特性和影响参数还未能充分掌握, 在开发具有燃烧效率、操作弹性、稳定性等综合良好特性的微小燃烧器方面, 还有许多尚未突破的关键问题, 并且由于微尺度燃烧器尚处于探索阶段, 再加上具有浓厚的军事背景, 相关的数据报道较少[3], 因而对其燃烧性能的研究具有非常重要的意义。
1 微燃烧器二维模型的建立
根据相关数据资料, 我们以流体动力学仿真软件FLUENT的前置模块Gambit为平台, 采用线框建模法, 构建了微燃烧器的二维模型 (由于着重究燃烧器内部的燃烧性能, 因而这里不考虑氢气/空气的预混情况) 如图1所示。
2 微燃烧器燃烧计算过程
当燃烧器的尺度缩小至数十立方厘米甚至数立方厘米时, 其内部混合物的流动状况基本上处于层流状态, 此时燃烧器的稳定性、燃烧效率以及热损失等方面均表现出不同于常规尺度的特殊现象[1]。本文在研究微燃烧器燃烧特性时, 主要考虑了以下主要因素:
2.1 网格划分
为了得到精确的计算结果, 需要根据混合气体的实际流动、燃烧状况, 对整个计算区域进行网格划分。整个计算区域由两大部分组成:混合气体流动、燃烧区域 (如图2 (a) ) ;燃烧器和流体的热交换区域 (即燃烧器的内外墙壁, 如图2 (b) ) 。基于Gambit平台, 我们选择合理的网格格式完成了整个区域的网格划分, 共生成单元76 397个, 如图2 (c) 所示。产生的网格被成功地导入到FLUENT中, 因而可被用来后续的模拟计算。
2.2 计算模型
氢气/空气混合物经过流动混合后, 在燃烧室内总共进行了19步可逆的基元化学反应。此时燃烧器和周围环境及介质之间存在着一定程度的热交换, 对燃烧器的燃烧效率、内部火焰的稳定性影响较大。主要涉及的热交换有:燃烧器外墙壁与周围环境之间的传导、对流和辐射;燃烧器内墙壁与混合气体之间的热传递等。描述上述物理过程的数学方程有:质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分质量守恒方程, 其通用形式为[9]
将式 (1) 展开得:
式中:ф为变通量, 可以代表μ、ν、ω、Τ等求解变量;Γ为广义扩散系数;S为广义源项。式 (1) 中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项。同时, 对于特定的方程, ф、Γ和S分别具有相应的特定形式。
由于微尺度下的热传递状况不同于常规尺度下的热传递状况, 所以在进行微燃烧器燃烧特性数值计算时, 我们着重考虑了以下方程[10]:
1) 单位体积的热传导方程:
式中:k为燃烧器墙壁材料 (这里指单晶硅) 的热传导系数;q觶v为传入燃烧器墙壁中的热量;c为硅的比热容。
2) 对流传热方程:
式中:h为硅的传热系数;Ts为燃烧器墙壁的温度;T∞为混合流体 (这里是指氢气/空气) 的温度。
3) 辐射传热方程:
式中:ε为辐射常数, 0≤ε≤1;T∞为燃烧器外围空间的温度;σ为Stefan-Boltzma常数, 其值等于5.67×10-8W/ (m2·K4) 。
因此在整个计算过程中, 可以将微燃烧器看成是一个由传导-对流-辐射组成的热传递系统进行处理。
2.3 气相反应机理
当氢气/空气混合气体在燃烧器内部混合、流动、燃烧时, 必须考虑其详细的气相化学反应机理, 如表1所示[1,4,10]。该机理总共进行了19步可逆的基元化学反应, 涉及的组分包括:H2、O2、H、HO2、OH、O、H2O、H2O2和M。
与文献[4]不同的地方是, 我们考虑混合气体化学反应机理时, 没有借助其它额外程序, 而是根据混合物的实际化学反应情况, 利用流体动力学软件FLUENT自带的CHEMKIN程序, 自己编写CHEMKIN MECHANISM文件, 然后导入FLUENT中进行计算的。
表1中:A是化学反应的温度指数;B是反应的频率;E是反应的活化能。
3 计算结果与讨论
3.1 初始条件的设置
依照文献[1]、[4], 本文设置了如下的初始条件:
1) 氢气/空气的当量比为0.5;2) 氢气/空气的流量为0.2 g/s;3) 燃烧器墙壁的材料为硅, 热辐射系数为0.85, 导热系数为149 W/ (m·K) ;外墙壁热传递系数分别取为50 W/ (m2·K) 、150 W/ (m2·K) 、250 W/ (m2·K) ;4) 燃烧器外围空间的温度为300 K;气体进入燃烧器时的温度也为300 K。
3.2 结果分析
1) 从图3可以清楚地看出:混合气体在进入燃烧室后, 其流动速度明显减慢。这是因为, 当混合气体邻近燃烧室时, 燃烧室入口处的火焰稳定器开始对其点火燃烧, 混合气体在燃烧室内进行了多步骤的可逆基元化学反应, 产生了许多中间产物, 在微小尺度的燃烧区域中, 这些产物的分子扩散到壁面的距离被缩短, 造成单位时间内的分子与壁面的碰撞频率增加, 因而延缓了混合气体的流动速度。
2) 从图4、图5可以看出, 随着燃烧器外墙壁热传递系数的增大, 整个燃烧器的燃烧效率、出口温度以及外墙壁的温度均出现了降低或下降的趋势, 与文献[4]显示的情形一样 (如表2所示) , 文献[1]没有给出相应的温度场分布图。分析上图, 其主要原因是, 微尺度燃烧器的表面积体积比 (A/V) 较常规尺度燃烧器大很多[1], 当燃烧器的热传递系数增大时, 其相应的表面散热量也变大, 这样燃烧器的热效率降低了。此外, 随着燃烧器与外界的热交换加大, 整个燃烧器的温度将下降, 因而延缓了混合燃料的化学反应速度, 增加了其反应需要的时间, 所以, 当外墙壁热传递系数增大, 燃烧器燃烧效率下降是必然的趋势。
3) 图6的温度场分布状况与文献[4]给出的结果较为相似 (如图7所示) , 都在燃烧器外墙壁热传递系数为50 W/ (m2·K) 时, 其微细通道内发生了回燃。同时, 图6显示的排出气体温度值、燃烧器外墙壁的温度值与表2给出的数据基本接近, 因而可以认为, 本文采用的方法是正确的, 所计算的结果是可信的。至于本文给出的其余计算结果, 文献[4]没有相应的温度场分布图。
比较图6、图7可以看出, 这两个温度场分布图存在一定的差别, 我们认为, 这主要是由于在燃烧器几何建模时, 缺少细微的结构参数造成的 (如压缩机叶片和涡轮转子的相应几何参数) , 这些参数对混合气体的流动状况影响较大, 进而影响了混合气体在燃烧室中的燃烧效率[4]。对于图6发生的回燃现象, 我们认为其主要原因是:当燃烧器外墙壁的热传递系数降低到一定数值时, 整个燃烧器与外界的热交换将大大减少, 导致燃烧器的墙壁温度较高, 这样来流的氢气/空气混合物就可能被急剧加热, 超过其着火点温度 (858 K[4]) , 在微细通道内发生了燃烧。此外, 我们还可以看到, 混合气体发生回燃时, 微细通道墙壁的温度达到甚至超过了1200 K, 这对整个燃烧器的结构危害极大, 因为当硅材料承受到的温度超过900 K时, 其屈服强度将大大降低, 发生软化, 出现蠕变失效[1,2,4,5,6,7], 因此这种现象应该避免。
5 结论
本文以美国麻省理工学院研制的硅基六晶片微燃烧器为研究对象, 在考虑氢气/空气的流体动力学特性、传热学特性以及其详细化学反应机理的基础上, 采用二维CFD数值模拟的方法, 研究其外墙壁热损失状况对微燃烧器燃烧特性的影响程度, 结果表明:
1) 利用二维CFD数值计算的方法研究微尺度燃烧器的燃烧特性, 得到的计算结果非常直观, 与国外相关结果较为吻合。
2) 适当减少燃烧器与外界的热交换状况有利于提高燃烧器的燃烧效率, 但燃烧器的热传递系数过小, 其内部容易发生回燃现象, 对整个燃烧器的结构危害极大, 所以选择合理的壁墙热传递系数, 对优化微燃烧器的燃烧特性非常重要。
3) 在目前测量设备、实验手段十分有限的情况下, 采用数值计算的方法研究微尺度燃烧特性, 能够获得实验设备无法得到的数据资料, 这一方面对我们了解微尺度燃烧器的燃烧特性、稳燃机理、燃烧效率提供了帮助, 另一方面可以交互地对整个燃烧器的运行参数进行调整和优化, 提高了工作效率, 降低了开发成本。
摘要：以美国麻省理工学院 (MIT) 研制的硅基六晶片微燃烧器为研究对象, 研究其外墙壁热损失状况对该燃烧器燃烧特性的影响程度。采用考虑了基元反应动力学机理燃烧程序的二维CFD数值分析方法, 研究在微燃烧器入口处氢气/空气当量比、流量不变的情况下, 其外墙壁热损失状况对燃烧器燃烧特性的影响程度。整个计算过程包括混合气体的流动路径、燃烧器的内部区域以及其墙壁面;同时在计算过程中也考虑了混合气体的流体动力学特性、传热学特性和详细的基元反应机理。计算结果表明, 燃烧器外墙壁的热传递状况不但影响燃烧器的燃烧性能, 还对整个燃烧器的结构寿命影响较大。随着外墙壁热传递状况的改善, 如从150 W/ (m2·K) 增大到250 W/ (m2·K) , 燃烧器排出气体的温度、燃烧性能均出现降低或下降的趋势, 但外墙壁的热传递系数过小, 如50 W/ (m2·K) 时, 燃烧器的微细通道内将发生回燃。结果表明, 利用二维CFD数值模拟的方法研究微尺度燃烧器燃烧特性可行, 与国外实际测量结果较为相近, 为今后微型燃气轮机燃烧器的研制及改进提供了一定的参考依据。
关键词：热损失,微燃烧器外墙壁,燃烧特性,计算流体动力学 (CFD)
参考文献
[1]MEHRA A.Development of a high power density combustion system for a silicon micro gas turbine engine[D].Massachusetts, US:Massachusetts Institute of Technology, 2000.
[2]EPSTEIN A H.Millimeter-scale, MEMS Gas Turbine engines[C]//Proceedings of ASME Turbo Expo 2003 Power for Land, Sea, and Air, Atlanta, Georgia, USA, 2003:16-19.
[3]JIN S H, MENG W, Kurichi K.Numerical simulation of the combustion of hydrogen-air mixture in micro-scaled chambers Part II CFD analysis for a micro-combustor[J].Chemical Engineering Science, 2005, 60 (13) :3507-3515.
[4]SPADACCINI C M.Combustion systems for power-MEMS applications[D].Massachusetts, US:Massachusetts Institute of Technology, 2004.
[5]PHILIPPON B.Design of a film cooled MEMS micro turbine[D].Massachusetts, US:Massachusetts Institute of Technology, 2001.
[6]SPADACCINI C M, MEHRA A, LEE J.High Power Density Silicon combustion systems for micro gas turbine engines[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2003 (7) :709-719.
[7]MEHRA A, ZHANG X, AYN A A.A six-wafer combustion system for a silicon micro gas turbine engine[J].Journal of Micro Electro Mechanical Systems, 2000 (4) :517-527.
[8]王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社, 2004.
[9]CHEN Kuoshen.Materials characterization and structural design of ceramic micro turbomachinery[D].Massachusetts, US:Massachusetts Institute of Technology, 1999.
[10]TIEN J H, STALKER R J.Release of Chemical Energy by Combustion in a Supersonic mixing layer of hydrogen and air[J].Combustion and Flame, 130 (2002) :329-348.
热损失分析 篇5
1 预热器出口废气热损失的影响因素
预热器出口废气带走的热损失主要由风量和风温决定, 废气量少、温度低, 则废气带走的热损失小, 表明系统性能优越, 操作用风合理, 管理科学而且密封性能良好、漏风少。
预热器出口的废气量主要由三部分组成。第一部分是煤粉燃烧产生的理论烟气量, 主要由煤粉的消耗量及其发热量决定 (即由熟料烧成热耗决定) , 煤耗越高, 发热量越大, 则燃烧产生的理论烟气量就越大;第二部分是生料分解产生的CO2量;第三部分是过剩空气量, 主要与系统的漏风量和操作用风有关。若操作用风合理, 系统密封堵漏良好、漏风少, 则过剩空气量必定很小。
对于第一和第二部分, 在同规格、同类型生产线中一般差别不大, 主要区别在第三部分。虽然系统漏风量占总废气量的比例不大, 但其造成的损失却是显而易见的。一方面会增大系统废气量, 增加废气带走的热损失及风机电耗;另一方面则会因掺入冷风而降低系统内气体温度, 进而降低气固换热效率。特别是各级预热器下部翻板阀及下料管的内、外部漏风, 将造成物料返混, 使旋风筒分离效率急剧降低, 增大系统的飞灰量, 扰乱系统正常生产。
2对热工检测数据的分析
表1~表4是我院近年来对众多预分解窑生产线进行的热工检测数据。表1中CJ1与CJ2是同一窑, CJ1是1999年检测, CJ2是2003年检测, 期间没有大的改造, 原燃料也没有变化。通过两次检测数据对比可以看到, 虽然熟料产量提高了近257t/d, 但预热器出口单位熟料标态废气量反而减少了, 由1.643m3/kg降低到1.271m3/kg, 且后者废气温度也有所降低, 表明通过加强管理、密封堵漏、优化操作和合理用风, 可进一步提高预分解窑系统性能。
分析表1数据, 平均熟料烧成热耗为3 343k J/kg, 平均预热器出口单位熟料标态废气量为1.511m3/kg, 平均系统标态漏风量为0.263m3/kg。而5 000t/d生产线由于规模大、产量高, 因此单位熟料的烧成热耗较小, 在表2中平均值为3 055k J/kg。MC厂的各项指标都属于较高水平, 特别是其系统漏风量指标已达到国际最先进水平, 仅是表1中平均水平的1/3左右。
MC厂2 500t/d生产线100%燃烧无烟煤, 于2007年4月建成投产。8月底我院对其进行热工检测, 熟料烧成热耗为3 196k J/kg, 在表1中已是最小, 且与国内同规格100%燃无烟煤的分宜海螺水泥厂指标相差不大。分宜厂熟料烧成热耗为3 136k J/kg, 熟料产量为2 700t/d, 其技术水平被认为已达到了燃无烟煤技术的国际先进水平。
MC厂预热器出口单位熟料废气热损失为603.4kg/kg, 是表1各厂中损失最小的。预热器出口标态废气量及废气温度也较小, 分别为1.296m3/kg和309℃。关于预热器出口废气温度, 国内外先进指标都在300℃以下, 江苏LD厂2 500t/d生产线甚至已达到285℃左右。但由于MC厂100%燃烧无烟煤, 且煤粉发热量和灰分含量波动也比较大, 因此309℃的出口温度相对来说还是比较低的。表1中SD厂出口温度304℃, 是由于其测点不在预热器顶部出口, 而位于预热器出口总风管的第4个平台处, 因此实际预热器顶部出口温度可能在310℃以上。
再从系统标态漏风量来看, MC厂为0.098m3/kg, 远低于其他各厂, 这与MC厂各测点处的气体成分分析结果也是吻合的 (见表4) , 主要是由于MC厂预热器系统密封性能良好、管理科学和操作用风合理等原因。漏风量的大小主要体现在各测点处的O2含量上, O2含量小, 则表明漏风量少。从表1和表2中的O2含量来看, 基本都在2.5%~5%之间, 而MC厂O2含量却只有1.8%, 空气过剩系数仅为1.116, 计算得到预热器系列的标态漏风量为6 549m3/h, 是我院进行热工检测以来所测数据中最小的, 已属目前国际最先进水平。该O2含量由奥氏气体分析仪分析测得, 经多次测量均在1.8%左右, 且证明与实际测得的预热器出口废气量相吻合。
蒸汽保温管线热损失评价方法研究 篇6
关键词：保温管线,热损失,评价方法
1 项目研究目的及意义
在化工行业, 大量的热能通过蒸汽热网管道输送, 最大限度地减少热网管道表面热损, 是提高热网管道节能效益的根本途径。减少输送热网管道的热损, 不但可以节约燃料, 而且能改进蒸汽的品质, 改善用户的工艺操作条件, 提高产品质量, 同时也使劳动条件得到改善。
输热管道热损失的测试是保温效果评价和保温改造的主要依据, 也是保温施工质量监督和综合评价保温技术经济效益的基础。因此, 准确、全面、经济地给出现场热损失数据是保温技术的重要内容。设备及管道保温效果是机组安全经济运行的重要指标之一。
以大庆石化公司为例。大庆石化公司拥有的某段3000多米长的高温蒸汽管道, 保温层与保护层已经老化严重, 局部区域甚至出现破损, 造成严重热量散失, 直接导致了企业能源成本增加、经济效益下降。
本研究报告对如上高温蒸汽管道末端700米段的散热状况进行测试、分析及评价, 找出保温薄弱环节, 给出优化设计保温改造结构及保温层厚度的建议。
2 管道保温效果测试及评价
2.1 管道热损失测试概述。
热介质的热量从管道内部, 经过金属壁、保温结构的主保温层和副保温层等, 最后散失到周围的大气中, 这是一种复杂的过程, 一般都存在传导、对流和辐射三种传热过程。
一般有下列情况:a.热介质的热量, 从金属内表面向金属外表面传递, 然后再从保温结构 (由保温层和保护层组成) 内表面向其外表面传递;b.热介质的热量, 从保温结构外表面向周围大气辐射。
2.2 测试内容与步骤。
现场进行大范围的输热管道保温热损失测定, 其工作量是非常大的。因此, 有计划、有步骤、有组织地进行测试是保证测试准确性的前提, 我们通过测试工作的实践, 大致分为以下两部分:2.2.1管道全线普测。在进行热损失测定工作之前, 了解管线的工艺参数、管径、长度及其支架、阀门、管间距等有关资料;查明保温层材料的品种与性能、厚度、结构、外罩和破损裸露状况等。2.2.2为了保证测定结果具有准确性, 在确定测试点时, 选择了有代表性的位置。
2.3 测试条件。
按照国家标准, 测试时应该满足以下条件:2.3.1测试应在热力系统正常运行工况下进行。机组负荷应为额定负荷的80%以上且运行基本稳定。2.3.2测试应在管道投入运行后不少于8小时, 且管道内介质参数基本保持稳定1小时后开始。2.3.3为满足一维稳定传热条件, 应排除和减少不稳定因素对测试结果的影响, 并避免在恶劣气候条件下测试。2.3.4室外测试应避免在雨、雪天气下进行, 应避免日光直接照射或周围其它热源的辐射影响, 否则必须加遮阳装置, 且稳定一段时间后再测试。2.3.5测试时测点周围风速不应大于0.5m/s, 否则必须采取措施, 如加避风装置, 且稳定一段时间后再进行测试。测试设备已经长期运行;当日天气, 风和日丽。完全满足国家标准的所要求的测试条件。
2.4 测试仪表。
根据GB/T 8174及GB/T16617的规定, 设备及管道保温 (保冷) 效果的测定分为三级。根据测定等级的要求, 应选用相应准确度的测定仪表, 见表1。本测试采用测试准确度等级为二级。
2.5 测试方案。
2.5.1测定段及测点的选取原则。根据测试目的、工况和保温结构, 选择有代表性的区域作为测定段。应避开联结缝隙处、结构破损处或其他不连续处。测点的选取原则如下:对横管和竖管应分别布置测点。沿管场取若干个测定界面, 在每个截面的圆周上布置测点。圆周上的布点位置和数量可以采用等分的方法确定, 或视温度场分布状况, 通过预测试确定。2.5.2热损失的测定方法。热损失的测定方法通常有两种方法, 一是热流计法, 二是表面温度法, 本方案采用表面温度法对管道的热损失进行评定和计算。表面温度法具体测试方法为:将热电偶式和热电阻式表面温度计的传感器直接与被测物的外表面接触, 进行测量。2.5.3本项目测试方案。本项目采用表面温度法对测试对象进行热损失评估, 具体测点布设方案如下:a.根据实际情况, 在热力主干管道上选择了有代表性的四个测试截面, 即头部, 尾部和中间两个测试面。在选择测试面的时候, 注意到了弯头往往是保温工程的薄弱环节的问题。b.每个测量面选定了顶部、上侧、下侧3个测点 (见图1) , 并在每个测点四周的圆面上分别测3次, 取其平均温度值, 再用表面温度法计算出该点的热损值, 最后用整个管道每一个截面所有测点的热损平均, 求出该管道的平均热损。c.环境温度测点布置在被测管道附近, 距离被测管道1m处测定。d.风速测点位置与环境温度的测点位置相同。
2.6 测试结果。
利用上述测试及评价方法, 对大庆石化公司3500蒸汽管线的末端约700米段进行了测试。具体测试及计算结果如表2所示, 分析结果如表3所示。
根据被测物的表面温度、环境温度以及表面换热系数, 可根据下式 (1) 计算散热热流密度q:
表3的数据表明, 4个断面的热流密度的平均值为249.8W/m2。如果除去最大点和最小点的数据, 则表中热流密度的均值为225.8/W/m2。
3 结论与建议
测试和计算表明:
3.1 四个断面平均的热流密度为249.8W/m2, 此时, 保温材料的平均导热系数相当于0.1942W/mK;除去最大测试数据和最小测试数据以后, 断面的平均热流密度为225.8W/m2, 此时, 保温材料的导热系数相当于0.1756W/mK。
3.2 对于保温材料导热系数为0.1756W/m K的管线, 在大庆地区年平均气候条件下, 700米管道的年热损失相当于426吨标准煤的放热量。
热损失分析 篇7
1.1 燃料燃烧过程中的热损失
燃料是工业锅炉运行的主要动力, 然而在燃料燃烧的过程中, 一些气体不充分燃烧, 随着烟气排出管道。在燃烧过程中, 由于氧气的缺失, 或者其他因素的作用下, 同样会有固体燃料不能充分燃烧。燃料的品质与种类的不同, 可燃点也不同;在炉膛中停留的时间长短等因素, 都会造成热损失。燃料的充分燃烧才能为工业锅炉提供高效率的热能, 燃料燃烧的不充分不仅会给空气中排入大量废气废料, 而且使得锅炉的热损失增大, 不能使锅炉有效供热。
1.2 锅炉本身的散热损失
工业锅炉在使用中, 散热的损失较大。由于锅炉的材质不同, 有些锅炉的保温性能较差, 在锅炉使用过程中散热较多。锅炉的烟风道和汽水管道与使得散热增多, 在使用中锅炉的自身温度高于周围的外界温度, 同样, 会出现大量的热量丧失现象。现代投入使用的锅炉中, 由于漏风现象, 降低了锅炉的传热性能。部分锅炉的风室不透风, 各个风室之间的窜风现象突出, 炉排与侧墙之间的漏风等都在不同程度上加大了热量损失。
1.3 锅炉排出物中的热损失
锅炉排出物包括烟气与灰渣。烟气管道在排出烟气的过程中, 将大量的热量也排出外界。排烟量越大, 排烟的热损失越大。部分工业锅炉没有装置尾气处理设备, 没有对余热进行合理有效的利用, 致使热量损失。锅炉尾部的受热面缺失, 使得排烟热量直接传入外界。有些锅炉装了吹灰器, 尾部受热面积积灰积垢的严重, 或者检修不利都会对热量传送造成影响。此外, 灰渣中的灰分过大, 以及固体燃料的不完全燃烧, 都是一种热损失。
1.4 部分锅炉管理人员的操作经验与管理水平问题
对于锅炉的高效率利用, 离不开锅炉管理人员的科学合理操作。锅炉的操作管理人员需要观察炉膛内燃料的燃烧情况, 需要对燃料燃烧组织科学合理的成分搭配, 需要高效的管理技能。然而, 由于实际工作中的一些锅炉管理人员对于锅炉管理经验的缺失, 导致管理的低效率与热损失的扩大化。许多管理人员对于火候的把握不足, 燃料利用不充分, 增加了废料, 甚至由于管理失误导致炉膛进风, 恶化燃料的燃烧环境。为了工业锅炉热效率的提高, 培养提高锅炉管理人员的专业水平尤其重要。
2 提高锅炉热效率的方法与措施
通过对锅炉热损失因素的分析, 我们可以发现从燃烧过程到废料排出的过程中, 无不充斥着热量的损失因素。以下就此分析出来的问题给出相应的措施, 以提高能源资源的利用率, 节能减排, 提高锅炉的热效率。
2.1 促进燃料的充分燃烧
首先要选择燃料的成分, 燃料的可燃点不同, 易燃材料的燃点低。煤粉细度的合理选择, 可以有效促进燃料燃烧。燃料燃烧同样需要充足的空气, 那么, 需要合理的送风与调节风度, 保障燃料所需要的空气。维持一定的炉膛温度, 需要控制炉膛过量的空气系数, 在降低过量的空气系数的过程中, 保持炉膛温度, 可以促使燃料充分燃烧。此外, 燃料还需要在炉膛内一定的停留时间, 时间过短会中止燃料的燃烧过程。燃烧需要的空气, 炉膛温度与时间都具备了, 才能保障燃料的充分燃烧, 提高燃料利用率, 产生高效率热能。
2.2 减少锅炉表面的散热现象
在锅炉的排烟道, 风道, 炉壁, 炉排等的材质选择上, 采用保温质地的材料, 对于锅炉产生的热量有效保温, 有效降低热量散失。改进炉排的密封性和排风结构的完善性, 通过对各个风室之间的挡风装备的合理设置, 加强对漏风现象的治理。对于锅炉的各个接点, 阀门进行定时合理维护保养, 防止漏, 跑风的现象。加强对保温层的检查维护, 及时修理破坏保温层。通过对漏风现象的治理, 与对保温层的检修保护, 提高炉膛的温度, 使炉膛保持一定的热量。
2.3 降低排出物质所携带的热量
首先, 要控制排烟处过量的空气系数, 有效降低排烟的容量与排烟温度。排烟处的空气系数过大或过小都不利于锅炉的热效率提高, 所以要保持一定的锅炉排烟处的空气系数。同时, 应该加强对余热的回收利用, 加强对锅炉尾部受热面的清洁, 并有效的治理炉膛结焦的现象都可以强化锅炉的传热, 降低热损失, 有效的降低排烟温度, 提高锅炉的热效率。此外, 要降低灰渣的温度, 可以将燃煤加湿, 降低灰分的产生率。
2.4 强化锅炉管理人员的管理
锅炉热效率的有效提高, 很大程度上依赖着有经验, 运用科学管理技术的锅炉管理人员。锅炉管理在于人的合理操作, 因此, 要充分发挥锅炉管理人员的积极性, 加强对于锅炉管理人员的技术培训与经验交流, 建立信息化培训体系, 让广大的管理人员可以随时随地接受到科学先进的管理技术。
摘要：工业锅炉是重要的热能动力设备, 应用范围广, 对于我国的工业生产, 建筑采暖等领域的发展都产生了重要的作用。在工业锅炉使用的过程中, 在内外因素对工业锅炉的影响下, 会出现热损失的现象。那么, 本文就此内外的影响因素进行分析, 并对如何降低热损失, 提高热效能提出建设性的建议。
关键词：工业锅炉,热损失,热效率
参考文献
[1]梁立业.提高工业锅炉热效率方法浅析.科学与财富, 2015年04期.
热损失分析 篇8
在推进节能减排工作中,中国大中城市都明确要逐步限制和淘汰燃煤工作,用天然气锅炉取代。天然气锅炉具有热效率高、运行能耗低、燃料运输能耗低和制造钢材消耗低等优点,所以天然气锅炉应用普遍增多[1,2]。
天然气锅炉的排烟热损失占热损失的比例最大,一般达到6%～15%,所以对排烟热损失的考核具有重大意义。按GB/T 10180—2003工业锅炉热工性能试验规程计算排烟热损失时,涉及到现场参数和天然气分析数据,这不便于现场对排烟热损失进行计算考核[3]。
本文采用MATLAB对排烟热损失编程计算,同时将天然气分析数据进行拟合回归,得到现场快捷计算排烟热损失的公式。利用现场测试数据,按GB/T10180-2003工业锅炉热工性能试验规程标准对快捷计算排烟热损失公式进行验证,表明该公式具有很高的精度,完全满足现场排烟热损失计算的应用。
1 排烟热损失规程计算
现场对天然气锅炉进行热工测试,在锅炉正常运行状况下,固体未完全燃烧热损失和灰渣物理热损失看做零值,而气体未完全燃烧热损失和锅炉表面热损失一般都变化不大且比较小,所以锅炉热损失主要集中在排烟热损失。
按GB/T 10180-2003工业锅炉热工性能试验规程,天然气锅炉的热损失计算公式见式(1)至式(8)。
式中N2,CO2,O2,CO,H2S,H2,CmHn分别为气体燃料中对应成分的容积含量百分比,%。
式中,V0H2O为理论水蒸气容积,m3/kg;VH2O为排烟处水蒸气体积,m3/kg;Vgy为排烟处干烟气体积,m3/kg;Vpy为排烟处烟气体积,m3/kg。
式中,Qr为输入热量,kJ/kg;tpy为排烟温度,℃;tlk为冷空气温度,℃;cgy为干烟气平均定压比热容,kJ/m3/℃;clk为空气平均定压比热容,kJ/m3/℃;cH2O为水蒸汽的平均定压比热容,kJ/m3/℃;q2为排烟热损失,%。
2 排烟热损失模拟算法
将式(1)至式(8)逐层迭代,考虑到现场实际,取cgy为1.36,clk为1.32,cH2O为1.53,得到式(9)。
其中:
采集16家企业的燃用天然气进行成分分析,鉴于篇幅的限制,在此只列出其中10家天然气成分分析数据得出结果见表1。
将天然气成分分析的数据矩阵代入式(9),经MATLAB编程计算,得出结果见图1。
经过拟合回归得,A=0.036 7,B=0.004 6,C=0.035 0。
经上所述,得排烟热损失快捷计算公式见式(10)。
3 排烟热损失模拟值的分析
取9台天然气工业锅炉的能效测试数据进行验证该快捷计算方法的可靠性。排烟热损失模拟值与实算值的比较数据见表2和图2。
由表2可知,排烟热损失模拟值和实测值的绝对误差均小于5%,完全满足现场测试精度要求;由图2可知,在现场实际,该快捷模拟计算方法具有较高的准确性,满足在线快速获取排烟热损失的要求。
4 结论
a)应用MATLAB来在线快速模拟排烟热损失的计算方法具有较高的可靠性和准确性,能满足现场测试排烟热损失的要求;
b)应用在线仿真计算排烟热损失,可以减轻现场测试的工作量,减少天然气分析环节,提高工作效率;
c)在线仿真计算方法可以根据现场实测的几个重要参数来快速计算锅炉排烟热损失,这为锅炉实现现场效率测试提供了一种思路,同时也方便现场工作人员根据此在线快速调节锅炉运行参数,使得排烟热损失尽量降到最佳值。
摘要：由于环保和节能的原因,燃天然气工业锅炉的应用日益增多,其节能减排工作也日益突出。燃天然气工业锅炉排烟热损失是热损失中最重要的一项,研究一种现场快捷计算排烟热损失显得意义重大。排烟热损失计算涉及到现场数据和天然气分析数据,为实现现场快捷计算排烟热损失,采用MATLAB软件对排烟热损失进行编程计算,并对天然气分析数据进行拟合回归,模拟出排烟热损失的现场快捷计算方法。利用现场测试数据验证,表明该快捷模拟算法具有较高的精度。
关键词：工业锅炉,节能,天然气,热工测试,排烟热损失
参考文献
[1]李茂东,黎华,钟志强.工业锅炉能耗现状分析与节能措施[J].石油和化工设备,2009(07):67-69.
[2]史培莆.工业锅炉节能减排应用技术[M].北京:化学工业出版社,2009:70-75.
热损失分析 篇9
1 发动机的实际循环过程
1.1 进气过程。
进气过程是指冲量进入进气气缸的过程。在进气过程中:进气门开启、排气门关闭, 活塞由上止点向下止点移动。由于上一循环的残余废气, 排气终了时气缸内压力pr, 下降到低于大气压力的p'r。在压力差的作用下, 新鲜气体被吸入气缸, 直到活塞达下止点后, 进气门关闭为止。由于进气系统有阻力, 进气终了的压力pca, 仍低于大气压力p0。进气终了气体因受到高温零件和残余废气的加热, 其温度Tca总是高于大气温度T0。
1.2 压缩过程。
活塞在气缸内压缩工质的过程, 即为压缩过程。压缩过程中, 进、排气门均关闭, 活塞从下止点向上止点移动, 缸内工质受压后温度和压力不断上升。压缩过程的目的是增大工作过程的温差, 使工质获得最大限度的膨胀比, 提高循环热效率, 为着火燃烧创造有利条件。
工质被压缩的程度用压缩比εc表示。
式中:Vt——气缸最大容积;
Vce——燃烧室总容积 (气缸余隙容积) ;
Vs——气缸工作容积 (活塞排量) 。
发动机的实际压缩过程, 是一个复杂的多变过程。压缩开始, 新鲜工质温度较低, 受缸壁加热, 多变指数n大于定熵指数k;随着工质温度升高, 到某一瞬时与缸壁温度相等, 多变指数n等于定熵指数k;此后, 随着工质温度升高而高于汽缸壁, 向缸壁散热, 多变指数n小于定熵指数k。
1.3 燃烧过程。
在上止点前通过外源点火或自燃, 混合气着火燃烧。燃烧过程放出的热量越多, 放热时越靠近上止点, 则热效率越高。在汽油机中, 当活塞压缩到上止点前, 由电火花点燃混合, 火焰迅速传遍整个燃烧室, 使工质的压力及温度急剧上升, 其压力在极短的时间内达到最高值, 从而接近定容加热。在柴油机中, 同样应在上止点前开始喷油和燃烧的。燃烧开始时, 燃烧速度很快, 而气缸容积变化很小, 工质温度、压力剧增, 接近定容加热。随后是边喷油边燃烧, 燃烧速度慢, 且随着活塞下移, 气缸容积增大, 气缸压力升高不大, 而温度继续升高, 接近等压加压。在实际燃烧过程中, 不仅有散热损失, 燃烧不完全损失, 而且由于燃烧不是瞬时完成的, 需要一定时间, 因此还存在非瞬时燃烧损失。
1.4 膨胀过程。
膨胀过程是燃烧后的高温、高压气体在气缸内膨胀, 推动活塞由上止点向下止点移动而作功的过程。随着气缸容积增大, 气体的压力、温度迅速下降。在膨胀工程中, 与压缩过程中情况相似, 并非绝热过程, 不仅有散热损失、漏气损失, 还有补燃和高温热分解。因此, 实际膨胀过程也是多变指数变化的多变过程。在膨胀开始时, 由于存在继续燃烧现象, 工质被加热, 多变指数n小于k;到某一瞬时, 工质的加热量与工质向缸壁的放热量相等, 多变指数n等于k;随后工质向缸壁散热, 则多变指数n大于k。为简便起见, 通常在计算中, 用一个不变的平均多变指数来代替变化的多变指数。压缩过程的平均多变指数为n1, 膨胀过程的平均多变指数为n2。
1.5 排气过程。
在膨胀过程末期, 活塞接近下止点时排气门开启, 废气高速排出。当活塞由下止点向上止点移动时, 缸内废气继续排出, 直到排气门关闭, 排气过程结束。排气终了的温度常作为检查发动机工作状态的技术指标。如发动机工作过程不良, 热功转换效率低, 则排气终了温度偏高。各过程的状态参数变化见表1。
2 对理想循环的修正
由于诸多因素的影响, 发动机不可能以理想循环工作。因此, 实际循环也就不可能达到理想循环那么好的性能指标, 但可根据影响因素的具体情况, 对理想循环进行修正。
2.1 工质的影响引起的损失。
实际循环中, 工质的成分及数量都是变化的, 比热容也随温度上升而增大, 并非定值。燃料燃烧, 工质发生物理化学变化, 而且存在漏气损失。
2.2 换气损失。
理论循环中用从热源等容等压吸热和向冷源等容放热过程来代替实际循环的燃烧和换气过程, 因而它无需进行工质的更换。而实际循环中, 燃烧废气的排出和新鲜空气的吸入, 是维持实际循环得以周而复始地进行所必不可少的。在实际循环的换气过程中, 排气门要提前开启, 废气在下止点前便开始逸出, 使使示功图的有用功面积减少。
2.3 气缸壁的传热损失。
理论循环假定是气缸壁和工质之间无热交换。但在实际循环中, 气缸壁和工质之间自始至终存在着热量交换。在压缩过程初期, 气缸壁温度高于工质温度, 工质吸热;在压缩过程后期, 工质温度超过缸壁温度, 工质向缸壁散热。其平均多变压缩指数偏低, 存在热量损失, 使压缩过程的压力线低于循环的压缩线。
此外, 由于进气终了压力低于大气压力, 因此, 整个实际压缩线处理理论压缩线的下方。在随后的燃烧、膨胀和排气过程中, 工质继续不断地向缸壁传出热量, 使实际循环的膨胀过程线低于理论循环的膨胀线, 其差值即为实际循环的传热损失。
2.4 传热、流动损失。
实际循环由于工质与缸壁、燃烧室存在热交换, 因此压缩过程与膨胀过程都不是绝热的, 所产生的损失称为热损失。
2.5 燃烧损失。
燃料燃烧需要一定时间, 有时燃烧还延续到膨胀行程, 由此产生了非瞬时燃烧损失和补燃损失。同时, 由于燃烧不完全和高温分解, 还可以引起损失, 都会使实际循环的最高压力和最高温度下降, 膨胀功减少。
参考文献
[1]员力勋.四冲程与二冲程发动机的比较[J].摩托车, 2001 (9) .
[2]邸立明.往复活塞式发动机多工作模式的研究[D].哈尔滨:东北林业大学, 2006.