Экономия топлива и энергии на судах морского и речного флота во многом определяется совершенством конструкций главных двигателей судовых энергетических установок (СЭУ), их возможностями в организации высокоэкономичных рабочих процессов, а также высокими к. п.д. не только самих двигателей, но и всей СЭУ в целом. Наиболее экономичным тепловым двигателем, широко используемым на судах морского и речного флота, еще долгое время будет оставаться дизельный двигатель [1]. Технологии создания надежных судовых дизелей с высоким наддувом, обладающих высокой экономичностью, большим ресурсом работы, пригодных для эксплуатации в широком диапазоне нагрузочных и скоростных режимов с хорошо организованными переходными процессами, позволили довести до высокой степени совершенства качественные показатели использования топлива в судовых дизелях. Основными путями повышения эффективности рабочих процессов судовых дизелей являются:
способы организации высоко экономичных рабочих процессов в условиях введения допустимых ограничений роста максимального давления сгорания pz;
рациональные схемы и способы обеспечения высокого наддува судовых дизелей с учетом границ эффективного использования одно- и двухступенчатых схем наддува, схем с использованием дополнительного нагрева, перепуска газов и др.; воздухоснабжение, обеспечивающее работу ДВС при приемлемой теплонапряженности и высокой экономичности на всех заданных режимах;
способы обеспечения приемлемой теплонапряженности и работоспособности судовых ДВС и их элементов с учетом влияния увеличения среднего эффективного давления peна уровень тепловой и механической напряженности основных элементов дизеля, их надежность и моторесурс.
Оптимизация и повышение топливной экономичности судовых ДВС осуществляется по трем основным направлениям: оптимальной организации рабочего процесса в зоне основных эксплуатационных режимов, в направлении ограничения цикловых подач топлива по давлению наддува во время переходных режимов, а также в направлении согласования характеристик нагрузки дизеля с характеристиками в переходных режимах.
Наиболее простой способ оценки эффективности рабочего процесса ДВС, а, следовательно, и судового энергетического комплекса является оценка по экономичности при заданных ограничениях температуры газа за цилиндрами и максимального давления сгорания. Совершенствование рабочего процесса достигается, прежде всего, улучшением использования воздушного заряда цилиндра при сгорании топлива. Для качественного сгорания требуется интенсивное смешивание воздуха с топливом путем создания полей с искусственными завихрениями и вытеснения воздуха, находящегося под поршнем, непосредственно в камеру сгорания, с целью организации направленного движения воздушного заряда [2]. Неравномерность распределения топливо-воздушной смеси по радиусу камеры сгорания связана с механизмом впрыска и распада струи топлива. Струйный характер подачи топлива в районе в. м.т. на цикле сжатия приводит к неравномерности распределения топлива в сечениях, перпендикулярных к оси факела. В результате создается неравномерное распределение топлива также вдоль оси топливного факела из–за гидродинамических особенностей перемещения мелких капель в газовой среде. Факел по мере развития приобретает форму «гриба», в головной части которого сосредоточивается основная масса топлива. В связи с этим, важным направлением повышения экономичности за счет совершенствования рабочего процесса можно считать организацию согласованного распределения воздуха и топлива по радиусу камеры сгорания путем вихревых движений воздушного заряда. С точки зрения увеличения возможной поверхности факела целесообразным направлением совершенствования рабочего процесса может быть увеличение объема, отводимого в камере сгорания под горящий топливный факел таким образом, чтобы поверхность факела не имела соприкосновения с более холодными поверхностями объема камеры сгорания.
Процесс преобразования химической энергии топлива в механическую работу, происходящий в цилиндре дизеля, осуществляется путем сжигания топлива в среде окислителя, т. е. в воздухе. При этом количество топлива, энергию которого можно эффективно использовать при сгорании, существенно зависит от воздухоснабжения цилиндра. Во время рабочего процесса (сжатия, подвода тепловой энергии и расширения) часть химической энергии поданного в цилиндр топлива, эквивалентная разности механических работ ходов расширения и сжатия, передается с коленчатого вала двигателя потребителю. Остальная часть теплоты топлива расходуется на изменение внутренней энергии рабочего тела при преобразовании его из свежего заряда в отработавший в цилиндре газ. Одновременно часть теплоты топлива также отводится в систему охлаждения и систему смазки дизеля. Зависимость, устанавливающую связь между начальными и конечными параметрами рабочего тела в функции от количества введенной в цикл и преобразованной в механическую работу теплоты, можно получить с помощью индикаторной диаграммы.
Ценность конкретной формы энергии рабочего тела определяется ее уровнем по отношению к окружающей среде [3]. Этот уровень, как и термины «экономия топлива», «экономия энергии», могут быть определены и количественно оценены с помощью общего критерия, характеризующего полезность любого вида энергии. Этот критерий получается с помощью термодинамических законов. Двумя концептуальными инновациями термодинамики, согласно И. Пригожину, являются формулировка «первого начала», выражающего сохранение энергии, и «второго начала», вводящего энтропию [4]. Первое начало термодинамики гласит:
Когда система претерпевает превращение, алгебраическая сумма различных изменений энергии — теплообмена, совершаемой работы и т. д. — не зависит от способа превращения. Она зависит только от начального и конечного состояний.
Согласно первому началу термодинамики, сумма полного количества теплоты и совершенной работы остается одной и той же независимо от пути. Так как полное изменение энергии не зависит от пути, бесконечно малое изменение энергии dU, связанное с бесконечно малым преобразованием, является функцией только начального и конечного состояний. Утверждение о том, что изменение энергии U зависит только от начального и конечного состояний, допускает альтернативную формулировку: для циклического процесса, т. е. для процесса, в котором система возвращается в начальное состояние, интеграл от изменения энергии равен нулю:
(1)
В закрытой системе, обменивающейся с внешней средой энергией и не обменивающейся веществом, энергия может быть представлена двумя составляющими: количеством теплоты dQ и количеством механической энергии dW. В отличие от полной внутренней энергии dU, составляющие dQ и dW не являются независимыми от способа преобразования. Поэтому нельзя однозначно задать dQ и dWc помощью начального и конечного состояний. Поскольку невозможно определить зависимость функций Q и W от начального и конечного состояний, можно утверждать только то, что эти величины являются лишь частями энергии U. Вместе с тем, количество теплоты, которым система обменялась с внешней средой, можно определить достаточно простым способом. Если скорость процесса обмена теплом известна, то величина dQ есть количество теплоты, которым система обменялась с окружающей средой за интервал времени dt. Тепловой поток обусловлен процессами, происходящими за конечное время. Если величина теплового потока известна, количество теплоты dQ, которым система обменялась с окружающей средой за время dt, вполне определено. Аналогично обстоит дело и с определением dW.
Полное изменение энергии dU закрытой системы за время dt можно записать:
dU=dQ+dW, (2)
где dQи dW можно выразить через кинетику теплопередачи и через силы, совершающие работу. Например, для участка электрической цепи, содержащей активное сопротивление R, теплота, выделяющаяся при нагревании сопротивления под действием тока I за время dt, определяется по формуле dQ=RI2 dt =V0Idt, где V0 -падение напряжения на резисторе.
Величина dW=FVdt, где F — приложенная сила к системе, V- скорость.
Для открытых систем, обменивающихся с внешней средой энергией и веществом, существует дополнительный вклад, определяемый потоком вещества dUвещ. Поэтому изменение энергии
dU=dQ+dW +dUвещ.. (3)
Поток вещества, входящий в систему и выходящий из нее, может быть связан с механической работой. Вычисление изменений энергии открытой системы не вызывает принципиальных затруднений. Так как U функция является функцией только начального и конечного состояний и не зависит от пути процесса, то полное изменение энергии можно получить с помощью интеграла
=UВ -UА. (4)
Примерами обмена энергией в формах, отличных от теплоты, могут служить механическая работа, связанная с изменением объема, перенос заряда под действием разности потенциалов и др., причем каждое слагаемое dW должно представлять собой произведение интенсивной переменной и дифференциала экстенсивной переменной [4].
Открытое Карно ограничение на превращение теплоты в работу — одно из проявлений фундаментального ограничения на все процессы, которые протекают в природе, т. е. одно из проявлений второго начала термодинамики. Второе начало можно сформулировать несколькими эквивалентными способами. Представленная в макроскопических операционных терминах приемлема следующая формулировка:
Невозможно построить двигатель, который работал бы по полному циклу и превращал всю теплоту, поглощаемую из «резервуара», в механическую работу. Теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более нагретому.
Любая реальная система, которая претерпевает цикл операций и возвращается в свое начальное состояние, функционирует, только увеличивая энтропию внешней среды, с которой данная система находится в контакте. Ни на какой ступени цикла сумма изменений энтропии и внешней среды не может быть отрицательной. Иначе говоря, сумма изменений энтропии системы и внешней среды не может убывать.
Полезность понятия энтропии и второго начала термодинамики зависит от способности определить энтропию физической системы так, чтобы ее можно было вычислить. Применяя второе начало термодинамики, можно оценить полезность любого вида энергии. Концептуально можно определить эффективность расходования этой энергии и найти способы повышения ее эффективности. С этой целью целесообразно остановиться на понятии располагаемой работы (эксэргии).
Энергия используется в двух видах: в виде тепла и работы. Работа является высшей формой энергии, поскольку ее можно полностью превратить в тепло, тогда как обратное невозможно. Только часть тепловой энергии, содержащейся в рабочем теле, можно превратить в работу в циклическом тепловом двигателе (замкнутом круговом процессе). Объем работы как составной части энергии зависит от начального и конечного состояния рабочего тела и от к. п.д. процесса. Максимальное преобразование энергии в работу, совершаемую тепловым двигателем, достигается в обратимом процессе. Если ввести обозначения QR количества тепла, отводимого в обратимом процессе, максимальной работы WA и энтальпии ΔH, то справедливо соотношение
WA= QR — ΔH,(5)
записанное с учетом того, что энтальпия рабочего тела уменьшается. Поэтому величина — ΔH положительная. Принято считать, что совершаемая работа положительна, а выделяемое тепло, согласно (5), отрицательно.
Минимальное количество энергии, отводимой в виде тепла, связано с изменением энтропии рабочего тела следующим соотношением:
dQR=TdSR. (6)
Заметим, что соотношение (6) записано в дифференциальной форме, поскольку абсолютная температура T рабочего тела непрерывно изменяется. Энтропия системы, состоящей из рабочего тела и окружающей его среды, в полностью обратимом процессе есть величина постоянная. Суммарное ее изменение равно нулю, т. е.
ΔSR+ ΔS0 =0, (7)
где ΔS0 =Q0 /T0 = — QR/T0, поскольку постоянной величиной является температура окружающей среды T0. С учетом приведенных соотношений (5) ÷(7), нетрудно получить зависимость располагаемой работы от энтропии рабочего тела:
WA= T0ΔSR — ΔH. (8)
Полезно остановиться на оценке зависимости располагаемой работы от температуры рабочего тела. Для примера можно в качестве рабочего тела принять идеальный газ, который производит максимальную работу. Состояние идеального газа в адиабатическом процессе, изменяется без какого — либо обмена теплотой. Если газ с температурой T1, приходя в равновесие с окружающей средой при температуре T0, полностью отдает свою энтальпию, то ее величина определяется с помощью уравнения
ΔH=CP(T0 — T1), (9)
где CP — теплоемкость газа при постоянном атмосферном давлении. В процессе охлаждения идеального газа до температуры окружающей среды производится энтропия, которая определяется по формуле
ΔSR=S
(10)
и получается путем интегрирования (6). Если учесть, что dQR=CPdT,энтропия, потерянная идеальным газом, будет равна
ΔSR=
=CPln
. (11)
Полезно остановиться на определении максимального теоретического преобразование тепла в работу для идеального газа в относительных единицах в виде соотношения Z=WA/(- ΔH). Тогда, используя уравнения (8),(9) и (11), мы можем получить:
Z=1+ [T0/(T1+T0)]ln
.(12)
Уравнение (12) характеризует максимальную работу, которую теоретически возможно получить применительно к тепловому двигателю с обратимым рабочим процессом. Все реальные процессы производят меньшую работу. Для продуктов сгорания, используемых в тепловых двигателях, располагаемая работа может быть оценена с помощью таблиц термодинамических и теплофизических свойств. Однако сама оценка еще не означает, что располагаемая работа будет использована эффективно. Для эффективного использования топливно-энергетических ресурсов на судах и их экономии требуется реализация организации, принципов и методов энергоэффективных технологий, созданных на основе научно обоснованной системы приоритетов в области судовой энергетики и системно-технологических моделей судовых энергетических установок и их элементов. Основные положения эффективного использования топлива на судах, базирующиеся на фундаментальных теоретических положениях современной термодинамики, позволяют использовать вариационные принципы получения наиболее приемлемых решений при разработке и практическом применении оптимальных схем, методов и моделей ресурсосберегающих технологий в условиях когерентности с внешней средой. Максимальная эффективность энергопотребления СЭУ может быть достигнута лишь в случае, когда энергия распределена таким образом, что это отвечает ее использованию в соответствии с потребностями рабочего процесса в конкретных эксплуатационных условиях.
Энтропия рассматривается как мера неупорядоченности термодинамических процессов. Топливные ресурсы затрачиваются на создание или восстановление порядка. В этих процессах топливо будет использоваться с большей эффективностью по мере того, как они будут приближаться к обратимым процессам, а продукты производства будут использоваться обратимым образом. Если, например, в рабочем цикле СЭУ энергосодержание топлива используется только на 35 %, то оставшаяся часть должна выбрасываться в окружающую среду в виде потерь топлива. Вместе с тем при повторном использовании этих потерь можно уменьшить производство энтропии необратимой части термодинамического процесса и, таким образом, сохранить значительную часть порядка. Направляя это тепло на обогрев помещений, работу утилизационных котлов, подготовку танков к выгрузке углеводородного сырья, для прогрева главных двигателей судна и судовых дизель-генераторных агрегатов (ДГА), находящихся в резерве, и др., мы можем сэкономить эквивалентное количество топлива. Основные положения термодинамики диктуют необходимость полного отказа от использования обогревателей, потребляющих электроэнергию, ибо при этом ДГА должны расходовать приблизительно втрое больше топлива, чем это необходимо для обогрева другими способами. Электроэнергию как высшую форму энергии целесообразно использовать для питания навигационного оборудования, судовых информационно-измерительных комплексов, электронных средств диагностики и автоматизации технологических процессов, судовых электроприводов и др., для которых этот вид энергии является единственно пригодным. Применение электроэнергии только для обогрева равносильно полной потере содержащейся в ней работы.
Характерной особенностью равновесной термодинамики является существование принципов экстремального поведения. В изолированных системах энтропия возрастает и достигает максимума в состоянии равновесия. Это основное концептуальное положение термодинамики. Вместе с тем, из второго начала термодинамики следует, что при поддержании постоянной энтропии и объема любая система эволюционирует к состоянию с минимальной энергией. Концептуальным является то, что поддержание организации в системах может обеспечиваться с помощью самоорганизации. Самоорганизующиеся системы делают возможной адаптацию к превалирующей окружающей среде, т. е. реагируют на изменения в окружающей среде, и именно их термодинамический отклик делает также системы чрезвычайно гибкими и устойчивыми к возмущениям внешних условий. Поэтому для решения проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на судах требуются совершенные технологии, позволяющие использовать высокий энергетический потенциал самоорганизующихся систем. К процессам самоорганизации следует отнести склонность самоорганизующихся систем к «оптимизации», а точнее — к «экономии». Термодинамические системы часто ведут себя так, что некоторая физическая величина достигает своего минимального или максимального значения. Например, потоки в пассивных гидравлических и иных сетях, а также токи в электрических цепях склонны к самоорганизации, при которой потоки в разветвленной пассивной сети распределяются так, что ими производится наименьшее количество теплоты. Это принцип наименьшего действия [3].
Универсальность принципа наименьшего действия, непосредственно содержащегося в основных положениях равновесной термодинамики, состоит в том, что на его основе можно получить все уравнения движения в механике [4]. Применительно к механическим объектам принцип гласит: если тело в момент t1 находится в точке x1, а в момент t2 — в точке x2, то движение происходит так, что минимизирует величину, называемую действием. Приближение к состоянию равновесия в различных условиях происходит так, что термодинамический потенциал достигает своего экстремального значения. Организация экономии, базирующаяся на фундаментальных термодинамических положениях, предполагает применение на практике лишь эффективных процессов и исключение неэффективных [5]. При этом должны быть сведены к минимуму физические ограничения путем тщательного контроля и диагностики технического состояния главных двигателей и движительного комплекса судна, судовых ДГА, вспомогательных механизмов, основных потребителей топлива и энергии [6].
Следует также иметь в виду, что с уменьшением расхода топлива на совершение транспортной работы сокращаются процессы вредного воздействия работы СЭУ на окружающую среду: уменьшается общий объем вредных выбросов в атмосферу, сокращаются выбросы CОХ и других составляющих.
Литература:
- Пашин В. М. Роль науки в организации и становлении российского судостроения на современном этапе. «Судостроение». № 6, ноябрь — декабрь 2007, с.3–6.
- Конкс Г. А., В. А. Лашко Мировое судовое дизелестроение. Концепции конструирования, анализ международного опыта, 2005 г.- 512 стр.
- Каганович Б. М., Филиппов С. П. Равновесная термодинамика и математическое программирование. РАН, СО, Сибирский энергетический институт. Новосибирск: Наука, 1995.-236 с.
- Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур: Пер. С англ. Ю. А. Данилова и В. В. Белого. — М.: Мир, 2002.-461с.
- Камкин С. В., Возницкий И. В., Шмелев В. П. Эксплуатация судовых дизелей. М.: Транспорт, 1990.-344 с.
- Климов Е. Н. Основы технической диагностики судовых энергетических установок. М. Транспорт. 1980 г.
