Моделирование системы утилизации тепла двигателя внутреннего сгорания специальной и автотранспортной техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование системы утилизации тепла двигателя внутреннего сгорания специальной и автотранспортной техники

В.В. Конев, Д.В. Райшев, Г.Г. Закирзаков, С.В. Созонов

Тюменский государственный нефтегазовый университет

г. Тюмень

Аннотация

Обеспечение работоспособности специальной и автотранспортной техники при низких отрицательных температурах зависит в первую очередь от надежности запуска двигателя внутреннего сгорания. В условиях автономного функционирования машин возникает необходимость использования ее внутренних источников. Это можно осуществить использованием системы утилизации тепла двигателя внутреннего сгорания. Для этого предлагаются тепловые аккумуляторы. С целью повышения их эффективности (тепловой потенциал, габариты) рассмотрено три конструкции двухкамерного теплового аккумулятора. Для описания теплопередачи теплового аккумулятора определены условия однозначности, в соответствие с которыми проведено моделирование тепловых процессов теплоаккумулятора.

Ключевые слова: эксплуатация, тепловой аккумулятор, тепловая подготовка ДВС, теплопередача, система утилизации тепла, низкие отрицательные температуры.

тепловой аккумулятор двигатель утилизация

При эксплуатации специальной и автотранспортной техники в условиях Крайнего Севера и Арктики возникают проблемы с обеспечением ее работоспособности [1 - 6]. Основным фактором, определяющим готовность специальной и автотранспортной техники к работе после межсменной открытой стоянки, является температура ДВС перед пуском [7]. На изменение теплового состояния ДВС влияет температура окружающего воздуха. Поэтому задача сводится к нейтрализации влияния температуры окружающей среды. Это достигается путем сохранения в межсменный период тепла ДВС (охлаждающей жидкости), накопленного во время работы машины, а также повышением температуры охлаждающей жидкости (ОЖ) перед тепловой подготовкой ДВС без затрат дополнительной внешней энергии [8].

Для решения этой задачи предложена система утилизации тепла ДВС с использованием двухкамерного теплового аккумулятора (ТА) [9]. Исследуется три варианта конструкции ТА (рис.).

Температура первой камеры равна температуре ОЖ в ДВС при работе, т.е. 80-90 С, а объем равен объему подрубашечного пространства ДВС с небольшим запасом. Температуру второй камеры и количество теплоаккумулирующего материала (ТАМ) следует определить из условия необходимого, для надежного запуска ДВС.

а) б) в)

Рис. Расположение камер в двухкамерном теплоаккумуляторе: а) первая камера (К1) имеет общую стенку с второй камерой (К2); б) вторая камера внутри первой камеры; в) вторая камера под первой камерой.

Для определения количества тепла ТАМ (тепловой потенциал К2) необходимо определить закономерность теплопередачи К1 к окружающей среде.

Итак, рассмотрим теплопередачу ТА, состоящего из одной камеры. В нем теплоносителем является ОЖ, помещенная в металлическую емкость. Емкость теплоизолирована пенопластом от воздействия окружающей среды. На процесс охлаждения оказывает воздействие также скорость ветра и геометрические размеры ТА.

Примем в качестве рабочей следующую гипотезу изменения температуры ТА:

t_r = t_e - (t_e - t_y) e^-m (1)

Где t_к - температура ТА через время после начала охлаждения, ⁰С; t_у - установившаяся температура, ⁰С; t_н - начальная температура ДВС, ⁰С; m - темп охлаждения (относительная скорость изменения температуры тела), мин ^-1; - время охлаждения, мин; (t_у - t_к)- перепад температуры (избыточная температура).

Избыточная температура в любой заданный момент времени для члена ряда n определяется по формуле [10]:

. (2)

Где, A_n - постоянный коэффициент, свой для каждого члена ряда, находимый из начальных условий; U_n - функция координаты линейного размера тела, находится в зависимости от формы тела и условий охлаждения (1); m_n - темп охлаждения для члена ряда n (относительная скорость изменения температуры тела); - время процесса.

Так как, с увеличением времени все члены ряда на небольшом интервале времени станут малы, то ими можно пренебречь. Поэтому температура любой точки тела задолго до выравнивания ее температуры с температурой окружающей среды будет определяться первым членом ряда, т. е., простым экспоненциальным законом.

В зависимости (1) задача сводится к определению темпа охлаждения (m). Темп охлаждения зависит от множества факторов: температуры жидкости, формы и размеров тела (D, L - соответственно диаметр и высота), режима движения среды, физических параметров жидкости и других величин.

Для описания теплопередачи ТА зададим следующие условия однозначности:

Геометрические условия, ТА - цилиндр, D = L (соответственно диаметр и высота).

Физические условия, характеризующие физические свойства среды и тела, ОЖ (c, , p, t, , v, ), воздух (t, p, v), сталь углеродистая (c, , t, ), пенопласт (c, , t, ).

Временные (начальные) условия, характеризующие распределение температур в изучаемом теле: в начальный момент времени (при = 0).

t=f(x, y, z). (3)

Граничные условия, характеризующие взаимодействие рассматриваемого тела с окружающей средой, задаются распределением температуры на поверхности тела для каждого момента времени. Режим охлаждения - нестационарный. Согласно закону сохранения энергии количество теплоты, которое отводится с единицы поверхности в единицу времени вследствие теплоотдачи, должно равняться количеству теплоты, подводимому к единице поверхности в единицу времени вследствие теплопроводности из внутренних объемов тела, т.е.:

(t_с - t_ж) = -(dt/dn)_{с .} (4)

Процесс охлаждения можно описать с помощью уравнения теплового баланса:

dQ₁ = dQ₂ + dQ_3. (5)

Где, dQ₁ - теплота, подводимая к поверхности ТА; dQ₂ - теплота, отданная поверхностью ТА посредством конвекции; dQ₃ - теплота, излучаемая поверхностью ТА.

Процесс переноса тепла между ТА и окружающим его воздухом является результатом совместного действия конвективного теплообмена и теплового излучения (сложный теплообмен). Таким образом, теплота, отводимая от ТА путем конвекции определяется:

dQ₂= dt dH d. (6)

Где, - коэффициент теплоотдачи с поверхности ТА в окружающую среду; dt - перепад температур между ТА и окружающей средой. В начальный момент времени перепад температур между ТА и температурой окружающего воздуха ; dH - площадь наружной поверхности ТА; d - время охлаждения.

Тепло, которое отдает стенка в единицу времени вследствие поглощения газа:

dQ₃ = `_a[_u(N_u|100)⁴ - a_u(N_c|100)⁴]dH/ (7)

Где, Т_г, Т_с - соответственно температуры окружающего воздуха (газа) и ТА; _эф - эффективная степень черноты стенки; _г - степень черноты газа; а_г - поглощательная способность газа.

Тепло, подводимое к поверхности ТА теплопроводностью определяется через коэффициент теплопередачи, учитывающий два плотно прилегающих друг к другу слоев из различных материалов (сталь и пенопласт):

dQ₁= K (t₁ - t₂) dH¹. (8)

Где, К - коэффициент теплопередачи цилиндрической стенки; t1,t2 - соответственно температура внутри и снаружи полого цилиндра; H1 - площадь внутренней поверхности цилиндра.

m=1/ ln[(tу - tн)/(tу - tк)], (9)

или

. (10)

Где, tg - тангенс угла наклона прямой в полулогарифмических координатах; ln и ln- соответственно значения избыточной температуры в произвольные моменты времени ₁ и ₂.

Скорость охлаждения это функция по изменению избыточной температуры во времени, а изменение избыточной температуры зависит от коэффициента теплопередачи, который определяется от коэффициента теплоотдачи . Поэтому определение темпа охлаждения ТА сводится к определению внешнего коэффициента теплоотдачи , что можно сделать по критериальным уравнениям вида:

Nu = C Grⁿ Pr^m (Pr_ж/Pr_ст)^0,25 , (11)

Nu = C Grⁿ Pr^m , (12)

При наличии ветра, т.е. вынужденной конвекции, рекомендуется одно из следующих уравнений:

при Re10³,

(13)

При

10³<Re<210⁵.

. (14)

Где, С, n, m - постоянные; Nu, Gr, Pr - соответственно критерии Нуссельта, Грасгофа, Прандтля.

Для проверки результатов теоретических исследований следует провести эксперимент. Необходимо измерить температуру ОЖ и температуру стенки ТА в различные моменты времени при известной температуре наружного воздуха, а также при отсутствии или наличии ветра, зная величину силы ветра.

Обработка результатов экспериментов по интенсивности охлаждения ТА следует проводить в виде графической зависимости

,

по уравнению (10).

Литература

1. Карнаухов Н.Н. Приспособление строительных машин к условиям Российского Севера и Сибири. - М.:Недра, 1994. 351 с.

2. Карнаухов В.Н. Сбережение топливно-энергетических ресурсов при использовании автомобильного транспорта зимой. - М.:ОАО Издательство «Недра», 1998. 180 с.

3. Созонов С.В., Бородин Д.М., Обухов А.Г., Конев В.В., Карнаухов М.М. Ремонт автотранспортной и специальной техники в полевых условиях//Инженерный вестник Дона, 2014, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2510.

4. Мерданов Ш.М., Конев В.В., Пирогов С.П., Бородин Д.М., Созонов С.В. Применение аналогово-цифрового преобразователя при оценке теплового состояния элементов гидропривода // Инженерный вестник Дона, 2014, №2, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2420.

5. Thermal preparation of the trailbuilder fluid drive Konev V., Merdanov S., Karnaukhov M., Borodin D. WIT Transactions on Ecology and the Environment. 2014. Т. 190 volume 1. pp. 697-706.

6. Sh. Merdanov, V. Konev, S. Sozonov, Experimental research planning heat training hydraulic motors: Scientific enquiry in the contemporary, world: theoretical basiсs and innovative approach, Vol. 5. - Technical Sciences. Research articles, B&M Publishing (San Francisco, California, USA) 2014. - pp.113-117.

7. Захаров, Н.С. Взаимосвязь между климатическими факторами / Н.С. Захаров, Г.В. Абакумов, А.Н. Ракитин // Научно-технический вестник Поволжья. - 2014. - № 1. - С. 26-29.

8. Математическое моделирование теплового состояния строительно-дорожных машин Конев В.В., Закирзаков Г.Г., Райшев Д.В., Мерданов М.Ш., Саудаханов Р.И. Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. С. 320.

9. Карнаухов Н.Н., Конев В.В., Разуваев А.А., Юринов Ю.В. Система предпусковой тепловой подготовки ДВС и гидропривода Пат. 2258153 Рос. Федерация, МПК7 F02N 17/06; заявитель и патентообладатель ТюмГНГУ. - № 2004104477/06; заявл. 16.02.2004; опубл. 10.08.2005, Бюл. № 22.

10. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача: учебник 4-е изд. - М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.

Размещено на Allbest.ru