Научная статья на тему 'Моделирование системы утилизации тепла ДВС специальной и автотранспортной техники'

Моделирование системы утилизации тепла ДВС специальной и автотранспортной техники Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
337
120
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЭКСПЛУАТАЦИЯ / ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР / ТЕПЛОВАЯ ПОДГОТОВКА ДВС / ТЕПЛОПЕРЕДАЧА / СИСТЕМА УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА / НИЗКИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ТЕМПЕРАТУРЫ / OPERATION / HEAT STORAGE / HEAT ENGINE PREPARATION / HEAT TRANSFER / HEAT RECOVERY SYSTEM / LOW NEGATIVE TEMPERATURE

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Конев В. В., Райшев Д. В., Закирзаков Г. Г., Созонов С. В.

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Конев В. В., Райшев Д. В., Закирзаков Г. Г., Созонов С. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Modeling of heat recovery system of internal combustion engine and special motor vehicles

A significant number of units and special motor vehicles operated in a low freezing temperatures of the Far North and the Arctic. Preserving the art in these conditions depends primarily on the reliability of the internal combustion engine startup. For this purpose, a means of preparation of heat from external heat sources. In the context of the autonomous functioning of the machine it is necessary to use its internal sources. This can be accomplished using a heat recovery system of the internal combustion engine. To do this, include thermal batteries. In order to increase their efficiency (increasing the thermal capacity, reduce the size) Three constructions of the dual-chamber heat accumulator. To describe the heat transfer of the heat accumulator defines the conditions of uniqueness, according to which a simulation of thermal processes heat storage

Текст научной работы на тему «Моделирование системы утилизации тепла ДВС специальной и автотранспортной техники»

Моделирование системы утилизации тепла ДВС 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.

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:

к = 1у- (гу- гн) етт. (1)

Где гк - температура ТА через время т после начала охлаждения, 0С; гу -установившаяся температура, 0С; гн - начальная температура ДВС, 0С; т -темп охлаждения (относительная скорость изменения температуры тела),

мин -1; т- время охлаждения, мин; - 1к)~ перепад температуры (избыточная температура).

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

<х>

9 = М = £ А,, ■ ип ■ г~тпТ. (2)

п=1

Где, Ап - постоянный коэффициент, свой для каждого члена ряда, находимый из начальных условий; ип - функция координаты линейного размера тела, находится в зависимости от формы тела и условий охлаждения (1); тп - темп охлаждения для члена ряда п (относительная скорость изменения температуры тела); т - 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 (т). Темп охлаждения зависит от множества факторов: температуры жидкости, формы и размеров тела (Э, Ь - соответственно диаметр и высота), режима движения среды, физических параметров жидкости и других величин.

Для описания теплопередачи ТА зададим следующие условия однозначности:

1. Геометрические условия, ТА - цилиндр, Э = Ь (соответственно диаметр и высота).

2. Физические условия, характеризующие физические свойства среды и тела, ОЖ (с, Л, р, I, V, V, в), воздух (I, р, V), сталь углеродистая (с, Л, I, р), пенопласт (с, Л, I, р).

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

г=/(х, У, г). (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.:

а(гс - г ж = -Л(&Мп)с . (4)

Процесс охлаждения можно описать с помощью уравнения теплового баланса:

dQl = dQ2 + dQ3. (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=adг dH dт (6)

Где, а - коэффициент теплоотдачи с поверхности ТА в окружающую среду; dг - перепад температур между ТА и окружающей средой. В начальный момент времени т = 0 перепад температур между ТА и температурой окружающего воздуха dt = Хн - гв; dH - площадь наружной поверхности ТА; dт - время охлаждения.

1

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

dQз = 8эф[8г(Т/100)4 - аг(Тс/100)4^Н (7)

Где, Тг, Тс - соответственно температуры окружающего воздуха (газа) и ТА; Бэф - эффективная степень черноты стенки; ег - степень черноты газа; аг -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):

dQl= к (г1 - г2) dH1. (8)

Где, К - коэффициент теплопередачи цилиндрической стенки; г1,г2 -соответственно температура внутри и снаружи полого цилиндра; Н1 -площадь внутренней поверхности цилиндра.

т=1/т 1п[(гу - гн)/(гу - гк)], (9)

или

- 1П^2

т =-= гgф. (10)

т — т

2 '1

Где, гgф - тангенс угла наклона прямой в полулогарифмических координатах; 1п Зх и ¡п32 - соответственно значения избыточной температуры в произвольные моменты времени т1 и т2.

Скорость охлаждения это функция по изменению избыточной температуры во времени, а изменение избыточной температуры зависит от коэффициента теплопередачи, который определяется от коэффициента теплоотдачи а.

Поэтому определение темпа охлаждения ТА сводится к определению внешнего коэффициента теплоотдачи а, что можно сделать по критериальным уравнениям вида:

1

Иы = С О/п Р/т (Ргж/Ргст) , (11)

Иы = С О/1 Ргт , (12)

При наличии ветра, т.е. вынужденной конвекции, рекомендуется одно из следующих уравнений: при Ре < 10 ,

Иы = 0.5 • К£05 • РГ

0,5 _ рг 0,38 _ с с

РГ^ рГ

V1 1с У

(13)

при 103<Ре<2 105.

Иы = 0.25- Re0'6Pr

0,6рГ0,38 _

(Ли (Ли

' 0,25 РГ

(14)

Где, С, п, т - постоянные; Иы, Ог, Рг - 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 1п$ = /(т), 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 bas^s 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.

References

1. Karnauhov N.N. Prisposoblenie stroitel'nyh mashin k uslovijam Rossijskogo Severa i Sibiri. [Adaptation of building machines to the conditions of the Russian North and Siberia]. M.: Nedra, 1994. 351p.

2. Karnauhov V.N. Sberezhenie toplivno-jenergeticheskih resursov pri ispol'zovanii avtomobil'nogo transporta zimoj. [Conserve energy resources by using road transport in winter]. M.: OAO Izdatel'stvo «Nedra», 1998. 180 p.

3. Sozonov S.V., Borodin D.M., Obuhov A.G., Konev V.V., Karnauhov M.M. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2014/2510.

4. Merdanov Sh.M., Konev V.V., Pirogov S.P., Borodin D.M., Sozonov S.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №2, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2420.

5. Konev V., Merdanov S., Karnaukhov M., Borodin D. WIT Transactions on Ecology and the Environment. 2014. T. 190 volume 1. pp. 697-706.

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

7. Zaharov N.S., Abakumov G.V., Rakitin A.N. Nauchno-tehnicheskij vestnik Povolzh'ja. 2014. № 1. pp. 26-29.

8. Konev V.V., Zakirzakov G.G., Rajshev D.V., Merdanov M.Sh., Saudahanov R.I. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. 2014. № 6. S. 320.

9. Karnauhov N.N., Konev V.V., Razuvaev A.A., Jurinov Ju.V. Sistema predpuskovoj teplovoj podgotovki DVS i gidroprivoda Pat. 2258153 Ros. Federacija, MPK7 F02N 17/06; zajavitel' i patentoobladatel' TjumGNGU. № 2004104477/06; zajavl. 16.02.2004; opubl. 10.08.2005, Bjul. № 22.

J

10. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Teploperedacha: uchebnik 4-e izd. [Heat Transfer: textbook 4th edition] M.: Jenergoizdat, 1981. 416 p.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.