CC BY
13
neposredstvennyj // Sovremennaya tekhnika i tekhnologii: problemy, sostoyanie i perspektivy: ma-terialy 7-j Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj kon-ferencii s mezhdunarodnym uchastiem (g. Rub-covsk, 27-28 oktyabrya 2017 g.). - Rubcovsk: Izd-vo: Rubcovskij industrial'nyj in-tut, 2017. -S. 454-460.
11. Eremochkin, S. Yu. Povyshenie effek-tivnosti mobil'nyh mashin v APK na osnove vektorno-algoritmicheskogo upravleniya elek-
trodvigatelem: dissertaciya na soiskanie uche-noj stepeni kandidata tekhnicheskih nauk: 05.20.02 / Eremochkin S. Yu. - Barnaul, 2014. - 151 s. -Tekst: neposredstvennyj.
12. Patent № 165863 RF. Reversivnyj re-guliruemyj poluprovodnikovyj mostovoj trekhfaznyj simistornyj vypryamitel' / Perekrest I. M., Stal'-naya M. I., Vedmankin A. V.; opubl.10.11.2016. -Tekst: neposredstvennyj.
+ + +
УДК 53.096
Р.Ф. Самиков, Ш.Ф. Нигматуллин, М.М. Разяпов, К.В. Костарев R.F. Samikov, S.F. Nigmatullin, M.M. Razyapov, K.V. Kostarev
ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЖИДКОСТНОГО ПРЕДПУСКОВОГО ПОДОГРЕВАТЕЛЯ
STUDY ON A METHOD FOR INCREASING THE ENERGY EFFICIENCY OF A LIQUID PRESTART HEATER
Ключевые слова: предпусковой подогреватель, термоэлектрический генератор, теплообменник, модуль, температура, напряжение, тепловое поле, теплоноситель, газ, жидкость.
Объектом проведенного исследования является система работы «жидкостный предпусковой подогреватель - термоэлектрический генератор». Были смоделированы различные конструкции проточной части теплообменника термоэлектрического генератора. С учетом недостатков рассмотренных конструкций была выбрана оптимальная конструкция термоэлектрического генератора. Проведен термический и гидродинамический анализ, по результатам
которого была определена наиболее эффективная конструкция проточной части теплообменника термоэлектрического генератора. Собрана экспериментальная установка, по полученным результатам которой выведена зависимость температурных режимов работы предпускового подогревателя на выходные показатели термоэлектрического генератора. Таким образом, определена и экспериментально доказана возможность снижения энергопотребления аккумуляторной батареи путем применения термоэлектрических генераторных модулей, адаптированных к системе энергопитания жидкостного предпускового подогревателя.
Keywords: prestart heater, thermoelectric generator, heat exchanger, module, temperature, voltage, thermal field, heat carrier, gas, liquid.
In this article, the object of the study is the system of operation "liquid prestart heater - thermoelectric generator." Various designs of the flow section of the thermoelectric generator heat exchanger were modeled; taking into account the disadvantages of the considered designs, the optimal design of the thermoelectric generator was chosen. A thermal and hydrodynamic analysis was carried out, based on the results of which the most effec-
tive design of the flow section of the heat exchanger of the thermoelectric generator was determined. An experimental sample of the thermoelectric generator was assembled, according to the results obtained, the dependence of the temperature modes of the prestart heater on the output parameters of the thermoelectric generator was derived. Thus, the possibility of reducing the energy consumption of the battery by using thermoelectric generator modules adapted to the power supply system of the liquid prestart heater is determined and experimentally proved.
Самиков Руслан Фанзилович, аспирант, ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ, г. Уфа, Российская Федерация, e-mail: ruslan.samikov@mail.ru. Нигматуллин Шамиль Файзрахманович, к.т.н., доцент, ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ, г. Уфа, Российская Федерация, e-mail: shamil.bosch@mail.ru. Разяпов Махмут Магдутович, к.т.н., доцент, ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ, г. Уфа, е-mail: mahmutq@ mail.ru.
Костарев Константин Васильевич, к.т.н., ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ, г. Уфа, Российская Федерация, е-mail: tia_bgau@mail.ru.
Введение
На сегодняшний день запуск двигателя внутреннего сгорания (ДВС) при пониженных температурах окружающей среды остается актуальной проблемой для всех без исключения видов транспортных средств. Прежде всего это связано с отрицательным влиянием низких температур на ресурс работы ДВС. Вследствие быстрого нагревания «холодного» двигателя в нем возникают температурные напряжения, которые вместе с механическими нагрузками приводят к быстрому износу деталей и сокращению срока их эксплуатации [1].
Предпусковой подогрев в автономном режиме является одним из наиболее популярных и наиболее эффективных индивидуальных методов тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания при температурах ниже 8°С. Такие нагреватели подходят практически для всех типов двигателей внутреннего сгорания, поэтому применяются как в легковых и грузовых автомобилях, так и в автобусах, самолетах, яхтах и катерах.
Samikov Ruslan Fanzilovich, post-graduate student, Bashkir State Agricultural University, Ufa, Russian Federation, e-mail: ruslan.samikov@mail.ru. Nigmatullin SHamil Fajzrahmanovich, Cand. Tech. Sci., Assoc. Prof., Bashkir State Agricultural University, Ufa, Russian Federation, e-mail: shamil.bosch@mail.ru. Razyapov Mahmut Magdutovich, Cand. Tech. Sci., Assoc. Prof., Bashkir State Agricultural University, Ufa, Russian Federation, e-mail: mahmutq@mail.ru. Kostarev Konstantin Vasilyevich, Cand. Tech. Sci., Bashkir State Agricultural University, Ufa, Russian Federation, e-mail: tia_bgau@mail.ru.
Несмотря на ряд положительных свойств автомобильные нагреватели не используются массово, в частности на легковых автомобилях и микроавтобусах [2]. Главной причиной этого является необходимость в электрической энергии для питания компонентов предпусковых нагревателей: топливного насоса низкого давления, центробежного вентилятора и импульсного насоса для подачи теплоносителя в полость теплообменника подогревателя. Исследования показали, что при работе жидкостного нагревателя тепловой мощностью 4 кВт и потребляемой электрической мощностью 37-40 Вт, а со штатным вентилятором системы отопления автомобиля до 60 Вт аккумулятор емкостью 60 А-час за 4,5 ч теряет 50% емкости. Следует учесть и тот факт, что в условиях пониженных температур емкость автомобильного аккумулятора дополнительно снижается еще на 15-20% [3]. Становится актуальным вопрос снижения потребляемой электроэнергии предпускового подогревателя, без снятия потребительских качеств.
Цель и задачи исследования: изучить влияние работы термоэлектрического генератора на выходные показатели жидкостного предпускового подогревателя, а также инженерный расчет и выбор оптимальной конструкции проточной части теплообменика термоэлектрического генератора (ТЭГ).
Условия и методы исследования
При проектировании конструкций теплообменника термоэлектрического генератора необходимо добиться максимальной разницы температур, при температуре холодного теплообменника термоэлектрических генераторных модулей (ТГМ) Тс = 30°С и горячей Ь = 200°С выходная мощность с одного модуля в нашем случаем Kryotherm ТГМ-199-1,4-0,8 составляет 11,4 Вт [4].
Перед сборкой конструкций теплообменников ТЭГ необходимо произвести гидродинамические расчеты движения потоков выхлопных газов предпускового подогревателя и теплоносителя системы охлаждения двигателя, также необходимо проанализировать температурное поле распределения тепла на поверхности теплообменника термоэлектрического генератора.
При моделировании обьектов термоэлектрического генератора были созданы следующие модели теплообменника (рис. 1 -3).
Модель, представленная на рисунке 1, состоит из ТГМ 2, с двух противоположно расположенных сторон которых находятся пластины 3, к которым плотно прижат трубчатый теплообменник 1, имеющий спиралевидную форму. Следующая модель состоит из ТГМ 3 и тепло-
обменников 2, выполненных в виде коробов прямоугольного сечения, во внутренней части которых расположена пластина 1. Каждая пластина находится на определенном расстоянии друг от друга, при движении потоков создают лабиринт внутри теплообменника. Последняя расчетная модель состоит из ТГМ 3, тепломен-ников 2, пластин со сквозными отверстиями 1. В отличие от вышерасмотренной модели пластины 1 имеют сквозные отвестия, создающие завихренность движению потока.
Для теплового расчета поставленной задачи был выбран пакет ANSYS Thermal Steady State, реализующий метод конечных элементов, применение которого позволяет с малой погрешностью рассчитать тепловое поле нагрева поверхности теплообменника.
В качестве граничных условий заданы следующие параметры:
- давление выхлопных газов предпускового подогревателя 150 кПа;
- температура выхлопных газов 420°С;
- давление циркуляционного насоса 130 кПа;
- начальная температура теплоносителя -15°С;
- для проведения расчета газодинамики проточной области модели используется твердотельная модель;
- состовные компоненты газовой среды не вступают в химическое взаимодействие между собой;
- данная задача стационарная, отсутствуют подвижные элементы, геометрия модели неизменная.
Рис. 1. Модель с использованием медных трубок в форме спирали
Рис. 2. Модель с использованием
металических пластин, создающих лабиринт движения
Рис. 3. Модель с использованием металлических пластин с отверстиями
Для определения распределения поля давления во внутренней полости теплообменника, в качестве программного модуля для проведения гидродинамического расчета была выбрана CAE система Solidworks Flow Simulation.
Теплообмен и движение отработавшего газа в проточной области теплообменника описыва-юся уравнением Навье-Стокса. Данное уравнение включает в себя уравнение сохранения кол-личества энергий и уравнение неразрывности [5]. При решении поставленной задачи в программе применяется осреднение по Фавру. В нашем случае рассматривается стационарное течение отработавших газов предпускового подогревателя. При описывании турбулентного течения во внутренней части теплообменника ТЭГ модифицированная k-£ модель, в которой для замыкания системы уравнений Навье-Стокса используются два дополнительных уравнения для переноса кинетической энергии турбулентности и переноса диссипации турбулентности [6]:
дрк, дркщ
дт
+
dxi
dxi [О1 fffc) Эх^
+
дщ
■ - ре + iitPB,
dps ^ dpeut
дт
dxj
д
dxi
\ aFJ dxil
+
где k - кинетическая энергия турбулентности, Дж/кг;
а - диссипация энергий турбулентности,
Дж/(кг-с);
?Е = - О; до//7?рдх:; - коэффициент, отвечающий за генерацию турбулентности; Г1 ■ ''Г.-^-:-^:-^!-'1'!- - константы. Предварительные расчеты показали, что при обеспечении достаточного расхода температура охлаждающей жидкости, протекающей через теплообменники, незначительно изменяется по
длине термоэлектрического генератора, т.к. в первую очередь рассматривается течение отработавших газов. Для сокращения времени расчета и требуемых вычислительных ресурсов течение охлаждающей жидкости не моделируется, а в качестве граничного условия используется температура на холодной стороне термоэлектрического генератора.
По карте распределения давления видно, что есть локальные участки падения и повышения давления, движение потоков газа и жидкости имеет завихрённости внутри полости теплообменника. Максимальное давление при подаче горячего газа составляет 157 кПа, минимальное - 110 кПа.
Внедрение термоэлектрического генератора в систему работы жидкостного предпускового подогревателя влечет за собой увеличение газодинамического сопротивления. Для оценки влияния конструкции ТЭГ используются безразмерные критерии N4/Ми0, ^ Д0, где -критерий Нуссельта, ^ 0 - коэффициент потерь. Для оценки рациональности применения конструкций сравнение проводится по отношению Критерий Нуссельта является безразмерным коэффициентом теплоотдачи и рассчитывается по формуле и = а-1/А, где К - коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м-К), l - характерный размер, м. В качестве характерного размера используется длина проточной части горячего теплообменника [7, 8].
После проведения расчетов теплообменника термоэлектрического генератора была составлена сравнительная таблица, из которой следует, что наиболее оптимальна расчетная модель с использованием металических пластин, которая имеет самую высокую температуру нагрева со слабовыраженной завихренностью траекторией потока движения и наибольшим значением
{N4/
а б
Рис. 4. Модель с использованием металических пластин: а - температурное поле; б - карта результатов давления
Таблица
Результаты расчетов теплообменника ТЭГ
Максимальная температура нагрева, °С Максимальное давление, кПа Завихренность потока Nu/NuQ
Модель с использованием металических пластин
300 157 Слабая 1,75 2,10 0,83
Мо дель с использованием медных трубок в форме спирали
230 153 Нету 1,52 4,93 0,31
Модель с использованием металлических пластин с отверстиями
250 151 Высокая 1,61 2,0 0,81
Экспериментальная часть
После проведения теоретических расчетов и выбора оптимальной конструкции теплообменника были собраны экспериментальный образец и установка, которые показаны на рисунке 5.
Размещение термопар на экспериментальной установке показано на рисунке 5б, где: Т1 -температура охлаждающей жидкости в баке; Т2 - температура выхлопных газов на выходе с теплообменника; Т3 - температура выхлопных газов на входе с теплообменника; Т4 - температура выхлопных газов на выходе с подогревателя.
Данная экспериментальная установка работает следующим образом: после подачи питания на предпусковой подогреватель 10 циркуляционный насос начинает перекачивать охлаждающую жидкость с бака 1 в холодный теплообменник термоэлектрического генератора 4 во внутреннюю полость подогревателя, где жидкость нагревается до температуры 90°С. Выхлопные газы подогревателя входят в горячий теплоб-менник термоэлектрического генератора 2 и выходят с трубы 5. Термоэлектрические генера-
торные модули, установленные между теплооб-мениками 4, благодаря созданной разности температур генерируют электрическую энергию. Аналогово-цифровой преобразователь 10 регистрирует изменение температуры в ключевых местах экспериментальной установки, мульти-метры 9, 7 записывают и сохраняют показания генерируемой электрической энергии с термоэлектрического генератора 4.
Результаты исследований и их обсуждение
По сравнительному графику можно сделать вывод о том, что при использовании 1 модуля максимальное генерируемое напряжение составляет итах1 = 3,8 В, при 2 модулях итах2 = 6,5 В, при 3 модулях итахЗ = 10,6 В, при 4 модулях итах4 = 13,1 В. По полученным данным можно сделать вывод о том, что применение 4 модулей в составе термоэлектрического генератора наиболее эффективно, полученную энергию лучше всего накапливать в конденсаторах большой емкости, далее накопленную энергию можно направить на зарядку аккумулятора либо на питание компонентов подогревателя.
а б
Рис. 5. Экспериментальный образец и установка: а - собранный образец: 1 - холодный теплообменник, 2 - термоэлектрические генераторные модули, 3 - горячий теплообменник, 4 - входной канал подвода выхлопных газов, 5 - канал подвода охлаждающей жидкости; б - экспериментальная установка: 1 - бак с охлаждающей жидкостью, 2, 5 - выхлопная труба подогревателя, 3, 6 - шланг подвода охлаждающей жидкости к теплообменнику, 4 - термоэлектрический генератор, 7 - иЭБ мультиметр, 8 - ПК, 9 - мультиметр, 10 - АЦП 1еИаЬ 210,11 - предпусковой подогреватель, 12 - топливный бак
Рис. 6. Сравнительный график генерируемого напряжения от количества модулей
Рис. 7. Общий график температур, снимаемых с экспериментальной установки
После завершения работы предпускового подогревателя накопленную электрическую энергию можно направить на зарядку аккумуляторной батарей автомобиля через повышающие преобразователи, которые подключены к конденсаторам большой ёмкости.
Заключение
Был проведен термический и гидродинамический анализ, по результатам которого определена наиболее эффективная конструкция проточной части теплообменника термоэлектриче-
ского генератора. Испытан экспериментальный образец термоэлектрического генератора. Также была собрана экспериментальная установка, по результатам которой выведена зависимость температурных режимов работы предпускового подогревателя на выходные показатели термоэлектрического генератора. Таким образом, определена и экспериментально доказана возможность снижения энергопотребления аккумуляторной батареи путем применения термоэлектрических генераторных модулей, адаптированных к системе энергопитания жидкостного
предпускового подогревателя. Такой способ использования термоэлектрического генератора снижает процент разрядки аккумуляторной батарей автомобиля в процессе тепловой подготовки автомобилей.
Библиографический список
1. Самиков, Р. Ф. Современная концепция тепловой подготовки автотракторной техники при эксплуатации в условиях низких температур / Р. Ф. Самиков, М. М. Разяпов. - Текст: непосредственный // Научно-техническое обеспечение АПК Сибири: материалы Международной научно-технической конференции. - 2019. -С. 238-241.
2. Efficient use of energy resources of the generator of hot gases in the thermal preparation of motor vehicles / R. Samikov, S. Nigmatullin, I. Gabi-tov et al. // International Journal of Energy Economics and Policy. - 2020. - Т. 10, № 1. - С. 228-235.
3. Гусев, Д. А. Совершенствование метода и средства тепловой подготовки автотракторной техники к приёму нагрузки: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: защищена 28.09.17: утв. 15.07.02 / Гусев Д. А. - Москва, 2017. - 115 с. - Текст: непосредственный.
4. Термоэлектрические модули и устройства на их основе: справочное пособие. - Санкт-Петербург: ИПФ «Криотерм», 2004. - 53 c. -Текст: непосредственный.
5. Коновалов, В. И. Исследование процесса теплообмена в оребренном трубчатом рекуператоре / В. И. Коновалов, Е. В. Романова, А. Н. Колиух. - Текст: непосредственный // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2012. - Т. 18, № 4. - С. 876-880.
6. Bremhorst, K. A modified form of the k-z model for predicting wall turbulence / K. Bremhorst, C. Lam // J. of Fluids Engng. - 1981. - Vol. 103, № 3. - P. 456-460.
7. Design of a Thermoelectric Generator for Waste Heat Recovery Application on a Drivable
Heavy Duty Vehicle / A.E. Risseh, H.-P. Nee, O. Erlandsson et al. // SAE International Journal of Commercial Vehicles. - 2017. - 10 (1). - P. 26-44.
References
1. Samikov, R. F. Sovremennaya koncepciya teplovoj podgotovki avtotraktornoj tekhniki pri ek-spluatacii v usloviyah nizkih temperatur / R. F. Samikov, M. M. Razyapov. - Tekst: nepo-sredstvennyj // Nauchno-tekhnicheskoe obespeche-nie APK Sibiri: materialy Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii. - 2019. - S. 238-241.
2. Efficient use of energy resources of the generator of hot gases in the thermal preparation of motor vehicles / R. Samikov, S. Nigmatullin, I. Gabi-tov et al. // International Journal of Energy Economics and Policy. - 2020. - T. 10, № 1. - S. 228-235.
3. Gusev, D. A. Sovershenstvovanie metoda i sredstva teplovoj podgotovki avtotraktornoj tekhniki k priyomu nagruzki: dissertaciya na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tekhnicheskih nauk: zashchishchena 28.09.17: utv. 15.07.02 / Gusev D. A. - Moskva, 2017. - 115 s. - Tekst: ne-posredstvennyj.
4. Termoelektricheskie moduli i ustrojstva na ih osnove: spravochnoe posobie. - Sankt-Peterburg: IPF «Krioterm», 2004. - 53 c. - Tekst: ne-posredstvennyj.
5. Konovalov, V. I. Issledovanie processa tep-loobmena v orebrennom trubchatom rekuperatore / V. I. Konovalov, E. V. Romanova, A. N. Koliuh. -Tekst: neposredstvennyj // Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. -2012. - T. 18, № 4. - S. 876-880.
6. Bremhorst, K. A modified form of the k-z model for predicting wall turbulence / K. Bremhorst, C. Lam // J. of Fluids Engng. - 1981. - Vol. 103, № 3. - P. 456-460.
7. Design of a Thermoelectric Generator for Waste Heat Recovery Application on a Drivable Heavy Duty Vehicle / A. E. Risseh, H.-P. Nee, O. Erlandsson et al. // SAE International Journal of Commercial Vehicles. - 2017. - 10 (1). - P. 26-44.
^ ^ ^
