CC BY
15
МРнТИ 73.31.41
https://doi.org/10.48081/BABN8221
*Н. В. Костюченков1, А. Б. Абдрахманов2, Б. Т. Оразалиев3, А. Н. Цощыбаева4, А. Р. Мукашева5
1,2,3,4,5Казахский агротехнический университет имени С. Сейфуллина, Республика Казахстан, г. нур-Султан
К ПРОБЛЕМАМ ПОТЕРИ И СОХРАНЕНИЯ ТЕПЛА В ДВС
Рассмотрены проблемные вопросы эксплуатации автотранспорта, в частности, утилизация, уменьшение потери и сохранения тепловой энергии в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). В итоге все эти мероприятия приведут к повышению КПД двигателя в целом. Теплопередача передается тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Найдены самые практически доступные способы утилизации тепловой энергии и пути ее сохранения. Выполнен анализ научных работ. Даны теоретические расчетные формулы потери тепловой энергии. Даны диаграммы для практического использования при проектировании таких аккумуляторов тепла для транспортных средств. Показаны пути повышения ресурсов эксплуатации ДВС автотранспорта. Указаны основные используемые теплоизоляционные материалы как, асбест, пробка, слюда, шлаковая, минеральная или стеклянная вата, шерсть и др. Указаны основные эксплуатационные режимы работы двигателей внутреннего сгорания, определяющие в значительной степени его долговечность, основной износ двигателей происходит во время их запусков и прогреве из-за температурного фактора. Предлагаемый вакуумный способ сохранения тепла открывает самые новые направления основания для повышения эффективности теплоизоляции конструкции корпусов аккумуляторов тепла. Найдены экспериментальные зависимости сохранения тепла в ТА от их объема.
Ключевые слова: двигатели внутреннего сгорания (ДВС), аккумуляторы тепла (АТ), коэффициент полезного действия (КПД), транспортная техника, процесс теплопередачи, толщина изоляционного слоя, эффективность теплоизоляции.
Введение
В настоящее время cуществует ряд исследований, посвященных вопросам потери и сохранения тепловой энергии в ДВС и применение аккумуляторов тепла (АТ) в транспортной технике как источник сохранения тепловой энергии. Преобразование вырабатываемой тепловой энергии из двигателей внутреннего сгорания на полезную работу используется только часть энергии, определяемую его КПД. Большая же часть этой энергии, получаемой при сгорании топлива, расходуется на нагрев окружающей среды, как вместе с отработавшими газами, так и через радиатор системы охлаждения двигателя. Тепло это, выбрасываемое во время работы двигателя в прямом смысле выбрасывается на «ветер» в пустую,
которое целесообразно было бы при пуске самого этого же мотора, особенно при низких температурах окружающей среды в зимний период [1].
При этом технически возможные различные методы сохранения тепловой энергии, и использования в качестве источника тепла обычной системы охлаждения представляется наиболее рациональным. Осуществление легкого запуска т.е. запуск при вращении коленчатого вала до 1/2 оборота двигателя, при низких температурах окружающей среды, является проблемой наиболее актуальной, особенно в тех странах, где температурный режим имеет высокую амплитуду колебания, из-за резкой континентальности климата. В названных условиях запуск двигателя осуществлять практически не возможно без прогрева из других внешних источников. Даже при удачном запуске двигателя в указанных условиях, значительная разница перепада температур в двигателях может вызвать повышенное внутреннее напряжение в его деталях, что повлечет за собой преждевременного выхода из строя из за износа их деталей. Для того чтобы предотвратить появление таких нежелательных явлений рекомендуется применять устройства, которые наряду с облегчением запуска двигателей, также имеющие возможности прогреть их изнутри [2].
Материалы и методы
Обеспечение достаточным количеством теплоты в аккумуляторах тепла для запуска двигателя зависит от разных факторов, и одним из которых является сохранения тепловой энергии в самом аккумуляторе. Поэтому выбор высокоэффективную изоляцию, чтобы уменьшить потери тепла является важным решением. В рассматриваемом аккумуляторе тепла (АТ) предлагаем использовать на наш взгляд наиболее эффективную вакуумную изоляцию корпуса. Чтобы определить высокую эффективность данного устройства следует изучить и исследовать процесс теплопередачи и возможности уменьшения его в процессе эксплуатации автотранспорта. Теплопередача представляет собой весьма сложный процесс, где тепло передается одновременно всеми тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением [3]. Вначале исследуем один фактор, который принимает непосредственное участие в процессе теплопередачи в областях с пониженным давлением (вакуума), которым является давление - длина пробега молекул. Точнее, средняя длина свободного пробега, которая определяется длиной между столкновениями двух частиц (то есть, атомы, молекулы воздуха). Снижение давления уменьшает количество частиц, но при этом увеличивается длина пробега частиц. Сокращение соответствующих размеров системы не влияет на этот масштаб длины, за исключением случаев, когда они становятся меньше длины свободного пробега. Однако изменение давление воздуха между стеночном пространстве оказывает существенное влияние на теплопроводность. Чтобы рассчитать теплопотери в аккумуляторе тепла (АТ), необходимо определить толщину изоляционного слоя. Построив диаграмму, достаточно с большой точностью можно будет определить необходимую толщину изоляционного слоя. На рисунке 1. предоставлена диаграмма зависимости потерь тепла от коэффициента теплопроводности относительно толщины изоляционного слоя (вакуума) [3, 4].
ад* зоо
яо
?НI
150
tu
SO
\ ,
г—
з ,
am
0.02S
aos
Q07S X, Вт/мК
1 - толщина изоляционного слоя - 10 мм; 2 - толщина изоляционного слоя - 15 мм; 3 - толщина изоляционного слоя - 20 мм. Рисунок 1 - Потери количества тепла в зависимости от коэффициента теплопроводности относительно толщины изоляционного слоя
На основе диаграммы можно прийти к выводу, что после преодоления определенного критического значения параметра давления, средняя длина свободного пробега частиц увеличивается, а коэффициент теплопроводности резко понижается, открывая тем самым новые направления основания для повышения эффективности теплоизоляции конструкции корпусов аккумуляторов тепла (АТ) [5]. При проектировании аккумуляторов тепла ставится задача, как было сказано ранее необходимо не только обеспечение сохранения тепла, а также обеспечение при этом допускаемых разности температур внутри деталях конструкции ДВС. В установившемся режиме плотность потока тепловой энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры (закон Фурье):
где С] - вектор плотности теплового потока - количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси;
X - коэффициент теплопроводности;
То и
- температура. Знак - минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad Т (то есть в сторону скорейшего убывания температуры) [6, 7].
Результаты и обсуждение
Существование градиента температуры и является необходимым условием для возникновения теплопроводности, как наличие градиента концентрации,
необходимо, чтобы происходил процесс диффузии. Из диаграммы можно заметить, что коэффициент теплопроводности изменяется с изменением давления воздуха и приближается к нулю. Названное свойство связано с низкой концентрацией материальных частиц в вакууме, способные переносить тепло. Тепло в вакууме может передаваться еще с помощью излучения. Поэтому, для уменьшения потери тепла через стенки аккумулятора делают двойными и серебрят внутри стенки, т.е.покрывают серебром (такая поверхность лучше отражает излучение), а воздух между ними откачивают. За счёт сказанного и достигаются минимальные потери тепла. Так как теплообмен между стенками, например, термоса с окружающим воздухом минимален, поэтому в нём хорошо сохраняются тепло жидкости. Таким образом, теплообменник может обеспечивать нужное количество теплоты для использования в нужды транспорта независимо от смены погоды [8]. Количество теплоты, передаваемой горячей средой к внутренней стенке цилиндра путем конвективного теплообмена, можно определить по уравнению Ньютона - Рихмана:
(2)
где, а1 - коэффициент тепло отдачи от горячей среды с постоянной температурой ^к внутренней поверхности стенки, учитывающий все виды теплообмена; лс1ЙНе - расчетная внутренняя поверхность.
Тепловой поток, передаваемой теплопроводностью через цилиндрическую стенку, определяется по уравнению:
£ = агттс^еС^ - ¿ст),
(3)
гр и и и и
Тепловой поток, передаваемой от наружной стенки к холодной среде, определяется по той же формуле конвективного теплообмена Ньютона - Рихмана:
= а2 п(1иаМ^т - с2),
(4)
где а2 - коэффициент теплоотдачи от второй наружной поверхности стенки к холодной среде с постоянной температурой 1:,;
пс1наре - расчетная наружная поверхность стенки, м2.
Величины Q в уравнениях (2), (3) и (4) одинаковы. Сколько теплоты воспринимает стенка при стационарном режиме, столько же она и отдает.
Решая эти три уравнения совместно относительно разности температур, а затем, складывая их почленно, получим:
(5)
(6)
где Кц - линейный коэффициент теплопередачи.
Также в качестве тепловой изоляции внешней поверхности могут быть использованы любые материалы сравнительнос низким коэффициентом теплопроводности - асбест, пробка, слюда, шлаковая, минеральная или стеклянная вата, шерсть и др. [8, 9].
Для изучения и сравнения характеристик заводских термосов проводились испытания при комнатной температуре 20 °С. На протяжении 6 часов с интервалом в 1 час произведено измерения температуры воды в термосах.
Таблица 1 - Результаты потерь тепла в зависимостиот объёма и времени
№ Материал и объём ёмкости Время, час
п/п 0 1 2 3 4 5 6
1 Метал^ = 1л 100 0С 96 0С 93 0С 91 0С 89 0С 87 0С 85 0С
2 Метал^ = 2л 100 0С 98 0С 95 0С 93 0С 90 0С 88 0С 87 0С
На основании исследований приведенных в таблице 1 строится график изменения температуры воды в термосе металлическом разного объема с истечением времени.
V = 1л - нижний график; V = 2л - верхний график. Рисунок 2 - График изменения температуры воды в термосе металлическом разного объема с течением времени
Результаты исследования термоса показывают, что в течение 6 часов термосы сохраняют температуру воды более 85 °С, к этим качествам можно добавить, чем больше объем термоса, тем лучше он сохраняет тепло [10].
Выводы
1 Эффективность работы аккумуляторов тепла зависит от самого коэффициента теплопроводности, т.е. от его толщины вакуумного изоляционного слоя корпуса. Коэффициент теплопроводности равен нулю при абсолютном вакууме.
2 Основными эксплуатационными режимами работы двигателя являются пусковые режимы, определяющие в значительной степени его долговечность, так как основной износ двигателей происходит во время запуска и прогреве из-за температурного фактора.
3 Достаточно, не прогретом ДВС, до рабочей эксплуатационной температуры (до 85 °С охлаждающей жидкости в системе), присадки масла не успевают нейтрализовать кислоты, образующиеся из продуктов неполного сгорания топлива, что вызывают также усиленный коррозионный износ поршней, колец и цилиндров.
4 Чем больше объема жидкости в аккумуляторах тепла (АТ), тем лучше он сохраняет температуру.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 левенберг, В. Д., Ткач, М. Р., Гольстрем, В. А. Аккумулирование тепла [Текст] // Техника. - 2012. - № 2. - С. 112.
2 оразалиев, Б. Т., Абдрахманов, А. Б., Сайдалин Е. Н. Облегчение запуска двигателя в отрицательной температуре при помощи теплового аккумулятора [Текст] // Материалы Республиканской научно-теоретической конференции «Сейфуллинские чтения-12 : Молодежь в науке - инновационный потенциал будущего». - 2016. - № 1. - С. 132.
3 Костюченков, Н. В., Абдрахманов, А. Б., оразалиев, Б. Т. К методике теплового расчета устройства теплообменника и пути интенсификации теплоотдачи [Текст]. - 2017. - С. 414.
4 Костюченков, Н. В., Абдрахманов, А. Б., оразалиев, Б. Т. Особенности расчета теплообмена трубчатых теплообменников // Сборник статей по материалам III Международной научно-практической конференции [Текст]. - 2019. - С. 183.
5 Представлен на ИГЕУ 10 [Текст] // Ковентри, Великобритания. - 2013.
6 эндрю, Р. Н., Ричард, Б. Н., филипп, Ш. п. ДВС двигателя внутреннего сгорания при холодном запуске : Обзор проблем, причин и потенциальных решении, преобразование энергии и управление [Текст]. - 2016. - № 82. - С. 35.
7 Клеменс, Ж. М. Тепловодность воздуха при пониженных давлениях и масштабах длины [Текст]. - 2013. - № 1. - С. 45.
8 Резер, С. М. Взаимодействие транспортных систем [Текст]. - М. : Наука,
2013. - № 2. - С. 246.
9 Бекмагамбетов, М. М., Смирнова, С. Н. Транспортная система Республики Казахстан : Современное состояние и проблемы развития [Текст]. - Алматы,
2014. - С. 446.
10 Козлов, И. Т. Пропускная способность транспортных систем [Текст]. - М. : Транспорт, 2014. - С. 216.
REFERENCES
1 Levenberg, V. D., Tkach, M. R., Golstrem, V. A. Akkumulirovanie tepla [Heat storage] [Text]. - K. : «Tehnika», 2012. - P. 112.
2 Orazaliyev, B. T., Abdrakhmanov, A. B., Saidalin, E. N. Oblegchenie zapuska dvigatelya v otricatelnoitemperature pri pomoshi teplovogo akkumulyatora [Facilitation of starting the engine in negative temperatures using a heat accumulator] [Text]. In Materialy Respublikanskoi nauchno-teoreticheskoi konferencii «Seifullinskie chteniya-12 : Molodezh v nauke - innovacionnyi potencial budushego» [Materials of the Republican Scientific and Theoretical Conference «Seifullin Readings-12 : Youth in Science - Innovative Potential of the Future»]. - 2016. - V. 1, 2. - P. 132.
3 Kostyuchenkov, N. V., Abdrakhmanov, A. B., Orazaliev, B. T. K metodike teplovogo rascheta ustroistva teploobmennika i puti intensifikacii teplootdachi [To the method of thermal calculation of a heat exchanger device and ways to intensify heat transfer] [Text]. - 2017. - Р. 414.
4 Kostyuchenkov, N. V., Abdrakhmanov, A. B., Orazaliev, B. T. Osobennosti rascheta teploobmena trubchatyh teploobmennikov. Sbornik statei po materialam III Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferencii [Features of the calculation of heat transfer of tubular heat exchangers. Collection of articles on materials OR International scientific and practical conference] [Text]. - 2019. - Р. 183.
5 Predstavlen na IGEU 10 [Presented at VTMS 10] [Text]. - Koventry, Velikobritaniya. - 2013.
6 Andrew, R. N., Richard, B. N., Philip, Sh. P. DVS dvigatelya vnutrennego sgoraniya pri holodnom zapuske : Obzor problem, prichin I potencialnyh reshenii, preobrazovanie energii i upravlenie [Internal combustion engine cold-start efficiency : A review of the problem, causes and potential solutions Energy Conversion and Management] [Text]. - 2016. - Р. 35.
7 Clemens, J. M. Teplovodnost vozduha pri ponizhennyh davleniyah I masshtabah dliny [The Thermal Conductivity of Air at Reduced Pressures and Length Scales. Test and measurement] [Text]. - 2013. - Р. 45.
8 Rezer, S. M. Vzaimodeistvie transportnyh system [Interaction of transport systems] [Text]. - 2013. - Р. 246.
9 Bekmagambetov, M. M., Smirnova, S. N. Transportnaya sistema Respubliki Kazakhstan : sovremennoe sostoyanie i problem razvitiya [Transport system of the Republic of Kazakhstan : current state and development problems] [Text]. - Almaty, 2014. - Р. 446.
10 Kozlov, I. T. Propusknaya sposobnost transportnyh system [The capacity of transport systems] [Text]. - M. : Transport, 2014. - Р. 216.
Материал поступил в редакцию 20.09.21.
*Н. В. Костюченков1, А. Б. Абдрахманов2, Б. Т. Оразалиев3,
А. Н. К^оццыбаева4, А. Р. Мукашева5
1,2,3,4,5С. Сейфуллин атындаFы Казак агротехникальщ университетi,
Казахстан Республикасы, Нур-Султан к.
Материал 20.09.21 баспаFа TYCTi.
1ШТЕН ЖАНУ ЦOЗFАЛТЦЫШЫНЫЦ ЖЫЛУЫН ЖOFАЛТУ ЖЭНЕ САЦТАУ МЭСЕЛЕЛЕР1
Автоквлiктi пайдаланудыц проблемалъщ мэселелерi, атап айтцанда, штен жану цозгалтцыштарында (1ЖК) жылу энергиясын утилизациялау, жогалтуды азайту жэне сацтау мэселелерi царалды. Нэтижестде, барлыц осы ic-шаралар тутастай алганда цозгалтцыштыц тшмдшгт арттыруга дкеледi. Жылу беру уш жолмен 6eprnedi: жылу вттзгштж, конвекция жэне сэулелену. Жылу энергиясын жоюдыц ец цол жетiмдi эдiстерi жэне оны сацтау жолдары табылды. Fылыми жумыстарга талдау жасалды. Жылу энергиясын жогалтудыц теориялыц есептеу формулалары келтiрiлген. Квлт цуралдарына арналган осындай жылу аккумуляторларын жобалау кезтде практикалыц цолдануга арналган диаграммалар келтiрiлген. Автоквлк 1ЖК пайдалану ресурстарын арттыру жолдары кврсетшген. Асбест, тыгын, слюда, шлак, минералды немесе шыны жун, жун жэне т.б. сияцты негiзгiжылу оцшаулагыш материалдар кврсетшген, Шт жану цозгалтцыштарыныц жумысыныц негiзгi жумыс режимдерi кврсетшген, оныц бержтшн айтарлыцтай аныцтайды, цозгалтцыштардыц негiзгi тозуы оларды кке цосу жэне цыздыру кезтде пайда болады. температуралыц факторга байланысты. Жылуды сацтаудыц усынылган вакуумдыц эдс жылу батареялары корпусыныц жылу оцшаулау тшмдшгт арттыру ушт базаныц жаца багыттарын ашады. Жылу сацтаудыц олардыц квлемiне эксперименттт тэуелдшш табылды.
Кiлттi свздер: штен жану цозгалтцышы (1ЖК), жылу аккумуляторы (ЖА), пайдалы эсеркоэффициентi (ПЭК), квлжтж техника, жылу беру урдШ, изоляциялыц цабаттыц цалыцдыгы, жылу изоляциясыныц тшмдшш.
*N. V. Kostyuchenkov1, A. B. Abdrakhmanov2, B. T. Orazaliev3,
A. N. Kongkybayeva4, A. R. Mukasheva5
1,2,3,4,5S. Seifullin Kazakh AgroTechnical University,
Republic of Kazakhstan, Nur-Sultan.
Material received on 20.09.21.
PROBLEMS OF HEAT LOSS AND PRESERVATION IN ICE
The problematic issues of motor transport operation are considered the loss and conservation of thermal energy in internal combustion engines (ICE). As a result, all these measures will lead to an increase in the efficiency of the engine generally. Heat transfer is transmitted in three ways: conduction, convection and radiation. The most practically available ways of heat energy utilization and ways of its preservation are found. The analysis of scientific papers. Theoretical formulas for the loss of thermal
energy are given. Diagrams for practical use in designing such heat accumulators for vehicles are given. The ways of increasing the exploitation resources of motor transport internal combustion engines are shown. The main heat insulation materials used as asbestos, cork, mica, slag, mineral or glass wool, wool, etc. are indicated. The main operating modes of internal combustion engines, which determine to a large extent its durability, are indicated. The main wear and tear occur during starting and warming up of the engines due to the temperature factor. The proposed vacuum method of heat preservation opens the newest directions of the basis for increasing the efficiency of thermal insulation of the design of heat accumulator shells. Experimental dependences of heat preservation in TA on their volume were found.
Keywords: internal combustion engines (ICE), heat accumulators (HA), coefficient of efficiency, transport equipment, heat transfer process, insulation layer thickness, thermal insulation efficiency.
