CC BY
47
нология успешно используется на жилых постройках, частных домах, на стенах и фасадах общественных зданий.
Рассмотрев коррозию бетона можно выявить самыми распространенными химическими добавками, которые применяются для защиты бетона от разрушений являются: пластифицирующие, противоморозные, уплотняющие, гидрофобизирующие, воздухововлекающие, замедлители схватывания, газообразующие, ингибиторы коррозии арматуры.
Для обеспечения долговечности зданий и сооружений в условиях физико -химического воздействия сред необходимо использовать:
- стойкие, в соответствующих условиях, строительные материалы для изготовления изделий и конструкций;
- разрабатывать конструктивные решения, обеспечивающие устранение или минимальный контакт конструкции с агрессивной средой;
- устраивать антикоррозийную защиту бетонных и железобетонных конструкций.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАДИАТОРА В СОСТАВЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
12 3
© Хрипач Н.А. , Иванов Д.А. , Папкин И.А.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский политехнический университет»,
г. Москва
В настоящей работе рассмотрена методика расчета термоэлектрического радиатора в составе термоэлектрической системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания, предназначенной для использования в составе транспортных средств. Для определения параметров термоэлектрической системы охлаждения были проведены расчетные исследования, в которых моделировались физические процессы в термоэлектрической системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания. Предложенный алгоритм расчета затрагивает все составляющие термоэлектрической системы охлаждения ДВС и учитывает их взаимодействие.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, система охлаждения, теплообменник, термоэлектрический генератор.
1 Заведующий кафедрой «Наземные транспортные средства», кандидат технических наук, профессор.
2 Ведущий инженер-исследователь.
3 Инженер-исследователь 1-й категории.
Современный ДВС в условиях усредненного ездового цикла имеет эффективность использования тепловой энергии топлива около 25 %. При этом до 40 % тепловой энергии, подведенной при сгорании топлива, рассеивается в атмосферу в виде тепла отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС), и до 30 % отводится через систему охлаждения двигателя. Механические и прочие потери составляют около 5 % от теплового баланса ДВС [1].
Рекуперация тепловой энергии в электрическую позволяет снизить расход топлива за счет уменьшения нагрузки на электрогенератор ДВС, обеспечивает увеличение эффективности использования тепловой энергии, подводимой в ДВС при сжигании топлива. Учитывая большой объем теряемой теплоты ДВС, рекуперация тепловой энергии в электрическую потенциально позволит полностью обеспечить автомобиль бортовым электроснабжением.
В связи с этим разработка технических решений для повышения эффективности автомобильных ДВС за счет прямого преобразования тепловой энергии в электрическую является актуальной задачей. Осуществить данный процесс можно с помощью термоэлектрического генератора (ТЭГ).
ТЭГ представляет собой теплообменное устройство, содержащее термоэлектрические модули, представляющие собой бесшумное, надежное и экологически чистое устройство для генерации электроэнергии. За счет конструкции ТЭГ на холодной и горячей стороне модулей обеспечивается температурный градиент, в результате чего реализуется эффект Зеебека и возникает электродвижущая сила.
Рассматриваемый в настоящей работе ТЭГ устанавливается в систему охлаждения ДВС вместо штатного радиатора и обеспечивает охлаждение ДВС и преобразование тепловой энергии в электрическую. Горячая сторона термоэлектрического модуля нагревается охлаждающей жидкостью (ОЖ), а холодная сторона охлаждается воздухом, проходящим через воздушный теплообменник ТЭГ.
Применение ТЭГ в составе транспортного средства позволяет повысить топливную экономичность, что пропорционально снижает выбросы парниковых газов [2].
Для определения параметров системы термоэлектрической рекуперации энергии в ходе выполнения проекта разработан алгоритм расчета, включающий в себя создание принципиальной схемы системы и проведение последовательного расчета теплообменных процессов, протекающих в элементах системы.
В настоящей работе приведены результаты, полученные без оптимизации геометрических параметров и расходно-температурных характеристик теплоносителей.
Разрабатываемая термоэлектрическая система охлаждения должна выполнять охлаждение базового ДВС с техническими характеристиками, ана-
логичными двигателю ЗМЗ-40904, на всех режимах его работы в составе транспортного средства и обеспечивать получение электрической мощности не менее 0,7 кВт.
На рисунке 1 [3] показана принципиальная схема термоэлектрической системы охлаждения.
Рис. 1. Принципиальная схема термоэлектрической системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания
Работа термоэлектрической системы охлаждения, предназначенной для охлаждения ДВС, осуществляется следующим образом.
Электрический циркуляционный насос обеспечивает циркуляцию ОЖ через все элементы системы охлаждения. После прохождения рубашки охлаждения двигателя ОЖ последовательно проходит через два теплообменника ОЖ-масло и ОЖ-ОГ, в результате чего ее температура увеличивается. Электромагнитный клапан 1 регулирует расход ОЖ через отопитель салона автомобиля, а клапан 2 управляет циркуляцией ОЖ по большому кругу охлаждения, когда температура двигателя достигает рабочего значения. ТЭГ размещен в большом круге охлаждения. В составе системы присутствует воздушный вентилятор для принудительного обдува ТЭГ.
В состав термоэлектрической системы охлаждения входит система регулирования, состоящая из электронного блока управления и исполнительных устройств, работающих в соответствии с установленным алгоритмом.
Для определения параметров термоэлектрической системы охлаждения был выполнен расчет, в результате которого были определены температур-но-расходные характеристики теплоносителей, геометрические параметры ТЭГ и его электрическая мощность.
В основе расчета лежит методика моделирования теплообменных процессов между двумя теплоносителями - охлаждающей жидкостью и воздухом, выполненная с учетом термических сопротивлений элементов ТЭГ.
Целью расчета является определение геометрических параметров ТЭГ и расходных характеристик теплоносителей, обеспечивающих требуемую тепловую и электрическую мощность ТЭГ.
Во время проведения расчета было принято несколько допущений. Например, при расчете теплообменных процессов используются средние температуры теплоносителей и пренебрегается изменение температуры ОЖ в соединительных магистралях между элементами системы охлаждения. Распределение ОЖ по поперечным трубкам ТЭГ принимается равномерным, а тепловой поток со стороны ОЖ делится поровну для каждого термоэлектрического модуля. Также термическое сопротивление определяется только толщиной стенки и перенос теплоты через сопряжение деталей считается идеальным.
Началом расчета является определение исходных данных, в том числе расходы теплоносителей через ТЭГ, которые во многом соответствуют параметрам системы охлаждения базового ДВС.
При проведении расчетных исследований бензиновых ДВС с искровым зажиганием и распределенным впрыском топлива для оценки рож принято использовать следующую эмпирическую зависимость:
^ж = Чохл • °Т • Ни >
где дохл = 0,25...0,32 - коэффициент, характеризующий относительный теп-лоотвод в систему охлаждения в зависимости от скоростного режима работы двигателя;
Ни - низшая теплота сгорания топлива;
ОТ - секундный расход топлива.
На режиме максимальной мощности по внешней скоростной характеристике тепловой поток, передаваемый от ДВС в систему охлаждения равен 79,32 кВт. Однако, согласно разработанной схеме, ОЖ предварительно подогревается в теплообменниках ОЖ-масло и ОЖ-ОГ, поэтому необходимо учитывать не только передачу температуры от масла и ОГ к ОЖ, а также передаваемую тепловую энергию. Было принято решение использовать серийные теплообменники. Для теплообмена между масло и ОЖ будет использоваться серийно выпускаемый теплообменник 740.20-1013200. Проведенные расчеты показали, что данный теплообменник способен подогревать ОЖ на 0,5 °С, а так же передавать 2,2 кВт тепловой энергии. В качестве те-
плообменника ОЖ-ОГ был выбран серийно выпускаемый теплообменник УАЗ-315195, который будет подогревать ОЖ на 4 °С, а так же передавать 8,3 кВт тепловой энергии.
Таким образом количество теплоты рож, получаемое жидкостью при охлаждении двигателя, масла и ОГ будет равно 89,82 кВт.
Далее были заданы габаритные размеры сердцевины ТЭГ, эквивалентные размерам стандартного радиатора 3163-1301010-30, выбранного в качестве прототипа. В ходе предварительной компоновки ТЭГ, проведенной с учетом характеристик термоэлектрических модулей и основ конструирования автомобильных радиаторов систем охлаждения, была разработана структура ТЭГ с габаритными размерами сердцевины 624x473,6x60 мм. в которой может быть расположено до 384 модулей.
Также на этом этапе, с использованием принципов конструирования автомобильных трубчато-пластинчатых радиаторов, проводится предварительная компоновка ТЭГ, в результате которой определяется количество трубок для движения ОЖ и форма пластин воздушного охлаждения. Для предварительной компоновки ТЭГ были выбраны три пластины воздушного охлаждения разных форм, которые представлены на рисунке 2.
в)
Рис. 2. Пластины воздушного охлаждения (а - зазубренная лента; б - перфорированная лента; в - волнообразная лента)
После предварительных расчетов было принято решение использовать волнообразную ленту ввиду ее большей эффективности в части охлаждения и теплопередачи. После выбора формы пластин воздушного теплообменника был определен размер и состав расчетной ячейки ТЭГ, представленной на рисунке 3, для которой вычисляются рабочие параметры.
Рис. 3. Геометрические параметры расчетной ячейки ТЭГ
Затем был проведен расчет теплообменных процессов гидравлической и воздушной части расчетной ячейки ТЭГ, в результате которого вычисляется коэффициент теплопередачи.
При расчете коэффициента теплопередачи К все элементы ТЭГ были представлены в виде многослойной стенки с заданной толщиной и теплопроводностью материала стенки. Определение К проводилось за счет последовательного определения пяти термических сопротивлений Яй каждой стенки:
5
= 1 Я
1 3 3 3 1
.__|_ ст | м | ст _|__
А А. А а„
где аж - коэффициент теплоотдачи жидкости; дст - толщина подложки воздушного ТО; Хст - теплопроводность подложки воздушного ТО; 8м - толщина ТЭГ модуля; Хм - теплопроводность ТЭГ модуля; ав - коэффициент теплоотдачи воздуха. Далее вычисляется коэффициент теплопередачи К:
К =
1
Я
1=1
Рассчитанное значение коэффициента теплопередачи К и заданные значения средних температур теплоносителей Ж = 93,9 °С и tв = 30 °С позволяют определить тепловой поток ^ через расчетную ячейку:
Ч, = ('ж — 1В)• К.
После чего проводят вычисление изменения температур стенок элементов расчетной ячейки, представленных на рисунке 4 [4], по следующим зависимостям:
С = 1ж - • ,1—2 _ С1 — 4 • ^ 2;
^2-3 _ ,1—2 — 4 • ^,3;
~ ^2—3 — 4 • 4.
Рис. 4. Изменение температур в расчетной ячейке
Полученные значения температур на горячей t1-2 и холодной t2-3 сторонах модуля позволяют определить электрическую мощность ТЭГ.
В представленной конструкции ТЭГ используются термоэлектрические модули, имеющие электрическую мощность Ne0 = 15,7 Вт при температурном перепаде At = 100 °С. С учетом этой характеристики электрическая мощность Ns ТЭГ рассчитывается по формуле:
N = nM •( t,2 - /2_3 )•
где пм - количество модулей.
Произведенные расчеты показали, что при использовании 168 ТЭГ модулей выходная электрическая мощность составит 719,6 Вт.
При разработке сложных многопараметровых систем, к которым можно отнести термоэлектрическую систему охлаждения, целесообразно проводить многопараметровую оптимизацию отдельных компонентов и ТЭГ в первую очередь. Проведение оптимизации на стадии детального проектирования является необходимым, поскольку вычисляются комплекс параметров
ТЭГ, обеспечивающих выполнение целевой функции, которой может быть, например, максимальная электрическая мощность ТЭГ.
Настоящая работа подготовлена в рамках соглашения № 14.577.21.0184 от «27» октября 2015 года о предоставлении субсидии при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57715X0184.
Список литературы:
1. Stabler, F., 2002. Automotive Applications for High Efficiency Thermoe-lectrics. High Efficiency Thermoelectric Workshop, San Diego, California.
2. Khripach, N.A., Papkin, B.A., Korotkov, V.S., Nekrasov, A.S. Zaletov, D.V., 2015. Effect of a thermoelectric generator on the fuel economy of a vehicle operating in a real-world environment. Biosciences Biotechnology Research ASIA, Vol. 12 (Spl. Edn. 2), 375-386. http://dx.doi.org/10.13005/bbra/2049.
3. Хрипач Н.А., Коротков В.С., Папкин И.А., 2016. Термоэлектрическая система охлаждения двигателя внутреннего сгорания // Новая наука: опыт, традиции, инновации: Международное научное периодическое издание по итогам Международной научно-практической конференции (12 октября 2016 г, г. Омск): в 2 ч. Ч. 1 - Стерлитамак: АМИ. - С. 128-132.
4. Papkin, B.A., Khripach, N.A., Korotkov, VS., Ivanov, D.A., Thermoelectric generator for a vehicle engine cooling system research and development, International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973-4562 Volume 11, Number 15 (2016) pp. 8557-8564.
