CC BY
111
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.
