CC BY
38
УДК 621.43.005
Определение ёмкости теплового аккумулятора модернизированной системы охлаждения поршневой машины
А. В. Разуваев,
Балаковский институт техники, технологии и управления, доктор технических наук, доцент
Е. А. Соколова,
Балаковский институт техники, технологии и управления, ассистент
Повышенный температурный режим в системе охлаждения способствует большей экономичности работы поршневой машины в режиме холостого хода и на долевых нагрузках. Установка в тракт системы охлаждения теплового аккумулятора позволяет компенсировать недостаток тепловой энергии, которая необходима для поддержания повышенного температурного режима. Статья посвящена расчёту параметров теплового аккумулятора, устанавливаемого в тракт системы охлаждения поршневой машины.
Ключевые слова: поршневая машина, система охлаждения, тепловой аккумулятор, тепловые потери.
Большая часть энергетических установок, выполненных на базе поршневых машин, работает с переменными нагрузками в условиях перерасхода топлива при работе в режиме холостого хода и на частичных нагрузках, близких к нему. Анализ опубликованных данных показывает, что работа системы охлаждения при повышенной температуре охлаждающей жидкости (363-368 К) или в режиме высокотемпературного охлаждения (378-393 К) позволяет повысить экономичность работы поршневого двигателя при долевых нагрузках и режиме холостого хода [1, 2].
На рис. 1 изображена модернизированная система жидкостного охлаждения с тепловым аккумулятором (патент РФ № 2493385), которая обеспечивает работу поршневой машины при постоянной повышенной температуре охлаждающей жидкости, что повышает экономичность её работы и улучшает экологические показатели.
С целью определения необходимой тепловой мощности теплового аккумулятора разработан алгоритм его расчёта, включающий несколько этапов.
На первом этапе определяются исходные данные для расчёта:
1) максимально допустимая температура охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя
^шах.
2) интервал температур атмосферного воздуха, при которых двигатель должен эксплуатироваться без снижения мощности.
3) температура фазового перехода (плавления) теплоаккумулирующего материала (ТАМ), которая должна быть на 3-5 ° ниже, чем £шах;
4) режимы работы энергетической установки на базе поршневого ДВС, эксплуатируемой на конкретном объекте:
Р'е = f (Л
Рис. 1. Модернизированная система жидкостного охлаждения поршневой машины:
1 — тепловая машина; 2 — датчик температурь; 3, 5, 7, 10, 14 — трубопроводы 4 — терморегулятор; 6 — радиатор; 8 — подогреватель; 9 — вентилятор; 11 — трехходовой вентиль; 12 — тепловой аккумулятор; 13 — блок управления; 15 — водяной насос
где Т - время работы энергетической установки на режиме Pe соответственно;
5) зависимость отвода теплоты Яс001 от тепловой машины в систему охлаждения в зависимости от нагрузки Pe (может быть получена в виде регрессионных зависимостей статей теплового баланса от нагрузки либо расчётных величин):
Я^ = f ^
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / www.endi.ru
№ 4 (58)2014, июль-август
На втором этапе после определения необходимых данных подбирается условно-минимальная необходимая эффективная мощность энергетической уста-
r „ „min
новки на базе поршневой машины Pe , при которой в системе охлаждения поддерживается стабильный повышенный температурный режим. Для этого должно выполняться условие
«охл = Ql + «2,
(1)
Q{ = Fi аi (Т CTi - Тов),
(2)
2 4 6
10 12 14 16 18 20 22 24
Рис. 2. График изменения эффективной мощности Ре тепловой машины в зависимости от времени
На следующем этапе в системе координат т - Ре строится график (рис. 2) изменения мощности тепловой машины в зависимости от времени:
Pe i = m-
(3)
где Qохл - количество теплоты, отведенное в систему охлаждения от работающего двигателя;
Ql - тепловые потери в воздух через поверхности блока цилиндров тепловой машины 1; - тепловые потери от поверхности труб малого контура системы охлаждения (трубопроводы 3, 7, 14).
Расчёт величины тепловых потерь Ql и Q2 выполняется по формуле (2), которая приводится в общем виде:
где ¥г - площадь наружной поверхности, м2;
аг - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенок окружающему воздуху, Вт/м2-К;
Тстг - температура наружной поверхности стенок, К;
Тов - температура окружающего воздуха, К, при которой эксплуатируется энергетическая установка, в диапазоне эксплуатационных параметров.
Определив значения Ql и Q2, рассчитывают Qохл по формуле (1).
Зная расчётную величину Qохл и зависимость Qсool = =^Ре), определяют мощность тепловой машины Ре при условии Qохл = Яс001, которую и принимаем за условно-минимальную, обеспечивающую необходимый повышенный температурный режим в системе охлаждения.
Ре(кВт)
На график наносится прямая расчётного значения условно-минимальной необходимой эффективной мощности РГп = const, при котором выполняется условие (1); на рис. 2 изображена пунктирной линией.
Из графика видно, что при Pe больше, чем Pmin, необходимо отводить тепло в радиаторе 6, а при его недостаче при значении мощности тепловой машины меньшем, чем Pmin, необходимо компенсировать тепловую энергию в систему охлаждения. Эту функцию и должен выполнять тепловой аккумулятор.
Определить тепловую энергию, которая необходима для компенсации недостающей от тепловой машины, можно следующим образом.
Анализируются участки рис. 2, точнее, площади, лежащие ниже линии Pmin, и выбирается максимальная площадь, которая и соответствует максимальной тепловой энергии, которую необходимо обеспечить тепловым аккумулятором.
Зная величину тепловой энергии эквивалентной
максимальной площади ниже P£
определяют теп-
ловую мощность теплового аккумулятора:
= ЛТА
тогда
(Qcool ■ Т) = Q
РТА = QTA/ Т.
(4)
(5)
Вычислив тепловую мощность теплового аккумулятора и определённые параметры теплоакку-мулирующего материала (ТАМ), рассчитывают основные конструктивные параметры теплового аккумулятора. На основании данных о количестве теплоты, необходимой для фазового перехода одного килограмма ТАМ, определяется масса ТАМ по формуле
мТАМ = рта / R
ТАМ
(6)
где МТАМ - масса ТАМ, кг;
Рта - тепловая мощность теплового аккумулятора, Вт;
КТА - количество теплоты, необходимой для фазового перехода одного килограмма ТАМ, Вт/кг.
Для определения конструктивных параметров теплового аккумулятора найдём площадь между ТАМ и жидкостью системы охлаждения, воспользуемся формулой
FTA = QTA / k (Tcool ТТАМ),
где Fta - площадь теплообмена, м2;
(7)
дТА - тепловая мощность от теплового аккумулятора, Вт;
к - коэффициент теплопередачи между ТАМ и жидкостью в системе охлаждения, Вт/м2 - К;
Тсоо1 - температура в системе охлаждения, К;
Ттам - температура фазового перехода ТАМ, К.
Далее по рассчитанной площади поверхности теплообмена проводится конструкторская проработка с учетом взаимодействия ТАМ и материала теплового аккумулятора, свойств самого ТАМ и т. д. С целью снижения потерь тепла от теплового аккумулятора в окружающую среду необходимо провести его тепловую изоляцию. Это позволит дополнительно использовать тепловой аккумулятор через 1-3 дня после останова двигателя и осуществлять при этом пуск тепловой машины с предварительно прогретой охлаждающей жидкостью, что дополнительно повы-
сит эффект работы тепловой машины с модернизированной системой охлаждения.
На основании вышеприведённых аналитических зависимостей с учётом определения мощности теплового аккумулятора по алгоритму представляется возможным получить конструктивные параметры теплового аккумулятора для модернизированной системы охлаждения.
Динамику прироста экономичности работы поршневой машины при стабильном повышенной температуре можно наблюдать на примере работы дизеля 215Д (6ЧН21/21). Работа дизеля исследовалась при температурах 353 и 367 К. Эффективная мощность дизеля изменялась от номинальной до минимальной, равной 5 %. Данные об изменении эффективной мощности и времени работы на каждом нагрузочном режиме, а также данные об изменении удельного расхода топлива в зависимости от температуры воды в системе охлаждения приводятся в табл. 1.
Таблица 1
Расчёт экономии топлива при переходе на повышенный температурный режим охлаждения дизеля 215Д
Позиция контроллера Нагрузка в зависимости от позиции контроллера Ре (кВт) Время работы под нагрузкой, % Время работы под нагрузкой в год, 4 (ч) Удельный расход топлива при Т = 353 К, (г/кВт-ч) Удельный расход топлива при Т = 373 К, (г/кВт-ч) -V -О (Г и М =к Экономия топлива за год G = ЛЬ Ре 4/1000 (кг)
0 55,1 42,5 306 660 640 20 337,212
1 110,2 3,8 27,36 580 544 36 108,5426
2 165,3 2,5 18 560 545 15 44,631
3 220,4 1,3 9,36 318 300 18 37,13299
4 275,5 7,3 52,56 282 275 7 101,362
5 330,6 1,3 9,36 270 258 12 37,13299
6 385,7 1,7 12,24 252 250 2 9,441936
7 440,8 5,5 39,6 242 239 3 52,36704
8 495,9 12,3 88,56 240 237 3 131,7507
9 551,0 5,5 39,6 238 235 3 65,4588
10 606,1 1,8 12,96 233 231,5 1,5 11,78258
11 661,2 2,3 16,56 233 231,5 1,5 16,42421
12 716,3 8,6 61,92 234 233 1 44,3533
13 771,4 3,3 23,76 235 234,5 0,5 9,164232
14 826,5 0,3 2,16 236 235 1 1,78524
15 882 0,5 3,6 238 235 3 9,52128
Суммарная экономия топлива за месяц 1081,1
Экономия топлива за год 12 973,2
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ I www.endi.ru
№ 4 (58)2014, июль-август
Как видно из табл. 1, при заданном графике работы энергетической установки на базе дизеля 6ЧН21/21 экономия топлива за год составила 12 973,2 кг, годовая экономия денежных средств в результате экономии дизельного топлива при его стоимости 28 руб./кг составила 342 081,8 руб. Таким образом, точный расчет тепловой мощности теплового аккумулятора, поиск новых ТАМ и
материалов, совместимых с ними, позволяет обеспечить долговечность и надёжность работы поршневой машины при стабильном повышенном температурном режиме охлаждающей жидкости, не зависящем от режима работы энергетической установки, что обеспечивает значительную экономию денежных средств при закупке дизельного топлива.
Литература
1. Соколова Е. А. Совершенствование системы охлаждения как способ повышения экономичности поршневой машины / Тез. докл. международной конференции, Саратов, 30 октября - 2 ноября 2012 г. - Саратов: Изд-во Саратовского технического университета, 2012. - С. 235-241.
2. Разуваев А. В., Разуваева Е. А., Соколова Е. А. Повышение эффективности энергетических установок / / Вестник СГТУ. - 2010. - № 3. - С. 150-159.
3. Кенисарин М. М. Кратковременное использование солнечной энергии. Низкотемпературные фазопере-ходные материалы / / Гелиотехника. - 1993. - № 2. - С. 46-64.
4. Гладышева Т. В., Симаненков Э. И., Соломоненко Е. В., Гатанова Н. Ц. Экспериментальная установка для получения композиционного теплоаккумулирующего материала / / Вестник ТГТУ. - 2012. - Т. 18. - С. 894-898.
5. Сотникова О. А., Турбин В. С., Григорьев В. А. Аккумуляторы теплоты теплогенерирующих установок систем теплоснабжения / Энергоэффективность: опыт, проблемы, решения. - Воронеж: Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, 2004. - Вып. 1-2. - С. 82-86.
Calculation of heat accumulator's capacity for an improved cooling system of a piston machine
A. V. Razuvaev,
Balakovo Institute of Engineering, Technology and Management, Doctor of Science, associate professor
E. A. Sokolova,
Balakovo Institute of Engineering, Technology and Management,
assistant
Variable operating modes of piston machines cause higher fuel consumption. Increased temperature in a cooling system can improve efficiency of a piston engine operating on idling or partial loads. A heat accumulator installed in a cooling system is able to compensate lack of thermal energy, that is necessary for maintaining increased temperature in a cooling system. This paper is dedicated to calculation of heat accumulator's parameters.
Keywords: piston machine, cooling system, heat accumulator, heat loss.
