CC BY
61
УДК 621.43:629.114.2:62
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ САМОРЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОНАГРЕВА
В.Ф. Калинин1, А.М. Шувалов2, С.В. Кочергин1,
П. А. Телегин2 , Н.П. Моторина1
Кафедра «Электрооборудование и автоматизация», ТГТУ (1);
лаборатория «Альтернативные источники энергии», ГНУ ВИИТиН (2)
Ключевые слова и фразы: двигатель внутреннего сгорания; позистор; теплообмен; электроподогрев.
Аннотация: Предложен критерий оценки эффективности работы устройства электронагрева с саморегулированием мощности. Приведены экспериментальные характеристики. Рассмотрены способы повышения эффективности работы устройства.
Обозначения
У - относительная эквивалентная толщина зазора;
ас1, ас2 - тепловая проводимость среды между контактирующими поверхностями (позистор - корпус устройства) и тепловая проводимость контакта, соответственно, Вт/(м2-К);
ак - коэффициент теплоотдачи между позистором и активной поверхностью теплообменника, Вт/(м2-К); аус - коэффициент теплоотдачи от активной поверхности теплообменника к нагреваемой среде, Вт/(м2-К);
1с, 1м - теплопроводность среды между контактирующими поверхностями и приведенная теплопроводность металлического контакта, соответственно, Вт/(мК);
Ов - предел прочности контакта, Па; т - время, с.
В холодное время года эксплуатация автотракторной техники усложняется из-за снижения общего температурного состояния двигателя. Это приводит к ухудшению воспламенения топлива (особенно для дизельных двигателей), смазывающих свойств моторных и трансмиссионных масел. Увеличивается время прогрева двигателя, что повышает расход топлива и выбросы токсичных газов в атмосферу. В этой связи, в ряде стран Европейского союза эксплуатация автомашин в зимнее время без средств предпускового подогрева запрещена законодательством.
Оус - символическое обозначение совокупности геометрических параметров устройства;
Ог - число Грасгофа;
Н_р - символическое обозначение сово-ср
купности параметров, характеризующих теплофизические свойства разогреваемой среды;
^ср1, ^ср2 - средняя высота выступов шероховатости, определяемые классом частоты обработки материалов, м;
К - коэффициент жесткости;
Ь - высота цилиндра электронагревателя, м; Ртах, Рср - максимальная и средняя потребляемая мощность устройства, соответственно, Вт;
р - контактное давление, Па;
Япоз - сопротивление позистора, Ом;
V - коэффициент кинематической вязкости,
м2/с;
ВИИТиНом разрабатываются устройства электронагрева нового поколения на основе позисторов - саморегулируемых электронагревательных элементов. Эффективность использования позисторов зависит от интенсивности теплообмена между ними и нагреваемой средой. Причем характерной особенностью является то, что позисторы обладают областью с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления ТКС(-) и положительным ТКС(+) после «точки переключения» (точки Кюри материала). При этом ТКС(+) = 15 %/°С, что в значительной степени определяет динамику потребляемой мощности устройства электронагрева.
Интенсивность возрастания сопротивления позисторов зависит от тепловой инерционности системы (позистор - теплообменник - разогреваемая среда). Точнее это можно выразить следующим образом
<■>
Чем инерционнее система, тем выше скорость возрастания сопротивления позисторов, при этом происходит, так называемый, «саморазогрев» позисторов, вследствие чего резко снижается мощность устройства (рис. 1).
На основании вышеизложенного, в процессе работы устройства наблюдается некоторая перегрузка по мощности, причем, чем меньше перегрузка, тем большее количество тепла передается от позисторов к нагреваемой среде. Поэтому коэффициент перегрузки по мощности Кпр должен удовлетворять следующим условиям:
р
Кпр = pmax ® min; (2)
рср
J
Р (t) d t
_ 0
'ср
Рср _^----------------------------. (3)
tHarp
Рус, Вт
Рис. 1 Изменение потребляемой мощности саморегулируемого электронагревательного устройства
Критерий К^р является определяющим при выборе и обосновании конструктивных параметров электронагревательного устройства, а также режимных параметров, связанных с изменением гидродинамических параметров и режима течения жидкости у поверхности теплообменника.
Остановимся отдельно на основных параметрах. Исследованиям контактного термического сопротивления посвящен ряд отечественных и зарубежных работ [1 - 5]. Как известно, вследствие шероховатости и волнистости реальных поверхностей контакт между твердыми телами всегда имеет дискретный характер, то есть соприкосновение происходит в отдельных точках (пятнах) или группах точек номинальной поверхности. Многочисленными исследованиями было установлено, что площадь фактического контакта составляет незначительную долю номинальной площади соприкосновения, определяемой геометрическими размерами соприкасающихся тел [1].
Отсутствие сплошности контакта при соприкосновении металлических поверхностей существенно меняет картину течения тепла от одного тела к другому, в результате происходит температурный скачок между соприкасающимися телами.
Коэффициент теплоотдачи между позистором и активной поверхностью теплообменника можно выразить следующим образом [1]
1 ^ ____________ / \0,86
ак = аС1 + аС2 = —с--------т+8 • 1031м | ~^~К I . (4)
cp2 I
Зо
Согласно (4) снижение контактного термического сопротивления возможно конструктивно увеличением давления в контакте и заданием необходимой чистоты обработки соприкасающихся поверхностей при использовании термопаст с высоким коэффициентом теплопроводности.
В результате решения математической модели [6] был установлен характер изменения мощности электронагревательного устройства при различных значениях ак (рис. 2).
Рус, Вт
Рис. 2 Влияние аК на динамику мощности электронагревательного устройства:
I - V при аК = 300, 1000, 3000, 5000, 7000 Вт/(м2 К)
Как показали исследования при значениях а^ = 300...3000 Вт/(м2-К) динамики мощности (I и II) существенно отличаются друг от друга, то есть происходит увеличение средней мощности устройства Рср за процесс нагрева. Однако при
значениях а12 = 3000.7000 Вт/(м2-К) мощность устройства отличается незначительно.
На интенсивность процесса теплообмена влияет также режим течения нагреваемой жидкости: свободно-конвективный или вынужденный. При свободной конвекции имеет значение расположение электронагревательного устройства относительно двигателя: горизонтальное, вертикальное или наклонное (рис. 3).
Наклон устройства относительно вертикали на угол у приводит к изменению толщины пограничного слоя, характера течения жидкости и скорости конвекции
Экспериментальные характеристики изменения мощности устройства при расположении устройства горизонтально (у = 90°) и наклонно (у = 45°) представлены на рис. 4.
Таким образом, экспериментальные данные подтверждают теоретические предпосылки. Средняя мощность Рср увеличилась на 97 Вт, коэффициент перегрузки по мощности Кпр уменьшился на 0,5.
При вынужденной конвекции (с помощью дополнительной установки насоса) главной задачей интенсификации конвективного теплообмена является такое воздействие на пограничный слой, которое сделало бы его более тонким или частично разрушило. При этом происходит усиленное обновление среды, то есть энергичное замещение одних объемов другими. Этого добиваются за счет специальной ребристой формы активной поверхности теплообменника.
В этом случае для обоснования оптимальных конструктивных параметров теплоотдающей поверхности аппарата определяют эффективное соотношение между требуемой площадью поверхности теплообменника к расходам энергии на перекачивание рабочих сред через электронагревательное устройство [8].
.у
Рис. 3 Варианты расположения электронагревателя относительно двигателя:
1 - двигатель; 2 - электронагреватель
[7]
(5)
х
Рус, Вт
Рис. 4 Изменение мощности электронагревательного устройства при горизонтальном и наклонном расположении
В случае отсутствия оребрения, использование вынужденной конвекции теряет свой смысл. Сравним полученные данные экспериментальных исследований при свободной и вынужденной конвекции (рис. 5).
Рис. 5 Изменение мощности устройства при вынужденной и свободной конвекции
Исследования показывают, что средняя мощность увеличилась незначительно, а использование дополнительного насоса только повысило стоимость конструкции устройства. Физически это можно объяснить тем, что при использовании насоса в случае гладкой поверхности теплообменника, образуется большой пограничный слой (застойная зона). Температура этого слоя быстро растет и приводит к «саморазогреву» позисторов.
Выводы
Для повышения эффективности использования электронагревательного устройства, выполненного на базе позисторных нагревательных элементов, необходимо:
1) снижение контактного термического сопротивления между позистором и поверхностью теплообмена за счет увеличения давления в зоне контакта и использование термопласта с высоким коэффициентом теплопроводности;
2) при свободной конвекции имеет значение расположение электронагревательного устройства относительно двигателя: горизонтальное, вертикальное или наклонное; наиболее эффективным является наклонное расположение;
3) использование вынужденной конвекции без оребрения активной поверхности теплообмена не эффективно, так как не приводит к значительному увеличению средней мощности и уменьшению коэффициента перегрузки.
Список литературы
1 Шлыков, Ю.П. Контактное термическое сопротивление / Ю.П. Шлыков, Е.А. Ганин, С.Н. Царевский. - М. : Энергия, 1977. - 328 с.
2 Ильченко, О.Т. Термическое сопротивление контактного слоя / О.Т. Ильченко, В.М. Капинос // Изв. высших учебных заведений. Энергетика. - 1958. -№9. - С. 77-89.
3 Попов, В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений / В.М. Попов. - М. : Энергия, 1971. - 214 с.
4 Миллер, В.С. Эффективный способ уменьшения контактного термического сопротивления / В.С. Миллер // Инженерно-физический журнал. - 1963. -№4. - С. 71-74.
5 Barratt, T. Thermal and electrical conductivities of some of the rarer metals and alloys // The Physical Societi of London Proc. - 1964. - Vol. - XXVI. - Pt. I. -Pp. 14-20.
6 Кочергин, С. В. Математическая модель саморегулируемого электронагрева охлаждающей жидкости в двигателях / С.В. Кочергин, К.А. Набатов, А.В. Щегольков // Вестник ТГУ. - Т амбов. - 2004. - Т.9. - Вып. 4. - C. 493-496.
7 Джалурия, И. Естественная конвекция: тепло- и массообмен : пер. с англ. / И. Джалурия. - М. : Мир, 1983. - 400 с.
8 Коваленко, Л.М. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи / Л.М. Коваленко, А.Ф. Глушков. - М. : Энергоатомиздат, 1986. - 240 с.
Improvement of Efficiency of Self-Regulated Electric Heating
V.F. Kalinin1, A.M. Shuvalov2, S.V. Kochergin1, P.A. Telegin2, N.P. Motorina1
Departments: “Electrical Equipment and Automation”, TSTU (1); Laboratory “Alternative Energy Sources ”, (2)
Key words and phrases: electric heating; internal combustion engine; posistor.
Abstract: The criterion of evaluating the efficiency of electric heating unit with self-regulated power is proposed; experimental characteristics are given; the ways of improving the unit efficiency are studied.
Erhöhung der Effektivität der selbstangepassten elektrischen Beheizung
Zusammenfassung: Es ist das Kriterium der Einschätzung der Effektivität der Arbeit der Einrichtung der elektrischen Beheizung mit der Selbstregelung der Leistung angeboten, es sind die experimentalen Charakteristiken angeführt und es sind die Weisen der Erhöhung der Effektivität der Arbeit der Einrichtung untersucht.
Augmentation de l’efficacité du chauffage électrique autoréglé
Résumé: Est proposé le critère de l’estimation de l’efficacité du chauffage électrique autoréglé, sont mentionnées les caractéristiques expérimentales et sont examinés les moyens de l’augmentation de l’efficacité du fonctionnement du dispositif.
