CC BY
13т
СибАДИ - 80 лет
Регулирование теплообмена в газовом баллоне при эксплуатации ГБА в зимнее время
Н.Г. Певнев, профессор, зав. кафедрой СибАДИ, д.т.н., В.И. Гурдин, профессор СибАДИ, д.т.н., М.В. Банкет, аспирант СибАДИ
Ключевые слова: газобаллонный автомобиль (ГБА), автомобильный газовый баллон, сжиженный углеводородный газ (СУГ), трубчатый электронагреватель (ТЭН), температура окружающего воздуха, тепловой поток, теплоизоляция.
Regulation of process of heat exchange in a gas cylinder at operation automobile gas in a winter season
N.G. Pevnev, V.I. Gurdin, M.V. Banket
Keywords: the gas automobile, automobile gas cylinder, liquefied petroleum gas, tubular electroheater, temperature of air, thermal flow, thermal protection.
itfm
М.В. Банкет,
аспирант СибАДИ:
В работе проведены исследования регулирования теплообмена подогревом СУГ и использованием теплоизоляционного материала с защитным кожухом для сохранения теплоты, а также даны рекомендации по выбору теплоизоляции.
In job the researches of regulation of process of heat exchange heating gas and performance of measures on preservation of heat by installation thermal protection with protective shroud, and also the recommendations at a choice thermal protection are given.
В регионах с развитой инфраструктурой для СУГ на автомобильном транспорте его применение в качестве альтернативного моторного топлива считается перспективным, однако, при эксплуатации газобаллонных автомобилей при отрицательных температурах окружающего воздуха возникает ряд проблем [1], которые особенно очевидны в таких регионах как Западная, Восточная Сибирь и Урал. С учетом продолжительности зимнего периода, например, в Омске и Омской обл., использование газового топлива на автомобиле становится проблематичным в течение 3-4 мес., что приводит к увеличению эксплуатационных затрат на топливо в результате использования дорогостоящего бензина.
Минимальная температура, при которой соблюдаются требования к
работе впрысковой системы питания двигателя (ГОСТ Р 52087-2003), на пропане автомобильном (ПА) составляет -20 °С, а на пропан-бутане автомобильном (ПБА) -5 °С. На АГЗС автомобили заправляются, как правило, ПБА, а не ПА [1].
По данным Омского Гидрометео-центра, в течение полугода температура опускалась ниже -5 °С, а в течение трех месяцев в году - ниже -20 °С.
В зависимости от температуры воздуха и места расположения газового баллона на ГБА температура СУГ в баллоне в зимнее время года будет различна.
Рассмотрим возможные места установки газовых баллонов на ГБА и зависимость от этого температуры СУГ в баллоне:
1. В салоне легкового автомобиля - температура СУГ выше температуры окружающего воздуха.
2. В нише кузова легкового автомобиля под запасным колесом - температура СУГ примерно равна температуре окружающего воздуха.
3. На раме грузового автомобиля - температура СУГ ниже температуры окружающего воздуха (влияние скорости ветра).
4. Между лонжеронами рамы микроавтобуса - температура СУГ ниже температуры окружающего воздуха (влияние скорости ветра).
Для уменьшения воздействия температуры окружающего воздуха на температуру СУГ, а значит и на давление насыщенных паров газа в газовом баллоне предлагается регулировать процесс теплообмена в баллоне в зимних условиях эксплуатации за счет подогрева жидкой фазы газа и теплоизоляции автомобильного газового баллона [1]. Применять теплоизоляционный материал для газового
СибАДИ - 80 лет
Ш)
к-»,..,.,»•
Рис. 1. Схема теплоизоляции автомобильного газового баллона, установленного на ГБА: а - вид сбоку; б - вид снизу
баллона планируется для тех ГБА, у которых баллон установлен на раме или между лонжеронами рамы, поскольку в этом случае происходит непосредственный контакт окружающего воздуха с корпусом баллона. Для условий эксплуатации - это худший вариант сохранения теплоты.
Необходимо заметить, что в эксплуатации находятся преимущественно микроавтобусы, использующие газовое топливо, вследствие чего применение теплоизоляции становится актуальным. Теплоизоляция автомобильного газового баллона достигается с помощью теплоизоляционного
материала, плотно прилегающего к корпусу баллона, закрепленного с помощью фиксирующего элемента (рис. 1).
На практике теплоизоляционные материалы (таблица) принято делить на три вида (по типу основного исходного сырья): органические, неорганические, смешанные [2].
Приведенные теплоизоляционные материалы, кроме войлока, применяются в строительстве и требуют исключить механические воздействия, так как они легко разрушаются. Следовательно, представленные материалы не могут применяться в условиях
Теплопроводность теплоизоляционных материалов при температуре 25±5 °С
Теплоизоляционный материал Теплопроводность, Вт/(м^°С) Температура применения, °С
Экструдированный пенополистирол 0,028 -50 4- 75
Пенополиуретан 0,035 -2004100
Минеральная вата 0,043 -1804400
Пенофол 0,037 -604100
Асбестовый картон 0,157 -90 4 500
Натуральный шерстяной войлок 0,045 -60 4 550
эксплуатации ГБА. Для рассматриваемых условий наиболее подходящим является натуральный шерстяной войлок, закрытый сверху брезентом. Такие устройства традиционно использовались для уменьшения тепло-потерь на радиаторах системы охлаждения отечественных автомобилей.
Блок-схема влияния внешних факторов на работу ГБА с учетом предложенного ранее метода поддержания давления СУГ [1] представлена в [3].
Предлагаемый метод поддержания давления газа в автомобильном газовом баллоне будет воздействовать на физические свойства СУГ, увеличивая температуру и давление насыщенных паров газа, тем самым повышая надежность ГБА при эксплуатации его на СУГ в зимнее время и уменьшая затраты на топливо.
Для расчета регулирования процесса теплообмена предлагается математическая модель газобаллонного автомобиля (рис. 2).
Для нахождения зависимости изменения давления СУГ в газовом баллоне от количества теплоты, искусственно подаваемой 0Ш и естественно поглощаемой ц, необходимо рассчитать суммарный тепловой поток, проходящий от ТЭН через газовый баллон с СУГ в окружающую среду.
Для этого необходимо задать граничные условия:
■ состав смеси 50% пропана, 50% бутана;
■ стандартный автомобильный газовый баллон V, = 50 л;
бал '
■ объем СУГ в баллоне: ^УГ = 40 л;
■ необходимое давление в газовом баллоне: Р . = 0,3 МПа;
■ температура окружающего воздуха: -40 °С < Гвоз < 14 °С;
■ место установки газового баллона на автомобиле - между лонжеронами рамы.
Суммарный тепловой поток (Дж), исходящий от ТЭН через газовый баллон с СУГ в окружающую среду (рис. 3), составит:
Еа=е„+а+а1+а2+!26з+а4- (1)
При расчетах принято, что Qб2 - Qб4
Расчет тепловых потоков в формуле (1) проводится согласно уравнению Фурье [4, 5].
Ой
СибАДИ - 80 лет
Рис. 2. Математическая модель газобаллонного автомобиля для расчета мощности, требуемой для стабилизации давления в газовом баллоне: /а| - заданная скорость движения автомобиля; I/ - скорость движения автомобиля; п - частота вращения коленчатого вала ДВС; р - степень открытия дроссельной заслонки; I - номер передачи КПП; б - секундный расход газа ДВС; 5 - путь, проходимый автомобилем; У - замедление автомобиля; бг100 - путевой расход газа; у - место расположения газового
окружающего воздуха; /в - скорость ветра; ?СУГ -. пф - температура паровой фазы СУГ; ?ТЭН - температура ТЭН; РСУГ - давление насыщенных паров СУГ в газовом баллоне; Оо6щ - общее количество теплоты, необходимое для испарения СУГ; /СУГ - объем СУГ; / - мощность, необходимая для испарения газа; /ТЭН - мощность ТЭН; I - длина проволоки нагревателя; С - диаметр нагревателя круглого сечения
баллона; ? - температура
окр.воз.г
температура жидкой фазы СУГ; I
а
а. и Л, аг
(2)
где - температура ТЭН, °С; 1:В - температура окружающего воздуха, °С; а1 - коэффициент теплопередачи от ТЭН к паровой фазе СУГ, Вт/(м2^°С); Б. - толщина слоя, м; Л, - коэффициент теплопроводности слоя Вт/(м2^°С);
а2 - коэффициент теплопередачи от наружной поверхности газового баллона к окружающему воздуху Вт/(м2^°С).
Подставляя в формулу (2) соответствующие значения величин для каждого из О, получаем:
Хй = 939 + 65 + 13-2 + 274-2 = 1578кДж.
Для определения эффективности применения теплоизоляции необходимо рассчитать тепловой поток Хй, проходящий от ТЭН через газовый баллон с СУГ в окружающую среду при использовании теплоизоляционного материала. Расчет производится с учетом граничных условий первичного расчета, с добавлением граничных условий для теплоизоляции:
■ теплоизоляционный материал - натуральный шерстяной войлок;
■ толщина войлока 12 мм;
■ крепление войлока к корпусу газового баллона осуществляется с помощью брезента;
■ толщина защитного брезента 1 мм.
Суммарный тепловой поток, проходящий от ТЭН через газовый баллон с СУГ и теплоизоляцию в окружающую среду, определяется по формуле (1).
£ е2 = 595 + 65 +13 • 2 + 244 • 2 = 1174 кДж.
При применении теплоизоляционного материала с защитным кожухом суммарный тепловой поток, исходящий от ТЭН через газовый баллон с СУГ в окружающую среду, снизился на 404 кДж. Предложенные мероприятия позволяют сохранить теплоту, подводимую к СУГ, в газовом баллоне и осуществлять бесперебойную работу двигателя газобаллонного автомобиля в зимнее время года.
В результате исследований установлено, что при низких температурах окружающего воздуха применение регулирования теплообмена подогревом СУГ и проведением мероприятий по сохранению теплоты установкой теплоизоляционного материала с защитным кожухом позволяет снизить тепловые потери примерно на 30 %. Это позволяет рекомендовать в качестве теплоизоляционного материала натуральный шерстяной войлок с защитным кожухом из брезента. Изготавливать эту теплоизоляцию необходимо как самостоятельное изделие.
Литература
1. Певнев Н.Г., Банкет М.В. Повышение эксплуатационной надежности газобаллонных автомобилей при низких температурах окружающего воздуха // Транспорт на альтернативном топливе.
- 2009. - № 5 (10). - С. 20-23.
2. Бобров Ю.Л., Овчаренко Е.Г., Шой-хет Б.М., Петухова Е.Ю. Теплоизоляционные материалы и конструкции: Учебник для средних профессионально-технических учебных заведений. - М.: ИНФРА-М.
- 2003. - 268 с.
3. Певнев Н.Г., Гурдин В.И., Банкет М.В. Оптимизация теплосодержания СУГ в автомобильном газовом баллоне для обеспечения бесперебойной работы ГБА // Транспорт на альтернативном топливе.
- 2010. - № 4 (16). - С. 10-13.
4. Арнольд Л.В., Михайловский Т.А., Селиверстов В.М. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: Высшая школа. - 1979. - 446 с.
5. Ерофеев В.Л., Семенов П.Д., Пря-хин А.С. Теплотехника: Учебник для вузов.
- М.: ИКЦ «Академкнига». - 2006. - 456 с.
