Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Использование двигателей Стирлинга для утилизации тепловых потерь. Системы подвода теплоты в этих двигателях (состояние вопроса) 14
1.1. Возможность и целесообразность использования двигателей Стирлинга для утилизации теплоты отработавших газов ДВС 14
1.2. Системы подвода теплоты в двигателях Стирлинга 27
1.3. Постановка цели и задач исследования 39
Глава 2. Термодинамическая модель процесса передачи энергии от отработавших газов ДВС во внутренний контур двигателя стирлинг-электрической установки через промежуточный теплоноситель 43
2.1. Структура энергии потока отработавших газов поршневых ДВС и процесс передачи ее во внутренний контур двигателя стирлинг-электрической установки через промежуточный теплоноситель 43
2.2. Термодинамика процесса передачи теплоты от отработавших газов поршневого ДВС во внутренний контур двигателя стирлинг-электрической установки через промежуточный теплоноситель 52
2.3. Выбор температуры плавления теплоаккумулирующего материала стабилизатора температуры 63
Глава 3. Математическая модель процесса передачи энергии от отработавших газов во внутренний контур двигателя стирлинг-электрической установки через промежуточный теплоноситель 68
3.1. Математическое описание энергетических процессов в системе подвода теплоты в случае, когда температура отработавших газов выше температуры теплоаккумулирующего материала 70
3.2. Математическое описание энергетических процессов в системе подвода теплоты в случае, когда температура отработавших газов выше температуры теплоаккумулирующего материала 84
Глава 4. Экспериментальная установка. Программа и методика исследования 96
4.1.Экспериментальная установка 96
4.2. Оценка погрешности измерений 100
4.3. Программа и методика экспериментального исследования 116
Глава 5. Результаты экспериментального исследования 124
5.1. Энергетические показатели потока продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу 124
5.2. Исследование энергетических процессов в системе передачи теплоты от отработавших газов к рабочему телу двигателя стирлинг-электрической установки 130
5.3. Исследование рабочего процесса Стирлинг-электрической установки 144
Заключение 151
Использованная литература
- Возможность и целесообразность использования двигателей Стирлинга для утилизации теплоты отработавших газов ДВС
- Структура энергии потока отработавших газов поршневых ДВС и процесс передачи ее во внутренний контур двигателя стирлинг-электрической установки через промежуточный теплоноситель
- Математическое описание энергетических процессов в системе подвода теплоты в случае, когда температура отработавших газов выше температуры теплоаккумулирующего материала
- Энергетические показатели потока продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу
Введение к работе
Широкое распространение и непрерывное развитие мобильной техники требует непрерывного совершенствования ее силовых установок с целью повышения их технико-экономических показателей. Среди этих установок особое место занимают поршневые ДВС, которые производят более 80 % энергии, потребляемой человечеством. Сказанное во многом обусловлено тем, что именно они обладают наибольшим КПД среди всех современных тепловых двигателей.
Термодинамические показатели современных поршневых ДВС близки к предельному теоретически достижимому уровню, который, однако, обеспечивает превращение в полезную работу не более 45-46 % термохимической энергии топлива. Остальная теплота, выделившаяся при сгорании топлива, «теряется» либо с поверхности двигателя и его систем, либо с уходящими из него отработавшими газами. Значительная часть «потерь» приходится именно на отработавшие газы. В дизелях они составляют 85-110 % по отношению к эффективной мощности, в двигателях с принудительным воспламенением топлива превосходят ее на 25-45 %.
Эту энергию нужно и можно утилизировать. Весьма важным направлением при утилизации «потерь» энергии является использование ее для выработки дополнительной работы.
Проведенный анализ литературы показал, что среди предлагаемых в настоящее время средств утилизации в указанных целях весьма эффективно использование одного из типов двигателей с внешним подводом теплоты - двигателей Стирлинга. Характерная особенность этих двигателях заключается в том, что в них имеет место длительное воздействие высокой температуры на некоторые узлы и детали. Это приводит к необходимости ограничивать верхний предел рабочей температуры нагревателя 600-650 С (несмотря на применение жаростойких сталей и высоколигированных сплавов на основе кобальта или никеля). Как видно, указанный температурный уровень весьма точно соответствует температурному диапазону отработавших газов поршневых ДВС. Из этого следует, что двигатели Стирлинга могут эффективно работать на их теплоте. Можно сказать что «симбиоз» ДВС со стирлингом как бы предопределен самой природой.
Весьма важным обстоятельством в этом случае является то, что конструкция двигателя Стирлинга существенно упрощается, так как пропадает потребность в ряде систем и агрегатов. Прежде всего, из конструкции исключаются система генерации теплоты и система регулирования состава топливовоздушнои смеси, представляющие собой сложные (конструктивно и технологически) агрегаты. Они вносят существенный «вклад» в массогабаритные показатели двигателя. Примерно такова же их доля в суммарной стоимости двигателя Стирлинга. Велика негативная роль системы генерации теплоты и в формировании потерь эксергии источника энергии. Эти потери обусловлены: необратимостью процессов сгорания, неравновесностью теплообмена между теплоносителями, участвующими в процессах теплообмена, трением теплоносителей о стенки каналов при дросселировании, механическими потерями и смешением компонентов продуктов сгорания в камере сгорания. В результате эксергетиче-ский КПД системы генерации теплоты не превышает 70 %.
При обсуждаемом аспекте использования стирлингов сокращается количество требуемых вспомогательных агрегатов. Например, исчезает потребность в системе зажигания.
Таким образом, можно констатировать, что утилизационные двигатели Стирлинга отличаются от стирлингов другого назначения простотой конструкции, лучшими массогабаритными показателями и меньшей стоимостью.
Наиболее рациональным вариантом доставки вырабатываемой утилизационным двигателем Стирлинга мощности к потребителям является ее передача в форме электрической энергии. Следовательно, при утилизации теплоты отработавших газов поршневых ДВС целесообразно использовать стир-линг-электрические установки.
Эффективность и надежность утилизационных систем, создаваемых на базе двигателей Стерлинга, существенно зависят от температуры отработавших газов. Температура же эта существенно изменяется в процессе работы ДВС на различных режимах, что снижает эффективность утилизации. В случае же использования стирлинг-электрических установок к сказанному добавляется еще и необходимость обеспечивать неизменный скоростной режим работы первичного двигателя, т. е. необходимость регулирования режима его работы. Этот факт особенно важен, так как создание надежных и достаточно простых систем регулирования до сих пор является одной из наиболее серьезных инженерных проблем, ограничивающих конкурентоспособность двигателей Стирлинга.
Сгладить, а в идеале - нейтрализовать, влияние колебаний температуры нагрева стирлинга отработавшими газами, и тем самым повысить эффективность утилизации, можно применив принцип аккумулирования теплоты или принцип тепловой трубы с использованием жидких металлов и их паров. В этом случае принципиально решаются названные выше проблемы: обеспечение достаточно высокой надежности и эффективности утилизационных систем и неизменного скоростного режима работы стирлинг-электрических установок. Однако, с точки зрения стоимости, квалификации и безопасности обслуживания, наличие существенных объемов жидкого металла в контуре циркуляции тепловой трубы оставляет мало надежд на широкое применение этой схемы в системах подвода теплоты двигателей Стирлинга, применяемых на мобильной технике в условиях непрерывного воздействия вибраций и ударных нагрузок. Кроме того, для функционирования утилизационной стирлинг-электрической установки необходим не просто неизменный, а строго определенный для работы электрического генератора скоростной режим.
В литературе практически отсутствуют сведения о комплексном решении обозначенных выше проблем. Отдельные публикации не содержат обоснование выбора температуры передачи энергии от отработавших газов к рабочему телу двигателя стирлинг-электрических установок через промежуточный теплоноситель, позволяющий стабилизировать температуру нагрева-
9 теля на определенном уровне. Отсутствует математическая модель процесса передачи энергии от отработавших газов поршневых ДВС с использованием стабилизатора температуры во внутренний контур стирлинга. Нет экспериментальных данных по оценке эффекта от стабилизации температуры процесса передачи энергии от отработавших газов поршневых ДВС к рабочему телу стирлинга на его мощностные и экономические показатели.
Цель настоящего исследования - повысить эффективность стирлинг-электрических установок, утилизирующих теплоту отработавших газов поршневых ДВС, путем совершенствования системы подвода теплоты за счет введения в нее промежуточного теплоносителя фазового перехода, играющего роль стабилизатора температуры.
Дня достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать термодинамическую и математическую модели процесса передачи энергии от отработавших газов поршневых ДВС во внутренний кон тур двигателя стирлинг-электрической установки через промежуточный теп лоноситель фазового перехода, позволяющий стабилизировать температуру нагревателя стирлинга на требуемом уровне.
2. Обосновать выбор температуры процесса передачи энергии от промежуточного теплоносителя фазового перехода во внутренний контур двигателя стирлинг-электрической установки.
Разработать и изготовить опытный образец системы передачи теплоты от отработавших газов поршневых ДВС во внутренний контур двигателя стирлинг-электрической установки, позволяющий стабилизировать температуру его нагревателя при работе ДВС на неустановившихся режимах.
Провести экспериментальные исследования с целью проверки адекватности разработанной физико-математической модели процессов передачи энергии от отработавших газов поршневых ДВС во внутренний контур двигателя стирлинг-электрической установки через промежуточный теплоноситель фазового перехода, играющий роль стабилизатора температуры.
10 5. Экспериментально оценить эффект стабилизации температуры нагревателя двигателя стирлинг-электрической установки на требуемом уровне при получении энергии от отработавших газов поршневого ДВС, работающего на неустановившихся режимах.
Объектом исследования являлась техническая система (силовая установка), состоящая из дизеля КамАЗ-740 и утилизационной стирлинг-электрической установки с системой подвода теплоты, оборудованной стабилизатором температуры.
Предметом исследования служили процессы, протекающие в системе передачи теплоты от отработавших газов дизеля КамАЗ-740 к рабочему телу двигателя стирлинг-электрической установки, процессы в его внутреннем контуре, а также ее мощностные и экономические показатели стирлинг-электрической установки.
Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается применением комплекса современных информативных и объективных методов исследования, подбором измерительной аппаратуры, систематической ее поверкой и контролем погрешностей, выполнением рекомендаций соответствующих стандартов и руководящих технических материалов на испытания и корректной статистической обработкой экспериментальных данных с использованием ЭВМ. Научные положения и выводы проверены результатами, полученными в ходе экспериментов.
Методы исследования. В работе были использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические базировались на эксергетическом методе термодинамического анализа, методе математического моделирования с использованием интегрированного пакета MathCad. Экспериментальные исследования были выполнены на специально разработанных и изготовленных оригинальных установках, обработка результатов проводилась на ПК с использованием методов математической статистики.
II Научная новизна работы заключается в следующих положениях, выносимых автором на защиту:
Разработаны термодинамическая и математическая модели, позволяющие исследовать процессы передачи энергии от отработавших газов поршневых ДВС во внутренний контур двигателя стирлинг-электрической установки через промежуточный теплоноситель, обеспечивающий стабилизацию температуры нагревателя стирлинга на требуемом уровне.
На основе эксергетического метода термодинамического анализа установлено, что при утилизации теплоты отработавших газов поршневых ДВС с помощью двигателя Стирлинга увеличение максимальной температуры его рабочего тела лишь до определенного значения приводит росту мощности утилизатора, превышение этого значения вызывает ее снижение.
Впервые экспериментально подтверждена гипотеза о возможности стабилизации температуры нагревателя двигателя стирлинг-электрической установки (за счет использования промежуточного теплоносителя фазового перехода) на оптимальном уровне, что обеспечивает получение максимальной мощности и постоянную, необходимую для работы электрического генератора, частоту вращения его ротора.
Практическая ценность. Получены зависимости, позволяющие определять оптимальную температуру нагревателя утилизационной стирлинг-электрической установки в зависимости от температуры отработавших газов поршневого ДВС.
Использование разработанной математической модели позволяет расчетным путем определить расход отработавших газов поршневого ДВС, гарантирующий стабилизацию температуры нагревателя утилизационной стирлинг-электрической установки на оптимальном температурном уровне, обеспечивающем получение максимальной мощности.
Разработана конструкция системы подвода теплоты к нагревателю двигателя утилизационной стирлинг-электрической установки с использованием промежуточного теплоносителя фазового перехода, которая может служить основой для создания подобных систем при реализации силовых установок с утилизацией «бросовой» теплоты отработавших газов поршневых ДВС.
Представленные в диссертации материалы могут найти применение в научно-исследовательских, проектно-конструкторских организациях и на заводах, занимающихся созданием теплосиловых установок на базе поршневых ДВС
Собственный вклад соискателя при выполнении диссертационной работы состоит в том, что лично им: предложена термодинамическая модель процесса передачи энергии от отработавших газов ДВС во внутренний контур двигателя стирлинг-электрической установки через промежуточный теплоноситель; разработана математическая модель указанного выше процесса; создана система подвода теплоты двигателя стирлинг-электрической установки с промежуточным теплоносителем фазового перехода, обеспечивающим стабилизацию температуры нагревателя стирлинга на требуемом уровне; проведен основной объем стендовых испытаний нагревателя двигателя утилизационной стирлинг-электрической установки и экспериментальных исследований этой установки при ее совместной работе с дизелем КамАЗ-740; - обработаны и проанализированы полученные экспериментальные данные.
Реализация результатов работы. Материалы диссертационного исследования используются и внедрены в ФГУП 21 НИИИ МО РФ (г. Бронницы), НІЖ «Агродизель» (г. Москва); при выполнении курсовых и дипломных работ, а также при чтении отдельных разделов лекций по дисциплинам «Двигатели военной автомобильной техники» и «Теплотехника» в Челябинском высшем военном автомобильном командно-инженерном училище и Рязанском военном автомобильном институте.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и одобрены: на научно-методическом семинаре с участием сотрудников кафедр «Двигатели», «Эксплуатация военной автомобильной техники» и «Автомобильная техника» Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища (Челябинск, 2003, 2004, 2005 гг.); 4-ой Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (Тольятти, 2005 г.); III Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружения и технологии двойного применения в XXI веке» (Омск, 2005 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Диссертация содержит 178 страницы машинописного текста, включающего 75 рисунков,: 9 таблиц и состоит из введения, пять глав, заключения, списка основной использованной литературы (104 наименования) и приложения.
Возможность и целесообразность использования двигателей Стирлинга для утилизации теплоты отработавших газов ДВС
В последнее время все более пристальное внимание специалистов в области тепловых двигателей привлекают двигатели Стирлинга (ДС). Такой интерес обусловлен многими достоинствами этих двигателей. В частности, ДС имеют [67, 19, 72, 70, 43, 89, 84, 101, 103, 39 и др.]: более высокий КПД, чем других тепловые двигатели; низкую токсичность; возможность работы на различных топливах; низкий расход масла; практически полную уравновешенность и отсутствие вибраций; легкий пуск в условиях низких температур окружающего воздуха; допустимость значительной кратковременной перегрузки; возможность получения большой мощности в одном цилиндре; возможность работы по обратному циклу без изменения конструкции. Рассмотрим кратко устройство и принцип действия этих двигателей.
Двигатель Стирлинга - это тепловой двигатель с внешним подводом теплоты [102] и с внешним её отводом от газообразного рабочего тела (РТ). Двигатель работает по замкнутому циклу. Его термодинамический цикл включает изотермическое сжатие с отводом теплоты, подвод теплоты при постоянном объеме, изотермическое расширение с подводом теплоты и отвод теплоты при постоянном объеме. Характерной особенностью цикла Стирлинга является регенерация теплоты. При полной регенерации КПД цикла Стирлинга равен КПД цикла Карно. Рабочее тело ДС должно иметь стабильные физико-химические свойства, повышенные текучесть и теплоемкость, обеспечивать значительную интенсивность теплообмена. Наиболее подходящими РТ являются водород и гелий. Может быть использован также воздух и азот, которые, однако, обеспечивают меньшие значения КПД.
Известные к настоящему времени ДС бывают простого и двойного действия [67, 19, 72, 103]. Двигатели, предназначенные для утилизации «бросовой» теплоты, как правило, выполняются по схеме простого действия, более простой по конструкции и более надежной. Практическое применение получили три схемы (модификации) ДС простого действия, обозначаемые греческими буквами а, р, у и показанные на рис. 1.1.
Основными элементами ДС по этим схемам являются рабочий и вы-теснительный поршни 1 и 5, нагреватель 4, регенератор 3 и охладитель 2. В двигателях (3-модификации рабочий и вытеснительный (далее называемый просто «вытеснителем») поршни размещены в одном цилиндре, а в модификациях а и у - в двух отдельных цилиндрах, причём в схеме а оба поршня являются и рабочими и вытеснительными. Горячая и холодная полости ДС, имеющие переменные объёмы, сообщаются между собой через соединённые последовательно полости нагревателя, регенератора и охладителя, имеющие неизменные объемы.
Движение поршней и вытеснителей строго синхронизировано с помощью механизмов, преобразующих возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение вала ДС или наоборот.
При перемещении вытеснителя, РТ только перемещается из горячей полости в холодную или наоборот, поэтому полный объем РТ в ДС не изменяется.
При перемещении рабочего поршня полный объем РТ изменяется происходит его сжатие или расширение.
В модификациях (3 и у при перемещении поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) происходит сжатие РТ во всех полостях ДС и давление повышается. Одновременно с этим вытеснитель перемещается в сторону холодной полости и основная масса РТ перетекает через охладитель, регенератор и нагреватель в горячую полость. Проходя через регенератор и нагреватель, РТ нагревается, поэтому в горячей полости оно имеет высокую температуру и давление его повышается. Это повышение давления передается во все полости ДС и под его действием рабочий поршень перемещается к нижней мертвой точке (НМГ), совершая рабочий ход. В это время вытеснитель перемещается в сторону горячей полости и основная масса РТ через нагреватель, регенератор и холодильник перетекает в холодную полость. В результате температура основной массы РТ снижается и давление во всех полостях ДС уменьшается.
Двигатель Стирлинга сс-модификации работает аналогично описанному, однако его цикл формируется благодаря движению не одного, а двух рабочих поршней, иногда называемых «горячим» и «холодным». Поскольку средние температуры РТ около этих поршней отличаются в два-три раза, то совершаемые ими работы значительно различаются по величине, и суммарная работа цикла становится положительной. Недостатком а-модификации можно считать повышенные механические потери, создаваемые двумя рабочими поршнями, уплотнёнными со стороны буферных полостей.
Рациональное соотношение объёмов и других размеров узлов ДС зависит от вида РТ. На протекание термодинамического цикла ДС влияет количество атомов в молекулах РТ (один, два или более) [96, 20]. Поэтому, например, замена гелия воздухом может существенно ухудшить основные показатели ДС, сконструированного именно для гелия, и наоборот.
Структура энергии потока отработавших газов поршневых ДВС и процесс передачи ее во внутренний контур двигателя стирлинг-электрической установки через промежуточный теплоноситель
Рассматривая ОГ, выбрасываемые из ПДВС, приходится иметь дело с потоком вещества, т. е, с открытой термодинамической системой. Поскольку движение потока сопровождается передачей теплоты от ОГ в окружающую среду, а процесс выброса газов нельзя считать протекающим достаточно медленно, то, строго говоря, этот процесс является неравновесным. Однако, сделав предположение о квазиравновесности (это предположение в отношения процессов выпуска относят ко второму порядку приближения [14]) можно воспользоваться уравнениями термодинамики для равновесных состояний и получить основные характеристики процессов, не отягченные неравновесностью.
Рассмотрим установившийся поток ОГ с термическими параметрами Тог и рог. Параметры окружающей среды обозначим соответственно Тос и рос. Очевидно, что для ОГ ПДВС и Тог Тос и рої рос- Наличие этих градиентов потенциалов обусловливает возможность термического и механического (деформационного) взаимодействия ОГ с окружающей средой, т, е. принципиальную возможность производства работы [47].
Наличие разницы температур (ДТ= Тог - Тос) создает принципиальную возможность получения от ОГ энергии в форме потока теплоты (Qor) в количестве: Qor=Gor-cPor(Toroc)=Hor-Hoc (2.1) где Gor - расход ОГ; ср ог - изобарная средняя удельная массовая теплоёмкость ОГ; НОГ?НОС - соответственно потоки энтальпии ОГ и окружающей среды.
Максимальное количество работы за единицу времени (т. е. мощности), которая может быть получена из этого потока теплоты, определяется её эксергией (термической эксергией) [32]:
Exrar = Gor сРог (Тог - Тос) - T0CAS = ДН - TocAS = ДН = ДН те, (2.2) где Т - среднетермодинамическая температура процесса остывания ОГ в окружающей среде; AS - изменение энтропии ОГ в процессе передачи теплоты; _Т -Тос X _ - коэффициент работоспособности теплоты ОГ (эксергетиче е т екая функция) [8].
Использование разницы давлений рог и рос позволяет получить ещё некоторое количество мощности (Np), которая представляет собой механическую составляющую эксергии ОГ (Ехр). Поскольку эта мощность получается при изотермическом расширении (при температуре Тос), то: Np=Expor=morRorTocln , (23) Рос где Ror - индивидуальная газовая постоянная ОГ.
Кроме термической и механической, эксергия ОГ содержит ещё и химическую составляющую (Ехх ог). Последняя представляет собой сумму концентрационной и реакционной эксергии [8]. Первая (Еххког) определяется, как максимальная работа, которая может быть получена в процессе выравнивания концентрации компонентов, составляющих ОГ при полном сгорании топлива в цилиндре дизеля, с их концентрацией в тепловом аккумуляторе. Если допустить, что ОГ представляет собой смесь идеальных газов, состоящую из продуктов полного сгорания, то: Здесь г; игосі- молярные доли і-го компонента в ОГ и окружающей среде (для атмосферного воздуха данные по гос І приведены в работе [76]).
Для быстрой оценки Еххког можно использовать графическое решение, предложенное 3. Рантом [98] или номограммой, составленной В.С, Кукисом [42] в соответствии с формулой (2.4) для дизельного топлива с элементарным составом: С=0,87; Н=0,125; 0=0,005,
Реакционная эксергия связана с возможностью протекания в термодинамической системе химических реакций. Отработавшие газы, выходящие из цилиндра двигателя, содержат компоненты, представляющие такую возможность. Основными из них являются: оксид углерода, углеводороды, оксиды азота, сернистый ангидрит, бенз(а)пирен, углеводород и др. Расчёт реакционной эксергии ведётся по уравнению [82]:
Exxp=J?[Gj(ASj+rjexj)]) (25) где п - количество компонентов ОГ, способных участвовать в химических реакциях; Gj - масса j-ro компонента ОГ, способного участвовать в химической реакции; ASj - изменение функции Гиббса в реакции j-ro компонента при рос и Тос; ij - объёмная доля j-ro компонента в ОГ; exj - эксергия j-ro компонента.
Математическое описание энергетических процессов в системе подвода теплоты в случае, когда температура отработавших газов выше температуры теплоаккумулирующего материала
В рассматриваемом случае тепловой поток, который передается от ОГ к ТАМ, с учетом квазистационарности процесса, может быть найден по формуле: ОГ =Согсрог(Т--ТГ), Дж/с, (3.1) где ср ог - средняя удельная массовая изобарная теплоемкость ОГ, Дж/(кг-К); Gor - массовый расход ОГ, кг/с; TJJ, Т - температуры ОГ на входе и выходе из стабилизатора температуры, К.
Поскольку стабилизатор температуры устанавливается в выпускном тракте ПДВС, массовый расход ОГ изменяется в зависимости от режима его работы. Этот расход можно выразить формулой [60]: _ dVor , ._ _. Gor = —— Рог , кг/с, (3.2) dx где рог - плотность ОГ, кг/м . Известно [21], что Р ого —/..3 Рог=—г- ,Kr/MJ, (3.3) ог l + tor/273 V } где рОГо - плотность ОГ при 0 С, кг/м3; tor - температура ОГ на данном режиме работы ПДВС, С.
Как было показано во второй главе, ОГ отдают ТАМ не всю возможную теплоту, так как остывают не до температуры окружающей среды, а до Та (см. рис. 2.6). Поэтому максимальный тепловой поток, который может быть передан от ОГ теплоаккумулирующему материалу СТ, определится по уравнению: ОГ=Согсрог(Т;г-Та)1Дж/с. (3.4).
В уравнении (3.4) и в дальнейшем нижние и верхние индексы соответствуют обозначениям, принятым при термодинамическом рассмотрении процессов передачи энергии от ОГ во внутренний контур ДС через промежуточный теплоноситель (глава 2).
Максимальная мощность, которая может быть получена из этого потока теплоты, определяется его термической эксергией [80]: Т т?,,там лтам /і ос \ Ехтог =Qor (1- г), Дяс/с, (3.5) ог где Тос температура окружающей среды, К; TJJ - средняя температура ОГ в процессе их остывания, К;
Характер изменения температуры ОГ при изобарном теплоотводе незначительно отличается от линейного, что позволяет среднюю температуру Т интерпретировать, как среднеарифметическую [58]. т;«о,5(т;г+та),к. (з.б) С другой стороны Q может быть найдено по уравнениям для расчета потока теплоты, переданного при теплопередаче.
При конкретизации соответствующих уравнений будем иметь в виду, что если температура ОГ выше температуры ТАМ, то возможны четыре варианта.
Первый соответствует ситуации, при которой промежуточный теплоноситель (ТАМ) находится только в твердой фазе; второй - когда в ТАМ одновременно имеются две фазы - жидкая (возле внутренней поверхности стенки стабилизатора температуры) и твердая (у наружной поверхности стенки нагревателя двигателя СЭУ); в третьем случае ТАМ находится только в жидкой фазе при температуре фазового перехода и в четвертом ТАМ находится только в жидкой фазе, при температуре, превышающей температуру фазового перехода.
Рассмотрим первый случай (рис. 3.2). Рис. 3.2. Схема для математического описания энергетических процессов в системе подвода теплоты к рабочему телу двигателя стирлинг-электрической установки через промежуточный теплоноситель (теплоаккумулирующий материал стабилизатора температуры) в случае, когда температура отработавших газов выше температуры теплоаккумулирующего материала, а температура последнего ниже температуры фазового перехода
С учетом принятых выше допущений, тепловой поток, который передается от ОГ к ТАМ и далее к рабочему телу двигателя СЭУ, в этом случае можно определить по уравнению теплопередачи для многослойной твердой стенки: где кЄи - линейный коэффициент теплопередачи через трехслойную (стенка СТ, ТАМ и стенка нагревателя ДС) твердую цилиндрическую стенку, Вт/(м-К); kr - коэффициент теплопередачи через трехслойную плоскую стенку в области головки нагревателя, Вт/(м2-К); - длина цилиндрической поверхности теплообмена, м; Fr - средняя площадь трехслойной плоской стенки в области головки нагревателя ДС, м2; Т - максимальная температура рабочего тела двигателя СЭУ, К.
Используя допущения о квазистационарности процесса теплопередачи и об отсутствии конвективной составляющей по фронту плавления [63,33], линейный коэффициент теплопередачи для многослойной цилиндрической стенки с граничными условиями третьего рода, можно найти по формуле: где ai и a4 - коэффициенты теплоотдачи от ОГ к наружной поверхности стенки стабилизатора температуры и от внутренней поверхности нагревателя к рабочему телу ДС соответственно, Вт/(м2 К); Хст, Х и Ан -коэффициенты теплопроводности стенки стабилизатора температуры, твердой фазы ТАМ и стенки на-гревателя соответственно, Вт/(м -К); d, d2, d3 и d4 - диаметры наружной, внутренней поверхностей стенки стабилизатора температуры, условный средний диаметр оребренной наружной поверхности стенки нагревателя двигателя СЭУ и диаметр его внутренней поверхности (рис. 3.2), м. Коэффициент теплопередачи через многослойную плоскую стенку в области головки нагревателя определяется по уравнению: где 8СТ, 5там и 8Н - соответственно толщина стенки стабилизатора температуры, толщина слоя ТАМ и толщина стенки нагревателя ДС, м.
Значения коэффициентов теплоотдачи аь и сц определяются через число Нуссельта с помощью подходящего для соответствующего случая критериального уравнения: a=Nu-A/d3KB кВт/(м2-К), (3.10) где dDKD - эквивалентный диаметр (d3KB = 4S/T1; S, П - площадь и периметр сечения канала.
Для определения коэффициента теплоотдачи от ОГ к наружной стенке СТ (ai) в условиях вынужденного движения газов можно воспользоваться формулой [58]: Nu = 0,018Re0 8. (3.11)
Экспериментальные данные по теплоотдаче к РТ в горячей полости нагревателя ДС типа р обобщены в работе [65] в виде критериального уравнения:
Nu = 0,4Re0 5. (3.12) Как отмечалось в главе 2, причиной перехода теплоты от ОГ к тепло-аккумулирующему материалу служила разница температур ОГ и ТАМ. Наличие этой разницы температур приводит к тому, что при одном и том же количестве отданной ОГ и полученной ТАМ теплоты в процессе ее перехода происходит потеря (диссипация) части эксергии (мощности) потока теплоты QM В результате ТАМ получит:
Энергетические показатели потока продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу
Полученные и рассмотренные выше материалы о количестве и качестве энергии, теряемой с ОГ дизеля КамАЗ-740 при работе по внешней скоростной и нагрузочной характеристикам, весьма полезны для осуществления идеи утилизации этой теплоты и получения за этот счет дополнительной мощности.
Однако если это двигатель какого-либо мобильного средства, то в эксплуатации он работает на самых различных режимах.
Проведение соответствующих экспериментальных исследований позволило получить многопараметровые характеристики интересующих нас показателей. Найденные в отношении Qor и Ехтог закономерности (рис. 5.3, 5.4) отражают два основных очевидных факта. Тепловой поток, выбрасываемый в атмосферу с ОГ, увеличивается как с ростом частоты вращения коленчатого вала двигателя, так и с повышением нагрузки. В первом случае это связано с тем, что рост частоты вращения коленчатого вала (п) приводит к увеличению количества рабочих циклов, а, следовательно, и количества уходящих из дизеля в единицу времени газов.
Во втором случае (с ростом нагрузки) увеличивается цикловая подача топлива, что приводит к незначительному повышению количества ОГ и к весьма заметному повышению их температуры. Кроме того, происходящее при этом уменьшение коэффициента избытка воздуха несколько увеличивает теплоемкость продуктов сгорания.
Для оценки потока теплоты, отводимого от ОГ, и ее эксергии (мощности) в условиях эксплуатации, были использованы результаты эксперимента, проведенного в диссертации [30]. В ходе него дизель работал на различных нагрузках в соответствии с их распределением, приведенным в работе [61].
Проведенные измерения и расчеты показали, что при работе дизеля Ка-мАЗ-740 в условиях городской эксплуатации его средняя эффективная мощность (Ne) равна 110,6 кВт (рис. 5.5).
Потери теплоты с ОГ составили 80,5 % от Ne (89,0 кВт). Теряемая с потоком теплоты термическая эксергия (мощность) составляет 50,7 кВт (45,8% от Ne).
На втором этапе экспериментального исследования, прежде всего, были установлены особенности температурного поля нагревателя ДС при его расположении непосредственно в потоке продуктов сгорания. Опыт проводили на стенде для изучения процессов в системе подвода теплоты к рабочему телу двигателя СЭУ (см. подраздел 4.1.1). Стабилизатор температуры с ТАМ (см. рис. 4.4) был временно демонтирован. Расход продуктов сгорания составлял 0,1 кг/с, а их температура на входе в рубашку системы подвода теплоты равнялась 687 С, на выходе - 371 С. Для построения диаграммы изменения температуры по ходу движения продуктов сгорания ее значения в точках, указанных на рис. 4.2, фиксировали после стабилизации показаний потенциометра. Эксперимент повторяли трижды. Как правило, температура стенок нагревателя ДС стабилизировалась в течение 4-5 мин после выставления требуемого режима подачи (по расходу и температуре) продуктов сгорания на входе в систему подвода теплоты. На рис. 5.6 показана соответствующая диаграмма распределения температур в продольном сечении нагревателя, а на рис. 5.7 - в поперечном (в горизонтальных сечениях нагревателя, указанных на рис. 4.2).
Материал рисунков свидетельствует о том, что распределение температуры весьма неравномерно. Так наибольшая разница температур в теле нагревателя составляет 321 С (т. е. изменяется чуть менее чем в два раза по отношению к максимальной), в нижнем сечении разница температур равна 161 С (25,7 %), в верхнем - 182 С (33,6 %).
