Введение к работе
лстуалыюсть темы исследования. Эффективность использования мо-ной техники в условиях низких температур окружающей среды в боль-степени определяется возможностью подготовки к пуску силовой уста-и после продолжительной стоянки в этих условиях, агрегатов к движе-и созданию требуемого ГОСТом микроклимата в кабине транспортного ~гва. Наиболее актуальным из перечисленных условий является пуск тгеля. При отсутствии возможностей гарантированного пуска силовой ювки после продолжительной стоянки эксплуатация мобильной техники ювиях сурового климата связана с необходимостью постоянной работы ітеля в течение всего зимнего периода, что приводит к значительному расходу топлива и моторесурса, возрастанию расходов на техническое вживание, увеличению выбросов токсичных веществ в атмосферу, шое значение и широкое примените в этой связи получили генераторы эты - пламенные подогреватели и отопители. Эти агрегаты, обладая ря-положительных качеств, имеют одну общую особенность, являющуюся щественным недостатком,- для функционировашш им необходима элек-;ская энергия аккумуляторных батарей в течение всего срока работы, ому продолжительность работы предпусковых подогревателей и отопи-і ограничивается степенью разряженности аккулгуляторных батарей, месте с тем продукты сгорания, выбрасываемые из этих установок в ат-еру, содержат значительное количество энергии, термический потенциал юй весьма высок.
«сим образом существует реальная научная проблема, состоящая в ре-и противоречий :
а) между необходимостью увеличения продолжительности работы предпусковых подогревателей и отогаггелей и уменьшением потребления энерпш аккумуляторных батарей;
б) необходимостью энергетических затрат на обеспечение работы тепло-генерирующих установок и значительным количеством высокопотенциальной энергии, выбрасываемой из этих установок в атмосферу с продуктами сгорания.
Цель работы заключалась в разработке и исследовании технической системы "генератор теплоты мобильного средства - стирлинг-генератор электрической энерпш" для обеспечения электрической автономности теплового генератора за счет утилизации энергии продуктов сгорания, выбрасываемых им в атмосферу.
Объектом экспериментального исследовании в настоящей работе служил отопитель ОВ-65Б, который рассматривался как первичный контур, и двигатель Стирлинга размерностью 5,5/2,1, который рассматривался как вторичный контур установки двухуровневого использования теплоты.
Предметом исследования являлись энергетические процессы в установке двухуровневого использования теплоты, а также результаты функционирования элементов, контуров системы и установки в целом.
Гипотеза исследования. Предполагалось:
а) что запаса энергии в продуктах сгорания, выбрасываемых в атмосферу
из тешюгенерирующих установок, достаточно для обеспечения работы ути
лизационного стирлинга;
б) за счет работы утилизационного стирлинга с электрическим генерато
ром удастся не только обеспечить электроэнергией отопитель, но и получить
дополнителыгую электроэнергию для других потребителей.
Для достижения цели работы, на основании гипотезы исследования, были поставлены следующие задачи:
-
Сформулировать принципы системно-термодинамического анализа установок двухуровневого использования теплоты (УДИТ), включающих тепловой генератор в качестве преобразователя высокопотенциальной теплоты и утилизационный стирлинг-генератор электрической энергии как преобразователь теплоты с меньшим термическим потенциалом.
-
Разработать систему показателей для оценки эффективности элементов установок двухуровневого использования теплоты, включающих тепловой генератор и утилизационный стирлинг-генератор электрической энергии, и протекающих в таких системах энергетических процессов.
-
Исследовать структуру энергии потока продуктов сгорания, выходящих из тепловых генераторов, и механизм ее передачи во вторичный контур использования теплоты УДИТ.
-
На базе одного из генераторов теплоты, используемых на объектах мобильной техники, создать экспериментальную УДИТ, автономную с точки зрения потребления электрической энергии.
-
Экспериментально подтвердить возможность обеспечения электрической автономности тепловых генераторов и провести зксперігментальньїе исследования энергетических процессов, протекающих в УДИТ, включающих тепловой генератор в качестве первичного контура использования теплоты и утилизационный стирлинг-генератор в качестве вторичного контура.
Методологической основой исследования служили основные положения системного подхода, классическая термодинамика, эксергетическии метод термодинамического анализа и теория рабочего процесса тепловых двигателей.
Методы исследовании. В работе использовались расчетно-аналитические, теоретические и экспериментальные методы, привлекались вычислительная техника, специальная измерительная и регистрирующая аппаратура. Достоверность результатов обеспечивалась подбором современной
измерительной аппаратуры, контролем погрешностей и систематической ( поверкой, а также выполнением рекомендаций соответствующих стандарте и других источников по провидениям испытаний и оценке их результатов.
Научная новизна и теоретическая значимость работы заключается следующих положениях, выносимых на защиту:
-
Разработаны основные положения системно-термодинамического по, хода к изучению энергетических процессов в установках двухуровневого и пользования теплоты, включающих теплогенерирующие установки мобил: ной техники в качестве первичного контура и. утилизационный стирлин генератор электрической энергии как вторичный контур использования теї лоты.
-
Сформулированы принципы качественной оценки эффективности злі ментов названных установок, с наибольшей возможной полнотой и отчетлі востью позволяющие установить причины существования "узких мест" ИІ следуемой технической системы, их происхождение и физігческую природ что является главным условием полезности теоретических знаний.
-
Разработаны теоретические основы оценки работоспособности продуі тов сгорания, выбрасываемых в атмосферу теплогснерирующимн установк; ми.
-
Проведены экспериментальные исследования термодинамических npi цессов в установке двухуровневого использования теплоты, включающей ті пловой генератор ОВ-65Б (широко используемый на объектах мобильно техники) и утилизационный стирлинг-генератор электрической энергии.
Практическая ценность работы:
1. На базе теплового генератора ОВ-65Б создана экспериментальная уст; новка двухуровневого использования теплоты с утилизащюішьім стирлині генератором электрической энерпш на базе двигателя Стирлинга ДС 5,5/2,]
2.Эксперименталъно подтверждена возможность обеспечения длительной работы теплового генератора ОВ-65Б, входящего в УДИТ, без использования внешних источников электрической энергии после выхода установки на нормальный режим работы и получения дополнительной электрической энергии для других потребителей. При этом включение отопителя в состав УДИТ не снижает его показателей ниже паспортных данных.
Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается:
- применением современной измерительной аппаратуры;
- получением практического эффекта при реализации теоретических
положений работы.
Апробация работы и внедрение результатов. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на межвузовской научно-технической конферегацга "Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин", г. Челябинск, 1991 г.; научно-техшгческих конференциях Челябинского высшего военного автомобильного инженерного училища, 1992-1996 гг.; Y Всероссийском научно-техническом семинаре "Совершенствование мощностньгх, экономических и экологических показателей ДВС", г. Владимир, 1995 г.; научно-технической конференции Челябинского агроинженерного университета, 1997 г.
Результаты работы могут быть использованы для углубленного анализа термодинамических процессов в установках двухуровневого использования теплоты; изучения различных факторов, влияющих на эти процессы; сравнительной оценки конструктивных вариантов элементов, подсистем и систем рассматриваемой установки с целью повышения ее показателей.
Представленные в диссертации материалы могут найти применение в научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях, занимающихся созданием теплогенерирующих установок.
Реализация результатов работы состоит в том. что они использованы и внедрены:
при выполнении курсовых и дипломных работ, а также при чтении отдельных разделов курса лекций по дисциплинам "Теплотехника" и "Двигатели военной автомобильной техники" в Челябинском высшем военном автомобильном инженерном училище;
разработке перспективных систем нормализации микроклимата в кабинах объектов мобильной техники и обеспечения пуска ее силовых установок в условиях низких температур окружающего воздуха на Шадринском автоагрегатном заводе;
разработке перспективных направлений в повышении готовности мобильной техники к использованию в экстремальных условиях в НИИИАТ-21 МО РФ (г. Бронницы).
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, насчитывающего 123 источника, и приложений. Материалы исследования иллюстрированы 38 рисунками и 8 таблицами.