автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Исследование элементов системы утилизации теплоты на базе двигателя Стирлинга для автомобильной техники

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ И. И. ПОЛЗУНОВА

РГБ ОД

1 ' " На правах рукописи

; I СЕН 139ч

КОЗЬМИНЫХ Владимир Александрович

УДК 621. 41: 536.24

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ НА БАЗЕ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

(05.04.02 — ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

БАРНАУЛ 1994

Работа выполнена в Челябинском высшем военном автомобильном инженерном училище иыани главного маршала бронетанковых войск П.А.Ротмистрова. '

Научный руководитель - доктор технически! наук, профессор

В.С.КУКИС

Официальные оппоненты:

академик АТ РФ, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор О.Н.ЛЕБЕДЕВ,

кандидат технических наук Э.И.ШТСДОРФ Ведущее предприятие ~ АО "Алтайдизель".

Зашита состоится " 4 1994 г.

на заседании специализированного совета KD64.2S.04 при Алтайском Государственном техническом университете им. И.И.Ползунова по адресу: 656099, г.Барнаул, пр. Ленина, 46, АлтГТУ, конференц-зал.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 656099, г.Барана ул, пр. Ленина, 46, ученому секретер» Совета к.т.н., доценту

ашицьшу в.а.

С диссертацией моасноэознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан 1994 г.

Ученый секретарь специализированного

Совета К064.29.04, к.т.н., доцент ■/0/ В.А.СИНИШН

ОЩЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы в сел адова ния. Задача рационального расходования природных ископаемых энергоресурсов год от года становятся вое актуальней. Основный потребителем тошшв нефтяного прозо-хоадения являются ДВС, в »ом числе поршневые. Несмотря на ддятод* вый период развития поршневых ДВС и достижение ими высокого технического уровня, их КОД невысок. Одна из причин этого - значительные потери теплоты с отработавшими, уходящими газами (УГ) двигателей. Доля этих потерь у различных двигателей колеблется в диапазоне 25-55 % от введенной в цилиндры теплоты. Поэтому весь» ыа перспективным направлением работ по повышению эффективного КПД поршневых ДВС является использование теплоты УГ с целью получения из нее дополнительной мощности, что в итоге приведет к повышению топливной экономичности.

Исследования, выполненные проф. В.С.Кукисом, показали, что одним из перспективных путей решения задачи получения работы из теп-доты УГ может быть использование утилизационной системы на база двигателя Стирлинга.

При создании такой системы возникает проблема обеспечения эффективной передача теплоты УГ от ДВС к утилизатору. Решение этой проблемы моает быть обеспечено применением в утилизационной системе тепловых труб в сочетании с аккумуляторами теплоты, .

Цель настоящего исследования заключается в разработке а создании системы передачи теплоты для утилизационной установки на база двигателя Стирлинга с использованием тепловой трубы и тепловых аккумуляторов при утилизации теплоты силовых установок автомобильной техники, а также,в исследовании термодинамических процессов, происходящих в такой системе.

Достижение указанной цели предполагало постановку и решение следующих задач:

оценку возмогзлости использования теплоты, теряемой с УГ силовых установок автомобильной техники при помогай двигателя Стирлинга; • _ •

разработку термодинамических основ исследования и оценки процессов использования энергии, теряемой силовыми установками автомобильной техники, при утилизации ее с помощью двигателя Стирлинга;

определение оптшхалыюй температуры процесса передачи теп-хоти при ав утилизации с поиогшо двигателя Стирлинга;

обеспечение оптимальной таипорагуры процесса передача теплоты при ее утилизации от легочника к рабочему телу утилизационного двигателя Стирлиага;

создание экспериментальное установки, позволяюсь8 исследовать систему передача теплоты от УГ двзоля к рабочему теду двигателя Стирлинга, предназначенного для утилизации термической виергЕИ этой теплоты}

проведение экспериментальных исследований процесса передача теплоты от УГ дизеля во внутренний контур утилизационного двигателя Стирлинга.

Методы исследования и достоверность результатов. В работе использовались расчетво-аиадитическда, теоретические и зкепери-цецтальные методы, привлекалась специальная измерительная и ре-гястрирущая аппаратура. Достоверность результатов обеспечивалась подборой современной измерительной аппаратуры, контролем погрешностей а систематической ее пропаркой, а такяе выполнением рекомендаций соответстэуших стандартов на испытания.

Научная новизна. 3 диссертации впервые: на базе эхсергетическоГо метода термодинамического анализа установлен принцип определения оптимальной температуры процесса передачи теплоты от источника к рабочему телу при ее утилизации о помошьв двигателя Стирлинга;

предложено принципиальное решение, позволяющее обеспэчить оптимальную температуру процесса передачи теплоты от источника ц рабочему талу утилизационного двигателя Стирлинга для ее утилизации ;

экспериментально оценены потери термической эксергия с УГ дизеля ЯМЗ-2381 при его работе на различных нагрузках и частотах врашения коленчатого вала;

разработана и создана экспериментальная установка, позволяющая передавать термическую эксергию УГ дизеля к нагревателю утилизационного стирлинга .с минимальными потерями и демпфированием колебаний температуры нагревателя при работе дизеля на переменных реаимах;

экспериментально исследоздп процесс передачи теплоты в термической энсоргид от УГ длзеля £¿3-2381 во внутренний контур утилизационного двигателя Стирлгнга по «оно: ТГ—та ргоаккуму ля-тор — тепловая труба — торлоаккуиулятор-«* пагр&мтв ль—чаутроо-ций контур атирлинга"'.

Практическая ценность. Результаты работы могут бить использованы при со зла ли е высокоэффективных си стек передача утилизируемой теплоты от ее источника во внутренний контур уталазоцаонгю-го двигателя Стирлинга. Представленные в диссертации материалы могут найти применение в научно-исследовательских и прооктно-конструкторских организациях, заагшщнхгя разработкой в созданием систем ут? "газации теплоты на база Д'чагателя Стярдиига.

Реализация результатов работы. Результаты работы яспольпуггоя и внедрены при чтении некоторых раздело«) ряда дисциплин н расчетах систем утилизации теплоты с дсыэаыэ двигателя Стирлинга в ходе выполнения курсовых и дипломных проектов в Челябинском тшсвеи военном автомобильном инженерном учдлиае им. П.Л.Ротмистрова, а таете при разработке перспективных систем утилизации теплоты, выбрасываемой в атмосферу с продуктами сгорания салопых я тепло-геверирутих установок о помочь» двигателя Стирлинга в Цантро нз-учно-техндческих инноваций "Энерго" (г. Обнинск) я научно-исследовательском институте тепловых процессов ЕН/ГШ-Т2ПД03Н (г. иоож-ва).

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались а обсуждались на Всесовзр.цх и мехвузовских научно-технических конференциях и семинарах: "Диагностика, повыаенио эффективности, экономичности я долговечности двигателей", г. Ленииград-Оузквн, Ленинградский государственный аграрный университет, 19Э1 г.} "Проблемы $ормирования рациональных эксплуатационных характеристик двигателей военной автомобильной техники", г» Ленинград, В&ТТ, 19901991 гг.; "Соверсенствованиа иоадостннх, экономических и экологических показателей ДВС", г. Владниир, Владимирский ПИ^ 19Э1 г.; "Повышение эффективности силовых установок колесных н гусеничных машин", г. Челябинск, ЧВВАИУ, 1991. 1992, 1933 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Объем диссертации. Диссертация содержит 122 страницы маши- , нописного текста, 75 рисунков, 17 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включавшего 97 наименований, и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновываются актуальность темы диссертации, ее научная новизна, приводятся основные положения работы, выносимые на запшту.. •

В первой главе рассматриваются составляйте теплового баланса некоторых поршневых, комбинированных и газотурбинных двигателе! автомобильного типа. Показано, что с УГ этих силовых установок в атмосферу теряется значительная часть введенной в них теплоты. Доля этих потерь для различных типов двигателей колеблется от 25 до 73 процентов, э том числе для поршневых - от 25 до 55 процентов. Потери теплоты с УГ, отнесенные к потерям топлива в процентах от его общего расхода автомобилями с различными типами .двигателей, находятся в пределах 16-48 %,.а том числе дет поршневых ДВС - 16-36 %. Особо обостряется отмеченная проблема в связи с существующей тенденцией адиабатизации двигателей.

Решение пробламы снижения загрязнения окружавшей среды вредными компонентами, содержащимися в УГ автомобильной техники, диктует необходимость оснащения автомобилей системами термической, каталитической и жидкостной нейтрализации. Иштаиася данные свидетельствуют о том, что применение первых двух систем приводит к повышению температуры; УГ, увеличивая тем самый их термически! потенциал, а значит,и целесообразность его утилизации,

В рассматриваемо! главе проведен анализ потерь теплоты различными моделями отопителей а предпусковых подогревателей, которыми оснащается автомобильная техника. Показано, что а эти потери о УГ веоьма значительны, а средняя температура уходящих из них газов составляет примерно 680 °С.

Результаты выполненного анализа свидетельствуют о значительных резервах повышения эффективности .силовых установок ДВС, отопителей и предпусковых подогревателей в случае утилизации теплота 7Г.

Изучение специальной литературы и патентного фонда по обсув-даемой проблеме позволило выделить два основных .направления использования энергии, теряемой с УГ:

для обогрева кабин транспортных средств и аккумуляторов, подогрева топлива и масла;

для получения дополнительной полезной мощности о помощь» лизационных систем на база термоэдектрогенераторов, паросиловых установок и двигателей Стирлинга.

Применение теплоутилизационных установок на базе двигателя Стирлинга в отличие от других вариантов позволяет обеспечить широкий спектр полезных эффектов:

получение дополнительной мощности; производство электрической энергии; выработку саатого воздуха; . обеспечение циркуляции кадиоста;

кондиционирование воздуха в кабинах транспортных средств; обеспечение автономности предпусковых подогревателей а отопа«-телей.

Вторая глава посвящена рассмотрению проблемы получения работы аз энергии теплового потока УГ. В основу полоаеа эксаргатичеегшй метод термодинамического анализа. Показано, что именно этот метод . позволяет наиболее объективно оценить потенциальные возможности получения работы из теплоты УГ.

Проанализирована работоспособность силовых установок, подогревателей и отопителей автомобильной техники.

•На примере двигателя ЯМЗ-2Э8 количественно оценены возможности использования термической составлявшей эксоргии потока УГ (рис.«1).

Из рис. 1а видно, что с УГ теряется значительное количество теплоты ( £?уг) а термической эксергии С £уг). Теряемая с теплотой энергия превышает эффективную мощность ( Мг) на малых нагрузках в три раза, на максимальных - на 6 %. Потери термической эксоргии на малых нагрузках составляют более 30 % //е , а на реанме максимальной мощности - примерно 50

Рис. 16 показывает, во что обходятся рассмотренные потери энергии и эксергии с точки зрения расхода топлива двигателем {Л&т, ЛОгс). Даже используя только ту часть потерянной теплоты, которую можно было превратить в работу, удалось бы сократить часовой

Рис. I. Изменения в зависимости от нагрузка: а-теплотн Е ексергии УГ; О -расхода топлива; в -эффективности преобразования энергии

. в силовой установке

расход тошшза более чем на 2 кг на малых нагрузках я почт* на 7 кг - на больших. Экономия топлива позволяла бы достичь и определенного прироста эффективного КПД (крпваядЗ* , ряс. 1в). .

Установлено, что между теплотой Я* (фуг) я 1<х тердяческе! эксергией {е£г ), с одной стороны, я теплотой, отведенной от ТГ для последушей утилизации (у'уг) я соответст'вуадей термической эксергией (еТ' ),- о другой, существует пропорциональная зависимость (рве. 2) (па рисунке все характеристика приведены в относительно" $орме).

Величиныя ёуг зависят от томпературы, пря которой теплота отбирается для посладушей утилизации. Количество со экоер-гии, ползшзпаеЗ во внутренний контур утилизационного стирданга {ёуг). изменяется непропорционально доле теплоты, отводамо| от УГ эксергяя сначала увеличивается, постигая максимума в области^* С,о, в затем уменьшается до нудг. Обуславляваетв* это все больяей разницей температур ТГ я рабочего тала угилилацк-йваого стирлинга, так как увеличат* количество передаваемой теплоты в рассматриваемом случав можно только уменьшит температуру таплоприемяска. С приближением температуры рабочего тела утяллзатора к температуре окружаще! среди поступагшя во внутренняВ контур стирлгяга теплота все батев обеспенявеетея; происходит диссипация (оГ) ее эксергил, которая в пределе еря * {О вся преврааается в анергжю. _ .

Подоженяе экстремума $уакам связано о темпе-

ратурой ТГ я с ее ростом смекается в сторону больаях значевя!

3). „ 7/,\

Представлевяе о положения' максимума крявой €уг * м

при различных соотношениях уР* Туг в завясяаюсгя от тешературы процесса подзола теплоты к рабочему- телу тгхалязацяоаного слр-лхнга Т' дает гранях, приведенный на ряс. 4. В качестве примере за рисунке показано определение значения ^¡зоответстнушего т*» яожепяв гаксиыувд фуювг.^еуг = {(Та) пря

ж Г'* 2,3 (2"'- 662 К). Как вадне, пря выбранном сочетания теште-ратур |в = 0,35.

Рассмотренной график позволяет резать я обратнуо задачу -устанавливать необходимее значеняе Т4пря заданных Туг я ^.

1

е 9

8

7

6

5

I!

3

2 / О

9 чг

г-

7«с

ёт % • \

-г' V

3

1

л\\ ц ® 1 'V

1

О (Ц цг м 0Ц (¡5 0.6 0,7 0,0 0,? ^

Рис. 2. Энергетические характеристики процесса передачи теплота от УГ к рабочему телу Стерлинга в зависимости от доли теплоты УГ, отводимой от них к рабочему телу утилизационного Старлднга

¿5n

9 i

7 6 5

H 3

2 i О

■ ! i ! _ Ь 6.0 —

\

** 40 !

\ I

\/ V

Л 1

— ----/ / 1 1 — ^ i

X \ Ь2.о -

I

/ж , i ¡ Т^

О,О Of O? QS ОЯ 0,5 Ob Q7 0$ 0,9 f

Püc„ 3„ Зависимость мвксиму:.и .функции &yT*ffpcr температуры у;:одяцих газов

30J 5/6

ЧЧ7 720

S9l

Ш

735 í',°C fûos т;и

0,1 Oß bß

w p

02

V op

^ t

—

ЛтЧр

чг^ч."

x

в ^ 1\

20 25

SO

T'

Рис. 4. Sai3::o:*j'.ocTb t:&m'x::ji:a ¿ункадк C-fffq) ог' тенаэрату^ рабочего тега 9

Так, чтобы получать искскмуылГут- при Туг «= ¡22 X {Туг * 4,0) в арв^ф ■ 0,55, следует передавать теплоту к рабочему телу стир-*»кга при Т'ш 660К ,(Г' - 2,36).

Пропвдешшй анвлкз позволяет сделать следующий вывод. Количество эксергаи, которое передается к рабочему талу утилизационного стерлинга с тепловым потоком от УГ, но увеличивается напре- . рывно о ростов предаваемого потока., а достигнув максимума при некоторой его величине, затем .уменьшается. Количество теплоты, которое следует отбирать от УГ, чтобы обеспечить подвод наибольшего количества эксергви, зависит как от температуры ЗТ, так и от температуры, При которой теплота сообщается рабочему телу утилизационного зтирлиига. *

В третьей главе кратко рассматриваются обоев устройство два-гатехя Стирланга и его принцип действия. Показало, что двигатель Стирланга, предназначенный для утилизации теплоты, имеет более простое устройство, он надежнее и дешевле, чем обычный двигатель.

Получено уравнение для определения эксергетического КПД утилизационного стирлинга (¿г), характеризующего термодинамическую »ЭДективность энергетаческшс преобразований, происходящих во внутреннем контуре: г-« ,

Ш^тг'

— РТ

где !т1п - температура рабочего тела, при которой теплота от него отводится в систему охлавдендя, К.

I ер!

Еа рис. 5 показано изменение 2е в функции / - — и

Т-РТ ' ° 4

(в расчетах принято /т.л о. ЗЭПЮ. Как видно, до значений / примерно 1,7 (что соответствует^? = 0,65) КПД существенно увеличивается о ростомТ, достигая 80 Я,-Затем повышение^ замедляется и при Т'-= 3,13 (при = Туг) составляет 94

Иначе уодет себя работа цикла £, определяющая мощность утилизационного стирланга. Объясняется это тем, что с изменением Т' изменяется е количество подводимой к рабочему тему эксергаи (<?>г). Совместный учет термодинамической эффективности цикла и количества вводимой в него оксергид приводит к следушим результатам. -

С увеличением Т' от 1,0 до 1,9 быстро растет, достигая значения 1,7» При дальнейшем повышении Т работа цикла интенсивно уменьшается и приТ'—Туг становится равной нулю, так как в этот момент рабочее тело стирлкнга перестает получать эксергию от УГ и утилизатору становится нечего проврашать в работу.

Если принять То ■ ZQQ К, то ¿Г достигнет максимума при 7"'- 490 К. Очевидно, что такой максимальной температуры рабочего тела недостаточно для работы реального стирлинга, так как определенная часть вырабатываемой двигателем мощности расходуется на зреодолоняе механического трения и гидравлических сопротивлений во внутреннем контуре. Практически работа утилизационного стирлинга возмокна приТ'> 2,2.

На рис. 6 приведены результаты расчетов расхода эксергкд на единицу производимой утилизатором поганости в завгсшэста от температуры процесса подвода теплоты (кривая I). Здесь se показан характер изменения удельных затрат эксергии, отводимой от УГ для последующей утилизации (Еривая 2), и эксергии, сообщенной рабочему голу утилизатора (кривая 3). Характер кривых 2 и 3 приблизительно одинаков. Расходы бесконечно велики при температуре рабочего тола, близкой к 75» затем с ростом Т' уменьшается, а при Г' в 2,2 достигают значений 1,3 и 1,1 кВт/кВт соответственно. Дальнейшее увеличение Т' ведет к незначительному снижению расхода, стремящегося к I кВт/кВт при приближении 7*' к То . Удельный расход термической »ксэргаа ведет себя иначе (кривая I). Он имеет четко выраженный минимум (примерно 2 кВт/кВт) при7"' * 2,2 (т. е. при минимальном температурном уровне получения теплоты, обеспечиваюаем функционирование утилизационного стирлинга). Таким образом, кривая I показывает, что наиболее эффективно термическая эхсергия УГ используется пра 1,8 < Т'< 2,3»

Изложенные факты приводят к выводу о том, что для обеспече— шк наибольшей мощности утилизатора в обеспечения минимального pao*-хода термической эксергии УГ температура процесса передачи геплотц от ее источника ж рабочему зелу стирлинга должна быть снлхена до минимального уровняа при котором двигатель может функционировать.

Сделанный вывод обуславливает специфическое требование ж са-стеме передачи теплоты от УГ к рабочему жалу утилизационного стнр-jfflHras независимо os температуры УГ передача теплоты » рабочему яелу должна происходить щш постоянной минимальной температуре, при которой обеспечивается устойчивая работа стирливга.

Четвертая глава посвящена обоснованию выборе рациональной системы передача теплоты от УГ к утилизационному стерлингу. Изучение отечественного а зарубенного опыта по этоЗ проблеме позволило сделать вывод о возможности а необходимости прлмонеаая в качестве основного элемента системы передачи теплоты от эо асточаа-ка к утилизатору тепловой трубы. 3 экспериментах применялась те», лопая труба длиной 600 мм с нарухным диаметром 60 мм. В качестве теплоносителя использовался сплав, оостояаий по весу аз 22 % ват» рая в 78 % калия. Для обеспечения работы трубы в необходимом два-пазоне температуры, внутренний ее обгем находился под разреяеняем. Рабочих! телом термоаккумуляторов слукдл свинец.

В сор^яупности с термоаккумуляторьми тепловая труба в системе передачи теплоты позволяет обеспечить;

стабильность передаваемого теплового потока по температуре в количеству теплоты;

минимальные потери энергии в эксергаи теплового потока при по» редачэ от источника к утилизатору при условия надежной топлоязоля» паи;

минимальный перепад температуры мояду ее источником я пряег^ паком;

равномерное температурное поле в зоне получения теплоты нагревателем стерлинга;

высокую плотность теплового потока от источника энергия к рабочему телу стирлинга.

Перечисленные свойства практически полностью совпадают о требованиями, предъявляемыми к системам передача теплоты в таплоута-дизационнкх установках на базе двигателя Стирлинга. Поэтому для системы передачи теплоты была принята-схеме "уходящие газы-«, тепловой аккумулятор — тепловая труба — тепловой аккумулятор —— нагреватель стирлинга —— рабочее тело старлднга,

В пятой главе содержится опасение экспериментальной устанорки 0 дается оценка погрешностей измерений, заложены методика проведения в результаты экспериментов.

Экспериментальная часть работы состояла аз трех этапов.

Первый этап экспериментов включал исследования с нагревателем утилизационного двигателя Стирлинга, размешенном непосредственно в выпускном коллекторе дизеля ШЗ-гЗвЯ. Эксперименты проводились сараями, в которых дазель работал по загрузочной характеристике

на частотах вращения коленчатого вала, равных 600 мин""*, 1000 мин"1, 1500 мин-1, 2100 мин"1, 2300 мин-1 и по внешней скоростной характеристике.

Второй этап экспериментов включал исследования с нагревателем стирлинга, расположенным в тепловом аккумуляторе. Передача теплоты во внутренний контур стирлинга осуществлялась опосредованно по схеме:"уходящие газы дизеля-—тепловой аккумулятор -«-тепловая труба — тепловой аккумулятор—нагреватель стирлинга——рабочее тело стирлинга" В процессе испытаний воспроизводились рекимы первого этапа. Калориметрирование внутреннего контура осуществлялось с помощью циркулирующей через нагреватель воды.

Третий этап экспериментов проводился при таких se условиях, как и второй, но при этом дизбль работал на переменных режимах.

В первой части третьего этапа экспериментов поддергивалась неизменной частота вращения коленчатого вала {А = I7C0 мин""*, П = 0,8 ti нон') при изменении нагрузки в диапазоне^»

Во второй части, рассматриваемого этапа экспериментов неиэ-монной подаеркивалась нагрузка (/VK3.6 Ща,^ = 0,75) при из-' менении частоты вращения коленчатого вала дизеля в пределах Н -

Сравнивая результаты первого и второго этапов экспериментов, мояно констатировать, рто абсолютные значения практически всех рассматриваемых показателей существенно возросли.

Иа рис. 7 и 8 показаны средние значения основных характеристик процесса передачи теплоты от УГ во внутренний контур: поверхностных плотностей теплового потом , и зксер-

гии ( ), тепловой (Q°e*) и эксергетическоЯ {£сеГк)

напряженностей внутреннего контура, а также термического сопротивления стенок нагревателя стирлинга ( ). Так, соотвзт-ственно , 6увеличились в 2,3 раза при rt = 1000 лшн~ , -в 2 раза при // = 1500 мин"1, примерно в I¿9 раза при /? =•■ 2100 шн"1 и в 1,8 раза при П = 2300 мин-1. В% повысились соответственно в 4,5; 3,3; 3,8 и 3,7 раза. Термк-ческое сопротивление станок нагревателяЛСн .снизилось, а коэффициент теплоотдачи от рабочего тела термоаккумулятора к леруз-ной поверхности нагревателя соответственно увеличился..

Рис. 7. Зависимость некоторых характеристик процесса пеовдачи теплоты от уходящих газов дизеля во внутренний контур сткрданга от частоты вращения коленчатого вала дизеля

Рас. 8. Влияние частоты вращения коленчатого вала яе характеристика процесса передачи теплоты во внутренний контур стерлинга

Отмеченные лзмеппнгя характера процесса поредачв теплоты от 7Г к рабочему талу стярлянга с помо-лью систем "люсукудятор теплоты теплорая труба аккумулятор теплоты" прарели к су-иестренним изменениям те!дюрату;.иого поля кагрсад тела. Рас, 10 и II р качестве примира яляюстрвруэт русдрвдедонае тоипоратуры по высоте нагревателя стврлянга в зависимости от нагрузка при ft = 2100 ман"* в случав непосредственного обдура его потовом УГ, а рис. 12 - при размеовнив нагревателя в среде рабочего тела теплового аккумулятора.

Сравнение результатов работы нагроватолд на первом а втором этапах экспериментов позволяет сделать рывод, что аспольэоадияо тепловой трубы с терыооккуыуляторамв для передача зноргад от 7Г к рабочему телу ctupjuiiire суаествонно азмеклло а распределение температуры но рассматриваемому сочешш. Температурное поле нагревателя практически не имеет "лорехосээ". Незначительное спвхь~ айв температурь точке I (рас. 12) связано со входом восы в его внутреннее пространство именно ч атом мосте.

В дяссертацва подробно рассмотрены тшлюр«тур»шо поля нагревателя на различных нагрузках в частотах врикення колончатого ад-ла в вертикальных в горизонтальных плоскостях (я соответствия с точкам замера те.\яератур, указанными на рас. 9). Эть материалы подтверждает практически полное вырарнсванаа температур по телу нагревателя «?о второй, сорил экспериментов.

Результаты третьего этапа экспериментов отражены на рис. 13. Как гядно, сусостпеняцв колебания температуры УГ (более чей в 2 раза при работе с переманиимя нагрузками а в 1,5 раза ва различных частотах врагвазд коленчатого *ала) не отрезалась на температуре рабочего тала торлоаккуцуляторор. Теплорая инерция рабочего тела обеспечила равномерность в стабильность твшоратурного поля нагревателя. Температура рабочего тала териоаякуиулятора с иаходязшея в нем нагревателем старланга (тармоаккуиу лятор П) составила в первом случае 420 °С, во мором - 360 °С. Плотности теплового потока я потока эксергил были постояниями я составили соответственно 188

а 163 , 75 а 65 -SS2-. Тепловая эксергетвческая насряжеиность~420 vr

а 364, 176 и 152 соответственно. Неазиензость приведенных хаем3

рагГгерЕСТг.к э условиях изменяющиеся нагрузок в частот враиекая

Рлс. 9. Схода рясдолслоняя' хегчсза?. на яагравате.'зз двигателя СтИрлинГа

■18

их

509 № т ччо чго чоо з&о 360

т

320 500 280

26Q

гчо

210 200 'т ко т 120 №

9 3 7 $ .5 'И 3 2 1 . Точки замера температуры

Püc. Ю. Рзсаоздвлан^в те:,т.ературы по Еассте лагр-з.зат-з.-л в зязлсщ/лстд с?

не грузки (Я - Я100 vvh"1 v

19

Рис. XI. Распределение-температура по висоте нагревателя в зависимости от относительной

нягрузк« » 2100 wkk"1^ 20

ьЗ§ I §

.-a S I I

- 1 1

/ У 1 /

Í J j tl

i i I

1 J

ï .— s» II

1 —•i % V ti -,— — 6?$?* dû * r—T-1—

1 J

*- и 1 1..

•í'S i t-

к I

§

5

.S

X

s

то и

a

о

Um % i a

S 8

a 2 ^

о

«

я ß

»

I I

и

s.

p

a

я s;

S

о

2. •> S g £ S

S

£

g

S

8

о я

Рис. 13. Характеристики процесса передачи теплоты при работе дизеля не переменных режимах

коленчатого вала свидетельствуют о том, что экспериментальная система передачи теплоты обеспечила полное демпфирование изменений количества теплоты УГ дизеля при его работе на переменных режимах.

После завершения полного объема экспериментальных исследований нагреватель был сочленен с приводным механизмом и проверена работоспособность стирлинга совместно с экспериментальной системой передачи теплоты в условиях переменных реяимов работы дизеля. Проверка показала устойчивую работу стирлинга с неизменной частотой вращения его коленчатых валов.

В заключении содержатся обшие результаты и выводы выполненного исследования.

Основные итоги работы сводятся к следующему:

1. Проведена оценка энергетических и эксергетических потерь

с УГ силовых установок автомобильной техники и рассмотрены возможные варианты утилизации этих потерь. Показано, что при необходимости решения вопроса об утилизации эксергетических потерь с целы) получения дополнительной работы наиболее перспективным путем на современном этапе развития техника является использование двигателя Стирлинга. ►

2. Разработаны научные основы определения оптимальной температуры процесса передачи теплоты от УГ двигателя внутроннего сгорания к рабочему телу утилизационного стирлинга, обеспечивающей перенос во внутренний контур последнего максимально возможного количества эксергии.

3. Впервые создана установка, позволяющая экспериментально исследовать процесс передачи теплоты и эксергии от УГ дизеля

во внутренний контур утилизационного двигателя Стирлинга по схеме: "уходящие газы—— аккумулятор теплоты—»-тепловая труба—— аккумулятор теплоты—— нагреватель стирлинга——рабочее тело стирлинга",

~ 4; Сравнительные исследования систем передачи теплоты от УГ дизеля во внутренний контур утилизационного стирлинга, одна из которых обеспечивала непосредственный обдув его нагревателя УГ, а другая работала по схеме, приведенной в третьем выводе, показали, что при одинаковых количествах теплоты и эксергии, теряемых" в УГ, во втором случае появляются следующие различия:

увеличивается количество теплоты, получаемое рабочим телом стирлинга (при номинальной частоте вращения коленчатого вала ди-. зеля в диапазоне нагрузки= (0,4-1,0)/^»//^, например, более

чем в« 70 %)', соответственно возрастают плотность теплового потом в тепловая напряженность внутреннего контура;

заметно повышается содержание эксергви в передаваемое во внутренний контур теплоте; так, например, при оговоренных выше условиях яоэМадвент качества теплоты увеличился почти в 1,7 раза;

существенно растет количество эксергии, поступающее во внутренний контур утилизаадюнного стирлинга (практически в 2,8 раза); соответственно увеличивается плотность потока эксергии в ексерге-тнчбсквя напряженность внутреннего контура;

практически исчезают "перекосы" температурного поля нагревателя и вызываемые ими напряжения, кто открывает принципиальную возможность получения от утилизационного стирлинга большой мощности при неизменных ыассогабаригннх характеристиках за счет уве-дачегшя давления закачки рабочего тела.

Основные положения диссертации опубликованы в следухишх печатных работах: '

1. Кукио B.C., Козыдашх В.А. О потерях теплоты силовыми

в теплоиспользупшт установками и возможности ее утшшзащш //

/Автомобильная техника. Технология, эксплуатация^ ремонт; Сб. вауч. тру доя.- Челябинск", ЧВВАИУ, ISSCL, - С. 34-42.

2. Кукис B.C., Козыиных В.А, 0 способах утилизации тепловых потерь силовых установок военной автомобильной техники. //Автомобильная техника. Технология, эксплуатация, ремонт: Сб. науч. трудов. - Челябинск, ЧВВАИУ, IS9I. - С. 43-47.

3. КозьмнныхВ.А. Источники тепловых потерь на военной.автомобильной технике и способы их утилизации. //Проблемы формирования рациональных эксплуатационных характеристик двигателей военной автомобильной техники: Тез. докл. межвузовского науч.угехн. семинара, - Л.: ВАТТ, I9SI. - С. 38.

4. Кукис B.C., Коэьминых В.А. Об эффективности передачи теп-доты от отработавших газов ДВС к двигателю Стирлгнга с целью утилизации. //Совершенствование мошностных, экономических и экологических показателей ДВС: Тез. 2-го Всесоюзного науч.-практ, семинара. - Владимир, 1991. - С. .37.

5. Кукис B.C., Козьмияых В.А. Совершенствование системы утилизации теплоты отработавших газов поршневых ДВС //Диагностика, повышение эффективности,^экономичности и долговечности двигателей. Тез, Всесоюзного постояннодействуюцего. иауч.-техн. соыинаса - Л 1991. -С. 61.

-Z4

6. Козьмияых В.А, Использование тепловых груб в системе утилизации теплоты отработавших газов теплоаспользугтах установок автомобильной техники //повышение эффективности силовых установок колесных в гусеничных машин* Тоз. межвузовской нотч.-техл. koiïJ«-рвндия. - Челябинск, IS9I. - С. 67-68.

7. Коэьыигад В.А. Улучшение технико-экономических покаэатл-лаВ поршневых двигателей внутреннего сгорания путем пленения теплоутилизационных установок //Автомобильная твхпкка. Сидопив установи» Сб. яауч. трудов. - Чодябавск, ЧШ5Ш, 1992. - С; 29-34.

8. Орехоа C.B., Кукнс B.C.. Коэьывша В.А. Зпергбтнчас.чяе характеристики уходяпах газов дизеля *Ш-238: СО. науч. трудов курсантов. Вып. 9. - Челябинск: ЧВВШ, 1992. - С. 50-53.