автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Повышение эффективности утилизационных стирлинг-электрических установок путем совершенствования системы подвода теплоты

На правах рукописи

ШУХОВЦЕВ Владимир Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УТИЛИЗАЦИОННЫХ СТИРЛИНГ-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ ПОДВОДА ТЕПЛОТЫ

(Специальность 05.04.02 - «Тепловые двигатели»)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул- 2006

Работа выполнена на кафедре «Двигатели» Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища (военного института)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кукис Владимир Самойлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Синицын Владимир Александрович

доктор технических наук, доцент Федянин Виктор Яковлевич

Ведущая организация -

ОАО «НИИ Автотракторной техники»

Защита состоится 3 марта 2006 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.03 при Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038 г. Барнаул, пр. им. В.И. Ленина, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.004.03 по адресу : 656038 г. Барнаул, пр. им. В.И. Ленина, 46, АлтГТУ, тел./факс (3852) 367584

Автореферат разослан «2£> » января 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд техн. наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Термодинамические показатели современных поршневых ДВС близки к предельному теоретически возможному уровню. Однако при этом превращается 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 (ОГ). Значительная часть «потерь» приходится именно на ОГ. В дизелях они составляют 85110 % по отношению к эффективной мощности, в двигателях с принудительным воспламенением топлива превосходят ее на 25-45 %.

Большие «потери» энергии, которыми сопровождается работа поршневых ДВС, свидетельствуют о значительных резервах повышения их показателей в случае утилизации этой энергии.

Существует ряд технических систем, которые могут быть использованы для утилизации теплоты ОГ ДВС с целью трансформации ее в работу (Шокотов НЛС, 1980; Жмудяк Л.М., 1981; Зайцев С.В., 1984; Шейпак АА, 1991; Кукис B.C., 1991, 2000 и др.). Сравнительный анализ этих систем, проведенный в настоящей работе, показал перспективность применения утилизационных двигателей Стерлинга (ДС), совмещенных с электрическим генератором (стирлинг-электрических установок - СЭУ).

Эффективность применения таких установок во многом определяется совершенством системы передачи теплоты от ОГ к рабочему телу ДС, которая должна обеспечить стабильную температуру нагревателя стерлинга и постоянство скоростного режима СЭУ независимо от колебаний температуры ОГ, работающего на переменных режимах ДВС. До настоящего времени не предложено решений, позволяющих реализовать указанные требования.

Цель работы - 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.

Методы исследования. В работе были использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические базировались на эксергетаческом методе термодинамического анализа, методе математического моделирования с использованием интегрированного пакета MathCad, результаты которого представлялись графическими средствами элеюронных таблиц MS Excel. Экспериментальные исследования были выполнены на специально разработанных и изготовленных оригинальных установках, обработка результатов проводилась на ПК с использованием методов математической статистики.

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 и корректной статистической

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ

» НАЦИОНАЛЬНАЯ I еИ&ЛИОТЕКА I

обработкой экспериментальных данных с использованием ЭВМ. Научные положения и выводы проверены результатами, полученными в ходе экспериментов.

Научная новизна рабопы:

1. 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 темперазуры нагревателя стир-линга на требуемом уровне.

2. 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.

3. 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 полученной математической модели позволяет расчетным путем определить расход отработавших газов поршневого ДВС, гараширующий 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-элеюрической 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 стерлинга 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 Ка-мАЗ-740;

- обработаны и проанализированы полученные экспериментальные данные.

Реализация результатов работы. Материалы диссертационного исследования используются и внедрены в ФГУП 21 НИИИ МО РФ (г. Бронницы), НПК «Агродизель» (г. Москва); при выполнении курсовых и дипломных работ, а также при чтении отдельных разделов лекций по дисциплинам «Двигатели военной автомобильной техники», «Конструкция силовых установок многоцелевых гусеничных и колесных машин» и «Теплотехника» в Челябинском высшем военном автомобильном командно-инженерном училище и Омском военном танковом инженерном институте.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и одобрены на научно-методическом семинаре с участием сотрудников кафедр «Двигагели», «Эксплуатация военной автомобильной техники» и «Автомобильная техника» Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища (Челябинск, 2003, 2004 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 шесть печатных работ. Диссертация содержит 163 страницы машинописного текста, включающего 77 рисунков, 12 таблиц и состоит из введения, пять глав, заключения, списка основной использованной литературы (104 наименования) и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, его научная новизна и практическая ценность, конкретизированы объект и предмет исследования, приведены научная новизна и основные положения работы, выносимые автором на защиту, дана общая характеристика диссертационного исследования.

В первой главе иллюстрируется возможность и целесообразность использования ДС для утилизации теплоты ОГ ДВС, рассмотрены принципиальное устройство и схемы стирлингов простого действия. Показано, что при

использовании ДС в качестве утилизатора теплоты ОГ ДВС, их конструкция существенно упрощается, так как пропадает потребность в ряде систем и агрегатов, вносящих существенный негативный «вклад» в массогабаритные и стоимостные показатели двигателя. Констатируется, что наиболее рациональным вариантом доставки вырабатываемой утилизационным ДС мощности к потребителям является ее передача в форме электрической энергии, что свидетельствует о целесообразности использовать утилизационные стирлинг-электрические установки.

Подробно рассмотрены различные варианты систем подвода теплоты в ДС. Показано, что эффективность и надежность утилизационных систем, создаваемых на базе стерлингов, существенно зависит от температуры ОГ. Температура же эта изменяется в процессе работы ДВС на различных режимах, что снижает эффективность утилизации. Для стирлинг-электрических установок к сказанному добавляется еще и необходимость сохранения неизменного скоростного режима работы. Сгладить, а в идеале - исключить, влияние колебаний температуры при передаче теплоты от ОГ ДВС во внутренний контур ДС можно применив принцип аккумулирования теплоты с помощью теп-лоаккумулирующих материалов (ТАМ) или принцип тепловой трубы с использованием жидких металлов и их паров. 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 утилизационных ДС, применяемых на мобильной технике в условиях непрерывного воздействия вибраций и ударных нагрузок. Кроме этого, в таких системах нагреватель имеет довольно сложную конструкцию. В заключение первой главы констатируется, что в литературе отсутствуют материалы по комплексному решению обозначенных выше проблем: нет обоснования выбора температуры нагревателя двигателя СЭУ при передаче к нему теплоты через промежуточный теплоноситель, позволяющий стабилизировать температуру на определенном уровне; отсутствует математическая модель процесса передачи энергии от ОГ ДВС во внутренний контур стерлинга с использованием промежуточного теплоносителя; нет экспериментальных данных по оценке эффекта стабилизации температуры нагревателя на мощностные и экономические показатели ДС На основании сказанного сформулированы цель и задачи исследования Во второй главе рассмотрена термодинамическая модель процесса передачи энергии от ОГ во внутренний контур двигателя стирлинг-электрической установки через промежуточный теплоноситель фазового перехода (стабилизатор температуры). На рис. 1 показана структура потока энергии в случае, когда температура ОГ выше, чем у промежуточного теплоносителя (ТАМ), а на рис. 2 - когда температура ОГ ниже, чем у промежуточного теплоносителя (ТАМ).

В ат мосферу

Рис 1. Потоки энергии от отработавших газов к рабочему телу двигателя стерлинг-электрической установки через промежуточный теплоноситель (при Т0Г>ТТАМ)

В атмосфср>

Рис. 2. Потоки энергии в выпускной системе ПДВС, оборудованной стабилизатором температуры и утилизационной стирлинг-электрической установкой

(при Тог<Ттам)

На рис. I и 2 приняты следующие обозначения: Еог, (20Г -энергия и теплота ОГ; Ехт ог, Аог -эксергия и анергия теплоты ОГ; Ехр 0Г) Ехх ог, Ехчк ог, Ех ,р ог - механическая, химическая, химическая концентрационная и химическая

реакционная эксергия ОГ; <Зтам, Ех™, Атам - теплота, передаваемая от ОГ

тог тог тог

теплоаккумулирующему материалу, ее эксергия и анергия; Отаьо Ехгам, Атм -теплота, полученная ТАМ, ее эксергия и анергия; (Здс, Ехдс, Адс - теплота, по-

лученная рабочим телом ДС, ее эксергия и анергия; Бдс диссипация эк-сергии при передаче теплоты от ОГ теплоаккумулирующему материалу и от

ТАМ к рабочему телу ДС; Еат, <2ат, Ехат , А" - энергия, теплота, эксергия

ОГ ОГ ТОГ ОГ

и анергия теплоты, выбрасываемые с ОГ в окружающую среду.

Далее подробно рассмотрена термодинамика процесса теплообмена между от ОГ ДВС и рабочим телом двигателя стирлинг-электрической установки через промежуточный теплоноситель во всех возможных вариантах (нагрев и охлаждение ТАМ при средней температуре процесса теплообмена с ОГ, не превышающей температуру фазового перехода ТАМ; в случае равенства этих температур и в случае, когда средняя температура процесса теплообмена превышает температуру фазового перехода).

Важным результатом проведенного термодинамического анализа является вывод о том, что даже в идеальном случае (когда вся теплота, отведенная от ОГ,

подводится к рабочему телу ДС, т. е. С>там К^К?«;), Ехтам ^Ехта„ ?Ехяс, по-

тог тог

скольку процесс происходит в условиях конечной разности температур гел, обменивающихся теплотой. Это вызывает потерю (диссипацию) эксергии: 01ам при передаче теплоты от ОГ теплоаккумулирующему материалу и Вдс -от ТАМ к рабочему телу ДС.

Показано, что величина Ех™ зависит от доли теплоты, отводимой от

ОГ для последующей утилизации в ДС (£,„). Рис. 3 а иллюстрирует зависимость рассматриваемых составляющих энергии потока ОГ в безразмерном виде (масштабом отнесения служило произведение индивидуальной газовой постоянной ОГ на темперагуру окружающей среды) для условий Тог=] ООО К; Тос-293 К от ^

!

/ ЕхоГ

1

/

-- - — 1 Р\

\ \

и

2,0

\2

0,4

^ц 0,8 0.6 0,4 02 0 0

1 ¡Л!« ;

' —Г~-- -1

! ч ' 1

(I' ' !\ ■ '

и ' ! \Т

' \ 1 р\1

06 0.4 0.2 0.0

о о,:

0.4

0.6 а

0,5

1,0 1,5 2.0 2,5 3.0 Т"

Рис. 3. Зависимость энергетических характеристик цикла утилизационного двигателя Стерлинга от максимальной температуры его рабочего тела и доли теплоты отработавших газов, переданной во внутренний контур

Как видно, что QraM с ростом линейно увеличивается. Увеличивает-

тог

ся и Ехтам , хотя снижение среднетермодинамической температуры процесса

тог

теплоотвода обуславливает постепенное уменьшение dEx™* Кривая же

тог

Ехт„, = /(Е,ч) имеет экстремум и после достижения максимума (при £ч~0,6)

количество эксергии, которое передается ТАМ, резко убывает. Соответственно увеличивается DTaM. Это свидетельствует о том, что использование теплоты ОГ при высоких значениях целесообразно лишь для нужд отопления, так как она становится все менее пригодной для превращения в работу и при £,р=1,0 совершенно теряет способность трансформироваться в нее.

Из литературы известно, что температура нагревателя, а значит и ТАМ, весьма близка к максимальной температуре рабочего тела ДС. Поэтому вопрос выбора ТАМ с той или иной температурой плавления, это практически вопрос обеспечения оптимального значения максимальной температуры рабочего тела ДС в процессе его нагрева от внешнего источника. На рис. 36 показано изменение 17,« в функции Т™* и (в расчетах принято Т™ш =330 К). Как

видно, до значений Т™ах, равной 1,7 (что соответствует ^¡=0,65) tjiex существенно увеличивается, достигая 80 %, затем его рост замедляется и при Т^ ~3,13 (при Т™х =Т0Г) составляет 94 %. Иной характер имеет изменение работы цикла. Объясняется это тем, что с ростом относительной максимальной температуры рабочего тела количество подводимой к нему эксергии не увеличивается непрерывно, а изменяется по закону, показанному на рис. За. Совместный учет термодинамической эффективности цикла и количества введенной в него эксергии приводит к тому, что с увеличением Tj^ от 1,0 до 1,9 работа цикла интенсивно растет, достигая значения 1,7, затем она практически столь же интенсивно уменьшается и при Т™2* =Т0Г становится равной нулю - в этот момент рабочее тело ДС перестает получать эксергию от ТАМ и превращать в работу становится нечего. Если принять Тос=293 К, то работа цикла достигает максимума при TJJJ?* =557 К.

Такой максимальной температуры рабочего тела недостаточно, так кА часть вырабатываемой мощности расходуется на преодоление механического трения. В исследованиях Кукиса B.C. было установлено, что утилизационный ДС начинал работать при температуре стенки нагревателя близкой к 690 К. Поэтому практически работа ДС возможна при Т™х >2,3, а следовательно, температура фазового перехода ТАМ должна быть несколько выше 700 К.

Третья глава посвящена разработке математической модели процесса передачи энергии от ОГ во внутренний контур двигателя СЭУ через промежуточный теплоноситель фазового перехода, предназначенный для обеспечения заданной температуры нагревателя стирлинга при работе ДВС на различных режимах. При построении математической модели были сделаны следующие допущения: процесс передачи теплоты от ОГ к рабочему телу двигателя СЭУ является квазистационарным; температурное поле одномерно; температура твердой фазы ТАМ при нагреве или охлаждении изменяется линейно; температура жидкой фазы в период плавления или кристаллизации ТАМ равна температуре фазового перехода; процесс расплавления ТАМ, распространяющийся вглубь его твердой фазы, так же процесс кристаллизации ТАМ, распространяющийся в глубь его жидкой фазы, являются одномерными; гидравлическое сопротивление газового тракта системы подвода теплоты пренебрежимо мало.

Получена замкнутая система, включающая уравнения: энергетического баланса по теплоте и эксергии с учетом ее диссипации; коэффициентов теплопередачи между ОГ и ТАМ, ТАМ и рабочим телом ДС для твердого, двухфазного и жидкого состояний ТАМ; критериальных зависимостей для определения коэффициентов теплоотдачи при передаче теплоты от ОГ к наружной поверхности стенки стабилизатора температуры, от внутренней поверхности стенки стабилизатора температуры к ТАМ (в жидком состоянии), от ТАМ (в жидком состоянии) к наружной поверхности нагревателя ДС и от внутренне поверхности нагревателя ДС к его рабочему телу; зависимостей для расчета теплоты, расходуемой на фазовый переход ТАМ из твердого состояния в жидкое или наоборот.

Разработанная математическая модель дает возможность определять величины тепловых потоков и соответствующих потоков эксергии (мощности), температурное поле системы подвода теплоты с промежуточным теплоносителем и расходные характеристики в четырех случаях. 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.

Исходными данными для расчетов являлись: теплофизические характеристики и температура ОГ, поступающих в систему подвода теплоты двигателя СЭУ; теплофизические характеристики ТАМ и материалов стенок, разделяющих теплоносители, а также массогабаритные и конструктивные характеристики элементов исследуемой системы подвода теплоты. Результатом расчетов являлись величина расхода ОГ ДВС через эту систему, обеспе-

чивающая нахождение ТАМ в состоянии фазового перехода (либо из твердого в жидкое, либо из жидкого в твердое состояние) и характеристики потока энергии, передаваемого от ОГ к рабочему телу двигателя СЭУ.

Программа расчета реализована в интегрированном пакете MathCad, результаты представлялись графическими средствами электронных таблиц MS Excel.

В четвертой главе дано описание экспериментальной установки В ее состав входили- силовая установка, состоящая из дизеля КамАЗ-740 и утилизационной СЭУ (на базе двигателя ДС 5,5/2,1 - рис.4) с системой подвода теплоты, оборудованной стабилизатором температуры фазового перехода с гидроксидом лития (температура фазового перехода 744 К) в качестве ТАМ; испытательный стенд DS-1036-4/N с измерительной аппаратурой; приборы для определения мощностных, экономических показателей и индицирования ДС Кроме этого для предварительного изучения процессов теплообмена в СТ, оценки адекватности математической модели происходящих в нем процессов и подтверждения возможности стабилизации температуры промежуточного теплоносителя в системе подвода теплоты к ДС был создан специальный стенд.

Рис 4 Стирлинг-электрическая установка со снятыми цилиндром двигателя и корпусом электрического генератора

Материал главы содержит детальное описание объектов исследования, применявшегося оборудования, измерительной аппаратуры и оценку погрешности измерений.

Завершает четвертую главу методика проведения экспериментального исследования. Оно включало три этапа.

На первом оценивались возможности потока ОГ дизеля КамАЗ-740 в качестве источника энергии для привода в действие СЭУ. При этом определяли энергию потока теплоты, принципиально пригодную для утилизации

(Оог) и термическую эксергию (мощность) потока теплоты 0ог (Ехт ог) при ра-1 боте двигателя на различных режимах.

На втором этапе производились исследования процессов в системе подвода теплоты двигателя Стирлинга с промежуточным теплоносителем (гидроксидом лития) на испытательном стенде. Решались две задачи. Прежде всего, оценивали влияние промежуточного теплоносителя на температурное поле нагревателя системы подвода теплоты ДС. Вторая задача предполагала проверку адекватности разработанной в третьей главе математической модели энергетических процессов в системе подвода теплоты двигателя Стирлин-« га с промежуточным теплоносителем (с гидроксидом лития).

Третий этап экспериментального исследования заключался в стендовых испытаниях утилизационной СЭУ, установленной в выпускной системе I дизеля КамАЗ-740.

Пятая глава содержит результаты экспериментальных исследований На первом этапе проведения экспериментов были определены энергетические показатели ОГ дизеля КамАЗ-740: энергия потока теплоты, принципиально пригодная для утилизации (С>ог) и термическая эксергия (мощность) потока теплоты <30Г (Ехт ог). Испытания показали, что при работе по внешней скоростной характеристике, потери теплоты с ОГ практически всегда больше вырабатываемой двигателем эффективной мощности. Лишь при работе дизеля с частотой вращения коленчатого вала меньшей 1500 мин <30г меньше При частоте вращения коленчатого вала, соответствующей номинальной мощности, тепловые потери с ОГ превосходят эффективную мощность на 34,? % Потери эксергии потока теплоты ОГ практически во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала ниже эффективной мощности. Однако на на номинальной частоте вращения Ехт ог составляет 98,1 % от При работе дизеля по нагрузочной характеристике теряемая с ОГ теплота несколько больше развиваемой двигателем мощности только до ре=0,3 МПа. При более высоких значениях среднего эффективного давления <30Г становится меньше N5. Потери же эксергии с ОГ всегда меньше развиваемой дизелем мощности в ? среднем примерно на 50 %. Получены также многопараметровые характери-

стики обсуждаемых показателей При работе дизеля КамАЗ-740 на режимах, соответствующих условиям городской эксплуатации, его средняя эффективная мощность составила 110,6 кВт, потери теплоты с ОГ - 80,5 % от N4 (89,0 кВт). Теряемая с потоком теплоты термическая эксергия (мощность) составляет 50,7 кВт (45,8 % от Ые).

На втором этапе экспериментального исследования, прежде всего, были установлены особенности температурного поля нагревателя ДС при его расположении непосредственно в потоке продуктов сгорания и при использовании промежуточного теплоносителя фазового перехода Опыт проводили [1а стенде для изучения процессов в системе подвода теплоты к рабочему телу двигателя СЭУ Испытания показали, что при температуре ОГ на входе в сис-

тему нагрева ДС, равной 687 °С (при расходе ОГ 0,1 кг/с), наибольшая разница температур в теле на1ревателя составляет 321 °СТТо"сле~установки в ""системе нагрева ДС стабилизатора температуры с гидроксидом лития в качестве ТАМ температурное поле нагревателя стало практически равномерным, температура была равна 43 3 °С.

Затем были проведены: стендовые испытания системы подвода теплоты к нагревателю ДС с промежуточным теплоносителем фазового перехо-да(ЬЮН с температурой фазового перевода, равной 744 К), целью которых было натурное изучение протекающих в нем энергетических процессов, а также проверка адекватности разработанной математической модели. Была воспроизведена картина изменения температуры ОГ дизеля КамАЗ-740 при испытаниях по 11-ти километровому ездовому циклу ЕСЕ R15/05, который состоял из последовательно повторяющихся четырех городских и одного скоростного участков. Были изучены случаи, когда промежуточный теплоноситель находился только в твердом состоянии, практически при температуре фазового перехода и при температуре, превышающей температуру фазового перехода. Поскольку характер изменения температуры ОГ оставался идентичным во всех трех перечисленных выше случаях, необходимое тепловое состояние ТАМ обеспечивалось подбором соответствующего расхода ОГ через систему нагрева ДС. Так в первом случае расход составил на режимах городского участка 0,404-Ю"2 кг/с, а на режиме скоростного - 0,283-Ю"2 кг/с; во втором - 0,744-Ю"2 кг/с и 0,565-Ю"2 кг/с, в третьем - 0,921 10"2 кг/с и 0,727-Ю"2 кг/с соответственно.

На рис 5 в качестве примера показано изменение температуры в системе подвода теплоты при испытаниях, соответствующих режиму одного городского цикла.

t,°c

580 540 500 460 42(1 3»0 U0 300 260 220

0 20 40 60 S0 100 120 140 160 180 т, с

Рис 5. Изменение температуры в системе подвода теплоты при испытаниях, соответствующих режиму одного городского участка цикла ЕСЕ R15/05 (промежуточный теплоноситель находится практически при температуре фазового перехода)

/ -

f Вл ( W / \ 1

ч / \ ;

/ \ 1, 1 \ 1, \

- г ¡у 1 ' 1. // \М1Х 1 '".^у, / ; • / tor V ! i î 1 tqi 1- L \

/ \ / \ 1 ' -

J V/ к__

; 1 1 1 1 1 1 1 1

Проведенные испытания подтвердили предположение о том, что, используя промежуточный теплоноситель с фазовым переходом и обеспечив определенный расход ОГ через систему подвода теплоты к ДС можно стабилизировать температуру нагревателя практически на уровне температуры плавления ТАМ. Результаты экспериментального и расчетного определения температуры ОГ на выходе из системы подвода теплоты ДС и средней температуры стенок нагревателя статистически существенно не отличаются друг от друга (допустимое различие не превышает 5 %).

На следующем этапе стендовых испытаний системы подвода теплоты к нагревателю ДС с промежуточным теплоносителем фазового перехода были определены усредненные величин поверхностной плотности теплового потока, передаваемого во внутренний контур стерлинга (<3^., Вт/м2); тепловой

напряженности внутреннего контура (()ух, Вт/м3); - поверхностной плотности потока эксергии (Ех^, Вт/м2) и - эксергетической напряженности внутреннего контура (Ехчж ,Вт/м3) На рис 6 в качестве примера показаны величины

тепловой и эксергетической напряженности для случаев, когда ТАМ находился только в твердом состоянии (1), при температуре фазового перехода (2) и при температуре, превышающей температуру фазового перехода (3).

Как видно, самое большое количество энергии передается рабочему телу ДС в случае, когда температура стенки нагревателя была наиболее близка к оптимальной, которая составляет примерно 430 °С.

"Qi'

1 2 3

Рис. 6. Средние значения тепловой и эксергетической напряженности внутреннего контура двигателя Стирлинга при температуре отработавших газов, соответствующей испытаниям по ездовому циклу ЕСЕ R 15/05:

1 - ТАМ находится только в твердом состоянии; 2 - ТАМ находится при температуре плавления,• 3 - ТАМ находится в жидком состоянии при Ттам> Тт

После завершения стендовых испытаний системы подвода теплоты к нагревателю ДС с промежуточным теплоносителем фазового перехода было проведено математическое моделирование всех исследованных режимов. Для статистической обработки материала и оценки адекватности математической модели были выбраны значения температуры ОГ на выходе из системы подвода теплоты ДС и средней температуры стенок нагревателя через каждые 50 с ездового цикла (т е. по 24 точки). Расчетное значение ^-критерия Стьюдента для первых двух выборок составило = 1,083, для двух вторых - 1расч = 1,797. Критическое значение критерия Стьюдента при доверительной вероятности я = 0,95 равно 2,04. Таким образом, результаты экспериментального и расчетного определения температуры ОГ на выходе из системы подвода теплоты ДС и средней температуры стенок нагревателя статистически существенно не отличаются друг от друга (допустимое различие не превышает 5 %). Сравнение экспериментальных и расчетных значений поверхностной плотности теплового потока и его эксергии, тепловой и эксергетической напряженности внутреннего кон I ура показал, что наибольшее расхождение между опытными и расчетными величинами составляет 10,23 %. Приведенные цифры дают право считать адекватность математической модели вполне приемлемой для практического ее использования.

На рис. 7 показаны индикаторные диаграммы ДС (по оси ординат отложены значения относительного давления во внутренней полости, масштабом отнесения служило минимальное давление рабочего тела), полученные при работе СЭУ на трех режимах: когда ТАМ находился только в твердом состоянии, при температуре плавления и в жидком состоянии при Тщ^Тд,. Хорошо видно, что площадь диаграммы (а значит и индикаторная работа цикла), соответствующей второму режиму заметно больше остальных.

60 65 70 -5 Ы) Ь5 90 9ч 100105110 V, сч3

Рис 7 Индикаторные диаграммы двигателя утилизационной стирлинг-электри-ческой установки (обозначения см. на рис. 6)

0.35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70

ЬЧ

Рис. 8. Изменение эффективной работы цикла и эксергетического КПД двигателя утилизационной стирлингэлектрической установки в зависимости от доли теплоты отработавших газов, переданной во внутренний контур

На рис. 8 показано изменение эффективной работы цикла и эксергсш-ческого КПД двигателя утилизационной СЭУ в зависимости от доли теплоты ОГ, переданной во внутренний контур. Как видно, эксперименты убедительно подтвердили теоретический вывод, полученный во второй главе, о существовании оптимальной температуры нагревателя (максимальной температуры рабочего тела ДС) при котором обеспечивается достижение максимальной работы (мощности) стирлинга.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Разработан, изготовлен и исследован опытный образец системы подвода теплоты к двигателю стирлинг-электрической установки с промежуточным теплоносителем фазового перехода, играющим роль стабилизатора температуры нагревателя стирлинга при утилизации теплоты отработавших газов ДВС.

2 На базе эксергетического метода разработана термодинамическая модель процесса передачи энергии от отработавших газов поршневых ДВС во внутренний конгур двигателя стирлинг-электрической установки через промежуточный теплоноситель фазового перехода Это позволило создать математическую модель рассматриваемого процесса, использование которой дает возможность исследовать температурное поле системы подвода теплоты и определять расход отработавших газов, обеспечивающий стабилизацию температуры нагревателя стирлинга на оптимальном уровне в условиях работы ДВС на переменных режимах. Адекватность математической модели проверена и подтверждена (с достоверностью не менее 90 %).

3 Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, 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. Эта температура лежит на уровне 700 К.

4. Экспериментально подтверждена гипотеза о возможности стабилизации температуры нагревателя двигателя стирлинг-электрической установки (за счет использования промежуточного теплоносителя фазового перехода), что позволяет обеспечить постоянную частоту вращения коленчатых валов стирлинга и ротора электрического генератора.

5 Стендовые испытания нагревателя двигателя утилизационной стир-линг-электрической установки показали, что использование промежуточного теплоносителя фазового перехода позволяет практически исключить перепады температур в теле нагревателя стирлинга (без промежуточного теплоноситель разница максимальной и минимальной температуры составляла 321 К); практически стабилизировать температуру нагревателя стирлинга при колебаниях температуры отработавших газов, соответствующих ее изменениям у дизеля КамАЗ-740 при испытаниях по 11-ти километровому ездовому циклу ЕСЕ R15/05

(максимальный перепад средней температуры нагревателя за период всего ездового цикла составил 18 °С - 3,8 % по отношению к минимальному значению).

6. Экспериментально подтверждено, что промежуточный теплоноситель можно постоянно поддерживать в состоянии фазового перехода (а значит, и обеспечивать неизменную температуру нагревателя двигателя утилизационной стерлинг-электрической установки и частоту вращения ротора электрического генератора) независимо от колебаний температуры отработавших газов ДВС за счет регулирования расхода отработавших газов через систему нагрева стерлинга.

7. Материалы диссертационного исследования используются и внедрены в ФГУП 21 НИМИ МО РФ (г. Бронницы), НПК «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 Омском военном танковом инженерном институте.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Кукис B.C. Утилизационная стирлинг-электрическая установка / B.C. Кукис, В.В. Шуховцев // Совершенствование систем автомобилей, тракторов и агрегатов: сб. статей / Российская академия транспорта, АлтГТУ. -Барнаул, 2003. - С. 6-9.

2 Шуховцев В.В. Проблемы утилизации тепловых потерь с отработавшими газами силовых установок мобильной техники / В.В. Шуховцев // Науч. Вестн. ЧВАИ. - Вып. 17. - Челябинск, 2004. - С. 80-85.

3. Шуховцев В.В. Обеспечение постоянного скоростного режима утилизационной стирлинг-электрической установки путем стабилизации температуры нагревателя / В.В. Шуховцев, В.С Кукис // Военная техника, вооружения и технологии двойного применения в XXI веке: Материалы III Международного технологического конгресса. - Ч. 2. - Омск, 2005. - С. 193-196.

4. Кукис B.C. Отработавшие газов ДВС как источник теплоты для утилизационного двигателя Стерлинга / B.C. Кукис, В.В. Шуховцев // Современные тенденции развития автомобилестроения в России: Материалы 4-й Всероссийской науч.-тезн. конф. - Тольятти, 200 5. - С. 34-37.

5. Шуховцев В.В. Энергетические возможности отработавших газов дизелей с точки зрения последующей утилизации их тепловых потерь / В.В. Шуховцев // Науч.-техн. сб. ФГУП 21 НИИИИ - №3.- Бронницы, 2005. - С. 71-76.

6. Шуховцев В.В. Влияние температуры подвода теплоты к утилизационному двигателю Стерлинга на его показатели / В.В. Шуховцев, B.C. Кукис

// Совершенствование систем автомобилей, тракторов и агрегатов: сб. статей / Российская академия транспорта, АлтГТУ. - Барнаул, 2005. - С. 92-98.

Шуховцев Владимир Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УТИЛИЗАЦИОННЫХ СТИРЛИНГ-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ ПОДВОДА ТЕПЛОТЫ Автореферат

Подписано в печать 12.01.2006. Формат 60x84 1/16. Печать - ризография. Усл.п.л.0,93, Уч.изд. л.0,7 Тираж 120 экз. Заказ 6/2006. Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46. Лицензии: ЛР № 020822 от 21.09.98 года, ПЛД № 28-35 от 15.07.97 Отпечатано в ЦОП АлтГТУ 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

-fïSJ

я - i 1 'è

/ ч

г

Основные условные обозначения и сокращения.

Введение.

Глава 1. Использование двигателей Стерлинга для утилизации тепловых потерь. Системы подвода теплоты в этих двигателях (состояние вопроса).

1.1. Возможность и целесообразность использования двигателей Стирлинга для утилизации теплоты отработавших газов ДВС.

1.2. Системы подвода теплоты в двигателях Стирлинга.

1.3. Постановка цели и задач исследования.

Глава 2. Термодинамическая модель процесса передачи энергии от отработавших газов ДВС во внутренний контур двигателя стирлинг-электрической » установки через промежуточный теплоноситель.

2.1. Структура энергии потока отработавших газов поршневых ДВС и процесс передачи ее во внутренний контур двигателя стирлинг-электрической установки через промежуточный теплоноситель.

2.2. Термодинамика процесса передачи теплоты от отработавших газов поршневого ДВС во внутренний контур двигателя стирлинг-электрической установки через промежуточный теплоноситель.

2.3. Выбор температуры плавления теплоаккумулирующего материала стабилизатора температуры.

Глава 3. Математическая модель процесса передачи энергии от отработавших газов во внутренний контур двигателя стирлинг-электрической установки через * промежуточный теплоноситель.

3.1. Математическое описание энергетических процессов * в системе подвода теплоты в случае, когда температура отработавших газов выше температуры теплоаккумулирующего материала.

3.2. Математическое описание энергетических процессов в системе подвода теплоты в случае, когда температура отработавших газов выше температуры теплоаккумулирующего материала.

Глава 4. Экспериментальная установка. Программа и методика исследования.

4.1 .Экспериментальная установка.

4.2. Оценка погрешности измерений.

4.3. Программа и методика экспериментального исследования.

Глава 5. Результаты экспериментального исследования.

5.1. Энергетические показатели потока продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу.

5.2. Исследование энергетических процессов в системе передачи теплоты от отработавших газов к рабочему телу двигателя стирлинг-электрической установки.

5.3. Исследование рабочего процесса Стирлинг-электрической установки.

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 Стерлинга. 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 топливовоздушной 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 Стирлинга, 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 нагревателя 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.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать термодинамическую и математическую модели процесса передачи энергии от отработавших газов поршневых ДВС во внутренний контур двигателя стирлинг-электрической установки через промежуточный теплоноситель 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.

3. 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.

4. 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.

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.

Научная новизна работы заключается в следующих положениях, выносимых автором на защиту:

1. 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.

2. 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.

3. 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 стерлинга 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), НПК «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, I 9 таблиц и состоит из введения, пять глав, заключения, списка основной использованной литературы (104 наименования) и приложения.

Основные результаты и выводы, которые могут быть сформулированы в результате проведения данной работы, заключаются в следующем.

1. Разработан, изготовлен и исследован опытный образец системы подвода теплоты к двигателю стирлинг-электрической установки с промежуточным теплоносителем фазового перехода, играющим роль стабилизатора температуры нагревателя стирлинга при утилизации теплоты отработавших газов ДВС.

2. На базе эксергетического метода разработана термодинамическая модель процесса передачи энергии от отработавших газов поршневых ДВС во внутренний контур двигателя стирлинг-электрической установки через промежуточный теплоноситель фазового перехода. Это позволило создать математическую модель рассматриваемого процесса, использование которой дает возможность исследовать температурное поле системы подвода теплоты и определять расход отработавших газов, обеспечивающий стабилизацию температуры нагревателя стирлинга на оптимальном уровне в условиях работы ДВС на переменных режимах. Адекватность математической модели проверена и подтверждена (с достоверностью не менее 90 %).

3. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, 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. Эта температура лежит на уровне 700 К.

4. Экспериментально подтверждена гипотеза о возможности стабилизации температуры нагревателя двигателя стирлинг-электрической установки (за счет использования промежуточного теплоносителя фазового перехода), что позволяет обеспечить постоянную частоту вращения коленчатых валов стирлинга и ротора электрического генератора.

5. Стендовые испытания нагревателя двигателя утилизационной стирлинг-электрической установки показали, что использование промежуточного теплоносителя фазового перехода позволяет практически исключить перепады температур в теле нагревателя стирлинга (без промежуточного теплоноситель разница максимальной и минимальной температуры составляла 321 К); практически стабилизировать температуру нагревателя стирлинга при колебаниях температуры отработавших газов, соответствующих ее изменениям у дизеля КамАЗ-740 при испытаниях по 11-ти километровому ездовому циклу ЕСЕ R15/05 (максимальный перепад средней температуры нагревателя за период всего ездового цикла составил 18 °С - 3,8 % по отношению к минимальному значению).

6. Экспериментально подтверждена возможность поддержания промежуточного теплоносителя в состоянии фазового перехода (а значит, и постоянной температуры нагревателя двигателя утилизационной стирлингэлектрической установки) независимо от колебаний температуры отработавших газов ДВС за счет регулирования расхода отработавших газов через систему нагрева стирлинга.

7. Материалы диссертационного исследования используются и внедрены в ФГУП 21 НИИИ МО РФ (г. Бронницы), НПК «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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Значительные «потери» энергии с отработавшими газами ДВС заставляют искать пути ее использования (утилизации). Высокий термический потенциал этой энергии свидетельствует о возможности и целесообразности трансформации ее в другие формы энергии, обладающие высоким качеством (большим содержанием эксергии). Одной из утилизационных систем, позволяющей достаточно эффективно реализовать эту идею, являются системы на базе двигателей Стирлинга, совмещенных с электрическим генератором (стир-линг-электрических установок).

Эффективность преобразования термического потенциала отработавших газов в электрическую энергию в таких установках, прежде всего, определяется совершенством системы подвода теплоты к рабочему телу двигателя Стирлинга, которая должна обеспечить стабильную температуру нагревателя стирлинга и постоянство скоростного режима стирлинг-электрической установки независимо от колебаний температуры отработавших газов, работающего на переменных режимах ДВС. До настоящего исследования комплексного решения указанных требований не предлагалось.

1. Автомобильные двигатели / Под ред. М.С. Ховаха. М.: Машиностроение, 1977. - 591 с.

2. Андреев Е. И. Расчет тепло и массобмена в контактных аппаратах. -Д.: Энергоатомиздат, 1985. 192 с.

3. Антошкин А.С. Применение мини-ТЭЦ для резервного и основного тепло- и электроснабжения // Двигателестроение, 1998. №4. - С. 10-12.

4. Богданов А.И. Повышение мощностных. экономических и экологических показателей силовых установок за счет утилизации теплоты отработавших газов: Дис. .канд. техн. наук. Челябинск, 1999. - 180 с.

5. Бойко С.В. Комплексная оптимизация внутреннего контура ДВГГГ по эксергетическим характеристикам его элементов: Автореф. дис. . канд. техн. наук.-Д., 1983.-17 с.

6. Болгарский А.В., Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача: Учебн. для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1975.-495 с.

7. Большев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. -М.: Наука, 1965.-474 с.

8. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. М.: Энергия, 1973. - 296 с.

9. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 288 с.

10. Вейник А.И. Техническая термодинамика и основы теплопередачи. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1965. - 375 с.

11. Вознесенский В.А. Статические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М.: Статистика, 1974. - 192 с.

12. Гоннов И.В., Логинов Н.И., Локтионов Ю.В. и др. Теплообменники с жидкокристаллическим теплоносителем в двигателях Стирлинга. М.: ЦНИИатоминформ, 1989. - 46 с.

13. Гоннов И.В., Локтионов Ю.В. Двигатель Стирлинга: возможности и перспективы // Развитие нетрадиционных источников энергии: Сб. трудов ИАТЭ. Обнинск, 1990. - С. 156-165.

14. Горшков A.M., Нестратова З.Н., Подольский А.Г. Процессы в открытых термодинамических системах // Машиностроение. 1987. - № 9. - С. 45-51.

15. ГОСТ 37.001.054-86. Автомобили и двигатели. Выбросы вредных веществ. Нормы и методы определения, М: Изд-во стандартов, 1986. - 56 с.

16. Дан П., Рей Д. Тепловые трубы. М.: Энергия, 1979. - 272 с.

17. Двигатели внутреннего сгорания: Учеб. / Под ред. В.Н. Луканина. -М.: Высш. шк., 1995.-1 кн.-268 с.

18. Двигатели Стирлинга / Под ред. М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1977. - 152 с.

19. Двигатели Стирлинга / Пер. с англ. Б.В. Сутугина / Под ред. В.М. Бродянского. М.: Мир, 1975. - 448 с.

20. Дубовкин Н.Ф. Справочник по углеводородным топливам и их продуктам сгорания. М.: Госэнергоиздат, 1962. - 288 с.

21. Евенко В.И. Определение основных параметров регенераторов двигателей Стирлинга//Двигателестроение, 1983. №2. - С. 17-19.

22. Елисеев В.Б., Сергеев Д.И. Что такое тепловая труба? М.: Энергия, 1971.- 136 с.

23. Зедгинидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. М.: Наука, 1976. - 390 с.

24. Земельман М.А. Метрологические основы технических измерений. -М.: Изд-во стандартов, 1991. 228 с.

25. Иванченко Н.Н., Ставнцкнй В.В. Теплообмен и гидравлическое сопротивление в регенераторе, спеченном из дискретных волокон меди // Двигателестроение, 1984. № 9. - С. 25-26.

26. Кирюшатов А.И. Использование нетрадиционных возобновляющихся источников энергии в сельскохозяйственном производстве. М.: Аг-ропромиздат, 1991. - 96 с.

27. Коваленко Ю. Ф. Повышение эффективности двигателей внутреннего сгорания за счет утилизации теплоты их отработавших газов: Дис. . .канд. техн. наук. Челябинск, 2003. - 174 с.

28. Козьминых В.А. Исследование элементов системы утилизации теплоты на базе двигателя Стирлинга для автомобильной техники: Дис. .канд. техн. наук. Челябинск, 1994. - 122 с.

29. Костенко Г.Н. Эксергетический анализ тепловых процессов и аппаратов. Одесса: ОПИ, 1964. - 32 с.

30. Котенко Э.В. Разработка математической модели и методики расчета аккумуляторов теплоты на фазовом переходе: Дис. . канд. техн. наук. -Воронеж, 1996. 125 с.

31. Кукис B.C. Двигатель Стирлинга как утилизатор теплоты отработавших газов. // Автомобильная промышленность. 1988. - № 9. - С. 19-20.

32. Кукис B.C., Вольных В.И. Некоторые результаты испытаний двигателя Стирлинга размерностью 3,0/6,5 // Двигателестроение. 1984. - №10. -С. 12-15.

33. Кукис B.C. Двигатели внутреннего сгорания: эксергетический анализ идеализированных циклов поршневых и турбопоршневых ДВС. Иркутск, 1973.-44 с.

34. Кукис B.C. Доводка рабочего процесса ДВПТ размерностью 3,0/6,5 // Двигателестроение, 1986. №5. - С. 53-55.

35. Кукис B.C. Потоки и потери эксергии в турбопоршневых ДВС // Рабочие процессы двигателей внутреннего сгорания. Иркутск, 1975. - С. 15-28.

36. Кукис B.C. Системно-термодинамические основы применения двигателей Стирлинга для повышения эффективности силовых и теплоис-пользующих установок мобильной техники: Дис. . д-ра техн. наук. Челябинск, 1989. - 461 с.

37. Кукис B.C. Энергетические установки с двигателем Стирлинга в качестве утилизатора тепловых потерь. Челябинск: ЧВВАИУ, 1997. 122 с.

38. Кукис B.C., Богданов А.И. Результаты снижения токсичности отработавших газов дизеля КамАЗ-740 с помощью каталитического нейтрализатора // Труды Таврической государственной агротехнической академии. -Мелитополь, 1998. Вып. 2. - Т. 6. - С. 38-44.

39. Кукис B.C., Гордеева Л.П. Химическая эксергия топлива для поршневых ДВС // Материалы науч.-техн. конф. Иркутского политехи, ин-та. -Иркутск, 1975.-С. 28-31.

40. Кукис B.C., Дуюн В.И. Применение двигателя Стирлинга для обеспечения автономности тепловых генераторов мобильной техники // Тр. ТГАТА. Мелитополь, 1998. - Вып.2. - Т.6. - С. 23-27.

41. Кукис B.C., Шуховцев В.В. Утилизационная стирлинг-электрическая установка: Совершенствование систем автомобилей, тракторов и агрегатов: Сб. статей / Российская академия транспорта, АлтГТУ им. И.И.Ползунова Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2003. - С. 35-39.

42. Кукис. B.C., Карасев А.В. Силовая установка. А.С. SU 17376448 Al, Н 02 К 23/00. F 02G 1/043. Опубл. 30.05.92. Бюл. №20.

43. Кукис B.C., Шуховцев В.В. Отработавшие газов ДВС как источник теплоты для утилизационного двигателя Стирлинга // Материалы 4-ой Всероссийской науч. -техн. конф. «Современные тенденции развития автомобилестроения в России». Тольятти. - 2005. - С. 33-37.

44. Куколев М.И. Проектный анализ тепловых аккумуляторов: Дис. . канд. техн. наук. Киев, 1996. - 113 с.

45. Кулинченко В.Р. Справочник по теплообменным расчетам. Киев: Техника, 1990. - 168 с.

46. Лев Ю.Е., Юнда Ю.Д. Эксендер // Исследование поршневых двигателей. Ангарск: Изд-во ИЛИ, 1971. - С. 7-10.

47. Левенберг В.Д., Ткач М. Р. Определение эффективности стирлинг-генератора с тепловым графитовым аккумулятором // Судовое энергомашиностроение. Николаев, 1983. - С. 16-27.

48. Левенберг В.Д. Энергетические установки без топлива. Л.: Судостроение, 1987. - 104 с.

49. Луканин В.Н., Шатров М.Г, Кампфер Г.М. и др. Теплотехника: Учебн. для вузов / Под ред. В.П. Луканина. 2-е изд., перераб. - М.: Высш. шк., 2000.-671 с.

50. Лушпа А.И. Термодинамические методы исследования совершенства циклов тепловых двигателей: М.: Изд-во МАДИ, 1982. - 69 с.

51. Лыков А. В., Михайлов Ю. А. Теория тепло- и массопереноса. -Л.: Наука, 1963.-535 с.

52. Мацу сита К. Теплоаккумулирующий состав. Патент 1-33504 Япония, МКИ С 09 К 5/00. №1439014. Заяв. 01.12.87. Опубл. 02.04.89.

53. Медведков В.И., Билык С.Т., Гришин Г.А. Автомобили КамАЗ-5320, КамАЗ-4310, Урал-4320: Учеб. пособие. М.: ДОСААФ, 1987. -372 с.58 .Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. М.: Высш. шк., 1980.-245 с.

54. Нефедов Д.В. Использование теплоты отработавших газов для снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания: Дис. .канд. техн. наук. Рязань, 2003. - 127 с.

55. Нечаев С.Г., Камфер Г.М. Прикладная термодинамика ДВС. М.: Изд-во МАДИ, 1966.-93 с.

56. Новоселов A.JL, Мельберт А.А., Беседин C.JI. Основы инженерной экологии в двигателестроении. Барнаул: АлтГТУ, 1993. - 99 с.

57. Орехов В.А. Разработка и исследование аккумуляторов теплоты фазовых переходов для речных судов: Дис. .канд. техн. наук. Владимир, 1994.- 123 с.

58. Панталоне И.Н. Аккумулирование энергии за счет теплоты плавления солей: изучение контактного теплообменника с кристаллизацией соли при течении / Пер. с итал. "Rev. phys. apl". -1979. С. 113-124.

59. Постол Ю.А. Разработка и исследование двухмерной системы автоматического регулирования двигателя Стирлинга небольшой мощности: Дис. .канд. техн. наук. Киев, 2004. 132 с.

60. Приходько И.М., Клепанда А.С. Расчетное исследование нестационарных термогазодинамических процессов во внутреннем контуре двигателя Стирлинга // Двигатели внутреннего сгорания: Респ. межвед. науч.-техн. сб. Харьков, 1987. Вып. 46. - С. 31 - 37.

61. Пьезоэлектрический двухлучевой индикатор давления типа 2780-S: Руководство по эксплуатации. Будапешт: Орион-КТС, 1978. - 88 с.

62. Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга / Пер. с англ. С.С. Ченцо-ва, Е.Е. Черейского, В.И. Кабакова. М.: Мир, 1986.- 464с.

63. Ройзен Л.И., Дулькин И.Н. Тепловой расчет оребренных поверхностей / Под ред. В.Г. Фастовского. М.: Энергия, 1977. - 256 с.

64. Стефановский Б.С. и др. Использование энергии горючих сельскохозяйственных отходов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1997. №6- С. 21-22.

65. Столяров С.П. Двигатели Стирлинга: Проблемы XXI века. Инженерные проблемы маркетинга // Двигателестроение,- 2002. №1. - С. 9-12.

66. Тепловые трубы / Под ред. Э.Э. Шпильрайта. М.: Мир, 1972.420 с.

67. Уокер Г. Двигатели Стирлинга: Сокр. пер. с англ. М.: Машиностроение, 1985. - 408 с.

68. Фуимото Т. Силовая передача в газовом возвратно-поступательном двигателе внешнего сгорания с магнитным устройством, препятствующим утечек газа. Патент Японии, МКИ4 F 02 G 1/053. -№60-26148. Опубл. 20.07.83. №11-390.

69. Цейхместрук Ю.А. Исследование характеристик утилизационного нейтрализатора отработавших газов // Материалы Всероссийской науч.-техн. конф. «Проблемы энергосбережения и энергобезопасности в Сибири». Барнаул, 2003. - С. 159-169.

70. Чирков А.А. Теория ребер и игл кругового профиля // Тр. РИИЖТ. М.: Трансжелдориздат, 1958. - Вып.21. - С. 123-136.

71. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия / Пер. с польск. Ю.И. Батурина, Д.Ф. Стрижижовского / Под ред. В.М. Бродянского. М.: Энергия, 1968. - 277 с.

72. Эксергетические расчеты технических систем / Под ред. А.А. До-линского и В.М. Бродянского. Киев: Наукова думка, 1991. - 359 с.

73. Эксергетический метод и его приложения / Пер. Н.В. Калинина и др. / Под ред. В.М. Бродянского. М.: Мир, 1967. - 247 с.

74. Эмори К. Электрогенератор с приводом от двигателя Стирлинга. Патент Японии, МКИ4 F 02 G 1/043. 359-17261. Опубл. 20.04.84. - №5-432.

75. Энергия и эксергия / Пер. с нем. Н.В. Калинина / Под ред. В.М. Бродянского. -М.: Мир, 1968. 188 с.

76. Alleau Т., Brichard A., Chabanne J., De bailee J. The combined molten salt termal storage and sodiam heat pipes for the ECA Stirling engine // Proc. 18th Intersoc. Energy Conver, Eng. Conf. 1983. Vol. 2. - P. 796-801.

77. Alleau Т., Brichard A., Chabanne J., De bailee J. The combined molten salt termal storage and sodiam heat pipes for the ECA Stirling engine // Proc. 18th Intersoc. Energy Conver, Eng. Conf., 1983. Vol. 2. - P. 796-801.

78. Berndes C. Hochtemperaturloten von Stirlingkomponenten // Tagungs-band des Europaishes Stirling Forum 2000 / Fachhochschule Osnabriick Osnabriick, 2000.-S. 363-371.

79. Carlsen H. Large eight-cylinder Stirling engine for biofuels // Proceedings 11th Int. Stirling Engine Cont. and Exhib. ISEC'97, Graz, Austria, 22-25 September 2003. - P. 255-263.

80. Carlsen H., Bovin J. Results from test with wood chips as fuel in a large Stirling engine // Proceedings of the European Stirling Forum 1998, Osnabriick, 24-26 February 1998. P. 141-147.

81. Chung W.S., Shin D.K., Kim S.Y. Study of the low cost Stirling engine and its performance test results: Paper ISEC 97056 // Proceedings 8th Int. Stirling Engine Cont. and Exhib. ISEC97, Ancona, 27-30 May 1997. - P. 399-404.(1-28)

82. Fedele L., Naso V., Walker G. Research and development of a biomass fired Ringbom-Stirling engine: Paper ISEC 97040 // Proc. 8th Int. Stirling engine conf. and exhib., Ancona, 27-30 May 1997. P. 277-298.

83. Finkelstein T. Air Engines // The Engineer, 1959. March 27. - P. 492497; April 3. - P. 522-527; April 10. - P. 568-571; May 8. - P. 720-723.

84. Hulsing K. Diesel-Stirling combinatiog may imprane effiensi // Auto-mob. Eng., 1979. №10 - P. 90-93.

85. Johansson L. Small Stirling machines for stationary applications // Inst.of Gas Tech. Seminar, Stirling Cycle Prime Movers, Chicago. June 1978. P. 111-115.

86. Lia T.A., Lagerqvist R.S.G. Stirling engine with unconventional heating system// Proceedings of 8th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Philadelphia, 1973. New York, 1973. P. 165-173.

87. Moch U. Auslegung und Fertigung eines Kleinst-BHKW-Stirlingmotors // Tagungsband des Europaishes Stirling Forum 1998, Osnabruck, 24-26 Februar 1998. S. 169-172.

88. Organ A.J. A thumb-nail sketch of the gas processes in the Stirling cycle m96. achine // Proc. Inst. Mech. Engr. 1992. Vol. 206. - Part C. - P. 239-248.

89. Raggi L., Sekiya H., Katsuta M. Research and development of a lkW class gamma type Stirling engine: Paper ISEC 97076 // Proceedings 8 th Int. Stirling Engine Cont. and Exhib. ISEC97, Ancona, 27-30 May 1997. - P. 549-558.

90. Rant Z. Energie und Exergie. VDI-Verlag, Dusseldorf, 1965. 133 s.

91. Starr F. High temperature heat exchangers for Stirling engines // Proceedings of the European Stirling Forum 1996, Osnabruck, 26-28 February 1996. -P. 288-313.

92. Universal heat transfer system for Stirling engine: Paper ICSC-95021 / N.I. Loginov, M.N. Ivanovsky, B.A. Chulkov e.a. // Proceedings 7th International Conference of Stirling Cycle Machines, November 5-8,1995, Tokyo. P. 149-154.

93. Urieli I., Berchowitz D. Stirling Cycle Endgine Analysis, Bristol, 1984.254 p.

94. Viebach D. The Stirling engine ST05G gamma type loaded with air at 1 MPa // Proc. 8th Int. Stirling engine conf. and exhib. - ISEC'97, Ancona, 27-30 May 1997. - P. 219-224.

95. Walker G. Stirling engines. Oxford: Clarendon Press, 1980. 523 p.

96. Walker G., Eng P., Slusher U. Ultra-compact advanced technology free-piston Stirling power// Proceedings 11th Int. Stirling Engine Cont. and Exhib. -ISEC'97, Graz, Austria, 22-25 September 2003. P. 367-375.