автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Применение двигателя стирлинга для обеспечения автономности тепловых генераторов мобильной техники

К и ОД 2 >\ НОП '-П7

На правах рукописи

ДУЮН Владимир Иванович

ПРИМЕНЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯ СТЕРЛИНГА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОНОМНОСТИ ТЕПЛОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ МОБИЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Специальность: 05.04.02 — тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск 1997

На правах рукописи

ДУЮН Владимир Иванович

ПРИМЕНЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОНОМНОСТИ ТЕПЛОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ МОБИЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Специальность: 05.04.02 - тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск 1997

Работа выполнена в Челябинском высшем военном автомобильном инженерном училище имени главного маршала бронетанковых войск

П.А. Ротмистрова

Научные руководители: заслуженный деятель науки Российской Федерации

доктор технических наук, профессор В С. Кукис; кандидат технических наук, доцент Г.Л. Осипов. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Е. А. Лазарев кандидат технических наук, доцент М.В. Марков

Ведущее предприятие: Челябинский Государственный научно-исследовательский институт по промышленным тракторам.

Защита состоится 1997 Года в/часов на

заседании диссертационного совета К 053. 13. 02. при Челябинском государственном техническом университете (454080 г. Челябинск, пр. Ленина,76).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЧГТУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета. Автореферат разослан " 1997 г.

Ученый секретарь .

диссертационного // канд. техн. наук, доцент

совета / // В. В. Жеспсов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

лстуалыюсть темы исследования. Эффективность использования мо-ной техники в условиях низких температур окружающей среды в боль-степени определяется возможностью подготовки к пуску силовой уста-и после продолжительной стоянки в этих условиях, агрегатов к движе-и созданию требуемого ГОСТом микроклимата в кабине транспортного ~гва. Наиболее актуальным из перечисленных условий является пуск ателя. При отсутствии возможностей гарантированного пуска силовой ювки после продолжительной стоянки эксплуатация мобильной техники ювиях сурового климата связана с необходимостью постоянной работы 1теля в течение всего зимнего периода, что приводит к значительному расходу топлива и моторесурса, возрастанию расходов на техническое гживание, увеличению выбросов токсичных веществ в атмосферу, шое значение и широкое применение в этой связи получили генераторы эты - пламенные подогреватели и отопители. Эти агрегаты, обладая ря-положительных качеств, имеют одну общую особенность, являющуюся щественным недостатком,- для функционировать! им необходима элек-;ская энергия аккумуляторных батарей в течение всего срока работы, ому продолжительность работы предпусковых подогревателей и отопи-I ограничивается степенью разряженности аккумуляторных батарей, месте с тем продукты сгорания, выбрасываемые из этих установок в ат-еру, содержат значительное количество энергии, термический потенциал юй весьма высок.

1ким образом существует реальная научная проблема, состоящая в реи противоречий :

а) между необходимостью увеличения продолжительности работы предпусковых подогревателей и отопителей и уменьшением потребления энергии аккумуляторных батарей;

б) необходимостью энергетических затрат на обеспечение работы тепло-генерирующих установок и значительным количеством высокопотенциальной энергии, выбрасываемой из этих установок в атмосферу с продуктами сгорания.

Цель работы заключалась в разработке и исследовании технической системы "генератор теплоты мобильного средства - стирлинг-генератор электрической энергии" для обеспечения электрической автономности теплового генератора за счет утилизации энергии продуктов сгорания, выбрасываемых им в атмосферу.

Объектом экспериментального исследования в настоящей работе служил отопитель ОВ-65Б, который рассматривался как первичный контур, и двигатель Стерлинга размерностью 5,5/2,1, который рассматривался как вторичный контур установки двухуровневого использования теплоты.

Предметом исследования являлись энергетические процессы в установке двухуровневого использования теплоты, а также результаты функционирования элементов, контуров системы и установки в целом.

Гипотеза исследования. Предполагалось:

а) что запаса энергии в продуктах сгорания, выбрасываемых в атмосферу из теплогенерирующих установок, достаточно для обеспечения работы утилизационного стерлинга;

б) за счет работы утилизационного стерлинга с электрическим генератором удастся не только обеспечить электроэнергией отопитель, но и получить дополнительную электроэнергию для других потребителей.

Для достижения цели работы, на основании гипотезы исследования, были поставлены следующие задачи:

1. Сформулировать принципы системно-термодинамического анализа установок двухуровневого использования теплоты (УДИТ), включающих тепловой генератор в качестве преобразователя высокопотенциальной теплоты и утилизационный стирлинг-генератор электрической энергии как преобразователь теплоты с меньшим термическим потенциалом.

2. Разработать систему показателей для оценки эффективности элементов установок двухуровневого использования теплоты, включающих тепловой генератор и утилизационный стирлинг-генератор электрической энергии, и протекающих в таких системах энергетических процессов.

3. Исследовать структуру энергии потока продуктов сгорания, выходящих из тепловых генераторов, и механизм ее передачи во вторичный контур использования теплоты УДИТ.

4. На базе одного из генераторов теплоты, используемых на объектах мобильной техники, создать экспериментальную УДИТ, автономную с точки зрения потребления электрической энергии.

5. Экспериментально подтвердить возможность обеспечения электрической автономности тепловых генераторов и провести экспериментальные исследования энергетических процессов, протекающих в УДИТ, включающих тепловой генератор в качестве первичного контура использования теплоты и утилизационный стирлинг-генератор в качестве вторичного контура.

Методологической основой исследования служили основные положения системного подхода, классическая термодинамика, эксергетический метод термодинамического анализа и теория рабочего процесса тепловых двигателей.

Методы исследования. В работе использовались расчетно-аналитические, теоретические и экспериментальные методы, привлекались вычислительная техника, специальная измерительная и регистрирующая аппаратура. Достоверность результатов обеспечивалась подбором современной

измерительной аппаратуры, контролем погрешностей и систематической ( поверкой, а также выполнением рекомендаций соответствующих стандарте и других источников по провидениям испытаний и оценке их результатов.

Научная новизна и теоретическая значимость работы заключается следующих положениях, выносимых на за1циту:

1. Разработаны основные положения системно-термодинамического по, хода к изучению энергетических процессов в установках двухуровневого и пользования теплоты, включающих теплогенерирующие установки мобил: ной техники в качестве первичного контура и. утилизационный стирлин генератор электрической энергии как вторичный контур использования те] лоты.

2. Сформулированы принципы качественной оценки эффективности эл! ментов названных установок, с наибольшей возможной полнотой и отчетл! востью позволяющие установить причины существования "узких мест" щ следуемой технической системы, их происхождение и физическую природ что является главным условием полезности теоретических знаний.

3. Разработаны теоретические основы оценки работоспособности проду! тов сгорания, выбрасываемых в атмосферу теплогенерирующими установи ми.

4. Проведены экспериментальные исследования термодинамических нр< цессов в установке двухуровневого использования теплоты, включающей п пловой генератор ОВ-65Б (широко используемый на объектах мобильнс техники) и утилизационный стирлинг-генсратор электрической энергии.

Практическая ценность работы:

1. На базе теплового генератора ОВ-65Б создана экспериментальная уст. новка двухуровневого использования теплоты с утилизационным стирлин; генератором электрической энергии на базе двигателя Стирлинга ДС 5,5/2,]

2.Экспериментально подтверждена возможность обеспечения длительной работы теплового генератора ОВ-65Б, входящего в УДИТ, без использования внешних источников электрической энергии после выхода установки на нормальный режим работы и получения дополнительной электрической энергии для других потребителей. При этом включение отопителя в состав УДИТ не снижает его показателей ниже паспортных данных.

Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается:

- применением современной измерительной аппаратуры;

- получением практического эффекта при реализации теоретических положений работы.

Апробация работы н внедрение результатов. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на межвузовской научно-технической конференции "Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин", г. Челябинск, 1991 г.; научно-технических конференциях Челябинского высшего военного автомобильного инженерного училища, 1992-1996 гг.; У Всероссийском научно-техническом семинаре "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС", г. Владимир, 1995 г.; научно-технической конференции Челябинского агроинженерного университета, 1997 г.

Результаты работы могут быть использованы для углубленного анализа термодинамических процессов в установках двухуровневого использования теплоты; изучения различных факторов, влияющих на эти процессы; сравнительной оценки конструктивных вариантов элементов, подсистем и систем рассматриваемой установки с целью повышения ее показателей.

Представленные в диссертации материалы могут найти применение в научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях, занимающихся созданием теплогенерирующих установок.

Реализация результатов работы состоит в том, что они использованы и внедрены:

- при выполнении курсовых и дипломных работ, а также при чтении отдельных разделов курса лекций по дисциплинам "Теплотехника" и "Двигатели военной автомобильной техники" в Челябинском высшем военном автомобильном инженерном училище;

- разработке перспективных систем нормализации микроклимата в кабинах объектов мобильной техники и обеспечения пуска ее силовых установок в условиях низких температур окружающего воздуха на Шадринском автоагрегатном заводе;

- разработке перспективных направлений в повышении готовности мобильной техники к использованию в экстремальных условиях в НИИИАТ-21 МО РФ (г. Бронницы).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, насчитывающего 123 источника, и приложений. Материалы исследования иллюстрированы 38 рисунками и 8 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

) введении раскрываются актуальность темы диссертации, ее научная но-I, дается общая характеристика выполненных исследований, приводятся ¡ные положения работы, выносимые на защиту.

первой главе рассматриваются основные проблемы эксплуатации мо-юй техники в условиях низких температур окружающей среды и пути их ешя. Указано, что большое значение и широкое применение в этой связи пии генераторы теплоты - пламенные подогреватели и отопители. При-ы технические характеристики основных из них и дается предваритель-анализ энергии продуктов сгорания, выбрасываемых из теплогенери-шх установок в атмосферу. Анализируются возможные направления ис-ювания термического потенциала продуктов сгорания, эивсдена сравнительная оценка основных способов утилизации энергии тегов сгорания. Обосновывается принципиальная возможность создания овок использования теплоты, включающих два контура: теплогенери-[ую установку и двигатель Стерлинга.

заключении первой главы формулируются цель и задачи исследования. ) второй главе рассмотрены основы системно-термодинамического ана-установок двухуровневого использования теплоты (УДИТ). Указывает-о предметом исследования является техническая система, включающая онтура использования теплоты: первичный (ПКИТ), которым является [усковой подогреватель или отогаггель, и вторичный (ВКИТ), в котором [ьзуется двигатель Стирлинга, предназначенный для превращения теп-в работу с последующей ее трансформацией в электроэнергию, главе сформулированы основные этапы исследования процессов, про-дацих в УДИТ, которая представляет собой техническую систему с тре-рархпческими уровнями. Рассмотрены связи между элементами уста-[ на всех уровнях.

На базе обсуждения принципов системно-термодинамического ан составлен комплекс характеристик для оценки эффективности УДИТ, I чающий следующие основные показатели: эксергетическую производи ность, потребление эксергии, эксергетический КПД, удельные затраты з гни, эксергетическую характеристику элемента системы, структурные фициенты, степень использования эксергии, коэффициент работоспособ теплоты.

Третья глава посвящена исследованию энергии потока продуктов с ния, уходящих из теплогенерирующих установок,и вопросам эффектив передачи эксергии из первичного контура во вторичный.

Показано, что уходящий из ПЕШТ поток продуктов сгорания (р; обладает энергией (Елс), которая складывается из химической (Ехх), тер: ской (Ехт) эксергии и анергии теплового потока (Апс). ' В случае создания системы для утилизации теряемой с продуктами с

■ ния теплоты (ОпС) во вторичный контур направляется некоторое ее кош

во <3ВКИТ. Этот поток состоит из эксергии (Ехьтт) и анергии (А^). Оста ' часть энерпш Еп0 уходит в окружающую среду и представляет собой "по

энергии (Пс). Важным фактором, характерным для процесса передачи т ты из первичного контура во вторичный, является существование раз температур продуктов сгорания и рабочего тела утилизатора. Следе этого является диссипация части эксергии, направляющейся во I (Ехвкит). В результате для утилизации во вторичный контур поступает ме эксергии, чем ее было отдано первичным контуром (Ехут<Ехвкит). В дисс ции показано, что между эксергией, попавшей во ВКИТ (Ех^), и колич& теплоты, переданной ему, не существует пропорциональной зависш » (рис. 2). С увеличением доли теплоты, отводимой от продуктов сгорани

последующей утилизации (£д=(5уг/рпс), которое происходит при уменьп максимальной температуры рабочего тела Стерлинга, количество посту!

Из первичного контура использования теплоты

Е пс

о,

В окружающую среду

По вторичный конгур использования теплоты

Рис. I. Структура энергии потока продуктов сгорания

Рис. 2. Зависимость энергетических показателей продуктов сгорания от доли теплоты, отводимой из ПКИТ для последующей утилизации

.ей во вторичный контур экеергии сначала растет, достигает максимума в Зласти ^-0,6, а затем уменьшается до нуля. Объясняется это все большей пницсй температур продуктов сгорания и рабочего тела двигателя Стир-инга, так как увеличить количество передаваемой теплоты в рассматривае-ом случае можно только уменьшая температуру теплоприемника. С при-пижением температуры рабочего тела утилизатора к температуре окружающей среды поступающая во ВКИТ теплота все более обесценивается, проис-эдит диссипация ее экеергии, которая в пределе вся переходит в анергию.

Для оценки работоспособности продуктов сгорания предложен комплекс эказателей, вытекающих из системы балансовых уравнений:

ОС . ОС * \

еХут = епс - ехх - е*т - d - апс ; (1)

ОС , ОС /л\

СХут =Чпс-еХт -d-anc; (2)

ехут = ехпс - еХх - < - (1 . (3)

Очевидно, что первое из них описывает энергетическую картину рассмат-иваемого процесса во всей полноте, второе является эксергоанергетическим алансом теплового потока от продуктов сгорания к рабочему телу утилиза-эра, а третье - их эксергетическим балансом.

После деления (1) на епс, (2) - на qnc, а (3) - на схпс указанные зависи-ости примут вид:

fe=l_S«_S~_5-_5«; (4) .

fq = l-5°qc-5j-5;; (5)

fex-l-S«"C-Scx- (6)

Полученные безразмерные величины имеют вполне определенный физи-еский смысл. fe - это доля экеергии, которая может быть передана во вто-ичный контур, во всей энергии продуктов сгорания. Поскольку ехут

представляет собой удельное количество энергии, которое принципиально1 может быть преобразовано в работу, то ^ характеризует потенциальную степень использования энергии потока продуктов сгорания. По аналогии ^ -

потенциальная степень использования потока теплоты продуктов сгорания, а параметр 1Гех - потенциальная степень использования эксергии продуктов сгорания.

Параметры являются относительными величинами по-

терь соответственно химической, термической составляющих эксергии, се диссипаций и анергии продуктов сгорания.

К рассмотренным величинам целесообразно добавить эксергетическис характеристики потока теплоты продуктов сгорания (у„с= ех^/ц,,,.) и утилизируемой теплоты (у^еху^уг).

При анализе структуры энергии потока продуктов сгорания составляющие исследовались в относительной (безразмерной) форме. Масштабом отнесения служило произведение тпсКосТос.

С помощью этих характеристик проводился детальный анализ структурь энергии потока продуктов сгорания и фиксировались потери работоспособно ста, обусловленные теми или иными причинами.

Очевидный интерес представляет интерпретация потоков эксергии отра ботавших газов через количество топлива, расход которого эквивалентен со отвсгсгвующим количествам эксергии. В этом случае может быть о пределе] как перерасход топлива, обусловленный той или иной статьей потерь, так ] потенциальная мощность, которую мог бы дать В КИТ в случае полной утили зации соответствующих потерь. В табл. 1 приведены некоторые усредненны по предпусковым подогревателям и отопктелям показатели потока продукта сгорания на характерных режимах их работы, которые свидетельствуют значительном количестве энергии, содержащейся в них.

Некоторые показатели потока продуктов сгорания, выбрасываемых из теплогенерирующих установок в атмосферу

Тип установки в"с., пер г топя кг ПС в , ут г топя кг ПС Вт кг ПС

Предпусковые подогреватели 7,7 46,1 26,8 4,3 55.3

Отопительно-вентиляционные установки 9,9 54,9 29,7 5,7 71,6

Учитывая существенные расходы продуктов сгорания, можно говорить о шетных перерасходах топлива рассматриваемыми установками (колонка 2).

Характерно, что теряемая с продуктами сгорания энергия достаточно вы-окопотенциальна.. Данные колонки 3 показывают, что доля термической эк-сргии в теряемой теплоте составляет в среднем практически 50 %.

Потенциальная степень использования этой эксергии лежит в диапазоне 5-30 % (колонка 4).

Утилизация термической эксергии продуктов сгорания во ВКИТ позволят увеличить полноту использования введенного в отопитель топлива на 4-6 г [ получить дополнительно 55-71 Вт мощности на каждый килограмм продук-ов сгорания (колонки 5 и 6 соответственно).

В четвертой главе описываются экспериментальная установка и методн-:а исследования.

Экспериментальная установка включала отопитель ОВ-65Б, который рассматривался в качестве первичного, и двигатель Стерлинга размерностью

5,5/2,1 с электрическим генератором,рассматриваемый в качестве вторичного контура использования теплоты.

В диссертации приведено устройство первичного и вторичного контуров использования теплоты. Экспериментальная установка была оборудована необходимой измерительной техникой, позволяющей с требуемой точностью получать значения интересующих нас параметров.

В главе отмечено, что исследование установки двухуровневого использования теплоты проводилось в три этапа. При этом на первом и втором этапах рассматривались термодинамические процессы в элементах контуров и контурах УДИТ, а на третьем этапе была проведена экспериментальная проверка возможности обеспечения электрической автономности созданной УДИТ.

Пятая глава содержит результаты экспериментального исследования.

В соответствии с методикой исследования на первом этапе рассмотрены особенности установки двухуровневого использования теплоты как многоуровневой термодинамической системы.

На втором этапе была изучена работа ОВУ. Табл. 2 содержит экспериментальные данные по внешнему эксергетическому балансу при работе уста новки на двух возможных режимах. Необходимо отметить, что приведенньк в табл. 2 величины термической эксергии продуктов сгорания соответствую-их температуре на выходе из отопителя, а это чуть больше 250 °С. Этоп температурного уровня недостаточно для привода в действие двигател: Стирлинга, в котором имеют место потери эксергии при ее передаче чере стенки нагревателя к рабочему телу. Поэтому нагреватель стирлинга бы; размещен в камере догорания, где температура продуктов сгорания достигае 1100-1200 К.

Рассмотрены энергетические и эксергетические процессы в ОВУ. Наи больший интерес представляют эксергетические процессы, происходящие отопителе (рис. 3, табл. 2). Анализ этих процессов показывает, что наиболее

Электрическая энергия ^ 1,0 (0,9)

Эксергия топлива

Эксергия теплоты,

отводи мой. от поверхности ОВУ

"Потери" экеергии из-за 3,4 (3,4) ^ 13,9 ^ 0,5 неполноты сгорания топлива (14,7) (0,7)

20,2 (20,0)

Кинетическая (0,1) энергия потока нагретого воздуха

19,6 Термическая эксергия ]) нагретого воздуха

Ь,01(0,01) Кинетическая энергия потока ПС

Термическая эксергия Г1С Химическая эксергия ПС

Рис. 3. Диаграмма потоков экеергии в ОВУ (НВКС - нагнетатель воздуха в камеру сгорания; ВНВ - нагнетатель нагреваемого воздуха; КС - камера сгорания; ТН - топливный насос; ТО - теплообменник

Составляющие внешнего эксергетического баланса отопителыю-вентиляциоппой установки 013-65Б

Режим работы ОВУ

Составляющие баланса 'полный частичный

• Вт . % Вт %

Эксергня топлива 12912 99,02 8607 99,15

Электрическая энергия, затра-

чиваемая на привод:

- вентилятора воздуха для на- 120 0,92 68 0.78

грева;

- нагнетателя воздуха в камеру 8 0,06 6 0,07

сгорания и топливного насоса

Термическая, эксергня потока нагретого воздуха 2560 19,63 1574 18,13

Кинетическая энергия потока нагретого воздуха 15 0,11 8 0,09

Термическая эксергня продуктов сгорания 1811 13,89 • 1276 14,70

•Химическая эксергня продуктов сгорания 67 0,51 64 0,74

Кинетическая энергия потока продуктов сгорания 1 0,01 0,5 0,01

Эксергня теплоты, отводимой от поверхности ОВУ 65 0,50 44 0,51

Потери эксергии, связанные с неполнотой сгорания топлива 443 3,40 295 3,40

существенные потери эксергии происходят при сжигании топлива в камере сгорания (более 20 %) и в процессе передачи теплоты от продуктов сгорания нагреваемому воздуху в теплообменнике (более 40 %).

На третьем этапе исследования была подтверждена гипотеза о работоспособности УДИТ с отошггелем ОВ-65Б в качестве первичного и утилизационным стирлинг-генератором в качестве вторичного контура использования теплоты, а также определены параметры, необходимые для расчета потоков энергии, эксергии и анергии во всех элементах установки. Эксперименталь-in>ie исследования показали, что продолжительность работы установки ограничивается только наличием топлива в баке.

В табл. 3 приведет составляющие внешнего эксергоанергетического баланса УДИТ при работе установки на двух возможных режимах ее работы. Диаграмма потоков эксергии и анергии при работе установки на полном режиме показана на рис. 4, где сокращенные обозначения элементов ВКИТ означают: СГГГ - система подвода теплоты; ВК - 'внутренний контур; СОТ -система отвода теплоты; ПМ - приводной механизм; ЭГ - электрический генератор.

Как видно, УДИТ использует только "чистую" эксерппо топлива. Ее потребление (Рех) составляет чуть более 12,9 кВт. Эксергия атмосферного воздуха, подаваемого в установку для сжигания топлива и нагрева, равна нулю. Эксергетическая производительность УДИТ (Рех) складывается из производительности двух видов продукции: нагретого воздуха и электрической энергии. При работе установки на рассматриваемом режиме Рех составила несколько более 2,5 кВт. В результате эксергетический КПД УДИТ оказался равным 19,97 %.

Тепловая производительность составила чуть более 7,6 кВт, что обеспечило эффективность УДИТ по этому показателю на уровне 62,14%.

Отметим, что сопряжение ОВУ с утилизационным стирлинг-генератором несколько снизило тепловую производительность отопигеля (на 335 Вт, т.е. на 4,21 %).

Нагретый воздух содержит примерно 2,4 кВт эксергии и характеризуется коэффициентом работоспособности те) равным 0,32.

Расход первичной эксергии на единицу эксергии нагретого воздуха составил 5,27 кВт/кВт, а удельные затраты эксергии для всей УДИТ -5,01 кВт/кВт, что является не очень большой величиной.

Внешние потери УДИТ складываются из потерь эксергии и анергии с теплотой, рассеиваемой в окружающую среду с поверхностей первичного и вторичного контуров использования теплоты, и энергии, выбрасываемой из УДИТ с продуктами сгорания.

Внешние потери энергии, связанные с ПКИТ, составляют 83,44 % общих внешних потерь УДИТ. 16,56 % последних приходится на В КИТ. Соответствующие структурные коэффициенты потерь эксергии равны 0,983 на полном режиме работы ( 98,34 % - на частичном режиме) и 0,017 (1,66 %). Наибольший вклад во внешние потери энергии (65,87 %) приходится на теплоту, уносимую из УДИТ с продуктами сгорания. Следует отметить, что их коэффициент работоспособности достаточно велик - 0,467. Значительно меньшая часть потерь энергии связана с теплотой, рассеиваемой в окружающую среду с поверхностей первичного и вторичного контуров УДИТ -17,78 %. Отметим, что коэффициент работоспособности этой теплоты в среднем весьма низок - 0,096. Еще меньшая часть потерь энергии обусловлена неполнотой сгорания топлива - 10,02 %. Однако вся теряемая здесь энергия представляет собой эксергию топлива, т. е. коэффициент работоспособности этой эксергии равен единице. Чуть более 1 % потерь энергии приходится на теряемую химическую энергию и около 0,3 % - на кинетическую энергию выходящего из УДИТ потока продуктов сгорания.

ш

Рис. 4. Эксергоансргсгмчсскип баланс УДИТ при рпиою ПК ИТ на полном режиме (расшифровку потоков см. в табл. 3)

Составляющие внешнего экссргоанергетического баланса УДИТ

Составляющие № на Режим работы ПКИТ

баланса рис. полный частичный

4 Вт % Вт %

Эксергия, потребляемая 1 12912 100,0 8607 100,0

УДИТ

Кинетическая энерг ия потока 2 14 0,11 6 0,07

нагретого воздуха

Теплота, уносимая нагретым 3 7614 58,97 4787 55.62

воздухом:

- термическая эксергия 2452 18,99 1471 1709

- анергия 5.162 39,98 3316 38,53

Химическая эксергия выбра- 4 67 0,52 64 0,74

сываемых из УДИТ продук-

тов сгорания

Кинетическая энергия потока 5 0,9 0,007 0,2 0,002

продуктов сгорания, выбра-

сываемых из УДИТ

Теплота, уносимая из УДИТ 6 3397 26,31 1973 22,93

с продуктами сгорания:

- термическая эксергия 1585 12,28 921 10,71

- анергия 1812 14,03 1052 12,22

Потери эксергии топлива, 7 516 4,00 412 4,79

связанные с неполнотой его

сгорания

Элсктрическая-энергия, вы- 8 127 0,98 173 2,01

рабатываемая УДИТ

Теплота, отводимая в окру- 9 855 6,62 847 9,84

жающую среду от поверхно-

сти ВКИТ:

- термическая эксергия 37 0,29 33 0,38

- анергия 818 6,33 814 9,46

Теплота, отводимая в окру- 10 '320 . 2,48 235 2,73

жающую среду от поверхно-

сти ПКИТ:

- термическая эксергия 50 0,39 36 0,41

- анергия 270 2,09 191 2,32

Несколько иначе распределяются по своему вкладу в общие потери эксер-[и ее составляющие. Структурные коэффициенты потерь эксергии имеют [едующие значения: термическая эксергия продуктов сгорания - 0,702

0.21 %), эксергия несгоревшего топлива - 0,229 (22,87 %), эксергия тепло-.1, рассеиваемой с поверхностей контуров УДИТ, - 0,039 (3,89 %), химиче-:ая эксергия продуктов сгорания - 0,30(2,97 %) и их кинетическая энергия -006 (0,63 %).

Приведенные характеристики позволили определить "перерасход" топли-

1, обусловленный соответствующими потерями эксергии. Оказалось, что пори термической эксергии выброшенных в атмосферу продуктов сгорания ■пвали дополнительный расход 66,9 г топлива в час, эксергии несгоревшего итлива - 21,8 г/ч, эксергии теплоты, рассеиваемой с поверхностей контуров ДИТ.- 3,7 г/ч, химической эксергии продуктов сгорания - 2,8 г/ч и их кине-[ческой энергии - 0,6 г/ч. Таким образом, общий "перерасход" топлива, обу-гавленный внешними потерями эксергии, составил 95,8 г/ч (9,39 % часового юхода топлива УДИТ).

Отметим, что при работе отопителя без утилизатора "перерасход" топлива 1ставлял 102,3 г/ч, т.е. был на 6,8 % выше.

чевидньш из диаграммы потоков эксергии и- анергии (см. рис. 4) вывод об феделяющей роли в УДИТ первичного контура количественно можно оце-ггь его соответствующим эксергетическим "весом" - 8пкит= 1,090. Для вто-гчного контура этот коэффициент равен только 0,069. Вклад в эксергетиче-ую производительность УДИТ каждого из контуров оценивается коэффи-гснгами 5пкпт=0,196 и 6вкит=0,020. Степень использования эксерпш во КИТ составила 1|явкит=0,102.

Не следует, однако, на основании приведенных цифр делать вывод о целесообразности создания УДИТ со столь мало вкладывающим (с точки

зрения эффективности использования эксергии) в общий результат вт ным контуром.

Так как целью создания УДИТ являлось обеспечение электрической номносги установки ОВ-65Б, то именно для этой цели был использован линг ДС 5,5/2,1 с электрическим выходом мощности. Из данных табл. видно, что мощность утилизационной системы может быть заметно Принципиально при использовании более мощного стирлинг-генер имеющего одинаковый с ДС 5,5/2,1 эксергетичесий КПД, на выходе и можно было бы получить более 0,5 кВт и повысить степень использс эксергии во В КИТ в 2,06 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволили получить следующие новые ные и практические результаты:

1. Сформулированы основные этапы системно-термодинамическоп лиза установок двухуровневого использования теплоты, включающих • вой генератор в качестве преобразователя высокопотенциальной тепл утилизационный стирлинг-генератор электрической энергии как прео! ватель теплоты с меньшим термическим потенциалом

2. Разработана система показателей для оценки эффективности уста двухуровневого использования теплоты, включающих тепловой генер; утилизационный стирлинг-генератор электрической энергии, а также ] кающих в таких системах энергетических процессов.

3. Исследована структура энергии потока продуктов сгорания, выходя и первичного кошура использования теплоты УДИТ в атмосферу, с учет* редачи части этой энергии во вторичный кошур. Разработаны принциг ределения оптимальной температуры процесса передачи теплоты от вь щих из теплового генератора продуктов сгорания к рабочему телу уп ционного стирлинга, обеспечивающей перенос во внутренний контур по

го максимально возможного количества эксергии при изобарном характере осматриваемого процесса.

4.На базе теплового генератора ОВ-65Б, широко используемого на объекте современной мобильной техники (вахтовые автобусы на базе автомоби-й УралАЗ, КамАЗ; штабные армейские машины с кузовами К-66; мастер-яе технического обслуживания и ремонта МТО-АТ, МРМ, MPC и др.), здана экспериментальная УДИТ с утилизационным стирлинг-генсратором гктрической энергии на базе двигателя Стирлинга ДС 5,5/2,1.

5. Экспериментально подтверждена возможность обеспечения длительной боты теплового генератора ОВ-65Б, входящего в УДИТ, без использования ешних источников электрической энергии после выхода установки на нор-льный режим работы.

6. Качественно и количественно изучены энергетические процессы, отекающие в созданной установке двухуровневого использования теплоты всех иерархических уровнях.

7. В результате проведенных экспериментальных исследований установ-но:

- что продолжительность непрерывной работы УДИТ без использования ешнего источника электрической энергии после пуска установки и выхода на номинальный режим работы ограничивается только наличием топлива гериодичностыо технического обслуживания;

ксергетическая производительность УДИТ при функционировании на полном жиме составила около 2,6 кВт и несколько более 1,6 кВт на частичном; соот-гствующие эксергетические КПД равнялись 19,77 и 19,68 %, а удельные за-пы эксергии - 5,01 и 5,24 кВт/кВт;

- тепловая производительность отопигеля ОВ-65Б при автономном в тошении внешних источников электрической энергии функционировании

в составе УДИТ снижается на 4,2 % при работе на полном и на 4,8 % - при работе на частичном режимах (что однако не выходит за границы паспортной тепловой производительности отопите ля); при этом в первом случае кроме теплого воздуха УДИТ вырабатывает для внешних потребителей 127 Вт электроэнергии на полном и 173 Вт на частичном режимах работы;

- элементом теплового генератора, в котором имеет место наибольшая (более 60 % от общей) диссипация эксергии, является теплообменник отопи-теля; предложены пути снижения этих потерь, что позволит увеличить производимую утилизационным стирлинг-генератором электрическую энергию и эксергетическую производительность УДИТ в целом.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Дуюн В.И. Повышение эффективности силовых установок мобильной техники за счет утилизации тепловых потерь // Совершенствование мощно-стных, экономических и экологических показателей ДВС: Тез. докл. Y науч.-практ. семинара. - Владимир, 1995. - С. 93-94.

2. Дуюн В.И., Кукис B.C. Энергетический баланс теплового генератора ОВ-65Б // Автомобильная техника. Силовые установки: Сб. науч. тр. ЧВВАИУ. - Вып. № 6. - Челябинск, 1996. - С. 79-86.

3. Дуюн В.И., Кукис B.C., Козьминых В.А. Выбор температуры процесса подвода теплоты к рабочему телу утилизационного двигателя Стерлинга // Автомобильная техника. Силовые установки: Сб. науч. тр. ЧВВАИУ. - Вып. № 6. - Челябинск, 1996. - С. 93-98.

4. Дуюн В.И., Кукис B.C. Система оценочных параметров установок двухуровневого использования тр. ВАТТ. - С.-Петербург,

1997. - С, 56-59.