Тепловые аккумуляторы фазового перехода
1.Введение
Тепловая подготовка агрегатов
автомобилей, в частности двигателей,
особенно актуальна при их эксплуатации
в условиях низких температур окружающего
воздуха. Известно, что энергии, запасенной
в бортовой аккумуляторной батарее,
вполне достаточно для нескольких десятков
пусков автомобильного двигателя. Но это
при положительных температурах
окружающего воздуха. При наступлении
же холодов картина резко
2.ТАФП и грамотная организация системы подвода теплоты
Тепловые аккумуляторы фазового перехода (ТАФП) - устройства, которые способны в процессе работы двигателя аккумулировать часть теплоты, содержащейся в охлаждающей жидкости, моторном масле или отработавших газах, хранить ее в течение довольно большого периода времени, а затем отдавать при предпусковом разогреве элементов двигателя.
Накопление ТАФП тепловой
энергии осуществляется при работе
ДВС за счет теплообмена его охлаждающей
жидкости с теплоаккумулирующим
материалом (ТАМ), находящимся в трубчатых
капсулах. При этом ТАМ нагревается
в твердой фазе до температуры
плавления, плавится, а затем нагревается
в жидкой фазе до некоторой температуры,
при которой наступает
Хранение тепловой энергии осуществляется за счет наличия в конструкции аккумулятора теплоизолированного вакуумированного корпуса.
Разогрев ДВС мобильной машины происходит за счет теплообмена охлаждающей жидкости (ОЖ) с расплавленным ТАМом, при котором последний претерпевает обратимый фазовый переход из жидкого состояния в твердое и выделяет скрытую теплоту кристаллизации. Выделяющаяся тепловая энергия переносится ОЖ и передается двигателю.
Путь, безусловно, интересный, но — не единственно возможный. Например, если проанализировать схемы движения теплоносителя в отечественных ДВС, то становится очевидным, что у каждого из них она своя. Отсюда напрашивается вывод: значит, и движение теплоносителя при подогреве с использованием индивидуальных пусковых подогревателей будет у каждого свое. Следовательно, и время подогрева. Другими словами, можно найти схему, которая с этой точки зрения самая выгодная. И совместить ее с наиболее эффективным на сегодня подогревателем — ТАФП.
Данные соображения в РВАИ проверили экспериментально на четырехцилиндровом рядном двигателе.
Технология исследований была следующей. ТАФП заряжали от охлаждающей жидкости ("Тосол А-40") во время работы двигателя при движении автомобиля. Затем автомобиль оставляли на открытой стоянке и выдерживали до тех пор, пока температура его двигателя сравнивалась с наружной. Перед пуском двигателя включали ТАФП, выдерживали до момента, когда температура головки блока и гильз крайних цилиндров достигнет 40 °С и пускали двигатель. То есть технология экспериментального исследования была, по существу, стандартной. За одним исключением: использовались две схемы движения теплоносителя по рубашке охлаждения (рисунок 1 ), отличающиеся положением точек (кранов) отвода жидкости из двигателя в ТАФП. В первом случае (рис. 1, а) эта точка (К1) располагалась на головке блока в зоне четвертого цилиндра, а во втором (рис. 1, б) была нижней точкой (КЗ) рубашки охлаждения в зоне того же четвертого цилиндра.
Рисунок 1 –Исследованные схемы (а — № 1, б — № 2) предпускового подогрева двигателя от ТАФП:1 — ТАФП; 2, 4 и 6 — переходники; 3 — двигатель; 5 — термостат системы охлаждения; 7 — расходомер; 8 — насос; К1,К2иКЗ-краны
Другими переменными параметрами были выбраны — температура окружающего воздуха, объемный расход теплоносителя и время предпускового подогрева.
Результаты экспериментов для случая, когда пуск двигателя выполняли при температуре -30 °С и объемном расходе теплоносителя, равном 0,08 л/с, приведены на рисунке 2.
Как видим, схема № 1 обеспечивает более интенсивный нагрев верхней части двигателя, чем схема № 2, т. е. создает условия для хорошего испарения топлива и получения топливовоздушной смеси на входе в цилиндр при пуске. Однако тепловое состояние нижней части двигателя (а конкретно — гильз цилиндров), становится причиной: во-первых, конденсации топлива на более холодных стенках гильз, в результате чего смесь обедняется и понижается ее температура; во-вторых, недостаточного температурного воздействия на коленчатый и распределительный валы, что не способствует снижению момента сопротивления их проворачиванию и снижению износов вкладышей в пусковой период.
При движении теплоносителя по схеме № 2 перепады температур получаются в 2,5—3 раза меньше, чем по схеме № 1. Причем как по высоте, так и по длине двигателя, т. е. практически температуры элементов двигателя выравниваются. Что позволяет говорить о средних температурах подогрева элементов и использовать их при расчетах.
Температура головки блока
цилиндров при схеме № 2 ниже,
чем при схеме № 1. Но она не
оказывает значительного
Рисунок 2. - Зависимость температуры элементов конструкции двигателя в процессе его предпускового подогрева от времени работы ТАФП при схеме № 1 (а) и № 2 (б): 1 — головка блока цилиндров; 2 — средняя температура деталей; 3 — первый цилиндр; 4 — четвертый цилиндр
Рисунок 3 . - Зависимость скорости нагрева элементов конструкции двигателя от времени работы ТАФП при схеме № 1 (а) и № 2 (б):
1 — головка блока цилиндров; 2 — первый цилиндр; 3 — четвертый цилиндр
Динамику, т. е. скорость и нагрева элементов двигателя при температуре окружающего воздуха 243 К (—30 °С) в случае использования ТАФП иллюстрирует рисунок 3. Из него следует, что, независимо от схемы, скорость нагрева элементов конструкции двигателя в первые 2—3 мин работы ТАФП носит резко нарастающий характер: за это время ТАФП отдает до 70 % накопленной теплоты. Причем к пятой—шестой минуте скорость уменьшается до 1—2 К/мин и незначительно зависит от температуры окружающего воздуха и объемного расхода теплоносителя.
Перепад температур по элементам двигателя имеет ту же закономерность распределения тепловых потоков, что и на рисунке 2. Это свидетельствует о том, что импульсный подвод теплоты позволяет в течение непродолжительного времени получить температуру головки блока и гильз цилиндров, вполне обеспечивающую надежный пуск двигателя при температуре окружающего воздуха до 233 К (—40 °С). Время работы ТАФП меньше времени, в течение которого водитель проводит контрольный осмотр автомобиля. В результате этого до пуска двигателя теплота передается от принудительно нагретых элементов к соприкасающимся с ними. В том числе к поршням, подшипникам коленчатого и распределительного валов, что также благоприятно сказывается на надежности пуска двигателя.
Но, к сожалению, запас теплоты в современных ТАФП не очень велик. Поэтому его фактически можно использовать для одного предпускового подогрева двигателя, а затем "подзаряжать" при работающем двигателе.
3.Виды ТАФП
1. ТАФП (патент № 2187049 РФ) состоит из вакуумированного корпуса 1 (рисунок 4), съемной крышки 2, имеющей входное 3 и выходное 4 отверстия, в которые запрессованы впускная 5 и выпускная 6 трубы. Внутри корпуса находится теплообменник, состоящий из коаксиально расположенных цилиндрических капсул 7 с зазорами 8 для прохода жидкости. Вся конструкция теплообменника смонтирована на съемной крышке 2, которая закреплена при помощи болтового соединения 10 к кольцу 9, приваренному к корпусу.
Рисунок 4 – Тепловой аккумулятор фазового перехода (патент № 2187049 РФ)
Данный аккумулятор включен в систему охлаждения ДВС мобильной машины. Накопление им тепловой энергии осуществляется следующим образом.
При работе ДВС поток ОЖ поступает в впускную трубу 5, затем проходит через кольцевые отверстия 8 и выходит из аккумулятора в выпускную трубу 6. При этом ТАМ, находящийся в цилиндрических капсулах 7, нагревается в твердой фазе до температуры плавления, плавится, а затем нагревается в жидкой фазе до некоторой температуры, при которой наступает тепловое равновесие между ним и ОЖ.
Хранение тепловой энергии
осуществляется за счет наличия в
конструкции теплового
Достоинство данного устройства – компактность и простота в заполнении капсул.
2. ТАФП (патент № 2150603 РФ) состоит из наружного 1 (рисунок 5) и внутреннего 2 корпусов, между которыми установлен слой тепловой изоляции 3 (минеральная вата). Внутри корпуса 2 размещено теплоаккумулирующее ядро, представляющее собой замкнутую полость, которая заполнена ТАМом 4 и через которую проходят трубы газового 5 и жидкостного 6 теплообменников. На поверхности труб 5 и 6 закреплены ребра 7.
Для ликвидации между корпусами
1, 2 и трубами 5, 6 "тепловых мостов"
установлены втулки 8 из материала
с небольшим коэффициентом
Рисунок 5 – Тепловой аккумулятор фазового перехода (патент № 2150603 РФ)
ТАФП работает следующим образом.
Зарядка аккумулятора тепловой энергией осуществляется пропусканием потока отработавших газов ДВС мобильной машины через трубу 5.
В процессе теплообмена отработавших
газов с ТАМ 4 последний нагревается
в твердой фазе до температуры
полиморфного превращения, испытывает
полиморфное превращение с
В период безгаражного хранения
мобильной машины, когда ее ДВС
заглушен, ТАМ 4 сохраняется при температуре,
превышающей температуру
Для функционирования ТАФП
с целью предпускового
где mт - масса теплоаккумулирующего
материала;
Tо, Tф, Tк - температуры теплоаккумулирующего
материала соответственно начальная,
полиморфного превращения и конечная;
rф - удельная теплота полиморфного
превращения;
C1(T), C2(T) - удельные массовые
теплоемкости теплоаккумулирующего материала
в интервалах температур соответственно
[Tо; Tф] и [Tф; Tк].
За счет организации циркуляции жидкого теплоносителя по замкнутому контуру жидкостный теплообменник ТАФП - зарубашечное пространство ДВС происходит предпусковой разогрев последнего.
Так же автор данного аккумулятора предлагает используемый ТАМ (фторид бериллия BeF2) заменить на тригидрат ацетата натрия NaC2H2O*3H2O с температурой плавления Тпл = 58 oC, который способен к переохлаждению в жидкой фазе, т.е. теплоаккумулирующий материал охлаждается в жидкой фазе ниже температуры Тпл, но не ниже некоторого предельного значения температуры T*= Tпл- T, где T - интервал переохлаждения, в пределах которого теплоаккумулирующий материал 4 находится в жидкой фазе, что приводит к увеличению времени хранения тепловой энергии (патент № 2150020 РФ).
Недостатком указанного устройства является существенная разница в объемах ТАМ в жидком и твердом состояниях, поэтому приходится заполнять полость с ТАМом на 75...80 %.
3. ТАФП для разогрева
трансмиссионного масла (
Рисунок 6 – Тепловой аккумулятор фазового перехода (патент № 65190 РФ)
ТАФП работает в следующих двух режимах.
Зарядка. При работе ДВС охлаждающая жидкость циркулирует через трубопровод-змеевик 5, отдавая часть своей теплоты теплоаккумулирующему материалу 7. В качестве такого материала может быть использован, например, гидрооксид бария (Ba(OH)8H2O), который нагреваясь в твердой фазе до температуры плавления 78 °С, плавится,
а затем нагревается в жидкой фазе до температуры 80…85 °С, при которой происходит тепловое равновесие между ним и охлаждающей жидкостью
в трубопроводе-змеевике 5. Одновременно подогревается трансмиссионное масло в трубопроводе-змеевике 6 и резервуаре 4. Аккумулирование теплоты обеспечивается тепловой изоляцией 3.
Разрядка. При прогреве двигателя после остановки насос 8, приводимый в работу от бортовой электрической сети, прокачивает холодное масло из картера КП в трубопровод-змеевик 6 и подает подогретое масло из резервуара 4 в картер КП. В процессе теплообмена между трансмиссионным
маслом и теплоаккумулирующим материалом последний претерпевает обратимый фазовый переход, переходя из жидкого состояния в твердое и отдавая трансмиссионному маслу скрытую теплоту кристаллизации. Когда температура трансмиссионного масла в картере КП достигнет 70 °С, установленный температурный датчик 10 подаст сигнал на заслонку 9, которая перекроет циркуляцию масла. Одновременно осуществляется прокачка охлаждающей жидкости из радиатора системы охлаждения ДВС через трубопровод-змеевик 5, которая, в свою очередь, нагревается до рабочей температуры двигателя.
Соединение трубопровода-
Предлагаемый ТАФП рекомендуется устанавливать на тракторе таким образом, чтобы длина трубопроводов-змеевиков была минимальна с целью исключения в них тепловых потерь. Место его установки (рисунок 7) должно быть оптимальным с точки зрения условий эксплуатации и удобства обслуживания.
Применение теплового аккумулятора фазового перехода способствует улучшению смазывания деталей трансмиссии, что в свою очередь позволяет
повысить технический ресурс трансмиссии до 40 % и топливную экономичность трактора до 10 % в связи с уменьшением затрат мощности на привод деталей трансмиссии до 50 %.
Рисунок 7 – Размещение ТАФП (2) на тракторе МТЗ – 80(1)
4. ТАФП (патент № 2075626 РФ)
На рисунке 8 дана принципиальная схема системы предпускового разогрева двигателя внутреннего сгорания; на рисунке 9 принципиальная схема теплового аккумулятора фазового перехода.
Система предпускового разогрева двигателя внутреннего сгорания 1 включает в себя тепловой аккумулятор фазового перехода 2 с заливной трубой 3, сливным трубопроводом 4 и краниками 5, 6; теплоизолированный газовый трубопровод 7 с заслонкой 8; выхлопную трубу 9 с заслонкой 10; нагреватель масла 11; расширительный бак 12 с воздушным краном 13; трубопроводы подвода 14 и отвода 15, 16 теплоносителя; запорные краны 17, 18 и спускной кран 19.
Теплоизолированный газовый трубопровод 7 соединяет входной газовый патрубок теплового аккумулятора 2 с выхлопной трубой 9.
Нагреватель масла 11 расположен в масляной ванне двигателя 1 и представляет собой выполненный из нескольких трубок водомасляный теплообменник, количество и линейные размеры которых рассчитаны на нагрев масла до температуры 40oC при температуре окружающей среды минус 40oC.
Расширительный бак 12 с помощью трубопровода 20 связан с водоотводной трубой 21 двигателя.
Трубопровод подвода теплоносителя 14 через запорный кран 17 соединяет выходной жидкостной патрубок теплового аккумулятора 2 с водоотводной трубой 21 двигателя. Трубопровод отвода теплоносителя 15 через запорный кран 18 связывает рубашку охлаждения двигателя в районе нижней части последнего цилиндра с входным патрубком нагревателя масла 11, а трубопровод 16 выходной патрубок нагревателя масла с входным жидкостным патрубком теплового аккумулятора 2.
Спускной кран 19 смонтирован на трубопроводе 16 в самый нижний точке системы.
Рисунок 8 - Принципиальная схема системы предпускового разогрева двигателя внутреннего сгорания
Тепловой аккумулятор фазового перехода 2 состоит из емкости 22 для межсменного хранения воды, теплоаккумулирующего ядра 23 и тепловой изоляции 24, выполненной из минеральной ваты. Для обеспечения термосифонной циркуляции теплоносителя тепловой аккумулятор располагается на машине таким образом, чтобы его теплоаккумулирующее ядра находилось не выше рубашки охлаждения двигателя.
Теплоаккумулирующее ядро 23 представляет собой емкость формы параллелепипеда, образованного двумя газовыми трубными досками 25 и двумя жидкостными трубными досками 26, а также двумя боковыми пластинами 27, приваренными к ним. Газовый теплообменник теплового аккумулятора образован несколькими рядами взаимно параллельных газовых труб 28, концы которых завальцованы в отверстиях трубных досок 25. Жидкостные трубы 29 перпендикулярны газовым трубам 28, расположены между ними и аналогично завальцованы в отверстиях жидкостных трубных досок 26. Совокупность жидкостных труб 29 образует жидкостной теплообменник теплового аккумулятора. Свободный объем между газовым и жидкостным теплообменником заполнен теплоаккумулирующим веществом 30, в качестве которого применяется бинарная солевая эвтектическая смесь нитратов лития и калия. Для подвода и отвода отработавших газов к газовым трубным доскам 25 с помощью болтовых соединений через медноасбестовые прокладки прикреплены газовые крышки 31 с патрубками. Для подвода и отвода воды к жидкостным трубным доскам 26 приварены жидкостные бачки 32, имеющие входной и выходной патрубки. Емкость 22 для межсменного хранения воды и теплоаккумулирующее ядро 23 разделены пластиной 33 и слоем теплоизоляции.
Рисунок 9 - Принципиальная схема теплового аккумулятора фазового перехода
Система разогрева работает следующим образом.
Во время работы двигателя 1 отработавшие газы при открытой заслонке 8 и закрытой заслонке 10 направляются в теплоизолированный газовый трубопровод 7, а затем в газовые трубки 28 теплоаккумулирующего ядра. Проходя газовый теплообменник, отработавшие газы отдают часть своей тепловой энергии теплоаккумулирующему веществу 30 и выбрасываются через одну из газовых крышек 31 в атмосферу. Теплоаккумулирующее вещество нагревается до температуры плавления, равной 133oC, плавится, претерпевая фазовый переход твердое тело жидкость и запасная тепловую энергию в виде скрытой теплоты плавления, а затем нагревается в жидкой фазе до температуры 250 300oC. Время зарядки теплового аккумулятора 2 зависит от режима работы двигателя 1 и составляет в среднем 5 6 часов при температуре окружающей среды минус 40oC.
После остановки двигателя вода из его рубашки охлаждения сливается в емкость 22 теплового аккумулятора 2 через заливную трубу 3 с открытым краном 45 вручную или заканчивается в нее установленным на борту машины ручным насосом (на фиг. 1, 2 он не показан). Благодаря теплоизоляции 24 теплоаккумулирующее вещество 30 в период межсменной стоянки, продолжительность которой при температуре окружающей среды минус 40oC может достигать 24 - 36 часов в зависимости от скорости ветра, находится в расплавленном состоянии и имеет температуру к концу межсменного периода 220-250oС, а находящаяся в емкости вода 80-90oС.
Разогрев двигателя 1 осуществляется
разрядкой теплового
По окончании разогрева двигатель 1 запускается, закрываются запорные краны 17, 18, открывается спускной кран 19 и из жидкостного теплообменника теплового аккумулятора 2, трубопроводов 14, 15, 16 и нагревателя масла 11 удаляется находящаяся в них вода, которая затем заливается по трубопроводу 3 в емкость 22.
Содержание
- Введение
- ТАФП и грамотная организация с
истемы подвода теплоты
- Виды ТАФП
Таким образом тепловой аккумулятор фазового перехода – наиболее кардинальное решение проблемы предпускового разогрева двигателя внутреннего сгорания при отрицательных температурах окружающего воздуха.
Так же в отличии от предпусковых подогревателей, ТАФП не требует внешнего питания от электрической сети.
Однако, каждый ТАФП имеет свои достоинства и недостатки. Выбор того или иного аккумулятора будет зависеть от потребителя, исходя из массогабаритных показателей, характера применения и стоимости оборудования.
Министерство сельского хозяйства
Российской Федерации
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА»
Кафедра «Ремонт машин»
Реферат
на тему:
«ТЕПЛОВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ПОДГОТОВКИ
АГРЕГАТОВ АВТОМОБИЛЕЙ»
Выполнил: студент 336 гр.
Проверил: канд. техн. наук, доцент
Пенза 2012

- Тепловые двигатели
- Тепловые двигатели
- Тепловые двигатели
- Тепловые двигатели
- Тепловые двигатели (3)
- Тепловые двигатели и их применение
- Тепловые двигатели и их применение
- Тепловой расчет компрессора
- Тепловой расчет хлебопекарной печи ФТЛ-2-66
- Тепловой режим почв
- Тепловой режим почвы и его регулирование
- Тепловой удар
- Тепловой эффект химической реакции
- Тепловые аккумуляторы с твёрдым теплоаккумулирующим материалом