Россия
УДК 62-1 Инженерное дело. Техника в целом. Общие характеристики
Представлена уточнённая методика теплового и аэродинамического расчёта элементов систем охлаждения силовых установок. Приведены зависимости времени выхода на оптимальный тепловой режим силовой установки с жесткой и регулируемой системами охлаждения.
РЕГУЛИРУЕМАЯ СИСТЕМА ПОДДЕРЖАНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА, ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ, АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ, ТЕПЛООБМЕННИК, ТЕПЛОВАЯ НАПРЯЖЕННОСТЬ, ВРЕМЯ ВЫХОДА НА ОПТИМАЛЬНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ.
|
DOI:
|
|
|
УДК 548.73
|
|
|
05.22.10 – эксплуатация автомобильного транспорта
|
|
|
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕГУЛИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА СИЛОВЫХ УСТАНОВОК
|
MODELING OF THE PROCESS OF REGULATING THE OPERATING THERMAL REGIME OF POWER PLANTS |
|
Хрипченко Михаил Сергеевич к.т.н., доцент кафедры автомобилей и сервиса Воронежского государственного лесотехнического университета имени Г.Ф. Морозова (РФ) |
Mikhail S. Khripchenko Cand. of Tech. Sc., associate Professor of the Department of аutomobiles and Service, Voronezh State Forestry Engineering University of G. F. Morozov, Russian Federation
|
|
к.т.н., доцент кафедры машиностроительных технологий Воронежского государственного лесотехнического университета имени Г.Ф. Морозова (РФ) e-mail: qaz.7@mail.ru |
Cand. of Tech. Sc., associate Professor of the Department of Mechanical Engineering Technologies, Voronezh State Forestry Engineering University of G.F. Morozov, Russian Federation, e-mail: qaz.7@mail.ru
|
|
Гончаров Андрей Владимирович к.т.н., начальник Испытательной лаборатории ООО «Научно-производственного объединения «ТАЛИС» (РФ)
|
Andrey V. Goncharov Ph.D., Head of Testing Laboratory of LLC «Scientific Production Association «TALIS», St. Petersburg, Russian Federation, Russian Federation
|
|
Василенко Максим Сергеевич cтудент ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова» (РФ)
|
Maxim S. Vasilenko Student of Voronezh State Forestry Engineering University of G.F. Morozov, Russian Federation
|
|
Аннотация Представлена уточнённая методика теплового и аэродинамического расчёта элементов систем охлаждения силовых установок. Приведены зависимости времени выхода на оптимальный тепловой режим силовой установки с жесткой и регулируемой системами охлаждения.
|
Annotation A refined method of thermal and aerodynamic calculation of elements of cooling systems of power plants is presented. The dependences of the time of reaching the optimal thermal regime of a power plant with rigid and adjustable cooling systems are given.
|
|
Ключевые слова: РЕГУЛИРУЕМАЯ система ПОДДЕРЖАНИЯ теплового режима, тепловой расчёт, аэродинамический расчёт, теплообменник, тепловая напряженность, время выхода на оптимальный тепловой режим.
|
Keywords: ADJUSTABLE SYSTEM FOR MAINTAINING THE THERMAL REGIME, THERMAL CALCULATION, AERODYNAMIC CALCULATION, HEAT EXCHANGER, THERMAL TENSION, TIME TO REACH THE OPTIMAL THERMAL REGIME. |
|
1Автор для ведения переписки
|
|
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Одним из наиболее эффективных направлений повышения эффективности эксплуатации силовых устройств современных машин является использование для деталей новых более совершенных конструкционных материалов. По отношению к системам охлаждения, такие материалы должны обладать такими ключевыми свойствами как: высокая износостойкость при повышенных температурах, низкая удельная масса и теплопроводностью. К числу таких материалов можно отнести: термостойкие пластмассы, керамику, а также специальные композиты. Применение таких материалов для изготовления деталей систем охлаждения позволяет не только повысить ресурс и надежность систем, но коэффициент их полезного действия, в частности, за счет уменьшения потерь тепла на режиме прогрева агрегата. Но такой подход сопряжен с объективными сложностями, обусловленными необходимостью принципиальных изменений конструкции систем охлаждения серийно выпускаемых изделий. Такие изменения неминуемому приведут к необходимости изменения действующего технологического процесса, а значит существенным затратам производства разработку технологической документации, приобретение дополнительного технологического оборудования и др. На этом основании можно заключить, что совершенствование систем охлаждения различных силовых установок, в том числе их экономичности и экологичности целесообразно путем разработки более рациональных режимов управления и контроля за счет внедрения оригинальных решений и подходов. [5-7]. Одним из таких подходом может стать внедрение электронных систем регулирования режимов работы силовых установок транспортных и технологических машин.
Целью данной работы является разработка современных перспективных научно-технических решений, способных привести к совершенствованию методики теплового и др. расчётов, в частности управляемых систем охлаждения, обеспечивающих кратное сокращение продолжительности прогрева силовых установок до оптимального теплового режима и поддерживание его при изменении рабочих процессов в заданном, как правило узком интервале.
Результаты исследований
Анализ современных систем, обеспечивающих стабильный тепловой режим работы силовых установок технологического оборудования и транспортных машин показал, что наиболее перспективными среди них являются адаптивные системы (АС) контроля и управления тепловым режимом. Базовыми конструктивными элементами АС являются механизмы подвода охлаждающей среды (жидкость, газ) к узлам при заданной температуре для обеспечения их разогрева или отбора части теплоты (после выхода на эксплуатационные режимы) для поддержания оптимальных зазоров в сопряжениях силовых установок, детали которых испытывают значительные линейные расширения с ростом температуры, а значит при запуске конструктивно имеют избыточные зазоры, устанавливающиеся только в процессе работы. Предлагаемая АС должна адаптироваться под режимы эксплуатации силовой установки, также возможные внешние факторы в том числе температуру и может, при необходимости обеспечивать дополнительный подогрев исключая применения другого оборудования.
Водяной насос, оснащенный электроприводом с вариатором – ключевой элемент подобных АС. Хорошо известные бренды (Valeo, Wahler, DANACorp., Delphi, EWP) активно используют такие агрегаты в своих изделиях. В мировой практике двигателестроения уже используются управляемые системы охлаждения, насосы в которых приводятся не от коленчатого вала, а от собственного электродвигателя, управляемого с контроллера КМСУД [4]. Примером могут служить автомобили «BMW» (рис. 1) и некоторые модификации «Фольскваген».
Рисунок 1 – Водяной насос с адаптивной системой регулировки
Основными стимулирующими факторами создания новых и совершенствования действующих систем охлаждения, в частности, транспортных машин, являются высокие требования, обусловленные с одной стороны необходимостью поддержания температурного режима работы силовых установок в заданном, достаточно узком интервале температур, а с другой – внешними условиями эксплуатации от + 50 до -50 0С (например, Крайнего севера). Отклонение теплового режима установки способно привести не только к повышенному износу и повреждению деталей и, как следствие, снижению надежности, но и росту токсичных выбросов, а также повышенному расходу топлива или электроэнергии. Учитывая широкие диапазоны изменения температуры в процессе эксплуатации, а также кратковременные разогревы, возникающие также в процессе работы, например при повышении нагрузки или сопротивления, создание гибких адаптивных систем охлаждения позволит существенно повысить эффективность, долговечность и экологичность силовых установок.
Математическая модель расчета теплового состояния является системой уравнений теплопередачи и баланса теплоты:
(1)
где k – коэффициент тепловой передачи, Вт/(м2·К); – средний напор температуры; F2 – площадь объекта, который обтекает охладитель, м2; W1 и W2 – водяные эквиваленты теплоносителей, Вт/(ч·K); v1 и v2 – скорость перемещения охладителя, м/с;
и
– плотность охладителя, кг/м3; f1 и f2 – площади сечений для прохода хладогентов, м2; CP1 и СР2 – теплоемкость хладогентов, Дж/(кг·К); dT1 и dT2 – разница температур охлаждающей среды, К.
Конструктивно, конденсатор системы охлаждения исполнен как цельноблочный, а его теплообменник выполнен из двух частей (сборный). Исходя из конструктивных особенностей, расчет параметров для каждого элемента производится отдельно (1). Например, тепловой расчет конденсора производится путем решения систем из трех уравнений, а для расчета теплообменника необходимо уже 6 уравнений [1]:
– расчет конденсора системы:
(2)
,
где – сопротивление теплопередаче (термическое), м2× К/Вт;
– расход хладагента, кг/ч;
– теплота парообразования хладагента, кДж/кг.
Для теплообменника системы охлаждения установки:
часть I:
(3)
,
где – сопротивление теплопередаче (термическое), м2× К/Вт.
часть II:
(4)
.
По итогам приведеных вычислений, при решении уравнений (4, 5), устанавливаем необходимые исходные данные, позволяющие выполнить растёт сопротивления прохождению воздушного потока или потока жидкости через конструктивную конфигурацию деталей системы охлаждения. В данном случае, такими данными станут скорость воздушного потока и его температура при выходе из охладителя. А уже в результате проведення данного расчета можно, например, подобрать параметры ускорителя воздушного потока.
Утечки, возникающие на каждом отдельном конструктивном элементе аэродинамического канала, определяются из уравнения:
,
где – коэффициент сопротивления i-ого элемента аэродинамического канала;
– плотность воздуха в i-ом сечении, кг/м3; vi – скорость воздуха в i-ом сечении, м/c.
По отношению к базовым интервалам аэродинамического канала уравнение будет выглядеть:
(5)
где ,
,
,
,
,
– потери давления в предохранительной решетке, в канале, в теплообменнике кондиционера, теплообменнике системы охлаждения, в диффузоре и на выходе из устройства;
– коэффициенты аэродинамического сопротивления предохранительной решетки, канала, теплообменника кондиционера, теплообменника системы охлаждения, диффузора и на выходе из устройства.
В уравнении (4) скорость воздуха перед плоскостью теплообменника ( ) и в сечении, ометаемом лопастями охладителя (
), а также плотность возхдуха перед (
) и за (
) радиатором определяются из теплового расчета. Неизвестным в данном уравнении является давление (рv), создаваемое охладителем, необходимое для преодоления сопротивления аэродинамического канала.
Исследования показывают [1, 3], что поле скорости за вентилятором неравномерно вследствие воздействия неравномерности режимов работы вентилятора, различных элементов на входе и выходе из холодильной установки. Исходя из этого аэродинамические характеристики холодильных установок необходимо определять для каждого случая.
Алгоритм энергетического расчета охлаждающего устройства силовой установки делится на следующие этапы:
1 Расчеты коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи для охлаждающих сред (жидкости, воздуха) в теплообменнике с помощью полученных экспериментальных зависимостей в параметрической и критериальной форме:
;
;
,
где k – коэффициент передачи теплоты, ; α1, α2 – коэффициент теплоотдачи
; G2 – расход воздуха (массовый), кг/ч; λ1, λ2 – коэффициент теплопроводности охлаждающей среды (жидкости, воздуха),
;
,
– эквивалентный диаметр элементарного канала прохода жидкости и воздуха, м;
,
– критерий Нусельта для жидкости и воздуха;
,
– соответственно критерий Рейнольдса по жидкости и воздуху; Pr1 и Prcт – значения критерия Прандтля при средней температуре жидкости и стенки; εl – коэффициент, учитывающий вариативность среднего коэффициента теплоотдачи по длине трубки.
2 Выполнение теплового расчета системы охлаждения агрегата энергетической установки с помощью математической модели (1) для определения параметров теплоносителей и охладителя. По полученным значениям температур уточняются средние значения плотности и теплоемкости охлаждающей жидкости и воздуха, при этом расчеты повторяются до получения необходимой степени приближения и
3 Расчеты с помощью уравнения (5) сопротивления аэродинамического тракта системы охлаждения для полученного из теплового расчета значения скорости воздуха.
4 Определение безразмерных значений расхода, напора и мощности вентилятора:
;
;
,
где φ – безразмерный расход; ψ – безразмерный напор; λ – безразмерная мощность; V2 – расход воздуха, обеспечиваемый вентилятором, м3/с; Dв – диаметр охладителя, м; nв – частота вращения крыльчатки вентилятора, об/мин; pv – полный напор, развиваемый охладителем, Па; – плотность воздушной среды перед охладителем (при t = 40 0C), кг/м3; ηв – КПД холодильной установки.
5 Определение мощности привода холодильника:
.
Полученная мощность привода холодильника сравнивается с заданной мощностью N2, т.е. проверяется условие
, где
– заданная точность расчетов.
При невыполнении указанного условия расчет повторяется с начала с новым значением скорости воздуха на входе в холодильник.
Введение в математическую модель энергетического расчета значения температуры и плотности полученной после конденсатора позволяет выбрать рациональные параметры конструкции и режимы работы системы охлаждения силовой установки.
В сравнении с классическими водяными насосами, имеющими механический приводом, при изготовлении электрических насосов в конструкции используют специальные термостойкие пластмассы. Эти неметаллические материалы, кроме достаточно высокой термической прочности при температурах до 100 0С, обладают высокой упругостью, обеспечивающей им устойчивость к знакопеременным механическим нагрузкам и стойкостью к окислительному воздействию компонентов антифриза и моторного масла. Внедрение термостойких пластмасс и подобных им неметаллических материалов, взамен металлических, способно обеспечить существенное (на 63 %) снижение массы изделий в сравнении с базовыми конструкциями и повышение коэффициент полезного действия. Ресурс узлов при этом возрастает более чем на 30 %.
В результате проведенных исследований были получены сравнительные эмпирические данные о эффективности помп с разными приводами [2] (рис. 2).
t, 0C
мин
Рисунок 2 – Время выхода на оптимальный тепловой
режим силовой установки с адаптивной системой охлаждения
Исследования и разработки адаптивных систем регулирования теплового режима позволили обеспечить сокращение времени прогрева силовой установки почти в 2 раза. Результаты показаны на рисунках 2 и 3.
t, °C
мин
Рисунок 3 – Время выхода на оптимальный тепловой режим силовой
установки с неадаптивной системой охлаждения
Обсуждение и заключение
Уточнённая методика расчета позволяет эффективно применять адаптивные системы регулирования теплового режима в силовых установках. Это позволит: уменьшить время достижения силовой установкой наиболее рационального режима теплообмена; cократить тепловую нагрузку на детали и за счет этого повысить ресурс наиболее ответственных сопряжений, снизить выбросы в окружающую среду и расход топлива; в целом повысить коэффициент полезного действия силовой установки.
Список литературы
1 Совершенствование теплоэнергетических систем транспортных машин / Ю. А. Куликов, А. Г. Ажиппо, В. В. Быкадоров, А. В. Гончаров, А. А. Верховодов, Ю Н. Томачинский, О. В. Воронов / под ред. з.д.н. и т., доктора техн. наук, проф. Куликова Ю. А. – Воронеж : Издательство филиала РГУПС в г. Воронеже, 2020. – 355 с.
2 Труды МАИ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://trudymai.ru/upload/iblock/96e/sistema-upravleniya-adaptivnoy-sistemoy-okhlazhdeniya-dvigateley-vnutrennego-sgoraniya.pdf/ – Загл. с экрана.
3 Несиоловский О. Г., к.т.н., Улучшение показателей экономичности автомобильного дизеля за счет регулирования его теплового состояния. Автореферат диссертации, ЯПИ. Ярославль, 1995.
4 Chalgren, R. D., “Development and Verification of a Heavy Duty 42/14V Electric Powertrain Cooling System,” SAE Paper 2003-01-3416.
5 Особенности работы приборов электрооборудования транспортных машин при низких температурах / М. С. Хрипченко, П. А. Нартов, Р. В. Юдин // Арктика: инновационные технологии, кадры, туризм : материалы международной научно-практической конференции, 19-21 ноября 2018 г. / под общ. ред. В. И. Прядкина ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2018. – С. 394-397.
6 Повышение эффективности энергоснабжения транспортных машин / М. С. Хрипченко, А. В. Гончаров, К. Ю. Лагерь// Актуальные направления научных исследований XXI века : теория и практика : сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции. – Воронеж, 2018. – Т. 6, № 7 (43). – С. 17-20.
7 Reducing the impact of transport machinery and equipment on the environment during reforestation: An innovative approach / Khripchenko, M., Novikov, A., Goncharov, A, Snyatkov, E. // Proceedings of the 33rd International Business Information Management Association Conference, IBIMA 2019: Education Excellence and Innovation Management through Vision 20202019, Pages 2438-2445.
References
1 Sovershenstvovanie teploenergeticheskih sistem transportnyh mashin / YU. A. Kulikov, A. G. Azhippo, V. V. Bykadorov, A. V. Goncharov, A. A. Verhovodov, YU N. Tomachinskij, O. V. Voronov / pod red. z.d.n. i t., doktora tekhn. nauk, prof. Kulikova YU. A. – Voronezh : Izdatel'stvo filiala RGUPS v g. Voronezhe, 2020. – 355 s.
2 Trudy MAI [Elektronnyj resurs]. – Rezhim dostupa: http://trudymai.ru/-upload/iblock/96e/sistema-upravleniya-adaptivnoy-sistemoy-okhlazhdeniya-dvigateley-vnutrenneg¬o-sgoraniya.pdf/ – Zagl. s ekrana.
3 Nesiolovskij O. G., k.t.n., Uluchshenie pokazatelej ekonomichnosti avtomobil'nogo dizelya za schet regulirovaniya ego teplovogo sostoyaniya. Avtoreferat dissertacii, YAPI. YAroslavl', 1995.
4 Chalgren, R. D., “Development and Verification of a Heavy Duty 42/14V Electric Powertrain Cooling System,” SAE Paper 2003-01-3416.
5 Osobennosti raboty priborov elektrooborudovaniya transportnyh mashin pri nizkih temperaturah / M. S. Hripchenko, P. A. Nartov, R. V. YUdin // Arktika: innovacionnye tekhnologii, kadry, turizm : materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, 19-21 noyabrya 2018 g. / pod obshch. red. V. I. Pryadkina ; M-vo obrazovaniya i nauki RF, FGBOU VO «VGLTU». – Voronezh, 2018. – S. 394-397.
6 Povyshenie effektivnosti energosnabzheniya transportnyh mashin / M. S. Hripchenko, A. V. Goncharov, K. YU. Lager'// Aktual'nye napravleniya nauchnyh issledovanij XXI veka : teoriya i praktika : sbornik nauchnyh trudov po materialam mezhdunarodnoj zaochnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. – Voronezh, 2018. – T. 6, № 7 (43). – S. 17-20.
7 Reducing the impact of transport machinery and equipment on the environment during reforestation: An innovative approach / Khripchenko, M., Novikov, A., Goncharov, A, Snyatkov, E. // Proceedings of the 33rd International Business Information Management Association Conference, IBIMA 2019: Education Excellence and Innovation Management through Vision 20202019, Pages 2438-2445.
© Хрипченко М.С., Попов Д.А., Гончаров А.В., Василенко М.С. 2021
1. Совершенствование теплоэнергетических систем транспортных машин / Ю. А. Куликов, А. Г. Ажиппо, В. В. Быкадоров, А. В. Гончаров, А. А. Верховодов, Ю Н. Томачинский, О. В. Воронов / под ред. з.д.н. и т., доктора техн. наук, проф. Куликова Ю. А. - Воронеж : Издательство филиала РГУПС в г. Воронеже, 2020. - 355 с.
2. Труды МАИ [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://trudymai.ru/-upload/iblock/96e/sistema-upravleniya-adaptivnoy-sistemoy-okhlazhdeniya-dvigateley-vnutrenneg¬o-sgoraniya.pdf/ - Загл. с экрана.
3. Несиоловский О. Г., к.т.н., Улучшение показателей экономичности автомобильного дизеля за счет регулирования его теплового состояния. Автореферат диссертации, ЯПИ. Ярославль, 1995.
4. Chalgren, R. D., “Development and Verification of a Heavy Duty 42/14V Electric Powertrain Cooling System,” SAE Paper 2003-01-3416.
5. Особенности работы приборов электрооборудования транспортных машин при низких температурах / М. С. Хрипченко, П. А. Нартов, Р. В. Юдин // Арктика: инновационные технологии, кадры, туризм : материалы международной научно-практической конференции, 19-21 ноября 2018 г. / под общ. ред. В. И. Прядкина ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». - Воронеж, 2018. - С. 394-397.
6. Повышение эффективности энергоснабжения транспортных машин / М. С. Хрипченко, А. В. Гончаров, К. Ю. Лагерь// Актуальные направления научных исследований XXI века : теория и практика : сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции. - Воронеж, 2018. - Т. 6, № 7 (43). - С. 17-20.
7. Reducing the impact of transport machinery and equipment on the environment during reforestation: An innovative approach / Khripchenko, M., Novikov, A., Goncharov, A, Snyatkov, E. // Proceedings of the 33rd International Business Information Management Association Conference, IBIMA 2019: Education Excellence and Innovation Management through Vision 20202019, Pages 2438-2445.
