Модернизация топливной системы тракторного дизельного двигателя для работы на биотопливе (конструкторский раздел дипломного проекта)

3 РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ НАГРЕВАТЕЛЯ
ТОПЛИВА
 Прежде чем начать конструирование нагревателя топлива необходимо произвести сравнение дизельного топлива с рапсовым маслом и произвести тепловой расчет двигателя на дизельном топливе и рапсовом масле.

3.1 Показатели дизельного топлива и рапсового масла
 Ниже проанализированы наиболее важные характеристики рапсового масла (в сравнении с товарным дизельным топливом).
 Растительные масла являются липидами, эфирами жирных кислот или глицеринами. Обладая высокой теплотворной способностью, они содержат прямые углеводородные цепи, что обуславливает их относительно высокие цетановые числа. В таблице 1 приведены значения низшей теплоты сгорания, вязкости и цетанового числа рапсового масла и дизельного топлива среднего состава.
Таблица 3.1 Физико-химические показатели рапсового масла и товарного оС дизельного топлива.
Вид топлива Низшая теп-лота сгора-ния, кДж/кг Плотность при 15 оС, кг/м3 Цетановое число Вязкость при 20 оС, мм2/с
Рапсовое масло 37300 915 32...37,6 68,8
Дизельное топливо 42500 840 45 6
 Как видно из таблицы 3.1, рапсовое масло обладает близкими энергетическими возможностями по отношению к дизельному топливу, но его вязкость в 11с лишнем раза выше. Это создает определенные трудности в организации рабочего процесса дизеля, т.к. увеличивает сопротивление топливоподаче, уменьшает производительность топливного насоса, ухудшает распыливание и смесеобразование. Все это приведет (если не принять необходимые меры) к увеличению удельного расхода топлива и интенсивному нагароотложению на стенки деталей цилиндро-поршневой группы двигателя.
 С целью снижения вязкости рапсового масла можно снижать его температуру (таблица 3.2).
Таблица 3.2 Влияние температуры на плотность и вязкость рапсового масла.
Вязкость,мм3/с при температурах, оС
69,5 31,5 16,8 10,2
Плотность масла, кг/м3
20 оС 40 оС 60 оС 80 оС
918 904,2 890,5 877
 Данные таблицы 3.2 свидетельствуют о возможности снижения вязкости рапсового масла путем его подогрева.
 При использовании рапсового масла в качестве моторного топлива требуется ввести в топливную систему двигателя специальные подогреватели (теплообменники), обеспечивающие его локальный подогрев и, как следствие, снижающий вязкость.
 Вязкость рапсового масла можно снижать, как показывают литературные данные, и замещением трехвалентных молекул глицерина посредством добавления небольшого количества метанола или этанола. На 1000 кг растительного масла обычно добавляют 110 кг метилового или этилового спирта и получают 1000 кг метилового или этилового эфира и 110 кг глицерина.
 После такой трансэтерфикации (замещения трехвалентных молекул глицерина тремя одновалентными молекулами спирта) рапсовое масло приобретает свойства, весьма близкие к дизельному топливу (таблице 3).
Таблица 3.3 Показатели рапсового масла после метилэтерфикации.
Температура воспламенения, оС Вязкость при 20 оС, мм2/с Минимальное це-тановое число Низшая тепло-творная способ-ность, кДж/кг
81 5,1 54 34300
 Достигнутые, положительные качества объясняются тем, что добавлен-ные метилы и этилэфиры по сравнению с рапсовым маслом имеют лучшие моторные качества. К тому же при их использовании на стенках деталей ци-линдро-поршневой группы не образуют нагароотложения.
 Однако эфиры (особенно метилэфиры) нестабильны (при низких температурах образуют кристаллы масличного эфира) и поэтому требуют частого контроля качества. К тому же они взаимодействуют с материалами деталей топливной системы. Эти обстоятельства затрудняют применение трансэтерфикации.
 Важными характеристиками рапсового масла являются йодное число, характеризующее термическую стабильность рапсового масла, и кислотность, определяющая коррозийный износ деталей системы топливоподачи и степень на тепловыделения при сгорании.
  Как видно из таблицы 3.4, рапсовое масло имеет незначительные показатели кислотности и Йодного числа.
Таблица 3.4 Некоторые химические показатели растительных масел.
Рапсовое масло Йодное число Кислотность, мгКОН/г
 95...106 4...6
 Это результат того, что насыщенные масла, к числу которых относятся и рапсовое, имеют лучшие сами по себе характеристики, чем не насыщенные, например, подсолнечное.
  Величина поверхностного натяжения масла позволяет судить о возможности возникновения проблем её испарения и отрыва капель с поверхности камеры сгорания. В таблице 3.5 приведены данные поверхностного натяжения рапсового масла на границе топливо-воздух при 101,3 кПа.
Таблица 3.5 Значения величины поверхностного натяжения рапсового мас-ла и дизельного топлива.
Вид топлива Величина поверхностного натяжения, дин/см (при 20оС)
Рапсовое масло неочищенное Рафинированное
 34,5 35,8
Дизельное топливо 26..30
 Характеристики результатов испытаний рапсового масла и дизельного топлива при пониженных температурах позволяют предусмотреть мероприятия для сохранения работоспособности систем топливоподачи и фильтрации. В таблице 3.6 приведены эти характеристики для рапсового масла и дизельного топлива - температуры помутнения, застывания, фильтруемости и плавления.
Таблица 3.6 Некоторые физические показатели рапсового масла и дизельного топлива.
Вид топлива Температура, оС
 помутнения застывания фильтруемости
Рапсовое масло -9 -5 15
Дизельное топли-во ≤0 ≤-7 ≤0
 В целом, по совокупности рассмотренных физико-химические показате-лей в целом можно утвердить, что для производства биотоплива вполне может использоваться рапсовое масло. Основой при этом является обязательный подогрев с целью снижения его вязкости.

3.2 Тепловой расчет двигателя

3.2.1  Процесс впуска
Температура Та в К в конце процесса впуска определяем по формуле:

  (3.1)
где То – температура окружающей среды, К;
∆ Т – подогрев свежего заряда, К;
r - коэффициент остаточных газов;
Тr – температура остаточных газов, К;
То= 293 К при работе двигателя без наддува.
∆ Т = 10...40о – для дизеля без наддува. Он зависит от конструкции и установки на двигатель впускного трубопровода, оптимизации его подогрева и скоростного режима двигателя. Повышение температуры улучшает процесс испарения топлива, но снижает плотность заряда и, таким образом, отрицательно влияет на наполнение двигателя.
Принимаем для дизельного топлива ∆Т = 25о, для биотоплива ∆Т = 100о;
r- характеризует качество очистки цилиндра от продуктов сгорания. С увеличением r уменьшается количество свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя в процесса впуска. Для 2-х тактных дизелей без наддува r = 0,03...0,06
Примем для дизельного топлива r = 0,03, для биотоплива дr = 0,06.
В зависимости от типа двигателя, степени сжатия, частоты вращения и коэф-фициента избытка воздуха устанавливается значение температуры Тr .
Тr = 700...900 К.
Принимаем для дизельного топлива Тr = 850 К, для биотоплива Тr=700 К.
Подставив все значения в формулу (3.1) найдем температуру в конце процесса впуска и биотоплива:
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Давление Ра в кПа в конце впуска находим по формуле:
     (3.2)
где Ро – давление окружающей среды. Примем Ро = 100 кПа.
-для дизельного топлива:
Ра = (0,85...0,9)∙100 = 0,90∙100 = 90 кПа,
-для биотоплива:
Ра = (0,85...0,9)∙100 = 0,85∙100 = 85 кПа,
Коэффициент ηv наполнения найден по формуле:
= ∙    (3.3)
где Е - степень сжатия,
Рr – давление остаточных газов, кПа.
Для двигателя Д-21 Е = 16.
Для автотракторных двигателей без наддува, а также с поддувом и вы-пуском в атмосферу давление остаточных газов Pr в кПа найдем по формуле:
  (3.4)
-для дизельного топлива:
Рr = 1,25100 кПа = 125 кПа.
-для дизельного топлива:
Рr = 1,05100 кПа = 105 кПа.
Подставив все значения найдем :
-для дизельного топлива:
= ;
-для биотоплива:
= .

3.2.2 Процесс сжатия
Давление Pс в кПа и температура Тс в К в конце процесса сжатия определяют по уравнению политропического процесса с постоянным показателем n1:
(3.5)
где n1 – средний показатель политропы сжатия.
Величину n1 можно определить по эмпирической формуле профессора В.А. Петрова, как функцию угловой скорости вращения коленвала:
- для двигателя Д-21
      (3.6)
где - угловая скорость коленчатого вала, мин-1,
Находится в мин-1 по формуле:
          (3.7)
где n – частота вращения коленчатого вала, мин-1,
Для двигателя Д-21 n = 1600 мин-1.
Отсюда найдем :

Подставив в формулу (3.6) найдем n1:

Найдем Рс по формуле (3.5):
-для дизельного топлива:
Рс = 90161,35=3961,4 кПа
-для биотоплива:
Рс = 85161,35=3589 кПа
Аналогично найдем температуру Тс в К в конце сжатия по формуле:
(3.8)
-для дизельного топлива:
Тс = 333,5161,35-1= 889,6 К
-для биотоплива:
Тс = 410,3161,35-1= 1082,8 К

3.2.3 Процесс сгорания
Состав топлива, задается массовым или объемным содержанием основ-ных элементов: углерода С, водорода Н и кислорода О2. Нужно иметь в виду, что в топливе присутствуют также сера S, азот N и элементы химических соединений в виде антидетонационных, противодымных и других присадок. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива Lo в кмоль/кг найден по формуле:
      (3.9)
где 0,21 – значение объемного содержания кислорода в 1 кг воздуха
С - содержание углерода в топливе, кмоль;
Н – содержание водорода в топливе, кмоль;
О – содержание кислорода в топливе, кмоль.
Для дизельного топлива С = 0,87 кмоль; Н = 0, 124 кмоль, О = 0,004 кмоль;
Для биотоплива С = 0,6 кмоль; Н = 0,124 кмоль, О = 0,011 кмоль.
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Действительное количество воздуха L в моль/кг определяем по формуле:
      (3.10)
где - коэффициент избытка воздуха. = 1,65...1,2:
Принимаю для дизельного топлива = 1,65, для биотоплива = 1,2.
Найдем L по формуле (3.10):
-для дизельного топлива:
L= 1,650,492 = 0,81 моль/кг
-для биотоплива:
L= 1,20,38 = 0,456 моль/кг
Число молей продуктов сгорания 1 кг топлива М ищем по формуле:
-при α > 1
   (3.11)
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Химический коэффициент молярного изменения βо можно вычислить по формуле:
,     (3.12)
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

А действительный коэффициент молярного изменения β найдем по фор-муле:
     (3.13)
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Определяем теплоемкость газов μСcv в кДж/кмоль∙град для чистого воз-духа по формуле:
        (3.14)
где а =20,16; в = 1,73810-3 – постоянные коэффициенты
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Теплоемкость продуктов сгорания μСzv кДж/кмоль∙град при > 1 определим из формулы:
      (3.15)
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

А теплоемкость μСzр кДж/кмоль∙град при постоянном давлении найдем по формуле:
     (3.16)
где R–универсальная газовая постоянная, она равна R=8,314;
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Температура в конце сгорания Тz в К для дизеля определяется из формулы:
  (3.17)
где - коэффициент использования тепла;
Qн – низшая удельная теплота сгорания, кДж/кг;
- степень нарастания давления;

Для дизельного топлива: = 0,7...0,9, примем = 0,85.
Низшая удельная теплотворность равна Qн = 42500 кДж/кг.
Для биотоплива: примем = 0,7;
Низшая удельная теплотворность равна Qн = 37300 кДж/кг
Для вихрекамерных и предкамерных = 1,4...1,8.Примем =1,6.
Выбираем = 0,85, потому что у данного двигателя совершенная форма камеры сгорания за счет чего уменьшаются потери теплоты от газов в стенки.
Величина для дизелей устанавливается по опытным данным в основном в зависимости от количества топлива, подаваемого в цилиндр, формы камеры сгорания и способа смесеобразования. Выбрал =1,6 так как давление в конце процесса сжатия высокое и если выбрать большее значение , то Рс увеличится, что следовательно будет требовать более дорогой материал поршневой группы.
Подставив значения, получаем:
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Преобразовав выражение получим квадратное уравнение:
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Решая эти уравнения получили:
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Подставив значение Тz найдем значение теплоемкости продуктов сгорания:
-для дизельного топлива:


-для биотоплива:


Давление Рz в кПа в конце сгорания найдем по формуле:
       (3.18)
-для дизельного двигателя:

-для биотоплива:


3.2.4 Процесс расширения
В результате осуществления процесса расширения происходит преобразование тепловой энергии топлива в механическую работу. В реальных двигателях расширение протекает по сложному закону, зависящий от теплообмена между газами и окружающими стенками, величины подвода теплоты, а результате догорания топлива и восстановления продуктов диссоциации, утечки газов через неплотности и другое. Процесс в действительном цикле протекает по политропе.
Степень предварительного расширения ρ находится по формуле:
      (3.19)


-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Степень последующего расширения δ найдем по формуле:
     (3.20)
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Находим давление Ре в кПа в конце расширения по формуле:
     (3.21)
где n2 – показатель политропы расширения.
Показатель политропы расширения n2 можно определить по эмпириче-ской формуле профессора В.А. Петрова:
Для дизельного двигателя:
     (3.22)
Найдем это значение:

Находим давление в конце сжатия Ре:
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Температура Те в К в конце расширения:
     (3.23)
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:


3.2.5 Процесс выхлопа
В современных двигателях открытие выпускного канала проходит за 40-80о до и.м.т. и с этого момента начинается истечение отработавших газов с критической скоростью 600-700 м/с. За этот период, заканчивающиеся в близи и.м.т. в двигателях без наддува и несколько позже при наддуве, удаляется 60-70% отработавших газов. При дальнейшем движении поршня к В.М.Т. истечение газов происходит со скоростью 200-250 м/м и к концу выпуска не превышает 60-100 м\с. Средняя скорость истечения газов за период выпуска на номинальном режиме находится в пределах 60-150 м\с. Закрытие выпускного клапана происходит через 10о-50о после В.М.Т., что повышает качество очистки цилиндра за счет эжекционного свойства потока газа, выходящего из цилиндра с большой скоростью.
Давление Рr в кПа в конце выхлопа найдем из формулы:
   (3.24)
где kr = 1,05...1,25 для двигателей без наддува;
-для дизельного топлива:


-для биотоплива:


3.2.6 Индикаторные показатели работы двигателя
Среднее индикаторное давление Рi в кПа для дизеля найдем из формулы:
  (3.25)
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Действительное среднее индикаторное давление Рiан в кПа с учетом ок-ругления диаграммы и затрат на осуществление насосных ходов поршня определим из уравнения:
      (3.26)
где ;
- коэффициент округления.
Коэффициент округления = 0,92...0,95.Возьмем =0,95.
-для дизельного топлива:
Рiан= 0,95916,6 -125-90=835,7 кПа
-для биотоплива:
Рiан= 0,95855,5 -105-90=797,7 кПа
Среднее индикаторное давление Рi- такое условное постоянное давле-ние, которое действуя в течении 1 хода поршня совершает такую же работу что и переменное давление внутри цилиндра двигателя. Значит, величина среднего индикаторного давления характеризует тепловую напряженность работы двигателя.
Процент несовпадения величин среднего индикаторного давления ∆Рi в %, вычисленных, аналитически и графически определяется по выражению:
      (3.27)
Допустимая погрешность ∆Рi=3...5%;
-для дизельного топлива:
Рiгр =900 кПа;
Рiгр=0,95900-(125-90)=820 кПа;

-для биотоплива:
Рiгр =845 кПа;
Рiгр=0,95845-(105-90)=787,7 кПа;

Индикаторный коэффициент полезного действия ηi определяется по формуле:
   (3.28)
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Затем найдем индикаторный удельный расход топлива gi в кг/кВт∙ч находим по формуле:
    (3.29)


-для дизельного топлива:

-для биотоплива:


3.2.7 Эффективные показатели работы двигателя
Эффективные показатели работы двигателя, отличается от индикаторных наличием необходимых затрат на преодоление различных механических сопротивлений.
Среднее эффективное давление Ре в кПа найдем по формуле:
    (3.30)
где Рм- механические потери в кПа, вычисляемые по эмпирической формуле:
     (3.31)
где Сn- средняя скорость поршня.
Сn для тракторных дизелей лежит в пределе 6...11 м/с. Принимаем Сn=7,5 потому что увеличение средней скорости поршня возрастают механические потери, повышается тепловая напряженность двигателей, сокращается срок службы двигателя.
Рм=0,9+(0,117,5)102=172,5 кПа
Подставим Рм в формулу (3.30) и найдем Ре:
-для дизельного топлива:
Ре= 835,7 – 172,5=663,2 кПа
-для биотоплива:
Ре= 797,7 – 172,5=625,2 кПа
Найдем эффективный коэффициент полезного действия ηе из выражения:
,     (3.32)
где м- механический коэффициент полезного действия;
Его можно найти из выражения:
,       (3.33)
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:

Определим коэффициент полезного действия е:
-для дизельного топлива:
е=0,480,79=0,38
-для биотоплива:
е=0,420,78=0,33
Эффективный удельный расход топлива gе в кг/кВтч найдем из выражения:
    (3.34)
-для дизельного топлива:

-для биотоплива:


3.3 Тепловой баланс двигателя
Тепловой баланс двигателя характеризует распределение теплоты, выделяемой при сгорании топлива, вводимого в цилиндры двигателя на полезно используемую и отдельные виды потерь характеризуется внешним тепловым балансом. Характер распределения теплоты сгорания по составляющим внешнего теплового баланса определяется особенностями рабочего процесса, а также геометрическими размерами цилиндропоршневой группы, конструкцией деталей и системы охлаждения.
Внешний тепловой баланс в целом и отдельные его составляющие в частности позволяют оценить показатели теплонапряженности деталей двигателя, рассчитать систему охлаждения, определить резервы в использовании теплоты обработавших газов и пути повышения экономичности двигателя.

3.3.1 Общее количество теплоты
Общее количество теплоты Q в кДж/ч, введенной в двигатель с топливом находим по формуле:
Q=QnGт,       (3.35)
где Gт- часовой расход топлива.
Qn-низшая удельная теплота сгорания.
Часовой расход топлива Gт в кг/ч находится по формуле:
Gт=Nege,       (3.36)
-для дизельного топлива:
Gт=150,222=3,33 кг/ч;
Низшая удельная теплота сгорания Qн=42500 кДж/кг.
Q=425003,233=138656,25 кДж/ч;
-для биотоплива:
Gт=150,293=4,39 кг/ч;
Низшая удельная теплота сгорания Qн=37300 кДж/кг.
Q=373004,39=163747 кДж/ч.

3.3.2 Теплота, эквивалентная эффективной работе
Теплота, эквивалентная эффективной работе Qe в кДж/ч найдем из выражения:
Qe=3600Ne, (3.37)
где Ne- эффективная мощность, кВт; для двигателя Д-21 Ne=15 кВт.
-для дизельного топлива:
Qe=360015=54000 кДж/ч;
Процентное количество тепла qе в % , расходуемая на совершение работы:
,    (3.38)
Найдем процентное количество тепла qе:

-для биотоплива:


3.3.3 Теплота передаваемая охлаждающей среде
Теплота Qв в кДж/ч передаваемая охлаждающей среде для дизелей без наддува:
(3.39)
где C- коэффициент, равный 0,45...0,53
i - число цилиндров;
D – диаметр цилиндра, см;
n – частота, вращения коленчатого вала, мин-1;
- коэффициент избытка воздуха.
Примем:
С=0,45; i=2; D=10,5 см; n= 1600 мин-1; =1,65.
Зная все величины найдем, теплоту передаваемую охлаждающей среде Qв:

Процентное количество тепла qe в % , передаваемое охлаждающей среде найдем по формуле:
(3.40)
Найдем количества теплоты qe:

-для биотоплива:
Примем коэффициент избытка воздуха =1,2:



3.3.4 Теплота, уносимая с отработавшими газами
Теплота Qв в кДж/ч, уносимая с отработавшими газами находится по формуле:
(3.41)
где Ср – средняя теплоемкость отработавших газов при постоянном давле-нии;
Средняя теплоемкость равно Ср – 1,04 кДж/кгград;
Тr и То – температуры отработавших газов и окружающей среды, К;
- для дизельного топлива;
Берем из предыдущих расчетов Тr = 850 К; То = 293 К;
Gв и Gт - количества поступившего в цилиндр воздуха и топлива, кг/ч;
Количества поступившего в цилиндр воздуха Gв в кг/ч найдем из выражения:
Gв=14,5 Gт,       (3.42)
где Gт-часовой расход топлива, кг/ч; Gт=3,3635
Подставив часовой расход топлива Gт найдем Gв:
Gв=14,51,653,3635=78,05 кг/ч.
Подставив значения в уравнение (3.41) вычислим Qr:
Qr= 1,04850-29378,05-3,2625=40210 кДж/ч
Процентное количество теплоты qr в %, уносимое с отработавшими газами:
           (3.43)
Найдем количество теплоты qr:

-для биотоплива:
Температура выхлопных газов Тr = 700 К;
Gв=14,51,24,39=76,3 кг/ч;
Qr= 1,04700-29376,3-4,39=30438 кДж/ч;


3.3.5 Неучтенные потери теплоты
Неучтенные потери Qн.у. в кДж/ч находятся по формуле:
      (3.44)
Найдем неучтенные потери Qн.у.:

Процентное количество тепла qн.у в % на неучтенные потери находим по выражению:
       (3.45)
Найдем процентное количество тепла qн.у :



Рисунок 3.1. Схема теплового баланса двигателя на дизельном топливе.
-для биотоплива:
Найдем неучтенные потери Qн.у.:

Найдем процентное количество тепла qн.у :


Рисунок 3.2 Схема теплового баланса двигателя работающим на биотопливе.
3.4 Конструирование нагревателя биотоплива
Подогреватели для топливных систем двигателей автомобилей и трак-торов, работающих на дизельном и биодизельном топливе при низких темпе-ратурах.
 Прогрева требуют почти все элементы топливной системы - топливные баки, фильтры тонкой и грубой очисток топлива и топливопроводы (от бака до топливных насосов).
 В случае промерзания указанных элементов топливных систем запуск двигателя без предварительного подогрева вообще становится невозможным (даже при хорошо прогретом блоке самого дизеля). Поэтому при использовании рапсового масла наряду с жидкостными подогревателями, обеспечивающими прогрев блока холодного двигателя, должны быть предусмотрены подогреватели топлива и в элементах топливной системы. Самым эффективным по доступности и простоте конструкции следует признать электроподогрев от аккумуляторной батареи, причем в течение короткого времени с тем, чтобы сильно не разряжать при этом саму батарею.
Нагреватель дизеля транспортного средства содержит корпус 1 а виде цилиндрической трубы с патрубком 2 для подвода и патрубком 3 для отвода топлива и размещенный внутри корпуса 1 соосно ему тепло-передающий элемент в виде трубы 4 с фланцами 5 и 6 для циркуляции теплоносителя из жидкостного контура системы охлаждения дизеля. Для правильной установки трубы 4, а корпусе 1 используется штифт 7. На наружной поверхности трубы между патрубками 2 и 3 выполнены многозаходные винтовые ребра 8 образующие в
межтрубном пространстве винтовые каналы 9, которые сообщены с патрубками. На наружной поверхности корпуса, вдоль него между патрубками 2 и 3 размещены электронагревательные элементы (позисторы) 10. Они установлены в гнездах на корпусе и фиксируются контактной пластиной 11. соединенной положительной клеммой источника питания, и тепловым экраном 12 с помощью винтов 13. Напротив позисторов вершины 14 ребер усечены таким образом, что между ними и внутренней поверхностью корпуса образованы продольные каналы (зазор) 15, проходное сечение которых составляет предпочтительно 2-4% общего проходного сечения винтовых каналов 9. Вершины остальной части ребер в поперечном сечении корпуса по его периметру сопряжены с внутренней поверхностью корпуса.
Нагреватель работает следующим образом. Перед запуском двигателя подают электропитание на нагреватель. Под действием тепла, выделяемого позисторами, прогреваются стенки, между которыми образован продольный зазор, и это обеспечивает разрушение парафиновых фракций, прокачиваемость топлива через него, уверенный пуск и работу дизеля на холостом ходу. При этом эффект прогрева топлива от позисторов усиливается прогревом его от жидкого теплоносителя. В дальнейшем по мере прогрева двигателя температура охлаждающей жидкости повышается, увеличивается теплоотдача, нагреватель полностью разблокируется от парафинов, движение топлива осуществляется по всему проходному сечению, нагреватель выходит на рабочий режим и позисторы отключают.
При прогреве двигателя, когда движение топлива осуществляется по всему проходному сечению внутри корпуса нагревателя, выполнение ребер, сопряженных вершинами с внутренней поверхностью корпуса на большей части периметра его поперечного сечения, способствует дополнительному повышению эффективности работы нагревателя. Наибольшая эффективность достигается в том случае, если проходное сечение продольного канала 15 составляет от 2-4% общего проходного сечения винтового канала внутри корпуса.




 Рисунок 3.3 Нагреватель биотоплива: 1- корпус; 2,3 - патрубки для подвода и отвода топлива соответственно; 4 - теплопередающий элемент; 5,6 - фланцы для циркуляции выхлопных газов; 7 - штифт; 8 - винтовые ребра; 9 - винтовые каналы; 10 - позисторы; 11- контактная пластина; 12 - крышка; 13 - винты; 14 -вершины ребер; 15-продольные каналы (зазор).
Таким образом, использование комбинации оребренной (на большей части проходного сечения) и неоребренной (в виде продольного зазора) поверхностей в направлении движения топлива при наличии позисторов напротив этого зазора обеспечивает повышение эффективности работы нагревателя, как следствие, повышение надежности пуска двигателя при отрицательных температурах окружающего воздуха и надежную работу в послепусковой период.
 Целью выполнения конструкторской части является расчет проектируе-мого нагревателя топлива, а именно размеров его основной детали - теплопередающего элемента. Так же необходимо выбрать позистор и ТЭН для обеспечения необходимых условий нагрева топлива для его дальнейшей эксплуатации.

3.5 Расчет основных параметров теплопередающего элемента
 Теплообменные аппараты (теплообменники) – устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. В качестве теплоносителя в данном нагревателе биотоплива будут использованы выхлопные газы идущие от двигателя имеющие изначально высокую температуру.
 По схеме движения теплоносителя теплообменные аппараты делятся на прямоточные, противоточные, перекрестного тока и многоходовые. Данный нагреватель биотоплива будет работать по противоточной схеме движения теплоносителя. Это делается, для того чтобы повысить эффективность теплообмена между теплоносителями. Так как данный теплопередающий элемент является рекуперативным теплообменником, то расчет будем вести как у рекуперативных теплообменников.
 Теплотехнический расчет рекуперативного теплообменника заключается в определении теплового потока Ф, передаваемого холодному теплоносителю; расхода горячего теплоносителя G; требуемой поверхности теплообмена А.
Тепловой поток Ф в Вт определяем по уравнению:
     (3.46)
где G1 - расход холодного теплоносителя, кг/c;
C1 - изобарная теплоемкость холодного теплоносителя, Дж/(кг∙К);
t1к, t1н – конечная и начальная температуры, оС.
Так как нам известен часовой расход топлива который равен GT=4,39 кг/ч, то можно найти G1=4,39/3600=0,00122 кг/c.
C1=358 Дж/кг∙К - это значение было рассчитано ранее.
t1к=100 оС – потому что нам необходимо нагревать биотопливо до такой температуры чтобы уменьшить его вязкость.
t1н=20 оС – предварительно топливо будет подогрето в топливном баке.
Найдем значение теплового потока:

Далее найдем необходимую для передачи теплового потока Ф поверхность теплообмена А в м2 из формулы:
       (3.47)
где К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2∙К);
∆tcp – средняя по поверхности теплообмена разность температур теплоносителей, оС.
Коэффициент теплопередачи К равен количеству теплоты, передаваемого через единицу площади перегородки от одной подвижной среды к другой за единицу времени, при разности температур в один градус и находится по формуле:
     (3.48)
где α1 α2 – коэффициенты теплопередачи, от горячей среды к стенке и от стенки к холодной среде, Вт/(м2∙К);
1/α1 и 1/α2 – термическое сопротивление теплоотдачи Rα1 и Rα2;
δ/λ – термическое сопротивление теплопроводности Rλ;
В данном случае рассмотрим теплопередачу через дюралюминиевую стенку толщиной 4,5 мм от выхлопных газов к биотопливу при котором коэффициенты имеют следующие значения:
- теплопередача от газов к стенке α1=35 Вт/(м2∙К);
- теплопроводность стенки λ=50 Вт/(м2∙К);
- теплоотдача от стенки к биотопливу α2=2000 Вт/(м2∙К);
Подставив эти значения найдем коэффициент теплопередачи:

Для случаев прямотока и противотока ∆tcp в оС находят как среднюю логарифмическую разность по формуле:
      (3.49)
где ∆tб, ∆tм – наибольшая и наименьшая разность температур теплоносителей в теплообменном аппарате, оС.
Для данного случая ∆tб=75 оС , ∆tм=10 оС.
Теперь найдем ∆tcp:

Определив все значения найдем А:

Поверхность теплообмена можно расписать как:
      (3.50)
где l – длина поверхности теплообмена, м;
d – диаметр поверхности теплообмена, м.
 Учитывая, что размеры подогреватель должен быть небольшим и ком-пактным мы задавшись его длиной l=0,0186 м и найдем его диаметр d в м из формулы:
      (3.51)


Рисунок 3.4 Схема теплопередающего элемента.




3.6 Выбор позистора
Перед запуском двигателя нам необходимо подавать нагретое топливо, а так как выхлопные газы не имеют достаточной теплоты для этого, то нам необходимо выбрать нагревательный элемент (позистор), для предварительного нагрева биотоплива.
Позисторы - изделия электронной техники, основное свойство которых, заключается в способности изменять свое электрическое сопротивление под действием управляющих факторов: температуры, напряжения, магнитного поля и др,
Позисторы - полупроводниковые резисторы с нелинейной ВАХ, . отличительной особенностью которых является резко выраженная зависимость электрического сопротивления от температуры.
Позисторы характеризуют следующими основными параметрами:
Номинальное сопротивление RH- электрическое сопротивление
Температурный коэффициент сопротивления ТКС - характеризует обратимое изменение сопротивления на один градус Кельвина или Цельсия.
Максимально допустимая мощность рассеяния Рт„- наибольшая мощность, которую длительное время может рассеивать позистор, не вызывая необратимых изменений характеристик, при этом его температура не должна превышать максимальную рабочую температуру.
Коэффициент температурной чувствительности В - определяет характер температурной зависимости данного типа позистора.
Постоянная времени t - характеризует тепловую инерционность.
Зная температуру, на которую нам необходимо нагреть биотопливо, можно выбрать позистор из стандартного ряда, который будет отвечать необходимым требованиям.
Выбираем позистор модели СТ6-5Б, у которого следующие характери-стики:
- диапазон номинальных сопротивлений 3...20 Ом;
- максимальная мощность 2,5 Вт;
- диапазон рабочих температур -60...125 оС;
- диапазон температур положительного ТКС 20...125 оС;
- кратность изменения сопротивления в области положительного ТКС 1000;
- постоянная времени 10 с.

3.7 Расчет ТЭНа
Теперь необходимо рассчитать основные параметры ТЭНа.
ТЭН можно рассматривать как нагретое тело, участвующее в теплообмене с окружающей средой. В стационарном режиме мощность Рн полностью передается окружающей среде.
Рассчитать мощность ТЭНа Рн в Вт можно по формуле:
    (3.52)
где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м∙ оС;
t1 и t2 – температуры нагреваемой среды и нагревателя, оС;
Ft – площадь поверхности, участвующая в теплообмене теплопроводно-стью, м2;
l – длина ТЭНа, м;
Для данных условий :
- температуры нагреваемой среды t1= 5 оС
- температуры нагревателя t2= 40 оС
- коэффициент теплопроводности λ= 10∙0,6 Вт/м∙ оС;
- зададимся длиной ТЭНа равной l=0,7 м;
- площадь поверхности Ft=0,022 м2.
Найдем необходимую мощность ТЭНа:

Из стандартного ряда значений примем Рн=7 Вт.
Теперь можно найти диаметр d в м ТЭНа из формулы:
      (3.53)
где ρ – удельное сопротивление материала нагревателя, Ом∙м;
U – напряжение подведенное к ТЭНу, В;
ωн – удельная поверхностная мощность нагревателя, Вт/м2;
Удельное сопротивление материала нагревателя ρ=1,3 Ом∙м;
Напряжение подведенное к ТЭНу U=12 В;
А удельную поверхностную мощность нагревателя ωн можно найти по формуле:
      (3.54)
Зная мощность и площадь поверхности найдем ωн:
Вт/м2
Теперь найдем диаметр ТЭНа:

Из стандартных значений выбираем ближайшее d=0,025м.