Модернизация системы охлаждения дизельного двигателя Д-245 (конструкторская часть дипломного проекта)

СОДЕРЖАНИЕ

4 Конструкторская разработка...
4.1 Обоснование конструкторской разработки и теоретический анализ теплоаккумулирующего материала...
4.2 Устройство теплоаккумулятора фазового перехода...
4.3 Методика зарядки, хранения тепловой энергии в межсменный период и разрядки теплоаккумулятора в период холодного пуска...
4.4 Расчет системы охлаждения с учетом предлагаемой модернизации...



4 Конструкторская разработка
4.1 Обоснование конструкторской разработки и теоретический анализ теплоаккумулирующих материалов

Пуск тракторных дизелей в условиях низких температур имеет свои особенности. Сложность пуска зависит от следующих факторов: низкая пусковая частота вращения (трудно обеспечить необходимую температуру в конце такта сжатия), высокая вязкость моторного масла (тяжело проворачивать дизель стартером), большая плотность дизельного топлива (затруднено смесеобразование), слабый заряд аккумуляторной батареи (трудно проворачивать дизель), холодный всасываемый воздух (не создаются условия самовоспламенения).[3]
Самовоспламенение дизельного топлива в момент пуска дизеля зависит от давления сжатия в цилиндре, температуры в камере сгорания в конце сжатия и надёжного впрыска топлива. Давление сжатия зависит от конструктивных факторов, в частности от состояния цилиндропоршневой группы(ЦПГ); надёжный впрыск топлива зависит от состояния топливоподающей аппаратуры- от качества распыливания топлива форсункой и самого топлива; температура в камере сгорания зависит от степени сжатия дизеля, состояния системы охлаждения(СОЖ),в частности от системы предварительного подогрева свежего заряда.
Немаловажное значение при пуске холодного дизеля имеет напряжение и ёмкость АКБ. При понижении температуры окружающего воздуха значительно снижаются её энергетические возможности[11].
Для ликвидации негативного влияния низких температур окружающего воздуха на пуск дизеля целесообразно осуществлять его комплексную тепловую подготовку путём аккумулирования теплоты.
Под тепловым аккумулированием понимают физические или химические процессы, посредством которых происходит накопление теплоты в тепловом аккумуляторе(ТА). Существуют типы ТА с твёрдым наполнителем, газовые и фазовые. Первые два типа аккумуляторов накапливают теплоту благодаря повышению температурного уровня аккумулирующей среды, в фазовых аккумуляторах используется скрытая теплота фазового перехода. Для фазового ТА энергоёмкость теплового аккумулирования посредством использования теплоты фазового перехода определяется изменением не температуры, а агрегатного состояния аккумулирующей среды при постоянной температуре.
При аккумулировании на основе теплоты фазового перехода используется аккумулирование скрытой теплоты плавления, т.е. теплоаккумулятор фазового перехода(ТАФП) работает за счёт периодически повторяющихся процессов плавления и кристаллизации аккумулирующей среды. Однако не всякие фазовые превращения можно использовать в ТАФП.
С учетом анализа научных работ[12,13,14], направленных на исследование физических основ аккумулирования теплоты посредством фазовых переходов, разработаны следующие требования к применяемым а ТАФП теплоаккумулирующим материалам:
-высокие энтальпия плавления и плотность;
-удобная из эксплуатационных условий температура плавления;
-высокая удельная теплоёмкость в твёрдой и жидкой фазах(если используется и изменение внутренней энергии);
-отсутствие тенденции к расслоению, температурная стабильность;
-отсутствие возможности значительного переохлаждения при кристаллизации;
-незначительное изменение объёма при плавлении, т.е. отношение плотности жидкой фазы к плотности твёрдой должно быть близко к 1;
-слабая химическая активность;
-безопасность;
-стабильность физико-химических свойств в диапазоне рабочих температур;
-низкая стоимость.
Исходя из нижеперечисленных требований, для теплового аккумулирования с использованием теплоты фазового перехода наиболее перспективными являются следующие чистые вещества: кристаллогидраты неорганических солей; органические вещества; соли.
Самыми перспективными теплоаккумулирующими веществами признаны соли неорганических кислот. Свойства солей определяются ионным характером связей как в жидком, так и в твёрдом состоянии. Среди солей могут быть найдены вещества, плавящихся при комнатной температуре и ниже[14].
Большинство солей с низкими температурами плавления имеют узкую область жидкого состояния и активно взаимодействуют с влагой воздуха. Однако существует огромное количество солей, имеющих и более высокие температуры плавления.
В таблице 4.1. приведены теплофизические характеристики солей, пригодных для аккумулирования тепловой энергии с использованием теплоты фазового перехода.




Таблица 4.1-Теплофизические характеристики солей, пригодных для аккумулирования тепловой энергии с использованием теплоты фазового перехода

Химическая формула
соли Температура плавления, Tпл, оС Плотность,
Кг/м3

 Удельная теплота фазового
перехода, ∆hпл, кДж/г Удельная теплоёмкость, кДж/(кг К) Теплопроводность , λтв, Вт/(м К) Изменение объёма при плавлении, ∆V,%
  Ρтв  Ρж  Ств Сж  
LiNO3 252 2310 1776 530 2,025 2,04 1,35 23,1
Li2 NO3 726 2114 1810 667 1,32 - 1,45 14,4
Na2B4O 740 2300 2630 530 1,75 1,77 - 14,3
LiF 848 2290 - 1050 1,62 - - -
NaCl 800 2165 1624 517 0,853 - - 25
KCl 770 1985 1642 360 0,691 - 6,95 17,3
CaCl2 782 2504 2481 256 0,65 - - 0,9


Из анализа таблицы 4.1 следует, что при использовании в качестве теплоаккумулирущего материала (ТАМ) солей необходимо учитывать большие увеличения объёма при плавлении (до 25%). Кроме того, соли имеют сравнительно высокую удельную теплоту плавления и невысокую теплопроводность.
Учитывая вышеназванные свойства, в качестве ТАМ рекомендуется использовать нитраты, как наиболее легкоплавкие и устойчивые на воздухе соли. Однако при их использовании необходимо учитывать их взрывоопасность. Также возможно применение сульфатов и галогенов, как наиболее освоенных в промышленности.
Однако в большинстве случаев в качестве ТАМ выгоднее использовать не чистые соли, а их различные смеси. При аккумулировании с использованием теплоты фазового перехода бинарные системы обладают некоторыми преимуществами:
-точка плавления может оказаться более приемлемой для определённых условий;
-высокие плотности запасаемой энергии могут быть достигнуты даже при низких температурах;
-дорогостоящие вещества с хорошими теплоаккумулирующими свойствами могут быть использованы в смеси с дешевыми, при этом тепловая ёмкость остаётся почти неизменной.
Анализируя результаты расчётно-теоретического исследования теплоаккумулирующих материалов академика Б.Ф. Маркова(«Теория термодинамики растворов») с учётом рекомендаций (выбирается тот ТАМ, который обладает: наибольшей плотностью аккумулируемой теплоты; наиболее высокими теплообменными свойствами; повышенной безопасностью) нами выбран октагидрат гидроксида бария, т.к. он имеет наиболее высокий коэффициент теплопроводности как в твёрдом(λтв=0,71Вт/(м∙К)), так и в жидком(λж=0,62Вт/(м∙К)) состоянии.

4.2 Устройство теплоаккумулятора фазового перехода
Рассмотрим устройство ТАФП[13].



1-наружный корпус; 2-тепловая изоляция; 3-внутренний корпус; 4-трубный спиральный теплообменник; 5-ТАМ; 6,7-крышки корпуса; 8,9-входной и выходной патрубки
Рисунок 4.1- Принципиальная схема теплового аккумулятора фазового перехода:

Теплоаккумулятор фазового перехода состоит из наружного 1 и внутреннего 3 корпусов, между которыми располагается слой тепловой изоляции 2. В теплоаккумулирующей полости расположен спиральный теплообменник 4, окруженный ТАМом 5. Теплообменник имеет входной и выходной патрубки. Корпуса 1,3 выполнены из стали, а теплообменник 4- из меди. В качестве ТАМа 5 применяется октагидрат гидрооксида бария Ва(ОН)2∙8Н2О. Тепловая изоляция выполнена из связанного порошкового асбеста.
Функционирует изображенный на рисунке 4.1 ТАФП следующим образом (рисунок 4.2.2). Во время работы дизеля 1 при температуре окружающей среды То поток охлаждающей жидкости (ОЖ) с переменным во времени массовым расходом Gж = Gж(t) и постоянной температурой входа Тж вых = const поступает в ТАФП 2, отдает часть своей теплоты и с параметрами Gж = Gж(t) и Тж вых = Тж вых (t) вновь поступает в ДВС 1, где Тж вых - температура ОЖ на выходе из ТАФП. В процессе зарядка ТАФП часть утилизируемой энергии рассеивается в окружающей среде с переменной во времени интенсивностью Qп = Qп(t).

1-двигатель внутреннего сгорания; 2 -тепловой' аккумулятор фазового, перехода
Рисунок 4.2- Принципиальная схема функционирования системы «дизель - тепловой аккумулятор фазового перехода» в период накопления теплоты

Накопление ТАФП теплоты происходит за счет плавления фазопереходного ТАМа 5 (рисунок 4.2), когда по трубному теплообменнику 4 проходит поток ОЖ. Слой тепловой изоляции 2 препятствует интенсивному теплообмену ТАМа с окружающей средой.

4.3 Методика зарядки, хранения тепловой энергии в межсменный период и разрядки теплового аккумулятора в период холодного пуска дизеля.
В общем виде система охлаждения дизеля состоит из(графическая часть: лист 4) внутреннего контура(жидкостный насос 20- магистраль подвода охлаждённой жидкости к рубашке охлаждения дизеля 14-рубашка охлаждения головки блока дизеля 12- рубашка охлаждения блока цилиндров дизеля 18- жидкостный насос 20) и внешнего контура(жидкостный насос 20- магистраль подвода охлаждённой жидкости к рубашке охлаждения дизеля 14-рубашка охлаждения головки блока дизеля 12- рубашка охлаждения блока цилиндров дизеля 18- термостат 9- верхний соединительный патрубок 8-верхний расширительный бачок радиатора 4-жидкостный радиатор 1- нижний расширительный бачок радиатора 24- нижний соединительный патрубок 22- жидкостный насос 20) системы охлаждения. Цепь теплового аккумулятора встроена во внутренний контур системы охлаждения.
Забор охлаждающей жидкости будет осуществляться электронасосом 16 через сливной кран 19, установленный в рубашке охлаждения блока цилиндров дизеля 18. ОЖ поступает через магистраль 17, запорный кран 15 и поступает в ТАФП 13. Затем через запорный кран 11 и датчик температуры 10, устанавливаемый в пробку, ОЖ поступает в рубашку охлаждения головки блока дизеля 12. Таким образом, прогревается в первую очередь головка блока цилиндров, в которой находится камера сгорания.
Конструкция разработанной системы предпусковой тепловой подготовки дизеля позволяет эксплуатировать ее в трёх режимах:
1-режим зарядки;
2-режим хранения;
3-режим разрядки ТАФП(режим тепловой подготовки дизеля).
Зарядка ТАФП осуществляется в процессе выполнения трактором транспортной или иной работы(Графическая часть лист 4-«схема зарядки»).
В процессе работы дизеля краны 11и 15 открыты, насос 16 не работает. Охлаждающая жидкость с температурой не менее 85-900С под действием жидкостного насоса 20 поступает в радиатор охлаждения 1 внешнего контура системы охлаждения, так и во внутренний контур системы, а значит и в ТАФП 13. Находящийся в нём теплоаккумулирующий материал нагревается в твердой фазе до температуры плавления 780С, плавится, а затем нагревается до равновесной температуры в жидкой фазе. Благодаря этому обеспечивается зарядка ТАФП.
Хранение накопленной тепловой энергии осуществляется во время межсменной стоянки трактора на открытой площадке в условиях низких температур окружающего воздуха.
Дизель не работает, в обоих контурах системы охлаждения отсутствует течение жидкости. При этом в системе охлаждения находится в рабочем состоянии внутренний контур. В этом случае для уменьшения тепловых потерь вследствие саморазрядки ТАФП 13 краны 11 и 15 должна быть закрыты(Графическая часть лист 4-«схема хранения»).
Разрядка производится перед пуском дизеля с целью осуществления его предпусковой тепловой подготовки в условиях низких температур (Графическая часть лист 4-«схема разрядки»).
После открытия кранов 11 и 15 включается электронасос 16, под действием которого поток охлаждающей жидкости из рубашки охлаждения блока цилиндров дизеля 18 поступает в магистраль 17 и тепловой аккумулятор 13, а затем в рубашку охлаждения 12 головки блока, т.е. во внутренний контур «тепловой аккумулятор-дизель». Поскольку температура охлаждающей жидкости меньше температуры начала срабатывания термостата 9, то большой контур охлаждения не работает, в радиаторе циркуляции не происходит: выделяющаяся в ТАФП 13 скрытая теплота кристаллизации ТАМа потоком жидкого теплоносителя переносится в малый контур и подогревает рубашку охлаждения дизеля. Благодаря этому обеспечивается разрядка ТАФП, т.е. отдача теплоты охлаждающей жидкости.


4.4 Расчет параметров системы охлаждения с учетом модернизации
Расчет системы охлаждения с установленным теплоаккумулятором фазового перехода (рисунок 4.2) будет сводиться к получению времени, необходимого для тепловой подготовки двигателя Д-245.
Введём следующие допущения:
1.Охлаждающая жидкость (в нашем случае ТОСОЛ-А40М) будет подаваться в теплоаккумулятор электрическим насосом порционно;
2.Количество теплоты Q, передаваемое охлаждающей жидкостью Ва(ОН)2∙8Н2О и наоборот, для расчетов примем одинаковым, без учета потерь в трубке теплоаккумулятора;
3.Скорость потока в трубке теплоаккумулятора постоянная на всей длине.
Количество порций охлаждающей жидкости, прошедших через ТАФП, найдем из выражения:
n=Мож/mож, (4.1)
где Мож- масса охлаждающей жидкости в малом круге системе охлаждения двигателя Д-245, кг. Для расчетов принимаем Мож=6 кг.
mож- масса охлаждающей жидкости в ТАФП( 1-ой порции), кг
В свою очередь mож рассчитывается по формуле:
mож=π∙R2∙l∙ρ, (4.2)
где π=3,14
R-внутренний радиус трубки теплообменника, м. R=7,5мм=0,0075м
l-длина трубки теплообменника, м
l=n∙√(〖(2π∙R)〗^2+h^2 ), (4.3)
где n-количество витков. n=10
h- шаг витка, м. h=19мм=0,019м
l=10∙√(〖(2π∙0,0075)〗^2+〖0,019〗^2 ) =2,96м
ρ –плотность охлаждающей жидкости(ТОСОЛА-А40М). ρ=1070кг/м3
mож=π∙0,00752∙2,96∙1070=0,548кг
n=6/0,548=10,95 порций , (4.4)
Далее из основных расчетов кинематики и динамики жидкости найдем время на нагрев 1-ой порции охлаждающей жидкости. За исходное примем уравнение расход потока q [16,стр. 362]:
q=V/Т, м3/с (4.5)
где q- производительность электрического подкачивающего насоса с функцией пассивного вращения, м3/с. Его максимальная производительность при давлении 44...56кПа равна 100 л/ч. С учетом низкой температуры окружающего воздуха и влияния различных факторов, для расчетов примем производительность насоса 50 л/ч или 1,39∙10-5 м3/с.
V-объем охлаждающей жидкости в трубке теплоаккумулятора (порции), м3
В свою очередь V находится по следующей зависимости:
V=m/ρ, м3 (4.6)
V=0,548/1070=5,1∙10-4 м3
Т- время, необходимое на нагрев 1-ой порции охлаждающей жидкости, с
При помощи несложных математических преобразований, из формулы 4.12 выразим искомое время t:
Т =V/ q, с (4.7)

Т=5,1∙10-4 / 1,39∙10-5 =36,7 с

Количество теплоты, которое отдает Ва(ОН)2∙8Н2О охлаждающей жидкости, найдем по формуле:
Qб=mб∙Cp.m∙tб, (4.8)
mб-масса Ва(ОН)2∙8Н2О, кг mб=3,8кг[16,стр. 15]
Cp.m-массовая теплоемкость Ва(ОН)2∙8Н2О= 7565 Дж/кг∙0С[16,стр. 124]
tб-температура расплавленного Ва(ОН)2∙8Н2О=780С[16,стр. 96]
Qб=3,8∙7565∙78=2242282,51Дж

Из допущения 2 следует, что Qб= Qож=2242282,51 Дж. С учетом времени нахождения порции охлаждающей жидкости в трубке теплообменника Т=36,7с, найдем температуру t2, на которую прогреется 6кг тосола за один проход через ТАФП:
Qож=mож∙Cp.m∙(t2- t1)∙Т, (4.9)

mож –масса порции тосола в трубке, кг =0,548
Cp.m- массовая теплоемкость тосола, Дж/кг∙0С=3800[16,стр. 216]
t2-температура на выходе из ТАФП, 0С
t1- температура на входе в ТАФП, 0С
Выразим из формулы 4.6 температуру t2:
Qож=mож∙Cp.m∙t2∙Т- mож∙Cp.m∙t1∙Т, (4.10)
Qож+ mож∙Cp.m∙t1∙Т =mож∙Cp.m∙t2∙Т, (4.11)
(4.12)

Зная температуры на входе и выходе из теплоаккумулятора, можем найти ∆t:
∆t= t2- t1, 0С , (4.13)
∆t= 4,34- (-25)= 29,34 0С
Для нормального пуска двигателя температура в системе охлаждения должна быть плюс-минус 70 0С. С учетом потерь на нагрев металлических частей 5...12%, принимаем её равной 68 0С. Из формулы 4. Найдем показатель а, характеризующий отношение теоретической температуры, необходимой для нагрева ОЖ то -25 до 680С, к разнице температур ∆t:
, (4.14)

Время в, необходимое на нагрев 10,95 порций ОЖ, найдем по формуле:
в= n∙Т, с, (4.15)
в=10,95∙36,7=401,865 с
Время на нагрев системы охлаждения дизеля Д-245 до температуры 63 0С:
τ=а∙ в, с (4.16)
τ=3,17∙ 401,865=1272,39 с или 21,2 мин

Аналогично приведенным выше расчетам определим максимальную температуру, на которую сможет прогреться система охлаждения при различных значениях температуры окружающего воздуха в условиях климата Беларуси.
Полученные результаты заносим в таблицу 4.2






Таблица 4.2- Максимальная температура, на которую сможет прогреться система охлаждения при различных значениях температуры окружающего воздуха в условиях климата Беларуси.

Температура окружающего воздуха, t1 0С Время на нагрев системы охлаждения до 68 0С, мин
-25 21,2
-20 18,14
-15 15,8
-10 14,07
-5 12,62
0 11,46

Анализируя данные таблицы 4.2, мы видим, что при использовании ТАФП при температуре окружающего воздуха -25 0С для эффективной тепловой подготовки двигателя необходимо затратить 21,2 мин. (в реальности в среднем от 30 мин до 1 часа) С уменьшением температуры-уменьшается и время подготовки и при нуле будет составлять 11,46 0С.

Общие выводы:
1.При предпусковой подготовке тракторных дизелей в условиях отрицательной температуры окружающей среды оптимальным является использование теплоты, аккумулированной посредством фазовых переходов первого рода. Теоретически обоснован выбор бинарных солевых систем а качестве теплоаккумулирующих материалов. При холодном пуске дизелей тракторов сельскохозяйственного назначения в качестве теплоаккумулирующего материала возможно использование октагидрата гидгооксида бария Ва(ОН)2∙8Н2О с температурой плавления 780С;
2. Рассмотрены процессы зарядки теплового аккумулятора фазового перехода, хранения теплоты в межсменный период и его разрядки при пуске тракторного дизеля в условиях отрицательных температур окружающей среды.
3. На основании проведенных расчетов можно рекомендовать осуществлять пуск дизеля при температуре ОЖ, предварительно прогретой до 55 ... 700С, но делать это допустимо при температурах окружающей среды не ниже минус 250С. Время тепловой подготовки дизеля к принятию нагрузки будет составлять 20... 25 мин. В нашем случае при минус 25- 21,2 мин.