К.т.н. Разношинская А.В.

Южно-Уральский государственный университет, Россия

Влияние теплоаккумулирующего материала

на теплофизические свойства демпфера

колебаний температуры отработавших газов.

Температура отработавших газов (ОГ) поршневых ДВС меняется в широком диапазоне в зависимости от режима работы двигателей. Так, температура ОГ дизеля КамАЗ-740 на различных режимах работы изменяется от 80 до 650оС.

Уменьшение колебаний температуры ОГ, то есть демпфирование ее, позволяет эффективнее работать системам утилизации и нейтрализации отработавших газов поршневых ДВС [1, 2]. Использование температуры плавления для аккумулирования тепла обеспечивает возможность демпфирования температуры отработавших газов, проходящих через устройство, содержащее теплоаккумулирующий материал (ТАМ).

В низкотемпературных системах (солнечных, горячего водоснабжения и отопления и т. п.) широко применяются кристаллогидраты, имеющие низкую температуру плавления, что связано с возможностью использования природных веществ.

Помимо неорганических соединений в системах с рабочими температурами до 120 0С в качестве ТАМ могут быть применены различные органические материалы (полиэтиленгликоль, октадекан и др.). Для использования в термоэлектрических системах пригодны материалы с температурой фазового перехода от 100 до 250 0С. К ним относятся полиэтилен, пентаэритритол, эвтектические смеси гидроокcидов щелочных металлов, например, LiOH - NaOH, LiOH - КOH и другие. При более высоких температурах часто применяют соединения и сплавы легких металлов. К настоящему времени предложены материалы, обеспечивающие практически любое значение температуры плавления в диапазоне температур ОГ.

В качестве ТАМ целесообразно применять вещества, не разлагающиеся при плавлении и не растворяющиеся в избыточной воде, кристаллизующиеся отдельными кристаллами, химически стабильные, возможны и некоторые дополнительные ограничения, связанные с конструкцией демпфера [3]. 

Стабилизировать температуру ОГ перед поступлением в утилизационный двигатель или каталитический нейтрализатор можно путем установки в выпускной системе автомобиля устройства, содержащего теплоаккумулирующий материал (ТАМ) фазового перехода, которое можно назвать демпфером колебаний температуры отработавших газов (ДКТ ОГ).  Наиболее приемлемыми для реализации этой задачи являются ДКТ ОГ кожухо-трубного типа с фазовым переходом.

Рис.1 Демпфер колебаний температуры отработавших газов.

 

ДКТ ОГ представляет собой устройство, в корпусе которого установлены металлические трубки, по которым движутся отработавшие газы ДВС. Пространство между трубками заполнено теплоаккумулирующим материалом фазового перехода. Если температура отработавших газов, проходящих через демпфер колебаний, выше температуры теплоаккумулирующего материала, то происходит отдача теплоты в него и температура отработавших газов снижается. В случае, когда  отработавшие газы холоднее теплоаккумулирующего материала, он отдает часть теплоты газам, повышая их температуру. Таким образом, происходит демпфирование колебаний температуры отработавших газов, проходящих через это устройство.

На основе эксергетического метода рассмотрим структуру энергетических потоков и термодинамику процессов теплообмена в демпфере колебаний температуры отработавших газов поршневых ДВС.

Энергию ОГ, выходящих из поршневого ДВС и проходящих через ДКТ ОГ, можно рассмотривать как сумму эксергии и анергии и разложить на составляющие – термическую, механическую и химическую [4].

Еог = Qог + Ехр ог + Ехх ог = Аог + Ехт ог + Ехр ог + Ех хк ог + Ех хр ог                        (1)

где Qог – энергия ОГ в форме теплоты;

Ехр ог–механическая эксергия ОГ;
Ехх ог – химическая эксергия ОГ;

Аог – анергия потока теплоты;

Ехт ог –термическая эксергия ОГ;

Ех хк ог – концентрационная эксергия ОГ;

 Ех хр ог – реакционная эксергия ОГ.

Если допустить, что давление ОГ при их прохождении через ДКТ не изменяется (т.е. пренебречь гидравлическим сопротивлением ДКТ) и химические реакции в ДКТ не протекают, то механическая и химическая эксергии будут проходить через ДКТ транзитом.

Наличие разницы температур создает принципиальную возможность получения от ОГ энергии в форме теплоты (Qог) в количестве:

                                                                          (2)

где  - масса ОГ;

 - изобарная средняя удельная массовая теплоёмкость ОГ;

 - соответственно энтальпия ОГ и окружающей среды.

Максимальное количество работы, которая может быть получена из этой теплоты, определяется её эксергией (термической эксергией).

                       (3)

где   - среднетермодинамическая температура процесса остывания ОГ в окружающей среде; DS - изменение энтропии ОГ в процессе передачи теплоты;  - коэффициент работоспособности теплоты ОГ (коэффициент Карно) [5].

С помощью системы дифференциальных уравнений, описывающих процессы теплообмена в ДКТ с фазовым переходом, разработана математическая модель для расчета процессов теплообмена в нем. Система включает уравнения: потока теплоты, подводимой к ТАМ в процессе заряда ДКТ или отводимой от ТАМ к холодному теплоносителю ОГ в процессе разряда; эксергии и анергии, отданной (полученной) ОГ и ТАМ; линейного коэффициента теплопередачи для многослойной цилиндрической стенки; температуры ОГ на выходе из ДКТ; количества энергии, которая поступает в утилизационный двигатель. Система уравнений представляет собой замкнутое описание процессов, протекающих в демпфере.

В основу математической модели процессов теплообмена в ДКТ с фазовым переходом положен аппарат теплового расчета емкостных теплообменников методом эффективных характеристик [6]. Рассмотрим некоторые его положения.

Поток теплоты, подводимой к ТАМ от горячего теплоносителя (ОГ) в процессе заряда ДКТ или отводимой от ТАМ к холодному теплоносителю (ОГ) в процессе разряда через поверхность теплообмена, в пренебрежении тепловыми потерями можно определить по уравнению:

 Qтам = стам· mтам ·, Дж/с,                                                                    (4)

где, стам – средняя удельная массовая теплоемкость ТАМ, Дж/(кг·К);

 mтам – масса ТАМ, кг;

  - среднеобъемная температура ТАМ, К;

τ – время, с.

В тоже время, используя допущение о квазистационарности процесса, тепловой поток, который передается через цилиндрическую стенку при заряде ДКТ от горячего теплоносителя (ОГ) к ТАМ (или к холодному теплоносителю (ОГ) от ТАМ при разряде) – Qзог (Qрог), можно найти с помощью уравнений:

Qог = k π(Тог - )   или   Qог= k π ( - Тог), Дж/с,  (5)

где Тогср - средняя температура ОГ, К; k – линейный коэффициент теплопередачи, Вт/(м∙К);  – длина поверхности теплообмена, м.

С другой стороны:

Qог = ср ог Gог (Тогвх – Тогвых)   и   Qог= ср ог Gог (Тогвх – Тогвых), Дж/с,     (6)

где ср ог - средняя удельная массовая изобарная теплоемкость ОГ, Дж/(кг∙К);

 Gог - массовый расход ОГ, кг/с;

Тогвх, Тогвых- температуры ОГ на входе и выходе из ДКТ, К.

Интенсивность теплообмена в ДКТ с пассивным теплообменом лимитирована естественной конвекцией в ТАМ. Поэтому, коэффициент теплопередачи сравнительно невысок (на порядок ниже, чем в активных теплообменниках). Изменение температуры теплоносителя относительно невелико, что позволяет среднюю температуру Тогср интерпретировать, как среднеарифметическую.

Тогср = 0,5 ∙(Тогвх+ Тогвых), К.                                                                          (7)

Система уравнений (4-7) представляет собой замкнутое описание процессов, протекающих в ДКТ. Она содержит ряд упрощающих предпосылок. Допускается, что поверхность теплообмена – бесконечная пластина; не учитываются теплофизические свойства поверхности теплообмена (стенки); расчет ведется для одной трубки, длина которой равна сумме длин всех трубок ДКТ. Такие допущения не оказывают существенного влияния на описание теплового состояния стационарных систем отопления. Однако, в случае использования ДКТ в системе выпуска ПДВС, некоторые ее положения должны быть пересмотрены и конкретизированы. Связано это с тем, что массовый расход ОГ изменяется в зависимости от режима работы двигателя. Этот расход можно выразить формулой:

Gог =  rог, кг/с,                                                                                        (8)

где rог - плотность ОГ, кг/м3.

Если температура ОГ выше, чем  ТАМ, то весь запас энергии, который теоретически можно получить от ОГ в форме теплоты за единицу времени при их остывании от Тогвх до температуры окружающей среды (Тос) при неизменном давлении можно найти по формуле:

Qогвх= ср ог Gог (Тогвх - Тос),Дж/с.                                                                    (9)

                     

В первом приближении можно допустить, что все количество теплоты, отданное отработавшими газами в процессе заряда, было получено ТАМ,

т. е. что Qогз = Q тамз.

Используя допущения о квазистационарности процесса теплопередачи и об отсутствии конвективной составляющей по фронту плавления, линейный коэффициент теплопередачи для многослойной цилиндрической стенки с граничными условиями третьего рода можно найти по формуле [7]:

, Вт/(м∙К),                                      (10)

где a1 и a2 – коэффициенты теплоотдачи от ОГ стенке и от стенки к жидкой фазе ТАМ соответственно, Вт/(м2∙К);

lст, и lтф –коэффициенты теплопроводности стенки и твердой фазы ТАМ, Вт/(м∙К);

d1, d2, dx и d3 - диаметры внутренней и наружной поверхностей стенки, поверхностей фазового перехода и наружной ТАМ, м.

Частными случаями уравнения (10) являются зависимости, описывающие линейный коэффициент теплопередачи ТАМ, находящегося в различных фазовых состояниях.

 В соответствии с математической моделью была разработана блок-схема алгоритма расчета,  реализованная в интегрированном пакете MathCad [8], для расчета процесса демпфирования колебаний температуры ОГ в ДКТ.  Программа позволяет исследовать влияние свойств теплоаккумулирующего материала и конструктивных параметров ДКТ ОГ на уменьшение амплитуды колебаний температуры проходящих  через него газов и их энергетические показатели  

Адекватность предложенной физико-математической модели была установлена с помощью соответствующих экспериментальных исследований.

Для проведения экспериментальных исследований на кафедре двигателей Челябинского военного автомобильного института под руководством профессора Кукиса В.С. был создан испытательный стенд, позволивший изучить процесса демпфирования колебаний температуры ОГ в результате их прохождения через ДКТ.

Математическая модель, при наличии экспериментально определенных характеристик режима работы в реальных условиях эксплуатации поршневых ДВС и основных конструктивных параметров ДКТ, позволила рассчитать процессы теплообмена в нем.

Исходными данными являлись: температура ОГ, поступающих в демпфер, расход ОГ, начальная температура ТАМ, физико-химические свойства материала стенки, разделяющей теплоносители ДКТ (плотность, теплоемкость и теплопроводность), и свойства вещества ТАМ (плотность, теплоемкость и теплопроводность твердой и жидкой фаз, температура плавления), а также массогабаритные показатели демпфера колебаний температуры (внутренний и наружные диаметры стенки, разделяющей теплоносители, длина и масса этой стенки, наружный диаметр ДКТ, масса ТАМ). Расчеты осуществлялись по двум возможным режимам работы демпфера - заряд и разряд, в каждом из которых вычисления производились для случаев, когда ТАМ находится только в твердом, твердом и жидком состояниях одновременно и в жидком состоянии.

В результате эксперимента был установлен характер влияния теплоаккумулирующего вещества на демпфирование колебаний температуры и энергетические показатели отработавших газов. Рассмотрение полученных результатов позволило отметить некоторые общие особенности. Стабилизация колебаний средней температуры ТАМ наступает практически во всех случаях после 140с работы ДКТ. Наиболее высокая средняя температура (рис. 2, а) и наименьшие колебания температуры ТАМ  (рис. 2, б) достигается при использовании в качестве ТАМ тройной эвтектической смеси 7NaNO3/40 NaNO2/53 КNO3 (760 К) и LiNO3 (755 К). Несколько меньшую температуру (740 К) имеет NaОН и 700 К – LiОН.

                                    а                                                              б

Рис. 2. Средние значения и колебания температуры некоторых

 теплоаккумулирующих материалов и отработавших газов на выходе из демпфера колебаний температуры через 3 мин после начала работы:

 а – средние значения; б – колебания

 

Причина установленной разницы средних температур нагрева ТАМ при одинаковых значениях температуры ОГ на входе в демпфер связана, в первую очередь, с различной теплоемкостью веществ, использованных в качестве рабочего тела ДКТ (при одинаковой температуре ОГ и одинаковых условиях теплопередачи температура нагреваемого ТАМ будет тем выше, чем меньше его теплоемкость).

Величина средней температуры ОГ на выходе из ДКТ непропорциональна средней температуре ТАМ. Это связано, по-видимому, с различной теплопроводностью использованных материалов.

Выполненное исследование позволяет утверждать, что наибольший демпфирующий эффект (степень демпфирования 0,72), наиболее высокую среднюю температуру и энергетические характеристики отработавших газов на выходе из демпфера колебаний среди рассмотренных четырех теплоаккумулирующих материалов обеспечивает применение тройной эвтектической смеси и 7NaNO3/40 NaNO2/53 КNO3 (760 К).

Литература

1.     Кукис В.С. Системно-термодинамические основы применения двигателя Стирлинга для повышения эффективности силовых и теплоиспользующих установок мобильной техники: Дис. …д-ра техн. наук. –Челябинск, 1989, -461 с.

2.     Нефедов Д.В. способ повышения эффективности работы каталитического нейтрализатора двигателя: дис. …канд. техн. Наук. –Рязань, 2003. -167с.

3.      Левенберг В.Д. Аккумулирование тепла: -М.: Наука, 1991. -83 с.

4.     Кукис В.С., Нефедов Д.В., Богданов А.И. Использование теплоты отработавших газов для снижения токсичности поршневого двигателя внутреннего сгорания. // Поршневые двигатели и топлива в ХI веке: Сб. науч. тр МАДИ. Москва, (ГТУ), 2003. - С. 28-33.

5.     Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. - М.: Энергоатомиздат, 1988. – 288 с.

6.     Котенко Э.В. Разработка математической модели и методики расчета аккумуляторов теплоты на фазовом переходе: Дис. … канд. техн. наук. – Воронеж, 1996. – 125 с.

7.     Лыков А. В., Михайлов Ю. А. Теория тепло- и массопереноса. – Л.: Наука, 1963. – 535 с.

8.      Козьминых В.А., Разношинская А.В. ,Шибанова В.А. Программа расчета термодинамических процессов в тепловом аккумуляторе, установленном в системе утилизации теплоты отработавших газов ДВС//Научн. вестник ,-Челябинск: ЧВАИ,-2003.-Вып.16.-с.16-20