Promising features of thermal accumulators of ground vehicle engines

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В наши дни заполярные территории привлекают к себе внимание проявляющееся в неподдельном интересе. Интерес к освоению Арктики базируется на комплексе стратегических и экономических основ. Целый ряд государств предъявляют свои права на территории заполярных регионов, однако Россия в лице руководства твёрдо отстаивает национальные интересы. Владение несметными запасами природных ресурсов, контроль над Северным морским путём, который является кротчайшей коммуникацией между Европейской частью России и Дальним Востоком, Северо-Западный проход − морской путь между Атлантическим и Тихим океанами находятся под юрисдикцией Российской Федерации. В условиях политической напряжённости между ядерными державами арктическая территория приобретает большое стратегическое значение. Защита и обеспечение национальных интересов России предусмотрена указом Президента № 645 от 26 октября 2020 г. «О Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2035 года». Далее следует цитата из текста настоящего документа: «основными задачами в сфере освоения Арктики является: разработка и внедрение технологий, имеющих критически важное значение, в том числе для решения задач в области обороны и обеспечения общественной безопасности, разработка материалов и техники для применения в арктических условиях».

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Задача научного и прикладного характера представляется сущностью указа Президента. В настоящей работе описывается узкое направление входящего в широкий сектор такого понятия как: «материалов и техники для применения арктические условия». Раскрывается вопрос обеспечения пусковых качеств двигателей наземной техники за счёт применения передовых технологий в области тепловой подготовки на основе применения тепловых аккумуляторов. Существуют работы, посвящённых общим проблемам низкотемпературного пуска и тепловым аккумуляторам в частности [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]. Однако комплекс достоинств таких устройств остаётся без внимания конструкторов базовых двигателей ориентированных на условия отрицательных температур. А ведь именно это и есть то, о чём сказано в указе президента: разработка материалов и техники для применения в арктических условиях.

КОНСТРУКЦИЯ И МАТЕРИАЛЫ

Конечно, любое начинание, обладающее рядом достоинств не лишено недостатков. Но взвешенный подход, продуманные решения во многом определяют динамику развития технологий и техники.

Конструктивно тепловой аккумулятор состоит из теплоизолированного цилиндрического корпуса, входного и выходного патрубков, централизовано соединённых с системой охлаждения. Внутри корпуса находится теплообменник, состоящий из коаксиально расположенных цилиндрических капсул. Герметично запаянные капсулы заполнены теплоаккумулирующим материалом. В качестве теплоаккумулирующего материала может применяться полиэтилен высокой плотности, парафин, гидроксид октогидрат бария. Теплоизоляционный материал корпуса обеспечивает продолжительную готовность теплового аккумулятора покоящегося двигателя.

Главными достоинствами такого решения являются высокая энергоэкономичность заключающаяся в использовании собственно вырабатываемой тепловой энергии и низкая трудоёмкость тепловой подготовки двигателей [9, 10].

Тепловые аккумуляторы могут отличаться конструкцией и количеством теплоаккумулирующего материала. В качестве примера в таблице 1 представлены характеристики теплового аккумулятора в конструкцию которого включено 18 кг. теплоаккумулирующего материала.

Теплообменные процессы – это процессы, связанные с переносом теплоты от более нагретых тел к менее нагретым. Как известно, при смене агрегатного состояния (плавлении-твердении, испарении-конденсации) происходит значительное поглощение или выделение энергии. Поэтому энтальпия веществ в таких устройствах повышается не столько по причине повышения температуры, сколько за счёт смены агрегатного состояния и характеризуется удельной теплотой фазового перехода. Некоторые свойства полиэтилена высокой плотности и гидрооксида октогидрата бария сведены в таблицу 2.

Исследованиями Самарского государственного университета установлено, что наиболее приспособленным теплоаккумулирующим материалом тепловых аккумуляторов является гидроксид октогидрат бария. Высокие плотность и удельная теплота фазового перехода отличают это вещество, чем и объясняется его главное достоинство. Расплавленный гидроксид октогидрат бария играет роль накопителя, хранителя тепловой энергии. В дальнейшем в случае потребности в тепловой подготовке скрытую теплоту плавления можно использовать для повышения температурного состояния двигателя циркуляцией теплоносителя системы охлаждения, контактирующего с наружными поверхностями герметично запаянных медных капсул, содержащих теплоаккумулирующий материал.

Материал изготовления капсул выбран не случайно. Медь обладает высокой теплопроводностью. Некоторые свойства меди сведены в таблицу 3.

Однако необходимо учитывать существенное обстоятельство: медь окисляется, что может привести к разгерметизации капсул. Использование меди для изготовления теплоаккумулирующих капсул полностью не устраняет коррозию в среде гидроксида октагидрата бария и сохраняет вероятность разгерметизации капсул в процессе применения теплового аккумулятора. Обстоятельства низкого содержания кислорода в соединении, исключение возможности его поступления из вне определяют позитивную роль в вопросе окисления и разгерметизации капсул, содержащих теплоаккумулирующий материал. Однако последнее не исключается вовсе.

В связи с выше изложенным Самарским государственным университетом, в целях уменьшения коррозионной активности теплоаккумулирующего материала на основе гидроксида октагидрата бария по отношению к материалу капсул защищено патентом изобретение [230]. Поставленная цель достигается за счет того, что теплоаккумулирующий состав на основе октагидрата гидроксида бария, заполняющий медные капсулы аккумулятора, дополнительно содержит сульфит натрия при следующем соотношении ингредиентов, масс %:

октагидрат гидроксида бария 99,0-99,5;

Сульфит натрия 0,5-1,0.

Сульфит натрия, взаимодействуя с активной средой на молекулярном уровне защищает поверхности капсул, выполняет роль ингибитора коррозии.

Использование разработанного Самарским государственным университетом теплоаккумулирующего состава на основе октагидрата гидроксида бария с добавлением 0,5-1,0 масс % сульфита натрия для заполнения медных капсул тепловых аккумуляторов позволяет уменьшить коррозионную активность теплоаккумулирующего материала и значительно улучшить характеристики медных капсул, включая срок безотказной работы, ресурс изделия и уменьшение токсичных выбросов в случае разгерметизации.

Описанные технологичные решения не нивелируют основной недостаток теплового аккумулятора. Тепловой аккумулятор может саморазряжаться. Такое возможно при продолжительном времени состояния покоя двигателя, когда тепловой аккумулятор не обеспечивается зарядкой. Нельзя полностью исключить теплообменные процессы в низкотемпературной окружающей среде и его саморазряд. В таких случаях, возможна зарядка теплового аккумулятора от другого источника тепловой энергии.

Обеспечение эффективного и равномерного нагрева теплоаккумулирующего материала является приоритетной задачей в рамках развития современных теплоаккумулирующих средств наземной техники. В качестве перспективного, технологичного решения можно рассматривать индукционную обмотку. Помещение внутрь теплового аккумулятора индукционной обмотки дополняет конструкцию известного устройства [231, 232, 233, 234]. Нагрев осуществляется за счет генерации токов высокой частоты (вихревых токов Фуко) в материале цилиндрических капсул помещенных внутрь индуктора. Сам индуктор представляет собой катушку, внутри которой создается переменное магнитное поле. Катушка не имеет сердечника, роль последнего выполняют разогреваемые проводящие элементы – медные капсулы с теплоаккумулирующим материалом находящиеся в тепловом взаимодействии с теплоносителем системы охлаждения.

Так называемый тепловой аккумулятор фазового перехода индукционного типа (ТАФПИТ). Включённая в технологический процесс индукционная обмотка может обеспечить теплом не только теплоаккумулирующий материал, но и теплоноситель двигателя в условиях разряженного состояния. Параллельно с индукционной обмоткой включается циркуляционный насос. Циркулирующий теплоноситель постоянно охлаждает индукционную обмотку унося тепло к двигателю.

Максимальное переменное магнитное поле создаётся внутри обмотки, однако не исключается его наличие и снаружи. В такой реализации возникает проблема охлаждения обмотки индуктора. Полное погружение индукционного устройства внутрь теплоносителя позволяет активизировать теплообменные процессы за счёт увеличения объёмов и площадей теплопереходов, активнее охлаждать обмотку индуктора и нагревать теплоноситель двигателя.

Наружные элементы конструкции должны иметь теплоизолирующий материал и прочный корпус. Последнее должно обеспечивать надёжное крепление и удержание ТАФПИТ на транспортном средстве [9, 10].

В качестве примера, на рисунке 1 представлена схема теплового аккумулятора фазового перехода индукционного типа.

Тепловой аккумулятор фазового перехода с индукционного типа содержит наружный корпус 1 и отделенный от него тепловой изоляцией 2 внутренний корпус из диэлектрического материала 3, индукционная обмотка 4 имеет теплопереходы с наружной и внутренней поверхностей, медные капсулы с теплоаккумулирующим материалом 5 при необходимости могут нагреваться за счет генерации токов высокой частоты. В торцевой части расположены входной патрубок 6 и выходной патрубок 7, крышка из диэлектрического материала 8, на которой находится ввод электропитания 9.

Тепловой аккумулятор фазового перехода индукционного типа работает следующим образом. Накопление теплоты осуществляется при работе двигателя за счёт теплообмена теплоносителя с медными капсулами, содержащими теплоаккумулирующий материал. Теплоноситель подводится через входной патрубок 7, проходит через щелевые зазоры 5 и отводится через выходной патрубок 6. При этом теплоаккумулирующий материал нагревается в твёрдой фазе до температуры плавления, плавится, а затем нагревается в жидкой фазе до температуры, при которой наступает тепловое равновесие между соответствующими средами.

При длительном периоде покоя двигателя, тепловой аккумулятор разряжается и требует зарядки. Тепловая зарядка может, осуществляется за счет подачи тока через ввод электропитания 9 (от автономного или внешнего источника электрического тока) на индукционную обмотку. Такая обмотка создаёт переменное электромагнитное поле, индуцирующее непосредственно в материале цилиндрических капсул вихревые токи Фуко, за счет которых и осуществляется нагрев.

Индукционный нагрев – это нагрев при бесконтактной передаче энергии в нагреваемое электропроводящее тело с помощью переменного электромагнитного поля, создаваемого индуктором.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Тепловой аккумулятор фазового перехода индукционного типа рассматривается в качестве нового вспомогательного оборудования по совершенствованию теплообменных процессов. Развитие конструкторской мысли основывается на научных достижениях. Прикладная реализация решения основывается на моделировании процессов с разработкой математических моделей и программ для ЭВМ которые описывают физические процессы, позволяют определять параметры функционирования теплового аккумулятора [11, 12].

Главное достоинство индукционного нагрева в сравнении с нагревом внешними источниками тепла является кратковременное выделение тепловой энергии непосредственно в самом нагреваемом объекте. При индукционном нагреве реализуется возможность значительной концентрации тепловой энергии в небольшом объеме нагреваемого объекта, что позволяет активно осуществлять нагрев теплоаккумулирующего материала и теплоносителя системы охлаждения с высоким КПД.

Тепловой аккумулятор фазового перехода индукционного типа заслуживает внимание со стороны конструкторов, разработчиков базовых двигателей ориентированных на условия отрицательных температур холодного климата.

About the authors

Alexander Kolunin

Author for correspondence.
Email: kolunin2003@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7151-8489

доцент кафедры «Энергоустановки для транспорта и малой энергетики»;

адрес: Россия, 107023, Москва, ул. Большая Cемёновская, д. 38;

ORCID: 6000-0001-7151-8489;

eLibrary SPIN: 7483-9619;

e-mail: kolunin2003@mail.ru

References

Supplementary files