Обоснование применимости теплового аккумулятора фазового перехода в тепловой подготовке двигателей автотранспортных средств

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Российская Федерация расположена в средних и высоких широтах континента. Погодные условия на большей части страны можно отнести к разряду суровых, смена времён года имеет контрастно выраженный характер, зимы продолжительные и морозные. К зоне холодного климата, где средняя температура зимних месяцев опускается ниже минус 20°С, а число холодных дней достигает 270, относится более 50% площадей, в том числе районы Сибири и Крайнего Севера, Дальнего Востока.

Северный морской путь — кратчайшая коммуникация между Европейской частью России и Дальним Востоком, Северо-Западный проход — морской путь между Атлантическим и Тихим океанами и воздушный мост между Северной Америкой и Юго-Восточной Азией проложены через заполярные территории Российской Федерации. Несметные, не тронутые запасы полезных ископаемых принадлежат российскому народу. Выгодное территориальное положение заключается не только в природных богатствах, но и в стратегическом преимуществе, как для экономики, так и для оборонного сектора. Защита и обеспечение национальных интересов России предусмотренные указом Президента № 645 от 26 октября 2020 г. «О Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2035 года» могут осуществляться в том числе на основе применения передовых технологий и техники, приспособленной к суровым условиям заполярных регионов. Автомобильный транспорт имеет важное значение в вопросе перспективного развития северных территорий. По данным аналитического агентства «Автостат» на середину 2023 года в России насчитывалось 3,7 млн грузовых автомобилей. Более четверти (26%) этого парка занимает автогигант КамАЗ, всего в стране зарегистрировано 963 тыс. таких грузовиков. На втором месте в рейтинге расположились грузовики производства ГАЗ с результатом 600 тыс. машин. Третью позицию занимают машины марки ЗИЛ с показателем 402 тыс. единиц. Первую пятерку дополнили автомобили «МАЗ» и «Урал» — 265 тыс. и 170 тыс. единиц соответственно. Бренды отечественного автопрома занимают более 65% российского парка грузовиков. Численности грузовых автомобилей отечественного и зарубежного производства по некоторым регионам России сведены в таблицу 1.

 

Таблица 1. Численность парка грузовых автомобилей по некоторым регионам России

Table 1. Trucks fleet in some Russian regions

№ п/п	Наименование региона	Численность автомобилей
1	Архангельская область	23457
2	Свердловская область	68725
3	Иркутская область	70315
4	Красноярский край	67443
5	Мурманская область	9817
6	Омская область	52428
7	Приморский край	41432
8	Республика Бурятия	60217
9	Республика Карелия	138014
10	Республика Коми	27277
11	Тюменская область	97049

 

Характерной особенностью этих регионов являются отрицательные температуры. Для успешного пуска двигателя в таких условиях требуется тепловая подготовка. В цилиндрах двигателя воспламенению смеси предшествует переход жидкого топлива в газообразное состояние. Отрицательные температуры негативно влияют на процесс смены фазовых состояний, препятствуют гомогенизации топливо-воздушной смеси. Вероятность успешного пуска снижается и по другим причинам, связанным с вязкостью моторного масла и ёмкостью аккумуляторных батарей [1, 2].

На протяжении длительного времени учёные решают проблемную задачу низкотемпературного пуска [3–5]. Ушли в прошлое те времена, когда для успешного пуска разводились костры под двигателями и разжигались паяльные лампы. Современное общество вступило в новый виток развития. В настоящее время применение передовых технологий в решении задач тепловой подготовки двигателей в условиях отрицательных температур может обеспечить успешный пуск, в короткий период, с минимальными затратами энергии и минимальной трудоёмкостью работ.

Тепловую подготовку двигателя можно осуществлять за счёт использования тепла, вырабатываемого самим двигателем в процессе применения транспортного средства. При реализации действительного цикла, лишь 25% тепла, вводимого с топливом в камеру сгорания, реализуется в эффективную работу. Тепловой потенциал растрачивается (теряется) в результате неполного сгорания топлива, приведения в работу собственных систем и механизмов, теряется с выхлопными газами, рассеивается в атмосферу через систему охлаждения. Применение передовых технологий, основанных на современных достижениях науки и техники может обеспечить рациональное использование тепла, не реализуемого в эффективную работу двигателя.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Повысить надежность пуска, снизить ущерб ресурсу при низкотемпературном пуске без дополнительных затрат энергоносителей можно используя принцип аккумулирования собственной тепловой энергии применительно к системам поршневого двигателя. Одним из кардинальных путей решения вопроса является использование устройства, способного накапливать, хранить, реализовывать тепловую энергию. Такие устройства получили название «тепловые аккумуляторы» [6–9]. Из известных типов тепловых аккумуляторов, в рамках тепловой подготовки, наиболее приемлемым является тепловой аккумулятор фазового перехода, работающего по принципу «плавление — кристаллизация», с тепловым эффектом — выделением или поглощением теплоты фазового перехода. Работа теплового аккумулятора основана на реализации теплообменных процессов между различными средами. Учение о теплопередаче является частью общего учения о теплоте, фундамент которого заложил Ломоносов на основе корпускулярной теории строения вещества, выдвинутой в середине XVIII века. 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. Главным накопителем (хранителем) является теплоаккумулирующий материал, который заключён в герметично запаянные капсулы и находится в тепловом взаимодействии с теплоносителем. В качестве теплоносителя, может рассматриваться охлаждающая жидкость если тепловой аккумулятор централизованно включён в систему охлаждения. Теплообменное взаимодействие теплоаккумулирующего материала с теплоносителем на примере системы охлаждения обеспечивается работой циркуляционного насоса, чем объясняется низкая трудоёмкость тепловой подготовки. Различные конструкции тепловых аккумуляторов запатентованы и описаны в научных трудах. В качестве примера на рис. 1 представлена схема, простейшего по конструкции теплового аккумулятора фазового перехода цилиндрической формы в продольном разрезе.

 

Рис. 1. Тепловой аккумулятор фазового перехода в продольном разрезе: 1 — наружный корпус; 2 — тепловая изоляция; 3 — внутренний корпус; 4 — металлические цилиндрические капсулы с теплоаккумулирующим материалом; 5 — щелевые зазоры теплоносителя; 6 — входной патрубок; 7 — выходной патрубок.

Fig. 1. The heat accumulator of phase transition in longitudinal section: 1 — an outer housing; 2 — heat isolation; 3 — an inner housing; 4 — metal cylindrical capsules with a heat-accumulating material; 5 — coolant path gaps; 6 — an inlet; 7 — an outlet.

 

Конструктивно тепловой аккумулятор состоит из теплоизолированного цилиндрического корпуса, входного и выходного патрубков, соединённых с системой охлаждения. Внутри корпуса находится теплообменник, состоящий из коаксиально расположенных цилиндрических капсул. Герметично запаянные капсулы заполнены теплоаккумулирующим материалом [9]. В качестве теплоаккумулирующего материала может применяться полиэтилен высокой плотности, парафин, гидроксид октогидрат бария. Теплоизоляционный материал обеспечивает продолжительную по времени готовность теплового аккумулятора при хранении техники. Тепловые аккумуляторы могут отличаться конструкцией и количеством теплоаккумулирующего материала [10].

В качестве примера в табл. 2 представлены характеристики теплового аккумулятора, в конструкцию которого включено 18 кг теплоаккумулирующего материала.

 

Таблица 2. Характеристики теплового аккумулятора

Table 2. Specification of the heat accumulator

Наименование	Характеристика
Теплоаккумулирующий материал	Полиэтилен высокой плотности
Масса теплоаккумулирующего материала, кг	18
Масса, кг	31,45
Габаритные размеры, мм	174×270×460
Теплоиоляция	Пенопласт и двухслойный вспененный полимер, покрытый алюминиевой фольгой
Материал корпуса	Нержавеющая сталь
Материал теплообменника	Латунь
Тепловая емкость, Дж/кгК	46,5
Время хранения теплового заряда, час	39

 

При всём многообразии работ в области тепловых аккумуляторов отсутствует предметная и объективная оценка их приспособленности к двигателям автотранспортных средств, неизвестна продолжительность времени зарядки/разрядки теплового аккумулятора в различных условиях. Нет всеобъемлющей практики и опыта применения. Для определения возможности (рациональности) применения теплового аккумулятора был проведён эксперимент.

ЭКСПЕРИМЕНТ

В рамках разработки новых технических решений, направленных на совершенствование средств тепловой подготовки проведен эксперимент. Для эксперимента подготовили специальную установку. Методика эксперимента предусматривала испытания в режиме зарядки (приёма тепловой энергии) и в режиме разрядки (отдачи тепловой энергии). В качестве теплоносителя использовалась смесь газов (атмосферный воздух). Теплоаккумулирующим материалом фазового перехода являлся полиэтилен высокой плотности. Свойства последнего сведены в табл. 3.

 

Таблица 3. Свойства полиэтилена высокой плотности

Table 3. Properties of high-density polyethylene

Параметр	Характеристика
Плотность, кг/м3	0,956
Температура фазового перехода, К	398–408
Удельная теплота фазового перехода, кДж/кг	230
Удельная теплоемкость, кДж/кг·К	2,5
Коэффициент теплопроводности, Вт/м·К	0,25

 

Целью эксперимента являлось определение зависимостей времени зарядки теплового аккумулятора от различных температур теплоносителя, а также зависимостей времени разрядки от объемного расхода теплоносителя в контуре теплового аккумулятора. Таким образом, объёмный расход теплоносителя и его начальная температура должны определять активность теплообменных процессов в двух различных режимах и продолжительность зарядки/разрядки [11].

В первом случае системой, аналогичной системе выпуска в режиме зарядки, когда определялась зависимость времени зарядки теплового аккумулятора от температуры теплоносителя, во втором — в режиме разрядки, когда определялась зависимость времени разрядки теплового аккумулятора от объемного расхода теплоносителя.

 

Таблица 4. Параметры эксперимента в режиме зарядки/разрядки теплового аккумулятора

Table 4. Experiment parameters in charging/discharging modes of the heat accumulator

Режим зарядки
Параметр	Температура теплоаккумулирующего материала	Время зарядки	Начальная температура теплоносителя	Объёмный расход теплоносителя
Значение	Аргумент 20–125	Искомая функция	110, 120, 130, 140, 150, 160, 170	const 0.22
Размерность	t, °С	τ, c	t, °С	м3/c
Режим разрядки
Значение	Аргумент 20–125	Искомая функция	const минус 25	0,1; 0,12; 0,14; 0,16; 0,18; 0,2; 0,22
Размерность	t, °С	τ, c	t, °С	м3/c

 

Параметры эксперимента делились на фиксированные и варьированные. В таблицу 4 сведены параметры эксперимента в различных режимах функционирования установки схема которой представлена на рис. 2.

Степень достоверности обеспечивалась достаточным количеством произведённых замеров, допустимой погрешностью приборов, которые сведены в табл. 5.

 

Таблица 5. Измерительные приборы

Table 5. Measuring devices

Наименование прибора	Характеристики
Термопары ТПП	диапазон измерений от 0 до +600 °С погрешность ±1°С материал изготовления – платина
Датчик Zentec HS1-01	диапазон измерений от -40 до +300 °С погрешность ±0,5°С
Многоканальный измеритель температуры МИТ–12	количество каналов – 12 погрешность ±1°С
Расходомер теплоносителя G4 UGI Meters LTD	предельно допустимый расход 380 дм3/мин погрешность ±0,5 %
Таймер Kaiser	Лабораторный электронного типа

 

В соответствии с классификацией, настоящий эксперимент можно отнести к разряду лабораторных [10]. Эксперимент осуществлялся в условиях специализированной лаборатории с температурой воздуха 20°С, атмосферным давлением 768 мм рт. ст., влажностью воздуха 82%.

Методика эксперимента предусматривала выполнение 7 циклов в режимах зарядки и разрядки осуществляемых последовательно. Многократность циклов способствует повышению достоверности информации в рамках достижения цели эксперимента [11]. Зарядка теплового аккумулятора производилась до температуры фазового перехода теплоаккумулирующего материала 125°С с различными температурами теплоносителя при его постоянном расходе. Разрядка теплового аккумулятора происходила до температуры теплоаккумулирующего материала 20°С с разной активностью циркуляции теплоносителя, при его постоянной начальной температуре после чего осуществлялась очередная зарядка.

 

Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 — регулятор начальной температуры теплоносителя; 2 — нагревательно-охладительный элемент; 3 — воздушный нагнетатель; 4 — термопара; 5 — электрический двигатель; 6 — переменное сопротивление; 7 — автоматическая система управления нагревательно-охладительным элементом; 8 — тепловой аккумулятор; 9 — термопары; 10 — расходомер газовый G4 фирмы UGI Meters LTD.

Fig. 2. Diagram of the experimental facility: 1 — an initial coolant temperature adjuster; 2 — a heating-cooling element; 3 — a supercharger; 4 — a thermal couple; 5 — an electric engine; 6 — a variable resistance element; 7 — an automatic control system of the heating-cooling element; 8 — a heat accumulator; 9 — thermal couples; 10 — the UGI Meters G4 gas flowmeter.

 

В соответствии с планом эксперимента, с помощью системы управления мощностью нагревательного элемента устанавливалась фиксированная температура теплоносителя, после чего теплоноситель подавался нагнетателем 3, в тепловой аккумулятор 8. Отсчёт времени вёлся с начала зарядки теплового аккумулятора, то есть от температуры 20°С, и фиксировался в зависимости от изменения температуры через каждые 10°С до заданной температуры теплоаккумулирующего материала (125°С). Изменение температуры теплоаккумулирующего материала может влиять на продолжительность зарядного цикла [10]. Каждой начальной температуре теплоносителя соответствовала своя серия замеров. Таким образом, было выполнено 7 серий замеров. Численные значения времени зарядки теплового аккумулятора в зависимости от температуры теплоносителя сведены в табл. 6.

 

Таблица 6. Время зарядки теплового аккумулятора в зависимости от температуры теплоаккумулирующего материала при различных начальных температурах теплоносителя

Table 6. Heat accumulator charging period depending on the heat-accumulating material temperature at various coolant initial temperatures

Температура ТАМ, °С		20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120	125
	Время зарядки, с
Температура теплоносителя, °С	110	0	102	125	358	552	753	983	1262	1544
	120	0	91	201	325	491	662	880	1141	1452	1795
	130	0	89	178	295	431	569	778	1028	1361	1709	2051
	140	0	85	155	262	371	493	672	908	1227	1601	1998	2434
	150	0	79	133	231	295	421	578	802	1150	1495	1921	2145
	160	0	60	120	176	221	315	448	683	1003	1402	1804	2032
	170	0	60	102	131	167	250	350	550	850	1250	1650	1896

 

На основе полученных значений, построены графические зависимости времени зарядки теплового аккумулятора от температуры теплоаккумулирующего материала при различных начальных температурах теплоносителя. Зависимости представлены на рис. 3.

 

Рис. 3. Зависимости времени зарядки теплового аккумулятора от температуры теплоаккумулирующего материала при различных начальных температурах теплоносителя.

Fig. 3. Curves of heat accumulator charging period depending on the heat-accumulating material temperature at various coolant initial temperatures.

 

В условиях разрядки, методика эксперимента предусматривала фиксированное начальное значение теплоносителя и варьированные значения объёмного расхода теплоносителя. Температура теплоаккумулирующего материала может влиять на продолжительность разрядки теплового аккумулятора [10]. Каждому значению объёмного расхода теплоносителя соответствовала своя серия замеров. Таким образом было выполнено 7 серий замеров. Численные значения времени разрядки теплового аккумулятора в зависимости от расхода теплоносителя сведены в табл. 7.

 

Таблица 7. Время разрядки теплового аккумулятора в зависимости от температуры теплоаккумулирующего материала при различных объёмных расходах теплоносителя

Table 7. Heat accumulator discharging period depending on heat-accumulating material temperature at various coolant rates

Температура ТАМ, °С		125	120	110	100	90	80	70	60	50	40	30	20
	Время разрядки, с
Расход теплоносителя, м3/с	0,1	0	10	22	62	104	153	214	275	345	436	538	674
	0,12	0	9	21	56	95	140	191	246	315	391	487	617
	0,14	0	8	20	50	86	127	168	216	278	346	438	567
	0,16	0	7	19	45	77	111	145	186	237	301	389	505
	0,18	0	6	19	40	68	95	122	155	198	255	349	456
	0,2	0	5	17	28	48	68	92	125	168	222	301	414
	0,22	0	4	10	18	28	43	66	97	140	194	257	366

 

На основе численных значений построены графические зависимости времени разрядки теплового аккумулятора от температуры теплоносителя при различных объёмных расходах теплоносителя представленные на рис. 4.

 

Рис. 4. Зависимости времени разрядки теплового аккумулятора о.т температуры теплоносителя при ра.зл.ич.ны.х объёмных расходах теплоносителя.

Fig. 4. Curves of heat accumulator discharging period depending on heat-accumulating material temperature at various coolant rates.

 

Результаты описанного эксперимента позволили сформулировать следующие выводы:

1. Установленные зависимости продолжительности зарядки теплового аккумулятора в условиях различных температур теплоаккумулирующего материала свидетельствуют о влиянии начальных температур теплоносителя на продолжительность зарядного цикла. При этом установлено, что повышение температуры теплоносителя, сокращает продолжительность времени зарядки. Диапазон продолжительности в условиях эксперимента составил от 1896 до 2434 секунд.
2. Установленные зависимости продолжительности процесса разрядки теплового аккумулятора в условиях различной активности движения теплоносителя свидетельствует о влиянии температуры последнего на продолжительность разрядного цикла. Диапазон продолжительности в условиях эксперимента составил от 366 до 674 секунд.
3. Время, затрачиваемое на реализацию зарядно-разрядных циклов, а также низкая трудоёмкость работ могут технологично вписываться в мероприятия по тепловой подготовке холодного двигателя. Установлено, что тепловой аккумулятор фазового перехода с теплоаккумулирующим материалом (полиэтиленом) высокой плотности может быть использован для повышения надёжности пуска поршневых двигателей автотранспортных средств в условиях отрицательных температур холодного климата.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Описанное устройство применимо для совершенствования теплообменных процессов в рамках тепловой подготовки поршневых двигателей автотранспортных средств в условиях отрицательных температур. Новое техническое решение отличает высокая технологичность, низкая трудоёмкость, энергоэкономичность. Описанное устройство может применяться для повышения температуры масла смазочной системы, охлаждающей жидкости системы охлаждения и смеси газов атмосферного воздуха в системе питания воздухом. Обязательным условием такого применения является высокая теплоизоляционная эффективность, обеспечивающая (сохраняющая) приобретённую энергию в течение продолжительного времени во избежание саморазрядки по причине теплообменных процессов с окружающей средой.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. А.В. Колунин ― поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи; В.Н. Каминский ― экспертная оценка, утверждение финальной версии; Е.С. Лазарев ― редактирование текста рукописи; Д.В. Апелинский ― редактирование текста рукописи, создание изображений; М.С. Корытов ― создание изображений и таблиц. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. A.V. Kolunin — search for publications on the topic of the article, writing the text of the manuscript; V.N. Kaminsky — expert opinion, approval of the final version; E.S. Lazarev — editing the manuscript text; D.V. Apelinsky — editing the manuscript text, creating images; M.S. Korytov — creating images and tables. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing of interests. The authors declare the absence of obvious and potential conflicts of interest.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Об авторах

Александр Витальевич Колунин

Московский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: kolunin2003@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7151-8489
SPIN-код: 7483-9619

доцент, кандидат техн. наук, доцент кафедры «Энергоустановки для транспорта и малой энергетики»

Россия, 107023, Москва, ул. Большая Cемёновская, д. 38

Валерий Наумович Каминский

Московский политехнический университет

Email: kamr@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5430-4304
SPIN-код: 8509-5210

доктор техн. наук, профессор кафедры «Энергоустановки для транспорта и малой энергетики»

Россия, 107023, Москва, ул. Большая Cемёновская, д. 38

Дмитрий Викторович Апелинский

Московский политехнический университет

Email: apelinskiy_mami@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2841-6895
SPIN-код: 2311-0480

доцент, кандидат техн. наук, доцент кафедры «Энергоустановки для транспорта и малой энергетики»

Россия, 107023, Москва, ул. Большая Cемёновская, д. 38

Евгений Сергеевич Лазарев

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС)

Email: incoe@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0226-3678
SPIN-код: 7069-0551

старший преподаватель кафедры «Теплоэнергетика»

Россия, Омск

Михаил Сергеевич Корытов

Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)

Email: kms142@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5104-7568
SPIN-код: 2921-4760

профессор кафедры «Автомобильный транспорт», доктор технических наук, доцент

Россия, 644080, Омск, пр. Мира 5

Список литературы

Дополнительные файлы