Система утилизации тепла автомобильного двигателя

Система утилизации тепла автомобильного двигателя

Утилизация отработанной энергии в настоящее время рассматривается популярным способом энергосбережения по очевидным преимуществам снижения затрат. Так, к примеру, повторное использование тепла двигателя автомобиля видится актуальной задачей в связи с увеличением числа транспортных средств. Поэтому исследования, направленные на использование выхлопных газов двигателя автомобиля в качестве источника энергии, стабильно набирают ход. В частности, ведутся исследования абсорбционной холодильной системы, использующей раствор жидкости в качестве хладагента. Рассмотрим тему — система утилизации тепла автомобильного двигателя, дабы открыть возможности модернизации мотора обычному владельцу ТС, а не только исследовательским группам.

Что даёт утилизация тепла мотора автомобиля?

Можно сделать определённые выводы, если внимательно рассмотреть влияние абсорбционной холодильной системы на производительность автомобильного мотора и на выбросы выхлопных газов. Производительность двигателя регулируется  путём изменения положения дроссельной заслонки на 25%, 50%, 75%, вплоть до состояния максимального открытия.

Испытания экспериментальной системы утилизации показали, что через 3 часа допустимо  получить температуру внутри холодильника до +4°C. При этом охлаждающая способность системы увеличивается с увеличением процента открытия дроссельной заслонки.

Вместе с тем, установка системы охлаждения на автомобиле приводит к выбросам выхлопных газов, которые имеют более высокую углеводородную ценность, но меньшее содержание монооксида углерода (СО).

Учёные экспериментировали с управлением потоком выхлопных газов, используемым в качестве источника энергии для абсорбционной холодильной системы с раствором аммиака (NH3) в качестве рабочей жидкости.

Тестирование абсорбционной установки на аммиаке

Тесты показали, что холодильник имел более высокую производительность при более высокой подаче тепла. Также исследовалась абсорбционная холодильная система с раствором NH3 в качестве рабочей жидкости.

Тепло поступало на абсорбционный холодильник от двух разных источников:

  1. От обычного устройства обогрева.
  2. От выхлопной системы двигателя автомобиля.

Если выхлопной системе двигателя автомобиля потребовалось всего 40 секунд, чтобы привести абсорбционную машину в устойчивое состояние, устройству обычного нагрева потребовалось 3 минуты.

Оба источника тепла способны привести к снижению температуры внутри испарителя до + 3°C через 2 часа для двигателя автомобиля и через 7 часов для обычного нагревателя, соответственно. Самая низкая температура, при которой аммиак испарялся, достигала значения 140°C.

Также исследовалась работа диффузионно-абсорбционного чиллера, мощностью 5 кВт. Устанавливались разные температуры генератора, температуры охлаждаемой воды на входе чиллера и температуры охлажденной воды на выходе. Самая низкая температура генератора для поддержания работы системы составляла 90°C, при температуре на выходе охлаждённой воды 18°C.

При таких условиях машина показала 3,6 кВт холодопроизводительности. Максимум холодопроизводительности и КПД испытательного устройства составляли 4,52 кВт и 0,45, соответственно. Отсюда вытекает вывод: испытательный блок вполне допустимо использовать с системой охлаждения, без необходимости применения электроснабжения.

Тестирование на дизельном двигателе автомобиля

Экспериментально использовался также выхлоп дизельного двигателя для подачи энергии в диффузионную абсорбционную холодильную систему. Эксперимент показал: спустя три с половиной часа, температура внутри холодильника достигает значений 10-14,5°С.

Температурная разница зависит от регулировки крутящего момента двигателя до значений 15, 30, 45 Нм, а скорость потока выхлопных газов контролируется на уровне 0,07–0,09 кг/с. Максимальный КПД отмечался значением 0,10, когда крутящий момент приближался к параметру 30 Нм после 3 ч работы.

Изучение условий стороны охлаждения

Несмотря на достаточно большой объём информации по использованию выхлопных газов для абсорбционной холодильной системы, задачи для дальнейших исследований остаются актуальными.

В упомянутых выше исследованиях и экспериментах использовались готовые абсорбционные холодильники. Большинство исследований сопровождаются установкой экспериментальных условий только на стороне отработанных газов. Эффекты соответствующих параметров стороны охлаждения отмечены пока что сравнительно малым вниманием.

Применительно к данному случаю, абсорбционная холодильная система разработана и сформирована из отдельных компонентов. В результате экспериментальные условия стороны охлаждения вполне могут быть установлены. Исследовано влияние различных соответствующих параметров, как со стороны охлаждения, так и со стороны выхлопных газов на охлаждающую нагрузку и КПД системы.

Конструкция экспериментального аппарата и методика

Для экспериментов рассматривается абсорбционная холодильная система с одним эффектом, где используется рабочий раствор бромид лития с водой, а в качестве источника нагрева — выхлопные газы двигателя автомобиля. Генератор представляет собой спирально-трубчатый теплообменник, в то время как конденсатор, испаритель и абсорбер представлены змеевиковыми теплообменниками с кожухом.

Результаты показывают, что система может работать с частотой вращения автомобильного двигателя 1200–1400 об/мин. Нагрузка охлаждения и коэффициент полезного действия (КПД) увеличиваются с увеличением частоты вращения мотора автомобиля. Наивысший КПД — 0,275, достигается при частоте вращения автомобильного двигателя — 1400 об/мин.

  •  процент открытия клапана на выходе сепаратора — 72,7% ,
  •  процент открытия клапана на выходе конденсатора — 4,55%,
  • температура воды на выходе конденсатора — 25ºC,
  • скорости потока рабочей жидкости (LiBr + вода) — 0,7 л / мин.

Пониженная температура хладагента на выходе из конденсатора помогает увеличить как охлаждающую нагрузку, так и КПД установки. Увеличение скорости потока раствора (LiBr + вода) помогает увеличить охлаждающую нагрузку, но приводит к снижению КПД.

Эксперименты проводятся при оборотах двигателя автомобиля: 1000, 1200, 1400, 1600 об/мин, соответственно. Проценты открытия расширительного клапана:

  • 54,5%
  • 72,7%
  • 90,9%

на выходе сепаратора и:

  • 3,41%
  • 4,55%
  • 5,68%

на выходе конденсатора. Температура хладагента на выходе из конденсатора °C:

  • 25
  • 30
  • 35

при скорости потока рабочего раствора (LiBr + вода) 0,35 и 0,7 л/мин, соответственно.

Принципиальная схема абсорбционной системы приведена на картинке ниже.

Система утилизации тепла автомобиля схема установки
Схема установки: 1 – мотор автомобиля; 2 – генератор; 3 – сепаратор; 4 – клапан расширения; 5 – измеритель потока; 6 – насос; 7 – абсорбер: 8 – испаритель; 9 — конденсатор

Основные компоненты системы:

  • конденсатор,
  • испаритель,
  • абсорбер,
  • генератор,
  • двигатель автомобиля.

Экспериментальная схема предполагает, в частности, использование двигателя автомобиля «Toyota 3RZ-FE». Под этот мотор производились системные расчёты. Однако фактически мотор допускается использовать от любого автомобиля. Физические характеристики конденсатора, испарителя, абсорбера, а также генератора, приведены в таблицах ниже.

Таблица: Геометрические детали конденсатора, испарителя, абсорбера

Деталь Параметр Значение
Число трубных витков 16
Диаметр труб 9,5 мм
Диаметр кожуха 103 мм
Высота кожуха 252 мм
Материал кожуха Сталь
Материал трубок медь

Таблица: Геометрические детали генератора

Деталь Параметр Значение
Число трубок 1
Число витков трубы 17
Диаметр трубки выхода 19,1 мм
Диаметр трубки входа 16,1 мм
Высота ребра трубки 9,97 мм
Толщина ребра трубки 0,45 мм
Материал трубы Сталь
Материал рёбер Алюминий
Общая область 8,58 м2
Область с рёбрами 7,89 м2
Область без рёбер 0,68 м2

Таблица: Спецификация автомобильного мотора «Toyota 3RZ»

Деталь Параметр
Модель мотора Toyota 3RZ
Ход поршня 95 мм
Диаметр цилиндра 95 мм
Степень компрессии 9,5
Смещение 2693 сс
Мощность 112 кВт при 4800 об/мин
Крутящий момент 240 Нм при 4000 об/мин
Тип топлива Бензин
Вес 173 кг

При помощи информации: Elsevier


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *