Применение пинч-анализа к структурной оптимизации ДВС Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

толщина полки двутавра ОМ задана, алгоритм выбора наиболее рациональных значений параметров должен сопровождаться проверкой ОМ по условиям насыщения.

Л и т е р а т у р а

1. Епифанов А.П., Малайчук Л.М., Самсонов Ю.А. Монорельсовый внутренний транспорт животноводческих комплексов и тепличных хозяйств с линейным асинхронным электроприводом // Известия Санкт - Петербургского государственного аграрного университета - 2010. - № 18.

2. Веселовский О.Н. Низкоскоростные линейные электродвигатели: Дис... доктора техн. наук, Новосибирск, 1979. - 366 с.

3. Аипов Р. С. Линейные электрические машины и приводы на их основе. - Уфа: Изд БГАУ, 2003. - 110 с.

4. Епифанов А.П., Епифанов Г.А. Линейные асинхронные двигатели в низкоскоростных транспортных системах // Известия Санкт - Петербургского государственного аграрного университета - 2014. - № 37.

5. Епифанов А.П. Электрические машины. - СПб.: Лань, 2006.

6. Талья И.И. Исследование и расчёт магнитных потоков в сердечнике индуктора и вне активной зоны линейной индукционной машины: Дис. канд. техн. наук - Л.: ЛПИ им. М. И. Калинина, 1980.

УДК 62-976 Канд. техн. наук Д.С. АГАПОВ

(СПбГАУ, [email protected])

ПРИМЕНЕНИЕ ПИНЧ-АНАЛИЗА К СТРУКТУРНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ДВС

Пинч-анализ, интеграция тепловых процессов, структурная оптимизация, ДВС

Применение пинч-анализа для структурной оптимизации такой небольшой систем, как тепловой двигатель, весьма затруднительно в силу малого количества тепловых потоков и сложности организации теплообмена между потоками. Однако технически это возможно, и в случае удачного применения позволяет получить эффективные технические решения по совершенствованию конструкции как двигателя, так и системы, внутри которой он функционирует. Вначале необходимо произвести экстракцию данных о тепловых потоках технической системы — то есть двигателя. Рассмотрим общий случай функционирования транспортного ДВС, установленного на автомобиле. К холодным потокам в данном случае будут относиться следующие позиции, а именно: основной подвод теплоты к рабочему телу в цилиндре и подвод теплоты к воздуху салона для отопления. Это, безусловно, холодные потоки, требующие нагрева. Следующий поток может быть как горячим, так и холодным. Так в случае бензинового ДВС осуществляется предварительный подогрев свежего заряда, и этот поток будет холодным. Для турбированного дизеля в интеркулере осуществляется промежуточное охлаждение воздушного заряда и тогда этот поток будет горячим. Остальные потоки, а именно: отвод теплоты в атмосферу от охлаждающей жидкости двигателя, смазки, отработавщих газов и нагретых деталей являются горячими. В частных случаях отдельные позиции могут отсутствовать или менять знак на противоположный. Кроме того, необходимо отметить, что теплоту, рассеиваемую нагретыми деталями, собрать и использовать весьма затруднительно, следовательно её можно не включать в список потоков для анализа [1].

В качестве примера рассмотрим бензиновый ДВС, установленный на автомобиле ВАЗ-21112. Данные о тепловых потоках, снятых непосредственно с рассматриваемой системы (т.е. автомобиля) в процессе его работы в течение 1 часа на участке пути 70 км, представлены в работе [2].

Температуры в цилиндре в начале и конце сгорания определялись из индикаторной диаграммы аналогичного двигателя, установленного на стенде, а подводимая при этом теплота находилась из низшей теплотворной способности топлива с учётом неполноты сгорания. Теплота подогрева воздуха на впуске рассчитывалась исходя из данных о расходе воздуха и температурах на впуске и окружающей среды. Аналогичным образом определялись теплоты в других системах — как произведение расхода на теплоёмкость и разность температур.

Т а б л и ц а 1. Данные о тепловых потоках автомобиля ВАЗ-21112

и о Температура на Температура на Тепловой поток

о с ^ Название потока входе выходе

К кВт

1 Основной подвод теплоты 605 2521 157,014

2 Подогрев впускного воздуха 253 293 2,24

3 Отопление салона 253 293 1,43

4 Охлаждение двигателя 378 371 25,71

5 Охлаждение отработавших газов 721 20 51,36

Тепловой поток (кВт)

Рис. 1. Композитные кривые тепловых потоков

Принимая АТпинч = 10 градусов, строим композитные кривые, из которых видно, что регенерация возможна, но в весьма узком диапазоне температур и незначительного количества теплоты (рис. 1).

Результаты расчётов приведены в табл. 2. Из неё следует, что имеется возможность регенерировать, а значит, и экономить при таком режиме работы технической системы около 11,4 кВт теплоты, что составляет примерно 7% от общего расхода топлива.

Т а б л и ц а 2. Результаты пинч-анализа

Показатель Значение

Горячий пинч, °С 342

Холодный пинч, °С 332

Минимальные горячие утилиты, кВт 149,25

Минимальные холодные утилиты, кВт 65,63

Общая мощность горячих потоков, кВт 77,07

Общая мощность холодных потоков, кВт 160,684

Степень интеграции 0,46

Мощность теплоты регенерации выше пинча, кВт 7,77

Мощность теплоты регенерации ниже пинча, кВт 3,67

Общая мощность теплоты регенерации, кВт 11,44

Однако теперь необходимо выяснить, каким образом возможна такая экономия. Для этого производим расчёт с помощью написанной ранее программы. Результаты расчёта сведены в табл. 3, которая графически представлена на рис. 2.

Т а б л и ц а 3. Интеграция тепловых потоков

Температура на входе горячей стороны, °С Температура на выходе горячей стороны, °С Название горячего потока Тепловой поток, кВт Название холодного потока Температура на входе холодной стороны, °С Температура на выходе холодной стороны, °С

Выше пинча

721 615 Охлаждение отработавщих газов 7,77 Основной подвод теплоты 605 699,77

Горячие утилиты 149,25 Основной подвод теплоты 699,77 2521

Ниже пинча

615 584,43 Охлаждение отработавщих газов 2,24 Подогрев впускного воздуха 253 293

584,4267913 564,91 Охлаждение отработавщих газов 1,43 Отопление салона 253 293

564,9090732 20 Охлаждение отработавщих газов 39,92 Холодные утилиты

378 371 Охлаждение двигателя 25,71 Холодные утилиты

4 I Охлаждение двигателя

,ение тработавших газе

Основной подвод теп

?в впускного воздуха

3 I Отопление салона

Ш72

I 7,77 I

72ipp|S15

21S99,77|~1~|(

605 605Г

И37

780:

378 НЛ 371_371

I 224 I I 1,43 I

584,43^Л 564,91^^20 20

-293[7];

293 293I

53Ш

Û253 253Ш

S15

Рис. 2. Схема теплообменной сети

Из рис. 2 и табл. 3 видно, что охлаждение двигателя через систему охлаждения осуществляется за счёт внешних утилит, следовательно, система охлаждения в процессе модернизации не должна претерпевать никаких конструктивных изменений.

Такое решение даёт чисто автоматическое проектирование, когда проектировщик исключён из создания теплообменной сети и не позволяет учитывать экспертные рекомендации.

В данном случае в качестве таких экспертных рекомендаций выступает то обстоятельство, что теплоту отработавших газов нежелательно использовать для отопления салона автомобиля.

Однако если вести процесс проектирования в полуавтоматическом режиме, то появляется принципиальная возможность учитывать экспертные рекомендации. При этом будет создана теплообменная сеть другой архитектуры, но все параметры оптимального решения останутся те же, другими словами, табл. 2 не изменится, а табл. 3 и рис. 2 трансформируются соответственно в табл. 4 и рис. 3.

Т а б л и ц а 4. Интеграция тепловых потоков

Температура на входе горячей стороны, °С Температура на выходе горячей стороны, °С Название горячего потока Тепловой поток, кВт Название холодного потока Температура на входе холодной стороны, °С Температура на выходе холодной стороны, °С

Выше пинча

721 615 Охлаждение тработавших газов 7,77 Основной подвод теплоты 605 699,77

Горячие утилиты 149,25 Основной подвод теплоты 699,77 2521

Ниже пинча

378 377,39 Охлаждение двигателя 2,24 Подогрев впускного воздуха 253 293

377,39 377,00 Охлаждение двигателя 1,43 Отопление салона 253 293

615 20 Охлаждение тработавщих газов 43,59 Холодные утилиты

377,00 371 Охлаждение двигателя 22,04 Холодные утилиты

Охлаждение дв игателя

,ение тработавших газе

Основной подвод теп

?в впускного воз;

И72

7,77 I 721 Г""|615

21ГЛ51'

21699,77^!

I 14925 I I 7 ,77 I

1605 605 Г

Ц7В 377,3^рТ[377_ЗТ^Тр_371

293 □□

615ПП20 20

15И:

53Ш

293 29^| 4 1253 253р

Ш2

[7|253 253[Г]

Рис. 3. Схема теплообменной сети

№

615

По

615

605

Вариант, представленный в табл. 4 и на рис. 3, более приемлем для практической реализации. Рассмотрим теперь рекомендуемые конструктивные изменения.

1. Теплота охлаждающей жидкости двигателя последовательно расходуется на подогрев воздушного заряда и отопление салона. Если бы эта нагрузка была не временной, а постоянной, то появилась бы возможность уменьшить массогабаритные показатели радиатора.

2. Теплота отработавших газов должна подводиться к рабочему телу в конце процесса сжатия в цилиндре двигателя, что представляется весьма затруднительным и практически невозможным. Однако в качестве агента теплоты может выступать само топливо, которое подаётся в камеру сгорания. Речь идёт о термохимической конверсии топлива [3]. То есть когда сначала в топливе протекают эндотермические реакции и тепловая энергия запасается в продуктах реакции, а затем при сгорании протекают обратные (экзотермические) реакции и запасенная энергия вновь выделяется в виде теплоты.

При этом температура конверсии топлива должна быть ниже температуры отработавших газов. Такими топливами являются низшие спирты и простые эфиры. Из применяемых на сегодняшний день топлив таковыми являются метан, пропан, бутан, октан, метанол, этанол и диметилэфир. Наиболее перспективным является метанол (метиловый спирт), так как уже применяется в качестве заменителя трациционных моторных топлив нефтяного происхождения, а также имеет невысокую температуру конверсии, табл. 5 [4].

Т а б л и ц а 5. Температура конверсии топлив

Наименование Температура конверсии, К

Метан 1000

Пропан 700

Бутан 700

Октан >1000

Метанол 570

Этанол 600

Диметилэфир 533

Теплота сгорания жидкого метанола 19670 кДж/кг. Теплота сгорания газообразных продуктов конверсии метанола 23870 кДж/кг [5,6]. То есть при сгорании продуктов конверсии метанола выделится дополнительно 4200 кДж/кг теплоты. Другими словами, примерно 21% от энергии возвращается в рабочий цикл ДВС.

Таким образом, на основе пинч-технологии решена задача структурной оптимизации технической системы, в качестве которой выступал автомобиль ВАЗ-21112. При этом для обеспечения возможности интеграции теплоты предлагается использовать процессы термохимической конверсии топлив. Также следует отметить, что полученные выводы и конструктивные предложения будут справедливы, если в качестве технической системы рассматривать не автомобиль ВАЗ-21112, а только его двигатель.

Л и т е р а т у р а

1. Агапов Д.С. Методика проведения пинч-анализа // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. -2013 - №32. - С. 247-256.

2. Агапов Д.С. Проблемы и перспективы рационального использования теплоты на автотранспорте. // Альтернативные источники энергии: проблемы и перспективы рационального использования: Сб. науч. тр. по мат. межд. науч.-практ. конф.:- Воронеж, 2014. - Т. 1. - С. 26-30.

3. Фомин В.М., Каменев В.Ф., Хрипач Н.А. Повышение эффективности работы ДВС применением термохимической регенерации теплоты отработавших газов // Проблемы энергоаккумулирования и экологии в машиностроении: Сб. науч. тр. - М.: Изд. ИН-МАШ РАН, 2003.- С. 156-170.

4. Носач В.Г. Методы повышения эффективности использования топлива в технологических процессах //

Теплофизика и теплотехника.-1977.-№ 37.-С.44-47.

5. Вишняков А.В., Яковлева Н.В., Чащин В.А., Фатеев В.Н. Возможности и ограничения методов получения и очистки водорода для топливных элементов. Термодинамические и кинетические аспекты получения водорода в бортовых системах//Химическая технология.-2002.-№1.- С.3-9.

6. Стеженский А.И. Паровая конверсия метанола. - Киев: Наукова думка, 1972.- 283 с.