Тепловые аккумуляторы фазового перехода

1.Введение

Тепловая подготовка агрегатов  автомобилей, в частности двигателей, особенно актуальна при их эксплуатации в условиях низких температур окружающего  воздуха. Известно, что энергии, запасенной в бортовой аккумуляторной батарее, вполне достаточно для нескольких десятков пусков автомобильного двигателя. Но это  при положительных температурах окружающего воздуха. При наступлении  же холодов картина резко меняется: пуск становится затруднительным, а  иногда и просто невозможным. Все  дело в том, что на пуск двигателя  в холодную погоду отрицательно влияет целая комбинация факторов - плохая испаряемость топлива, увеличение необходимого для прокручивания коленчатого  вала момента из-за загустевания масла, рост внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи, что уменьшает ток стартера и развиваемый им момент. Поэтому в настоящее время предлагаются различные способы, позволяющие снизить вредное влияние перечисленных факторов. Например, рекомендуется применение пусковых жидкостей, улучшающих воспламенение топливовоздушной смеси; зимних сортов масел; подогревателей масел, охлаждающей жидкости и аккумуляторных батарей и т. п. При этом предпусковой разогрев двигателя - наиболее кардинальное решение проблемы надежного пуска при низких температурах окружающего воздуха. Однако, предпусковые подогреватели требуют дополнительных затрат энергии. Учитывая сказанное, специалисты ищут новые решения. В частности, разрабатывают так называемые тепловые аккумуляторы фазового перехода (ТАФП), которые способны в процессе работы двигателя аккумулировать часть теплоты, содержащейся в охлаждающей жидкости, моторном масле или отработавших газах, хранить ее в течение довольно большого периода времени, а затем отдавать при предпусковом разогреве элементов двигателя.

 

 

 

 

 

 

 

 

2.ТАФП и грамотная организация системы подвода теплоты

Тепловые аккумуляторы фазового перехода (ТАФП) - устройства, которые способны в процессе работы двигателя аккумулировать часть теплоты, содержащейся в охлаждающей жидкости, моторном масле или отработавших газах, хранить ее в течение довольно большого периода времени, а затем отдавать при предпусковом разогреве элементов двигателя.

Накопление ТАФП тепловой энергии осуществляется при работе ДВС за счет теплообмена его охлаждающей  жидкости с теплоаккумулирующим  материалом (ТАМ), находящимся в трубчатых  капсулах. При этом ТАМ нагревается  в твердой фазе до температуры  плавления, плавится, а затем нагревается  в жидкой фазе до некоторой температуры, при которой наступает равновесие между ним и охлаждающей жидкостью.

Хранение тепловой энергии  осуществляется за счет наличия в  конструкции аккумулятора теплоизолированного  вакуумированного корпуса.

Разогрев ДВС мобильной  машины происходит за счет теплообмена  охлаждающей жидкости (ОЖ) с расплавленным ТАМом, при котором последний претерпевает обратимый фазовый переход из жидкого состояния в твердое и выделяет скрытую теплоту кристаллизации. Выделяющаяся тепловая энергия переносится ОЖ и передается двигателю.

Путь, безусловно, интересный, но — не единственно возможный. Например, если проанализировать схемы движения теплоносителя в отечественных ДВС, то становится очевидным, что у каждого из них она своя. Отсюда напрашивается вывод: значит, и движение теплоносителя при подогреве с использованием индивидуальных пусковых подогревателей будет у каждого свое. Следовательно, и время подогрева. Другими словами, можно найти схему, которая с этой точки зрения самая выгодная. И совместить ее с наиболее эффективным на сегодня подогревателем — ТАФП.

Данные соображения в  РВАИ проверили экспериментально на четырехцилиндровом рядном двигателе.

Технология исследований была следующей. ТАФП заряжали от охлаждающей  жидкости ("Тосол А-40") во время  работы двигателя при движении автомобиля. Затем автомобиль оставляли на открытой стоянке и выдерживали до тех  пор, пока температура его двигателя сравнивалась с наружной. Перед пуском двигателя включали ТАФП, выдерживали до момента, когда температура головки блока и гильз крайних цилиндров достигнет 40 °С и пускали двигатель. То есть технология экспериментального исследования была, по существу, стандартной. За одним исключением: использовались две схемы движения теплоносителя по рубашке охлаждения (рисунок 1 ), отличающиеся положением точек (кранов) отвода жидкости из двигателя в ТАФП. В первом случае (рис. 1, а) эта точка (К1) располагалась на головке блока в зоне четвертого цилиндра, а во втором (рис. 1, б) была нижней точкой (КЗ) рубашки охлаждения в зоне того же четвертого цилиндра.

Рисунок 1 –Исследованные схемы (а — № 1, б — № 2) предпускового подогрева двигателя от ТАФП:1 — ТАФП; 2, 4 и 6 — переходники; 3 — двигатель; 5 — термостат системы охлаждения; 7 — расходомер; 8 — насос; К1,К2иКЗ-краны

 

Другими переменными параметрами  были выбраны — температура окружающего воздуха, объемный расход теплоносителя и время предпускового подогрева.

Результаты экспериментов  для случая, когда пуск двигателя  выполняли при температуре -30 °С и объемном расходе теплоносителя, равном 0,08 л/с, приведены на рисунке 2.

Как видим, схема № 1 обеспечивает более интенсивный нагрев верхней части двигателя, чем схема № 2, т. е. создает условия для хорошего испарения топлива и получения топливовоздушной смеси на входе в цилиндр при пуске. Однако тепловое состояние нижней части двигателя (а конкретно — гильз цилиндров), становится причиной: во-первых, конденсации топлива на более холодных стенках гильз, в результате чего смесь обедняется и понижается ее температура; во-вторых, недостаточного температурного воздействия на коленчатый и распределительный валы, что не способствует снижению момента сопротивления их проворачиванию и снижению износов вкладышей в пусковой период.

При движении теплоносителя  по схеме № 2 перепады температур получаются в 2,5—3 раза меньше, чем по схеме № 1. Причем как по высоте, так и по длине двигателя, т. е. практически температуры элементов двигателя выравниваются. Что позволяет говорить о средних температурах подогрева элементов и использовать их при расчетах.

Температура головки блока  цилиндров при схеме № 2 ниже, чем при схеме № 1. Но она не оказывает значительного влияния  на температуру впускного коллектора. И позволяет уменьшить тепловые потери с поверхности головки блока.

 

           

Рисунок 2. - Зависимость температуры элементов конструкции двигателя в процессе его предпускового подогрева от времени работы ТАФП при схеме № 1 (а) и № 2 (б): 1 — головка блока цилиндров; 2 — средняя температура деталей; 3 — первый цилиндр; 4 — четвертый цилиндр

Рисунок 3 . - Зависимость скорости нагрева элементов конструкции двигателя от времени работы ТАФП при схеме № 1 (а) и № 2 (б):

1 — головка блока цилиндров; 2 — первый цилиндр; 3 — четвертый цилиндр

Динамику, т. е. скорость и  нагрева элементов двигателя при температуре окружающего воздуха 243 К (—30 °С) в случае использования ТАФП иллюстрирует рисунок 3. Из него следует, что, независимо от схемы, скорость нагрева элементов конструкции двигателя в первые 2—3 мин работы ТАФП носит резко нарастающий характер: за это время ТАФП отдает до 70 % накопленной теплоты. Причем к пятой—шестой минуте скорость уменьшается до 1—2 К/мин и незначительно зависит от температуры окружающего воздуха и объемного расхода теплоносителя.

Перепад температур по элементам  двигателя имеет ту же закономерность распределения тепловых потоков, что и на рисунке 2. Это свидетельствует о том, что импульсный подвод теплоты позволяет в течение непродолжительного времени получить температуру головки блока и гильз цилиндров, вполне обеспечивающую надежный пуск двигателя при температуре окружающего воздуха до 233 К (—40 °С). Время работы ТАФП меньше времени, в течение которого водитель проводит контрольный осмотр автомобиля. В результате этого до пуска двигателя теплота передается от принудительно нагретых элементов к соприкасающимся с ними. В том числе к поршням, подшипникам коленчатого и распределительного валов, что также благоприятно сказывается на надежности пуска двигателя.

Но, к сожалению, запас  теплоты в современных ТАФП не очень велик. Поэтому его фактически можно использовать для одного предпускового подогрева двигателя, а затем "подзаряжать" при работающем двигателе.

 

 

 

3.Виды ТАФП

1. ТАФП (патент № 2187049 РФ) состоит из вакуумированного корпуса 1 (рисунок 4), съемной крышки 2, имеющей входное 3 и выходное 4 отверстия, в которые запрессованы впускная 5 и выпускная 6 трубы. Внутри корпуса находится теплообменник, состоящий из коаксиально расположенных цилиндрических капсул 7 с зазорами 8 для прохода жидкости. Вся конструкция теплообменника смонтирована на съемной крышке 2, которая закреплена при помощи болтового соединения 10 к кольцу 9, приваренному к корпусу.

Рисунок 4 – Тепловой аккумулятор фазового перехода (патент № 2187049 РФ)

Данный аккумулятор включен  в систему охлаждения ДВС мобильной  машины. Накопление им тепловой энергии  осуществляется следующим образом.

При работе ДВС поток ОЖ поступает в впускную трубу 5, затем проходит через кольцевые отверстия 8 и выходит из аккумулятора в выпускную трубу 6. При этом ТАМ, находящийся в цилиндрических капсулах 7, нагревается в твердой фазе до температуры плавления, плавится, а затем нагревается в жидкой фазе до некоторой температуры, при которой наступает тепловое равновесие между ним и ОЖ.

Хранение тепловой энергии  осуществляется за счет наличия в  конструкции теплового аккумулятора вакуумированного корпуса 1. Отдача аккумулятором тепловой энергии (разогрев двигателя) осуществляется путем прокачки теплоносителя через впускную трубу 5, кольцевые зазоры 8 и выпускную трубу 6. При этом происходит обратимый фазовый переход, в результате которого ТАМ находится в капсулах 7, кристаллизуется и отдает ранее запасенную энергию теплоносителю. Теплоноситель нагревается от температуры окружающей среды до температуры +35 - 50^oС и передает эту энергию деталям двигателя.

Достоинство данного устройства – компактность и простота в заполнении капсул.

2. ТАФП (патент № 2150603 РФ) состоит из наружного 1 (рисунок 5) и внутреннего 2 корпусов, между которыми установлен слой тепловой изоляции 3 (минеральная вата). Внутри корпуса 2 размещено теплоаккумулирующее ядро, представляющее собой замкнутую полость, которая заполнена ТАМом 4 и через которую проходят трубы газового 5 и жидкостного 6 теплообменников. На поверхности труб 5 и 6 закреплены ребра 7.

Для ликвидации между корпусами 1, 2 и трубами 5, 6 "тепловых мостов" установлены втулки 8 из материала  с небольшим коэффициентом теплопроводности.

 

Рисунок 5 – Тепловой аккумулятор фазового перехода (патент № 2150603 РФ)

ТАФП работает следующим  образом.

Зарядка аккумулятора тепловой энергией осуществляется пропусканием потока отработавших газов ДВС мобильной  машины через трубу 5.

В процессе теплообмена отработавших газов с ТАМ 4 последний нагревается  в твердой фазе до температуры  полиморфного превращения, испытывает полиморфное превращение с поглощением  теплоты фазового перехода, а затем  продолжает нагреваться в твердой  фазе до некоторой температуры, при  которой наступает тепловое равновесие в системе тепловой аккумулятор - окружающая среда.

В период безгаражного хранения мобильной машины, когда ее ДВС  заглушен, ТАМ 4 сохраняется при температуре, превышающей температуру полиморфного превращения за счет тепловой изоляции 3.

Для функционирования ТАФП с целью предпускового разогрева  ДВС в трубу 6 подается жидкий теплоноситель (вода, тосол, антифриз), который нагревается  за счет теплообмена с ТАМ 4. Последний отдает количество теплоты Q, рассчитываемое по формуле

 

где m_т - масса теплоаккумулирующего материала; 
T_о, T_ф, T_к - температуры теплоаккумулирующего материала соответственно начальная, полиморфного превращения и конечная; 
r_ф - удельная теплота полиморфного превращения; 
C₁(T), C₂(T) - удельные массовые теплоемкости теплоаккумулирующего материала в интервалах температур соответственно [T_о; T_ф] и [T_ф; T_к].

За счет организации циркуляции жидкого теплоносителя по замкнутому контуру жидкостный теплообменник  ТАФП - зарубашечное пространство ДВС происходит предпусковой разогрев последнего.

Так же автор данного аккумулятора предлагает используемый ТАМ (фторид бериллия BeF₂) заменить на тригидрат ацетата натрия NaC₂H₂O*3H₂O с температурой плавления Т_пл = 58 ^oC, который способен к переохлаждению в жидкой фазе, т.е. теплоаккумулирующий материал охлаждается в жидкой фазе ниже температуры Т_пл, но не ниже некоторого предельного значения температуры T^*= T_пл- T, где T - интервал переохлаждения, в пределах которого теплоаккумулирующий материал 4 находится в жидкой фазе, что приводит к увеличению времени хранения тепловой энергии (патент № 2150020 РФ).

Недостатком указанного устройства является существенная разница в  объемах ТАМ в жидком и твердом состояниях, поэтому приходится заполнять полость с ТАМом на 75...80 %.

3. ТАФП для разогрева  трансмиссионного масла (патент  № 65190 РФ) представляет собой теплообменный  аппарат, состоящий из наружного  1 (рисунок 6) и внутреннего 2 корпусов, между которыми располагается слой тепловой изоляции 3. Во внутреннем корпусе 2 размещены трубопроводы-змеевики 5 с охлаждающей жидкостью и 6 с трансмиссионным маслом (последний соединен с резервуаром 4). На змеевиках предусмотрены входной и выходной патрубки, причем на входном патрубке трубопровода-змеевика 6 установлен насос 8 для подачи трансмиссионного масла из картера коробки передач (КП) и датчик температуры 10. Свободное пространство внутреннего корпуса 2 заполнено фазопереходным теплоаккумулирующим материалом 7.

Рисунок 6 – Тепловой аккумулятор фазового перехода (патент № 65190 РФ)

ТАФП работает в следующих  двух режимах.

Зарядка. При работе ДВС охлаждающая жидкость циркулирует через трубопровод-змеевик 5, отдавая часть своей теплоты теплоаккумулирующему материалу 7. В качестве такого материала может быть использован, например, гидрооксид бария (Ba(OH)8H2O), который нагреваясь в твердой фазе до температуры плавления 78 °С, плавится,