Конструктивное исполнение высокоэффективных систем терморегулирования гидравлическихи магнитореологических приводов мобильных машин

В качестве систем терморегулирования и охлаждения широко применяются компрессорные холодильные машины, но высокопроизводительное компрессорное оборудование имеет большие массогабаритные показатели и немалую стоимость, так как значительные перепады температур в компрессорах реализуются путем создания многоступенчатых конструкций рабочих камер, клапанов и систем уплотнений, работающих при больших положительных и отрицательных температурах, перепадах давления. Процессы сжатия хладагента высоко энергозатратны, что приводит к значительным эксплуатационным расходам и вероятности перегрева компрессоров. Серьезной проблемой являются сложности, возникающие при сервисном обслуживании элементов рабочих камер компрессоров и их низкая ремонтопригодность. Поэтому установка высокопроизводительных компрессорных холодильных систем на приводы мобильных машин существенно повышает массогабаритные показатели конечных изделий, увеличивает расход топлива и усложняет проведение сервисных мероприятий. Это создает потребность поиска новых конструктивных решений. Системы терморегулирования на полупроводниковых термоэлектрических элементах потребляют значительно меньше электроэнергии, в сравнении с компрессорными холодильными машинами, при равной производительности установок. Термоэлектрические элементы Пельтье позво-

Расчет и конструирование

ляют создавать разность температур сторон до 70 °С и отрицательные температуры на холодной стороне термоэлектрического элемента в однокаскадных конструкциях устройств управления термодинамическими параметрами, при этом обладая малыми габаритами и массой. Возможно исполнение системы терморегулирования с воздушным или жидкостным охлаждением горячей стороны термоэлектрического элемента, но применение жидкостного охлаждение является более рациональным, так как жидкость позволяет отводить значительные потоки тепла при циркуляции малых объемов хладагента, создавая достаточный градиент температур на сторонах термоэлектрического элемента. Поддержание температуры горячей стороны термоэлектрического элемента равной температуре окружающей среды приводит к снижению температуры его холодной стороны на десятки градусов. Это дает возможность реализовывать высокоэффективные системы терморегулирования на одноступенчатых маломощных компрессорных установках [1–14].

Актуальность

Эффективность систем определяется рациональностью их конструкций и оптимальностью параметров рабочих процессов, которые утверждаются в технических заданиях еще на начальных стадиях проектирования. На сегодняшний день не существует универсальных общепризнанных методик конструирования и расчета гибридных систем терморегулирования для гидравличе- ских и магнитореологических приводов, применяющих сочетание термоэлектрических элементов и компрессорных установок, что затрудняет процессы проектирования и снижает достоверность получаемых результатов численного моделирования. Увеличение срока эксплуатации технических средств достигается, прежде всего, соблюдением требований, предъявляемых к значениям их рабочих параметров и качеству проведенных сервисных и ремонтных работ, но при этом рекомендации по эксплуатации, сервисному обслуживанию и ремонту подобных систем отсутствуют. Поэтому исследовательская деятельность в данном направлении является актуальной.

Конструктивное решение

Варианты конструкций систем терморегулирования, предусматривающих отвод тепла посредством жидкой среды, являются более высокоэффективными, на рис. 1 приведена схема холодильной машины. Распределение хладагента осуществляется четырехходовым краном. Горячий хладагент из компрессора конденсируется, поступая в теплообменник, отдавая тепло к внешней среде. Через регулирующий вентиль хладагент поступает в реологический дроссель-термостат, закипая, охлаждает горячую сторону термоэлектрического элемента. Отработанные пары хладагента отводятся во всасывающую линию компрессора. Температура хладагента, поступающего в реологический дроссель-термостат, регулируется степенью изменения его компрессии в рабочей камере. Термоэлектрические элементы Пельтье способны работать в режиме термоциклирова- ния, что достигается изменением полярности источника постоянного тока и приводит к смене горячей и холодной сторон. Устройство управления термодинамическими параметрами магнитореологической рабочей среды выполнено в виде многоугольной сборки термоэлектрических элементов Пельтье, рис. 2, 3. Подробная конструкция и принцип работы реологического дросселя-термостата описаны в Патенте RU 173746 [15].

Тепловые процессы, протекающие в рабочей среде, опишем следующими уравнениями [1–4, 16–19]:

^ (piTi) + div (piui Ti) = div (Di grad Tj) + STi.

Член уравнения div (pjui Ti):

div (PjW TJ = div (grad T^ + ~, \ Lpi            )     Lpi

Sfti - объемная скорость выделения теплоты:

St-

S*i = ^ '

Lpi где cpi - теплоемкость, Di - коэффициент диффузии, Ti - температура, Xi - коэффициент теплопроводности, t - время, pi - плотность.

Член уравнения div (Di grad Ti):

(Di grad Ti) = Do exp f- ^^) , dx где Do - значение коэффициента диффузии, при температуре To, Е^ - энергия активации, й -универсальная газовая постоянная.

Член уравнения STi:

STi = SCi + SPiT.

Член уравнения div (X , grad T , ):

H ^{Brad t)}L = ^СЧ^-^^ • Г1

H gradt)L = a2P2(T2-Tr2)lri, p2               r2                                2

где p_i; p₂ - плотности сред, a₁; a₂ - средний по поверхности коэффициент теплоотдачи среде, X₁; X₂ - коэффициент теплопроводности, Т₁;Т₂ - температура стенок, смачиваемых средами, Т _{Г 1}; Т Г ₂ - температура сред.

^1а-Я2.

^a 1 = dr , ^а 2 = dr .

dx        dx

Плотность теплового потока в хладагенте:

Q i = ^- ^ i ^ i ^^ •

Рис. 1. Система терморегулирования: 1 – теплообменник, 2 – направление движения хладагента при охлаждении термоэлектрических элементов, 3 – четырехходовой кран-переключатель, 4 – реологический дроссель-термостат, 5 – дроссель, 6 – компрессор

Рис. 2. Реологический дроссель-термостат: 1 – гидролиния, 4, 5 – патрубки, 8 – полупроводниковые термоэлектрические элементы, 11 – перфорированная пластина

Расчет и конструирование

Рис. 3. Реологический дроссель-термостат: 1 – гидролиния, 2, 3 – тоководы, 6, 7 – герметизирующая пластина, 9, 10 – токопроводящая пластина, 8 – полупроводниковые термоэлектрические элементы, 11 – перфорированная пластина

Плотность теплового потока в магнитореологической рабочей среде:

q2 = —к2А2а-, 2       2 2 ах где ах - градиент температуры сред, Ат; Л2 - площадь соприкосновения, кг; к2 - коэффициенты теплопроводности.

Член уравнения —; (piTi):

(PiTi) = р20 ± у(Тс ± 20) , где р20 - плотность жидкой среды при 20°С, у - средняя температурная поправка на 1Т, Т>с -температура в Цельсиях.

Тепловые эффекты в хладагенте:

Sq = 0 ,

S _ _ kiAt Pi “ Vt ’ где V! - эффективный объем хладагента.

Тепловые эффекты в магнитореологической рабочей среде:

S C ₂ =

^dT„ ^2^2.

^2    '

S_P 2 = 0 , где V₂ — эффективный объем магнитореологической рабочей среды.

Установим количество тепла, которое холодильная машина отнимает от охлаждаемой среды в единицу времени – холодопроизводительность [20–32].

Рабочая холодопроизводительность компрессора:

^Q0w = ^Vh ^ w^quw .

Стандартная холодопроизводительность компрессора:

Q0s _ Vh^squs , где quw; qus - объемная холодопроизводительность, 0w; 0s - коэффициент подачи хладагента.

Объем поршневой полости компрессора:

Vh = ^^snZ, где Z - число рабочих камер, d - диаметр рабочих камер, п - частота вращения вала компрессора, 5 - ход поршня.

Расчет холодопроизводительность компрессора при неустановившемся режиме:

Oos^wQuw

^Q0w = _д _   .

^S4US

Температура кипения хладагента:

Teo = ^qT^c, где 6q - коэффициент подогрева, T>Cc - температура конденсации.

На основе численной модели получены зависим о сти, описывающие тепловые процессы в гибридной системе терморегулирования.

Результаты

Основным параметром, по которому можно оценивать реологические и термодинамические характеристики рабочей среды является ее плотность. Как известно, именно плотность заполнения рассматриваемого объема молекулами среды определяет интенсивность процессов теплопроводности и диффузии в нем. Следовательно, изменения плотности оказывает влияние н а значения каждого члена уравнения, описывающего тепловые процессы, протекающие в рабочей среде. Поэтому смоделируем динамику изменения плотности в рассматриваемом объеме, рис. 4.

Рис. 4. Динамика изменения значений плотности магнитореологической среды во времени t[c]; р[кг/м³]

Результаты численного моделирования свидетельствуют о достаточной с корости и з менения значений плотности рабочей среды и в целом о высок о й эффективности раз р аботанной системы терморегулирования, несмотря на ее малые размеры и низкую мощность одноступенча т ой компрессорной установки.

Рекомендации по проектированию и эксплуатации

Основываясь на численной модели и расчетных д а нных, можно сформу л ировать следующие рекомендации:

Увеличение площади соприкосновения полупров о дниковых термоэлект р ических элементов со средами (увеличение количества полупроводниковых пар) при небольших значениях п араметров вольтамперных характеристик существенно повышает эффективность рабочих процессов гибридных систем терморегулирования для гидравли ч еских и магнитореологических приводов, применяющих сочетание термоэлектрических элементов и одноступенчатых маломощных компрессорных установок. Это обусловлено, во-первых тем, что теоретически п р и нулевой р азности температур и при малых токах холодильный коэффиц и ент термоэлектричес к ого элемента в пределе стремится к бесконечности. Во-вторых, данный режим эксплуатации не приводит к большим затратам электроэнергии в компрессорном обору д овании, так как не требует значительных изменений объемов хладагента. Оптимальное значен и е геометрических и рабочих па р аметров полупроводниковых термоэлектрических элементов с л едует определять из условия мен ь ших затрат энергии именно в компрессорной установке.

Достижение требуемых рабочих температур в ма г нитореологической среде осуществляется путем задания вольтамперной характеристики термоэлектрических элементов и тем п ературы хладагента.

Расчет и конструирование

Корректировка значений температуры магнитореологической среды производится за счет изменения вольтамперной характеристики термоэлектрических элементов.

Стабильность рабочих характеристик системы терморегулирования во многом зависит от эффективности реализации отвода тепла от горячей стороны полупроводниковых термоэлектрических элементов, что требует устойчивости интенсивности циркуляции хладагента в охладительном контуре. Поэтому частота вращения вала компрессора определяется требуемой для охлаждения горячей стороны термоэлектрического элемента производительностью компрессора.

Динамические процессы в рабочей среде, прежде всего, зависят от ее плотности и значения коэффициента теплопроводности. Оптимизация динамики приводной системы должна производиться, в первую очередь, за счет выбора рабочих сред по рациональному соотношению значений данных физических параметров.

Новизна исследовательской работы

Создана оригинальная запатентованная конструкция высокоэффективного устройства управления термодинамическими параметрами и корректировки их значений.

На основе проведенного анализа рабочих процессов системы терморегулирования рабочей среды (работа в составе привода мобильной машины) выработаны рекомендаций по проектированию и эксплуатации подобных устройств управления термодинамическими параметрами и корректировки их рабочих параметров.

Выводы

Применение сочетания термоэлектрических элементов и одноступенчатых маломощных компрессорных установок в системах терморегулирования позволяет достигать рабочих параметров, сопоставимых с рабочими параметрами высокопроизводительного многоступенчатого компрессорного оборудования.

Гибридные системы терморегулирования гидравлических и магнитореологических приводов, применяющие сочетание термоэлектрических элементов и одноступенчатых маломощных компрессорных установок, обладают большой энергоэффективностью.

Использование одноступенчатых маломощных компрессорных установок в системах терморегулирования в значительной степени снижает стоимость их производства.

Термоэлектрические элементы дают возможность создавать высокоэффективные системы терморегулирования с низкими массогабаритными показателями.