Оценка эффективности использования массы теплового аккумулятора

Эксплуатация лесозаготовительной техники в России характеризуется большим объемом зимних работ. Низкие температуры отрицательно сказываются на функционировании основных узлов машин, повышая износ деталей. Решением проблемы предпускового разогрева двигателя и облегчения условий груда является применение различных подогревателей, в том числе тепловых аккумуляторов [1. 2].

Проводимые в различных странах опыты по установке тепловых аккумуляторов на автомобили [3, 4] показали, что при запуске двигателей после разогрева от теплового аккумулятора сокращается время запуска, снижаются выброс СО на 55% и выброс СП на 12%. Экономия топлива может достигать 30% для бензиновых и 8% для дизельных двигателей [5].

В случае, если энергия теплового аккумулятора используется не только для разогрева, но и для создания пускового момента на валу двигателя, становится актуальной разработка метода расчета параметров системы на основе эксергетического анализа [2] . Как показали исследования Розена (Rosen), Хупера (Hooper), Барбариса (Barbaris) [6], чисто энергетический подход не позволяет учесть ряд аспектов, связанных с внешней и внутренней необратимостью реально протекающих процессов. Эксергией тепла называется часть энергии, которая может быть преобразована в полезную работу при теплообмене в определенных условиях. Рассмотрим некоторые возможности, которые открывает применение понятия эксергии к оценке эффективности использования массы теплового аккумулятора (ТА) с фазовым переходом твердое тело - жидкость.

где

Nq - отводимая тепловая мощность аккумулятора в режиме разряда, Вт;

Т - длительность режима разряда, с;

L- скрытая теплота плавления, Дж/кг;

Г]^- энергетический коэффициент полезного действия ТА.

Функционально работа ТА подразделяется на периоды заряда, хранения накопленной энергии и разряда. С точки зрения использования массы более эффективной будет конструкция, обеспечивающая максимальное задействование ТАВ в каждом периоде.

Суммарный энергетический КПД T|v равен отношению отводимой энергии Qo (Дж) при разряде к подводимой энергии при заряде Qp , (Дж);

Он же равен произведению энергетических КПД периода заряда т|| , хранения накопленной энергии г|-> и разряда гь :

n2 = nrn2 n3 ■

В свою очередь выразим каждый коэффициент энергию:

Qhi

р2 =

^3 =

QH2

Qhi

Qq

QH2

где

Q[_|l - накопленная энергия при заряде, Дж;

Qpp - количество энергии в ТА после периода хранения, Дж.

(3) через

1 Автор - ведущий инженер кафедры технологии металлов и ремонта

Так как N t = Q_o , то перепишем (I):

М = ^° .

Ln£

Учитывая (2). преобразуем (7):

м = 5р .

L

На основании (4) преобразуем (8):

М=-9НЬ                         (9)

L щ и. с учетом (5),

М = 9Н2                       (10)

еПГП2

Эксергия (т.е. максимальная работоспособность) тепла определяется по формуле [7]:

Для сравнительного анализа проектируемых или существующих конструкций ТА введем коэффициенты использования массы :

ЦР

мр

^Н1 -

^Н2 ~

М

МН1

М

. ^МН2

" М

где

Е - подводимая (отводимая) эксергия. Дж;

Q - подводимая (отводимая) энергия, Дж;

Т - температура тела, к которому тепло подводится (отводится), К;

Тс - температура окружающей среды, К.

Ц° М '

Из (15), (8) и (11) получаем цр :

Вр =

т

1с

т

Тогда подводимая эксергия при заряде :

( ^Тс ^ep~^qp' ’"у ■ к РУ

учитывая (16), (9) и (12), определим цн| : ( Т )

^Н1 = П1 ■

(Н)

Т *т

где

Тр - температура теплоподвода в ТА (К).

В свою очередь, из (17), (10) и (13) получаем цН2 : ( Т )

ИН2 = ПГП2-

т

1 m

Накопленная эксергия при заряде :

ehi=Qhi ■< где

Тщ - температура плавления ТАВ (К).

Эксергия после периода хранения энергии :

ЕН2 =Qh2 (

Отводимая из ТА эксергия при разряде:

Е0=90-[1-У.(14)

где

То - температура теплоотвода из ТА (К).

Количество ТАВ, которое может быть задействовано при данных условиях теплоподвода Мр :

Мр^(15)

Количество ТАВ, обеспечивающее накопление эксергии при заряде Мн, :

МН1=^"-(« и содержащее накопленную эксергию после периода хранения Мн2:

МН2=^.(17)

Выделение эксергии при разряде обеспечивает Мр:'

Мо = ^-(18)

а (18), (7) и (14) дают :

( Т ]

Во =ЛЕ ■■

Чем выше каждый коэффициент, тем эффективнее используется масса ТА.

Суммарный эксергетический КПД ТА ^^ равен отношению Ео/Ер. Так как Ео/Ер = Мо / Мр = ц0 / цр следовательно :

о

Ч^ = Пх '

т т

В свою очередь, yL = i|/| • у, • ц/3, где ( Т )

W1	_ Ец1 . Ер	МН|      * * .. ~П1 ■- Мр		1---— <     1 m /
				,_	т ) 1с т 1Р V
Фз	_ Ец2 Ещ	МН2 : МН1	ВН2 _ ВН1		П2 .
Уз	Ео	Мо	Цо
	Ец2	МН2	чн	2
			у1"	т т
		■ ‘' П2 ' ~	1 -	т т

Рассмотрим на примере, как меняются показатели эффективности использования массы в зависимости от условий эксплуатации ТА.

ПРИМЕР

Пусть два ТА одинаковой конструкции и массы заряжаются от постороннего источника энергии и должны обеспечить на протяжении 30 минут тепловую мощность 10 кВт при суммарном энергетическом коэффициенте полезного действия г^ = 0,75 (щ =0.95; ц2 =0,8; г]3 =0,99). Скрытая теплота плавления ТАВ L = 280 кДж/кг, температура плавления Тт = 78°С. Температура окружающей среды Тс = - 20°С В первом случае температура подвода энергии Тр, = 90°С, температура отвода при разряде Т0| = 30°С. Во втором случае соответственно Тр1 =85°С и То2 = 25°С. Требуется определить: какой аккумулятор работает эффективнее?

Определяя требуемую массу ТАВ по (1), получим :

Ml = М2 = 85.7 [кг].

На первый взгляд оба, ТА равноценны. Перейдем к рассчету коэффициентов использования массы с помощью эксергетического метода:

цр1 =0,303

Инн = 0,265 Ц_Н21 =0.212 Вы =0,124

Ц_Р2 =0,293 МН12 = 0,265 ВН22 =0,212 ц_о2 = 0,113

Определяем эксергетические КПД:

Vli = 0,409      ЧТ 2 = 0,386

ФН = 0,875     ф12 =0.904

4*21 = 4*22 = 0,8

4/31 = 0,585       ц/₃2 = 0,533

Проведенный расчет показывает, что с точки зрения полезного использования массы первый ТА работает эффективнее в период разряда (ц01)ц02, 4'з1)4'з2 )•

Этот же аккумулятор более эффективен по потенциальным возможностям (цр|)цр2). В то же время, несмотря на худший показатель суммарного эксергети ческого КПД (Фхз^ц ), в период заряда второй ТА работает лучше ( ^(у/^)- Следовательно, для первого ТА необходимо улучшать условия при заряде (что не столь существенно для транспортной техники), для второго же ТА необходимо проводить мероприятия по улучшению как теплоподвода, так и условий разряда.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение эксергетического анализа при проектировании ТА позволяет выявить направления конструктивного совершенствования устройств при реальных условиях функционирования путем оценки эффективности использования массы ТАВ.