Про теплову енергію простою мовою! Розрахунок у Excel прикладного завдання.

Проходять через прозору атмосферу, не нагріваючи її, вони досягають земної поверхні, нагрівають її, а від неї надалі нагрівається повітря.

Ступінь нагрівання поверхні, а отже і повітря, залежать, перш за все, від широти місцевості.

Але в кожній конкретній точці вона (t о) визначатиметься також цілою низкою факторів, серед яких основними є:

А: висота над рівнем моря;

Б: поверхня, що підстилає;

Віддаленість від узбереж океанів і морів.

А – Оскільки нагрівання повітря походить від земної поверхні, то чим менші абсолютні висоти місцевості, тим вище температура повітря (на одній широті). У разі ненасиченого водяними парами повітря спостерігається закономірність: під час підйому кожні 100 метрів висоти температура (t про) зменшується на 0,6 про З.

Б - Якісні властивості поверхні.

Б 1 – різні за кольором і структурою поверхні по-різному поглинають і відбивають сонячні промені. Максимальна відбивна здатність характерна для снігу та льоду, мінімальна для темно забарвлених ґрунтів та гірських порід.

Освітлення Землі сонячними променями у дні сонцестоянь та рівнодень.

Б 2 – різні поверхні мають різну теплоємність та тепловіддачу. Так, водна маса Світового океану, що займає 2/3 поверхні Землі, через високу теплоємність дуже повільно нагрівається і дуже повільно охолоджується. Суша швидко нагрівається і швидко охолоджується тобто щоб нагріти до однакової t про 1 м 2 суші і 1 м 2 водної поверхні, треба витратити різну кількість енергії.

В – від узбереж у глиб материків кількість водяної пари у повітрі зменшується. Чим прозоріша атмосфера, тим менше розсіюється в ній сонячних променів, і всі сонячні промені досягають поверхні Землі. При наявності великої кількостіводяної пари в повітрі, крапельки води відбивають, розсіюють, поглинають сонячні промені і далеко не всі вони досягають поверхні планети, нагрівання її при цьому зменшується.

Найвищі температури повітря зафіксовані у районах тропічних пустель. У центральних районах Сахари майже 4 місяці t про повітря в тіні становить понад 40 про С. У той же час на екваторі, де кут падіння сонячних променів найбільший, температура не буває вищою за +26 про С.

З іншого боку, Земля як нагріте тіло випромінює енергію в космос в основному в довгохвильовому інфрачервоному діапазоні. Якщо земна поверхня укутана «ковдрою» хмар, то не всі інфрачервоні промені йдуть з планети, тому що хмари їх затримують, відбиваючи назад до земної поверхні.

При ясному небі, коли водяної пари в атмосфері мало, інфрачервоні промені, що випускаються планетою, вільно йдуть у космос, при цьому відбувається вихолоджування земної поверхні, яка остигає і тим самим знижується температура повітря.

Література

1. Зубащенко О.М. Регіональна фізична географія. Клімати Землі: навчально-методичний посібник. Частина 1./Є.М. Зубащенко, В.І. Шмиков, А.Я. Немикін, Н.В. Полякова. - Воронеж: ВДПУ, 2007. - 183 с.

Людству відомо кілька видів енергії – механічна енергія (кінетична та потенційна), внутрішня енергія (теплова), енергія полів (гравітаційна, електромагнітна та ядерна), хімічна. Окремо варто виділити енергію вибуху,...

Енергію вакууму та ще існуючу лише в теорії – темну енергію. У цій статті, першій у рубриці «Теплотехніка», я спробую простою та доступною мовою, використовуючи практичний приклад, розповісти про найважливіший вид енергії в житті людей — про теплової енергіїі про народжує її в часі теплової потужності.

Декілька слів для розуміння місця теплотехніки, як розділу науки про отримання, передачу та застосування теплової енергії. Сучасна теплотехніка виділилася із загальної термодинаміки, яка у свою чергу є одним із розділів фізики. Термодинаміка – це буквально «теплий» плюс «силовий». Таким чином, термодинаміка – це наука про «зміну температури» системи.

Вплив на систему ззовні, у якому змінюється її внутрішня енергія, може бути результатом теплообміну. Теплова енергія, яка набувається або втрачається системою внаслідок такої взаємодії з навколишнім середовищем, називається кількістю теплотиі вимірюється у системі СІ у Джоулях.

Якщо ви не інженер-теплотехнік і щодня не займаєтеся теплотехнічними питаннями, то вам, зіткнувшись з ними, іноді без досвіду буває дуже важко швидко в них розібратися. Важко без наявності досвіду уявити навіть розмірність значень значень кількості теплоти і теплової потужності. Скільки Джоулів енергії необхідно щоб нагріти 1000 метрів кубічних повітря від температури -37˚С до +18˚С?.. Яка потрібна потужність джерела тепла, щоб зробити це за 1 годину?.. На ці не найскладніші питання здатні сьогодні відповісти далеко не всі інженери. Іноді фахівці навіть пам'ятають формули, але застосувати їх практично можуть лише одиниці!

Прочитавши до кінця цю статтю, ви зможете легко вирішувати реальні виробничі та побутові завдання, пов'язані з нагріванням та охолодженням різних матеріалів. Розуміння фізичної суті процесів теплопередачі та знання простих основних формул – це головні блоки у фундаменті знань з теплотехніки!

Кількість теплоти за різних фізичних процесів.

Більшість відомих речовин можуть за різних температур і тиску перебувати в твердому, рідкому, газоподібному або плазмовому станах. Перехідз одного агрегатного стану до іншого відбувається за постійної температури(за умови, що не змінюються тиск та інші параметри довкілля) і супроводжується поглинанням чи виділенням теплової енергії. Незважаючи на те, що у Всесвіті 99% речовини знаходиться в стані плазми, ми в цій статті не розглядатимемо цей агрегатний стан.

Розглянемо графік, поданий малюнку. На ньому зображено залежність температури речовини Твід кількості теплоти Qпідведеного до якоїсь закритої системи, що містить певну масу якоїсь конкретної речовини.

1. Тверде тіло, що має температуру T1, нагріваємо до температури Tпл, витрачаючи на цей процес кількість теплоти дорівнює Q1 .

2. Далі починається процес плавлення, який відбувається за постійної температури Тпл(температурі плавлення). Для розплавлення всієї маси твердого тіла необхідно витратити теплову енергію в кількості Q2 - Q1 .

3. Далі рідину, що вийшла в результаті плавлення твердого тіла, нагріваємо до температури кипіння (газоутворення) Ткп, витрачаючи на цю кількість теплоти рівну Q3-Q2 .

4. Тепер за незмінної температури кипіння Ткпрідина кипить і випаровується, перетворюючись на газ. Для переходу всієї маси рідини в газ необхідно витратити теплову енергіюв кількості Q4-Q3.

5. На останньому етапі відбувається нагрівання газу від температури Ткпдо деякої температури Т2. При цьому витрати кількості теплоти становитимуть Q5-Q4. (Якщо нагріємо газ до температури іонізації, то газ перетвориться на плазму.)

Таким чином, нагріваючи вихідне тверде тіло від температури Т1до температури Т2ми витратили теплову енергію у кількості Q5, переводячи речовину через три агрегатні стани.

Рухаючись у зворотному напрямку, ми відведемо від речовини ту саму кількість тепла Q5, пройшовши етапи конденсації, кристалізації та охолодження від температури Т2до температури Т1. Зрозуміло, ми розглядаємо замкнуту систему без втрат енергії у довкілля.

Зауважимо, що можливий перехід із твердого стану в газоподібний стан, минаючи рідку фазу. Такий процес називається сублімацією, а зворотний йому процес - десублімацією.

Отже, усвідомили, що процеси переходів між агрегатними станами речовини характеризуються споживанням енергії за постійної температури. При нагріванні речовини, що знаходиться в одному постійному агрегатному стані, підвищується температура і також витрачається теплова енергія.

Основні формули теплопередачі.

Формули дуже прості.

Кількість теплоти Qу Дж розраховується за формулами:

1. З боку споживання тепла, тобто з боку навантаження:

1.1. При нагріванні (охолодженні):

Q = m * c *(Т2-Т1)

m – маса речовини в кг

с –питома теплоємність речовини в Дж/(кг*К)

1.2. При плавленні (замерзанні):

Q = m * λ

λ – питома теплота плавлення та кристалізації речовини в Дж/кг

1.3. При кипінні, випаровуванні (конденсації):

Q = m * r

r – питома теплота газоутворення та конденсації речовини в Дж/кг

2. З боку виробництва тепла, тобто джерела:

2.1. При згорянні палива:

Q = m * q

q – питома теплота згоряння палива в Дж/кг

2.2. При перетворенні електроенергії на теплову енергію (закон Джоуля - Ленца):

Q = t * I * U = t * R * I ^ 2 = (t / R)*U ^2

t – час у с

I – чинне значення струму в А

U – діюче значення напруги в

R – опір навантаження в Ом

Робимо висновок - кількість теплоти прямо пропорційно масі речовини при всіх фазових перетвореннях і при нагріванні додатково прямо пропорційно різниці температур. Коефіцієнти пропорційності ( c , λ , r , q ) для кожної речовини мають свої значення та визначені дослідним шляхом (беруться із довідників).

Теплова потужність N в Вт – це кількість теплоти передана системі за певний час:

N = Q / t

Чим швидше ми хочемо нагріти тіло до певної температури, тим більшої потужності має бути джерело теплової енергії – все логічно.

Розрахунок у Excel прикладного завдання.

У житті буває часто необхідно зробити швидкий оціночний розрахунок, щоб зрозуміти – чи є сенс продовжувати вивчення теми, роблячи проект та розгорнуті точні трудомісткі розрахунки. Зробивши за кілька хвилин розрахунок навіть з точністю ±30%, можна прийняти важливе управлінське рішення, яке буде в 100 разів дешевшим і в 1000 разів оперативнішим і в результаті в 100000 разів ефективнішим, ніж виконання точного розрахунку протягом тижня, а то та місяця, групою дорогих фахівців.

Умови завдання:

У приміщення цеху підготовки металопрокату розмірами 24м х 15м х 7м завозимо зі складу на вулиці металопрокат у кількості 3т. На металопрокаті є крига загальною масою 20кг. На вулиці -37˚С. Яка кількість теплоти необхідно, щоб нагріти метал до +18? нагріти лід, розтопити його та нагріти воду до +18˚С; нагріти весь об'єм повітря в приміщенні, якщо припустити, що до цього опалення повністю відключено? Яку потужність повинна мати система опалення, якщо все сказане вище необхідно виконати за 1годину? (Дуже жорсткі і майже не реальні умови– особливо щодо повітря!)

Розрахунок виконаємо у програміMS Excel або у програміOOo Calc.

З кольоровим форматуванням осередків та шрифтів ознайомтесь на сторінці « ».

Вихідні дані:

1. Назви речовин пишемо:

в комірку D3: Сталь

в комірку E3: Лід

в комірку F3: Лід/вода

в комірку G3: Вода

в комірку G3: Повітря

2. Назви процесів заносимо:

в комірки D4, E4, G4, G4: нагрівання

в комірку F4: танення

3. Питому теплоємність речовин cв Дж/(кг*К) пишемо для сталі, льоду, води та повітря відповідно

в комірку D5: 460

в комірку E5: 2110

в комірку G5: 4190

в комірку H5: 1005

4. Питому теплоту плавлення льоду λ в Дж/кг вписуємо

в комірку F6: 330000

5. Масу речовин mв кг вписуємо відповідно для сталі та льоду

в комірку D7: 3000

в комірку E7: 20

Так як при перетворенні льоду у воду маса не змінюється, то

у осередках F7 і G7: =E7 =20

Масу повітря знаходимо добутком обсягу приміщення на питому вагу

в осередку H7: = 24 * 15 * 7 * 1,23 =3100

6. Час процесів tв хв пишемо лише один раз для сталі

в комірку D8: 60

Значення часу для нагрівання льоду, його плавлення і нагрівання води, що вийшла, розраховуються з умови, що всі ці три процесу повинні вкластися в сумі за такий же час, який відведено на нагрівання металу. Зчитуємо відповідно

в клітинці E8: =E12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =9,7

в осередку F8: =F12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =41,0

в осередку G8: =G12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =9,4

Повітря також має прогрітися за цей самий відведений час, читаємо

в осередку H8: = D8 =60,0

7. Початкову температуру всіх речовин T1 в ˚C заносимо

в комірку D9: -37

в комірку E9: -37

в комірку F9: 0

в осередок G9: 0

в осередок H9: -37

8. Кінцеву температуру всіх речовин T2 в ˚C заносимо

в комірку D10: 18

в комірку E10: 0

в комірку F10: 0

в комірку G10: 18

в комірку H10: 18

Думаю, питань щодо п.7 та п.8 бути не повинно.

Результати розрахунків:

9. Кількість теплоти Qв КДж, необхідне для кожного з процесів, розраховуємо

для нагрівання сталі в осередку D12: = D7 * D5 * (D10-D9) / 1000 =75900

для нагрівання льоду в осередку E12: =E7*E5*(E10-E9)/1000 = 1561

для плавлення льоду в осередку F12: =F7*F6/1000 = 6600

для нагрівання води в осередку G12: =G7*G5*(G10-G9)/1000 = 1508

для нагрівання повітря в осередку H12: =H7*H5*(H10-H9)/1000 = 171330

Загальну кількість необхідної для всіх процесів теплової енергії зчитуємо

в об'єднаному осередку D13E13F13G13H13: =СУММ(D12:H12) = 256900

У комірках D14, E14, F14, G14, H14, та об'єднаній комірці D15E15F15G15H15 кількість теплоти наведено у дугою одиниці виміру – у ГКал (у гігакалоріях).

10. Теплова потужність Nу КВт, необхідна для кожного з процесів, розраховується

для нагрівання сталі в комірці D16: = D12/(D8 * 60) =21,083

для нагрівання льоду в осередку E16: =E12/(E8*60) = 2,686

для плавлення льоду в осередку F16: =F12/(F8*60) = 2,686

для нагрівання води в осередку G16: =G12/(G8*60) = 2,686

для нагрівання повітря в осередку H16: =H12/(H8*60) = 47,592

Сумарна теплова потужність необхідна для виконання всіх процесів за час tрозраховується

в об'єднаному осередку D17E17F17G17H17: =D13/(D8*60) = 71,361

У комірках D18, E18, F18, G18, H18, та об'єднаній комірці D19E19F19G19H19 теплова потужність наведена в дугою одиниці виміру – у Гкал/год.

На цьому розрахунок у Excel завершено.

Висновки:

Зверніть увагу, що для нагрівання повітря необхідно більш ніж вдвічі більше витратити енергії, ніж для нагрівання такої самої маси сталі.

При нагріванні води витрати енергії вдвічі більші, ніж при нагріванні льоду. Процес плавлення багаторазово більше споживає енергії, ніж процес нагрівання (при невеликій різниці температур).

Нагрів води у десять разів витрачає більше теплової енергії, ніж нагрів сталі та вчетверо більше, ніж нагрів повітря.

Для отримання інформації про вихід нових статей і для скачування робочих файлів програм прошу вас підписатися на анонси у вікні, розташованому наприкінці статті або у вікні вгорі сторінки.

Після введення адреси своєї електронної поштита натискання на кнопку «Отримувати анонси статей» НЕ ЗАБУДЬТЕ ПІДТВЕРДИТИ ПЕРЕДПЛАТА кліком за посиланням у листі, який відразу прийде до вас на вказану пошту (іноді - в папку « Спам » )!

Ми згадали поняття «кількість теплоти» та «теплова потужність», розглянули фундаментальні формули теплопередачі, розібрали практичний приклад. Сподіваюся, що моя мова була простою, зрозумілою та цікавою.

Чекаю на запитання та коментарі на статтю!

Прошу ПОШАЖУЮЧИХ труд автора скачати файл ПІСЛЯ ПЕРЕДПЛАТИ на новини статей.

- прилади, які застосовуються для нагрівання повітря в системах вентиляції, системах кондиціювання повітря, повітряного опалення, а також в сушильних установках.

На вигляд теплоносія калорифери можуть бути вогневими, водяними, паровими та електричними. .

Найбільшого поширення нині мають водяні і парові калорифери, які поділяють на гладкотрубні і ребристі; останні, у свою чергу, поділяють на пластинчасті та спірально-навивні.

Розрізняють одноходові та багатоходові калорифери. У одноходових теплоносій рухається по трубках в одному напрямку, а в багатоходових кілька разів змінює напрямок руху внаслідок наявності в колекторних кришках перегородок (рис. XII.1).

Калорифери виконують двох моделей: середньої (С) та великої (Б).

Витрата тепла для нагрівання повітря визначається за формулами:

де Q"- Витрата тепла для нагрівання повітря, кДж / год (ккал / год); Q- Те саме, Вт; 0,278 - коефіцієнт переведення кДж / год у Вт; G- масова кількість нагрівається повітря, кг/год, що дорівнює Lp [тут L- об'ємна кількість повітря, що нагрівається, м 3 /год; р - щільність повітря (при температурі t K),кг/м 3]; з- Питома теплоємність повітря, що дорівнює 1 кДж / (кг-К); t до - температура повітря після калориферу, ° С; t н- Температура повітря до калорифера, °С.

Для калориферів першого ступеня підігріву температура tн дорівнює температурі зовнішнього повітря.

Температура зовнішнього повітря приймається рівною розрахунковою вентиляційною (параметри клімату категорії А) при проектуванні загальнообмінної вентиляції, призначеної для боротьби з надлишками вологи, тепла та газами, ГДК яких більше 100 мг/м3. При проектуванні загальнообмінної вентиляції, призначеної для боротьби з газами, ГДК яких менше 100 мг/м3, а також при проектуванні припливної вентиляції для компенсації повітря, що видаляється через місцеві відсмоктувачі, технологічні витяжки або системи пневматичного транспорту, температура зовнішнього повітря приймається рівною зовнішньою температурі tн для проектування опалення (параметри клімату категорії Б).

У приміщення без теплонадлишків слід подавати припливне повітря з температурою, що дорівнює температурі внутрішнього повітря для даного приміщення. За наявності теплонадлишків припливне повітря подають з зниженою температурою(На 5-8 ° С). Припливне повітря з температурою нижче 10 ° С не рекомендується подавати в приміщення навіть за наявності значних тепловиділень через можливість виникнення простудних захворювань. Виняток становлять випадки застосування спеціальних анемостатів.

Необхідна площа поверхні нагрівання калориферів Fк м2 визначається за формулою:

де Q- Витрата тепла для нагрівання повітря, Вт (ккал / год); До- Коефіцієнт теплопередачі калориферу, Вт/(м 2 -К) [ккал/(ч-м 2 -°С)]; t порівн.Т. — Середня температуратеплоносія, 0С; t порівн. - Середня температура повітря, що нагрівається, проходить через калорифер, ° С, рівна (t н + t до)/2.

Якщо теплоносія служить пар, то середня температура теплоносія tср.т. дорівнює температурі насичення за відповідного тиску пари.

Для води температура tср.т. визначається як середня арифметична температура гарячої та зворотної води:

Коефіцієнт запасу 1,1-1,2 враховує втрати тепла на охолодження повітря у повітроводах.

Коефіцієнт теплопередачі калориферів залежить від виду теплоносія, масової швидкості руху повітря vp через калорифер, геометричних розмірів і конструктивних особливостейкалориферів, швидкості руху води трубками калорифера.

Під масовою швидкістю розуміють масу повітря, кг, що проходить за 1 з 1 м2 живого перерізу калорифера. Масова швидкість vp, кг/(см2) визначається за формулою

За площею живого перерізу fЖ і поверхні нагрівання FК підбирають модель, марку та кількість калориферів. Після вибору калориферів уточнюють за дійсною площею живого перерізу калориферу fД даної моделі масову швидкість руху повітря:

де А, А 1 , n, n 1 і т- Коефіцієнти та показники ступенів, що залежать від конструкції калорифера

Швидкість руху води в трубках калориферу, м/с, визначається за формулою:

де Q" - витрата тепла для нагрівання повітря, кДж / год (ккал / год); площа живого перерізу для проходу теплоносія, м2, tг - температура гарячої водив магістралі, що подає, °С; t 0 - Температура зворотної води, 0С.

На тепловіддачу калориферів впливає схема обв'язування їх трубопроводами. При паралельній схемі приєднання трубопроводів через окремий калорифер проходить лише частина теплоносія, а при послідовній схемі через кожен калорифер проходить вся витрата теплоносія.

Опір калориферів проходу повітря р, Па виражається такою формулою:

де В і z - коефіцієнт та показник ступеня, які залежать від конструкції калорифера.

Опір послідовно розташованих калориферів дорівнює:

де т - Число послідовно розташованих калориферів. Розрахунок закінчується перевіркою теплопродуктивності (тепловіддачі) калориферів за формулою

де QK – тепловіддача калориферів, Вт (ккал/год); QK - те ж, кДж/год, 3,6 - коефіцієнт переведення Вт в кДж/год FK - площа поверхні нагріву калориферів, м2 прийнята в результаті розрахунку калориферів даного типу; К - коефіцієнт теплопередачі калориферів, Вт/(м2-К) [ккал/(ч-м2-С)]; tср.в - середня температура повітря, що нагрівається, що проходить через калорифер, °С; tпор. Т – середня температура теплоносія, °С.

При підборі калориферів запас на розрахункову площу поверхні нагрівання приймається в межах 15 - 20%, на опір проходу повітря - 10% і на опір руху води - 20%.

1

Згідно з оцінками Міжнародного енергетичного агентства, пріоритетним напрямом зниження викидів діоксиду вуглецю автомобілями є підвищення їхньої паливної економічності. Завдання зниження викидів СО2 шляхом підвищення паливної економічності автотранспорту є для світової спільноти однією з пріоритетних, враховуючи необхідність раціонального використання джерел енергії, що не відновлюються. З цією метою постійно посилюються міжнародні стандарти, що лімітують показники пуску та експлуатації двигуна в умовах низьких і навіть високих температур довкілля. У статті розглянуто питання паливної економічності двигунів внутрішнього згоряння залежно від температури, тиску, вологості навколишнього повітря. Наведено результати дослідження щодо підтримки постійної температури у впускному колекторі ДВС з метою економії палива та визначення оптимальної потужності нагрівального елемента.

потужність нагрівального елемента

Температура оточуючого повітря

підігрів повітря

економія палива

оптимальна температура повітря у впускному колекторі

1. Автомобільні двигуни. В.М. Архангельський [та ін]; відп. ред. М.С. Ховах. М: Машинобудування, 1977. 591 с.

2. Карнаухов В.М., Карнаухова І.В. Визначення коефіцієнта наповнення у ДВС // Транспортні та транспортно-технологічні системи, матеріали Міжнародної науково-технічної конференції, Тюмень, 16 квітня 2014р. Тюмень: Вид-во ТюмДНГУ, 2014.

3. Ленін І.М. Теорія автомобільних та тракторних двигунів. М: Вища школа, 1976. 364 с.

4. Ютт В.Є. Електроустаткування автомобілів. М: Вид-во Гаряча лінія-телеком, 2009. 440 с.

5. Ютт В.Є., Рузавін Г.Є. Електронні системи управління ДВЗ та методи їх діагностування. М: Вид-во Гаряча лінія-Телеком, 2007. 104 с.

Вступ

Розвиток електроніки та мікропроцесорної техніки призвело до широкого впровадження її на автомобілі. Зокрема, до створення електронних систем автоматичного керування двигуном, трансмісією ходовою частиною та додатковим обладнанням. Застосування електронних систем для керування (ЕСУ) двигуном дозволяє знизити витрату палива та токсичності відпрацьованих газів з одночасним підвищенням потужності двигуна, підвищити прийомистість та надійність холодного пуску. Сучасні ЕСУ поєднують у собі функції управління упорскуванням палива та роботою системи запалення. Для реалізації програмного управління в блоці управління записується залежність тривалості впорскування (кількість палива, що подається) від навантаження і частоти обертання колінчастого валу двигуна. Залежність визначається у вигляді таблиці, розробленої на основі всебічних випробувань двигуна аналогічної моделі. Подібні таблиці використовуються для визначення кута запалювання. Ця система управління двигуном використовується в усьому світі, тому що вибір даних із готових таблиць є більш швидким процесом, ніж виконання обчислень за допомогою ЕОМ. Отримані за таблицями значення коригуються бортовими комп'ютерами автомобілів залежно від сигналів датчиків положення дросельної заслінки, температури повітря, його тиску та щільності. Основною відмінністю даної системи, що застосовується в сучасних автомобілях, є відсутність жорсткого механічного зв'язку між дросельною заслінкоюта педаллю акселератора, нею керуючої. У порівнянні з традиційними системами, ЕСУ дозволяє знизити витрати пального на різних автомобілях до 20%.

Низьке споживання палива досягається шляхом різної організації двох основних режимів роботи ДВЗ: режиму малого навантаження та режиму високого навантаження. При цьому двигун у першому режимі працює з неоднорідною сумішшю, великим надлишком повітря і пізнім упорскуванням палива, завдяки чому досягається розшарування заряду з суміші повітря, палива і відпрацьованих газів, що залишилися, в результаті чого він працює на бідній суміші. На режимі високого навантаження двигун починає працювати на гомогенній суміші, що призводить до зменшення викидів шкідливих речовин у відпрацьованих газах. Токсичність викиду при застосуванні ЕСУ дизельними двигунами при запуску дозволяють знизити різні свічки розжарювання. ЕСУ отримує інформацію про температуру повітря на впуску, тиск, витрату палива і положення колінчастого валу. Блок управління обробляє інформацію від датчиків та, використовуючи характеристичні карти, видає значення кута випередження подачі палива. З метою врахування зміни щільності повітря, що надходить при зміні його температури, датчик витрати оснащений терморезистором. Але в результаті коливань температури і тиску повітря у впускному колекторі, незважаючи на перераховані вище датчики, відбувається миттєва зміна щільності повітря і, як наслідок, зменшення або збільшення надходження кисню в камеру згоряння.

Мета, завдання та метод дослідження

У Тюменському державному нафтогазовому університеті було проведено дослідження з метою підтримки постійної температури у впускному колекторі ДВС КАМАЗ-740, ЯМЗ-236 та D4FB (1.6 CRDi) автомобіля Кіа Сід, MZR2.3-L3T – Мазда CX7. При цьому температурні коливанняповітряної маси враховували температурні датчики. Забезпечення нормальної (оптимальної) температури повітря у впускному колекторі повинно виконуватися за всіх можливих експлуатаційних режимів: пуск холодного двигуна, роботи на малих і високих навантаженнях, при роботі в умовах низьких температур навколишнього середовища.

У сучасних швидкохідних двигунах сумарна величина теплообміну виявляється незначною і становить близько 1% від кількості тепла, виділеного при згорянні палива. Збільшення температури підігріву повітря у впускному колекторі до 67 ˚С призводить до зменшення інтенсивності теплообміну в двигунах, тобто зменшення Т і збільшення коефіцієнта наповнення. ηv (рис.1)

де ΔТ - різниця температур повітря у впускному колекторі (К), Тп - температура нагріву повітря у впускному колекторі, Тв - температура повітря у впускному колекторі.

Мал. 1. Графік впливу температури підігріву повітря на коефіцієнт наповнення (на прикладі двигуна КАМАЗ-740)

Однак підігрів повітря більше 67 °С не призводить до зростання ηv у зв'язку з тим, що щільність повітря при цьому зменшується. Отримані експериментальні дані показали, що повітря у дизельних двигунівбез наддуву під час роботи має інтервал температур ΔТ=23÷36˚С. Випробуваннями було підтверджено, що для ДВС, що працюють на рідкому паливі, Різниця у величині коефіцієнта наповнення ηv, розрахованого з умов, що свіжим зарядом є повітря або паливоповітряна суміш, незначна і становить менше 0,5% тому для всіх типів двигунів ηv визначається по повітрю.

Зміна температури, тиску та вологості повітря позначається на потужності будь-якого двигуна і коливається в інтервалі Ne=10÷15% (Ne – ефективна потужність двигуна).

Підвищення аеродинамічного опору повітря у впускному колекторі пояснюється такими параметрами:

Підвищена щільність повітря.

Зміною в'язкості повітря.

Характер надходження повітря в камеру згоряння.

Численними дослідженнями доведено, що висока температура повітря у впускному колекторі збільшує витрати палива незначно. У той же час низька температура збільшує його витрату до 15-20 %, тому дослідження проводилися при температурі зовнішнього повітря -40 ˚С та його нагріванні до +70 ˚С у впускному колекторі. Оптимальною витратою палива є температура повітря у впускному колекторі 15÷67 ˚С.

Результати дослідження та аналіз

Під час випробувань було визначено потужність нагрівального елемента для забезпечення утримання певної температури у впускному колекторі ДВЗ. На першій стадії визначено кількість тепла, необхідного для нагрівання повітря масою 1 кг при постійній температурі та тиску повітря, для цього приймемо: 1. Температура навколишнього повітря t1=-40˚C. 2. Температура у впускному колекторі t2=+70˚С.

Кількість необхідного тепла знаходимо за рівнянням:

(2)

де СР - масова теплоємність повітря при постійному тиску, визначається за таблицею і для повітря при температурі від 0 до 200?

Кількість тепла для більшої маси повітря визначається за такою формулою:

де n - обсяг повітря кг, необхідного для нагрівання при роботі двигуна.

Працюючи ДВС на оборотах понад 5000 об/хв витрата повітря легкових автомобілів сягає 55-60 кг/год, а вантажних - 100 кг/год. Тоді:

Потужність нагрівача визначаємо за формулою:

де Q - кількість тепла, витрачене на нагрівання повітря Дж, N - потужність нагрівального елемента в Вт, τ - час в сек.

Необхідно визначити потужність нагрівального елемента в секунду, тому формула набуде вигляду:

N=1,7 кВт - потужність нагрівального елемента для легкових автомобілів та при витраті повітря понад 100 кг/год для вантажних - N=3,1 кВт.

(5)

де Ттр – температура у впускному трубопроводі, Ртр – тиск у Па у впускному трубопроводі, Т0 – ρ0 – щільність повітря, Rв – універсальна газова стала повітря.

Підставляючи формулу (5) у формулу (2), отримуємо:

(6)

(7)

Потужність нагрівача за секунду визначимо за формулою (4) з урахуванням формули (5):

(8)

Результати розрахунків кількості тепла, необхідного для нагрівання повітря масою 1 кг із середньою витратою повітря для легкових автомобілів більш ніж V=55кг/година і для вантажних - більше V=100кг/година, представлені в таблиці 1.

Таблиця 1

Таблиця визначення кількості тепла для нагрівання повітря у впускному колекторі в залежності від зовнішньої температури повітря

	V>55кг/год		V>100кг/год
		Q, кДж/сек		Q, кДж/сек

На підставі даних таблиці 1 побудовано графік (рис. 2) кількості тепла Q в секунду, витраченого на підігрів повітря до оптимальної температури. На графіку видно, що чим вище температура повітря, тим менша кількість тепла необхідна для підтримки оптимальної температури у колекторі, незалежно від об'єму повітря.

Мал. 2. Кількість тепла Q в секунду, витраченого на підігрів повітря до оптимальної температури

Таблиця 2

Розрахунок часу нагріву різних обсягів повітря

	Q1, кДж/сек		Q2, кДж/сек

Час визначено за формулою?

Далі по таблиці 2 побудований графік часу нагріву повітря до +70 ˚С в колекторі ДВЗ за різної потужності нагрівача. На графіку видно, що незалежно від часу нагрівання при підвищенні потужності нагрівача час нагрівання різних обсягів повітря вирівнюється.

Мал. 3. Час нагріву повітря до температури +70 ˚С.

Висновок

На підставі розрахунків та експериментів встановлено, що найбільш економічним є використання нагрівачів змінної потужності для підтримки заданої температури у впускному колекторі з метою одержання економії палива до 25-30%.

Рецензенти:

Рєзнік Л.Г., д.т.н., професор кафедри «Експлуатація автомобільного транспорту» ФДБО УВПО «Тюменський державний нафтогазовий університет», м. Тюмень.

Мерданов Ш.М., д.т.н., професор, завідувач кафедри "Транспортні та технологічні системи" ФДБО УВПО "Тюменський державний нафтогазовий університет", м. Тюмень.

Захаров Н.С., д.т.н., професор, чинний член Російської академіїтранспорту, завідувач кафедри "Сервіс автомобілів та технологічних машин" ФДБО УВПО "Тюменський державний нафтогазовий університет", м. Тюмень.

Бібліографічне посилання

Карнаухов В.М. ОПТИМІЗАЦІЯ ПОТУЖНОСТІ НАГРІВАЛЬНОГО ЕЛЕМЕНТА ДЛЯ ПІДТРИМАННЯ ОПТИМАЛЬНОЇ ТЕМПЕРАТУРИ ПОВІТРЯ У ВПУСКНОМУ КОЛЕКТОРІ ДВС // Сучасні проблеминауки та освіти. - 2014. - № 3.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=13575 (дата звернення: 01.02.2020). Пропонуємо до вашої уваги журнали, що видаються у видавництві «Академія Природознавства»

Зміна рециркуляції димових газів . Рециркуляція газів широко застосовується для розширення діапазону регулювання температури перегрітої пари та дозволяє підтримати температуру перегріву пари та при малих навантаженнях котлоагрегату. Останнім часом рециркуляція димових газів набуває також поширення як метод зниження освіти NО х. Застосовується також рециркуляція димових газів повітряний потік перед пальниками, що є більш ефективним з точки зору придушення освіти N0 x .

Введення відносно холодних рециркульованих газів в нижню частину топки призводить до зменшення теплосприйняття радіаційних поверхонь нагріву і до зростання температури газів на виході з топки і в конвективних газоходах, у тому числі температури газів. Збільшення загальної витрати димових газів на ділянці газового тракту до відбору газів на рециркуляцію сприяє підвищенню коефіцієнтів теплопередачі та теплосприйняття конвективних поверхонь нагріву.

Мал. 2.29. Зміна температури пари (крива 1), температури гарячого повітря (крива 2) і втрат з газами, що йдуть (крива 3) залежно від частки рециркуляції димових газів.

На рис. 2.29 наведено характеристики котлоагрегату ТП-230-2 за зміни частки рециркуляції газів у нижню частину топки. Тут частка рециркуляції

де V рц - обсяг газів, що відбираються па рециркуляцію; V r - обсяг газів у місці відбору на рециркуляцію без урахування V рц. Як видно, збільшення частки рециркуляції на кожні 10% призводить до підвищення температури газів, що йдуть, на 3-4°С, Vr - на 0,2%, температури пари - на 15°, причому характер залежності майже лінійний. Ці співвідношення є однозначними всім котлоагрегатів. Їх величина залежить від температури рециркульованих газів (місця забору газів) та методу введення їх. Скидання рециркульованих газів у верхню частину топки не впливає на роботу топки, але призводить до значного зниження температури газів в області пароперегрівача і як наслідок до зниження температури перегрітої пари, хоча обсяг продуктів згоряння збільшується. Скидання газів у верхню частину топки може бути використане для захисту пароперегрівача від впливу неприпустимо високої температуригазів та зменшення шлакування пароперегрівача.

Зрозуміло, застосування рециркуляції газів призводить до зниження як к.п.д. брутто, а й к.п.д. нетто котлоагрегату, оскільки викликає збільшення витрати електроенергії на власні потреби.

Мал. 2.30. Залежність втрат тепла з механічним недопалюванням від температури гарячого повітря.

Зміна температури гарячого повітря.Зміна температури гарячого повітря є результатом зміни режиму роботи підігрівача повітря внаслідок впливу таких факторів, як зміна температурного напору, коефіцієнта теплопередачі, витрати газів або повітря. Підвищення температури гарячого повітря збільшує, хоч і незначно, рівень тепловиділення в топці. Величина температури гарячого повітря помітно впливає на характеристики котло-агрегатів, що працюють на паливі з малим виходом летких. Зниження ^ р.в цьому випадку погіршує умови займання палива, режим сушіння і розмелювання палива, що призводить до зниження температури аерозуміші на вході в пальники, що може викликати зростання втрат з механічним недопалом (див. рис. 2.30).

. Зміна температури попереднього підігріву повітря.Попередній підігрів повітря перед повітропідігрівачем застосовується для підвищення температури стінки його поверхонь нагріву з метою зниження корозійного впливу па них димових газів, особливо при спалюванні високосірчистих палив. Відповідно до ПТЕ , при спалюванні сірчистого мазуту температура повітря перед трубчастими повітропідігрівачами повинна бути не нижче 110 ° С, а перед регенеративними - не нижче 70 е С.

Попередній підігрів повітря може здійснюватися за рахунок рециркуляції гарячого повітря на вхід дутьових вентиляторів, проте при цьому відбувається зниження економічності котлоагрегату за рахунок збільшення витрати електроенергії на дуття і зростання температури газів. Тому підігрів повітря вище 50 ° С доцільно здійснювати в калориферах, що працюють на добірній парі або гарячій воді.

Попередній підігрів повітря тягне за собою зменшення теплосприйняття повітропідігрівача внаслідок зниження температурного напору, температура газів, що йдуть, і втрата тепла при цьому підвищуються. Попередній підігрів повітря вимагає також додаткових витрат електроенергії на подачу повітря в підігрівач повітря. Залежно від рівня та способу попереднього підігріву повітря на кожні 10° З попереднього підігріву повітря к.п.д. брутто змінюється приблизно на 0,15-0,25%, а температура газів - на 3-4,5 ° С.

Так як частка тепла, що відбирається для попереднього підігріву повітря, по відношенню до теплопродуктивності котлоагрегатів досить велика (2-3,5%), вибір оптимальної схеми підігріву повітря має велике значення.

Холодне повітря

Мал. 2.31.Схема двоступінчастого підігріву повітря в калориферах мережевою водою та добірною парою:

1 - Мережеві підігрівачі; 2 - перший ступінь підігріву повітря мережевою водою опалювальної системи; 3 - другий ступінь підігріву повітря пзром; 4 - насос подачі зворотної мережі на калорифери; 5 - мережева вода для підігріву повітря (схема для літнього періоду); 6 – мережева вода для підігріву повітря (схема для зимового періоду).