1892

3.4.2. Методика расчета тепловой производительности индивидуального жидкостного подогревателя (ПЖД) по показателям низшей теплотворной способности топлива и составляющим теплового баланса

Распределение тепла от сгорания топлива в подогревателе на полезно используемое и на потери характеризуется эффективным тепловым балансом.

Уравнение теплового баланса записывается в виде [29]

	Qо Qож Qм Qг Qост,					(3.10)
где Qо	– располагаемое тепло,	ккал/ч;	Qож	–	количество	тепла	на
разогрев	охлаждающей жидкости,	ккал/ч;	Qм	–	количество	тепла	на

разогрев моторного масла, ккал/ч; Qг – количество тепла, отводимого с отработавшими газами, ккал/ч; Qост – остаточное тепло, ккал/ч.

Располагаемое тепло подсчитывается по часовому расходу топлива в подогревателе и его теплотворной способности

Qо Gт Hu ,

(3.11)

где Hu низшая теплота сгорания топлива (для дизельного топлива Нu 42 440), кДж/кг ; Gт часовой расход топлива подогревателем, кг/ч.

Для определения количества тепла, потребного для разогрева охлаждающей жидкости (тосол А-40), необходимо знать ее количество, расход и разность температур в начале разогрева и в конце разогрева.

Qож Gож сож tож ,

(3.12)

где Gож масса охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя, кг; сож теплоемкость охлаждающей жидкости (для тосола А-40 М сож 3,2 3,8), кДж/кг град; tож разность температур охлаждающей жидкости в начале и в конце разогрева, °С.

Gож ож Vож ,		(3.13)
где ож плотность (для тосола А-40 М,	ож 1,065 1,085),	г/см3;

Vож вместимость системы охлаждения двигателя с учетом котла подогревателя, л.

119

Количество тепла, потребного на разогрев моторного масла, определяется по формуле

	Qм Gм см tм ,		(3.14)
где Gм масса моторного масла, кг;		см теплоемкость моторного масла,
см 0,5 ккал/(кг 0С);	tм разность	температур моторного	масла в
начале и в конце разогрева двигателя, °С.

В табл. 3.26 по результатам экспериментальных пусков подогревателей 14ТС-10 силовой установки с дизельным двигателем КамАЗ-740 (V8) представлены показатели продолжительности разогрева до состояния готовности к пуску двигателя с учетом температур окружающего воздуха tос и исходного теплового состояния двигателя tисх , а также разница в температурах исходного теплового состояния двигателя и готовности к пуску для охлаждающей жидкости tож и моторного масла tм.

Таблица 3.26

Разница температур охлаждающей жидкости и моторного масла в начале и конце разогрева

tOC, ОС	tИСХ, ОС	, мин	ΔtOЖ, ОС	ΔtМ, ОС
-2	-6	32	77	7,5
-11	-15	36	88	8,2
-18	-21	40	92	8,6

Количество тепла, отводимого с отработавшими газами, подсчитывается по разности теплосодержания (энтальпий) часовых количеств отработавших газов и свежего заряда

Qг Gт (М2 (mcp)tt

0г tг М1 (mcp)tt

0к tк),

(3.15)

где Gт часовой расход топлива подогревателем, кг/ч; М2 количество продуктов сгорания на килограмм топлива, при 1,5, кмоль/кг; М1 количество свежего заряда воздуха на килограмм топлива, при

1,5, кмоль/кг.

120

Коэффициент избытка воздуха для подогревателей подсчитывается по формуле

	lн	,		(3.16)
	lт
где lт теоретически необходимое количество			воздуха для	сгорания
топлива, расходуемого в течение 1 ч, кг;			lн расход	воздуха
подогревателем, кг/ч.
При этом
lт Gт l0,				(3.17)

где l0 теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг

топлива, кг возд/кг топл; Gт часовой расход топлива подогревателем,

кг/ч.

Общее количество продуктов сгорания

M2 MCO2 MH2O MO2 MN2 .

(3.18)

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания при 1,5 определяется

M2 0,0725 0,063 0,052 0,594 0,7815 кмоль/кг.

Средней теплоемкостью рабочего тела называется отношение количества теплоты, сообщаемой телу в заданном процессе, к изменению температуры при условии, что разность температур является конечной величиной. Величина теплоемкости зависит от температуры и давления тела, его физических свойств и характера процесса.

Для расчетов рабочих процессов обычно пользуются средними мольными теплоемкостями при постоянном объеме и при постоянном давлении. Между ними существует зависимость

(mcp) (mcv) 8,315,				(3.19)
(mcp)tt	0к	(mcv)tt	0к 8,315,	(3.20)
tг		tг	8,315 .	(3.21)
(mcp)t0		(mcv )t0

121

Таким образом, из уравнения теплового баланса можно определить количество остаточного тепла, которое расходуется на разогрев двигателя и потери в окружающую среду

Qост Qо Qож Qм Qг.

(3.22)

По результатам экспериментальных исследований, процесс разогрева силовой установки подогревателями с автоматизированным управлением режимами (полный, средний, малый) можно разделить на основной (температура охлаждающей жидкости на выходе из подогревателя не выше 70 – 75 °С) и дополнительные этапы (подогреватель переключается на режимы с меньшей подачей топлива). Из табл. 3.27 и рис. 3.8 видно, что начало разогрева двигателя (6 – 12 мин разогрева) в зависимости от исходной температуры характеризуется крайне низким темпом изменения его теплового состояния. Поэтому для основного этапа необходимо выделить начальный и эффективный периоды разогрева. Нетрудно найти количество тепла на разогрев силовой установки с учетом потерь тепла в окружающую среду для начального этапа разогрева Qостн и для

эффективного этапа Qостэ . Данные в табл. 3.5 приведены для силовой установки с дизельным двигателем V8 КамАЗ 740. tос – температура окружающей среды, °С; tисх – температура исходного состояния двигателя, °С.

Таблица 3.27

Основные показатели экспериментальных пусков подогревателей с удельной тепловой производительностью 1,43 кВт/л при разогреве дизельного

ДВС V8 КамАЗ 740

tос , °С	tисх , °С	I , мин	I , мин	I , мин
-1	-5	23	6	17
-2	-6	32	8	24
-11	-15	30	10	20
-11	-16	36	10	26
-18	-21	40	12	28
-21	-25,2	38	12	26

122

На рис. 3.9 представлены зависимости времени разогрева силовой установки на начальном и эффективном периодах, а также на основном этапе от температуры исходного состояния силовой установки.

Рис. 3.8. Периоды и этапы разогрева двигателя подогревателем жидкостным: 1 – условная точка перехода от начального к эффективному периоду разогрева двигателя (основной этап); 2 – условная точка завершения основного этапа разогрева двигателя (готовность к пуску) и перехода к дополнительным этапам (средний режим); 3 – точка перехода от среднего режима работы на малый режим

123

	55
	50						3
	45
	40								2
мин	35
	30
τ,
	25								1
	20
	15
	10
	5
	-2	-6	-10	-14	-18	-22	-26	-30	-34	-38	-42
						tисх, 0С
	Рис. 3.9. Зависимости времени разогрева силовой установки на
	начальном, эффективном периодах, а также на основном этапе от
температуры исходного состояния двигателя: 1 – начальный период;
		2 – эффективный период; 3 – основной этап

Если в зависимости (3.4) заменить массу условного тела Gус, его среднюю теплоемкость Сср условным параметром U, который

характеризует теплопередачу тепла от охлаждающей жидкости к силовой установке, а также теплоотдачу тепла в окружающую среду, и другим присоединенным к двигателю массам, то количество тепла для разогрева двигателя можно определить по следующей зависимости:

Qсу U (tг tисх ) ,

(3.23)

где U – условный параметр, характеризующий теплопередачу тепла от охлаждающей жидкости к силовой установке, а также теплоотдачу тепла в окружающую среду, и другим присоединенным к двигателю массам (табл.

3.28, рис. 3.10),	кВт		;	tг – температура готовности двигателя к пуску,
tг 70 75 оС;	С мин
	tисх	–		температура исходного теплового состояния

двигателя, оС; – продолжительность разогрева двигателя от температуры его исходного теплового состояния до температуры готовности (см. табл. 3.27, см. рис. 3.9), мин.

Таблица 3.28

124

Показатели процесса разогрева двигателя на среднем режиме по программе «нормальный»

tисх , ºС	V	, ºС/мин	V , ºС/мин	Uн,	кВт		Uэ,	кВт
					С ч			С ч
	н		э
-5		1,999	5,737	0,237			0,068
-6		1,252	4,001	0,248			0,070
-15		1,721	5,248	0,335			0,077
-16		1,226	4,095	0,559			0,113
-21		0,766	3,865	0,627			0,122
-25		1,96	4,401	0,681			0,129

Необходимо выбрать критическую зону силовой установки, по которой следует вести расчет параметра U. За критическую зону целесообразно принять менее разогреваемый цилиндр двигателя, поскольку по его тепловому состоянию могут определяться условия холодного пуска, а также показатели предельных значений износов для двигателей внутреннего сгорания.

Используя метод Эйлера и температурные зависимости состояния критической зоны (первый цилиндр), получим параметры теплоотдачи от охлаждающей жидкости в двигатель и теплопередачи от двигателя к окружающей среде U, а также темп разогрева V (рис. 3.10, 3.11).

	1,40
	1,20
	1,00
ч	0,80
С				1
0
/	0,60
U, кВт
	0,40
	0,20		2
	0,00
	-2	-6	-10	-14	-18	-22	-26	-30	-34	-38	-42
						tисх, 0С
	Рис. 3.10. Зависимости условного параметра U от температуры
	исходного состояния двигателя на начальном и эффективном

125

	периодах разогрева: 1 – начальный период; 2 – эффективный период
						разогрева
Необходимое количество тепла на начальном периоде разогрева можно
определить по следующей зависимости.
				Qсун	Uн I tтс tисх ,							(3.24)
где Uн – условный параметр,					характеризующий теплопередачу тепла от
охлаждающей жидкости к силовой установке и теплоотдачу тепла в
окружающую среду, а также другим присоединенным массам двигателя на
начальном периоде разогрева (см. рис. 3.10);								I –	время разогрева силовой
установки на начальном периоде (см. рис. 3.9), ч;										tтс	– температура
двигателя в точке условного перехода от начального к эффективному
периоду разогрева, оС.
Значение температуры двигателя в точке условного перехода от
начального к эффективному периоду разогрева можно определить, зная
значения темпов разогрева по формуле
				tтс tисх Vн I ,								(3.25)
где Vн – темп разогрева на начальном периоде (см. рис. 3.11), ºС/мин; I –
время начального периода разогрева силовой установки (см. рис. 3.9), мин.
	6,00
	5,00								2
	4,00
С/ мин	3,00
				1
0	2,00
V,
	1,00
	0,00
	-2	-6	-10	-14		-18	-22	-26	-30	-34	-38	-42
						tисх, 0С
						126

Рис. 3.11. Зависимости темпа V от температуры исходного состояния двигателя на начальном и эффективном периодах разогрева: 1 – начальный период; 2 – эффективный период разогрева

Количество тепла, необходимого на эффективном периоде разогрева, можно определить по следующей зависимости:

Qсуэ Uэ I tг tтс ,

(3.26)

где Uэ – условный параметр, характеризующий теплопередачу тепла от охлаждающей жидкости к силовой установке и теплоотдачу тепла в окружающую среду, а также другим присоединенным массам двигателя на эффективном периоде разогрева (см. рис. 3.10); I – время разогрева силовой установки на эффективном периоде (см. рис. 3.9), ч.

Техническую производительность подогревателя по составляющим начального и эффективного периодов разогрева можно определить по следующей зависимости:

		Псу Псун Псуэ ,	(3.27)
где Псун	– техническая производительность подогревателя на начальном
периоде	разогрева, кВт;	Псуэ – техническая	производительность

подогревателя на эффективном периоде разогрева, кВт.

Техническую производительность подогревателя Ппотр, рассчитанную

с учетом теплопередачи и теплоотдачи в течение одного часа работы, можно определить по формуле

Ппотр Псу Пож Пм ,

(3.28)

где Пож – техническая производительность подогревателя в течение одного часа его работы для разогрева только охлаждающей жидкости, кВт; Пм – техническая производительность подогревателя в течение одного часа его работы для разогрева только моторного масла, кВт.

Таким образом, определив потребное количество тепла, можно осуществить выбор подогревателя жидкостного по его тепловой производительности.

127

Заключение

При составлении учебно-методического пособия учтен опыт организации и проведения занятий по дисциплине «Эксплуатация строительных, дорожных и коммунальных машин в зимнее время» на кафедре «Эксплуатация и сервис транспортно-технологических машин и комплексов в строительстве». Отсутствие достаточного числа учебной литературы по данной дисциплине потребовало включить в основное содержание и приложения учебно-методического пособия необходимый для занятий учебный материал. Рассматриваются условия эксплуатации дорожных, строительных и коммунальных машин в зимнее время, влияние низких отрицательных температур окружающего воздуха на работоспособность двигателя, систем, обеспечивающих его работу, а также на работоспособность гидроагрегатов привода рабочего оборудования машины. Изложены основные правила эксплуатации СДКМ в зимних условиях. Даны основные рекомендации по выбору и использованию дизельных топлив, моторных и трансмиссионных масел, охлаждающих низкозамерзающих жидкостей в зимних условиях эксплуатации. Изложены методики оценки тепловой производительности индивидуальных средств, обеспечивающих облегчение пуска двигателей силовых установок СДКМ.

Составители учебно-методического пособия приносят свои извинения за возможные ошибки или неточности в подобранном и изложенном учебном материале и будут признательны конструктивным отзывам, пожеланиям и предложениям, направленным на его улучшение.

128