Наумов-конкурс

Министерство образования, науки и молодежной политики Нижегородской области

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Починковский сельскохозяйственный техникум»

Исследовательский проект

Тема: «Применение выхлопных газов

двигателя внутреннего сгорания для обогрева кабины трактора»

Автор работы: Наумов С.А.

Обучающийся 4 курса по специальности

35.02.07 Механизация сельского хозяйства .

ГБПОУ ПСХТ

Руководитель: преподаватель  

проф. дисциплин

Чекушин В.Н.

Починки 2018г. 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………...3

1. Технологическая часть …………...…………………………………………5

2. Конструктивная часть   ………………………………………………..……8

2.1 Конструирование теплообменника для отопления

кабины трактора МТЗ 82  ……………………………………………………...8

2.2 Расчет теплообменника  ………………………………………………… ...9

2.3 Расчет системы отопления кабины трактора …………………………….11

3. Экономическая эффективность   ………………………………...…………16

Заключение  ……………………………………………………………..……..19

Список использованной литературы………………………………….………20

Введение

С ростом экономики и нехваткой энергии использование тепла от отработавших газов становится более распространённым. Коэффициент полезного действия современных двигателей внутреннего сгорания имеет небольшую механическую эффективность лишь 30-40 процентов, оставшаяся часть энергии остается, не использована и рассеивается в форме отходов тепла через выхлопные газы и систему охлаждения. В связи с этим возникает потребность в применении тепла отработавших газов в полезную работу. Особенно актуально это в суровых климатических условиях. При использовании машин в северных районах, использование тепла отработавших газов имеет ряд преимуществ. Производительность системы отопления кабины при отрицательных температурах становится ниже. Использование тепла выхлопных газов для обогрева салона должно обеспечить более быстрый прогрев кабины трактора, так как после запуска двигателя температура выпускной системы трактора быстро достигает температур порядка 450-600 ˚С. Это позволит уменьшить затраты на топливо и время прогрева кабины.

Цель: Оптимизация температурного режима в кабине МТЗ 82 в холодное время года.

Задачи:

1. Исследование состояния температурного режима в кабине трактора
2. Изучить существующие аналоги обогрева кабины
3. Изучить влияние температуры в кабине трактора на работу способность водителя .
4. Сборка оборудования.
5. Выводы.

Актуальность исследования. Коэффициент полезного действия современных двигателей внутреннего сгорания имеет небольшую механическую эффективность лишь 30-40 процентов, оставшаяся часть энергии остается, не использована и рассеивается в форме отходов тепла через выхлопные газы и систему охлаждения. В связи с этим возникает потребность в применении тепла отработавших газов в полезную работу.

Объект исследования: Система выпуска тракторов

1.ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Известны системы использования тепла отработавших газов автомобиля при помощи теплообменника установленного на выпускной системе. Рабочим телом для переноса тепла отработавших газов является жидкость, в частности антифриз. При этом усложняется система охлаждения автомобиля. Основным недостатком при использовании в качестве рабочего тела жидкости является возможный перегрев и закипание жидкости в системе охлаждения автомобиля из-за неисправности клапанов подогревателя, что приведет к отказу, а так же возможны утечки охлаждающей жидкости.

Нами предлагается гипотеза о том, что при использовании воздуха в качестве рабочего тела, возможно сохранить эффективность системы подогрева воздуха в салоне и избежать указанных выше проблем.

Для проверки данной гипотезы был проведен практический эксперимент, целью которого являлась проверка возможности использования воздуха в качестве рабочего тела. Для проведения данного эксперимента была собрана установка, изображенная на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема экспериментального образца

1. Двигатель; 2. Выпускной коллектор с установленным теплообменником; 3. Глушитель; 4. Термометр ртутный; 5. Микро компрессор АЭН-4; 6. Электронный термометр TP-101; 7. Изолированный объем воздуха.

В качестве силовой установки для проведения эксперимента использовался двигатель внутреннего сгорания трактора МТЗ-82. На выпускном коллекторе была осуществлена намотка медной трубки для осуществления теплообмена. В качестве насоса использовался компрессор мощностью 30Вт, установленный под капотом. 

По полученным данным был построен график изменения температуры в зависимости от времени, представленный на рисунке 2. В течение первых 4 минут выпускной коллектор прогрелся до температуры 3000С. За 5 минут с начала эксперимента, температура воздуха внутри замкнутого объема повысилась на 1,60C. Потери тепла через ограждающие конструкции замкнутого объема не учитывались.

Рисунок 2. Изменение температуры воздуха

Для определения мощности теплогенерирующей системы использовали формулу сохранения тепловой энергии.

                                                    (1)

τ – время теплопереноса;

Cp – теплоемкость воздуха;

T – абсолютная температура воздуха в замкнутом объеме;

B – атмосферное давление;

V – объем замкнутого пространства;

R – газовая постоянная.

По полученным данным определили значение мощности на уровне 178 Вт (с учетом дополнительного источника тепла от компрессора). В результате можно сделать вывод, что использование тепла отработавших газов для обогрева салона недостаточно для полноценного функционирования системы отопления салона. Однако использование данной системы позволит получать тепловую энергию практически сразу после запуска двигателя. Процесс обогрева трактора существенно ускорится и будут созданы более комфортные условия при эксплуатации в холодное время года. Использование воздуха в качестве теплоносителя позволит повысить надежность системы и избежать паровых пробок в системе охлаждения. Устройством, использующим тепло отработавших газов можно существенно сократить время прогрева салона трактора до комфортной температуры.

2. КОНСТРУКТИВНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Конструирование системы отопления кабины трактора МТЗ-80

Эти вопросы совсем не простые, поскольку при проектировании систем климатизации должны учитываться многие факторы. Кроме того, речь идет не просто о системе, которая должна надежно работать для покрытия максимальных летних и зимних нагрузок. В системе климатизации, разработанной для обеспечения наибольшей эффективности, предполагается использование утилизации теплоты, высокопроизводительных устройств, определенных методов и средств оптимизации.

В настоящей статье рассматриваются воздухо-воздушные устройства, экономически эффективно использующие вторичные источники теплоты в здании и являющиеся частью системы климатизации, которая может содержать один или несколько теплообменников, а также обычное оборудование для систем вентиляции и обеспечения комфортных параметров микроклимата помещений.

Для всех внутренних помещений, в которых находятся люди, необходима система вентиляции. Результаты последних исследований показывают, что существует заметная связь между качеством микроклимата помещений (температурой, влажностью, газовым составом воздуха) и производительностью труда людей, находящихся в здании. В настоящее время, используя различные воздухо-воздушные теплообменники, возможно поддерживать хорошее качество воздуха и комфортные условия в помещениях при меньших эксплуатационных и капитальных затратах по сравнению с традиционными системами климатизации.

Предложение и изготовление приспособление для отбора тепла от выхлопных газов трактора

Схема установки приспособления на двигатель Д-240.

1. Выхлопной каллектор
2. Теплообменник
3. Глушитель

2.2 Расчет теплообменника

Теплообменники производят перенос ощутимой (явной) энергии благодаря разности температур на поверхностях.

Воздухо-воздушные теплообменники применяются в системах климатизации уже более 100 лет.

В вентиляционных установках обычно используется несколько типов воздухо-воздушных теплообменников: пластинчатые, с тепловой трубой, вращающиеся (регенеративные) и циркуляционные с водным раствором гликоля. Эти устройства характеризуются большой площадью теплообменной поверхности на единицу объема (например, от 100 до 4 000 м2/м3) и изготавливаются из недорогих материалов, не вступающих в реакцию с конденсатом из уходящего воздуха или водяного пара.

Для оценки производительности теплообменников используются такие показатели, как тепловая эффективность, падение давления, перетекание вытяжного воздуха в приточный и утечки приточного воздуха.

Тепловая эффективность характеризуется коэффициентом эффективности переноса ощутимой (явной) энергии εs, определяемым в установившемся состоянии как отношение:

где Cs = mcp — массовый расход приточного (s) или вытяжного (е) воздуха, умноженный на удельную теплоемкость;

Cmin — меньшая из величин Cs и Ce; ∆ts = t1 — t2; ∆tmax = t1 — t3;

Индексы 1, 2, 3 и 4 относятся к потокам воздуха, обозначенным на рис. 1. Вообще, все цифровые индексы, используемые в этой статье, относятся к потокам, обозначенным на рис. 1.

На рис. 1 показана схема одного из таких устройств с потоками приточного и вытяжного воздуха.

При сp = const можно записать:

Значение εs, лежащее в пределах от нуля до единицы (0 ≤ εs≤ 1,0) увеличивается с возрастанием площади поверхности теплообмена и уменьшается с ростом скорости воздушного потока в сечении. В системах климатизации со сбалансированными потоками приточного и вытяжного воздуха значения этого показателя выше 0,85 неприемлемы с экономической точки зрения. В табл. 1 представлены типичные значения εs для каждого типа теплообменников. Для конкретного воздухо-воздушного теплообменника значение εs определяется в независимой испытательной лаборатории.

Падение давления на воздуховоздушном теплообменнике не обязательно должно быть одинаковым для потоков приточного и вытяжного воздуха. Этот показатель для обоих потоков должен задаваться для всех значений скорости в сечении и температуры на входе. Типичные значения падения давления для каждого типа теплообменников представлены в табл. 1. Эти значения должны определяться в независимой лаборатории.

2.3 Расчет системы отопления кабины трактора

Установившийся температурный режим в салоне в стационарном состоянии определяется балансом между количеством теплоты, поступающим извне (солнечное излучение Q$) и изнутри (двигатель, отопление, тепловыделение от сидящих в кабине людей QtI) и теплообменом через поверхность кузова QK И за счет уноса теплоты вентиляционным воздухом QAL- Тепловой баланс может быть выражен следующим уравнением

Qh+QS'QK + QAL

Работа системы вентиляции и охлаждения особенно затруднена летом в условиях прямого действия солнечных лучей. Плотность поступающего теплового потока составляет в этих условиях примерно
1151,37 Вт/м и зависит от качества теплоизоляции кузова. При площади облучаемой поверхности кабине трактора среднего размера 2,5 м тепловой поток составляет приблизительно 2676,9 Вт, большая часть которого проникает через окна. Путем применения эффективной термоизоляции (прежде всего крыши), окраски кузова и салона в светлые (отражающие) цвета, а также использования тонированных стекол можно уменьшить этот тепловой поток. Цвет обусловливает изменение температуры в кабине (если сравнивать кабину белого и черного цвета) по сравнению с температурой внешней среды в зависимости от размеров трактора на 8-15%. Обычные (нетонированные), стекла пропускают световое и тепловое излучение почти беспрепятственно, поэтому общепринятые в настоящее время большие окна в этом отношении не являются удачным решением. При движении трактора воздух, обтекающий кузов, оказывает некоторое охлаждающее действие, но если не применяются дополнительные охлаждающие устройства, температура в салоне постоянно выше температуры внешней среды на 3°- 4°С в основном по следующим причинам.

Тепловой баланс при отоплении и вентиляции (по данным Франка)

В результате выделения теплоты двигателем, трансмиссией и системой выпуска отработавших газов, несмотря на хорошую изоляцию, происходит подогрев воздуха кабины. К этому можно добавить теплоту, выделяемую людьми, находящимися в кабине, которая в состоянии покоя составляет примерно 116,3 Вт. Летом выделение указанной теплоты (Qh) должно компенсировать проветриванием таким образом, чтобы в кабине поддерживалась температура, приемлемая для людей. Столь желанная летом отдача теплоты поверхностью кабины QK вследствие слишком малого перепада температур в кабины (t/) и снаружи (tij очень невелика. Поэтому, если невозможно получить приемлемую температуру в кабине посредством естественной вентиляции, то необходимо предусмотреть дополнительное охлаждение воздуха, поступающего в кабину с помощью охлаждающей системы. С помощью такой системы можно регулировать не только температурный режим в кабине, но и влажность воздуха.

Ниже приведены некоторые общие данные из области теплотехники. Дополнительное охлаждение воздуха кабины необходимо при температуре внешней среды выше 35°С и интенсивном солнечном излучении. В этом случае, температура воздуха в кабине, во избежание опасности переохлаждения, не должна быть ниже температуры внешней среды более чем на 10°, причем температура холодного воздуха, поступающего из теплообменника, не должна быть ниже 5°С. Целесообразно охлаждать только часть свежего воздуха (примерно 30%), остальное количество поступающего воздуха следует использовать для освежения воздуха в кабине, тогда возрастает эффективность использования воздуха и уменьшаются конструктивные затраты на кондиционер. Конечно, окна трактора (с тонированными стеклами) должны оставаться закрытыми. Тем не менее, для охлаждения воздуха потребляется большая мощность, поскольку нужно не только охладить воздух, но и компенсировать нагрев его от солнечного излучения и внутренний «подогрев» кабины. По данным Фиала для среднего трактора этот нагрев составляет примерно 5233,5 Вт. Большое преимущество дополнительного охлаждения заключается в том, что с ним уменьшается относительная влажность воздуха в кабине. Она уменьшается примерно на 35% вследствие охлаждения конденсационной влаги в теплообменнике, что при высокой температуре внешней среды и высокой влажности воспринимается особенно приятно.

По-другому выглядят требования, предъявляемые к системе отопления и вентиляции, когда необходимо повысить температуру воздуха в кабине в условиях зимней эксплуатации. При проектировании системы отопления следует учитывать, что во время проветривания, т. е. выброса нагретого воздуха через предусмотренные для этого отверстия и имеющиеся в уплотнениях щели, происходит потеря теплоты QAL - это существенно уменьшает КПД системы отопления. КПД зависит от многих параметров, часть из которых определена ниже.

QH= aGiXtj - t*) - количество теплоты (Вт), отдаваемой системой отопления;

QAL" aGiXU, - te) - потери теплоты (Вт), при проветривании; Qfbw> " Qn - QAL - a Gl (to — toj) - эффективная производительность (Вт) системы отопления,

где ta - температура воздуха, выходящего из отопителя; taj - температура воздуха, выбрасываемого из автомобиля; tc - температура внешней среды; а - коэффициент теплоотдачи, а = 0,24—0,29 Вт/м2-К; Gl - количество воздуха, циркулирующего при закрытых окнах (в зимних условиях), м3/ч;

р - плотность воздуха 1,2 кг/м (принимать в зависимости от температуры и давления рассчитываемого процесса теплообмена).

Для трактора средних размеров при скорости 40 км/ч и работающем вентиляторе отопителя GL = 210 м3/ч; ta = 64°С; tc = -20°С; Ср = 0,27; 1^=21°С.

При этом QH = 6646,545 Br, QAL = 3243,607 Вт; СЬФФ = 3402,938 Вт.

Тогда КПД системы отопления составляет примерно 52%.

Здесь не учтена потеря теплоты Qk (излучение, конвекция, теплопередача), а также нагрев воздуха в салоне от двигателя, системы выпуска отработавших газов и находящихся в салоне людей. Потеря теплоты зависит от разности температур воздуха в кабине и снаружи трактора, которая в свою очередь зависит от количества воздуха, поступающего в салон, следовательно, от скорости движения, а также от качества термоизоляции салона (крыша, двери, боковины). Поэтому обобщенные формулы привести невозможно. В приведенном выше расчете потеря теплоты составила примерно 2093,4 Вт, что можно использовать в качестве ориентировочных данных. При расчете системы отопления следует учитывать только 60% максимального притока воздуха в условиях летней эксплуатации (все отверстия для поступления воздуха открыты), поэтому взято 3,5 м3/ч вместо 6,0 м3/ч (три полностью открытых отверстиях для поступления воздуха). В качестве примера на рис. 2 приведена кривая зависимости производительности теплообменника с рабочей поверхностью 0,035 м и глубиной элемента 0,04 м от количества поступающего воздуха. Более точные данные о требуемом количестве теплоты могут быть получены только с помощью измерений (при испытании автомобиля). В качестве ориентировочного значения производительности системы отопления автомобиля среднего размера Барт предложил принимать 3954,2 - 5349,8 Вт.

Зависимость мощности отопителя от расхода воздуха для трактора (площадь отопителя равна 0,035м2, толщина 0,04 м, tc = 255 К, ta = 335 К)

Эффективность системы отопления можно резко увеличить путём повышения температуры воздуха, поступающего из отопителя, кроме того, посредством предусматривания нелинейной регулировки количества поступающего воздуха, позволяющей компенсировать увеличение скоростного напора воздуха. Изменение температуры в салоне в зависимости от количества воздуха, поступающего из обычного отопителя.

Зависимость средней температуры в салоне tj от расхода воздуха Gl при температуре окружающей среды, равной - 20°

Скорость прогрева воздуха в салоне зависит от того, как быстро прогревается контур системы отопления до рабочей температуры (80-85°С), а это в свою очередь зависит от мощности двигателя. Путем регулировки дополнительного подогрева в системе отопления с помощью отработавших газов период прогрева может существенно уменьшиться.

Кабина обычно прогревается за 12-15 мин при включенной третьей или четвертой передаче представлены кривые изменения температуры воздуха на выходе из отопителя и температуры воздуха в салоне автомобиля при постоянной температуре окружающей среды (-20°С).

Значительно уменьшить время прогрева салона можно с помощью дополнительного бензинового подогревателя, включаемого вручную или автоматически с помощью реле времени. Такой подогреватель можно использовать только для подогрева воздуха в салоне автомобиля. Если подогреватель включить в контур системы охлаждения двигателя, то его можно применять и для предпусковою прогрева.

3. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Для осуществления технико-экономической оценки необходимо определить затраты на изготовление системы.

Затраты на изготовление определили по формуле:

Смод.=Сизг.д.+Спок.д.+Ссб.р.+Со.п.,                (5.1)

где Сизг.д - стоимость изготовления деталей, рублей;

Спок.д - стоимость покупных деталей и запасных частей, рублей;

Ссб.р. - полная заработная плата производственных рабочих, занятых на сборочных операциях, рублей;

Со.п. - общепроизводственные и накладные расходы на изготовление, рублей.

Затраты на изготовление деталей определяют по формуле:

Сизг.д=Спрн.+См,                                (5.2)

где Спрн.- заработная плата рабочих, рублей;

См- стоимость материалов заготовок, рублей.

Заработная плата рабочих определяется по формуле:

Спрн=Спр.+Сдоп.+Ссоц.,                        (5.3)

где Спр.- основная заработная плата производственного рабочего, рублей;

Сдоп.- дополнительная заработная плата производственного рабочего, рублей;

Ссоц- социальный налог, рублей.

Основная заработная плата производственного рабочего определяется по формуле:

Спр.=tср.·Сч·Кg,                                (5.4)

где tср- средняя трудоемкость изготовления деталей, чел.-ч.,

tср=4,6 чел.-ч;

Сч - часовая тарифная ставка, Сч=165 рублей /ч;

Кg - коэффициент, Кg=1,025;

Спр.=4,6·330·1,025=760 р

Дополнительная заработная плата определяется по формуле:

Сдоп.=25·Спр/100,                                (5.5)

Сдоп.=25·1556/100=194 рублей

Социальный налог определяется по формуле:

Ссоц.=26·(Спр.+Сдоп.)/100,                (5.6)

Ссоц.=26·(1556+389)/100=260 рублей

Спрн.=1556+389+505,7=1250,7 рублей

Стоимость заготовок на изготовление деталей определяется по формуле:

     См.=Сз.·Qз,                                        (5.7)

где Сз. - стоимость 1 кг материала заготовки, руб., Сз=270 рублей.

Qз - масса заготовки, кг, ∑Qз=1,3 кг.

См=1,3·270=351 руб

Сизг.д.=2450,7+351=2801,7 рублей.

Полная заработная плата производственных рабочих, занятых на сборке конструкции:

     Ссбн.=Ссб.+Сдоп.сб.+Ссоц.н.сб.,                (5.8)

Основная заработная плата определяется по формуле:

           Ссб.=Тсб.·Сч.·Кg,                                   (5.9)

где Тсб. - нормативная трудоемкость сборки, чел.-ч.

Нормативная трудоемкость сборки определяется по формуле:

             Тсб.=Кс. ∑tсб.,                                  (5.10)

где Кс.- коэффициент, учитывающий соотношение между полным оперативным временем сборки, Кс.=1,08;

∑tсб.- суммарная трудоемкость сборки конструкции, чел.-ч.,

∑tсб.=10,38 чел.-ч.

Ссб.=1,08·10,38·270·1,025=3102 рублей

Дополнительная заработная плата на сборку равна:

Сдоп.сб.=25·3102/100=775 рублей

Социальный налог равен:

     Ссоц.н.сб.=26·(3102+775)/100=1008 рублей

     Ссбн.=3102+775+1008=4885 рублей

Общие производственные расходы определяют по формуле:

                                  Соп=С'пр·Rоп/100,                                (5.11)

где Спр=Спрн.+Спрн.сб.- основная заработная плата рабочих, рублей;

Rоп - процент общепроизводственных расходов.

Соп=7686,7·40/100=3074,7 рублей

Таким образом, можно вычислить затраты на модернизацию системы:

Смод.=2000+3074,7=5074,7 рублей

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 1. Основной причиной снижения работоспособности водителя и снижение производительности трактора в процессе эксплуатации при низких температурах окружающего воздуха является ухудшение температурного режима в кабине трактора.

2. Для ускоренного достижения теплового режима предложена конструкция теплообменника, в 2,5 раза ускоряющего прогрев кабины трактора за счѐт утилизации тепла отработанных газов.

3. Применение теплообменника позволяет обеспечить увеличение рабочего вре- мени смены, снижение расхода ГСМ и уменьшение износов двигателя.

4. Целесообразность внедрения предлагаемой системы обогрева блока трактора в зимнее время.

5. Подогрев применяется как на ходу, так и при остановке трактора.

6. Данное оборудование несложное в изготовлении для мастерских с/х предприятий.

7. Стоимость оборудования составляет 5074,7 руб.

8. Будет продолжена дальнейшая работа по использованию выхлопных газов, в плане создания теплообменников для системы охлаждения

Список использованных источников

1. Болштянский А. П. и др. Основы конструкции автомобилей. М. 2010 -312 с

2. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. - М.:2011

3. Куликов М.В. Прогрев рабочих жидкостей систем и агрегатов трактора выхлопными газами при низких отрицательных температурах. М.В. Куликов // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. – 2012. №8(94). – С.116-122. Наука, 2012.-472 с.

4. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т.1/ Пер. с англ.., под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова.: М.: Энергоатомиздат, 2011-560с.

5. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т.2 / Пер. с англ., под ред. Мартыненко и др.: М.: Энергоатомиздат, 2013. - 352 с.

6. Хаузен Х Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе: Пер. с немецк М.: Энергоиздат, 2012. - 384 с.