Изчисляване на необходимото количество топлина за подготовка на двигателя за стартиране през зимата
Процесът на пренос на топлина по време на загряване на двигателя е сложен. Явлението топлинно излъчване, топлопроводимост и конвекция възникват едновременно и си влияят взаимно. Този процес е показан схематично на фиг. 21. Топлинната енергия може да се подава към външните повърхности (фиг. 21, а) на двигателя или към вътрешния му обем (фиг. 21.6).
В първия случай топлината, дължаща се на топлопроводимостта на охлаждащата течност, маслото и частите на двигателя, се разпространява от външната му повърхност към вътрешните части. Ако се подава топлинна енергия към вътрешния обем на двигателя, посоката на температурния градиент се обръща.
Възможен е смесен метод на топлоснабдяване (виж фиг. 21, c).
Интензивността на топлообмена и съотношението на въглеродните потоци, свързани с топлопроводимостта, конвекцията и топлинното излъчване, са от голямо значение, тъй като те определят не само консумацията на енергия, но и степента на нагряване на най-критичните компоненти на двигателя (например лагери на коляновия вал).
Благодарение на топлинното излъчване топлината се пренася към капака и частите на оградата, а от тях, поради топлопроводимостта, топлинното излъчване и конвекцията, към околната среда. Топлината от двигателното отделение също се губи поради многократния свободен обмен на въздух, което причинява конвекция. По този начин физическата страна на разглеждания сложен процес се определя изцяло от комбинацията от всички негови компоненти. С оглед на значителните сили на тези компоненти, нито един от тях не може да бъде пренебрегнат. С достатъчна точност за практически цели може да се изключи само преносът на топлина поради радиация, тъй като в разглеждания проблем неговата роля е малка и опитите да се вземе предвид влиянието му направиха проблема практически неразрешим. По-нататъкПреносът на топлина поради радиация не се разглежда в презентацията. Този подход дава възможност да се опишат реални физически явления и да се получат резултати с достатъчна за практиката точност.
Ориз. 21. Схема на топлообмен при нагряване: а - подаване на топлина към външната повърхност на двигателя; b - подаване на топлина към вътрешния обем на двигателя; c - смесено топлоснабдяване
Така необходимата топлинна мощност на инсталацията се подчинява на експоненциален закон. Стойността на топлопреминаване K W / (m - ° C), включена в този израз, характеризира интензитета на топлопреминаване, причинено от топлинно излъчване, топлопроводимост и пренос на топлина.
Следователно този коефициент е различен не само за различните методи за извънгаражно съхранение, но също така зависи от температурата на двигателя, условията на околната среда, параметрите на охлаждащата течност и т.н. Следователно определянето на стойността на K, поради сложността на процеса на топлообмен при нагряване на агрегат като двигател, е задача, която няма точно решение. Достатъчна за практически изчисления, точността на определяне на стойността на K може да се получи чрез някои допускания, а именно: K = const; ev = const. c0 = const. Има причини за това. Така например топлинният капацитет на чугуна, чиято маса преобладава в двигателя ZIL-130, остава постоянен в температурния диапазон от 0 до 100 ° C. Обемният топлинен капацитет на въздуха при нормално атмосферно налягане се увеличава само с 10% с повишаване на температурата от -20 до +20 °C. Коефициентът на топлопроводимост на стоманата (материалът на капака и оградите) също се увеличава с 10% при промяна на температурата от 0 до 100 °C. Тези данни предполагат, че в широк диапазон от промени в условията на процеса на топлообмен, стойностите на K, sv и sd се променят много слабо.Валидността на такова предположение беше доказана от M. N. Velichansky чрез конструиране на линейни и нелинейни модели на процеса на пренос на топлина и проверката им за адекватност.
В случаите на топлоснабдяване, когато времето на топлинна експозиция е кратко (режим на отопление), протича нестационарен процес.
Коефициент a (W/°C) характеризира мощността на топлинния източник, изразходвана за поддържане на температурата на двигателя при 1°C; b (h-1) е характеристика на скоростта на нагряване на двигателя.
По този начин задачата за определяне на необходимата мощност на отоплителната инсталация q се опростява и свежда до експериментално определяне на стойностите на коефициентите; за дадени режими на използване на топлина (отопление, загряване) и известни температури на околната среда, топлината се подава към двигателя и получените средни температури на двигателя се измерват. Подходящата математическа обработка дава възможност да се намери стойността a за стационарния процес (режим на отопление) и стойностите a и b за нестационарния процес (режим на отопление).
Тези изрази се намират за ZIL-130, при условие че средната температура на двигателя, до която е необходимо да се загрее, е 20 ° C.
Естествено, при изчисляване на необходимата топлинна мощност за автомобили от други марки или ако двигателят се загрее до по-висока или по-ниска температура t, числените коефициенти на уравнението ще се променят. Въпреки това, както е показано по-горе, техните специфични стойности могат да бъдат получени чрез сравнително прост експеримент.
На фиг. 22 показва (като пример) графична интерпретация на зависимостите на необходимата топлинна мощност на топлоизточника от времето на подаването му и температурата на околната среда за въздушната отоплителна инсталация. Както се вижда от графиките, това е възможноголямо разнообразие от комбинации от необходимата топлинна мощност q и времето за подготовка на топлина t при дадени стойности на температурата на околната среда, t0.
Естествено, на практика е невъзможно да се прилагат произволно тези комбинации, тъй като има ограничения, свързани с мощността на инсталацията, времето за загряване, организационни причини и т.н. Максималната мощност на инсталацията трябва да бъде избрана по такъв начин, че да гарантира, че средната температура на двигателя се достига при минималните температури на околната среда в региона.
На практика трябва да се разгледат два варианта за използване на отоплителни инсталации: - с ограничена (определена) стойност на топлинната мощност на инсталацията q, когато необходимата средна температура на двигателя се постига чрез промяна на времето на работа на инсталацията t (отопление); – с ограничено време за нагряване t, когато необходимата средна температура на двигателя се достига чрез промяна на топлинната мощност на отоплителната инсталация q (загряване).
Ориз. 22. Зависимост на необходимата топлинна мощност на въздухоотоплителния агрегат q от времето за термична подготовка t и температурата на околната среда ta
Ориз. 23. Разходи за енергия (топлина) за едно стартиране при отопление на двигатели в зависимост от температурата на околната среда: 1 - отопление на въздуха; 2 - въздушно отопление; 3 - отопление на водата; 4 - електрическо отопление; 5 - отопление със стационарна газова горелка; 6 - отопление чрез подаване на въздух към картера на двигателя; 7 - отопление със стационарна газова горелка; 8 - отопление с нагревател "Baby"; 9 - загряване с нагревател "Baby".
На фиг. 23 показва зависимостите на получените по този начин топлинни разходи, които са необходими за подготовка на двигателя за стартиране при различни методи и режими на извънгаражно съхранениеексплоатация на отоплителни инсталации. Фигурата показва, че разходите за топлина (енергия) във всеки случай (при използване на различни методи и средства за отопление) са различни. В същото време може да се отбележи, че целесъобразността на използването на едно или друго средство за отопление до голяма степен зависи от това какъв е диапазонът на температурата на околната среда.