Улучшение показателей эффективности блочных систем охлаждения при эксплуатации тракторов и автомобилей путем разработки метода и средств дифференциальной оценки теплообменников тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.03, кандидат технических наук Фомченко, Александр Николаевич

• Фомченко, Александр Николаевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Фомченко, Александр Николаевич

Основные условные обозначения.

Введение.

1. Обзорная часть.

1.1. Температурно-динамические качества как эксплуатационное свойство трактора и автомобиля.

1.2. Критерии и измерители температурно-динамических качеств.

1.3. Оценка снижения эффективности работы теплообменников, функционирующих в составе блочных систем охлаждения.

Выводы по главе 1.

Постановка задачи исследования.

2. Теоретические предпосылки.

2.1. Разработка универсальной математической модели автотракторного теплообменника.

2.2. Построение математической модели тепловых процессов в теплообменнике блочной системы охлаждения.

2.3. Теоретическое обоснование критериев дифференциальной оценки теплообменников блочной системы охлаждения.

2.4. Модель влияния неравномерности воздушного потока на показатели эффективности работы теплообменника.

Выводы по главе 2.

3. Методика исследований и экспериментальные установки.

3.1. Экспериментальная установка ОНИЛАР.

3.2. Методика проведение лабораторных исследований радиаторов.

3.3. Экспериментальная установка ЛКИТА.

3.4. Методика экспериментальных исследований в лаборатории

ЖИТА.

3.5. Измерительные приборы.

3.6. Оценка адекватности математических моделей, определение ошибок измерений.

3.7. Выводы по главе 3.

4. Результаты экспериментальных исследований.

4.1. Результаты лабораторных испытаний радиаторов.

4.2. Результаты стендовых испытаний в ЛКИТА.

4.2.1. Результаты испытания автомобиля УАЗ-452Д.

4.2.2. Результаты испытания трактора МТЗ-80.

Выводы по главе 4.

5. Экономическая эффективность применения рекомендаций по улучшению показателей эффективности блочных систем охлаждения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение показателей эффективности блочных систем охлаждения при эксплуатации тракторов и автомобилей путем разработки метода и средств дифференциальной оценки теплообменников»

Дальнейшее развитие и повышение эффективности сельского хозяйства, перевод его на промышленную основу, одобренные Государственной Думой, Правительством и Президентом России, предполагают техническое переоснащение сельскохозяйственного производства. В решении этой задачи важное место отводится развитию тракторного и автомобильного парка, основным направлением которого является повышение эксплуатационных и экономических показателей, увеличение надежности, снижение металлоемкости и себестоимости выпускаемой техники. В этой связи большое значение имеет дальнейшее повышение энергонасыщенности и экономичности выпускаемых тракторов и автомобилей, что позволяет увеличить производительность машинотракторных агрегатов и объем выполняемых ими работ.

При создании сельскохозяйственных тракторов и автомобилей повышенной мощности, решающих задачу интенсификации сельскохозяйственного производства, увеличивается тепловая напряженность различных функциональных систем. Возникает необходимость обеспечивать отвод в окружающую среду значительного количества теплоты не только от двигателя, но и от трансмиссии и гидравлической системы. В этих условиях большое значение приобретает проблема поддержания требуемого температурного режима различных функциональных систем при изменении степени загрузки и технического состояния узлов и агрегатов с учетом специфических природно-климатических условий эксплуатации, решение которой заключается в применении систем охлаждения различной конструкции.

Современные мобильные энергетические системы имеют до пяти и более независимых контуров охлаждения, которые объединены в единую многокомпонентную систему теплообменников, компактно установленных в моторном отсеке и образующих, так называемую, блочную систему охлаждения. Такие блочные системы охлаждения обеспечивают большую плотность размещения теплорассеивающих элементов, что уменьшает габариты всего энергетического узла. Однако, в этих системах наблюдается ухудшение потенциальных свойств теплообменников вследствие негативного взаимного влияния различных элементов.

При расположении теплообменников последовательно, по ходу движения воздушного потока, который используется в качестве общего теплоносителя, возникает сложная задача оценки снижения потенциальных свойств теплообменников и эффективности работы элементов блочной системы охлаждения. Решение такой задачи предполагает создание методов и средств оценки, позволяющих прогнозировать и оценивать эффективность работы блочной системы охлаждения в различных условиях эксплуатации, определять пути улучшения показателей эффективности блочных систем охлаждения.

Блочная система охлаждения, состоящая из значительного количества элементов, требует системного подхода к оценке своей функциональной пригодности. Изучение только самих составляющих системы, без учета их взаимодействия, приводит к искажению получаемых результатов. Существующие методы и средства оценки систем охлаждения, основанные на обобщенных критериях, не позволяют достаточно полно выявить взаимное влияние элементов блочных систем охлаждения. Поэтому их применение, затрудняющее поиск способов повышения эффективности блочных систем охлаждения, ограничено. Таким образом, требуется новый метод, позволяющий оценивать составляющие системы охлаждения с учетом влияния на них других элементов системы охлаждения.

Предъявленным требованиям удовлетворяет метод дифференциальной оценки теплообменников блочной системы охлаждения, который, основываясь на научно обоснованных критериях оценки, позволяет определить пути улучшения показателей эффективности блочных систем охлаждения при эксплуатации тракторов и автомобилей.

Целью диссертационной работы является улучшение показателей эффективности блочных систем охлаждения при эксплуатации тракторов и автомобилей путем разработки метода и средств дифференциальной оценки теплообменников.

Объектом исследований являлись системы охлаждения тракторов и автомобилей, а также составляющие их теплообменники (радиаторы).

Практическую значимость работы представляют:

- метод дифференциальной оценки теплообменников, позволяющий получить количественную оценку эффективности работы блочной системы охлаждения;

- алгоритмы и пакеты прикладных программ, позволяющие определить температурные и энергетические показатели работы теплообменников, входящих в состав блочных систем охлаждения тракторов и автомобилей;

- рекомендации по улучшению показателей эффективности блочных систем охлаждения при эксплуатации тракторов и автомобилей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и одобрены на ежегодном научно-техническом семинаре стран СНГ «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» (г. Санкт-Петербург, СПбГАУ, 1998 год); 21-ой научно-практической конференции «Актуальные проблемы аграрной науки в современных условиях» (г. Тверь, ТГСХА, 1998 год); 7-ой международной научно-методической конференции «Высокие интеллектуальные технологии образования и науки» (г. Санкт-Петербург, СПбТУ, 2000 год).

Научная новизна работы заключается в следующих положениях, которые выносятся на защиту:

- математические модели тепловых процессов в теплообменнике, реализующие системный подход при анализе работы блочной системы охлаждения в процессе эксплуатации тракторов и автомобилей;

- уточненные критерии оценки эффективности работы теплообмен-ных систем и теплообменников, функционирующих в составе блочных систем охлаждения тракторов и автомобилей;

- модель влияния неравномерности воздушного потока на показатели работы теплообменников при эксплуатации тракторов и автомобилей.

Публикации. По теме исследования опубликовано четыре печатные работы.

Работа выполнена в соответствии с целевой комплексной научно-технической программой "Научное обеспечение эффективности эксплуатации техники аграрных товарных производителей Российской Федерации" по плану НИОКР Санкт-Петербургского государственного аграрного университета тема № 8.3: "Научное обоснование и разработка новых технических и технологических решений по совершенствованию конструкций и улучшению эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей", раздел № 8.3.6: "Разработка методов и средств повышения эксплуатационных показателей тракторов и автомобилей путем совершенствования их узлов и агрегатов на базе энергосберегающих технологий и конструкций".

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов с выводами, заключения, списка литературы из 105 наименований и приложения. Работа содержит 152 страницы основного текста, 37 иллюстраций и 15 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве», Фомченко, Александр Николаевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований и на основании системного подхода разработаны критерии, методы и средства дифференциальной оценки теплообменников, позволяющие определить пути улучшения показателей эффективности блочных систем охлаждения при эксплуатации тракторов и автомобилей.

2. Анализ научных работ, выполненных по рассматриваемой проблеме, позволил установить, что метод оценки теплообменников, установленных в блочных системах охлаждения тракторов и автомобилей, должен основываться на системном подходе и заключаться в дифференциальной оценке рабочего процесса теплообменника с учетом влияния на него других элементов системы охлаждения.

3. Разработанная универсальная математическая модель рабочего процесса компактного теплообменника позволила проводить расчет теплотехнических характеристик по единым уравнениям, независимо от схемы движения теплоносителей (прямоточночная, противоточная и пе-рекрестноточная).

4. Научно-обоснованные параметры: начальный температурный напор (А1нач), характеризующий температурно-динамические показатели системы охлаждения; коэффициент энергетической эффективности (ъ), показывающий совершенство системы со стороны энергетических затрат, рекомендуются в качестве критериев дифференциальной оценки теплообменников.

5. Созданная математическая модель тепловых процессов автотракторного теплообменника, учитывающая неравномерность воздушного потока по скорости и температуре, позволяет повысить на 8. 12% по сравнению с типовыми методами точность оценок температурно-динамических показателей эффективности блочной системы охлаждения.

Это выявляет пути повышения эксплуатационных качеств тракторов, автомобилей и снижает затраты на их эксплуатацию.

6. Предложенная модель влияния неравномерности воздушного потока на показатели работы теплообменника позволяет, ориентируясь на критерии (Мнач) и (тО, определить наиболее выгодные эксплуатационные режимы работы теплообменников путем ограничения максимально допустимой степени неравномерности воздушного потока, которая для тракторов и автомобилей составляет (иу=0,50).

7. Результаты проведенных в аэродинамической трубе испытаний радиаторов с искусственным созданием неравномерности воздушного потока подтвердили адекватность разработанных математических моделей рабочего процесса автотракторного теплообменника при уровне значимости критерия Фишера 5%.

8. Проведенные исследования показали, что при одинаковых количественных показателях, характеризующих неравномерность (иу<0,45), степень ее влияния на эффективность работы теплообменника практически не зависит от характера распределения локальных скоростей воздуха. При максимальной степени неравномерности (иу=0,7) на режимах эксплуатации тракторов и автомобилей наибольшее различие по начальному температурному напору (Л^ач) составляет 6,5%, по критерию энергетической эффективности (и) - 3,6%.

9. Выполненная оценка целесообразности уменьшения неравномерности воздушного потока в системе охлаждения трактора МТЗ-80 показала, что при снижении степени неравномерности с иу=0,62 до иу=0,41, мощность, затрачиваемая на привод вентилятора, при оставшихся на прежнем уровне температурно-динамических показателях, уменьшается на 36%.

10. Исследование эффективности работы блочной системы охлаждения в процессе эксплуатации трактора МТЗ-80 выявило способы со

143 вершенствования системы, которые заключаются в поиске компромисса между улучшением температурно-динамических показателей и снижением эксплуатационных затрат. Выявлено, что снижение начального температурного напора (Д1;нач) на 1К, означающее расширение диапазона эксплуатации в жарком климате, приводит к увеличению на 8,4% мощности, затрачиваемой на перемещения воздушного потока.

11. Разработанные алгоритмы и пакет прикладных программ для ЭВМ обеспечивают возможность дифференциальной оценки теплообменников, работающих в составе блочных систем охлаждения, с целью определения оптимальных режимов их работы.

12. На основании теоретических, экспериментальных исследований и результатов оценки эффективности работы существующих автотракторных систем охлаждения предложены практические рекомендации по улучшению показателей эффективности блочных систем охлаждения при эксплуатации тракторов и автомобилей. Экономическая целесообразность предлагаемых рекомендаций определена путем оценки снижения затрат на эксплуатацию системы охлаждения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Фомченко, Александр Николаевич, 1999 год

1. Аверкиев Л.А., Курмашев Г.А., Хайдаров Х.Х. Разработка конструкции и комплексные исследования алюминиевых сборных радиаторов. // Сб. научных трудов ЛСХИ, 1983, с 39-45.

2. Адлер Ю.П. и др. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: "Наука", 1976, 280 с.

3. Анилович В.Я. Математическая модель надежности и задачи служб надежности в отрасли на этапе проектирования и доводки машин. // "Тракторы и сельхозмашины", 1976, №11, с 3-6.

4. Белов П.М., Бурячко В.Р., Акатов Е.И. Двигатели армейских машин. Часть I. М. : Воениздат, 1971, 512 с.

5. Болтинский В.Н. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей. М. : Издат-во с-х литературы, 1962, 392 с.

6. Болыпев Л.Н., Смирнов М.В. Таблицы математической статистики. М. : Наука, 1983,358с.

7. Будим В.А., Филлимонов В.В. Влияние неравномерности распределения воздуха по фронту на теплоотдачу автотракторного радиатора. // "Тракторы и сельхозяйственные машины", 1976, №5, с 22-24.

8. Бурдун Т.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии. М. : "Наука", 1972, 143 с.

9. Бурков В.В. Алюминиевые теплообменники сельскохозяйственных и транспортных машин. Л.: Машиностроение, 1985, 239 с.

10. Бурков В.В. Температурно-динамические качества тракторов и автомобилей. Л.: ЛСХИ, 1975, 68 с.

11. Бурков В.В. Теоретическое и экспериментальное обоснование путей повышения эффективности и экономичности водяных радиаторов тракторов, автомобилей и комбайнов. Автореф. Докт. дис. -ЛСХИ, 1968, 52 с.

12. Бурков В.В., Булгаков Д.А. Курмашев Г.А. Новое в лабораторных испытаниях функциональных систем автомобиля. // Сб. научных трудов ЛСХИ, 1977, том 332, с 3-8.

13. Бурков В.В., Зуев В.П., Пинес Л.Н. Исследование новых путей повышения эффективности автотракторных радиаторов. // Сб. научных трудов ЛСХИ, 1974, с 58-63.

14. Бурков В.В., Индейкин А.И. Автотракторные радиаторы. Л. : "Машиностроение", 1978, 216 с.

15. Бурков В.В., Индейкин А.И., Евдокименко А.Л. Теплообмен и сопротивление оребренных элементов в алюминиевом водомасляном теплообменнике автотракторного типа. // Сб. Научных трудов ЛСХИ, 1976, т. 308, с 49-57.

16. Бурков В.В., Курмашев Г.А. Температурно-динамическая характеристика системы охлаждения двигателя автомобиля ЗИЛ-130. // Сб. научных трудов ЛСХИ, 1976, том 308, с 29-35.

17. Бурков В.В., Курмашев Г.А., Лопатухин Д.Р. Оценка влияния неравномерности скорости воздушного потока перед фронтом радиатора на его эффективность. // Сб. научных трудов ЛСХИ, 1981, том 420, с 31-33.

18. Бурков В.В., Михайлов В.А. Опытный водомасляный теплообменник для тракторов МТЗ. // Сб. научных трудов ЛСХИ, 1977, том 332, с 69-74.

19. Бурков В.В., Михайлов М.А., Якубович А.И., и др. Опытный водомасляный теплообменник из алюминия для трактора МТЗ-50. // Сб. научных трудов ЛСХИ, 1977, т. 332, с 59-64.

20. Васильев М.А. Улучшение температурно-динамических показателей систем охлаждения тракторов и автомобилей путем совершенствования теплорассеивающих поверхностей. СПб.:"Индикатор", 1998,16 с.

21. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. М.: "Колос", 1973,199 с.22