ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА
системы зажигания, применения некачественного топлива. В этом случае на контроллер поступает сигнал о том, что топливная смесь бедная, и он увеличивает ее обогащение.
Помимо этого выводят из строя датчик кислорода этилированный бензин, масло и тосол попавшие в топливную смесь, пары герметиков, применяемых при ремонте двигателя,
многократные неудачные попытки запуска двигателя, в результате которых в выпускном трубопроводе скапливаются пары несгоревшего топлива, способного воспламениться с образованием ударной волны.
а |
б |
Рисунок 2 – Датчик концентрации кислорода: а – неисправный; б – исправный
Поломка датчика кислорода грозит владельцу автомобиля ухудшением динамических характеристик и повышению расхода топлива. Основной причиной этих последствий является то, что при неисправности показания датчика не будут совпадать с действительностью и топливно-воздушная смесь будет переобогащенной. По той же работа двигателя становится
нестабильной и возможен преждевременный выход из строя нейтрализатора. Машина все же 303 останется на ходу, даже если датчик кислорода будет неисправен. Но сложность ситуации будет зависеть и от устройства автомобиля.
Нейтрализатор. Влияние на работу двигателя
Каталитический нейтрализатор предназначен для снижения выброса вредных веществ в атмосферу с отработавшими газами [4].
Основными неисправностями нейтрализатора являются: засорение сот, разрушение и оплавление катализатора.
а |
б |
в |
Рисунок 3 – Нейтрализатор: а – забитый; б – разрушенный; в – оплавленный
Чаще всего нейтрализатор выходит из строя из-за плохого, некачественного топлива и из-за
сбоев в работе системы зажигания(когда выходит из строя либо катушка зажигания, либо свеча и идет неправильное смесеобразование и топливо полностью сгорает не в камере сгорания а в корпусе самого катализатора)Также он может забиться когда в него попадает масло из ДВС или
Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА
турбины. Бывает что он выходит из строя из-за механического повреждения и резких перепадов
температур(когда разогретый катализатор попадает в лужу или сугроб снега).
Влияние неисправностей на эксплуатацию автомобиля
Если нейтрализатор полностью забит, двигатель будет запускаться и сразу глохнуть либо вовсе не запустится, что свидетельствует о абсолютной неисправности катализатора. Также автомобиль заметно ухудшаются динамические характеристики автомобиля. Это объясняется тем, что пропускная способность нейтрализатора уменьшается и отработавшие газы неэффективно отводятся из камеры сгорания.
Также последствием выхода из строя нейтрализатора является внезапно и ничем не обосновано увеличившийся расход горючего (с учетом качественного топлива и исправного мотора). Все это объясняется довольно просто — неисправный каталитический нейтрализатор
не поддерживает нормальную температуру дожига уже отработанных газов (оптимальная температура нейтрализатора нормы ЕВРО-4 составляет 350-750 градусов Цельсия) и система
впрыска при помощи датчика концентрации кислорода автоматическим образом увеличивает подачу горючего для повышения температуры, однако бензин поступает в трубу, а температура не повышается.
Глушитель. Влияние на эксплуатацию автомобиля
Глушитель является важным конструктивным элементом выпускной системы, без которого эксплуатация современного автомобиля просто невозможна. Автомобильный глушитель выполняет следующие основные функции [5]:
–снижение уровня шума отработавших газов;
–преобразование энергии отработавших газов, снижение их скорости, температуры, пульсации.
Неисправности глушителя
Различают следующие неисправности глушителя:
• повреждение, коррозия или прогорание элементов глушителя; |
|
|
• |
повреждение подвески глушителя; |
304 |
• |
слабое соединение элементов системы. |
|
Основными причинами неисправностей глушителя являются:
•механические воздействия (наезд на препятствие);
•воздействия внешней среды (влага, соль, конденсат);
•предельный срок службы;
•использование некачественных компонентов. Влияние неисправностей на эксплуатацию автомобиля:
Самым главным последствием неисправности глушителя является повышенный уровень
шума. Шум является одним из факторов экологической безопасности и его превышение может негативно сказаться на здоровье человека. Предельно-допустимый шумового загрязнения регулируется ГОСТ Р 52231-2004 [6].
Не менее важным последствием повреждения глушителя может быть попадание выхлопных газов в салон автомобиля, что так же может негативно сказаться на здоровье человека.
Также поврежденный глушитель может сказаться на динамических характеристиках автомобиля (потеря мощности), но они не значительные (примерно 3-5%) и практически
незаметные.
Вывод
Выхлопная система автомобиля, как и другие механизмы, требует к себе внимания и регулярного контроля. Поскольку если отработанные вещества в полной мере не будут выведены, забитые трубы и каналы системы потеряют способность самоочистки и могут спровоцировать вывод из строя элементов системы, что повлечет за собой снижение мощности двигателя, ухудшение экологических и экономических показателей.
Научный руководитель – канд. техн. наук, доц. Лисин В. А.
Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА
использует математическую модель и разработанную прикладную компьютерную программу.
Ключевые слова: трехкомпонентный нейтрализатор, эффективность нейтрализации, нестационарный процесс теплопередачи, время прогрева катализатора.
|
Введение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Экологическая безопасность автомобильного транспорта, в соответствии с Правилами ЕЭК |
|
|||||||||||||||||
ООН для удовлетворения требований Евро-3, …, Евро-6, сегодня в значительной степени |
|
||||||||||||||||||
определяется свойствами систем питания и нейтрализации вредных выбросов в отработавших |
|
||||||||||||||||||
газах (ОГ) ДВС, которыми оснащаются современные транспортные средства. |
|
|
|||||||||||||||||
|
В частности, к устройствам, входящим в систему обезвреживания ОГ, относятся |
|
|||||||||||||||||
трёхкомпонентные каталитические окислительно-восстановительные нейтрализаторы с λ- |
|
||||||||||||||||||
зондом, которые на сегодняшний день являются наиболее распространённой и эффективной |
|
||||||||||||||||||
системой очистки ОГ. Скорость и эффективность процессов нейтрализации ОГ зависит от |
|
||||||||||||||||||
температуры катализатора. Чем выше температура катализатора, тем выше скорость |
|
||||||||||||||||||
химических реакций, сопровождающих процесс катализа, и качественнее нейтрализация |
|
||||||||||||||||||
вредных веществ. Эта температура определяет эффективность его работы в процессе всего |
|
||||||||||||||||||
ездового цикла испытаний (Правила 83 ЕЭК ООН). Современный каталитический |
|
||||||||||||||||||
нейтрализатор (КН) позволяет уловить более 90 % токсичных соединений, содержащихся в ОГ |
|
||||||||||||||||||
бензинового двигателя. Но несмотря на очевидный эффект от использования таких |
|
||||||||||||||||||
нейтрализаторов они обладают малой эффективностью при пуске и прогреве. Не успевший |
|
||||||||||||||||||
прогреться до рабочей температуры КН практически бейздействует. Следует учитывать, что |
|
||||||||||||||||||
нейтрализатор начинает обезвреживать не менее 50% вредных выбросов, снижая |
|
||||||||||||||||||
концентрации CO и CH в ОГ, при его прогреве как минимум до 220−250 °С. [1] |
|
|
|||||||||||||||||
|
Поскольку КН начинает эффективно работать только при достаточно высоких температурах, |
|
|||||||||||||||||
то в целях улучшения его рабочих характеристик необходимо проведение углубленного |
306 |
||||||||||||||||||
исследования, |
|
что позволит разработать мероприятия сокращающие время |
прогрева |
||||||||||||||||
нейтрализатора и, следовательно, увеличить его эффективность. Теоретическая база для |
|
||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||
исследования требует создания математической модели процессов теплообмена и физико- |
|
||||||||||||||||||
химических процессов гетерогенного катализа. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Различают три вида передачи теплоты: теплопроводностью; конвективным теплообменом; |
|
|||||||||||||||||
излучением. В большинстве случаев в различных тепловых процессах имеют место |
|
||||||||||||||||||
одновременно все три вида теплопередачи с преобладанием какого-либо из них. |
|
|
|||||||||||||||||
|
Бортовой КН можно рассматривать как гомогенную проточную термодинамическую систему, |
|
|||||||||||||||||
рабочим телом которой являются отработавшие газы двигателя, протекающие по каналам |
|
||||||||||||||||||
каталитических блоков. Исследуемый процесс прогрева КН является неустановившимся, |
|
||||||||||||||||||
температурное поле изменяется с течением времени |
|
/ |
≠ |
0. Таким образом, изучаемые |
|
||||||||||||||
процессы теплоотдачи являются нестационарными. [2] |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
Оценка времени |
прогрева |
КН до |
рабочей |
температуры |
основывается на |
уравнении |
|
|||||||||||
|
вход |
|
тепловой поток, |
|
вход + |
КАТ |
= |
|
выход + |
ОКР |
+ |
НАГР |
, |
(1) |
|
||||
|
|
ОГ |
|
ОГ |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
теплового баланса, выражающее зак н сохранения энергии: |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
где |
|
– |
|
|
|
привносимый с отработашими газами; |
|
|
|
||||||||||
реакции КАТ |
– |
тепловой поток, |
выделяемый |
в реакторе в |
результате экзотермической |
|
|||||||||||||
|
ОГ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
окислительного катализа; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
выход |
– тепловой поток, уносимый с отработашими газами; |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
ОГ |
– тепловой поток, передаваемый в окружающую среду; |
|
|
|
||||||||||||||
|
НАГР |
– тепловой поток, расходуемый на нагрев структуры конвертора. |
|
|
|||||||||||||||
|
ОКР |
|
|
||||||||||||||||
|
В период прогрева КН теплота в основном расходуется на нагрев структуры КН. |
|
|||||||||||||||||
|
Следовательно, определяя насколько быстро происходит этот процесс можно оценить |
|
|||||||||||||||||
время прогрева КН. |
НАГР |
, расходуемый на нагрев структуры каталитического конвертора |
|
||||||||||||||||
|
Внутреннее |
|
|
||||||||||||||||
|
Тепловой поток |
|
|
||||||||||||||||
устройство твердой структуры КН выполнено в виде цилиндричесого блока, в котором имеется множество продольных каналов. Длина канала приблизительно равна длине
Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА
катализатора, диаметр канала около 1 мм. Поперечное сечение катализатора представляет из себя сотовую структуру, образованную стальными или керамическими стенками толщиной около 2 = 0,1 мм. [1]
Так как процесс нагрева твердой структуры КН происходит за счет теплопередачи от горячих ОГ, то его можно разделить на две фазы, протекающие одновременно во времени: фазу конвективного теплообмена от горячего газа к поверхности твердой структуры и фазу теплопроводности от внешней границы стенки в ее сердцевину. [3]
Для правильной оценки и вычисления времени прогрева структуры КН до рабочей температуры необходимо оценить вклад каждой фазы процесса теплопередачи.
Нестационарные процессы теплопередачи описываются системой дифференциальных уравнений и условиями однозначности с большим количеством переменных. Попытки аналитического решения полной системы уравнений наталкиваются на серьезные трудности. Эти трудности помогает разрешить теория подобия. С помощью теории подобия размерные физические величины можно объединить в безразмерные комплексы, и рассматривать их как новые переменные. При введении в уравнения безразмерных комплексов число величин под знаком искомой функции формально сокращается, что упрощает исследование физических процессов. Кроме того, новые безразмерные переменные отражают влияние не только отдельных факторов, но и их совокупности, что позволяет легче определить физические связи в исследуемом процессе.
Теория подобия устанавливает также условия, при которых результаты лабораторных исследований можно распространить на другие явления, подобные рассматриваемому.
|
Фаза нестационарного процесса теплопроводности от внешней границы стенки КН в ее |
|
||||||||||||
сердцевину. Для анализа этой фазы |
рассмотрим безразмерный |
критерий Био, который |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
= |
∙ , |
|
|
|
|
(2) |
|
является важной характеристикой процесса теплопроводности: |
|
|
|
|
||||||||||
где |
|
– |
коэффициент теплопроводности |
твердого тела, |
Вт |
; |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
307 |
||||
|
|
– |
|
|
|
поверхности твердого тела, |
|
; |
|
|||||
|
|
коэффициент теплоотдачи от газа к |
|
|
|
м∙К |
|
|
Вт |
|
|
|||
|
|
– ½ толщины стенки, м. |
|
|
|
|
|
|
|
|
м2∙К |
|
|
|
Учитывая в настоящем исследовании очень малую величину толщины стенок КН, высокий коэффициент теплопроводности твердого материала структуры и относительно небольшой
коэффициент теплоотдачи от газа к материалу, можно определить, что значение числа Био |
|||
очень мало и практически стремится к нулю (примерно |
~10−4 |
|
10−5). При таких значениях |
КН незначительно отличается от |
|||
критерия Био температура на поверхности стенки |
|
− |
|
температуры в ее сердцевине. Это указывает на то, что температура по толщине стенки КН распределяется практически мгновенно равномерно. В этом случае процесс нагрева твердого материала определяется интенсивностью теплоотдачи на поверхности стенок КН. Иначе говоря, процесс выравнивания температуры в теле происходит существенно интенсивнее, чем конвективный теплообмен на поверхности. Задача становится внешней. Соответственно время температуропроводности внутри тела чрезвычайно мало и имеет небольшое значение в искомом времени нагрева твердой структуры КН. [2]
Фаза нестационарного конвективного теплообмена от горячего газа к поверхности твердой структуры оказывает основное влияние на время прогрева КН. При этом перенос теплоты осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью. Под конвекцией теплоты понимают перенос теплоты при перемещении макрочастиц жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно происходит соприкосновение отдельных частиц, имеющих раличные температуры. Конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью соприкасающегося с ним тела называется теплоотдачей.
|
При расчетах теплоотдачи используют закон Ньютона-Рихмана: |
|
|||||
где |
|
– |
|
= |
( |
), |
(3) |
по нормали от потока ОГ к структуре КН, Вт; |
|
||||||
|
|
тепловой поток, передаваемый |
|
ОГ − С |
|
|
|
Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА
|
|
|
|
|
|
– коэффициент теплоотдачи от потока ОГ к поверхности стенки, |
Вт |
; |
|
– температура потока ОГ, К; |
м2∙К |
|
|
|
|
|
|
|
|
ОГ– температура стенки КН, К; |
|
2 |
|
|
С |
– общая площадь контактируемой поверхности стенок КН с потоком ОГ, м |
. |
||
|
|
Процесс теплоотдачи является сложным процессом, а коэффициент теплоотдачи является |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
сложной функцией различных величин, характеризующих этот процесс. В общем случае |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
является функцией формы, размеров, температуры поверхности нагрева, скорости газа, |
его |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
температуры, физических свойств газа – коэффициента теплопроводности, удельной |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
теплоемкости, плотности, коэффициента вязкости и других факторов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Кроме переменного значения коэффициента теплоотдачи в |
уравнении |
(3) |
также |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
стенки |
С |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ОГ |
|
по длине катализатора и температура |
|
|||||||||||||||||||||||
переменными являются температура потока ОГ |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Дифференцируя уравнение (3) по длине канала катализатора можно принять допущение, |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
что температура потока газа на каждом элементарном участке длины катализатора остается |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
величиной постоянной. Но необходимо учитывать, что входящий тепловой поток от ОГ |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
постепенно теряет некоторое количество тепла, затрачиваемое на нагрев стенок КН. И, в |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
течение определенного времени пока не прогрелся первый элементарный участок, к |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
последующим сечениям будет поступать охлажденный тепловой поток. По прошествии |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
времени нагревания первого элементарного участка, ко второму участку начнет поступать |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
полный тепловой поток ОГ, после полного нагревания второго участка полный тепловой поток |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
начнет поступать к третьему элементарному участку катализатора и т.д. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Следовательно: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
1. При постепенном охлаждении теплового потока ОГ, температура потока газа на каждом |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
элементарном |
участке |
последовательно |
|
убывает |
|
( |
|
|
1 |
|
> |
|
2 > |
3 > |
|
> |
), но |
остается |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
постоянной в пределах участка. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ОГ |
|
ОГ |
ОГ |
|
ОГ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
2. За определенное время прогревания первого элементарного сечения, стенки |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
катализатора на последующих участках также прогреваются, но до температуры меньшей, |
чем |
308 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
( |
ОГ − С |
> |
ОГ − С |
> |
ОГ |
− С |
> |
|
> |
ОГ − С |
). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
1 |
|
|
|
2 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
уменьшения температурного |
|
напора |
|
|||||||||||||||||||||
на |
предыдущих участках. |
|
Это является |
|
следствием |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КН. |
3. Цель расчета состоит в последовательном определении температуры потока газа |
|
|
|
, |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сечения |
|
||||||||
температуры стенки |
|
и времени прогрева |
|
|
для каждого элементарного поперечного |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ОГ |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Рассматривая процесс теплоотдачи на каждом отдельно взятом i-ом элементарном сечении |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
катализатора для корректного расчета |
|
|
и |
|
, |
необходимо определиться с коэффициентом |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
теплоотдачи |
, |
значение которого с |
достаточной точностью можно определить зная число |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
ОГ |
|
|
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
Нуссельта: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= ∙ экв, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4) |
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
где |
|
|
|
– коэффициент теплопроводности ОГ, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
экв |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
– |
эквивалентный диаметр канала |
катализатора, м. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м∙К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
Число Нуссельта характеризует интенсивность теплообмена на границе стенка – газ. |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Уравнение подобия для процессов конвективного теплообмена при вынужденном движении |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
теплоносителя имеет вид: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
( |
|
|
|
|
|
, Pr), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(5) |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
где |
|
|
|
|
– |
критерий |
Рейнольдса, |
определяющий |
|
|
|
|
гидромеханическое |
подобие |
|
течений |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
теплоносителей; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
– критерий Прандтля является теплофизической характеристикой теплоносителя. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Число Рейнольдса характеризует соотношение сил инерции и сил вязкости. Определяется |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
по формуле: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
0 |
∙ экв, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(6) |
|
||||||||||||||||||||
где |
|
|
|
– |
– скорость движения ОГ, |
/ ; |
|
|
|
|
|
, |
м |
|
|
с |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
0 |
кинематический |
коэффициент вязкости ОГ |
|
|
|
2 |
/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
м с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА
Критерий Прандтля характерезует соотношение между скоростью обмена механической энергией между частицами (за счет вязкости) и скоростью обмена тепловой энергией (за счет температуропроводности) – мера подобия температурных и скоростных полей в потоке.
Формула числа Прандтля целиком составлена из физических параметров и поэтому критерий |
|||||||||||||
сам является физическим параметром: |
= |
, |
|
м |
|
с |
|
(7) |
|||||
где |
|
– коэффициент температуропроводности |
ОГ, |
/ |
, величина |
характерезующая |
|||||||
скорость выравнивания температуры при нестационарной |
теплопроводности2 |
. |
|||||||||||
|
Численные значения критерия Прандтля и кинематический коэффициент вязкости |
||||||||||||
приведены в таблицах. Значение |
|
скорости движения ОГ известно, если известен массовый |
|||||||||||
или |
объемный расход ОГ. |
Вычисляя численное значение критерия Рейнольдса можно |
|||||||||||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
определить характер движения газа в каналах КН: ламинарный, переходный или турбулентный. После этого выбираем формулу для расчета числа Нуссельта. Преобразуя формулу (4)
рассчитываем коэффициент теплоотдачи |
|
для каждого элементарного сечения катализатора. |
||||||
[4] |
|
|
|
|
|
направленный на нагрев структуры КН в |
||
По формуле (3) определяем тепловой поток |
|
|
||||||
|
|
|
. |
|
|
чего уменьшаем входящий тепловой поток |
||
рассматриваемом элементарном сечении |
После |
|
|
|||||
ОГ |
|
|
|
|
|
+1 |
|
|
вход на расходуемую величину |
|
и из уменьшенного теплового потока находим температуры |
||||||
потока газа на следующем элементарном сечении |
|
|
. |
|||||
Основываясь на вышеприведенном анализе |
нестационарного процесса теплопроводности |
|||||||
|
ОГ |
|
||||||
внутри материала КН, который характеризуется |
критерием Био в математической модели |
|||||||
можно принять что происходит передача тепла в теле с неограниченно высокой теплопроводностью, температура которого резко изменяется при контакте с теплоносителем. Следовательно, все полученное тепло мгновенно распространяется в материале, и температура тела увеличивается равномерно по всему объему. Определяющим уравнением
является соотношение баланса тепла, |
т. е. |
количество |
тепла, полученного телом, равно |
|||||||||||||||||
количеству тепла, переданного теплоносителем [5]: |
|
|
|
|
|
|
309 |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
( |
|
|
). |
|
(8) |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Или после математических преобразований получаем формулу для времени |
|
прогрева |
|||||||||||||||||
стенок i-ого элементарного участка КН: |
|
= |
|
|
∙ , |
|
|
(9) |
|
|||||||||||
|
|
ОГ − С |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
|
|
= |
ОГ |
− |
– |
|
|
|
i-ого элементарного участка КН; |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
безразмерная температура на |
|
− |
|
2 |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
– значение температуры стенок КН, которое необходимо достичь при прогреве, К; |
||||||||||||||||||
|
|
– плотность материала структуры КН, |
Дж |
|
|
3; |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
/ |
|
|
|
|
+1 |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
– удельная теплоемкость материала, |
кг∙К |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
кг |
.м |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Определив предварительно время |
|
|
и температуру потока газа |
|
|
, |
преобразуя формулу |
||||||||
(9), можно вычислить температуру частичного догрева стенки |
|
+1 |
для следующего (i+1)-ого |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ОГ |
|
|
|
|||
элементарного участка: |
+1 = |
|
+1 |
+1 |
|
|
С |
2 |
|
|
. |
|
|||
|
|
exp |
|
|
|
(10) |
|||||||||
Проинтегрировав время прогрева |
|
|
для каждого элементарного поперечного сечения, |
||||||||||||
|
С |
|
ОГ |
− ОГ |
− С |
|
|
|
|
|
|||||
получаем общее затраченное время на прогрев твердой структуры КН |
|
|
|
|
|||||||||||
Заключение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
В литературных источниках отсутствует методика расчета прогрева КН. Предлагаемая методика расчета является первой пробой, которую необходимо проверить экспериментально. При получении достоверных данных можно утверждать о работоспособности предоставленной методики. Результаты будут изложены в докладе на конференции.
Научный руководитель – д-р техн. наук, проф. Певнев Н. Г.
Фундаментальные и прикладные исследования молодых учёных: материалы Международной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, 8-9 февраля 2017 г.