ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДЛЯ ОБОГРЕВА САЛОНА АВТОМОБИЛЯ

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. Андрис К.Б. занимался исследованиями возможности использования тепла от отработавших газов для подогрева емкостей с нефтепродуктами при их транспортировании [1]. При использовании автомобилей в северных районах, использование тепла отработавших газов имеет ряд преимуществ. Производительность системы отопления салона автомобилей при отрицательных температурах становится ниже. Использование тепла выхлопных газов для обогрева салона должно обеспечить более быстрый прогрев салона автомобиля, так как после запуска двигателя температура выпускной системы автомобиля быстро достигает температур порядка 450-600 ˚С. Это позволит уменьшить затраты на топливо и время прогрева салона автомобиля.

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. Работами по использованию таких систем занимался Куликов М.В. [2]. 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.

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.

Рисунок 1. Схема экспериментального образца

В качестве силовой установки для проведения эксперимента использовался двигатель внутреннего сгорания, мощностью 1400 ватт. На выпускном коллекторе была осуществлена намотка медной трубки для осуществления теплообмена. В качестве насоса использовался компрессор, мощностью 3Вт, установленный в замкнутом пространстве, объемом 10л. Дополнительное тепло от работы компрессора учитывалось при выполнении расчетов. В ходе проведенного эксперимента замкнутый объем воздуха в течении 5 минут нагревался теплом отработавших газов.

Общий вид экспериментальной установки представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Экспериментальная установка

По полученным данным был построен график изменения температуры в зависимости от времени, представленный на рисунке 3. 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 3. Изменение температуры воздуха

Для определения мощности теплогенерирующей системы использовали формулу сохранения тепловой энергии.

                                                    (1)

τ – время теплопереноса;

C_p – 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 78 Вт (с учетом дополнительного источника тепла от компрессора). Если экстраполировать мощность аналогичной теплогенерирующей системы для двигателя внутреннего сгорания легкового автомобиля малого класса, то получим мощность на уровне 2кВт, что составляет около 40% мощности штатной системы отопления салона. 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 автомобиля существенно ускорится и будут созданы более комфортные условия при эксплуатации автомобиля в холодное время года. Использование воздуха в качестве теплоносителя позволит повысить надежность системы и избежать паровых пробок в системе охлаждения. Дополнив штатную систему отопления автомобиля устройством использующим тепло отработавших газов можно существенно сократить время прогрева салона автомобиля до комфортной температуры.

Список литературы:

1. Андрис К.Б. Путевой подогрев нефтепродуктов при перевозке автотранспортом. К.Б. Андрис // Вестник Астраханского государственного технического университета. – 2008. № 6. – С.192-194.
2. 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.