Устройство для преобразования механической энергии масла в тепловую
DEVICE FOR CONVERTING MECHANICAL ENERGY OF OIL INTO HEAT ENERGY

Изобретение относится к области преобразования механической энергии в тепловую, а именно разогреву масла в ёмкости входящей в гидросистему, методом дросселирования, и может быть использована, например в автотопливомалозаправщиках (АТМЗ) при эксплуатации, в том числе, в условиях низких температур.
Известен способ генерации тепла (RU2241919C1), при котором жидкость перекачивают насосом по замкнутому контору, при выходе жидкости из насоса ее дросселируют, а при входе жидкости в насос в ней стравливают давление.
3
Согласно описанию изобретения к указанному патенту, запатентованное решение не рассчитано на использование в условиях низких температур (в качестве рабочей жидкости используется вода), кроме того раскрытое в описании устройство, реализующее способ, не может решить задачу подогрева жидкости (масла), объёмом не менее 0,5 м, в условиях низких температур за сопоставимое время (26 мин.).
В качестве прототипа выбрана система обогрева кабины транспортного средства с гидросистемой (SU1082635А), содержащая теплообменник, установленный в контуре гидросистемы транспортного средства, напорную и сливную магистрали, бак, насос и установленный в напорной магистрали основной дроссель для подогрева теплоносителя, при этом она снабжена последовательно установленными в напорной магистрали указанного контура гидросистемы, трёхлинейным двухпозиционным гидрораспределителем и дополнительным дросселем с его гидравлической магистралью, которая подключена к напорной магистрали перед теплообменником, при этом дроссели выполнены регулируемыми, с различными проходными сечениями: основной дроссель – с большим сечением, а дополнительный – с меньшим.
В известной системе используются регулируемые дроссели, что является технической сложностью, кроме того, известное решение не направлено напрямую на подогрев большого количества масла в максимально короткие сроки.
3
Задачей, на решение которой направлено изобретение, являлось обеспечение подогрева масла объёмом не менее 0,5 м при низких температурах окружающей среды до минус 50 °С, для обеспечения собственных нужд (например, в транспортном средстве) и для выдачи масла внешним потребителям. Причём подогрев масла должен осуществляться в максимально короткие сроки.
Указанная задача решается устройством для преобразования механической энергии масла в тепловую, содержащим масляный бак, напорную и сливную магистрали, насос, установленные параллельно в напорной магистрали дроссели и гидрораспределитель, в котором, согласно предложению, установлено три дросселя, а гидрораспределитель выполнен с возможностью последовательного отключения дросселей в зависимости от давления масла.
В случае установки устройства на транспортном средстве (например, масло- или топливомаслозаправщике) привод насоса осуществляется от коробки отбора мощности (КОМ) двигателя специализированного транспортного средства. В этом случае возможно также включать в устройство дополнительные сливную и напорную магистрали с насосом и гидрораспределителем, выполненным с возможностью направления потока масла на выдачу внешнему потребителю, на гидромотор и в масляный бак через дополнительный дроссель.
Изобретение поясняется чертежом.
Устройство для преобразования механической энергии масла в тепловую содержит масляный бак 1, напорную 2 и сливную 3 магистрали, насос 4, установленные параллельно в напорной магистрали дроссели 5 и гидрораспределитель 6. Привод насоса 4 осуществляется от коробки отбора мощности 7 двигателя специализированного транспортного средства.
Устройство может содержать дополнительные сливную 8 и напорную 9 магистрали с насосом 10 и гидрораспределителем 11, выполненным с возможностью направления потока масла на выдачу внешнему потребителю (через узел выдачи 12), на гидромотор 13 и в масляный бак 1 через дополнительный дроссель 14.
Устройство работает следующим образом.
Загустевшее масло в масляном баке 1 при отрицательной температуре окружающей среды (до минус 50 °С) подвергается принудительной циркуляции посредством насоса 4 через напорную 2 и сливную 3 магистрали через систему дросселей 5, по мере увеличения температуры давление масла на входе в дроссельный узел начинает падать. Для поддержания необходимого давления и скорости разогрева последовательно отключаются дроссели 5 посредством гидрораспределителя 6. Использование именно трёх дросселей является разумным компромиссом с точки зрения необходимой мощности привода, временем разогрева масла и соотношением температура/давление масла.
Далее приведён расчет потребляемой мощности насоса 4 (НШ100), применяемого для обеспечения процесса разогрева масла.
Далее приведён расчет необходимой мощности для нагрева и времени нагрева масла.
3
Объем маслобака V = 500 литров = 0,5 м.
3
Плотность масла с = 900 кг/м.
Удельная теплоемкость с = 1,9 кДж/(кг·К).
Данные ТТХ АТМЗ:
время нагрева Т = 1 мин = 60 с;
изменение температуры Дt = 2 К.
Масса масла в маслобаке
<mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mi>V</mi><mo>⋅</mo><mi>ρ</mi><mo>=</mo><mn>0,5</mn><mo>⋅</mo><mn>900</mn><mo>=</mo><mn>450</mn><mi>к</mi><mi>г</mi></mrow>
.
Энергия, необходимая для нагрева 450 кг масла на 2 градуса
<mrow><mi>Е</mi><mo>=</mo><mi>с</mi><mo>⋅</mo><mi>m</mi><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><mn>1,9</mn><mo>⋅</mo><mn>450</mn><mo>⋅</mo><mn>2</mn><mo>≈</mo><mn>1710</mn><mi>к</mi><mi>Д</mi><mi>ж</mi></mrow>
.
Мощность, необходимая для нагрева 450 кг масла на 2 градуса за 1 минуту (60 с)
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mi>E</mi><mo>/</mo><mi>Т</mi><mo>=</mo><mn>1710</mn><mo>/</mo><mn>60</mn><mo>=</mo><mn>28,5</mn><mi>к</mi><mi>В</mi><mi>т</mi></mrow>
.
Энергия необходимая для разогрева 450 кг масла от минус 23°С до плюс 50°С
<mrow><mi>Е</mi><mo>=</mo><mi>с</mi><mo>⋅</mo><mi>m</mi><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><mn>1,9</mn><mo>⋅</mo><mn>450</mn><mo>⋅</mo><mn>73</mn><mo>≈</mo><mn>62415</mn><mi>к</mi><mi>Д</mi><mi>ж</mi></mrow>
.
Расчётное время разогрева при подводимой мощности Р=28,5 кВт
<mrow><mi>T</mi><mo>=</mo><mi>E</mi><mo>/</mo><mi>P</mi><mo>=</mo><mn>62415</mn><mo>/</mo><mn>28,5</mn><mo>=</mo><mn>2190</mn><mi>с</mi><mo>≈</mo><mn>37</mn><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi><mo>.</mo></mrow>
Полезная мощность насоса:
<mrow><msub><mi>N</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mi>P</mi><mo>⋅</mo><mi>Q</mi></mrow>
,
где Nп - полезная мощность насоса, Вт
Р - рабочее давление, max 16 МПа,
Q - расход, м.куб/с
Частота вращения привода насоса n = 1600 об/мин (при передаточном числе от вала КОМ к коленчатому валу двигателя равным единице).
<mrow><msub><mi>Q</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mi>n</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>V</mi><mi>n</mi></msub></mrow>
,
где n - частота вращения, об/мин,
Vn - рабочий объём, см.куб.
Q= 1600 · 100 = 160 000 см.куб./мин = 160 л/мин = 0,0026 м.куб/с
6
Nп=16·10· 0,0026 = 41600 Вт = 41,6 кВт
Потеря давления в дросселе определяется как:
Δp= Δt·с·C·m,
где Δt - повышение температуры масла,
3
с - плотность масла, 900 кг/м,
С - удельная теплоемкость, для масла 1,9 кДж/(кг·К),
m - механический эквивалент теплоты (в СИ m=1)
Рассмотрим расчет потери давления при последовательном отключении дросселей при достижении соответствующей Δt в диапазоне температур от -30°С до +50°С
1
2
Δp= 80 · 900 · 1,9 · 1 = 119700 кг/м ~ 1,2 МПа,
2
2
Δp= 40 · 900 · 1,9 · 1 = 68400 кг/м ~ 0,7 МПа,
3
2
Δp= 20 · 900 · 1,9 · 1 = 34200 кг/м ~ 0,3 МПа.
Потеря мощности в дросселе определяется как:
ΔN = Δp · Q
1
6
ΔN = 1,2 · 10 · 0,0026 = 3120 Вт ~ 3,1 кВт,
2
6
ΔN = 0,7 · 10 · 0,0026 = 1820 Вт ~ 1,8 кВт,
3
6
ΔN = 0,3 · 10 · 0,0026 = 780 Вт ~ 0,8 кВт.
С учетом того, что в данной системе применяется три дросселя, то к расчетной мощности необходимой для нагрева 450 кг масла, добавляются потери ΔN.
<mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>P</mi><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><mi>Δ</mi><mi>N</mi></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>28,5</mn><mo>+</mo><mn>3,1</mn><mo>+</mo><mn>1,8</mn><mo>+</mo><mn>0,8</mn><mo>=</mo><mn>34,2</mn><mi>к</mi><mi>В</mi><mi>т</mi></mrow>
Таким образом, полезной мощности насоса, с учетом потерь, достаточно для обеспечения заданных параметров скорости нагрева.
Расчётные данные подтверждены экспериментальным путём в ходе заводских и государственных испытаний опытного образца АТМЗ-7-65224.
Опытный образец АТМЗ-7-65224 в ходе государственных испытаний на базе ФГБУ "3 ЦНИИ" Минобороны России проходил оценку работоспособности в условиях и после воздействия климатических факторов окружающей среды, а именно выдержка при температуре -50°С в течении 12 часов, по требованию заказчика. После двенадцатичасовой выдержки при минус 50°С температура масла в маслобаке составила минус 23°С. Время разогрева до плюс 50 °С составило 43 минуты, что согласуется с расчётными данными с допустимой погрешностью.
При достижении необходимой температуры (максимально плюс 50 °С) дроссельный узел отключается. Далее осуществляются необходимые операции, например, через магистрали 8 и 9 и узел 12 насосом 10 может осуществляться выдача масла внешним потребителям. Насос 10 и дроссель 14 могут использоваться как дополнительная ступень подогрева масла. Гидромотор 1 может быть использован для привода топливного насоса (в случае установки заявленного устройства на автотопливомаслозаправщике), что позволяет экономить на техническом обслуживании гидропривода, т.к. масло постоянно обновляется и уменьшает номенклатуру используемых ГСМ. Возможен также разогрев сторонней ёмкости, если подключить заявленное устройство к соответствующему внешнему теплообменнику, то есть запустить циркуляцию масла через этот теплообменник.