Основным источником тепла, нагревающим земную поверхность и атмосферу, служит солнце. Другие источники – луна, звезды, разогретые недра Земли – поставляют столь малое количество тепла, что ими можно пренебречь.

Солнце излучает в мировое пространство колоссальную энергию в виде тепловых, световых, ультрафиолетовых и других лучей. Вся совокупность лучистой энергии Солнца называется солнечной радиацией. Земля получает ничтожную долю этой энергии – одну двухмиллиардную часть, которой, однако, достаточно не только для поддержания жизни, но и для осуществления экзогенных процессов в литосфере, физико-химических явлений в гидросфере и атмосфере.

Различают радиацию прямую, рассеянную и суммарную.

При ясной, безоблачной погоде поверхность Земли нагревается в основном прямой радиацией, которую мы ощущаем как теплые или горячие солнечные лучи.

Проходя через атмосферу, солнечные лучи отражаются от молекул воздуха, капелек воды, пылинок, отклоняются от прямолинейного пути и рассеиваются. Чем пасмурнее погода, тем плотнее облачность и тем большее количество радиации рассеивается в атмосфере. При сильной запыленности воздуха, например во время пыльных бурь или в промышленных центрах, рассеивание ослабляет радиацию на 40–45 %.

Значение рассеянной радиации в жизни Земли очень велико. Благодаря ей освещаются предметы, находящиеся в тени. Она же обусловливает цвет неба.

Интенсивность радиации зависит от угла падения солнечных лучей на земную поверхность. Когда солнце находится высоко над горизонтом, его лучи преодолевают атмосферу более коротким путем, следовательно, меньше рассеиваются и сильнее нагревают поверхность Земли. По этой причине в солнечную погоду утром и вечером всегда прохладнее, чем в полдень.

На распределение радиации на поверхности Земли огромное влияние оказывают ее шарообразность и наклон земной оси к плоскости орбиты. В экваториальных и тропических широтах солнце в течение всего года находится высоко над горизонтом, в средних широтах его высота меняется в зависимости от времени года, а в Арктике и Антарктике высоко над горизонтом оно не поднимается никогда. В результате в тропических широтах солнечные лучи рассеиваются меньше, а на единицу площади земной поверхности приходится их большее количество, чем в средних или высоких широтах. По этой причине количество радиации зависит от широты места: чем дальше от экватора, тем меньше ее поступает на земную поверхность.

Поступление лучистой энергии связано с годичным и суточным движением Земли. Так, в средних и высоких широтах ее количество зависит от времени года. На Северном полюсе, например, летом солнце не заходит за горизонт 186 дней, т. е. 6 месяцев, и количество поступающей радиации даже больше, чем на экваторе. Однако солнечные лучи имеют малый угол падения, и большая часть радиации рассеивается в атмосфере. В результате поверхность Земли нагревается незначительно.

Зимой солнце в Арктике находится за горизонтом, и прямая радиация на поверхность Земли не поступает.

На количество поступающей солнечной радиации влияет и рельеф земной поверхности. На склонах гор, холмов, оврагов и т. д., обращенных к солнцу, угол падения солнечных лучей увеличивается, и они сильнее нагреваются.

Совокупность всех этих факторов приводит к тому, что на земной поверхности нет места, где интенсивность радиации была бы постоянной.

Неодинаково происходит и нагревание суши и воды. Поверхность суши нагревается и охлаждается быстро. Вода же нагревается медленно, но зато дольше удерживает тепло. Объясняется это тем, что теплоемкость воды больше теплоемкости горных пород, слагающих сушу.

На суше солнечные лучи нагревают только поверхностный слой, а в прозрачной воде тепло проникает на значительную глубину, в результате чего нагревание происходит медленнее. На его скорость влияет и испарение, так как на него нужно много тепла. Вода остывает медленно, в основном потому, что объем прогреваемой воды во много раз больше объема нагревающейся суши; к тому же при ее охлаждении верхние, остывшие слои воды опускаются на дно, как более плотные и тяжелые, а на смену им из глубины водоема поднимается теплая вода.

Накопленное тепло вода расходует более равномерно. В результате море в среднем теплее суши, а колебания температуры воды никогда не бывают такими резкими, как колебания температуры суши.

Температура воздуха

Солнечные лучи, проходя через прозрачные тела, нагревают их очень слабо. По этой причине прямые солнечные лучи почти не нагревают воздух атмосферы, а нагревают поверхность Земли, от которой прилегающим слоям воздуха передается тепло. Нагреваясь, воздух становится более легким и поднимается вверх, где перемешивается с более холодным, в свою очередь нагревая его.

По мере поднятия вверх воздух охлаждается. На высоте 10 км температура постоянно держится на отметке 40–45 °C.

Понижение температуры воздуха с высотой – это общая закономерность. Однако нередко наблюдается и повышение температуры по мере поднятия вверх. Такое явление называют температурной инверсией, т. е. перестановкой температур.

Возникают инверсии либо при быстром охлаждении земной поверхности и прилегающего воздуха, либо, наоборот, при стекании тяжелого холодного воздуха по склонам гор в долины. Там этот воздух застаивается и вытесняет более теплый вверх по склонам.

В течение суток температура воздуха не остается постоянной, а непрерывно изменяется. Днем поверхность Земли нагревается и нагревает прилегающий слой воздуха. Ночью Земля излучает тепло, охлаждается, и происходит охлаждение воздуха. Наиболее низкие температуры наблюдаются не ночью, а перед восходом солнца, когда земная поверхность уже отдала все тепло. Аналогично этому наиболее высокие температуры воздуха устанавливаются не в полдень, а около 15 ч.

На экваторе суточный ход температур однообразен, днем и ночью они почти одинаковы. Очень незначительны суточные амплитуды на морях и у морских побережий. А вот в пустынях днем поверхность земли часто нагревается до 50–60 °C, а ночью нередко охлаждается до 0 °C. Таким образом, суточные амплитуды превышают здесь 50–60 °C.

В умеренных широтах наибольшее количество солнечной радиации поступает на Землю в дни летних солнцестояний, т. е. 22 июня в Северном полушарии и 21 декабря в Южном. Однако самым жарким месяцем является не июнь (декабрь), а июль (январь), так как в день солнцестояния огромное количество радиации расходуется на нагревание земной поверхности. В июле (январе) радиация уменьшается, но эта убыль компенсируется сильно нагретой земной поверхностью.

Аналогично этому самый холодный месяц не июнь (декабрь), а июль (январь).

На море, в связи с тем что вода более медленно охлаждается и нагревается, смещение температур еще больше. Здесь самый жаркий месяц август, а самый холодный – февраль в Северном полушарии и соответственно самый жаркий – февраль и самый холодный – август в Южном.

Годовая амплитуда температур в значительной степени зависит от широты места. Так, на экваторе амплитуда в течение года остается почти постоянной и составляет 22–23 °C. Самые высокие годовые амплитуды характерны для территорий, расположенных в средних широтах в глубине континентов.

Любая местность характеризуется также абсолютными и средними температурами. Абсолютные температуры устанавливают путем многолетних наблюдений на метеостанциях. Так, самое жаркое (+58 °C) место на Земле находится в Ливийской пустыне; самое холодное (-89,2 °C) – в Антарктиде на станции «Восток». В Северном полушарии самая низкая (-70,2 °C) температура отмечена в поселке Оймякон в Восточной Сибири.

Средние температуры определяют как среднеарифметическое нескольких показателей термометра. Так, чтобы определить среднесуточную температуру, производят измерения в 1; 7; 13 и 19 ч, т. е. 4 раза в сутки. Из полученных цифр находят среднеарифметическую величину, которая и будет среднесуточной температурой данной местности. Затем находят среднемесячные и среднегодовые температуры как среднеарифметическое среднесуточных и среднемесячных.

На карте можно обозначить точки с одинаковыми значениями температур и провести линии, соединяющие их. Эти линии называют изотермами. Наиболее показательны изотермы января и июля, т. е. самого холодного и самого теплого месяца в году. По изотермам можно определить, как распределяется тепло на Земле. При этом прослеживаются отчетливо выраженные закономерности.

1. Самые высокие температуры наблюдаются не на экваторе, а в тропических и субтропических пустынях, где преобладает прямая радиация.

2. В обоих полушариях температуры понижаются от тропических широт к полюсам.

3. В связи с преобладанием моря над сушей ход изотерм в Южном полушарии более плавный, а амплитуды температур между самым жарким и самым холодным месяцем меньше, чем в Северном.

Расположение изотерм позволяет выделить 7 тепловых поясов:

1 жаркий, расположенный между годовыми изотермами 20 °C в Северном и Южном полушариях;

2 умеренных, заключенных между изотермами 20 и 10 °C самых теплых месяцев, т. е. июня и января;

2 холодных, расположенных между изотермами 10 и 0 °C также самых теплых месяцев;

2 области вечного мороза, в которых температура самого теплого месяца ниже 0 °C.

Границы поясов освещенности, проходящие по тропикам и полярным кругам, не совпадают с границами тепловых поясов.



1. Расход тепла на подогрев приточного воздуха

Q т =L∙ρ возд. ∙с возд. ∙(t вн. - t нар.),

где:

ρ возд. – плотность воздуха. Плотность сухого воздуха при 15°С на уровне моря составляет 1,225 кг/м³;
с возд. – удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/(кг∙К)=0,24 ккал/(кг∙°С);
t вн. – температура воздуха на выходе из калорифера, °С;
t нар. – температура наружного воздуха, °С (темп-ра воздуха наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 по Строительной климатологии).

2. Расход теплоносителя на калорифер

G= (3,6∙Q т)/(с в ∙(t пр -t обр)),

где:
3,6 - коэффициент перевода Вт в кДж/ч (для получения расхода в кг/ч);
G - расход воды на теплоснабжение калорифера, кг/ч;
Q т – тепловая мощность калорифера, Вт;
с в – удельная теплоемкость воды, равная 4,187 кДж/(кг∙К)=1 ккал/(кг∙°С);
t пр. – температура теплоносителя (прямая линия), °С;
t нар. – температура теплоносителя (обратная линия), °С.

3. Выбор диаметра труб для теплоснабжения калорифера

Расход воды на калорифер , кг/ч

4. I-d диаграмма процесса нагрева воздуха

Процесс нагрева воздуха в калорифере протекает при d=const (при неизменном влагосодержании).

Человечеству известно немного видов энергии – механическая энергия (кинетическая и потенциальная), внутренняя энергия (тепловая), энергия полей (гравитационная, электромагнитная и ядерная), химическая. Отдельно стоит выделить энергию взрыва,...

Энергию вакуума и еще существующую только в теории – темную энергию. В этой статье, первой в рубрике «Теплотехника», я попытаюсь на простом и доступном языке, используя практический пример, рассказать о важнейшем виде энергии в жизни людей — о тепловой энергии и о рождающей ее во времени тепловой мощности .

Несколько слов для понимания места теплотехники, как раздела науки о получении, передаче и применении тепловой энергии. Современная теплотехника выделилась из общей термодинамики, которая в свою очередь является одним из разделов физики. Термодинамика – это дословно «теплый» плюс «силовой». Таким образом, термодинамика – это наука об «изменении температуры» системы.

Воздействие на систему извне, при котором изменяется ее внутренняя энергия, может являться результатом теплообмена. Тепловая энергия , которая приобретается или теряется системой в результате такого взаимодействия с окружающей средой, называется количеством теплоты и измеряется в системе СИ в Джоулях.

Если вы не инженер-теплотехник, и ежедневно не занимаетесь теплотехническими вопросами, то вам, столкнувшись с ними, иногда без опыта бывает очень трудно быстро в них разобраться. Трудно без наличия опыта представить даже размерность искомых значений количества теплоты и тепловой мощности. Сколько Джоулей энергии необходимо чтобы нагреть 1000 метров кубических воздуха от температуры -37˚С до +18˚С?.. Какая нужна мощность источника тепла, чтобы сделать это за 1 час?.. На эти не самые сложные вопросы способны сегодня ответить «сходу» далеко не все инженеры. Иногда специалисты даже помнят формулы, но применить их на практике могут лишь единицы!

Прочитав до конца эту статью, вы сможете легко решать реальные производственные и бытовые задачи, связанные с нагревом и охлаждением различных материалов. Понимание физической сути процессов теплопередачи и знание простых основных формул – это главные блоки в фундаменте знаний по теплотехнике!

Количество теплоты при различных физических процессах.

Большинство известных веществ могут при разных температуре и давлении находиться в твердом, жидком, газообразном или плазменном состояниях. Переход из одного агрегатного состояния в другое происходит при постоянной температуре (при условии, что не меняются давление и другие параметры окружающей среды) и сопровождается поглощением или выделением тепловой энергии. Не смотря на то, что во Вселенной 99% вещества находится в состоянии плазмы, мы в этой статье не будем рассматривать это агрегатное состояние.

Рассмотрим график, представленный на рисунке. На нем изображена зависимость температуры вещества Т от количества теплоты Q , подведенного к некой закрытой системе, содержащей определенную массу какого-то конкретного вещества.

1. Твердое тело, имеющее температуру T1 , нагреваем до температуры Tпл , затрачивая на этот процесс количество теплоты равное Q1 .

2. Далее начинается процесс плавления, который происходит при постоянной температуре Тпл (температуре плавления). Для расплавления всей массы твердого тела необходимо затратить тепловой энергии в количестве Q2— Q1 .

3. Далее жидкость, получившаяся в результате плавления твердого тела, нагреваем до температуры кипения (газообразования) Ткп , затрачивая на это количество теплоты равное Q3 -Q2 .

4. Теперь при неизменной температуре кипения Ткп жидкость кипит и испаряется, превращаясь в газ. Для перехода всей массы жидкости в газ необходимо затратить тепловую энергию в количестве Q4 -Q3 .

5. На последнем этапе происходит нагрев газа от температуры Ткп до некоторой температуры Т2 . При этом затраты количества теплоты составят Q5 -Q4 . (Если нагреем газ до температуры ионизации, то газ превратится в плазму.)

Таким образом, нагревая исходное твердое тело от температуры Т1 до температуры Т2 мы затратили тепловую энергию в количестве Q5 , переводя вещество через три агрегатных состояния.

Двигаясь в обратном направлении, мы отведем от вещества то же количество тепла Q5 , пройдя этапы конденсации, кристаллизации и остывания от температуры Т2 до температуры Т1 . Разумеется, мы рассматриваем замкнутую систему без потерь энергии во внешнюю среду.

Заметим, что возможен переход из твердого состояния в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс именуется возгонкой, а обратный ему процесс – десублимацией.

Итак, уяснили, что процессы переходов между агрегатными состояниями вещества характеризуются потреблением энергии при неизменной температуре. При нагреве вещества, находящегося в одном неизменном агрегатном состоянии, повышается температура и также расходуется тепловая энергия.

Главные формулы теплопередачи.

Формулы очень просты.

Количество теплоты Q в Дж рассчитывается по формулам:

1. Со стороны потребления тепла, то есть со стороны нагрузки:

1.1. При нагревании (охлаждении):

Q = m * c *(Т2 -Т1 )

m – масса вещества в кг

с – удельная теплоемкость вещества в Дж/(кг*К)

1.2. При плавлении (замерзании):

Q = m * λ

λ – удельная теплота плавления и кристаллизации вещества в Дж/кг

1.3. При кипении, испарении (конденсации):

Q = m * r

r – удельная теплота газообразования и конденсации вещества в Дж/кг

2. Со стороны производства тепла, то есть со стороны источника:

2.1. При сгорании топлива:

Q = m * q

q – удельная теплота сгорания топлива в Дж/кг

2.2. При превращении электроэнергии в тепловую энергию (закон Джоуля — Ленца):

Q =t *I *U =t *R *I ^2=(t/ R) *U ^2

t – время в с

I – действующее значение тока в А

U – действующее значение напряжения в В

R – сопротивление нагрузки в Ом

Делаем вывод – количество теплоты прямо пропорционально массе вещества при всех фазовых превращениях и при нагреве дополнительно прямо пропорционально разности температур. Коэффициенты пропорциональности (c , λ , r , q ) для каждого вещества имеют свои значения и определены опытным путем (берутся из справочников).

Тепловая мощность N в Вт – это количество теплоты переданное системе за определенное время:

N =Q /t

Чем быстрее мы хотим нагреть тело до определенной температуры, тем большей мощности должен быть источник тепловой энергии – все логично.

Расчет в Excel прикладной задачи.

В жизни бывает часто необходимо сделать быстрый оценочный расчет, чтобы понять – имеет ли смысл продолжать изучение темы, делая проект и развернутые точные трудоемкие расчеты. Сделав за несколько минут расчет даже с точностью ±30%, можно принять важное управленческое решение, которое будет в 100 раз более дешевым и в 1000 раз более оперативным и в итоге в 100000 раз более эффективным, чем выполнение точного расчета в течение недели, а то и месяца, группой дорогостоящих специалистов…

Условия задачи:

В помещение цеха подготовки металлопроката размерами 24м х 15м х 7м завозим со склада на улице металлопрокат в количестве 3т. На металлопрокате есть лед общей массой 20кг. На улице -37˚С. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть металл до +18˚С; нагреть лед, растопить его и нагреть воду до +18˚С; нагреть весь объем воздуха в помещении, если предположить, что до этого отопление было полностью отключено? Какую мощность должна иметь система отопления, если все вышесказанное необходимо выполнить за 1час? (Очень жесткие и почти не реальные условия – особенно касающиеся воздуха!)

Расчет выполним в программе MS Excel или в программе OOo Calc .

С цветовым форматированием ячеек и шрифтов ознакомьтесь на странице « ».

Исходные данные:

1. Названия веществ пишем:

в ячейку D3: Сталь

в ячейку E3: Лед

в ячейку F3: Лед/вода

в ячейку G3: Вода

в ячейку G3: Воздух

2. Названия процессов заносим:

в ячейки D4, E4, G4, G4: нагрев

в ячейку F4: таяние

3. Удельную теплоемкость веществ c в Дж/(кг*К) пишем для стали, льда, воды и воздуха соответственно

в ячейку D5: 460

в ячейку E5: 2110

в ячейку G5: 4190

в ячейку H5: 1005

4. Удельную теплоту плавления льда λ в Дж/кг вписываем

в ячейку F6: 330000

5. Массу веществ m в кг вписываем соответственно для стали и льда

в ячейку D7: 3000

в ячейку E7: 20

Так как при превращении льда в воду масса не изменяется, то

в ячейках F7 и G7: =E7 =20

Массу воздуха находим произведением объема помещения на удельный вес

в ячейке H7: =24*15*7*1,23 =3100

6. Время процессов t в мин пишем только один раз для стали

в ячейку D8: 60

Значения времени для нагрева льда, его плавления и нагрева получившейся воды рассчитываются из условия, что все эти три процесса должны уложиться в сумме за такое же время, какое отведено на нагрев металла. Считываем соответственно

в ячейке E8: =E12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =9,7

в ячейке F8: =F12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =41,0

в ячейке G8: =G12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =9,4

Воздух также должен прогреться за это же самое отведенное время, читаем

в ячейке H8: =D8 =60,0

7. Начальную температуру всех веществ T 1 в ˚C заносим

в ячейку D9: -37

в ячейку E9: -37

в ячейку F9: 0

в ячейку G9: 0

в ячейку H9: -37

8. Конечную температуру всех веществ T 2 в ˚C заносим

в ячейку D10: 18

в ячейку E10: 0

в ячейку F10: 0

в ячейку G10: 18

в ячейку H10: 18

Думаю, вопросов по п.7 и п.8 быть недолжно.

Результаты расчетов:

9. Количество теплоты Q в КДж, необходимое для каждого из процессов рассчитываем

для нагрева стали в ячейке D12: =D7*D5*(D10-D9)/1000 =75900

для нагрева льда в ячейке E12: =E7*E5*(E10-E9)/1000 = 1561

для плавления льда в ячейке F12: =F7*F6/1000 = 6600

для нагрева воды в ячейке G12: =G7*G5*(G10-G9)/1000 = 1508

для нагрева воздуха в ячейке H12: =H7*H5*(H10-H9)/1000 = 171330

Общее количество необходимой для всех процессов тепловой энергии считываем

в объединенной ячейке D13E13F13G13H13: =СУММ(D12:H12) = 256900

В ячейках D14, E14, F14, G14, H14, и объединенной ячейке D15E15F15G15H15 количество теплоты приведено в дугой единице измерения – в ГКал (в гигакалориях).

10. Тепловая мощность N в КВт, необходимая для каждого из процессов рассчитывается

для нагрева стали в ячейке D16: =D12/(D8*60) =21,083

для нагрева льда в ячейке E16: =E12/(E8*60) = 2,686

для плавления льда в ячейке F16: =F12/(F8*60) = 2,686

для нагрева воды в ячейке G16: =G12/(G8*60) = 2,686

для нагрева воздуха в ячейке H16: =H12/(H8*60) = 47,592

Суммарная тепловая мощность необходимая для выполнения всех процессов за время t рассчитывается

в объединенной ячейке D17E17F17G17H17: =D13/(D8*60) = 71,361

В ячейках D18, E18, F18, G18, H18, и объединенной ячейке D19E19F19G19H19 тепловая мощность приведена в дугой единице измерения – в Гкал/час.

На этом расчет в Excel завершен.

Выводы:

Обратите внимание, что для нагрева воздуха необходимо более чем в два раза больше затратить энергии, чем для нагрева такой же массы стали.

При нагреве воды затраты энергии в два раза больше, чем при нагреве льда. Процесс плавления многократно больше потребляет энергии, чем процесс нагрева (при небольшой разности температур).

Нагрев воды в десять раз затрачивает больше тепловой энергии, чем нагрев стали и в четыре раза больше, чем нагрев воздуха.

Для получения информации о выходе новых статей и для скачивания рабочих файлов программ прошу вас подписаться на анонсы в окне, расположенном в конце статьи или в окне вверху страницы.

После ввода адреса своей электронной почты и нажатия на кнопку «Получать анонсы статей» НЕ ЗАБУДЬТЕ ПОДТВЕРДИТЬ ПОДПИСКУ кликом по ссылке в письме, которое тут же придет к вам на указанную почту (иногда - в папку « Спам» )!

Мы вспомнили понятия «количество теплоты» и «тепловая мощность», рассмотрели фундаментальные формулы теплопередачи, разобрали практический пример. Надеюсь, что мой язык был прост, понятен и интересен.

Жду вопросы и комментарии на статью!

Прошу УВАЖАЮЩИХ труд автора скачать файл ПОСЛЕ ПОДПИСКИ на анонсы статей.

1

Согласно оценкам Международного энергетического агентства, приоритетным направлением снижения выбросов диоксида углерода автомобилями является повышение их топливной экономичности. Задача снижения выбросов СО2 путем повышения топливной экономичности автотранспорта является для мирового сообщества одной из приоритетных, учитывая необходимость рационального использования не возобновляемых источников энергии. С этой целью постоянно ужесточаются международные стандарты, лимитирующие показатели пуска и эксплуатации двигателя в условиях низких и даже высоких температур окружающей среды. В статье рассмотрен вопрос топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания в зависимости от температуры, давления, влажности окружающего воздуха. Приведены результаты исследования по поддержанию постоянной температуры во впускном коллекторе ДВС с целью экономии топлива и определению оптимальной мощности нагревательного элемента.

мощность нагревательного элемента

температура окружающего воздуха

подогрев воздуха

экономия топлива

оптимальная температура воздуха во впускном коллекторе

1. Автомобильные двигатели. В.М. Архангельский [и др.]; отв. ред. М.С. Ховах. М.: Машиностроение, 1977. 591 с.

2. Карнаухов В.Н., Карнаухова И.В. Определение коэффициента наполнения в ДВС // Транспортные и транспортно-технологические системы, материалы Международной научно-технической конференции, Тюмень, 16 апреля 2014г. Тюмень: Изд-во ТюмГНГУ, 2014.

3. Ленин И.М. Теория автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1976. 364 с.

4. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. М: Изд-во Горячая линия-Телеком, 2009. 440 с.

5. Ютт В.Е., Рузавин Г.Е. Электронные системы управления ДВС и методы их диагностирования. М.: Изд-во Горячая линия-Телеком, 2007. 104 с.

Введение

Развитие электроники и микропроцессорной техники привело к широкому внедрению ее на автомобили. В частности, к созданию электронных систем автоматического управления двигателем, трансмиссией ходовой частью и дополнительным оборудованием. Применение электронных систем для управления (ЭСУ) двигателем позволяет снизить расход топлива и токсичности отработанных газов с одновременным повышением мощности двигателя, повысить приемистость и надежность холодного пуска. Современные ЭСУ объединяют в себе функции управления впрыском топлива и работой системы зажигания. Для реализации программного управления в блоке управления записывается зависимость длительности впрыска (количество подаваемого топлива) от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Зависимость задается в виде таблицы, разработанной на основе всесторонних испытаний двигателя аналогичной модели. Подобные таблицы используются и для определения угла зажигания. Эта система управления двигателем используется во всем мире, потому что выбор данных из готовых таблиц является наиболее быстрым процессом, чем выполнение вычислений при помощи ЭВМ. Полученные по таблицам значения корректируются бортовыми компьютерами автомобилей в зависимости от сигналов датчиков положения дроссельной заслонки, температуры воздуха, его давления и плотности. Основным отличием данной системы, применяемой в современных автомобилях, является отсутствие жесткой механической связи между дроссельной заслонкой и педалью акселератора, ею управляющей. В сравнении с традиционными системами, ЭСУ позволяет снизить расход топлива на различных автомобилях до 20 % .

Низкое потребление топлива достигается путем различной организации двух основных режимов работы ДВС: режима малой нагрузки и режима высокой нагрузки. При этом двигатель в первом режиме работает с неоднородной смесью, большим избытком воздуха и поздним впрыском топлива, благодаря чему достигается расслоение заряда из смеси воздуха, топлива и оставшихся отработанных газов, в результате чего он работает на бедной смеси. На режиме высокой нагрузки двигатель начинает работать на гомогенной смеси, что приводит к уменьшению выбросов вредных веществ в отработанных газах. Токсичность выброса при применении ЭСУ дизельными двигателями при пуске позволяют снизить различные свечи накаливания. ЭСУ получает информацию о температуре воздуха на впуске, давлении, расходе топлива и положении коленчатого вала. Блок управления обрабатывает информацию от датчиков и, используя характеристические карты, выдает значение угла опережения подачи топлива. С целью учета изменения плотности поступающего воздуха при изменении его температуры датчик расхода оснащен терморезистором. Но в результате колебаний температуры и давления воздуха во впускном коллекторе, несмотря на вышеперечисленные датчики, происходит мгновенное изменение плотности воздуха и, как следствие, уменьшение или увеличение поступления кислорода в камеру сгорания.

Цель, задачи и метод исследования

В Тюменском государственном нефтегазовом университете были проведены исследования с целью поддержания постоянной температуры во впускном коллекторе ДВС КАМАЗ-740, ЯМЗ-236 и D4FB (1.6 CRDi) автомобиля Киа Сид, MZR2.3-L3T - Мазда CX7. При этом температурные колебания воздушной массы учитывались температурными датчиками. Обеспечение нормальной (оптимальной) температуры воздуха во впускном коллекторе должно выполняться при всех возможных эксплуатационных режимах: пуске холодного двигателя, работе на малых и высоких нагрузках, при работе в условиях низких температур окружающей среды.

В современных быстроходных двигателях суммарная величина теплообмена оказывается незначительной и составляет около 1 % от всего количества тепла, выделенного при сгорании топлива. Увеличение температуры подогрева воздуха во впускном коллекторе до 67 ˚С приводит к уменьшению интенсивности теплообмена в двигателях, то есть уменьшению ΔТ и увеличению коэффициента наполнения. ηv (рис.1)

где ΔТ - разность температур воздуха во впускном коллекторе (˚К), Тп - температура нагрева воздуха во впускном коллекторе, Тв - температура воздуха во впускном коллекторе.

Рис. 1. График влияния температуры подогрева воздуха на коэффициент наполнения (на примере двигателя КАМАЗ-740)

Однако подогрев воздуха более 67 ˚С не приводит к росту ηv в связи с тем, что плотность воздуха при этом уменьшается. Полученные экспериментальные данные показали, что воздух у дизельных двигателей без наддува во время его работы имеет интервал температур ΔТ=23÷36˚С. Испытаниями было подтверждено, что для ДВС, работающих на жидком топливе, разница в величине коэффициента наполнения ηv, рассчитанного из условий, что свежим зарядом является воздух или топливовоздушная смесь, незначительна и составляет менее 0,5 % , поэтому для всех типов двигателей ηv определяется по воздуху.

Изменение температуры, давления и влажности воздуха сказывается на мощности любого двигателя и колеблется в интервале Ne=10÷15% (Ne - эффективная мощность двигателя).

Повышение аэродинамического сопротивления воздуха во впускном коллекторе объясняется следующими параметрами:

Повышенной плотностью воздуха.

Изменением вязкости воздуха.

Характером поступления воздуха в камеру сгорания.

Многочисленными исследованиями доказано, что высокая температура воздуха во впускном коллекторе увеличивает расход топлива незначительно. В то же время низкая температура увеличивает его расход до 15-20 %, поэтому исследования проводились при температуре наружного воздуха -40 ˚С и его нагреве до +70 ˚С во впускном коллекторе. Оптимальной по расходу топлива является температура воздуха во впускном коллекторе 15÷67 ˚С.

Результаты исследования и анализ

Во время испытаний была определена мощность нагревательного элемента для обеспечения подержания определенной температуры во впускном коллекторе ДВС. На первой стадии определено количество тепла, необходимого для нагрева воздуха массой 1 кг при постоянной температуре и давлении воздуха, для этого примем: 1. Температура окружающего воздуха t1=-40˚C. 2. Температура во впускном коллекторе t2=+70˚С.

Количество необходимого тепла находим по уравнению:

(2)

где СР - массовая теплоемкость воздуха при постоянном давлении, определяется по таблице и для воздуха при температуре от 0 до 200 ˚С.

Количество тепла для большей массы воздуха определяется по формуле:

где n - объем воздуха в кг, необходимого для нагрева при работе двигателя.

При работе ДВС на оборотах более 5000 об/мин расход воздуха легковых автомобилей достигает 55-60 кг/час, а грузовых - 100 кг/час. Тогда:

Мощность нагревателя определяем по формуле:

где Q - количество тепла, затраченное на нагревание воздуха в Дж, N - мощность нагревательного элемента в Вт, τ - время в сек.

Необходимо определить мощность нагревательного элемента в секунду, поэтому формула примет вид:

N=1,7 кВт - мощность нагревательного элемента для легковых автомобилей и при расходе воздуха более 100 кг/час для грузовых - N=3,1 кВт.

(5)

где Ттр - температура во впускном трубопроводе, Ртр - давление в Па во впускном трубопроводе, Т0 - , ρ0 - плотность воздуха, Rв - универсальная газовая постоянная воздуха.

Подставляя формулу (5) в формулу (2), получаем:

(6)

(7)

Мощность нагревателя в секунду определим по формуле (4) с учетом формулы (5):

(8)

Результаты расчетов количества тепла, необходимого для нагрева воздуха массой 1 кг со средним расходом воздуха для легковых автомобилей более V=55кг/час и для грузовых - более V=100кг/час, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Таблица определения количества тепла для нагрева воздуха во впускном коллекторе в зависимости от наружной температуры воздуха

	V>55кг/час		V>100кг/час
		Q, кДж/сек		Q, кДж/сек

На основании данных таблицы 1 построен график (рис. 2) количества тепла Q в секунду, затраченного на подогрев воздуха до оптимальной температуры. На графике видно, что чем выше температура воздуха, тем меньшее количество тепла необходимо для поддержания оптимальной температуры во впускном коллекторе, вне зависимости от объема воздуха.

Рис. 2. Количество тепла Q в секунду, затраченного на подогрев воздуха до оптимальной температуры

Таблица 2

Расчет времени нагрева различных объемов воздуха

	Q1, кДж/сек		Q2, кДж/сек

Время определено по формуле τсек=Q/N при температуре наружного воздуха >-40˚С,Q1 при расходе воздуха V>55 кг/час и Q2- V>100 кг/час

Далее по таблице 2 построен график времени нагрева воздуха до +70 ˚С в коллекторе ДВС при различной мощности нагревателя. На графике видно, что независимо от времени нагрева при повышении мощности нагревателя время нагрева разных объемов воздуха выравнивается.

Рис. 3. Время нагрева воздуха до температуры +70 ˚С.

Заключение

На основании расчетов и экспериментов установлено, что наиболее экономичным является использование нагревателей переменной мощности для поддержания заданной температуры во впускном коллекторе с целью получения экономии топлива до 25-30 %.

Рецензенты :

Резник Л.Г., д.т.н., профессор кафедры «Эксплуатация автомобильного транспорта» ФГБО УВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.

Мерданов Ш.М., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Транспортные и технологические системы» ФГБО УВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.

Захаров Н.С., д.т.н., профессор, действующий член Российской академии транспорта, заведующий кафедрой «Сервис автомобилей и технологических машин» ФГБО УВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.

Библиографическая ссылка

Карнаухов В.Н. ОПТИМИЗАЦИЯ МОЩНОСТИ НАГРЕВАТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА ВО ВПУСКНОМ КОЛЛЕКТОРЕ ДВС // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 3.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=13575 (дата обращения: 01.02.2020). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

Когда солнце греет сильнее – когда оно стоит выше над головой или когда ниже?

Солнце греет сильнее, когда стоит выше. Солнечные лучи в этом случае падают под прямым, или близким к прямому углом.

Какие виды вращения Земли вам известны?

Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца.

Почему на Земле происходит смена дня и ночи?

Смена дня и ночи – результат осевого вращения Земли.

Определите, как отличается угол падения солнечных лучей 22 июня и 22 декабря на параллелях 23,5° с. ш. и ю. ш.; на параллелях 66,5° с. ш. и ю. ш.

22 июня угол падения солнечных лучей на параллели 23,50 с.ш. 900, ю.ш. – 430. На параллели 66,50 с.ш. – 470, 66,50 ю.ш. – скользящий угол.

22 декабря угол падения солнечных лучей на параллели 23,50 с.ш. 430, ю.ш. – 900. На параллели 66,50 с.ш. – скользящий угол, 66,50 ю.ш. – 470.

Подумайте, почему самые теплые и холодные месяцы - не июнь и декабрь, когда солнечные лучи имеют наибольший и наименьший углы падения на земную поверхность.

Атмосферный воздух нагревается от земной поверхности. Поэтому в июне происходит нагревание земной поверхности, а температура достигает максимума в июле. Тоже происходит зимой. В декабре выхолаживается земная поверхность. В январе остывает воздух.

Определите:

среднюю суточную температуру по показателям четырех измерений за сутки:-8°С, -4°С,+3°С,+1°С.

Среднесуточная температура -20С.

среднюю годовую температуру Москвы, используя данные таблицы.

Среднегодовая температура 50С.

Определите суточную амплитуду температур для показателей термометров на рисунке 110, в.

Амплитуда температур на рисунке в 180С.

Определите, на сколько градусов годовая амплитуда в Красноярске больше, чем в Санкт-Петербурге, если средняя температура июля в Красноярске +19°С, а января- -17°С; в Санкт-Петербурге +18°С и -8°С соответственно.

Амплитуда температур в Красноярске 360С.

Амплитуда температур в Санкт-Петербурге 260С.

Амплитуда температур в Красноярске больше на 100С.

Вопросы и задания

1. Как происходит нагревание воздуха атмосферы?

Пропуская солнечные лучи, атмосфера от них почти не нагревается. Нагревается же земная поверхность, и сама становится источником тепла. Именно от нее нагревается атмосферный воздух.

2. Насколько градусов уменьшается температура в тропосфере при подъеме на каждые 100 м?

При подъеме вверх па каждый километр температура воздуха понижается на 6 0С. Значит, на 0,60 на каждые 100 м.

3. Вычислите температуру воздуха за боротом самолета, если высота полета 7 км, а температура у поверхности Земли +200С.

Температура при подъеме на 7 км понизится на 420. Значит, температура за бортом самолета составит -220.

4. Можно ли в горах на высоте 2500 м встретить летом ледник, если у подножий гор температура +250С.

Температура на высоте 2500 м составит +100С. Ледник на высоте 2500 м не встретится.

5. Как и почему изменяется температура воздуха в течение суток?

Днем солнечные лучи освещают земную поверхность и прогревают ее, от нее нагревается и воздух. Ночью поступление солнечной энергии прекращается, и поверхность вместе с воздухом постепенно остывает. Солнце наиболее высоко стоит над горизонтом в полдень. В это время поступает больше всего солнечной энергии. Однако самая высокая температура наблюдается через 2-3 ч после полудня, так как на передачу тепла от поверхности Земли к тропосфере требуется время. Самая низкая температура бывает перед восходом солнца.

6. От чего зависит разница в нагревании поверхности Земли в течении года?

В течение года на одной и той же территории солнечные лучи падают на поверхность по-разному. Когда угол падения лучей более отвесный, поверхность получает больше солнечной энергии, температура воздуха повышается и наступает лето. Когда солнечные лучи наклонены сильнее, поверхность нагревается слабо. Температура воздуха в это время понижается, и наступает зима. Самый теплый месяц в Северном полушарии - июль, а самый холодный - январь. В Южном полушарии - наоборот: самый холодный месяц года - июль, а самый теплый - январь.