Утилизация отработанной энергии в настоящее время рассматривается популярным способом энергосбережения по очевидным преимуществам снижения затрат. Так, к примеру, повторное использование тепла двигателя автомобиля видится актуальной задачей в связи с увеличением числа транспортных средств. Поэтому исследования, направленные на использование выхлопных газов двигателя автомобиля в качестве источника энергии, стабильно набирают ход. В частности, ведутся исследования абсорбционной холодильной системы, использующей раствор жидкости в качестве хладагента. Рассмотрим тему - система утилизации тепла автомобильного двигателя, дабы открыть возможности модернизации мотора обычному владельцу ТС, а не только исследовательским группам.
Что даёт утилизация тепла мотора автомобиля?
Можно сделать определённые выводы, если внимательно рассмотреть влияние абсорбционной холодильной системы на производительность автомобильного мотора и на выбросы выхлопных газов. Производительность двигателя регулируется путём изменения положения дроссельной заслонки на 25%, 50%, 75%, вплоть до состояния максимального открытия.
Испытания экспериментальной системы утилизации показали, что через 3 часа допустимо получить температуру внутри холодильника до +4°C. При этом охлаждающая способность системы увеличивается с увеличением процента открытия дроссельной заслонки.
Вместе с тем, установка системы охлаждения на автомобиле приводит к выбросам выхлопных газов, которые имеют более высокую углеводородную ценность, но меньшее содержание монооксида углерода (СО).
Учёные экспериментировали с управлением потоком выхлопных газов, используемым в качестве источника энергии для абсорбционной холодильной системы с раствором аммиака (NH3) в качестве рабочей жидкости.
Тестирование абсорбционной установки на аммиаке
Тесты показали, что холодильник имел более высокую производительность при более высокой подаче тепла. Также исследовалась абсорбционная холодильная система с раствором NH3 в качестве рабочей жидкости.
Тепло поступало на абсорбционный холодильник от двух разных источников:
- От обычного устройства обогрева.
- От выхлопной системы двигателя автомобиля.
Если выхлопной системе двигателя автомобиля потребовалось всего 40 секунд, чтобы привести абсорбционную машину в устойчивое состояние, устройству обычного нагрева потребовалось 3 минуты.
Оба источника тепла способны привести к снижению температуры внутри испарителя до + 3°C через 2 часа для двигателя автомобиля и через 7 часов для обычного нагревателя, соответственно. Самая низкая температура, при которой аммиак испарялся, достигала значения 140°C.
Также исследовалась работа диффузионно-абсорбционного чиллера, мощностью 5 кВт. Устанавливались разные температуры генератора, температуры охлаждаемой воды на входе чиллера и температуры охлажденной воды на выходе.
Наиболее низкая температура генератора для поддержания работы системы составляла 90°C, при температуре на выходе охлаждённой воды 18°C. При таких условиях машина показала результат - 3,6 кВт производительности по холоду.
Максимум производительности по холоду и КПД испытательного устройства составляли 4,52 кВт и 0,45, соответственно. Отсюда вытекает вывод: испытательный блок вполне допустимо использовать совместно с устройством охлаждения без необходимости применения электроснабжения.
Тестирование на дизельном двигателе автомобиля
Экспериментально использовался также выхлоп дизельного двигателя для подачи энергии в диффузионную абсорбционную холодильную систему. Эксперимент показал: спустя три с половиной часа, температура внутри холодильника достигает значений 10-14,5°С.
Температурная разница зависит от регулировки крутящего момента двигателя до значений 15, 30, 45 Нм, а скорость потока выхлопных газов контролируется на уровне 0,07–0,09 кг/с. Максимальный КПД отмечался значением 0,10, когда крутящий момент приближался к параметру 30 Нм после 3 ч работы.
Система утилизации + условия стороны охлаждения
Несмотря на достаточно большой объём информации по использованию выхлопных газов для абсорбционной холодильной системы, задачи для дальнейших исследований остаются актуальными.
В упомянутых выше исследованиях и экспериментах использовались готовые абсорбционные холодильники. Большинство исследований сопровождаются установкой экспериментальных условий только на стороне отработанных газов. Эффекты соответствующих параметров стороны охлаждения отмечены пока что сравнительно малым вниманием.
Применительно к данному случаю, абсорбционная холодильная система разработана и сформирована из отдельных компонентов. В результате экспериментальные условия стороны охлаждения вполне могут быть установлены. Исследовано влияние различных соответствующих параметров, как со стороны охлаждения, так и со стороны выхлопных газов на охлаждающую нагрузку и КПД системы.
Конструкция экспериментального аппарата и методика
Для экспериментов рассматривается абсорбционная холодильная система с одним эффектом, где используется рабочий раствор бромид лития с водой, а в качестве источника нагрева - выхлопные газы двигателя автомобиля. Генератор представляет собой спирально-трубчатый теплообменник, в то время как конденсатор, испаритель и абсорбер представлены змеевиковыми теплообменниками с кожухом.
Результаты показывают, что система может работать с частотой вращения автомобильного двигателя 1200–1400 об/мин. Нагрузка охлаждения и коэффициент полезного действия (КПД) увеличиваются с увеличением частоты вращения мотора автомобиля. Наивысший КПД - 0,275, достигается при частоте вращения автомобильного двигателя - 1400 об/мин.
- процент открытия клапана на выходе сепаратора - 72,7% ,
- процент открытия клапана на выходе конденсатора - 4,55%,
- температура воды на выходе конденсатора - 25ºC,
- скорости потока рабочей жидкости (LiBr + вода) - 0,7 л / мин.
Пониженная температура хладагента на выходе из конденсатора помогает увеличить как охлаждающую нагрузку, так и КПД установки. Увеличение скорости потока раствора (LiBr + вода) помогает увеличить охлаждающую нагрузку, но приводит к снижению КПД.
Эксперименты проводятся при оборотах двигателя автомобиля: 1000, 1200, 1400, 1600 об/мин, соответственно. Проценты открытия расширительного клапана:
- 54,5%
- 72,7%
- 90,9%
на выходе сепаратора и:
- 3,41%
- 4,55%
- 5,68%
на выходе конденсатора. Температура хладагента на выходе из конденсатора °C:
- 25
- 30
- 35
при скорости потока рабочего раствора (LiBr + вода) 0,35 и 0,7 л/мин, соответственно.
Принципиальная схема абсорбционной системы приведена на картинке ниже.
Основные компоненты системы:
- конденсатор,
- испаритель,
- абсорбер,
- генератор,
- двигатель автомобиля.
Экспериментальная схема предполагает, в частности, использование двигателя автомобиля «Toyota 3RZ-FE». Под этот мотор производились системные расчёты. Однако фактически мотор допускается использовать от любого автомобиля.