Устройство для преобразования механической энергии масла в тепловую Российский патент 2020 года по МПК B64F1/28 

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.

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 м³, 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.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, являлось обеспечение подогрева масла объёмом не менее 0,5 м³ 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.

Объем маслобака V = 500 литров = 0,5 м³.

Плотность масла с = 900 кг/м³.

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

$$m=V\cdot \rho =\mathrm{0,5}\cdot 900=450кг$$.

Энергия, необходимая для нагрева 450 кг масла на 2 градуса

$$Е=с\cdot m\cdot \Delta t=\mathrm{1,9}\cdot 450\cdot 2\approx 1710кДж$$.

Мощность, необходимая для нагрева 450 кг масла на 2 градуса за 1 минуту (60 с)

$$P=E/Т=1710/60=\mathrm{28,5}кВт$$.

Энергия необходимая для разогрева 450 кг масла от минус 23°С до плюс 50°С

$$Е=с\cdot m\cdot \Delta t=\mathrm{1,9}\cdot 450\cdot 73\approx 62415кДж$$.

Расчётное время разогрева при подводимой мощности Р=28,5 кВт

$$T=E/P=62415/\mathrm{28,5}=2190с\approx 37мин.$$

Полезная мощность насоса:

$$N_n=P\cdot Q$$ ,

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).

$$Q_n=n\cdot V_n$$ ,

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

Nп=16·10⁶· 0,0026 = 41600 Вт = 41,6 кВт

Потеря давления в дросселе определяется как:

Δp= Δt·с·C·m,

где Δt - повышение температуры масла,

с - плотность масла, 900 кг/м³,

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

Δp₁= 80 · 900 · 1,9 · 1 = 119700 кг/м² ~ 1,2 МПа,

Δp₂= 40 · 900 · 1,9 · 1 = 68400 кг/м² ~ 0,7 МПа,

Δp₃= 20 · 900 · 1,9 · 1 = 34200 кг/м² ~ 0,3 МПа.

Потеря мощности в дросселе определяется как:

ΔN = Δp · Q

ΔN₁ = 1,2 · 10⁶ · 0,0026 = 3120 Вт ~ 3,1 кВт,

ΔN₂ = 0,7 · 10⁶ · 0,0026 = 1820 Вт ~ 1,8 кВт,

ΔN₃ = 0,3 · 10⁶ · 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.

$$N_{общ}=P+{\displaystyle \sum \Delta N}$$

$$N_{общ}=\mathrm{28,5}+\mathrm{3,1}+\mathrm{1,8}+\mathrm{0,8}=\mathrm{34,2}кВт$$

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.

Изобретение относится к области преобразования механической энергии в тепловую, а именно разогреву масла в ёмкости, входящей в гидросистему. Устройство для преобразования механической энергии масла в тепловую содержит масляный бак, напорную и сливную магистрали, насос, установленные параллельно в напорной магистрали дроссели и гидрораспределитель. В напорной магистрали установлено три дросселя, а гидрораспределитель выполнен с возможностью последовательного отключения дросселей в зависимости от давления масла. Достигается обеспечение подогрева масла объёмом не менее 0,5 м³ при низких температурах окружающей среды. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для преобразования механической энергии масла в тепловую, содержащее масляный бак, напорную и сливную магистрали, насос, установленные параллельно в напорной магистрали дроссели и гидрораспределитель, отличающееся тем, что установлено по меньшей мере три дросселя, а гидрораспределитель выполнен с возможностью последовательного отключения дросселей в зависимости от давления масла.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что привод насоса осуществляется от коробки отбора мощности двигателя специализированного транспортного средства.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что оно содержит 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.