Конструктивная разработка устройства топливной системы с нагревателем биотоплива

Перечень чертежей:

1. Чертеж общего вида топливной системы с нагревателем топлива на формате А1 с обозначением позиций и техническими характеристиками:

• Масса нагревателя биотоплива - 2 кг;
• Время подогрева биотоплива - 600 с;
• Мощность трубчатого нагревательного элемента (ТЭНа) - 7 Вт

2. Сборочный чертеж нагревателя биотоплива А1 с указанием габаритных размеров, посадок, с техническими требованиями:

• Нагреватель биотоплива установить вдали от резиновых и пластмассовых изделий;
• Обеспечить усилие затяжки топливных болтов - 10 кН;
• Обеспечить противопоточное направление выхлопных газов и топлива

3. Рабочие чертежи деталей А1:

• Штуцер из стали 40 ГОСТ 1050-88;
• Крышка из стекловолокнита СВ ГОСТ 9639-71;
• Корпус из стали 45 ГОСТ 1050-88;
• Теплопередающий элемент из алюминиевого сплава АЛ25 ГОСТ 2685-75;
• Фланец стальной

На чертежах указаны радиусы скруглений, уклоны, шероховатости и технические условия:

• Неуказанные предельные отклонения размеров Н14, h14, ± IT14/2;
• Острые кромки притупить;
• Не указанные радиусы 3 мм

4. Технологическая карта для подготовки двигателя трактора Т-25 к пуску - монтаж нагревателя биотоплива А1 с основными операциями:

• Собрать систему нагрева топливного бака;
• Собрать выхлопную систему;
• Собрать топливную систему;
• Включить нагревательную камеру в топливном баке;
• Включить нагреватель биотоплива;
• Запуск двигателя стартером

5. Технико- экономические показатели внедрения проекта А1

Дополнительные материалы: приведена расчетно-пояснительная записка на 45 страницах, где выполнен анализ существующих конструкций подогревателей топлива

При разработке подогревателя биотоплива был произведен поиск по патентным фондам, изучены конструкции и работа существующих подогревателей топлива по авторским свидетельствам №1160089, №2030621, №2022150, №2052150, №2002095.

Описаны показатели свойств дизельного топлива и рапсового масла.

Выполнен анализ наиболее важных характеристик рапсового (растительного) масла и товарного дизельного топлива. Приведены значения низшей теплоты сгорания, вязкости и цетанового числа рапсового масла и дизельного топлива среднего состава. Представлены таблицы влияния температуры на плотность и вязкость рапсового масла, показатели рапсового масла после метилэтерфикации, некоторые химические показатели растительных масел, значения величины поверхностного натяжения рапсового масла и дизельного топлива и некоторые физические показатели рапсового масла и дизельного топлива. Для производства биотоплива вполне может использоваться рапсовое масло, но с обязательным подогревом с целью снижения его вязкости.

Выполнена разработка конструкции нагревателя биотоплива.

При использовании рапсового масла наряду с жидкостными подогревателями, обеспечивающими прогрев блока двигателя, должны быть предусмотрены подогреватели топлива и в элементах топливной системы. Самый эффективный - электроподогрев от аккумуляторной батареи.

Нагреватель дизеля транспортного средства содержит корпус в виде цилиндрической трубы с патрубком для подвода и патрубком для отвода топлива и размещенный внутри корпуса соосно ему теплопередающий элемент в виде трубы с фланцами для циркуляции теплоносителя из жидкостного контура системы охлаждения дизеля. Для правильной установки трубы в корпусе используется штифт. На наружной поверхности трубы между патрубками выполнены многозаходные винтовые ребра, образующие в межтрубном пространстве винтовые каналы, которые сообщены с патрубками. На наружной поверхности корпуса, вдоль него между патрубками размещены электронагревательные элементы (позисторы). Они установлены в гнездах на корпусе и фиксируются контактной пластиной. Напротив позисторов вершины ребер усечены таким образом, что между ними и внутренней поверхностью корпуса образованы продольные каналы. Вершины остальной части ребер в поперечном сечении корпуса по его периметру сопряжены с внутренней поверхностью корпуса.

Нагреватель работает следующим образом. Перед запуском двигателя подают электропитание на нагреватель. Под действием тепла, выделяемого позисторами, прогреваются стенки, между которыми образован продольный зазор, и это обеспечивает разрушение парафиновых фракций, прокачиваемость топлива через него, уверенный пуск и работу дизеля на холостом ходу. При этом эффект прогрева топлива от позисторов усиливается прогревом его от жидкого теплоносителя. В дальнейшем по мере прогрева двигателя температура охлаждающей жидкости повышается, увеличивается теплоотдача, нагреватель полностью разблокируется от парафинов, движение топлива осуществляется по всему проходному сечению, нагреватель выходит на рабочий режим и позисторы отключают.

При прогреве двигателя выполнение ребер способствует повышению эффективности работы нагревателя. Наибольшая эффективность достигается, если проходное сечение продольного канала составляет от 2-4% общего проходного сечения винтового канала. Таким образом, использование комбинации оребренной и неоребренной (в виде продольного зазора) поверхностей в направлении движения топлива при наличии позисторов обеспечивает повышение эффективности работы нагревателя, надежности пуска двигателя при отрицательных температурах окружающего воздуха и надежную работу в послепусковой период.

Приведен сравнительный расчет тепло-физических показателей двигателя для процесса впуска.

Для расчета принят подогрев свежего заряда дизельного топлива при температуре - 25º, биотоплива - 100º. Результаты расчета:

Определено давление в конце процесса сжатия для дизельного топлива – 3961,4 кПа, для биотоплива – 3589 кПа и температура в конце сжатия для дизельного топлива – 889,6 К, для биотоплива – 1082,8 К.

Определена степень предварительного расширения для дизельного топлива – 1,5, для биотоплива – 1,6 и степень последующего расширения для дизельного топлива – 10,59, для биотоплива – 10. Вычислено давление в конце расширения для дизельного топлива – 339,7 кПа, для биотоплива – 308,4 кПа, и температура в конце расширения для дизельного топлива – 1215 К, для биотоплива – 1432 К.

Определено давление в конце выхлопа для дизельного топлива – 125 кПа, для биотоплива – 105 кПа.

Эффективные показатели работы двигателя:

Определено общее количество теплоты, введенной в двигатель с дизельным топливом – 138656,25 кДж/ч, с биотопливом – 163747 кДж/ч.

Теплота, эквивалентная эффективной работе, для дизельного топлива равна 54000 кДж/ч. Процентное количество тепла, расходуемое на работу для дизельного топлива – 38,9%, для биотоплива – 32,9%.

Найдена теплота, передаваемая охлаждающей среде для дизелей без наддува – 43078,4 кДж/ч; 31%. Для биотоплива теплота, передаваемая охлаждающей среде, составит 72908,3 кДж/ч; 44,5%. Определена теплота, уносимая с отработавшими газами, для дизельного топлива – 40210 кДж/ч; 29%; процентное количество теплоты, уносимое с отработавшими газами, для биотоплива – 18,5%.

Приведены схемы теплового баланса двигателя. Определены неучтенные потери для дизельного топлива – 1367,85 кДж/ч; 1,1%; для биотоплива – 6400,7 кДж/ч; 4,1%.

Определен тепловой поток, передаваемый холодному теплоносителю – 35 Вт; коэффициент теплопередачи – 33,93; требуемая поверхность теплообмена – 0,032 м². Длина подогревателя принята равной 0,0186 м, найден его диаметр - 0,055 м. Представлена схема с конструктивными размерами теплопередающего элемента.

Выбран позистор модели СТ6-5Б с диапазоном номинальных сопротивлений 3…20 Ом; максимальной мощностью 2,5 Вт; с рабочей температурой - 60…125ºС.

Произведен расчет нагревательного элемента и определены основные параметры ТЭНа: расчетная мощность ТЭНа - 6,6 кВт и диаметр – 0,024 м. Из стандартного ряда выбрано значение диаметра ТЭНа, равное 0,025 м.

Выполнена проверка крепления подогревателя по условию устойчивости, определен коэффициент запаса – 14. Произведен расчет болтового соединения кронштейна на срез и на смятие. Принят болт М16.

Проблема разогрева топлива в топливопроводах решена путем навивки кабеля на топливопровод. Секция такого кабеля длиной 1,15 метра отбирает мощность не более 25 ватт. Теплоизоляция выполнена трубчатым материалом "Армафлекс", который перед установкой разрезается и одевается на топливопровод с навитым на него нагревательным кабелем.

При разработке топливной системы дизеля трактора Т-25 окупаемость проекта составит примерно один год. Экономический эффект от внедрения конструкции на 1 трактор составит 96495 руб.

В проекте выполнена разработка топливной системы дизеля трактора Т-25 для работы на биотопливе. Произведен тепловой расчет двигателя и расчет нагревателя топлива. Выбран позистор и ТЭН для обеспечения необходимых условий нагрева топлива.

Спецификация – 1 лист и присутствует на чертеже общего вида

В программе: Компас 3Dv