XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке. Летняя площадка 2022

Экономный холодильный транспорт. Авторефрижератор

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Вахитов С.А. 1Сазонов Н.Е. 1Нестеренко А.А. 1Меркурьев К.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейн

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуально развития Мистер Брейн

Работа в формате PDF

2.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность:

В связи с постоянно увеличивающимся транспортным потоком в области перевозки скоропортящихся и других видов грузов, рефрижераторы как основные мобильные агрегаты, стали пользоваться повышенным спросом.

Автомобильный холодильный транспорт в настоящее время используется не только для внутригородских перевозок, но и на дальние расстояния. Они оснащены компрессорной холодильной установкой, которая работает за счет энергии сжигаемого в двигателе топлива.

Проблема:

Транспортировка скоропортящихся грузов является одним из самых энергозатратных видов перевозок. Проблемой является то, что объем топливного бака автомобиля ограничен, водитель должен учитывать не только расход топлива на доставку скоропортящегося груза, но и обеспечение его сохранности. При увеличении объема бака, увеличивается масштабность взрыва бака при аварии

Мы задумались, как можно сократить расход топлива. А что если функционирование системы рефрижератора будет обеспечиваться от отдельной батареи, которая будет заряжаться путем рекуперации. При торможении машины энергия расходуется в ходе контакта тормозных колодок и тормозных дисков, стирая их, т.е. просто «в никуда», но ведь ее можно вернуть.

Цель: создание демонстрационной модели на базе конструктора LEGO для решения проблем перевозки скоропортящихся продуктов.

Задачи:

Исследовать способ перевозки скоропортящихся продуктов

Изучить конструкцию и принцип работы авторефрижератора

Изучить устройство и принцип работы рекуперативной системы торможения в автомобиле

Исследовать популярные модели рефрижераторов

Изучить и рассчитать расход топлива

Объединить два набора Spike Prime и Mindstorm, придумать систему

Создание схему модели

Создание модели авторефрижератора

Создание рекуперативной системы на базе конструктора Spike Prime

Создание программы в ПО Spike Prime и Mindstorms

При оформлении проекта мы использовали идеи из большой книги LEGO MINDSTORMS EV3[1]. При создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике. [2]

Глава 1. Конструкция авторефрижератора

ДИЗЕЛЬ-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

Источник энергии – дизель. От него запускается трехфазный генератор переменного тока, далее установка работает на электричестве.

АВТОНОМНЫЕ

Имеют свой собственный дизельный двигатель, продолжают работать на стоянках. Подходят для многотоннажного транспорта и для прицепов, для перевозки больших партий замороженного груза на большие расстояния.

С ПРИВОДОМ ОТ ДВИГАТЕЛЯ

Двигатель соединяется с компрессором с помощью эластичного или клиновидного ремня передачи, на валу компрессора размещена муфта сцепления. Система вентиляторов функционирует от бортового электричества. Это удобно для транспортировки малых партий груза на небольшие расстояния (например, по городу). Для дальней междугородней транспортировки не подойдет, т.к. на стоянках холодильное оборудование работать не будет. Такие рефрижераторы устанавливают на машины с небольшим объемом фургона (каблук и т.)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

Работают от электродвигателя постоянного тока 12 либо 24 В. Существуют модели на 230 В с преобразователем тока (инвертором). Зарядка осуществляется на стоянках.

ЭВТЕКТИКА

Этот вид отличается от остальных по принципу работы. Холодильный эффект обеспечивают эвтектические плиты, заполненные антифризом. На стоянках при подключении к электросети они охлаждаются до -30 градусов, после чего долго держат холод. (Рисунок 1.1, Приложения)[3]

Фургон авторефрижератора изготавливается из сэндвич-панелей толщиной примерно 8 см, а внутри обшит полиуретаном или другими теплоизоляционными материалами. Зашита внутри и снаружи - оцинкованная сталь с полимерным защитным покрытием или ламинированная фанера или фанера с оклейкой из армированного пластика или плакированные стальные или алюминиевые листы. Для препятствия перемежению груза во время движения внутри устанавливают сетчатые съёмные решётки. Сборка осуществляется бескаркасным способом. (Рисунок 1.2, Приложения)

Глава 2. Принцип действия рефрижератора

Действие холодильных установок основано на несложных физических процессах испарения и конденсации. На этих же принципах реализована работа авторефрижераторов. Главное преимущество машинного охлаждения относится поддержание в автоматическом порядке постоянных низких температур, оптимальных для определенного вида продукта. [4]

Температура внутри рефрижераторного полуприцепа регулируется в пределах от - 20 °C до + 12 °C независимо от внешней температуры окружающей среды. [5]

Принцип работы автомобильных холодильных установок основан на процессе поглощения или выделения тепла. В замкнутой системе под давлением циркулирует хладагент (фреон). При помощи компрессора газообразный фреон с низким давлением (около 2 атм.) сжимается до 15-18 атм. и через внутренний клапан направляется в конденсатор.

Под давлением температура хладагента увеличивается. В конденсаторе фреон отдает тепло во внешнюю среду и конденсируется, то есть превращается в жидкость. Далее жидкий фреон попадает в ресивер-влагоотделитель, который является резервуаром для жидкого хладагента. После него фреон попадает в терморегулирующий вентиль, где за счет резкого снижения давления происходит кипение и испарение жидкости при температуре порядка -35° С. (Рисунок 2.1, Приложения)

Процесс испарения жидкого хладагента в испарителе сопровождается поглощением тепла, которое отбирается от проходящего через испаритель воздушного потока. Воздух, находящийся в фургоне, продувается через испаритель и охлаждается. Влага, содержащаяся в воздухе, конденсируется на испарителе, либо сливается по дренажным трубкам во внешнюю среду. Далее газообразный хладагент опять попадает в компрессор, где снова сжимается и нагревается. С этого момента цикл повторяется. (Рисунок 2.2, Приложения)

Глава 3. Популярные модели и их технические характеристики

Кампания H-THERMO

Модель H-Thermo HT-210

Рефрижераторное оборудование H-Thermo (Юж. Корея). Температурный режим  0 С до 16 м3.Температурный режим до -20 С до 11 м3Авторефрижератор H-THERMO HT-210 поддерживает температурный режим при перевозке охлаждённых грузов в фургонах до 16 м3, грузов глубокой заморозки до 11 м3. Данная модель относится к системам раздельного типа (сплит-система): конденсатор и испаритель представляют собой два раздельных узла, соединенных между собой гибкими шлангами через отверстие в фургоне (Рисунок 3.1, Приложения)

Модель H-ThermoHT-210 HESC

Рефрижераторное оборудование H-Thermo (Юж. Корея). Температурный режим  0 С до 16 м3Температурный режим до -20 С до 11 м3.С возможностью работы от сети (стоянка) 220/380 В . Авторефрижератор H-THERMO НТ-210 HESC поддерживает температурный режим при перевозке охлаждённых грузов в фургонах . Данная модель относится к системам раздельного типа (сплит-система): конденсатор и испаритель представляют собой два раздельных узла, соединенных между собой гибкими шлангами через отверстие в фургоне.

Кампания Thermo-King

Модель T-600R

Агрегаты с автономным дизельным двигателем серии Т (моноблок) (R404A) Компания Термо Кинг основана в 1937 году и уже хорошо зарекомендовала себя среди крупных грузоперевозчиков. Объем фургона: от 5,5 м3 до 6 м3 (Рисунок 3.2, Приложения)

Кампания Rime, Модель R1400

Российский бренд, производящий холодильное оборудование и рефрижераторы на европейских и корейских комплектующих. Модель: R 14 12V.Бортовая сеть:12В. Температурный режим до 0 - +7  (при толщине стенки 50мм) до 14м3.Фреон: R-404a.Возможность монтажа как на крыше фургона, так и с торцевой его части. (Рисунок 3.3, Приложения)

Модель R 1400 M MULTI 12V
Модель: R 1400 M MULTI 12V Бортовая сеть: 12В 1 отсек до 6м3 0 С°  2 отсек до 6м3 -20 С°
Фреон: R-404a
 Мультитемпературная холодильная установка Rime R1400 M Multi, предназначена для поддержания необходимой температуры в изотермических автофургонах, имеющих два изолированных грузовых отсека, для транспортировки продукции, требующей разный температурный режим. Общий объемом автофургона до 12 м3. [6]

Глава 4. Расход топлива. Расчет стоимости.

Транспортировка скоропортящихся грузов является одним из самых энергозатратных видов перевозок. Их нужно транспортировать при определенной температуре, для поддержания которой расходуется автомобильное топливо. Неправильный расчет топлива, расходуемого холодильной установкой, чреват простоем грузового транспорта, срывом сроков доставки товаров и порчей перевозимого груза.

Большинство автомобилей-рефрижераторов оснащены компрессорной холодильной установкой. Она работает за счет энергии сжигаемого в двигателе топлива. Так как объем топливного бака автомобиля ограничен, водитель должен учитывать не только расход топлива на доставку скоропортящегося груза, но и обеспечение его сохранности. Для этого существуют нормы расхода топлива рефрижератора на 100 км. Давайте рассмотрим их на примере изотермических фургонов, оснащенных оборудованием Thermo King.

После рассчитали средний расход топлива и его итоговую стоимость. подсчитали, какое количество топлива уходит только на поездку, без охлаждения, что составляет 1/2 часть.  То есть для поездок на дальние расстояния требуется частая дозаправка или бак больших объемов.

 Расход топлива на дорогу:

2256 : 60 км/ч = 37 часов займет дорога

37х2,4 = 89 л расход топлива на охлаждение

На охлаждение уходит 2,4 л – это примерно ½ бака 

По нашим расчётам, чтобы доставить продукцию из Тюмени в Москву потребуется 89 л только на охлаждение холодильника, а это 4440 рублей

Также следует отметит, что стоимость топлива с каждым годом растет.

Глава 5. Авторефрижератор с рекуперативной системой тормажения на базе конструктора Lego Mindstorms

5.1. Эксперименты. Приводная платформа

Эксперимент 1. Большие моторы

Для реализации проекта, нам необходимо было рассчитать путь торможения и определит какие факторы на него влияют.

Мы создали приводную платформу на базе конструктора Lego Mindstorms. Модель перемещалась с помощью двух больших моторов. Мы создали программу, где тормозной путь выводится на экран, работает он следующим образом:

Энкодер сбрасывает градусы, тем самым обнуляя мотор.

Далее с помощью блока «Рулевое управление» платформа проезжает указанное количество времени.

Измеренное количество градусов передается с обеих моторов в блок математики, где суммируется

Итог выводится на экран блока EV3 (Рисунок 5.1.1, Приложения)

Мы провели ряд экспериментов, меняя продолжительность заезда.

Был сделан вывод: продолжительность заезда влияет на тормозной путь. Чем дольше едет платформа, тем больше будет тормозной путь.

После чего мы решили изменить скорость:

Вывод: на тормозной путь приводной платформы на больших моторах, влияет только продолжительность работы моторов, и никак не влияет скорость.

5.2. Эксперимент 2. Средний мотор

Мы заменили большие моторы на средний, так как он не содержит в себе редуктор.

Провели ряд экспериментов:

Вывод: тормозной путь приводной платформы на среднем моторе зависит как от продолжительности, так и от мощности мотора.

5.2. Создание модели

Для достижения нашей цели, нам понадобились два набора Lego Mindstorms и Lego Spike Prime. ПО Mindstorms – может измерять тормозной путь, он нам потребуется для перемещения авторефрижератора. Spike Prime – имеет датчик для измерения силы нажатия, будет демонстрировать рекуперативную систему, а также выполнять роль рефрижератора.

Реализовывать проект мы начали с создания приводной платформы, после чего усовершенствовали ее изменив привод на средний мотор. Движение двух передних колес происходит за счет среднего мотора, который передает энергию на кноб-колеса, тем самым меняя угол вращения. (Рисунок 5.2.1, Приложения) Далее с помощью зубчатой передачи энергия поступает на колеса. (Рисунок 5.2.2, Приложения)

Далее мы разработали чертеж, где определили расположение основных элементов. (Рисунок 5.2.3, Приложения)

После мы преступили к созданию механизма, который в дальнейшем будет связывающим звеном между Mindstorms и Spike. Механизм представляет собой реечную передачу, которая работает от второго среднего мотора. (Рисунок 5.2.4, Приложения) Мотор с помощью зубчатой угловой передачи, приводит в движение шестеренку на 16 зубьев, та перемещает реечку вперед-назад. При движении вперед, реечка нажимает на датчик силы нажатия Spike Prime. Чем дальше продвигается реечка, тем сильнее нажат датчик. (Рисунок 5.2.5, Приложения)

Охуждающей системой является средний мотор, на которого установлены лопасти. Он играет роль «вентилятора». (Рисунок 5.2.5, Приложения)

Фургон мы сделали из рамок, крышу и боковую стенку оставили открытой, чтобы можно было наблюдать за работой устройства. (Рисунок 5.2.6, Приложения)

При создании кабины мы разметили чертеж (Рисунок 5.2.7, Приложения), по которому вырезали шаблон и обклеили его подходящими иллюстрациями. (Рисунок 5.2.8, Приложения)

5.3. Управление моделью с помощью ПО Mindstorms и ПО Spike Prime

Мы объединили в нашем проекте два контролера. Поэтому программы запускаются одновременно.

Первая срабатывает программа Mindstorms, работает следующим образом (Рисунок 5.3.1, Приложения)

Первая часть отвечает за перемещение транспорта и измерение тормозного пути:

Энкодер сбрасывает значение среднего мотора до 0.

Далее авторефрижератор движется вперед, при помощи блока «Средний мотор» со скоростью 100 на протяжении 5 секунд. Важно отметить, что параметр «тормозить в конце» выключен

Полученное значение округляем до ближайшего

Выводим итог на экран на 2 секунды

Вторая часть отвечает за приведение в движение устройства, которое нажимает на датчик силы:

Измеренное количество градусов тормозного пути делим на 100

Значение отправляем в параметр «Градусы» среднего мотора

Мотор вращается нужное количество градусов, тем самым продвигая рейку на нужное расстояния, при этом нажимая датчик силы, с необходимым давлением

Вывод значения на экран блока

Вращение мотора в исходную позицию

Далее срабатывает программа Spike Prime. Датчик передает на контролер, измеренную силу нажатия в ньютонах. Далее с помощью команды из раздела «операции» значение умножается на 10 и выводится на мотор, отвечающий за охлаждение, в параметр «время». Таким образом сила нажатия, измеренная датчиком, переводится в время, которое работает рефрижератор. Чем дольше тормозной путь, тем дольше работает холодильная установка.

Заключение

Мы определили ряд проблем доставки скоропортящихся грузов и разработали инновационное решение - авторефрижератор с рекуперативной системой торможения.

Мы провели исследование и выявили, сколько топлива расходуется на охлаждение рефрижератора в наиболее популярных моделях на бензине. После рассчитали средний расход топлива и его итоговую стоимость. Выяснили, что для поездок на дальние расстояния требуется частая дозаправка или бак больших объемов.

Наша команда разработала демонстрационную модель на базе конструктора Lego. С помощью механизмов мы объединили два конструктора Mindstorms и Spike Prime. Таким образом, работа вентилятора в рефрижераторе зависит от пути торможения.

Так же мы поделились своим проектом с экспертом в области логистики приема компании «Шлюмберже» Бек Эдурду Сергеевечу.  Он сообщил что проблема нехватки топлива актуальна, подметил что нашей решение интересно тем, что рекуперация используется не только на электрогрузовиках, но и на авторефрижераторах на бензине и дизеле.

Мы считаем, что наш проект может быть реализован в дальнейшем. Система устанавливается в совершенно новых автомобилях, которые имеют либо гибридную силовую установку, либо один электродвигатель.  Значит, может осуществляться при сборе авторефрижератора. Система рекуперативного торможения является окупаемой альтернативой торможения с тормозными колодками, то есть дополнительных затрат не требует Данная установка позволяет: экономить на бюджете, экономить время, так как не требуется дополнительной подзаправки.

Заключение

Список используемых источников

Лоренс Валк: Большая книга LEGO MINDSTORMS EV3; [пер. с англ. Черников С.В]. Издательство «Эсмо», 2017. - 400 с.;

Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3 / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. 2-е изд., перераб. и доп – М.: Издательство «Перо», 2016. – 300 с.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Авторефрижератор, https://stroitaimservice.ru/poleznoe/129-kak-vybrat-refrizherator.

https://mavinta.ru/blog/kak-rabotaet-refrizherator/

https://трансавтоцистерна.рф/press-centr/stati/pravila_normi_gruzoperevozok/temperaturniu_regim/

b-a.group

Приложения