CC BY
30
юкрового контакту. Дослщження проводили на фiзичнiй моделi рекуперативно1 системи маневрового тепловозу з електричною передачею.
Рекуперация энергии является эффективным источником экономии топлива и значительно уменьшает вредные выбросы в окружающую среду. В работе исследовали влияние изменения напряжения питания генераторного блока на стабильность частоты и амплитуды импульсов, определяли помехоустойчивость рекуперативной системы при наличии в силовой сети искрового контакта. Исследования проводились на физической
модели рекуперативной системы маневрового тепловоза с электрической передачей.
Energy recovery is an efficient source of fuel economy and reduces harmful emissions into the environment. We investigated the effect of changing the supply voltage generating unit on the stability of frequency and amplitude of pulses measured noise immunity of regenerative systems in the presence of power line contact spark. The studies were conducted on a physical model of regenerative shunting locomotive with electric transmission.
УДК 621.44.3:678-462
ГРИЦУК 1.В., к.т.н., доцент (ДонГЗТ); АДРОВ Д.С., астрант (ДонНАБА); ПРИЛЕПСЬКИЙ Ю.В., к.т.н., доцент (ДонГЗТ); ДОРОШКО В.1., зав. лабораторieю (ДонГЗТ);
ЩИПАК С.В. начальник техшчного вщдшу (Ясенуватська дирекщя перевезень ДП «Донецька залiзниця»); СТРОКОВ М.М., студент (ДонГЗТ).
Використання безпаливноУ енергетичноУ установки на основi багато-секцiйного теплового акумулятору фазового переходу для прорву ди-зель-поУзду Д1
Актуальн1сть
Експлуатащя тепловоз1в в зош низь-ких температур мае ютотш особливосп, як необхщно враховувати при ïx обслуго-вуванш в по'1'зднш робот i ремонта Досвщ експлуатаци тепловозiв в умовах низьких температур [1] показуе, що навiть незна-чнi змiни температури зовнiшнього по-вiтря призводять до iстотниx змш пара-метрiв робочого процесу дизеля i па-ливно'1' економiчностi, а також збшьшують
величину динамiчних навантажень в деталях кривошипно-шатунового мехашзму унаслщок збiльшення перiоду затримки займання i змiни швидкостi наростання тиску робочого тша в процесi згорання палива. Низька температура впливае не лише на перюд безпосереднього пуску, але i на подальшу роботу дизеля до досяг-нення нормального температурного режиму.
Анал1з публ1кац1й
Розрiзняють три тепловi стани дизеля: нормальний (номшальний), прогрiтий i холодний. Так наприклад для дизелiв типу Д100 тепловий стан вважасться нор-мальним, якщо температура оливи на ви-ходi з дизеля знаходиться в межах 60 -75°С i води 70 - 80°С; прогрiтим, якщо температура оливи i води знаходиться мiж 40°С i нижньою межею нормально! тем-ператури; холодним, якщо температура оливи i води нижче 40°С. Технiчними умовами на експлуатацiю чотиритактних дизелiв (типу Д49, Д70) тепловозiв, у тому числi тепловозiв велико! секцшно! потуж-ностi, допускаються вищi рiвнi максимально допустимих значень температур теплоносив на виходi з дизелiв: води до 105°С, оливи - до 88°С. Отже при утри-маннi тепловозiв в «гарячому» резервi температура оливи дизеля повинна знахо-дитись в межах 40 - 60°С, а води 40 - 70°С [2, 3, 4]. Для тдтримки на мiнiмальному допустимому рiвнi температури тепло-носив (вода, олива) в холодний час здшснюеться про^вання силово! установки. Про^вання можливо забезпечити двома рiзними шляхами у вщповщносп до рис. 1.
Тривалiсть прогрiвання залежить вщ температури довкiлля i техшчного стану тепловозу. При пониженiй температурi довкiлля, близько до 0°С, коли передпус-кове прогрiвання дизеля тепловозу не ви-конуеться, тривалiсть !х прогрiву до нормально! робочо! температури знаходиться в межах 15...20 хвилин. При нижчих температурах тривалють про^вання дизеля, навiть за наявносп засобiв передпусково-го пвд^ву, збiльшуеться i досягае в се-редньому 15...20 % робочого часу [1].
Рис.1. Способи пвд^ву тепловоз-них дизелiв.
Серед iснуючих способiв про^ван-ня робота дизеля на холостому ходi е найменш ефективним способом про-грiвання, як з точки зору економiчностi, так i з точки зору збереження експлуата-цшно! надiйностi. Низький температурний стан дизелю значно попршуе протiкання робочого процесу: надмiрно зростае коефiцiент надлишку повiтря, що призво-дить до зниження температури робочо! сумiшi ^ як наслiдок, збiльшення перiоду затримки займання. Також спостер^аеть-ся неякiсне розпилювання i згорання па-лива, що призводить до вщнесення його у вихлопний тракт з випускними газами, закоксовування поршневих кiлець, штен-сивному нагароутворенню на поверхнях випускного тракту, лопатках соплового апарату i робочого колеса турбши турбо-компресора, а також корозп цилiндрових втулок в результатi конденсацп на !х внутрiшнiй поверхнi водяно! пари i роз-чинення в конденсат сiрчистого анпдри-ду. Низька повнота згорання палива призводить до розрщження моторно! оливи паливом ^ як наслiдок, викликае тдвище-ний знос вузлiв тертя дизеля. Все це призводить до зниження ресурсу дизеля i збшьшення питомо! витрати палива. На пiдставi аналiзу [5] можливо стверджува-ти, що при призначенш режимiв про-грiвання дизелiв тепловозiв нi завод-
виготвник, нi локомотивш депо практично не враховують такий важливий показ-ник, як економiчнiсть прогрiвання.
Бiльш рацiональна з точки зору еко-номи дизельного палива зупинка двигуна тепловозу при утриманш його в «гаря-чому резервЬ» тобто застосування технологи прогрiву здiйсненням перiодичних пускiв дизеля. О^м економГi палива, це пом^но знижуе рiвень шуму i забруднен-ня повiтря на станцiях i в депо.
З вищевикладеного випливають такi основнi вимоги до систем про^вання тепловозiв i дизель-по'адв. Система про-грiвання повинна забезпечувати в зимових умовах експлуатаци тепловозiв тривале пщтримання, з мiнiмальними енергетич-ними витратами, оптимально!' температу-ри теплоносив в системах силово'1 установки при непрацюючому дизелi як при вщсто!, так i при пересуванш з вщключе-ними частинами секцш локомотиву.
Всi системи прогрiвання прийнято роздшяти на бортовi i стацюнарш [6]. Бортовi системи вмонтовуються безпосе-редньо на однiй або декшькох секцiях тепловозу i е автономними по вщношен-ню до стацюнарних джерел енерги, що, поза сумшвом, е 1'х перевагою. Стацюнарш системи прогрiвання базуються на досить потужних котельних установках або електричних пщстанщях, якi можуть забезпечити про^вання силових установок одночасно декшькох тепловозiв. Такий спосiб про^вання дозволяе добитися зниження експлуатацшно!' витрати палива тепловозами до 5% [7]. Недолгом стацюнарних систем про^вання е необ-хiднiсть видiлення спещальних колiй вiдстою тепловозiв, будiвництво теп-лопiдготовчих пунктiв, роздавальних колонок i т.i. Бiльшiсть iснуючих локомо-тивних депо обмеженi територiально i ре-алiзацiя таких проектiв у них суттево ускладнена. Тому про^в на базi ста-цiонарних генераторiв тепла в теперiшнiй час застосовуеться лише в окремих депо з розвиненим колшним господарством.
У простому варiантi бортово!' систе-
ми прогрiвання джерелом теплоти служить сам дизель, який при робот тепловозу в режимi холостого ходу вщдае у ви-глядi тепла до 55% енерги у охолоджуючу воду i оливу [8]. Необхiдна кiлькiсть теплово'1 енерги, що пiдводиться в ци^ про-грiвання, залежить вщ маси елементiв, що прогрiваються, температурного дiапазону прогрiвання, тривалостi режиму i ККД використовуваного джерела тепла [9]. У ци^ охолоджування енергiя витрачаеть-ся лише на привiд циркуляцшних насосiв. Знизити втрати палива удаеться за раху-нок зменшення часу роботи дизеля в ре-жимi прогрiвання. При цьому застосову-ються: теплоiзоляцiя, додатковi циркуля-цiйнi електричнi насоси, додатковий елек-тричний водогрiйний котел, який живлять вщ головного або допомiжного генератора працюючо'1 секци тепловозу, що про-грiваеться.
В.Д. Лiвенберг у сво'1й роботi [10] вiдзначае, що одним з напрямiв у виршенш завдань, пов'язаних з економiею палива, створенням безпаливних енерге-тичних установок, охороною довкiлля, е акумулящя теплово'1 енерги. В цьому випадку йдеться про вживання так званих вторинних джерел енерги, серед яких важ-ливе мiсце займають акумулятори теплово'1 енерги. Використовування теплового аку-мулятора (ТА) як джерела теплово'1 енерги дозволяе створити широкий клас енерге-тичних установок рiзного типу i цiльового призначення. Оскiльки ТА е пристроем, що дозволяе накопичувати, консервувати i вщдавати теплову енерпю, то очевидно, що типи ТА також можуть бути рiзними. Особливий штерес представляють установки утилiзацii теплоти на базi ТА з по-дальшим '11 перерозподiлом на рiзнi тех-нiчнi потреби [11].
У 1993 р. А. Кулшов в робот [12] запропонував в якост накопичувача теплово'1 енерги використовувати нетра-дицiйний технiчний зааб - тепловий аку-мулятор фазового переходу. Розроблена ним система пвд^вання легкового авто-мобiлю дозволила забирати вщ вихлопних
газiв i збер^ати протягом 6 годин накопи-чену в процес руху автомобiля теплоту в перюд безгаражно! стоянки автомоб^ в умовах низьких температур. О^м теплового акумулятору (ТА) в систему входять: автономний електронасос; запираюча арматура; рщинш трубопроводи, що сполу-чають ТА, заоболонковий проспр ДВС i радiатор-опалювач салону. Накопичення теплово! енерги в данш системi здiйснюеться наступним чином. При рус автомобiля автономний електронасос ви-мкнено, а пiд дiею штатного водяного насосу ДВЗ потiк рщкого теплоносiя (то-солу) рухаеться по замкненому контура заоболонкового простору ДВЗ - ТА. У ТА рщкий теплоносш передае частину свое! теплово! енергл теплоакумулюючому ма-терiалу (ТАМ), який на^ваеться в твердiй фазi до температури плавлення, плавиться i далi нагрiваеться в рiдкiй фазi до деяко! температури, при якш настае теплова рiвновага мiж ТАМ i потоком рiдкого теп-лоноая. У розплавленому станi ТАМ збер^аеться завдяки наявностi в кон-струкцп теплового акумулятору високое-фективно! теплоiзоляцi!. Розрядка теплового акумулятора фазового переходу здiйснюеться шляхом включення автономного електронасосу. Система найбшьш ефективна для машин з нетривалим часом зберiгання (4-6 год) при температурах нав-колишнього повiтря до -30° С.
З погляду на означену проблему вщносно паливно! економiчностi i еко-лопчно! безпеки найкращим в умовах експлуатаци для прогрiву дизель-по!здв Д1 е використання безпаливно! енергетично! установки на основi дослiдного багато-секцшного теплового акумулятору (БТА) фазового переходу [15].
Мета роботи
Метою роботи е обгрунтування особ-ливостей доцшьносп використання в умовах експлуатаци для прорву дизель-по!здв Д1 безпаливно! енергетично! установки на основi дослiдного багатосекцiйно-
го теплового акумулятору фазового переходу з урахуванням особливостей: конструкци допомiжних систем дизель-по!зду Д1 з по-гляду збереження теплово! енерги; процесу охолодження водяно! системи в процесi вщстою; розроблено! технологи прогрiву, конструкци i принцип роботи БТА; енерге-тичного розрахунку дизеля i ККД системи про^вання; економiчно! ефективностi системи про^вання на базi БТА.
Основний матер1ал
Аналiз конструкци допомiжних систем дизель-по!зду Д1 з дизелем типу 12"УТЕ17/24. на предмет виявлення найбшьш охолоджених дшянок показав наступне. При робот дизеля теплота аку-мулюеться самим дизелем i системами дизель-по!зду. При непрацюючому дизелi теплосилова установка дизель-по!зду роз-сiюе накопичену теплоту в навколишне середовище. Шсля зупинки на дизель припадае найбшьша частка маси вае! теп-лосилово! установки дизель-по!зду при порiвняно малiй поверхнi теплознiмання. Крiм того, дизель мае безпосереднш контакт iз зовнiшнiм повiтрям в райош мас-ляно! ванни i картеру двигуна. Через це можливо очшувати, що охолодження дизеля буде вщбуватись не дуже повiльно.
Водяна система дизель-по!зду Д1 мае два великих контури циркуляци: основний (перший або гарячий) i додатко-вий (другий або холодний) [13]. В основному контурi гаряча вода з дизеля надхо-дить у водопов^ряний холодильник, звiдки засмоктуеться насосом i нагнiтаеться в дизель для охолодження цилiндрiв. Другий контур водяно! системи призначено для охолодження (або пвд^ву) наддувочного повiтря. Тут вода тсля охолодження у водоповiтряному холодильнику надходить у пов^роохолод-жувач, потм нагрiта знову в холодильник. Шсля зупинки дизеля примусова цирку-ляцiя води в системi вщсутня. Через це можливо говорити, що рiзнi елементи системи мають рiзнi темпи охолодження,
причому найбiльш охолоджуваними е радiаторнi секцп з ïx розвинутою поверх-нею з боку пов^ря i трубопроводи калориферу кабши машинiста.
Система мащення дизель-поезду Д1 призначена для створення необхщного тиску, подачi оливи до вузлiв тертя дизеля й допомiжниx агрегатв, вiдводу тепла вiд них, видалення продуктiв зношування й часток нагару, що попадають мiж тертьо-вими поверхнями. У загальному випадку, масляна система дизель-поезду Д1 скла-даеться iз внутрiшньоï й зовнiшньоï. Внутршня масляна система дизеля являе собою сукупшсть каналiв i трубок у деталях, що забезпечують пщвщ масла до всix меxанiзмiв деталей, i принципово однако-ва у вах розглянутих тепловозiв й дизель-поïздiв. Зовнiшня система змащення за-безпечуе циркуляцiю, очищення й охо-лодження оливи, що забираеться з картера дизеля й пщводимого до нього масляного колектора. Пiсля зупинки дизеля значна частина оливи з дизеля, водомасляного теплообмшника, фiльтрiв i трубопроводiв стiкае й практично вся зосереджуеться в картерi дизеля.
Паливна система дизель-поезду Д1 призначена для розмщення, очищення, пiдiгрiву й подачi палива до насосiв висо-кого тиску дизеля. Принципово паливна система розглянутого дизель-поезду Д1 iдентична конструкцп аналогiчниx систем тепловозiв, тобто у своему составi мае од-наковi по призначенню елементи - палив-ний бак, трубопроводи, фiльтри грубого й тонкого очищення палива, паливопщка-чуючий насос, паливопiдiгрiвач, клапани, вентат й манометри. Пiсля зупинки дизеля паливо повшстю стiкае в бак, що мае контакт iз навколишшм середовищем. Тому варто очшувати бiльш iнтенсивне охолодження бiлястiнковиx шарiв палива в баку, як i оливи в картера Однак маса палива i його повна теплоемшсть досить велию, отже, переохолодження палива, що перебувае в баку, малоймовiрно.
Результати роб^ у цьому напрямку показали, що частка теплових втрат па-
ливно'1' системи в загальних втратах теплоти силово'1' установки незначна. Так тсля двох годин охолодження тепловi втрати силово'1' установки становлять 510 кДж, а тепловi втрати паливно! системи -17 • 10 кДж, або 3,3 %. Саму значну роль у розаюванш тепла водяноï системи ввдграють водоповiтрянi радiатори, з ïx розвитою поверхнею охолодження з боку пов^ря. Втрати тепла останнiми становлять у середньому до 90 % вщ загальних тепловтрат системи, з них близько 35 % -це водопов^яш секцп першого контуру й 55 % - другого. В елементах масляноï системи розподш теплових втрат вщбу-ваеться досить рiвномiрно. Так, втрати тепла картером дизеля становлять у се-редньому до 60 % вщ загальних теплових втрат системи. З вищевикладеного треба видшити, що в найбшьш несприятливих умовах, з погляду збереження теплоï енергп, перебувае водяна система (особливо ïï другий контур) й масляна система дизеля. Внаслщок цього, вторинна тепло-ва енерпя буде спрямована в першу чергу на пвд^в оливи у вщповщнш системi дизеля й води другого контуру водяноï системи дизеля.
Одним з найважливших резервiв енергозберiгаючоï технологи теxнiчноï експлуатацп енергоустановки транспортного засобу е своечасне проведення ïï обiгрiву за рахунок накопиченоï тепловоï енергп у ТА при вiдстоï в умовах низь^е температури зовшшнього повiтря. Регу-льованим об'ектом такое системи служить сама водяна система (ВС) енергоустановки дизель-поезду. Вxiдним впливом, тобто ре-гулюючою величиною, тут е теплова пот-ужшсть, що передаеться водянш системi в результатi роботи дизеля.
Динамiчну модель подiбниx об'ектв прийнято описувати диференцiальним рiвнянням першого порядку [14]
Н dt A
(1)
Закон змши перегрiву [14], як ршення рiвняння (1)
4 =
P
A
1 - e
т
~ТЙ
+ 4 Не
т
ТН
■ (2)
Однак встановлено, що реальний характер залежност температури вщ часу при нагрiваннi виробничих об'екпв у рiзнiй мiрi вiдрiзняеться вщ обумовлено! рiвнянням (2). Така ж закономiрнiсть пiдтверджуеться дослiдженнями, прове-деними з участю авторiв на дизель-по!здi Д1. Дослiдженнями, проведеними в натурних умовах, визначено, що температура навколишнього середовища в кон-трольованих мiсцях (дослiджувальнi крапки) технiчного вщаку на дизель-по!здi Д1 змшюеться практично за лшш-ним законом у чаа, тобто
t
ОК
: tOK Н + ат-
(3)
З огляду на це, закон названия [14] елементу водно! системи буде мати ви-гляд
_P = A
Г т \
1 - еТн V у
+ 4 ■ е тн + tokh +ат
(4)
P
При охолодженш елемента — = 0, а
A
tOK = tOKH - ат, тому температура елемента ВС змшюеться за законом
tB = 4 не 0 + tOK Н ат,
(5)
За положеннями [14] авторами було розроблено методику i комп'ютерну про-граму мошторингу теплових параметрiв водяно! системи дизель-по!зду Д1 за да-ними натурно! характеристики водяно! системи. В результат проведеного ро-зрахунково-експериментального до-
слщження були отримаш основш зако-номiрностi процесу охолодження дизель-по!зду Д1 №718 при знаходженш його у ТЧ-19 (м. 1ловайськ) ДП «Донецька залiз-ниця». На рис. 2 - 5 зображеш основнi характеристики елеменпв водяно! системи означеного дизель-по!зду Д1 при !х охо-лодженш на протязi 4-х годин тсля зупинки дизеля пiд дiею зовшшшх фак-торiв: при температурах оточуючого сере-довища t = -10°C i t = -20°C в умовах в^ру i без нього.
t, с.
Рис. 2. Змша температури елементв водяно! системи дизель-по!зду Д1 пiд час !х охолодження при температурi навколишнього се-редовища -20°С без в^ру.
t, с.
Рис.3. Змiна температури елементiв водяно! системи дизель-по!зду Д1 пiд час !х охолодження при температурi навколишнього середовища -20°С з в^ром.
т
г, с.
Рис. 4. Змша температури елементiв водяно! системи дизель-по!зду Д1 тд час !х охо-лодження при температурi навколишнього се-редовища -10°С без вiтру.
Кривими на рисунках показано на-йменування наступних елементв водяно! системи: 1 - блок ДВЗ, 2 - головка ДВЗ, 3 - теплообмiнник оливи пдропередач^ 4 -теплообмiнник у витратному паливному баку, 5 - котел обiгрiвача, 6 - теплообмш-ник наддувочного пов^ря, 7 - калорифери опалювання, 8 - теплообмiнник оливи дизеля, 9 - калорифер опалювання кабши, 10 - холодильники охолодження води.
В результат аналiзу отриманих за-лежностей видно, що домiнуючим параметром при виборi критерiю допустимого охолодження водяно! системи дизель-по!зду Д1 е температура на виходi з блоку цилiндрiв двигуна (крива 1). При повер-неннi дизеля в депо температура дизеля не перевищувала 60°С. В результат охолодження при досягненш 20°С на виходi з блоку двигуна температура в шших еле-ментах водяно! системи опускаеться ще нижче (до 10°С i нижче). Тому з метою недопущення переохолодження (перемер-зання) водяно! системи дизель-по!зду Д1 при досягненш 20°С на виходi з блоку двигуна потрiбно проводити пiдiгрiвання водяно! системи за допомогою засобiв примусового пiдiгрiвання.
Термiн знаходження дизель-по!здiв за шформащею ТЧ-19 не перевищуе 6 годин. При знаходженш дизель-по!зду в умовах депо запропонована наступна система передпусково! пiдготовки. Виходячи з отриманих залежностей маемо, що ко-
г, с.
Рис.5. Змiна температури елементв водяно! системи дизель-по!зду Д1 пiд час !х охолодження при температурi навколишнього середовища -10°С з вiтром.
жен з дизель-поiздiв при знаходженнi в депо охолоджуеться в межах допустимих значень при температурi оточуючого середовища -20°С з вiтром (як найгiрший випадок), не бшьше нiж за 1,5 години. В цей час i потрiбно проводити передпуско-вий пвд^в водяно! системи, щоб двигун знову досяг встановлено! для нього тем-ператури (45 - 50°С). Пiсля цього знову можливо знаходження дизель-по!зду iз виключеним приводним дизелем до того часу, коли температура води на виходi з блоку цилiндрiв його не досягне 20°С. Пь сля цього потрiбно знову пiдiгрiвати во-дяну систему. Таким чином, в найпршому варiантi при найнижчий температурi оточуючого середовища для регюну ми маемо необхiднiсть два рази проводити пе-редпусковий пвд^в без включення приводного дизелю. Такий випадок може ма-ти мюце лише мiнiмальний час за весь зимовий перюд експлуатацп дизель-по!зду, тому що такi температури не характерш для Донецько! залiзницi. При бшьш теплiй темпе ратурi достатньо буде лише одного передпускового пвд^ву.
Для описано! вище технологи зберь гання i передпускового пiдiгрiву дизель-по!здiв повнiстю достатня наявнiсть у конструкцп останнього теплового акуму-лятору (ТА) фазового переходу [15]. €м-шсть ТА необхiдно визначати з урахуван-ням енергетичних особливостей дизеля й особливостей конструкцп i ККД водяно!
системи дизель-по'1'зду.
Найбшьш кардинальним методом пщвищення паливно'1 економiчностi, використання енергозберiгаючих i еколопч-но чистих виробничих технологiй, як вь домо, е застосування систем утилiзацiï те-плоти, що викидаеться в атмосферу, до яко'1' вiдноситься, насамперед, теплота вь дпрацьованих газiв, а також теплота систем охолодження й мащення двигушв внутрiшнього згорання (ДВЗ) енергетич-них установок на залiзничному транспор-тi. При цьому для стащонарних i транспортних ДВЗ пропонуеться теплоту, що ви-кидаеться в атмосферу, використовувати на на^вання якогось теплоносiя або теп-лонакопичувача, зокрема елементiв теп-лових акумуляторiв, яка потiм може вико-ристовуватись на технологiчнi потреби. Мова йде про технолопю теплового аку-мулювання (ТА) за допомогою теплоаку-мулюючих матерiалiв (ТАМ) i ïx використання для теплово'1' пiдготовки рухомого складу залiзничного транспорту.
У ТА фазового переходу використо-вуються ТАМ, до яких пред'являеться звичайно комплекс вимог: не токсичшсть, вщповщний робочий дiапазон температури, термiчна мiцнiсть, велика ентальпiя плав лення, доступшсть сировини, бiльша густина i тл. ТАМ, який повнiстю задово-льняе вимогам ТА, не може бути знайде-ний, тому що термiчною стшкютю, великою щiльнiстю й витримуванням великiй кiлькостi циклiв «кристалiзацiя-плавлення» володiють складно розчиннi солi з високою температурою плавлення, якi розчинш лише в галогенiдаx лужних i лужноземельних металiв, тому неможливо повшстю зняти корозiйну агресивнiсть. Проблема корозшно'1' агресивностi ТАМ в основному виршуеться комплексним утворенням у композицiяx солей i уведен-ням у них шгибуючих присадок.
Запропоновано для теплово'1' тдго-товки дизель-по'1'зду в умовах низьких температур використовувати багатосекцш-ний (у нашому випадку 3 секцп) тепловий акумулятор фазового переходу для якого
необxiднi фазопереxiднi ТАМ рiзниx кате-горiй: середньо - i низькотемпературш, якi повиннi мати стшюсть до тривало'1' роботи в дiапазонi температур 120 - 500°С, тобто температури вiдпрацьованиx газiв ДВЗ [15]. При здшсненш пошуку низькотем-пературних матерiалiв варто враховувати, що при низьких температурах (менш 100°С) у випускному колекторi дизеля по-чинаеться процес конденсацп вологи. При взаемодп вологи з компонентами газового потоку утворяться кислоти, в основному арчаста i сiрчана, якi осаджуються на сть нках колектора й руйнують ïx. Щоб уник-нути «холодно'1' корозп» колектора, необ-хщно тримати нижнiй iнтервал температур працюючого ТАМ у межах 100 -130°С. Для бiльшого акумулювання теплово'1' енергл верхня межа температури ТАМ повинна бути 50 - 525°С, тобто вщ-повщати температурi вихлопних газiв ДВЗ. Однак необхщний температурний максимум при практичному використанш теплово'1' енергп, що выводиться, стано-вить 350°С, тому дана величина й прийня-та за верхню межу температури ТАМ. Таким чином, посекцшш дiючi температури для ТАМ наступи: 1 секцiя 300 - 400°С; 2 секцiя 200 - 300°С; 3 секцiя 100 - 150°С. У якостi ТАМ пропонуеться використовувати евтектичш утворення, що розроблеш методами фiзико-xiмiчного аналiзу, вшьш вiд перерахованих вище недолiкiв i пра-цюючi в рiзниx температурних штервалах. При вишукуваннi ТАМ особливий акцент зроблено на теплофiзичнi властивосп, тобто максимальну енергоемнiсть й велик термiни експлуатаци.
При моделюваннi системи прорван™ дизель-по'1'зду Д1 на базi ТА було враховано параметри i властивосп ïï ланок. Умовно роботу системи про^вання можливо роздшити на декiлька режимiв: режим 1 подача гарячого теплоноая в об'ем порожнини картера дизеля (прогрь вання картера i деталей двигуна; працю-ють секци 1 i 2 ТА); режим 2 - про^в во-дяно'1' системи дизеля (секщя 3 ТА); ре-
жим 3 - комбшований. Для знаходження необхщних елемент1в енергетичного роз-рахунку були визначеш наступнi парамет-ри двигуна i системи охолодження, якi було зведено в табл. 1. Для цього було ви-користано математичнi моделi розрахунку теплових параметрiв ТА i параметрiв ро-
боти теплового двигуна з ТА, що розроб-леш на кафедрi Рухомий склад залiзниць Дон1ЗТ. Результати розрахунку парамет-рiв теплового акумулятора, що плануеться встановлювати на дизель-по'1'зд1 Д1, також зведено в табл. 1.
Таблиця 1
Параметр Формула Результат
1 2 3
Потужнють двигуна, кВт - 537
Частота обертання кол1нчастого валу, п, хв~ пхс, с пхс = п / 60 350 8,83
Частота вихлотв, пх = пхс/2, вихл./с пх пхс / 2 4,42
Робочий об'ем одного цилвдра, У1р, м - 0,054
Об'ем газу, випускаемого з одного цил1ндру в 1 с, Ус, м3/с Ус = (Пхс / 2) У1Р 0,0239
Маса газу, випускаемого 1з одного цилвдру за 1 с, т1с, кг/с. т1с=Усх Р 0,0197
Густина вихлопних (вщпрацьованих) газ1в, р, кг/м3, при ры = 1,25 кг/м3; рсо = 1,98 кг/м3; р0 = 1,47 кг/м3; №/о = 79,9 %; СО% = 2,7 %; О% = 17,4 %; Тн = 273,15 К; Т= 433,15 К; р = рН = 101,325 кПа; За формулою (4) [16] 0,825
Теплоемкють вихлопного (вщпрацьованого) газу, сг, кДж/(кгК), при см = 1,038 кДж/(кгК); ссо = 0,846 кДж/(кгК); со = 0,917 кДж/(кгК) За формулою (6) [16] 1,012
Теплова потужнють вихлопного газу, кВт, при ЛТ = 160 К Qг = т1с Zц сг АТ 38,28
Теплова потужнють, кВт, в цил1ндрах дизеля, при Н= 42700 кДж, q = 12,3 кг/ год QТ = Щ/3600 145,89
Теплова потужнють, яка передаеться водянш систем^ кВт QBC=QT-QГ 107
ККД системи прогр1ву п = Qг / Qт 0,26
Реальний ККД системи прогр1ву (з урахуванням ефекту «холодноi корози»), тобто 70% вщ п (П х70%)/100% 0,18
Час нагрiву ДВЗ вщ 10°С до 50°С на холостому ход^ хв. - 169
Час нагрiву ДВЗ вщ -20°С до 50°С на холостому ход^ хв. - 429
Час остивання ДВЗ вщ 60°С до 10°С, хв - 332
Необхiдна потужнiсть ТА, кВт - 22,7
Розрахункова кшькють секцiй ТА - 3
Час розрядки ТА, вщ теплових втрат, год пiд навантаженням, год - 33 3,2
Орiентовнi розмiри ТА, мм - 400 х 200 х 200
Вага ТАМ, кг - 22,4
Основнi розрахунковi параметри двигуна i системи охолодження дизеля дизель-
поiзду Д1
Особливосп конструкци i принцип роботи БТА для дизель-поезду Д1 представлено в робот [15]. Пристрш розрахо-вано на роботу при температурi довкiлля до мшус 45°С. Теплоносiй нагрiваеться i передае теплову енерпю деталям двигуна. Варто вщзначити, що бортовий ТА може працювати як на на^в, так i на охолодження i забезпечуе температурну стабш-защю теплових процесiв шляхом «запози-чення» невистачаючо'1' або «скидання» зайво'1' теплоти.
Для визначення часу прогрiву дизеля вщ ТА були використанi математичш мо-делi розрахунку теплових параметрiв ТА i параметрiв роботи теплового двигуна з ТА, що розроблеш на кафедрi Рухомий склад залiзниць Дон1ЗТ. Результати розрахунку параметрiв процесу прорву, що плануеть-ся встановлювати на дизель-по^-ад Д1, представленi на рис. 6 i 7. З результатв прорву видно, що за допомогою ТА можливо прогр^и двигун дизель-поезду Д1 з 20°С до 50°С майже за 1,8 години при -
10°С i за 2,25 години при -20°С. При цьому використовувати двигун дизель-поiзду на самопро^в не потрiбно i паливо, а також будь яке зовшшне джерело енерги, при цьому не використовуеться.
Економiчна ефективнiсть системи прогрiву на базi БТА досягаеться за раху-нок скорочення часу роботи дизеля на холостому ходу для про^вання i скорочен-ня витрати палива в експлуатацшних умовах. Зниження витрати палива в умовах експлуатаци пояснюеться тим, що за ра-хунок зменшення нагаровщкладення на поверхнях випускного тракту i лопатках турбiни турбокомпресора досягаеться пщвищення якост протiкання робочих про-цесiв i, природно, за рахунок скорочення часу роботи дизеля на холостому ход^ призводить до збшьшення ресурсу. При розрахунку економiчноï ефективност також слiд враховувати скорочення витрат на поточш ремонти ТР2 i ТРЗ за рахунок пщвищення ресурсу дизелiв.
t, с.
Рис. 6. Змша температури елементв водяно'1' системи (1 - блок ДВЗ, 2 - головка блока) дизель-поезду Д1 тд час ïx нагрiву вщ теплового акумулятора при температурi навколишнього середовища -10°С
Рiчний економiчний ефект вщ впро-вадження системи про^вання на базi ТА за рахунок скорочення часу роботи дизеля на холостому ходу визначаеться за вира-зом, грн.:
Рис. 7. Змiна температури елементв водяно'1' системи (1 - блок ДВЗ, 2 - головка блока) дизель-поезду Д1 пiд час ïx на^ву вiд теплового акумулятора при температурi навколишнього середовища -20°С
Эг.х.х. Схх.-Екхд*т ==435481,5- 0,13 • 78386,67 = 425291,23 (6)
де Сх.х. - рiчний прибуток розробки вiд скорочення витрати палива на холостому ход^ грн.;
КдОП'. = (0,15.. .0,20) Сх.х. - додатков1 витрати на виготовлення, монтаж 1 експлуатащю бортово'1 установки, грн.
Р1чний прибуток визначаеться за ви-разом, грн:
Сх.х.=365 Тср.х.х.' ср.х.х. Дт=435481,5 (7)
де Тср.х.х. - середньодобовий час ро-боти дизеля в режимах самопро^ву систем в мюцях тривалого вщстою дизель-по'1'зд1в, Тср.хх = 5годин;
Вср.х.х.- середньогодинна витрата па-лива при самопрогрiвi систем дизеля Вср.х.х. = 12,3 кг/год. для дизель-по'1'здуД1 (з урахуванням того, що в одному дизель-по'1'зд1 знаходиться 2 дизеля);
Цт - вартсть дизельного палива (зи-мове), Цт = 9,7 грн.
За рахунок скорочення часу роботи дизеля на холостому ход1 в межах 30 % вщ загально'1 тривалост знизиться нага-ровiдкладення ! очiкуеться зниження експлуатацшно'1 витрати палива на 5 %.
Р1чний економiчний ефект вщ впро-вадження системи про^вання за рахунок скорочення витрати палива в експлуата-ц1йних умовах визначаеться за виразом, грн.:
Эг.н= С,- ЕК"доп= 17703,18 (8)
Сн- р1чний прибуток розробки в1д скорочення витрати палива в експлуата-цшних умовах, грн.;
Кндоп = (0,15.0,20) Сн. - додатм витрати, грн
Сн. = 365 Тсрн - Вср.н • Цт • Кн = 18127,36
(9)
де Тср.н. - середньодобовий час робо-ти дизеля тд навантаженням, Тсрн = 6,4г.;
Всрн. - середньогодинна витрата палива при робот дизеля тд навантажен-ням,
Всрн = 50кг/год; (з урахуванням того, що в одному дизель-поiздi знаходиться 2 дизеля);
Кн = 0,005-0,010 - коефщент, що враховуе витрату палива при робот дизеля тд навантаженням.
Загальний р1чний економiчний ефект, грн.:
Сг. = ег.х.х. + ег.н. = 442994,41 (10)
Результати розрахункiв економiчно-го ефекту, виконаш по виразах (6) - (10) зводимо в табл. 2.
Таблиця 2
Економ1чний ефект в1д впроваджен-ня системи про^вання з ТА
1. Виконано загальний огляд i пор1вняльний аналiз спосо61в i систем прорву дизелiв тепловозiв i дизель-по'1'зд1в, серед яких найбiльш цiкаве с точки зору економл паливо-енергетичних ре-сур^в - використання вторинних енерго-носйв в цикл1 роботи дизеля. Причому, як найкраще це робити за допомогою тепло-вих акумуляторiв фазового переходу. Вжи-вання теплового акумулятору (ТА), в якост джерела теплово'1 енерги дозволяе створити широкий клас енергетичних установок р1зного типу i ц1льового призначення. Особливий штерес в даному випадку представляют. установки утилiзацii теплоти на базi ТА з подальшим й перерозподiлом на р1зн1 технiчнi потреби.
2. В результат проведеного до-слщження показано, що дом1нуючим па-
Параметр Значен-ня
Економ1чний ефект за рахунок скорочення часу роботи дизеля на холостому ход1, тис. грн. 425,29
Економ1чний ефект за рахунок скорочення витрати палива в експлуатацшних умовах, тис. грн. 17,7
Загальний р1чний економiчний ефект, тис. грн. 442,99
Висновки
раметром при виборi критер^ допустимого охолодження водяно! системи ди-зель-похзду Д1 е температура на виxодi з блоку цилiндрiв двигуна. При зберiганнi дизель-походу в умовах депо запропонова-на система передпусковоï пiдготовки дизеля до пуску за допомогою дослщного багатосекцшного теплового акумулятора.
Результати дослщжень параметрiв процесу прогрiву дизеля дизель-походу Д1, показали, що за допомогою ТА мож-ливо прогрiти двигун дизель-походу Д1 з 20°С до 50°С майже за 1,8 години при -10°С i за 2,25 години при -20°С. При цьому використовувати двигун тепловозу на самопро^в не потрiбно i паливо, а та-кож будь яке зовшшне джерело енергл, при цьому не використовуеться.
3. Економiчна ефективнiсть системи прогрiву на базi ТА досягаеться за раху-нок скорочення часу роботи дизеля на холостому ходу для про^вання i скорочення витрати палива в експлуатацшних умовах. Загальний рiчний економiчний ефект вщ впровадження ТА на дизель-поïздi Д1 складае 442,99 тис. грн.
Список лггератури.
1. Пути снижения расхода топлива тепловозами в северном регионе эксплуатации [Текст] / В.А. Четвергов и др. - М.: Транспорт, 1991. - 57 с.
2. Двигатели внутреннего сгорания: системы поршневых и комбинированных двигателей [Текст] / Под общ. ред. А.С. Орлина и М.Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1985. - 456 с.
3. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания: учебник для вузов [Текст] / А.Э. Симсон, А.З. Хомич, А.А. Куриц [и др.]. - М.: Транспорт, 1987. - 536 с.
4. Двигатели внутреннего сгорания (Тепловозные дизели и газотурбинные установки) [Текст] / А.Э.Симсон, А.З.Хомич, А.А.Куриц [и др.]. - М.: Транспорт, 1980. - 384 с.
5. Экономичные режимы самопрогрева дизелей [Текст] / В.М. Овчинников
та ш. // Локомотив. - 1996. - №2. - С. 27.
6. Грищенко С.Г. Обогрев силовых установок тепловозов [Текст] / С.Г. Грищенко, С.П. Филонов // Железнодорожный транспорт. - 1988. - №8. - С.43
7. Тепловозы. Конструкция, теория и расчет [Текст] / Под.ред. Н.И. Панова. -М.: Машиностроение, 1976. - 544 с.
8. Устройство для прогрева тепловозных дизелей перед пуском после длительных стоянок и при работе на холостом ходу в холодное время года на железных дорогах США [Текст] / (Экспресс-информация) // Железнодорожный транспорт за рубежом. -Вып.2. - М, 1983. - С.12.
9. Чертыковцева Н.В. Разработка системы прогрева тепловозного дизеля на основе вторичных энергоносителей [Текст] / Н.В. Чертыковцева, Д.Я. Носы-рев // Вестник РГУПС. - 2008. - №2. -С.35-42.
10. Левенберг В.Д. Аккумулирование тепла. [Текст] / В.Д. Левенберг - Киев: Техника, 1991. - 112с.
11. Носырев Д.Я. Повышение ресурса тепловозных дизелей за счет применения нетрадиционных технических средств [Текст] / Д.Я. Носырев, Н.В. Чертыковце-ва // Извести Самарского научного центра РАН. Специальный выпуск «Проблемы железнодорожного транспорта на современном этапе развития». - Самара: Издательство СНЦРАН, 2007. - С. 145-149.
12. Куликов А. «Термос» под капотом [Текст] / А. Куликов // Наука и жизнь. - 1993. - №3. - С.62-64.
13. Дизель-поезда: устройство, ремонт, эксплуатация [Текст] / М.: Транспорт., 1982 г.
14. Шумков Е. Б. Динамическая характеристика регулируемого объекта системы автоматического регулирования обогрева тепловоза [Электрон. ресурс] / Е. Б. Шумков, Е. С. Ерилин, А. Н. Савинов, И. В. Сычушкин; Вестник ВНИИЖТ, М.: 2003, № 2. Режим доступа: http://www.css-rzd.ru/vestnik-vniizht/v2003-2/V2-4.htm
15. Використання сучасних енергоз-бер^аючих i еколопчно чистих виробни-
чих технологш при розробщ системи про-гр1ву тепловозного дизеля на основ1 бага-тосекцшного теплового акумулятору [Текст] / 1.В. Грицук та 1н. // Енерго- i ре-сурсозберiгаючi технологи при експлуа-таци машин та устаткування. - Донецьк: Дон1ЗТ. - 2011. - С. 37-39.
16. Шумков Е. Б. Работа дизеля в режиме автоматического обогрева тепловоза [Электрон. ресурс] / Е.Б. Шумков, Е.С. Ерилин, И.В. Сычушкин; Вестник ВНИИЖТ, М.: 2004, № 1. Режим доступа: http://www.css-rzd.ru/vestnik-vniizht/v2004-yv6-8.htm
Анотацн:
Виконано огляд i анал!з спосо61б i систем прорву дизел!в дизель-поlздiБ. Доведено, що би-користання Бторинних енергоноси'Б б цикл роботи дизеля як найкраще здiйснюБати за допомогою теплових акумулятор!в фазового переходу. Наведено результата дослщжень параметр!в процесу остивання i прорву дизеля дизель-пойду Д1 б умовах експлуатаци, i ощнки економiчноl ефек-
тивносп дослщно! системи nporpiBy з багато-секцiйним тепловим акумулятором.
Выполнен обзор и анализ способов и систем прогрева дизелей дизелей-поездов. Доказано, что использование вторичных энергоносителей б цикле работы дизеля лучше всего осуществлять с помощью тепловых аккумуляторов фазового перехода. Приведены результаты исследований параметров процесса остывания и прогрева дизеля дизель-поезда Д1 б условиях эксплуатации, и оценки экономической эффективности исследуемой системы прогрева с многосекционным тепловым аккумулятором.
The review and analysis of methods and systems of heating diesel trains were made. It is proved that the usage of secondary energy sources in the cycle of the diesel work is to be done by means of thermal batteries of phase transition. Results of investigations of the process parameters of cooling and heating of the diesel engine diesel train D1 in the operating conditions, and evaluation of economic efficiency of the system of heating with multisectional heat storage are shown.
УДК 629.4.05:629.4.016.12 ГОРОБЧЕНКО О. М., к.т.н., доцент (Дон1ЗТ).
Розробка системи самонавчання штелектуальних аген™ для керу-вання рухомим складом
Постановка проблеми
На сучасному етат розвитку систем керування рухомим складом потр1бно впровадження нових штелектуальних тд-ход1в, що дозволяють найбшьш ефективно використовувати вс останш досягнення в областях апаратного та математичного забезпечення.
Анал1з дослщжень i публжацш
Питанням штелектуального керування на зал1зничному транспорт придь ляеться багато уваги як в1тчизняними так i закордонними фахiвцями [1,2]. Однак дослщжень в галyзi безпосереднього впро-вадження таких систем поки що небагато.
