Комбинированная система защиты энергетической установки тепловоза в условиях низких температур
На правах рукописи
САЛАМАТИН Михаил Александрович
КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ТЕПЛОВОЗА В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
Специальность 05.22.07 – Подвижной состав
железных дорог, тяга поездов и электрификация
АВТОРЕФЕРАТ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Самара 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения» (СамГУПС) на кафедре «Электрический железнодорожный транспорт»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
АНДРОНЧЕВ Иван Константинович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
КОССОВ Евгений Евгеньевич
кандидат технических наук, доцент
ЯКУШИН Роман Юрьевич
Ведущая организация: Петербургский государственный университет путей сообщения
Защита диссертации состоится «__» _____ 2012 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д218.011.01 в Самарском государственном университете путей сообщения по адресу: г. Самара, ул. Свободы, 2а, корп. 5, ауд. 5216.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного университета путей сообщения.
Автореферат разослан «__»__ _____ 2012 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета Д218.011.01: 443066, г. Самара, 1-й Безымянный пер., 18, СамГУПС, факс: (846) 262-30-76
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 218.011.01
кандидат технических наук, доцент В.С. Целиковская
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. На железнодорожном транспорте весьма значительная часть потребляемых энергоресурсов идет на обеспечение горячего простоя тепловозов в холодное время года. Так на эти цели во всех видах движения в 2008 г. было израсходовано 502 тыс. т дизельного топлива, в 2009 г. – 530 тыс. т, в 2010 – 517 тыс. т. Таким образом, снижение расходов энергии на единицу транспортной продукции является одной из главных государственных задач. Это подтверждается тем, что на снижение издержек по данному вопросу отводится третий раздел в «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 17 июня 2008г. №877р и распоряжением ОАО «РЖД» от 11 февраля 2008г. №269р.
С учетом нарастающего дефицита традиционных источников энергии (нефти, угля, торфа и т.д.) вопросы экономии дизельного топлива приобретают приоритетное значение. Это определяет необходимость совершенствования разработки методов и технических решений, направленных на уход от затрат дизельного топлива на прогрев тепловозов.
Диссертационная работа подготовлена по результатам научно-исследовательских работ, проведенных на кафедре «Локомотивы» и «Электрический железнодорожный транспорт» в Самарском государственном университете путей сообщения при непосредственном участии автора в период с 2006 по 2011 годы. Работа поддержана грантом Самарской государственной академии путей сообщения, стипендиальной наградой правительства РФ и поручением президента ОАО «РЖД» В.И. Якунина по итогам конкурса «Новое звено».
Цель и задачи исследований. Целью работы является совершенствование методов, технических и технологических решений, направленных на оптимизацию процессов прогрева тепловоза по критерию минимума расхода дизельного топлива.
Для достижения поставленной цели в работе были поставлены следующие задачи:
- провести критический анализ состояния проблемы прогрева тепловоза;
- разработать модель процесса охлаждения водяной системы тепловоза, как сложного регулируемого объекта с тепловым аккумулятором и подогревателем;
- разработать методику исследования и выполнить математическое моделирование процессов охлаждения маневрового тепловоза с тепловыми аккумуляторами и подогревателем;
- выполненить экспериментальные исследования процессов охлаждения и прогрева в системе охлаждения тепловозного дизеля;
- рассчитать технико-экономическую эффективность результатов исследования.
Объект исследования: система прогрева тепловоза.
Предмет исследования: тепловые процессы в системе прогрева с внешними источниками тепла в виде теплового аккумулятора и подогревателя.
Методика исследований. При выполнении работы использованы методы математического моделирования теплофизических процессов, методы математической статистики, сходимости эксперимента и обработки результатов исследования, компьютерного моделирования. Обработка результатов математического моделирования теплообменных процессов в водяной системе тепловозного дизеля выполнена в среде MathCAD. Устройство автоматического управления реализовано на базе ОЭВМ Siemens 80C552, с использованием внутрисхемного эмулятора на стадии отладки программного обеспечения. Программное обеспечение написано на языке C+ с частичным использованием языка Assembler.
Научная новизна работы
Обоснованы особенности построения и разработана математическая модель процессов съема и отдачи теплоты при использовании теплового аккумулятора и подогревателя.
Исследован характер и установлены закономерности протекания процессов съема и отдачи теплоты при использовании теплового аккумулятора и подогревателя.
Исследован и предложен способ прогрева тепловозных дизелей с применением теплового аккумулятора и подогревателя.
Основные положения, выносимые на защиту.
- Способ прогрева тепловозных дизелей с применением теплового аккумулятора и подогревателя, постановка гипотезы исследования.
- Теоретические и экспериментальные исследования тепловых процессов в системе прогрева с использованием тепловых аккумуляторов и подогревателя.
- Методика расчета характеристик теплового аккумулятора и подогревателя для тепловоза.
Достоверность научных положений и выводов.
Достоверность результатов подтверждается использованием современных методов, методик исследования, применением сертифицированных приборов, устройств измерений и анализа ошибок; положительными результатами внедрения предложенных технических решений в локомотивных депо Самара, Пенза, Кинель, Дема Дирекции тяги Куйбышевской железной дороги-филиала ОАО «РЖД».
Практическая ценность работы
Полученные результаты позволили разработать методику расчета тепловых аккумуляторов и подогревателя, характеристики которых обеспечивают поддержание заданного температурного режима.
Разработанная методика расчета системы теплового аккумулятора и подогревателя позволяет на стадии проектирования рассчитать теплоотдачу системы и определить ее массогабаритные характеристики.
Реализация результатов работы. Основные теоретические положения, практические результаты, полученные в диссертационной работе, нашли применение в производственной деятельности в локомотивных депо Самара, Пенза, Кинель, Дема Дирекции тяги Куйбышевской железной дороги-филиала ОАО «РЖД».
Полученные результаты получили поддержку президента ОАО «РЖД» Якунина В.И. № ПП-96 от 17.11.09 и старшего вице-президента Гапановича В.А. № П-ВГ-421 от 26.10.09.
Апробация работы. Основные материалы диссертации поэтапно докладывались, обсуждались и получили одобрение на VII научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (г. Москва, 2006г., МИИТ), на международной научно-технической конференции «Наука, инновации, образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России» (г. Екатеренбург, 2006г., УрГУПС), на 3-й Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (г. Самара, 2006г., СамГАПС), на IV международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» (г. Самара, 2008г., СамГУПС), на V Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» (г. Самара, 2009г., СамГУПС).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в 13 печатных работах, в том числе статей – 8, из них 2 – в ведущих рецензируемых научных изданиях из Перечня ВАК РФ, патентов на полезную модель – 5, общим объемом – 3,35 п.л., авторский вклад – 60%.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, заключения, библиографического списка и приложений. Материалы диссертации содержат 126 страниц основного текста, 24 рисунка, 17 таблиц и приложения на 4 страницах. Список использованных источников содержит 122 наименования. Общий объем работы 131 страница.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность разрабатываемой в диссертационной работе научной проблемы, сформированы объект, предмет исследования и цель работы, направления и методы исследований, изложены основные результаты работы, отмечается их научная новизна и достоверность, а также приведены сведения о реализации результатов исследований.
В первой главе приведен сравнительный анализ методов, средств пуска и тепловой защиты энергетической установки тепловоза, разработанных специалистами ВНИИЖТ, ВНИТИ, ХК «Лугансктепловоз», МИИТ, ОАО «НИИ технологии, контроля, диагностики» (г.Омск), управляющей компании «Дэлвэй Менеджмент» (г. Тюмень), ОмГУПС, локомотивного депо Горький-сортировочный, СамГУПС и др.
На различных этапах развития железнодорожной техники, в разные годы значительный вклад в решение проблемы прогрева тепловоза теоретическими и экспериментальными исследованиями внесли следующие ученые: Четвергов В.А., Косов Е.Е., Грищенко А.В., Павлович Е.С., Просвиров Ю.Е., Володин А.И., Данковцев В.Т., Четвергов В.А., Якушин Р.Ю., Хомич А.З., Андрончев И.К., Носырев Д.Я., Носов А.Н., Грищенко С.Г., Лахно В.А., Тупицын О.И., Симсон А.Э. и многие другие.
Из произведенного анализа выявлено, что, несмотря на многообразие исследований в области прогрева тепловоза и устройств прогрева силовых установок тепловоза, недостаточно разработаны эффективные, надежные и простые по конструкции системы. Актуальными остались вопросы разработки методов направленных на уменьшение расхода дизельного топлива при прогреве тепловоза в зимнее время, что в условиях нарастающего дефицита традиционных источников энергии является наиболее перспективным. В области применения вторичных энергоносителей, как одного из вариантов ресурсосберегающих технологий, существует определенный объем знаний, но на железнодорожном транспорте предлагаемое направление до настоящего времени должного развития не получило. Вопрос расхода дизельного топлива на самопрогрев тепловоза предлагается решать установкой в систему охлаждения дополнительных теплоаккумулирующих модулей с последующим перепуском теплоносителей. Перераспределение тепловой энергии осуществляется за счет устройств автоматики.
Основываясь на проведенном анализе, сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе определены температурные динамические характеристики элементов водяной системы, проведен расчет тепловозного дизеля и КПД системы утилизации с целью определения тепловой мощности тепловоза. Расчетная тепловая мощность выхлопного газа в режиме холостого хода составляет РВС=57,38 кВт, КПД системы утилизации 
, для тепловоза ЧМЭ-3, при условиях: температура выхлопных газов 433 К, температура окружающего воздуха 273 К.
Для определения главных закономерностей температуры контролируемых элементов теплоносителя, введены следующие обозначения:
t- температура; 
- температура перегрева водяной системы, т.е. разность температуры охлаждающей воды и температуры окружающей среды; 
-время;
ТНАГ - постоянная времени нагревания воды.
Согласно теории нагрева машин этот процесс описывается дифференциальным уравнением.
 | (1) |
- установившееся значение температуры перегрева 
где 
- тепловая мощность, передаваемая водяной системе; А - количество теплоты, отбираемой в окружающую среду в единицу времени при перегреве в 1 оС;
Закон изменения температуры перегрева при начальном нагреве 
.
 | (2) |
Нагревание системы происходит по закону.
 | (3) |
Закон изменения температуры перегрева:  где  - начальная температура перегрева. | (4) |
Для количественной оценки проведены аналитические исследования уравнений нагревания и охлаждения ВС.
Для этого используется та же упрощенная модель ВС. Температуру среды оказалось удобнее оценивать по разности 
т.е. насколько установившаяся температура перегрева превосходит начальное значение.
Из общей формулы времени нагревания водяной системы
на основании того, что 
(
- установленный температурный коридор), получена следующая формула:
 | (5) |
При постоянной температуре наружного воздуха tНАГ=const, приращение температуры среды уменьшает начальный перегрев 
на ту же величину и увеличивает разность 
.
Исходная расчетная формула, таким образом, дает возможность оценить не только влияние температуры окружающей среды, но и выбор коридора изменения температуры ВС.
На основании проведенного анализа сформулирована концепция автоматического регулирования теплового состояния ВС энергоустановки транспортного средства. Главными требованиями, которой стали следующие:
- адаптация системы к изменениям температуры наружного воздуха,
- автоматизация процесса,
- контроль температуры осуществляется в двух элементах ВС – с наибольшей и наименьшей теплоемкостью,
- автономность системы,
- оценка каждой системы обогрева энергоустановки ТС проводится по энергетическому критерию,
- предпусковая прокачка масла в дизеле обязательна.
В третьей главе произведен расчет тепловых аккумуляторов.
При разработке математической модели в общем виде использованы следующие основные допущения:
- В начальный момент времени = 0 в период зарядки ТА ТАМ находится в твердом состоянии, а в период разрядки - в жидком, при этом его температура выровнена по объему и равна температуре фазового перехода Тф.
- В обратимых процессах фазового перехода ТАМ плавление-кристаллизация при = 0 границы раздела фаз сформированы, температурное поле ТАМ в растущей фазе линейно, а температура исчезающей фазы равна температуре фазового перехода.
- Теплопроводность ТАМ в продольном направлении отсутствует.
- Процесс фазового превращения ТАМ принимается одномерным и моделируется чистой теплопроводностью.
Уравнение теплового баланса для системы утилизации имеет вид:
Qтп () = раз QТА (), (6)
где Qтп () - тепловая мощность, получаемая потоком теплоносителя, Вт;
Qта () - тепловая мощность, отдаваемая при разрядке теплового аккумулятора, Вт;
раз - энергетический КПД процесса разрядки.
Процесс конвективного теплообмена теплоносителя со стенками капсул при =0 описывается уравнением:
Qта () = г Fц(Тст()-Тср()), (7)
где г - коэффициент теплоотдачи от стенок капсул к теплоносителю, Вт/(м2К);
Тст() - температура стенок капсул в момент времени, К;
Fц - суммарная площадь цилиндрических поверхностей всех капсул, м2;
Тср() - средняя температура теплоносителя в полости теплового аккумулятора в момент времени, вычисляемая по формуле
, (8)
где Твх, Твых() - температуры теплоносителя на входе и выходе из теплового аккумулятора, К.
Кроме того, при = 0 справедливы следующие уравнения:
; (9)
, (10)
где у() - толщина закристаллизовавшегося слоя ТАМ в момент времени, м;
- коэффициент теплопроводности твердого ТАМ, Вт/(мК);
- плотность твердого ТАМ, кг/м3;
rТ - удельная теплота фазового перехода плавление-кристаллизация, Дж/кг.
Тепловая мощность Qтп () при = 0 определяется по балансовому уравнению
Qтп () = Gг сг (Твых()-Твх()), (11)
где Gг – массовый расход отработавших газов, кг/с;
сг – удельная массовая теплоемкость отработавших газов, Дж/(кгК).
Площадь поверхности теплообмена Fц определялась из выражения
, (12)
где N – число теплопередачи.
Масса ТАМ определялась из выражения:
, (13)
где М – масса ТАМ, кг;
с – коэффициент теплоемкости, кДж/кгК (с = 1,8 кДж/кг·К);
- среднеобъемная температура ТАМ, К;
р - время разрядки, ч;
Q – суммарный тепловой поток на поверхностях, ограничивающих объем ТАМ, Вт.
В результате теоретических расчетов теплообменных процессов системы утилизации определен временной ход режимных параметров в системе процессов зарядки и разрядки. Расчетное время зарядки системы при общей массе 43 кг, длиной модуля 45 см, диаметром 25 см и температуре окружающей среды То = -20 °С составит порядка 20 мин., при этом расчетное время консервации теплового аккумулятора при максимальной нагрузке составит 2 ч.
Для расчета процесса прогрева теплоносителей в режиме включения теплового аккумулятора величина энергии тепловыделения определяется из выражений (6)-(11). Теоретические кривые прогрева теплоносителей рассчитаны в среде MathCAD и приведены на рис. 1 и 2
Рис. 1. Теоретические кривые температуры теплоносителя (водяной системы) тепловоза
1 - при температуре наружного воздуха -10 0С, 2 - (-20 0С), 3 - - (-30 0С)
Рис. 2 Теоретические кривые температуры масла тепловоза
1 - при температуре наружного воздуха -10 0С, 2 - (-20 0С), 3 - - (-30 0С)
На основании проведенного анализа существующих классов и типов тепловых аккумуляторов проведено проектирование экспериментальной установки системы пары «жидкостный подогреватель-тепловой аккумулятор»
Рис.3 Проектная схема подключения подогревателей к штатной системе водяного охлаждения тепловоза ЧМЭ3
Проектная схема состоит из: 1 – трубопровод; 2 – трубопровод; 3 – отапливаемая ступенька; 4 – трубопровод; 5 – калорифер; 6 – трубопровод; 7 – охладитель надувочного воздуха; 8 – турбонагнеталь; 9 трубопровод; 10 – трубопровод; 11 – трубопровод; 12 – водомасленный теплообменник; 13 – патрубок; 14 – коллектор горячей воды; 15 – трубопровод; 16 – трубопровод; 17 – правая емкость расширительного бака; 18 – трубопровод; 19 – заливочная горловина; 20 – трубопровод; 21 – трубопровод; 22 – верхний коллектор секции; 23 – трубопровод; 24 – трубопровод; 25 – трубопровод; 26 – левая емкость расширительного бака; 27 – водомерное стекло; 28 – верхний коллектор секции; 29 – водяная секция; 30 – нижний коллектор секции; 31 – трубопровод; 32 – сигнальная труба; 33 – ручной водяной насос; 34 – трубопровол; 35 – трубопровод; 36 – нижний коллектор секции; 37 – водяная секция; 38 – трубопровод; 39 – трубопровод; 40 – трубопровод; 41 – рукав; 42 – трубопровод; 43 – вспомогательный водяной насос; 44 – основной водяной насос; 45 – трубопровод; 46 – напорный коллектор; 47 – патрубок; 48 – топливоподогреватель; 49 – тепловой аккумулятор; 50 – тепловой аккумулятор; 51 – теплообменник; 52 – подогреватель; 53 – подогреватель.
При проектировании схемы подключения подогревателей к экспериментальной установке, задавались следующими значениями:
- максимальная температура нагрева соответствует температуре плавления ТАМ;
- располагаемое количество теплоты, запасенное в ТАМ и подлежащее преобразованию, зависит от нижнего температурного уровня максимальной температуры цикла преобразователя энергии;
- плавление происходит изотермически, при постоянном давлении;
- аккумулятор позволяет накапливать и высвобождать тепловую энергию при постоянном температурном уровне;
- значения скрытой теплоты плавления ТАМ обеспечивают приемлемые массогабаритные характеристики аккумулятора;
- в процессе остывания и кристаллизации ТАМ происходит изменение его объема;
- теплоаккумулирующая матрица в зависимости от конструкции на
50-80 % объема заполнена плавящимся ТАМ, обладающим высокой теплотой плавления при заданном температурном интервале.
С учетом вышеперечисленных особенностей, базовым элементом системы прогрева выбран тепловой аккумулятор фазового перехода, где в качестве ТАМ используется мирабилит.
Тепловой аккумулятор представляет собой двухкорпусной цилиндрический сосуд с высокоэффективной вакуумно-порошковой изоляцией и дополнительно размещенными капсулами с плавящимся теплоаккумулирующим материалом.
Заряд аккумулятора происходи путем прокачки через него охлаждающей жидкости во время работы дизеля. Нагретая от работающего двигателя охлаждающая жидкость, омывая капсулы, передает им тепло, а вещество, заключенное в капсулах, плавится и его аккумулирует. При этом ТАМ, находящийся в цилиндрических капсулах, нагревается в твердой фазе до температуры плавления, плавится, а затем нагревается в жидкой фазе до некоторой температуры, при которой наступает тепловое равновесие между ним и теплоносителем (охлаждающая жидкость).
В четверой главе представлены результаты экспериментальных исследований процессов прогрева теплоносителей вспомогательных систем тепловозного дизеля при различных режимах работы.
На рис. 4 дано сопоставление экспериментальных и расчетных значений температур матриц аккумулятора в зависимости от времени зарядки системы при Q=const (рис. 4, а) и значений утилизированной тепловой мощности Q от времени разрядки (рис. 4, б) при температуре наружного воздуха То = 253 К. В ходе эксперимента получено, что максимальной температуры нагрева секции аккумулятора достигают за время 25–30 мин, а необходимого для прогрева теплоносителей количества теплоты хватает при работе аккумулятора до 4 ч.
На рис. 5 и 6 приведены расчетные и экспериментальные зависимости температуры теплоносителей вспомогательных систем дизеля (вода, масло) от времени прогрева при различных режимах включения секций теплового аккумулятора. В результате проведенных испытаний получено, что температура теплоносителей вспомогательных систем дизеля после 4 часов выдержки составила: воды на выходе из дизеля 52 °С, масла 44-46 °С, что соответствует уровню, обеспечивающему постоянную готовность дизеля к выполнению работы.
Рис. 4. Временной ход режимных параметров в системе аккумулирования тепла:
- - - экспериментальные значения; - расчетные значения
Рис. 5. Динамика изменения температуры воды на выходе из дизеля
экспериментальные; - - - - расчетные значения;
Рис. 6. Динамика изменения температуры масла:
экспериментальные; - - - - расчетные значения
Рис. 7. Работа комбинированной системы защиты дизеля тепловоза в циклическом режиме. Где, 
– минимальный уровень температуры теплоносителя, 
– рабочая температура дизеля; 
- период нагрева теплоносителя (работы подогревателя); 
- период охлаждения теплоносителя (работа теплового аккумулятора); 
- период общего цикла прогрева.
Расчеты, выполненные с помощью предложенной методики в режиме холостого хода, показали высокую точность сходимости с результатами, полученными в ходе экспериментальных исследований. Относительная погрешность не превышает 2 %.
На рисунке 8 представлена экспериментальная схема прогрева дизеля тепловоза с помощью пары «жидкостный подогреватель – тепловой аккумулятор»
Рис. 6 – Экспериментальная схема прогрева дизеля тепловоза с помощью пары «жидкостный подогреватель – тепловой аккумулятор»
Установка состоит из: дизель 1, штатный топливный трубопровод 2, трубопровод системы охлаждения дизеля 3, масляный трубопровод 4, датчик температуры воды 5, датчик температуры масла 6, расширительный бак 7, водо-топливный теплообменник 8, водяные секции 1-го контура 9, водяные секции 10, блок управления 11, тепловой аккумулятор для 2-го контура водяной системы 12, водомасляный теплообменник 13, охладитель надувочного воздуха 14, водяные секции холодильника 15, штатный водяной насос 2-го контура 16, первый, второй, третий и четвертый электромагнитные контакторы 17,18,19,20, штатный топливоподкачивающий насос 21, штатный водяной насос 1-го контура 22, маслопрокачивающий насос с электроприводами 23, тепловой аккумулятор для 1-го контура водяной системы 24, картер 25, жидкостный подогреватель 1-го водяного контура 26, дополнительный водяной насос 1-го контура 27, дополнительный водяной насос 2-го контура 28, жидкостный подогреватель 2-го водяного контура 29, первый электроуправляемый клапан 30, второй электроуправляемый клапан 31, первый, второй, третий и четвертый запорные вентили 32, 33, 34, 35.
Основными источниками тепла при заглушенном дизеле являются тепловые аккумуляторы фазового перехода 12, тепловой аккумулятор 24, жидкостные подогреватели поз. 26, 29, подогреватель-отопитель.
Перед запуском системы предварительно необходимо произвести заряд тепловых аккумуляторов от работающего дизеля (работа тепловоза в режиме ХХ 20-25 мин.).
Если дизель не заглушен, но выполняются другие вышеперечисленные условия, то система прогрева переходит в режим выдачи визуальных и звуковых предупреждений о необходимости ее включения.
Для обеспечения совместной работы устройств подогрева и штатной системы охлаждения дизеля применена параллельная схема подключения подогревателей с использованием обратных клапанов и последовательная подключения теплового аккумулятора. Схема подключения обеспечивает прокачку нагреваемого теплоносителя по штатным контурам системы охлаждения и соответственно их прогрев.
Устройство работает следующим образом. При стоянке тепловоза, дизель 1 глушится и запускается дополнительная аккумуляторная батарея АБ, от которой получают питание первый и второй электроуправляемые клапаны 30, 31 обоих контуров водяной системы дизеля. Одновременно с этим, получают питание электроприводы штатного водяного насоса 2-го контура 16, топливоподкачивающего насоса 21, водяного насоса 22, маслопрокачивающего насоса 33, через первый, второй, третий и четвертый электромагнитные контакторы 17, 18, 19, 20. Одновременно с этим, начинают работать тепловые аккумуляторы 12, 24 и жидкостные подогреватели 26, 29, которые с помощью датчиков температуры воды 5 и масла 6 и блока управления 11 поддерживают заданную температуру.
При работе тепловых аккумуляторов 12,24 и жидкостных подогревателей 26, 29 посредством циркуляции теплоносителей (вода) начинают прогреваться штатные вспомогательные системы основного дизеля (водяная система). Циркуляция воды осуществляется по обоим контурам системы охлаждения дизеля 3 через расширительный бак 7, водяные секции 1-го контура 9, водомасляный теплообменник 13, охладитель надувочного воздуха 14, водяные секции холодильника 15, тепловые аккумуляторы 12, 24, жидкостные подогреватели 26, 29. Циркуляция топлива осуществляется по контуру топливной системы дизеля 2 через водо-топливный теплообменник 8. Циркуляция масла осуществляется по контуру масляной системы дизеля 4 через масляные секции 10, а его подогрев – за счет теплопередачи через металлические элементы блока и картера основного дизеля 1.
Управление первым и вторым электроуправляемыми клапанами 30, 31, первым, вторым, третьим и четвертым электромагнитными контакторами 17,18,19,20 осуществляет блок управления 11.
Подзарядка дополнительных аккумуляторных батарей АБ осуществляется в режиме работы дизеля 1. При работе тепловозного дизеля 1 в режиме самопрогрева в условиях низких температур, при понижении температуры в контуре охлаждения дизеля запускаются тепловые аккумуляторы 12, 24 и жидкостные подогреватели 26, 29, тем самым, обеспечивая необходимый температурный режим.
В результате проведенных испытаний получено, что температура воды на выходе из дизеля после 4 часов выдержки составила 50 °С, а масла 42-45 °С, что соответствует уровню, обеспечивающему постоянную готовность дизеля к выполнению работы. Применение подобных системы при прогреве тепловоза ЧМЭ3 позволит сократить время работы дизеля на холостом ходу на 40 % от суммарного времени работы тепловоза.
В таблице 1 приведены необходимые величины теплопроизводительности систем прогрева, обеспечивающие поддержание теплового состояния дизеля тепловоза на необходимом уровне (tв1=60 0С, tв2=40 0С, tм=50 0С) при различных значениях температуры наружного воздуха.
По таблице 1 определяется значение коэффициента действительного тепловыделения в вод. Для этого, после остановки дизеля, при температуре наружного воздуха 0 °С, по достижению необходимого теплового состояния силовой установки тепловоза произведен прогрев систем.
Таблица 1
Необходимая теплопроизводительность систем прогрева
| Температура наружного воздуха, оС | +10 | +5 | 0 | -5 | -10 | -15 | -20 | -25 | -30 |
| Теплопроизводительность, кВтч | 35 | 40 | 45 | 50 | 55 | 60 | 65 | 70 | 75 |
Из таблицы также видно, что система тепловой защиты эффективна при температуре наружного воздуха до -15 0С. При более низких температурах воздуха энергия тепловыделения в водяную систему должна составлять более 60 кВт.
В экспериментальной схеме используется в паре с тепловым аккумулятором жидкостный подогреватель (в тестовом варианте системы это Webasto 350). Применение такой связки позволяет сократить время работы дизеля на холостом ходу еще на 2 часа.
Предлагаемая система спроектирована по методике, предложенной в данной работе, в основу расчетов положена математическая модель регулируемого объекта водяной системы энергоустановки тепловоза.
В пятой главе рассчитан ожидаемый технико-экономический эффект от результатов исследования. Для проведения расчетов были использованы следующие данные:
Таблица 2
Данные для технико-экономического расчета разработанной системы
| Наименование показателя | Значение |
| 1. Тип локомотива | ЧМЭ3 |
| 2. Средний расход топлива тепловозом при горячем простое, кг/ч | 10,0 |
| 3. Коэффициент загрузки по времени первого блока подогрева системы прогрева | 0,69 |
| 4. Коэффициент загрузки по времени второго блока подогрева охлаждающей жидкости системы прогрева | 0,4 |
| 5. Стоимость дизельного топлива, без НДС, руб./т. | 19 000 |
| 6. Среднегодовое время работы тепловоза, ч. | 7041 |
| 7. Относительное время работы дизеля на ХХ, % от общего времени работы | 29,5 |
| 8. Норма расхода масла на «угар» по отношению к расходу дизельного топлива, % | 1,3 |
| 9. Стоимость моторного масла, без НДС, руб./т. | 26 000 |
Как показывает расчет, величина экономического эффекта за счет сокращения времени работы дизеля на холостом ходу в расчете на один маневровый тепловоз составит 133 000 руб.; величина годового экономического эффекта за счет сокращения расхода топлива и моторного масла в эксплуатационных условиях – 63 430 руб.
Общий годовой экономический эффект за счет сокращения времени работы дизеля на холостом ходу и экономии топлива и моторного масла составит 196 430 руб. в расчете на один тепловоз, срок окупаемости – 3,2 года.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
В результате проведенных исследований были получены следующие основные выводы:
1. Выполнен анализ существующих способов и систем прогрева тепловозов и выявлены их недостатки. Установлено, что отсутствуют системы прогрева тепловозов, не требующие для своего функционирования дополнительных источников энергии.
2. Разработана аналитическая модель процесса охлаждения водяной системы тепловоза, как сложного регулируемого объекта.
3. Исследован характер, установлены закономерности и разработана математическая модель процессов нагрева/охлаждения элементов водяной системы дизеля, которая в отличии от условий, принятых в общей теории нагрева и охлаждения машин, учитывает непрерывное изменение температуры воздушного пространства в техническом отсеке тепловоза. Предложена методика адаптации прогрева маневрового тепловоза к условиям изменения температуры наружного воздуха, обеспечивающая контроль состояния энергоустановки тепловоза на основе значения температуры воды в наиболее теплоемком элементе водяной системы.
4. Проведены экспериментальные исследования процессов охлаждения и прогрева в системе охлаждения тепловозного дизеля.
5. Разработана методика исследования, выполнено математическое моделирование процессов охлаждения маневрового тепловоза с тепловыми аккумуляторами и подогревателем и разработана система тепловой защиты тепловозного дизеля в условиях низких температур окружающей среды, включающая в качестве вторичного энергоносителя - тепловой аккумулятор. Система предложена к внедрению в локомотивных депо Куйбышевской железной дороги-филиала ОАО «РЖД».
6. Рассчитана технико-экономическая эффективность результатов исследования. Годовой экономический эффект за счет сокращения времени работы дизеля на холостом ходу и экономии топлива составит 196 430 руб. На один тепловоз (в ценах на 2011 г.).
Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в следующих печатных работах:
Статьи в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК
- Саламатин М.А. Методика адаптации прогрева маневрового тепловоза к условиям изменения наружного воздуха [Текст]/И.К. Андрончев, М.А.Саламатин // Железнодорожный транспорт – Москва: Изд-во Железнодорожный транспорт, 2010. – №7. – С. 58-59.
- Саламатин М.А. Методика оценки эффективности прогрева маневрового тепловоза в зимнее время [Текст]/И.К. Андрончев, М.А.Саламатин // Вестник транспорта Поволжья. – 2010. – №3. – С. 115-119.
Статьи в сборниках научных работ и материалах конференций, патенты:
- Саламатин М.А. Динамическая характеристика регулируемого объекта обогрева тепловоза от промерзания [Текст] / И.К. Андрончев, М.А. Саламатин // VII Научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов» - Москва: МИИТ, 2006. – С.48-49.
- Саламатин М.А. Автоматизированная система защиты от промерзания маневрового тепловоза ЧМЭ3 [Текст] / И.К. Андрончев, М.А. Саламатин // Международная научно-техническая конференция «Наука, инновации, образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России» - Екатеренбург: УрГУПС, 2006. – С.85-86.
- Саламатин М.А. Способ и устройство для автономного электропрогрева тепловоза ЧМЭ3 [Текст] / И.К. Андрончев, М.А. Саламатин // 3-я Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» - Самара: СамГАПС, 2006. – С.61-63.
- Саламатин М.А. Всесезонная автоматизированная система защиты тепловоза [Текст] / И.К. Андрончев, М.А. Саламатин // IV Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» - Самара: СамГУПС, 2008. – С.195-196.
- Саламатин М.А. Практическое применение эффекта Пельтье для защиты энергетической установки тепловоза [Текст] / И.К. Андрончев, М.А. Саламатин // V Всероссийская научно-практической конференция «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса»- Самара: СамГУПС, 2009. – С.55-57.
- Саламатин М.А. Применение модулей Пельтье для прогрева энергетической установки маневрового тепловоза [Текст] / И.К. Андрончев, М.А. Саламатин // Известия Петербурского университета путей сообщения – Санкт-Петербург: ПГУПС, 2009. – С.69-79.
- Патент на полезную модель № 59743 РФ МПК7 F02N 17/06 Стационарная установка для прогрева систем тепловозных дизелей / И.К. Андрончев, М.А. Саламатин, А.А. Гавриленков. Опубл. 27.12.2006 Бюл.№36, патентообладатель СамГАПС.
- Патент на полезную модель № 76394 РФ МПК7 F02N 17/06 Стационарная установка для прогрева систем тепловозных дизелей / И.К. Андрончев, М.А. Саламатин. Опубл. 20.09.2008 Бюл.№26, патентообладатель СамГУПС.
- Патент на полезную модель № 87216 РФ МПК7 F02N 17/06 Установка для прогрева систем тепловозных дизелей / И.К. Андрончев, М.А. Саламатин, С.Д. Анисимов, Е.Н. Антипова. Опубл. 27.09.2009 Бюл.№27, патентообладатель СамГУПС.
- Патент на полезную модель № 90138 РФ МПК7 F02N 15/00 Устройство для поддержания двигателя внутреннего сгорания в прогретом и безотказном предпусковом состоянии / И.К. Андрончев, М.А. Саламатин. Опубл. 27.11.2009 Бюл.№36, патентообладатель СамГУПС.
- Патент на полезную модель №109229 РФ МПК7 F02N 19/10 Устройство для поддержания систем двигателей внутреннего сгорания в прогретом и безотказном предпусковом состоянии /Д.Я. Носырев, Н.В. Чертыковцева, М.А. Саламатин. Опубл. 10.10.2011, патентообладатель ОАО «РЖД».
_________________________________________________________________
САЛАМАТИН Михаил Александрович
Комбинированная система защиты энергетической установки тепловоза
в условиях низких температур
Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация
Подписано в печать 16.01.2012. Формат 60х90 1/16.
. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 3.
Отпечатано в Самарском государственном университете путей сообщения.
443022, г. Самара, Заводское шоссе, 18.
