Підвищення ефективності повітропостачання й опалення пасажирських залізничних вагонів застосуванням обігрівачів каскадно-теплового стиску

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Підвищення ефективності повітропостачання й опалення пасажирських залізничних вагонів застосуванням обігрівачів каскадно-теплового стиску

Рухомий склад залізниць і тяга поїздів

Луганськ - 2006

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вже очевидне виснаження світових запасів нафти й гострий дефіцит рідинних вуглеводневих палив в Україні спричиняє необхідність пошуку способів подальшого зниження енерговитрат у всіх сферах народного господарства, в тому числі на залізничному транспорті. У загальному обсязі споживання енергії пасажирським поїздом значну частку становлять витрати на забезпечення мікроклімату у вагонах і кабіні машиніста локомотива. В умовах зростаючої конкуренції на ринку транспортних послуг вимоги по підтримці комфортних санітарно-гігієнічних параметрів у приміщеннях рухомого складу при одночасному зниженні енергії, споживаної системами опалення, повітропостачання й кондиціювання здобувають особливе значення.

Широко застосовувані в наш час конвекційні системи електричного, водяного або комбінованого опалення не забезпечують необхідних параметрів мікроклімату всередині вагона, насамперед, відносно рівномірного розподілу тепла в салонах, характеризуються високою інерційністю (на нагрівання повітря всередині вагона від 10⁰С до 18⁰С необхідно близько 50 хв.) і недостатньо надійні. Причому системи водяного опалення, що працюють на твердому паливі трудомісткі в експлуатації, і екологічно небезпечні, а системи з електричним нагрівачем енергетично нераціональні через зворотне перетворення рафінованої електричної енергії в теплову.

Менш інерційні повітряні обігрівачі, що сполучають звичайно із системою кондиціювання повітря, характеризуються ще більшою енерговитратністю не тільки в силу використання електричних нагрівачів, але й внаслідок високої енерговитратності транспортування тепла повітряним потоком.

Відзначені недоліки обумовлюють інтерес із боку провідних виробників пасажирських вагонів до принципово нових підходів у проектуванні систем опалення й вентилювання і, зокрема, заснованих на використанні розробленого професором Крайнюком О.І. термодинамічного циклу каскадно-теплового стиску (КТС), що реалізує пряме перетворення теплоти в енергію стислого холодного або гарячого повітря. Завдяки відсутності дискретно керованих запірних органів і витіснювальних елементів робочих порожнин пристрій характеризується достатньою надійністю й невисокими витратами на виготовлення й обслуговування.

Цілеспрямоване вдосконалювання опалювально-вентиляційної системи каскадно-теплового стиску (ОВС КТС) і обґрунтований вибір її параметрів спричиняє необхідність поглиблених досліджень робочого процесу генератора каскадно-теплового стиску (ГКТС), виявлення особливостей спільної роботи структурних елементів системи, а також закономірностей впливу різних факторів на експлуатаційні характеристики ОВС КТС.

Цим і визначається актуальність роботи, її науковий і практичний інтерес.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках державної науково-технічної програми «Нові технології й ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі» на підставі Наказу Міністерства освіти і науки України (наказ №360 від 22.12.2004) і наукових досліджень СНУ ім. В. Даля в області двигунобудування:

- «Теоретичні дослідження фізичної сутності процесів трансформації енергії на принципах каскадного теплового стиску в теплосилових установках» (ДР №0102U002216).

- «Теоретичні основи моделювання газодинамічних процесів у каскадно-теплових системах охолодження й опалювання рухомого складу залізниць» (ДР №0105U000259)

Мета й завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності роботи опалювально-вентиляційної системи пасажирських вагонів залізничного транспорту застосуванням агрегатів каскадно-теплового стиску.

Для реалізації поставленої мети передбачено рішення наступних завдань:

- розробку, створення й випробування дослідної конструкції генератора гарячого повітря каскадно-теплового стиску;

- розробку математичної моделі робочого циклу ГКТС, методу пошуку режимів спільної роботи агрегату КТС і ежекторного щабля в складі опалювально-вентиляційної системи;

- виявлення особливостей робочого циклу, дослідження впливу конструктивних і режимних параметрів на ефективні показники роботи ГКТС і шляхів його вдосконалювання;

- розробку методу визначення оптимальних параметрів ежекторних щаблів, методики узгодження розмірних співвідношень основних складових агрегатів ОВС КТС;

- визначення режимних характеристик роботи змішаної опалювальної системи КТС;

- дослідну перевірку працездатності експериментальної ОВС, підтвердження можливості застосування агрегату КТС як генератора повітря для опалення рухомого складу залізничного транспорту;

- вироблення рекомендацій із проектування й оптимізації конструктивних параметрів опалювально-вентиляційної системи каскадно-теплового стиску.

Об'єкт дослідження - процес забезпечення комфортних параметрів мікроклімату в салонах пасажирських вагонів.

Предмет дослідження - робочий процес опалювально-вентиляційної системи каскадно-теплового стиску.

Методи дослідження. Досягнення поставленої мети здійснено на основі системного підходу, що включає математичне моделювання досліджуваних процесів за допомогою диференціальних рівнянь і чисельних методів їх інтегрування, використання методів експериментальних досліджень розроблених макетних зразків ГКТС і дослідження робочого процесу ОВС КТС у лабораторних умовах.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Обґрунтовано й розроблено новий принцип організації робочого процесу опалювально-вентиляційної системи, заснований на використанні ефекту каскадно-теплового стиску, що реалізує пряме перетворення теплоти в розташовувану роботу стисненого повітря.

2. Вперше розроблено комплексний математичний апарат дослідження й оптимізації параметрів ОВС КТС, що включає:

- математичну модель генератора КТС, яка базується на використанні методу «пошарової дифузії» і уточненого методу «розпад довільного розриву», що розкривають картину розподілу температури робочого тіла в проточних елементах пристрою;

- модель узгодження витратних характеристик і вибору основних розмірних співвідношень основних структурних елементів опалювально-вентиляційної системи з урахуванням бажаної реалізації граничного режиму роботи ежектора;

- алгоритм пошуку режимних і конструктивних параметрів ГКТС і ежектора за критерієм максимальної продуктивності ОВС КТС для заданого теплового й температурного потенціалу джерела теплоти;

- математичну модель робочого процесу ОВС КТС на нерозрахункових режимах, що базується на методі пошуку режимів спільної роботи ГКТС і ежектора при різній температурі джерела підведення теплоти.

3. Вперше виявлені й проаналізовані фізичні особливості робочого процесу ГКТС, запропоновані концепції вдосконалювання його властивостей. Розкрито механізм впливу процесів заміщення й продувки осередків ротора на ефективні показники генератора КТС, отримані їх граничні значення, що визначають рівень раціональної інтенсифікації продувки.

4. Вперше розкрита закономірність впливу основних режимних умов і основних конструктивних параметрів ОВС КТС на показники її роботи.

5. Кількісно оцінена можливість підвищення ККД ОВС КТС за рахунок вторинної утилізації залишкового тепла відпрацювавших газів і надлишкового тепла повітряної суміші на виході з ежектора у водяний контур конвективного опалення.

6. Вперше створена експериментальна установка ОВС КТС, робочий процес якої заснований на використанні ефекту каскадно-теплового стиску. Новизна рішення підтверджується патентами України й Росії.

Практична цінність отриманих результатів.

1 Розроблений цикл каскадно-теплового стиску розкриває перспективу створення нових теплосилових установок, що безпосередньо перетворять скидну теплоту у высокоексергетичну енергію стиснутого газу або повітря. Висока ефективність робочого процесу агрегатів КТС навіть при використанні джерел теплоти з відносно невисоким температурним потенціалом спричиняє привабливість їх застосування, у тому числі, як утилізаційні системи в складі традиційних ТСУ.

2. Запропоновані методи й розроблені програми розрахунку структурних елементів ОВС КТС дозволяють істотно скоротити трудомісткість, вартість дослідно-конструкторських і доводочних робіт, а також розширити область пошуку нових конструктивних рішень проектуємих пристроїв.

3. Результати розрахунково-експериментального дослідження ГКТС у складі ОВС КТС дозволяють розкрити механізм впливу різних факторів на показники роботи ОВС КТС і розробити рекомендації з розширення області ефективної роботи пристроїв каскадно-теплового стиску.

4. Експериментальна конструкція ГКТС може служити як об'єктом досліджень, так і інструментом вивчення можливості використання принципу каскадно-теплового стиску в перспективних схемах систем опалення, повітропостачання, паливопостачання й камерах згоряння ГТУ.

Результати роботи використовуються в проектних і дослідницьких підрозділах ХК «Луганськтепловоз». Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень відбиті в програмах навчальних курсів «Утилізаційні системи теплосилових установок», «Газова динаміка й агрегати наддуву» за фахом 7.090210 - «Двигуни внутрішнього згоряння» у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля.

Особистий внесок здобувача складається в:

- розробці схеми й пристрою каскадно-теплового стиску [7, 14];

- створенні математичних моделей агрегату КТС і виявленні залежностей ККД і тиску нагнітання генератора КТС на різних режимах роботи від величини відносної витрати повітря, визначенні раціональної кількості напорообмінних каналів [3, 4];

- виявленні особливостей організації робочого процесу агрегатів каскадного стиску й деяких напрямків їх застосування [1];

- оцінці впливу якості продувки осередків ротора на показники роботи генератора КТС, встановленні оптимальних значень коефіцієнтів заміщення й продувки [3];

- обґрунтуванні й виводі критерію ефективності агрегатів КТС [2];

- створенні алгоритму вибору розмірних параметрів утилізаційної системи каскадно-теплового стиску силової установки тепловоза [5];

- використанні пристрою КТС як обігрівача транспортного засобу [8], генератора газу [12, 15], агрегату наддуву ДВЗ [4, 9], агрегату зовнішнього сумішоутворення [13], камери згоряння газотурбінної установки [6, 10, 11].

Апробація роботи. Основні положення й результати дисертаційної роботи доповідалися на V Міжнародному конгресі двигунобудівників (Рибаче-Крим-Україна) в 2000 р., 15-й Міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми розвитку рейкового транспорту» (Алушта) у 2005 р., а також на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля (Луганськ) протягом 2000-2006 р.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 15 наукових працях, з яких 6 статей у збірниках наукових праць і 9 патентів України й Росії.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків і 1 додатка. Повний обсяг роботи 202 сторінки, з них 35 ілюстрацій по тексту, 48 ілюстрацій на 30 сторінках, 7 таблиць по тексту, 1 додаток на 2 сторінках, 102 використаних літературних джерела на 9 сторінках.

генератор повітропостачання пасажирський вагон

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, викладена наукова новизна, практичне значення, інформація про апробацію і про публікацію основних положень роботи.

У першому розділі здійснено огляд робіт, спрямованих на підвищення ефективності повітропостачання та опалення пасажирських вагонів. Встановлено, що широко застосовувані в наш час конвекційні системи водяного й електричного опалення не забезпечують рівномірного розподілу тепла в салонах, складні в експлуатації, інерційні та недостатньо надійні. Функціонально більш досконалі електрокалориферні системи повітряного опалення мають низький ККД, що обумовлено нераціональністю зворотнього перетворення електричної енергії в теплову, а також великою енерговитратністю на транспортування тепла стисненим повітрям, що у свою чергу, є рафінованим продуктом багатоступінчастого перетворення теплової або електричної енергії.

Розвитку систем повітропостачання, опалення та утилізації скидної теплоти сприяли роботи Е.Д. Бернера, Ю.Б. Бушуйкіна, С.Г. Грищенка, В.Г. Дяченка, О.І. Крайнюка, Ю.А. Кулікова, О.А.Кікнадзе, Б.Н. Китаєва, С.В. Кузьменка, Г.В. Ладиженського, І.Ю. Ломакіна, А.П. Марченка, М.Г. Маханько, Ю.П. Мухіна, Г.І. Осадчука, Ю.І. Осеніна, С.А. Сапожнікова, Ю.П.Сідорова, Ю.В. Терпетьянца, Б.І. Школьнікова, Н.К. Шокотова, та ін.

Перспективний напрямок розвитку опалення й вентиляції пов'язаний зі створенням генераторів гарячого повітря, заснованих на використанні ефекту каскадно-теплового стиску (КТС). Сутність робочого циклу КТС, розробленого професором Крайнюком О.І., полягає в прямому перетворенні тепла в енергію стисненого повітря. Термодинамічний цикл КТС може бути покладений в основу цілого ряду пристроїв: компресора КТС, генератора газу, каскадного обмінника тиску, камери згоряння газотурбінної установки, обігрівача каскадно-теплового стиску (ОКТ), різноманітних систем наддування ДВЗ та ін.

Крім простоти й високої надійності конструкції, агрегати КТС характеризуються досить високим ККД, навіть при використанні джерел теплоти з відносно невисоким температурним потенціалом, що спричиняє привабливість їх застосування, у тому числі, як утилізаційних систем в складі теплосилової установки локомотива.

Основна ідея побудови робочого циклу агрегату КТС полягає в попередньому стиску робочого тіла в замкнутому об'ємі (осередку) у результаті послідовного надходження в нього повітря із суміжних осередків ділянки розширення і наступному підвищенні тиску в процесі підведення теплоти до розглянутого об'єму від зовнішнього чи внутрішнього джерела. Частина стиснутого в такий спосіб робочого тіла відводиться до споживача, а частина, що залишилася, передає енергію надлишкового тиску в процесі каскадного масообміну на ділянці стиску.

Конструктивно агрегат КТС (рис. 1) може бути виконаний у вигляді ротора, розділеного перегородками на замкнуті об'єми, що обертається навколо статора з нерухомими натискообмінними каналами, і корпуса, що охоплює ротор, із продувною магістраллю і сектором підведення теплоти.

Незважаючи на унікальність пристрою, робочий процес агрегату КТС не суперечить класичним принципам організації робочого процесу теплосилових машин.

Стосовно до залізничного транспорту інтерес представляє, наприклад, використання генератора гарячого повітря в опалювальних системах рухомого складу. Очевидним достоїнством обігрівача КТС, поряд з низькою вартістю обслуговування, є автономність через збереження працездатності при знеструмленні силової електромережі, а також можливість експлуатації на різних видах палива й від будь-якого джерела теплоти. Завдяки нагнітанню гарячого повітря безпосередньо агрегатом КТС транспортування теплоносія в локальні зони об'єкта, що обігрівається, здійснюється без використання приводного компресора або вентилятора.

Найбільш універсальною є представлена на рис. 2 система змішаного опалення, у якій залишкове тепло газів надається в контур водяного опалення вагона.

Доповнення ОВС КТС водяним контуром дозволяє помітно підвищити ККД системи за рахунок найбільш повного використання потоків скидної теплоти, а також вирішує проблему зниження температури повітря, що надходить до салону, до комфортних значень шляхом проміжного охолодження потоку після першого щабля ежектора.

Рідина водяного контуру, що підігрівається на початку в теплообміннику 1 ежекторного щабля й потім у теплообміннику 2 утилізації скидної теплоти відпрацювавших газів, подається у радіатори 3, розміщені всередині салону. Додаткове охолодження подаваємого в салон повітря до комфортних значень, здійснюється на ділянці повітряної магістралі, постаченій ребрами охолодження. Оребрена ділянка 7 повітряної магістралі розміщається безпосередньо у салоні, і, таким чином, виконує функції додаткового радіатора конвективного опалення.

Разом з тим недостатня вивченість закономірностей робочого процесу і відсутність даних кількісного впливу різних режимних і конструктивних факторів на експлуатаційні характеристики агрегату КТС припускає необхідність проведення великого об'єму робіт з доведення кожного конструктивного варіанта установки. З огляду на складність реєстрації і візуалізації тепломасообмінних процесів у проточних елементах ротора, необхідно визнати, що найбільш ефективним інструментом розширення області пошуку найкращого сполучення параметрів є чисельне моделювання робочого циклу пристрою КТС.

Пошук режимних параметрів, що забезпечують найбільшу ефективність ОВС КТС, передбачає широке використання математичних моделей робочих процесів основних агрегатів системи, методів визначення й узгодження основних розмірних параметрів ГКТС і ежектора.

Другий розділ присвячений математичному моделюванню тепломасообмінних процесів, що протікають у генераторі КТС, виявленню особливостей робочого циклу КТС і дослідженню впливу режимних і конструктивних параметрів на показники роботи генераторі КТС.

Математична модель робочого процесу генераторі КТС базується на спільному рішенні рівнянь тепломасообміну в осередках ротора з рівняннями руху газоповітряного середовища в натискообмінних каналах статора. В основі моделі закладені допущення про квазістаціонарність процесів масообміну в осередках ротора й одномірному представленні несталого руху робочого тіла в натискообмінних каналах статора.

Відповідно до розробленого методу «пошарової дифузії» об'єм осередку умовно розбивається нерухомою сіткою на рівні елементарні розрахункові шари, величина яких вибирається з умови повного розчинення в них робочого тіла, що надійшло за період тимчасового розрахункового кроку із суміжних шарів, причому кожен шар має однорідні термодинамічні параметри. На першому етапі розрахунку всі елементарні розрахункові шари розглядаються як закриті термодинамічні системи, крім першого й останнього, котрі є відкритими термодинамічними системами.

Зміна термодинамічних параметрів в елементарному розрахунковому шарі в загальному випадку розглядається як результат одночасного впливу на робоче тіло, що спочатку міститься в цьому шарі, трьох факторів: підведеної ззовні теплоти (dQ_w), роботи проштовхування умовних границь між суміжними шарами (dL_деф), розведення робочим тілом (масою dm_int), що надходить з боку суміжних шарів.

Для внутрішніх розрахункових елементів розрахунок термодинамічних параметрів на кожнім розрахунковому кроці здійснюється в два етапи. На першому етапі параметри у внутрішніх шарах змінюються під впливом підведеної теплоти і роботи деформації. Тоді зміна температури у внутрішніх шарах визначається з рівняння:

При визначенні загальної витрати робочого тіла через вікна високого і низького тиску виконується розрахунок процесів витікання одночасно з всіх осередків, сполучених на розглянутому розрахунковому кроці з відповідними вікнами.

Моделювання робочого циклу ГКТС зводиться до послідовного розрахунку параметрів стану одночасно в двох суміжних осередках, з'єднаних відповідним натискообмінним каналом статора, при цьому розрахунок проводиться в напрямку від контуру заміщення до контуру продувки. Розрахунок виконується до збігу термодинамічних параметрів поточного розрахункового циклу з відповідними значеннями параметрів на попередньому робочому циклі.

Третій розділ присвячений моделюванню роботи і розрахунковим дослідженням ОВС КТС.

Оптимізація розмірних співвідношень основних елементів системи, спрямована на розширення області ефективної роботи пристрою припускає необхідність виявлення особливостей роботи обігрівача на неномінальних режимах. Розроблена математична модель робочого процесу дозволяє оцінити продуктивність ОВС КТС залежно від параметрів джерела теплоти й температури навколишнього середовища.

Взаємозв'язок робочих процесів ГКТС і ежектора спричиняє необхідність спільного їх моделювання методом послідовних наближень. З огляду на чутливість генератора КТС до витрати повітря, що відводиться до ежектора, а також залежність характеру протікання процесу змішання робочих середовищ в ежекторі від параметрів активного потоку, формованого генератором КТС, як основний параметр узгодження режимів спільної роботи доцільно використати - витрату повітря в нагнітальному каналі.

Взаємозв'язок і складність робочих процесів відзначених пристроїв спричиняють доцільність оптимізації конструктивних і режимних параметрів методом послідовних наближень, з поділом кожного циклу на два етапи.

На другому етапі циклу наближення визначаються розміри ежектора, що забезпечують найкращі показники роботи для необхідного гідравлічного навантаження ОВС КТС.

Ступінь раціонального збільшення обмежується можливою кризою плину пасивного потоку в перетині запирання з моменту , а також негативним впливом надмірного збільшення на напорність ежектора й витрату пасивного потоку внаслідок росту втрат у дифузорі відповідно до першого з рівнянь системи.

Рішення свідчить про неможливість реалізації досліджуваного режиму й необхідності зменшення коефіцієнта розширення дифузора .

У наступному циклі наближення розмірних співвідношень агрегатів обігрівача по знайденим у результаті розрахунку ежектора граничним умовам розширення активного потоку, якщо буде потреба, перераховуються розміри ГКТС і далі уточнюються узгоджувані параметри ежектора.

Проведені дослідження показників роботи ОВС КТС показали, що, значний вплив на ефективність роботи ОВС КТС робить співвідношення розмірних параметрів агрегатів ГКТС і ежектора. Цей вплив проявляється через максимальний тиск циклу Р_z, необхідність оптимізації якого пов'язана з тим, що при зниженні Р_z до певної межі відзначається ріст продуктивності ежектора за рахунок одночасного збільшення відносної витрати _air1, що відводиться від робочого циклу ГКТС.

Максимальний тиск циклу Р_z ГКТС і відносна витрата _air1 залежать від гідравлічного опору споживача (ежектора) і, в остаточному підсумку, визначаються співвідношенням пропускної здатності агрегатів ГКТС і ежектора. За умови оптимізації конструктивних параметрів ежектора для кожного потоку активного середовища узагальнюючим показником розмірності ежектора, що безпосередньо впливає на його гідравлічний опір, може служити площа прохідного перетину активного сопла F₁.

Отримані дані (рис. 4) підтверджують наявність яскраво вираженого екстремуму узагальненої функції витрати повітряної суміші від розмірного параметра F₁. При цьому, на всіх досліджуваних режимах максимальна продуктивність ежектора реалізується в області різних параметрів F₁, не відповідній умові максимальних значень коефіцієнта ежекції, і зміщеної щодо цієї умови в напрямку більших значень F₁.

Величина гідравлічного опору повітророзподільної мережі практично не робить впливу на координату екстремуму узагальненої функції . В істотно більшому ступені координата екстремуму узагальненої функції залежить від температурного режиму роботи ГКТС, зміщаючись убік більших F₁ при підвищенні T_z.

У четвертому розділі приведені розроблені конструкції дослідних зразків ГКТС, опис експериментальної установки, методики проведення експериментальних досліджень і оцінка погрішностей вимірів, а також результати випробувань ГКТС.

Перевірка впливу числа щаблів стиску (кількості напорообмінних каналів статора) на показники роботи ГКТС проводилася на двох модифікаціях - ГКТС34-14 і ГКТС34-11 з кількістю каналів у статорі відповідно 14 і 11. Експеримент підтвердив більш високу ефективність роботи ГКТС34-14. У порівнянні із ГКТС34-11 ця модифікація забезпечує максимальний тиск циклу вище в середньому на 5% у всій досліджуваній області зміни при одночасному зниженні залишкового тиску на 11%, що, в остаточному підсумку, спричиняється перевищення адіабатного ККД модифікації ГКТС34-14 над аналогічним для ГКТС34-11 приблизно на 5,5%.

Оцінка адекватності математичної моделі робочого циклу генератора КТС проводилася шляхом порівняння осцилограм тиску в осередку ротора з розрахунковими значеннями, одержаними з урахуванням витоків і теплообміну в каналах статора. Розбіжності в експериментальних і розрахункових значеннях максимального тиску циклу лежать у межах 2,5-4% у всій області зміни і Т_z. Аналогічна картина спостерігається і при порівнянні адіабатичного ККД, визначеного за значеннями, одержаними розрахунковим і експериментальним шляхом.

Окремої уваги заслуговує розгляд характеристик ГКТС при зміні його швидкісного режиму роботи (рис. 5), оскільки зв'язок частоти обертання ротора й показників роботи генератора проявляється через коефіцієнти продувки й витрати на привод.

Найбільших значень ці обидва показники досягають при частоті обертання ротора 1500 хв^-1. Наприклад, на режимі, що відповідає Т_z = 750К, тиск у циклі досягає 0,33 МПа, а ККД - 0,12. При менших частотах обертання (1000 хв^-1) відзначені показники значно нижче (p_z= 0,27МПа, а = 0,27). Надмірне збільшення оборотів ротора також приводить до зниження ефективності роботи генератора, обумовленому ростом механічних втрат і збільшенням витрат на продувку і привод. Так, при підвищенні частоти обертання до 2500 хв^-1 коефіцієнти продувки і заміщення зростають на 6-8%, витрати потужності на привод ротора збільшуються майже в 3 рази, а ефективний ККД падає майже на 20%.

Експериментальні дослідження дослідних конструкцій ГКТС підтвердили їх працездатність, високу надійність, простоту обслуговування при експлуатації й можливість використання як агрегати систем вентиляції й опалення. Зниження зазору обмежувалося можливим заклинюванням ротора внаслідок термічних деформацій елементів, у той час як навіть незначне збільшення зазору (до 0,15 мм) супроводжувалося підвищенням (на 3%) витоків робочого тіла. Заходи щодо подальшого вдосконалювання ОВС КТС передбачають застосування більш досконалих ущільнень зазначеного сполучення. Оскільки ротор ГКТС не випробовує істотних відцентрових навантажень, представляється досить перспективним використання ротора з кераміки, що має менший коефіцієнт термічного розширення.

У п'ятому роздiлi представлено прогноз зниження середньоексплуатацiйної витрати палива на дизель-поїзді ДЕЛ-02, спорядженого ОВС КТС, з урахуванням технічної документації та дослідних даних холдингу «Луганськтепловоз».

Представлено розрахунок зниження витрати палива локомотива при використанні ОВС КТС для обігріву одного вагона пасажирського поїзда з дизельною тягою. Як об'єкт порівняння прийнято систему електричного опалення БОС-3, застосовувану в наш час для опалення вагонів дизель-поїзда.

У вигляді крiтерiального використовується показник мiнiмально можливої експлуатаційної витрати палива В_ег, становлячий відношення сумарної кiлькостi витраченого на всіх режимах палива до еталонної витрати палива.

Техніко-економічні розрахунки довели, що досягається зниження витрати дизельного палива на обігрів одного рухомого вагону, при t_о=-25⁰С у результаті заміни базового обігрівача БОС-3 на ОВС КТС на 3,82 кг/год.

У перерахуванні на середню тривалість експлуатації пасажирського поїзда в осінньо-зимовий період (1900…2300 годин) економія палива на обігрів одного вагона з урахуванням коливань температур навколишнього середовища й різних режимів руху поїзда досягає 3500…4000 кг/сезон.

Висновки

У дисертації вирішена науково-технічна задача підвищення ефективності і економічності опалення й повітропостачання пасажирських вагонів залізничного транспорту використанням агрегатів каскадно-теплового стиску.

Основні результати виконаних досліджень полягають у наступному:

1. Значний резерв енергетичного й функціонального вдосконалювання ОВС пасажирських вагонів пов'язаний з використанням як генератора гарячого повітря агрегатів каскадно-теплового стиску, що реалізують пряме перетворення теплоти в енергію стисненого повітря.

Розроблено робочий цикл, принципову схему та конструкцію принципово нового пристрою опалювально-вентиляційної системи каскадно-теплового стиску, захищені патентами України й Росії.

2. Математична модель ГКТС, що базується на використанні методу «пошарової дифузії» і уточненого методу «розпад довільного розриву» враховує дисипативні фактори, пов'язані з відривними явищами й затопленням струменя в граничних перетинах осередків ротора. Її використання розширює уяву про механізм протікання реальних процесів тепломасообміну в проточних елементах і дозволяє одержати характеристики роботи ГКТС для різних сполучень конструктивних параметрів.

Досить висока адекватність математичної моделі робочого циклу ГКТС підтверджена гарною збіжністю (у межах 2,4-4%) розрахункових і експериментальних значень термодинамічних параметрів циклу.

3. В результаті розрахунково-експериментальних досліджень ГКТС виявлені й проаналізовані закономірності впливу режимних і конструктивних параметрів на показники роботи ГКТС. Зокрема:

- встановлена чутливість робочого циклу ГКТС до якості очищення осередків у процесах продувки й заміщення. У досліджуваній конструкції прийнятні значення коефіцієнтів продувки й заміщення перебувають у межах 1,6…1,7.

- доведена енергетична доцільність інтенсифікації процесів продувки й заміщення за рахунок збільшення зовнішнього діаметра ротора. Кожному коефіцієнту продувки й заміщення відповідає своє граничне значення діаметра, при зменшенні якого дана продувка недосяжна навіть при значному збільшенні частоти обертання ротора.

- обґрунтована доцільність регулювання відносної витрати робочого тіла, що відбирається із циклу ГКТС, залежно від максимальної температури циклу . Зі збільшенням раціональні значення (за критерієм максимального ККД ГКТС) практично лінійно зростають.

4. Запропонований метод узгодження режимних і конструктивних параметрів ГКТС і ежектора за критерієм максимальної продуктивності ОВС КТС для заданого теплового й температурного потенціалу джерела теплоти значно спрощує пошук сполучень розмірних співвідношень структурних елементів системи, що забезпечують ефективну роботу ОВС КТС на розрахунковому режимі.

5. Аналіз особливостей спільної роботи ГКТС і ежектора показав, що при виборі конструктивних параметрів ГКТС, що працює в складі ОВС, у якості основної оптимізаційної передумови доцільно використати умову максимальної кількості руху активного струменя ежектора.

При виборі параметрів ежектора оптимізаційними передумовами є умова реалізації 1-го граничного режиму (на якому швидкість пасивного потоку наближається до звукової), а також мінімізація втрат затоплення струменя повітря на виході з дифузору ежектора.

6. Розроблена математична модель робочого процесу ОВС КТС на нерозрахункових режимах, що базується на методі пошуку режимів спільної роботи ГКТС і ежектора при різній температурі джерела підведення теплоти, а також програмне забезпечення дозволяють істотно скоротити трудомісткість дослідницьких, дослідно-конструкторських і доводочних робіт.

7. Випробування ГКТС на безмоторному стенді підтвердили можливість ефективного перетворення підведеної теплоти в розташовувану роботу стисненого повітря (на режимі Т_g1=950-1000К, _air1= 32% адіабатний ККД ГКТС досягає 32-33%). Високі значення тиску й температури відведеного до споживача повітря (= 0,2…0,6МПа, Т_z=600-1000К) дозволяють транспортувати тепло у віддалені зони вагона за допомогою повітроводу з відносно невеликим прохідним перерізом з наступним розведенням гарячого повітря припливним в ежекторних камерах змішання.

8. В результаті розрахункових досліджень підтверджено, що параметри робочого циклу ГКТС, що забезпечують максимальний його ефективний ККД (найбільшу розташовувану роботу генеруємого повітря) не завжди відповідає умові максимальної продуктивності повітряного контуру ОВС.

Раціональна зміна відносної витрати повітря, що відводиться до споживача _air1 залежно від T_z, у свою чергу, носить лінійний характер, однак зміщено відносно кривої _air1= f(T_z) за критерієм максимального ефективного ККД КТС у напрямку більших значень _air1.

Наприклад, для T_z =1000К максимальний ККД КТС ( = 0,33) досягається при _air1= 32%, у той час як максимальна продуктивність повітряного контуру ОВС КТС реалізується при _air1=58%.

9. Експериментально підтверджена працездатність і висока надійність дослідної системи ОВС КТС, що обумовлено відсутністю механічних витискувачів та дискретно-керованих газорозподільних органів, а також невеликою теплонапруженістю ротора ГКТС, внаслідок періодичного охолодження свіжим зарядом. Підтверджено високу ефективність роботи ОВС КТС у широкому діапазоні режимів експлуатації. На режимі Т_z= 790 К загальний ККД ОВС КТС становить -0,83, а на режимі Т_z=1000 К досягає значення - 0,87.

10. Запропоновано інженерний метод визначення основного розмірного параметру ГКТС - обсягу проточної частини ротора за результатами розрахунку максимальної потужності системи опалення вагонів. Наприклад, для одночасного обігріву трьох вагонів ДЕЛ-02 при використанні як джерела підведення теплоти топкових газів (Т_z= 1000 К) досить застосування агрегату ГКТС із обсягом проточної частини ротора Vр=0,00233м³.

11. У поїздах з дизельною тягою істотно менша витрата палива на обігрів вагона витрачається при використанні як джерело теплоти робочого циклу ГКТС топкових камер або ВГ дизеля. Застосування в ОВС КТС електроенергії є менш раціональним, оскільки теплота, випромінювана електронагрівальними приладами, в остаточному підсумку, є продуктом подвійного перетворення теплової енергії згорілого у двигуні палива.

12. Техніко-економічний розрахунок ефективності застосування ОВС КТС на дизель поїзді ДЕЛ-02 показав, що зниження витрати дизельного палива на обігрів одного вагона, що рухається, при Т₀ = - 25⁰С у результаті заміни базового обігрівача БОС-03 на ОВС КТС становить 3,82 кг/год.

Размещено на Allbest.ru