ДИПЛОМ (1229627), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Система прогрева должна поддерживать температуру теплоносителей в системах дизеля на определенном уровне. У тепловозных дизелей этот уровень для охлаждающей воды и масла не должен быть ниже 40 °С, что обеспечивает постоянную готовность тепловоза к принятию нагрузки. Поддерживать такую температуру можно двумя способами: либо плавным изменением количества тепла, подаваемого от источника в системы дизеля в зависимости от состояния окружающей среды, либо порционной подачей тепла путём периодического прогрева и соответственно охлаждения силовой установки в заданном температурном интервале.
Для систем прогрева, в которых в качестве источника энергии используется дизель, приемлем только второй способ, поскольку регулировка поступления тепла в прогреваемые системы может быть только ступенчатой, зависящей от устанавливаемого скоростного режима работы. В этом случае процесс прогрева силовой установки делится на последовательные циклы – прогрева и охлаждения.
Необходимое количество тепловой энергии, подводимой в цикле прогрева, зависит от массы прогреваемых элементов, температурного диапазона прогрева, длительности режима и КПД используемого источника тепла.
В цикле охлаждения энергия затрачивается только на привод циркуляционных насосов.
Снизить непроизводительные потери топлива при прогреве силовой установке работой дизеля можно уменьшением относительной длительности его работы в цикле прогрева.
Простейшим из путей решения этой задачи является увеличение продолжительности режима охлаждения, которого определяется временем падения температуры воды в наиболее интенсивно охлаждающихся участках до критических значений. В большинстве случаев такими участками являются нижние ярусы секций холодильника и трубопроводы, отводящие воду из радиаторов.
Для увеличения длительности режима охлаждения применяют теплоизоляцию и дополнительные циркуляционные электрические насосы. Постоянно или периодически прокачивая теплоносители по системам, они обеспечивают равномерное их охлаждение и более полное использование тепла, аккумулированного элементами силовой установки. Повысить количество запасаемой тепловой энергии можно путем применения специальных тепловых аккумуляторов.
Уменьшение времени работы дизеля в режиме прогрева достигается за счет применения дополнительного электрического водогрейного котла, который питают от главного или вспомогательного генератора работающей секции прогреваемого тепловоза. Это мероприятие позволяет так же за счет повышения частичной загрузки дизеля снизить нагарообразование в его цилиндрах и повышенный износ деталей. Для ускорения прогрева можно использовать утилизированную энергию выпускных газов дизеля, температура которых на холостом ходу достигает 150 °С.
В тепловозных силовых установках возможен прогрев не только дизеля и его систем, но и всех агрегатов, расположенных в кузове локомотива. Для этого в кузове с помощью вентилятора обеспечивается замкнутая или разомкнутая циркуляция воздуха, нагретого в радиаторах или тепловыделяющих электрических агрегатах, например, резисторах системы электродинамического тормоза тепловоза. Один из вариантов такого способа – замкнутая система циркуляции нагретого воздуха между дизельным помещением и охлаждающим устройством – реализовано ВНИИЖТом, МИИТом и ПО «Лугансктепловоз» (в настоящее время холдинговая компания ХК «Лугансктепловоз») на тепловозах 2ТЭ116, 2ТЭ121 и другие.
Разработаны системы прогрева на базе использования тепловой энергии котельных установок депо. Так называемые системы стационарного прогрева. В таких системах вода, циркулирующая по системам тепловозного дизеля, нагревается паром, который поступает из котельной, в специально тепло-подготовительном пункте. Эти системы реализованы в нескольких локомотивных депо Горьковской железной дороге. Такой способ прогрева позволяет добиться снижения эксплуатационного расхода топлива тепловозами до 5 %.
В некоторых депо Горьковской железной дороги используются внешний источник энергии для запуска и остановки дизеля в автоматическом режиме, то есть в зависимости от температуры воды обеспечивается автоматический прогрев систем дизеля. Однако применения такого способа не исключает работу дизеля на холостом ходу. К тому же очень частый запуск приводит к резкому износу деталей в узлах трения дизеля их значительному расходу электроэнергии.
Не меньший интерес представляют работы по совершенствованию котлов – подогревателей, работающих в циклическом режиме. Работы по созданию таких систем на протяжении ряда лет ведутся тепловозостроительными заводами, ВНИТИ, ВНИИЖТом и другими организациями. В качестве генератора тепла обычно используется водяной котел, работающий на жидком топливе или от электроэнергии. Возможно использование газообразного и твердого топлива.
Водогрейные котлы, работающие на жидком топливе, устанавливались серийно и в опытном порядке на тепловозах ТЭ3, ТЭ10, ЭЖП60, ТЭМ1 и другие. За рубежом, особенно на тепловозах оборудованных системами парового отопления вагонов, применяются и паровые котлы. При этом прогрев силовой установки обеспечивается путем непосредственной подачи пара в систему охлаждения дизеля или через пароводяной теплообменник. Применение котлов-подогревателей на тепловозах позволяет значительно сократить расход топлива на прогрев с одновременным сохранением ресурса дизель-генератора. Наряду с этим, существенным недостатком применения котлов-подогревателей является то. Что их энергообеспечение осуществляется от аккумуляторных батарей, что естественно сказывается на сроке службы последних. В числе других недостатков также следует отметить значительные габариты и вес агрегатов, необходимость переключения большого числа вентилей и кранов, несовершенство систем зажигания и, как следствие, ненадёжность пуска котлов.
Существующие недостатки заставляют искать автономные источники электроэнергии для привода вспомогательного оборудования (водяного, масляного и топливного насосов), не зависящие от работы дизель-генератора тепловоза или аккумуляторных батарей. Для этой цели возможно использование вспомогательного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), например, на базе автомобильных дизелей небольшой мощности 30–60 кВт. В режиме прогрева дизель используется для привода электрического генератора, питающего водонагреватель и циркуляционные насосы. При этом полностью утилизируется тепло, уносимое водой, маслом и отработавшими газами. В результате КПД установки повышаются до 90 %, обеспечивается высокая надёжность работы и ресурс не менее 15 лет. Подобные установки, в частности, рекомендованы для массового внедрения на тепловозах железных дорог США. Созданы экспериментальные образцы водогрейных котлов, у которых энергия отходящих газов с помощью газовой турбины и генератора или полупроводниковых элементов преобразуется в электрическую в количестве, достаточном для привода одного или нескольких водяных циркуляционных насосов (0,3–1,2 кВт). Возможно создание таких установок и на базе паровых котлов.
Для магистральных тепловозов, которые состоят из двух, трёх или четырёх секций, существенную экономию энергоресурсов может дать применение электрических водогрейных и циркуляционных устройств с питанием от дизель-генераторной установки (ДГУ) одной секции. При этом обеспечивается автономность локомотива в режиме прогрева и подзарядка аккумуляторных батарей, а дизель работающей секции используется более эффективно за счёт дополнительной нагрузки на него . [1]
Появляется также возможность ускоренного прогрева силовых установок секций при одновременной работе дизелей и электронагревателей. В ПО «Лугансктепловоз» разработано несколько модификаций водяных котлов-подогревателей на базе нагревательных элементов мощностью 45 и 90 кВт, ведутся проработки котла мощностью 135 кВт. Проведенные стендовые испытания показали, что при относительно небольшой массе (113 кг без воды) котёл с нагревательным элементом мощностью 90 кВт обеспечивает удельный теплосъём с поверхности нагрева 304 кВт/м2, с объёма 1800 кВт/м3 и массы 0,81 кВт/кг.
Отдельную группу составляют системы прогрева на базе стационарных генераторов тепла – водяных и паровых котлов. Такие котлы отработаны, выпускаются серийно и имеют К.П.Д 80–90%. Они обычно имеют большую единичную мощность, что позволяет одновременно обслуживать несколько тепловозов. Прогрев силовых установок осуществляется горячей водой и маслом, подаваемыми в их системы по трубопроводам с быстроразъёмными соединениями. Возможен подогрев масла путём его прокачки через тепловозный водомасляный теплообменник. В этом случае к тепловозу необходимо подводить электроэнергию для питания циркуляционного насоса. В результате усложняется система прогрева и особенно её обслуживание в зимний период. Кроме того, появляется необходимость в дополнительных путях отстоя прогреваемых локомотивов, затрудняется их маневрирование. Поэтому прогрев на базе стационарных генераторов тепла в настоящее время применяется только в отдельных депо с развитым путевым хозяйством . [1]
Анализ систем прогрева показывает, что в наибольшей степени задаче поддержание силовой установке тепловоза в постоянной готовности принятию нагрузки отвечают автономные системы прогрева. Однако в настоящее время отсутствуют генераторы теплоты, подходящие для таких систем. С освоением в нашей стране серийного выпуска автомобильных дизелей малой мощности, по-видимому, наиболее перспективными окажутся системы прогрева на базе этих дизелей. Могут найти применение и генераторы теплоты с термо-преобразователями и газовой турбиной.
В современных условиях для решения проблемы прогрева силовых установок тепловозов наиболее предпочтительны электрические схемы, поскольку они основываются на доведенных, серийно выпускаемых элементах. Поэтому тепловозостроительные заводы начали внедрение именно электрических систем прогрева, оснастив ими серийные и опытные тепловозы ТЭМ2У, 2ТЭ116А, 4ТЭ130, ТЭ136, 4ТЭ10С, ЧМЭ3 и другие. Однако серийные электрические системы обеспечивают необходимую тепло производительность только при определенном уровне температур наружного воздуха, а при более низких температурах наружного воздуха такие системы мало эффективны. Следует отметить и такой недостаток серийных электрических систем как использование режима холостого хода дизеля, при отборе электроэнергии от тягового генератора. Также при прогреве водяной системы дизеля от внешнего источника трёхфазного переменного тока не предусматривается возможность подогрева топлива, масла и подзарядка аккумуляторной батареи. Кроме того, в зависимости от внешнего источника энергии делает электрические системы подогрева неавтономными, требует оборудование специальных линий отстоя с устройствами присоединения к энергосети, снижает маневренность локомотивного парка депо .[1]
Следует отметить и системы прогрева с использованием аккумулятора тепла, роль которого выполняет водяная система дизеля с значительно большей массой охлаждающей воды. При работе дизеля в зимнее время под нагрузкой температура воды в аккумуляторе должна поддерживаться на наиболее высоком уровне постоянным автоматическим пополнением более горячей водой. При стоянках тепловоза накопленное тепло может быть возвращено в систему охлаждения дизеля естественной или принудительной циркуляцией воды через аккумулятор тепла. Естественная циркуляция может быть обеспечена присоединением наиболее холодных участков водяной системы к аккумулятору. Аккумулятор тепла следует надёжно изолировать от воздействия наружного воздуха. В качестве теплоизоляции можно использовать металлическую оболочку. Пространство между аккумулятором и оболочкой может быть заполнено дизельным маслом, которое одновременно будет масляным аккумулятором тепла и, в некоторой степени, тепловым изолятором, так как коэффициент теплопроводности масла примерно в два раза ниже, чем у воды. Аккумулятор тепла необходимо оборудовать электронагревательными элементами или другими устройствами для обогрева. Аккумулятор тепла вместимостью 2–3 м3 позволит значительно повысить теплоёмкость водяной системы тепловоза, что будет способствовать сокращению времени и снижению расхода топлива на прогрев, повышение ресурса и надёжности дизеля. Зарубежный опыт показывает, что проблема прогрева тепловозов актуальна и для стран с более высоким уровнем среднегодовых температур, чем в нашей стране. Например, в Германии создана унифицированная система прогрева, которая позволяет осуществлять прогрев дизеля с целью стабилизации температуры. По этой системе дизель прогревается за счёт циркуляции воды в системе охлаждения, причём вода может подогреваться паром из внешнего паропровода или отопительного котла. Возможен подогрев и горячей водой из внешней сети. Внедрение данной системы обеспечивает экономию дизельного топлива на железных дорогах Германии в размере 5700 т ежегодно . [2]
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
