ВКР Кузнецов (1233351), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Рисунок 1.6 – Принципиальная схема топливной системы тепловоза 2ТЭ10М: ТНВД – топливные насосы высокого давления; ФТО, ФГО – соответственно фильтры тонкой и грубой очистки топлива; ТПА – топливоподкачивающий агрегат; АК – аварийный клапан
После остановки дизеля топливо полностью стекает в бак имеющей контакт с окружающей средой. Поэтому следует ожидать более интенсивное охлаждение околостенных слоев топлива в баке, чем масла в картере. Однако масса топлива и его полная теплоемкость достаточно велики, следовательно, переохлаждение топлива, находящегося в баке, мало вероятно.
Подводя итог выше сказанному, можно заключить, что в наиболее худших условиях, с точки зрения сохранения теплой энергии, находится водяная система дизеля, особенно ее второй контур.
1.3 Обоснование и программа теоретических исследований
Низкая температура воды и масла в соответствующих системах дизелей тепловозов, работающих с небольшими нагрузками и без нагрузки, в значительной степени объясняется несовершенством конструкции систем циркуляции теплоносителей, в том числе отсутствием необходимых перепусков жидкостей, позволяющих аккумулировать теплоту в системах. Это вызвано также значительной протяженностью трубопроводов систем и большой площадью поверхности теплообмена радиаторов, что приводит к сравнительно интенсивному отводу теплоты от теплоносителя за счет естественной конвекции. При снижении температуры наружного воздуха от минус 20 до минус 50 °С теплорассеивающая способность охлаждающего устройства значительно возрастает, и суммарные потери теплоты превышают сравнительно небольшие тепловыделения в дизеле, что приводит к значительным понижениям температуры теплоносителей в процессе эксплуатации, а также усложняет процесс прогрева силовой установки на стоянке.
Низкая температура воды и масла в системах дизеля также обусловлена уменьшением теплосодержания воздуха в кузове локомотива. При работающем дизеле температура воздуха в дизельном помещении в различных зонах имеет значение от 0 до минус 10 °С при температуре окружающего воздуха от минус 30 до минус 36 °С [16]. Данное явление имеет место вследствие инфильтрации холодного наружного воздуха через неплотности кузова при понижении давления воздуха в дизельном помещении ниже атмосферного. Это становится возможным при воздухоснабжении дизеля и электрических машин из дизельного помещения. При значительном снижении теплосодержания воздуха в дизельном помещении тепловоза увеличиваются тепловые потери во вспомогательных системах, ухудшаются индикаторные показатели дизеля на режимах холостого хода и частичных нагрузок.
Исследования, направленные на совершенствование процесса прогрева силовых установок тепловозов определили целесообразность поддержания определенной температуры только в водяной системе охлаждения дизеля за счет ее циркуляции, так как топливо в баке и масло, сосредоточенное в картере дизеля охлаждаются значительно медленнее воды. За счет циркуляции воды поддерживается примерно одинаковая температура во всех интенсивно охлаждающихся участках.
2 Обзор существующих типов прогрева тепловозов
Тепловозы простаивают на деповских путях на открытом воздухе. При остановке дизеля температура воды и масла снижается особенно быстро при отрицательной температуре окружающего воздуха. Поэтому для поддержания температуры воды и масла в диапазоне, рекомендуемом инструкцией по эксплуатации тепловозов, осуществляется прогрев силовой установки. Прогрев можно обеспечить двумя различными путями:
- подводом тепла от специального подогревателя (внешнего источника энергии) при неработающем дизеле;
- работой самого дизеля. В общем случае, первый способ прогрева силовых установок называется предпусковым, второй – послепусковым или самопрогревом.
Применение на тепловозах специальных систем прогрева должно способствовать максимальному сокращению непроизводительной работы тепловозов в режимах самопрогрева при отстое на тракционных путях локомотивных депо.
В настоящее время известны три способа предпускового прогрева силовых установок тепловозов, находящихся в отстое [1, 2]:
- использование электроэнергии от стационарного источника;
- использование котлов-подогревателей, работающих на жидком топливе или газе;
- использование тепловой энергии котельных установок депо.
Самопрогрев силовой установки тепловоза является наименее эффективным способом, как с точки зрения экономичности, так и с точки зрения сохранения эксплуатационной надежности. Предлагаемая классификация систем прогрева силовых установок тепловозов представлена на рисунке 2.1.
| | Рисунок 2.1 – Классификация систем подогрева силовых установок тепловозов |
Все существующие и перспективные системы прогрева разделяются на бортовые и стационарные.
Стационарные системы прогрева базируются на достаточно мощных котельных установках или электрических подстанциях, которые могут обеспечить прогрев силовых установок одновременно нескольких тепловозов. Недостатком стационарных систем прогрева является необходимость выделения специальных путей отстоя тепловозов, строительство теплоподготовительных пунктов, раздаточных колонок и т. д. Большинство существующих локомотивных депо стеснены территориально и реализация таких проектов в них затруднительна.
Для прогрева силовой установки, прежде всего, необходим источник (генератор) теплоты. В простейшем варианте бортовой системы прогрева им может служить дизель, который при работе тепловоза в режиме холостого хода отдает в виде тепла до 55 % энергии, внесенной с топливом, в охлаждающую воду и масло. Эффективность прогрева силовой установки дизелем существенно зависит от теплотехнического состояния прогреваемых элементов, скоростного режима работы дизеля и параметров окружающей среды.
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 установки работой дизеля можно уменьшением относительной длительности его работы в цикле прогрева.
Простейшим из путей решения этой задачи является увеличение продолжительности режима охлаждения, которое 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 [4].
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 также 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 – реализована ВНИИЖТом, МИИТом и ПО «Лугансктепловоз» на тепловозах 2ТЭ116, 2ТЭ121 и др. [4].
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 специальном теплоподготови-тельном пункте. Эти системы реализованы в нескольких локомотивных депо Горьковской железной дороги. Такой способ прогрева позволяет добиться снижения эксплуатационного расхода топлива тепловозами до 5 % [5].
В некоторых депо Горьковской железной дороги используется внешний источник энергии для запуска и остановки дизеля в автоматическом режиме, т.е. в зависимости от температуры воды обеспечивается автоматический прогрев систем дизеля. Однако применение такого способа не исключает работу дизеля на холостом ходу. К тому же очень частый запуск приводит к резкому износу деталей в узлах трения дизеля и к 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, ТЭП60, ТЭМ1 и др. 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, ненадежность 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 повышается до 90 %, обеспечивается высокая надежность работы и ресурс не менее 15 лет. Подобные установки, в частности, рекомендованы для массового внедрения на тепловозах железных дорог США [6]. 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, трех или четырех 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 счет дополнительной нагрузки на него.
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 [4] показали, что при относительно небольшой массе (113 кг без воды) котел с нагревательным элементом мощностью 90 кВт обеспечивает удельный теплосъем с поверхности нагрева 304 кВт/м2, с объема – 1800 кВт/м3 и с 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 КПД 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 быстроразъемными соединениями. Возможен подогрев масла путем 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 ее 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.
Анализ систем прогрева показывает, что в наибольшей степени задаче поддержания силовой установки тепловоза в постоянной готовности к принятию нагрузки отвечают автономные системы прогрева. Однако 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 термопреобразователями и газовой турбиной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
