Совершенствование систем охлаждения и регулирования температур теплоносителей дизеля

Рис. 3.4 Распыляющая насадка, разработанная компанией Fogtec

При использовании установки пожаротушения с аэрозольным распылением воды (HDWN-LA) одновременно действует несколько факторов, способствующих тушению пожара.

Благодаря распылению воды охватывается гораздо бульшая площадь (по сравнению с другими способами тушения пожара водой), поэтому тепловая энергия, выделяемая очагом пожара, поглощается быстрее (рис.3.5).

Рис.3.5 Распыляющая насадка в работе

Теплоемкость и соответственно высокая испарительная энтальпия воды способствуют быстрому и эффективному охлаждению.

Водяная пыль (туман), выходящая из насадки, экранирует инфракрасное излучение периферии пожара, препятствуя его передаче в эпицентр возгорания. Вместе с тем большое количество водяной пыли занимает значительный объем, вытесняя из зоны горения кислород.

Для обеспечения наибольшей эффективности установки HDWN-LA необходимо прежде всего задать оптимальное качество распыления, которое зависит от давления, расхода воды и, в наибольшей степени, от конструкции насадки. Те частицы воды, диаметр которых менее 50 мкм, остаются во взвешенном состоянии в результате броуновского движения молекул и возникающей конвекции. Эффект их противопожарного действия такой же, как у используемого для пожаротушения углекислого газа. Они заполняют пространство, ухудшая условия горения.

Вследствие термических процессов в очаге пожара возникает разрежение, благодаря чему происходит засасывание воздуха в зоне пола и, следовательно, дополнительное снабжение очага кислородом. Для наиболее эффективного использования испарения воды необходимо, чтобы водяной туман содержал как можно больше частиц размером в несколько десятков микрон. Благодаря этому из зоны пола будет засасываться воздух с большим содержанием водяного тумана, обеспечивающего тушение огня. Более крупные частицы воды имеют бульшую кинетическую энергию, поэтому обладают повышенной дальностью действия.

В 1995 г. экологическое ведомство земли Северный Рейн-Вестфалия провело сравнение эффективности действия углекислотных огнетушителей и установок HDWN-LA. Результаты сравнения показали, что пожаротушение распыленной водой является рациональной альтернативой углекислотным установкам и огнетушителям.

Примеры использования

Компания Fogtec (Кёльн, Германия) разработала системы пожаротушения типа HDWN-LA. В случае пожара они активизируются как в автоматическом режиме, так и в полуавтоматическом, используя минимальное количество воды. Они могут эффективно работать также при наличии обтекающего встречного потока воздуха.

Широко внедряемые дизельные тяговые блоки концепции Power Pack, отличающиеся компактностью и размещаемые под кузовом вагона, должны оснащаться системой HDWN-LA. Для работы установки компании Fogtec в течение 4 мин достаточно 8 л воды.

В ходе испытаний были убедительно доказаны многие положительные качества установки, а по полученным результатам построены соответствующие кривые (рис. 3.6). Они показывают процесс изменения температуры в машинном отделении небольшого объема, где произошло возгорание распыленного машинного масла, а также характер снижения давления воды в подводящем трубопроводе. В данном эксперименте для ликвидации пожара потребовалось всего 4,4 л воды.

Рис. 3.6 Кривые изменения температуры в зоне пожара и давления воды, подводимой к распыляющей насадке

Q -- температура;t-- время; P -- давление; 1 -- давление воды; 2 -- температура воздуха на границе очага горения; 3 -- температура паров масла.

Охлаждение соседних элементов оборудования также дает положительный эффект: нагретые детали охлаждаются, благодаря чему уже не могут быть причиной повторного воспламенения все еще присутствующих в машинном отделении паров масла. Процесс тушения пожара успешно завершается уже через несколько секунд, вследствие чего удается избежать тяжелых последствий.

На подвижном составе старых серий, как правило, имеется достаточно места для монтажа установок пожаротушения компании Fogtec. На новом подвижном составе, не оборудованном такими установками, следует искать для их размещения специальные технические решения. Одним из вариантов является размещение установки Fogtec под кабиной машиниста. При разработке нового подвижного состава необходимое для нее пространство следует предусматривать на стадии проектирования. Еще одним преимуществом водного аэрозоля является частичное вымывание токсичных дымовых газов. Растворимые в воде вещества частично поглощаются водяным туманом и, таким образом, не попадают за пределы очага возгорания.

Общепринятому предубеждению о том, что аэрозольное устройство распыления воды непригодно для использования в распределительных шкафах, можно противопоставить результаты испытаний, подтверждающие обратное. Компанией Fogtec разработаны специальные конструкции насадок, равномерно распределяющих в шкафу водяной туман с диаметром частиц менее 50 мкм и производительностью от 0,5 до 2 л/мин, которые обеспечивают быстрое и эффективное тушение пожара.

4. Экономический раздел

4.1 Оценка технико-экономической эффективности применения непрерывных качественных АСРТ теплоносителей

Анализ работ по совершенствования систем охлаждения и автоматических систем регулирования температур (АСРТ) теплоносителей (воды, масла, наддувочного воздуха и др.) дизелей позволяет сделать вывод о том, что для снижения расходов топлива и масла дизелем и повышения надежности дизеля и его охлаждающих устройств необходимо стабильно поддерживать температуры теплоносителей при всех режимах и условиях работы дизеля. Причем, на холостом ходу и частичных нагрузках дизеля температуры теплоносителей должны быть на 10-30К выше, чем на номинальном режиме его работы.

Так, например, повышение температуры масла у дизеля 11В45 на 11К при работе его на холостом ходу снижает расход топлива на 9,5г/л.с.ч. Повышение температуры наддувочного воздуха с - 10⁰С до оптимальных значений (35 - 40⁰С) у дизелей типа 3А-6Д49 (8ЧН26/26) и 1А-5Д49 уменьшает расход топлива на холостом ходу на 9%. Для дизеля ПД1 (Д50) повышение температуры наддувочного воздуха с 25 до 55⁰С снижает расход топлива на 12%. Повышение температуры воды и масла на 15-20⁰С при работе дизеля 3А-6Д49 (8ЧН26/26) на частичных нагрузках уменьшает расход топлива на 15г/э.л.с.ч. Повышение температуры масла с 55 до 70⁰С у дизелей типа Д49 уменьшает расход топлива на 16%.

Таким образом, повышение температуры воды и масла наибольшим образом снижает расход топлива дизелем на режимах холостого хода и частичных нагрузок, то есть при режимах, на которых дизели работают наибольшую часть времени в эксплуатации. Эффективность влияния температуры воды на расход топлива уступает эффективности влияния температуре масла. Так, если на режимах холостого хода дизеля снижение температуры воды на 10⁰С приводит к увеличению расхода топлива на 5%, то соответствующее снижение температуры масла приводит к увеличению расхода топлива на 10%.

На маневровых тепловозах ЧМЭ3 применены АСРТ воды и АСРТ масла релейного действия. При релейном регулировании температур размах колебаний их составляет 10 - 16⁰С, а период колебаний составляет 4 - 10 минут. В релейных АСРТ используют релейные двухпозиционные автоматические регуляторы температуры (АРТ), которые имеют более простую конструкцию, чем регуляторы непрерывного действия. Однако, релейная работа вентиляторов охлаждения (ВО) отрицательно влияет на надежность АСРТ, и особенно дизеля и радиаторов, обуславливает колебательный характер изменения их термических напряжений. В приводах вентиляторов охлаждения наблюдаются периодические повышенные нагрузки при их включении, из-за инерционности объединенного регулятора мощности не используется полностью мощность дизеля для увеличения мощности тягового генератора при отключенных вентиляторах охлаждения. Периодическая работа вентиляторов охлаждения (ВО) является дополнительным источником возмущений для АСР частоты вращения вала дизель-генератора и напряжения тягового генератора.

Основной недостаток релейной работы вентиляторов охлаждения заключается в том, что при релейном регулировании температуры значительно (в 2-6 раз) увеличивается расход энергии на привод вентиляторов охлаждения. Для обеспечения устойчивой работы непрерывных АСРТ и предотвращения переохлаждения на радиаторы надевают чехлы, что увеличивает затраты энергии на привод вентиляторов охлаждения более чем в два раза. Экспериментально подтверждена более высокая эффективность непрерывных АСРТ по сравнению с релейными.

Главное преимущество непрерывных АСРТ перед релейными АСРТ заключается в том, что непрерывные АСРТ обеспечивают стабильный оптимальный по расходу топлива и масла температурный режим работы дизеля и повышают его надежность.

Непрерывное качественное поддержание температур теплоносителей на оптимальных уровнях дает экономический эффект, который складывается из трех составляющих.

1. Экономический эффект от увеличения надежности элементов АСРТ: дизеля, радиаторов, приводов вентиляторов охлаждения и створок жалюзи, терморегуляторов (управляющих органов) и др. Для расчета этого экономического эффекта нужны статистические данные по выходу из строя элементов АСРТ. Такими данными мы не располагаем, поэтому расчет этой составляющей общего экономического эффекта от применения непрерывных качественных АСРТ мы здесь не делаем.

2. Экономический эффект от снижения затрат энергии Е_н , отбираемой от дизеля на привод вентиляторов охлаждения при качественной АСРТ по сравнению с затратами энергии Е_Р релейной АСРТ воды. Этот эффект определяем по уменьшению расхода топлива дизелем. Использование тепловозов по времени в течение года оценивают по процентным отношениям: Т₂ = Т₃/Т_К 100%; Т₁ = Т₄/Т_К 100%, где Т₃ = Т₄ + Т_П - общее время работы тепловоза в эксплуатации; Т₄ - время работы тепловоза без учета простоя в горячем состоянии; Т_П - - время простоя тепловоза в горячем состоянии; Т_К - календарное время. Значение Т_К принимаем равным 8760 часов в год. Общее время работы тепловоза в эксплуатации Т₂ = 98%. При этом Т₃ = 8621ч. Распределение Т₂ по позициям контроллера машиниста П_К приведено в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Распределение Т₂ по позициям контроллера машиниста П_К

Зависимости мощности дизеля и тягового генератора от частоты вращения вала дизель-генератора, удельного и часового расходов топлива от мощности дизеля взяты из материалов по тепловозу ЧМЭ3. Расчеты выполнены по методике, изложенной в [1]. Для расчетов приняты параметры водовоздушных радиаторов с оптимальным оребрением [1]. Расчеты проведены для условий работы тепловоза ЧМЭ3 при температуре наружного воздуха . Результаты расчетов отношений затрат энергии на охлаждение ш_рег и на привод вентилятора охлаждения ш₃ при сравнении непрерывной и релейной АСРТ воды дизеля приведены в таблице 4.2.

3. Наибольший экономический эффект от применения непрерывной качественной АСРТ воды дизеля тепловоза вместо релейной АСРТ воды заключается в том, что стабильное качественное поддержание температур теплоносителей (воды, масла и наддувочного воздуха) на оптимальных уровнях значительно улучшает рабочий процесс дизеля тепловоза и приводит к снижению расхода топлива и масла.

Результаты расчетов по определению снижения расхода топлива дизелем тепловоза ЧМЭ3 при повышении температуры воды с 70 до 80⁰С приведены в таблице 4.3.

Из таблицы 3 видно, что повышение температуры воды при работе непрерывной качественной АСРТ приводит к снижению расхода топлива в год на 15000кг.

Таким образом, применение непрерывной качественно работающей АСРТ воды дизеля тепловоза вместо релейной АСРТ дает экономический эффект (при учете только снижения затрат энергии на привод вентилятора охлаждения и уменьшения расхода топлива дизелем при повышенной температуре воды) в виде уменьшения расхода топлива дизелем почти на 16 тонн в год. Причем снижение расхода топлива от повышения температуры воды на полтора порядка (в 16 раз) больше, чем от уменьшения затрат энергии на привод вентилятора охлаждения.

Таблица 4.2

Результаты расчетов отношений затрат энергии на охлаждение ш_рег и на привод вентилятора охлаждения ш₃

Итого: В_год=1766-831,3=935кг.

Ц=935*15=14 тыс.р.

Снижение расхода топлива в год ДВ_год = 935кг.

Таблица 4.3

Результаты расчетов по определению снижения расхода топлива дизелем тепловоза ЧМЭ3 при повышении температуры воды с 70 до 80⁰С

Итого: В_год = 389650 - 374650 = 15000

Ц=15000*15=225 тыс.р.

Если же учесть при расчете составляющую экономического эффекта от повышения надежности дизеля, охлаждающего устройства и системы регулирования температуры в целом при использовании непрерывной качественной АСРТ, то суммарный экономический эффект будет значительно больше рассчитанного из-за снижения расходов на эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт тепловоза. Модернизация тепловоза ЧМЭ3 по применению непрерывной качественной АСРТ вместо релейной АСРТ воды дизеля проводится при условии максимального использования в ней серийных элементов, применяемых на подвижном составе. Модернизация АСРТ воды дизеля тепловоза ЧМЭ3 может быть выполнена в условиях депо. Затраты на модернизацию окупятся в течение 1-1,5 года.

Заключение

В результате выполненного дипломного проекта решена задача повышения эффективности АСРТ дизеля тепловоза, содержащего двухконтурную систему охлаждения с гидродинамическим и электрическим приводом вентиляторов охлаждения.

При этом установлено что топливная экономичность тепловозного дизеля и надежность и экономичность их СО существенным оброзом зависят от уровня и характера изменения температур теплоносителей воды, масла, наддувочного воздуха. Условия работы и режимы нагружения дизелей тепловозов в России создают условия работы СО, АРТ и АСРТ более тяжелые, чем в странах с умеренным климатом. Существующие СО, АРТ и АСРТ дизелей тепловозов, эксплуатируемых в России неспособны поддерживать рациональные уровень температур теплоносителей во всем диапазоне изменения Nд и Т'вз, что с учетом существующих суточных (24-36 К) и сезонных (30-36 К) колебаний Т'вз и частых (по времени) и больших (по амплитуде) изменений Nд ставит задачу разработки непрерывных связанных АСРТ.

Наиболее рациональным (с точки зрения материальных и финансовых затрат) способом решения задачи разработки и исследования характеристик непрерывной АСРТ теплоносителей дизелей тепловозов, является модернизация релейного АРТ воды дизеля тепловоза ЧМЭЗ, содержащего ГДПВ с максимальным использованием серийных элементов автоматики.

Рассмотренные в данной работе комбинированная связанная АСРТ воды и масла дизеля тепловоза типа ЧМЭЗ позволяет существенно повысить экономичность и надежность дизеля и его СО за счет подогрева теплоносителей при низких Т'вз и малых Nд, повысить запас устойчивости и качество работы замкнутого контура регулирования с протейним П-регулятором и обеспечить при соответствующем выборе параметров компенсаторов дополнительных сигналов управления по Nд и Т'вз отрицательной по Nд и нулевой по Т'вз статическую неравномерность АСРТ.

Экономический эффект при оборудовании тепловоза ЧМЭЗ неп-рерывный АСРТ воды дизеля по сравнений с релейной состовляет 15000 Кг экономики топлива АСРТ с дополнительными сигналами управления по Ид и Т'вз вместо релейной 16069.84 Кг экономии топлива в год.

Список литературы

1. А. А. Камаев, Н. Г. Апанович, В. А. Камаев и др. Конструкция, расчет и проектирование локомотивов - М: Машиностроение, 1981. - 351 с.

2. Куликов Ю. А. Системы охлаждения силовых установок тепловозов. - М.: Машиностроение, 1988. - 280 с.

3. Луков Н. М. Автоматизация тепловозов, газотурбовозов и дизель-поездов. - М.: Машиностроение, 1988. - 272 с.

4. Луков Н. М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов. - М. : Транспорт, 1989. - 296 с.

5. Луков Н. М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1995 (1977). - 271 с.

6. Филонов С. П., Зиборов А. Г., Разумейчик В. В и др. Тепловоз М62: экипажная часть, электрическое и вспомогательное оборудование- М.: Транспорт, 1987. - 184 с.

7. Филонов С. П., Зиборов А. Г., Разумейчик В. В и др. Тепловозы 2ТЭ10М и 3ТЭ10М - М.: Транспорт, 1986. - 288 с.

8. Нотик З.Х. Тепловозы ЧМЭ3,ЧМЭ3Т,ЧМЭ3Э.-М: Транспорт, 1996.-448 с.

Размещено на Allbest.ru