Введение к работе
-3-
Актуальность работы. Изложенные в диссертации научно-практические положения и рекомендации направлены на разработку и внедрение низкотемпературных технологий на подвижном составе железнодорожного транспорта в рамках реализации Основных направлений энергетической политики Российской Федерации на период до 2000 года, утвержденных Указом Президента от 7 мая 1995 года № 472, Федеральной Целевой программы "Топливо и энергия" на 1996...2000 гг, предусматривающей самостоятельную подпрограмму "Расширение использования сжиженного и сжатого природного газа в качестве моторных топлив", утвержденную Постановлением Правительства РФ 6 мая 1996 года №263, Федеральной Целевой Научно-технической программы на 1996...2000 гг "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского направления", утвержденной Постановлением Правительства РФ от 23 ноября 1996 года, № 144.
Природный газ в качестве моторного топлива на транспорте используется в 25 странах мира. Его применение обусловлено двумя основными преимуществами: экономия более дорогостоящего и дефицитного жидкого нефтяного топлива и снижение выбросов в окружающую среду высокотоксичных веществ.
Перевод транспорта на газомоторное топливо является стратегически актуальной задачей, так как запасами природного газа Россия располагает на многие годы.
Разработка и внедрение систем охлаждения изотермических вагонов, использующих жидкий азот, позволяет также решать комплекс задач: создание экологически чистой транспортной единицы, исключающей применение хлор,— фторсодержащих фреонов, разрушающих озоновый слой Земли и запрещенных к применению Монреальским протоколом, а также дизельных агрегатов, более полная сохранность и высокое качество транспортируемых продуктов.
В связи с вышеизложенным разработка и внедрение низкотемпературных технологий на подвижном составе железнодорожного транспорта является актуаль-
-4-ной научной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение, решение которой способствует научно - техническому прогрессу.
Большой вклад в исследование, создание и развитие низкотемпературных, а также криогенных технологий на транспорте внесли ученые НПО "Криотехника", ВНИИГАЗ, РГУПС (РИИЖТ), ВНИИЖТ, ХИИТ, НИИЖТ, ФТИНТ (Украины), ПГЗавод им.Малышева", ВНИТИ, ПКБ им. Туполева, НПО "Гелиймаш", работники предприятий ПО "Лугансктепловоз", ПО "Брянский машиностроительный завод", ПО "Пенздизельмаш" и др., работники министерств и ведомств: Минтопэнерго, МПС, РАО "Газпром", Роскоммаш и др.
В диссертации на базе работ, проведенных лабораторией криогенной техники, в которых автор принимал участие в качестве научного руководителя, ответственного исполнителя, консультанта, сделано обобщение накопленного материала по использованию низкотемпературных и криогенных технологий на подвижном составе железнодорожного транспорта.
Цель исследования состоит в научном обосновании технических, технологических и эколого - экономических решений по применению низкотемпературных и криогенных технологий на подвижном составе железнодорожного транспорта путем разработки принципов, систематизации прикладных задач, теоретических исследований и их практической реализации на экспериментальных стендах, макетах и опытных образцах подвижного состава, использующего крионосители - сжиженный природный газ (СПГ) для тепловозов и жидкий азот для изотермических вагонов.
Для достижения поставленной цели в данной работе решались следующие основные задачи:
- провести теоретические исследования, использующие принципы алгоритмического и программного обеспечения для разработки и уточнения методик расчета: рабочего процесса газодизеля; нестандартного теплообменного оборудования для газификации сжиженных газов (метана, азота и их смесей); элементов систем и технологических процессов в газификаторах маневровых и магистральных газотепловозов;
теоретически проанализировать и экспериментально проверить: обоснованность методик расчета параметров процесса охлаждения и регулирования состава газовых сред с помощью азота для изотермических вагонов; область применения молекулярно-статистической и континуальной теорий поляризации неполярных веществ (азот, метан) для разработки диэлькометрическо-го метода контроля параметров криогенных топливных систем (КТС) и жид-коазотных систем охлаждения (ЖАСО);
разработать эколого-экономические аспекты и провести сравнительную оценку использования низкотемпературных и традиционных технологий применительно к тепловозным дизелям и автономным изотермическим вагонам;
апробировать разработанные автором теоретические положения и запатентованные решения путем экспериментальных исследований на лабораторных стендах и макетах, а также испытаний в условиях эксплуатации опытных образцов газотепловозов и изотермических вагонов.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является подвижной состав, конвертируемый на использование низкотемпературных технологий: экспериментальный образец маневрового газотепловоза; опытные образцы магистральных газотепловозов; макетный образец и опытная партия изотермических автономных вагонов с жидкоазотной системой охлаждения. Предмет исследования — методы перевода подвижного состава на низкотемпературные технологии с целью снижения расхода дефицитного жидкого нефтяного топлива, улучшения эколого—экономических показателей транспортных единиц, показателей качества транспортируемых грузов и условий эксплуатации.
Методика исследования. Исследования выполнялись теоретическими методами, базирующимися на применении основных положений математической статистики, векторного и тензорного анализа, гидродинамики, компьютерного моделирования, включающего построение алгоритмов прикладных задач, многофакторную итерацию и аппроксимацию результатов, а также опирающимися на труды отечественных и зарубежных ученых в области низкотемпературных и криогенных технологий, подвижного состава железнодорожного транспорта, экологии,
молекулярно-статистической и континуальной теории поляризации вещее теории переноса энергии и массы в сплошных средах. Экспериментальные \ следования выполнены на лабораторных стендах и макетах, макетных и опь ных образцах подвижного состава в процессе опытов и эксплуатационных \ пытаний.
Научная новизна. Изложены научно обоснованные технические, те нологические и эколого - экономические решения по использованию низкоте пературных технологий на подвижном составе железнодорожного транспор-которые вносят существенный вклад в ускорение научно—технического пр гресса и имеют важное народно-хозяйственное значение.
Основные научные результаты, выносимые на защиту:
-
Системные и методологические обобщения, способствующие расширена применения низкотемпературных технологий на подвижном составе желе нодорожного транспорта.
-
Системотехнические и методологические основы решения прикладных зад; конвертирования подвижного состава на использование низкотемпературш технологий.
-
Теоретическое обоснование и экспериментальное исследование диэлектр ческой проницаемости криоагентов и их смесей, используемых на подвиз ном составе, в ранее неохваченной области параметров состояния с цель разработки диэлькометрического метода контроля параметров криогеннь топливных систем и жидкоазотных систем охлаждения, а также оперативне сертификации качества крионосителей.
-
Эколого-экономические обоснования и сравнительная оценка использовані традиционных и низкотемпературных технологий на подвижном составе.
-
Экспериментальное подтверждение теоретических, методологических полі жений и запатентованных решений.
Достоверность результатов подтверждается: - сопоставимыми результатами компьютерного моделирования и экспериме] тальными данными предыдущих исследований с данными опытов и испыт; ний при учете методологических особенностей и метрологических харакп
-7-ристик измерительной аппаратуры, используемой для расчетов и измерений. Практическая ценность работы состоит в том, что проведенное исследование и практические разработки позволяют:
обосновать возможность и эффективность применения низкотемпературных, а также криогенных технологий на подвижном составе железнодорожного транспорта;
использовать аппарат моделирования на ЭВМ для тепловых, гидро,-газодинамических, энергетических, массообменных процессов в криогенных топливных системах газотепловозов и жидкоазотных системах изотермических вагонов;
повысить эколого-экономические показатели подвижного состава путем снижения токсичности отработавших газов дизелей, работающих на СПГ, исключения хлор,-фторсодержащих фреонов и дизельных агрегатов холодильных установок при использовании ЖАСО;
увеличить количественные и улучшить качественные показатели перевозимой продукции в изотермических вагонах с ЖАСО;
обосновать эффективность и использовать измерения диэлектрической проницаемости для оперативного контроля параметров и состава крионосите-лей;
обосновать стоимость ущерба окружающей среде при использовании традиционных и низкотемпературных технологий;
- использовать в учебном процессе по специальностям 15.07.00
"Локомотивы", 15.08.00 "Вагоны", 10.07.14 "Теплоэнергетика на железнодорожном транспорте", 33.02.00 "Инженерная защита окружающей среды", и др. результаты теоретических обобщений и опыта практического применения выполненного исследования.
Реализация работы. Выполненные исследования нашли практическое внедрение и реализацию на железнодорожном транспорте.
Под руководством автора переоборудован и испытан маневровый газотеп-
-8-ловоз ТЭМ-2у, работающий на СПГ.
Теоретические обоснования, и разработки, представленные в диссертации, использованы при создании и испытаниях магистральных газотепловозов типа 2ТЭ10Г, 2ТЭ116Г, работающих на СПГ.
Запатентованные решения и теоретические обоснования использованы при создании и эксплуатационных испытаниях опытных автономных изотермических вагонов с жидкоазотной системой охлаждения.
Разработана и согласована "Методика проведения приемочных эксплуатационных испытаний опытных образцов вагонов с ЖАСО". Разработаны проекты нормативно-технических и организационно—руководящих документов, необходимых для проведения заводских, пробеговых и эксплуатационных испытаний опытных газотепловозов на путях МПС: "Опытные газодизельные тепловозы 2ТЭ116Г, 2ТЭ ЮГ, работающие на СПГ. Программа эксплуатационных испытаний"; "Технические предложения по оборудованию полигона эксплуатационных испытаний опытных газотепловозов"; "Технические предложения по переводу тепловозной тяги в районе г. Оренбурга на СПГ".
Работа выполнялась в соответствии с директивными материалами: при конвертировании тепловозов на сжиженный природный газ (постановления Правительства № 751 от 13.07.84г., № 1041 от 28.08.86г., указания МПС № 370 пр-у от 30.07.84г., № 360 пр-у от 13.09.86г., приказ Министра путей сообщения №43Ц от 18.11.88г.); при разработке и внедрении жидкоазотных систем охлаждения изотермических вагонов (постановление Правительства № 1275 от 19.12.85г., Комплексная научно-техническая программа ГКНТ №535 от 31.12.86г., указания МПС №Г-640у от 19.02.88г., №Г-1006у от 07.04.89г., №Г-1217 от 15.05.90г.).
Материалы диссертации использовались в учебном процессе при подготовке учебного пособия, монографии и 7 учебно-методических указаний.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались: - на научно-технических советах Главных управлений локомотивного и ва-
_9-гонного хозяйства МПС (1987г., 1988г., 1989г.);
на Всесоюзных и Всероссийских научно-технических конференциях: "Перспективы развития комбинированных двигателей внутренного сгорания и двигателей новых систем и на новых топливах" (Москва, 1987г.), "Альтернативные топлива в двигателях внутренного сгорания" (Киров, 1988г.), "Проблемы энергетики транспорта" (Москва, 1988г.), "Проблемы развития локомотивостроения" (Луганск, 1990г.), "Автогаз-91" (Паланга, 1991г.), "Актуальные проблемы развития двигателей внутренного сгорания и дизельных установок" (Ленинград, 1990г.), "Промышленная экология и безопасность в современных технологических процессах" (Москва, 1994г.);
на Общесетевом совещании "Совершенствование эксплуатационной работы железных дорог с применением ЭВМ" (Москва, 1988г.);
на Научно-технических конференциях и расширенных заседаниях кафедр "Теплоэнергетика на железнодорожном транспорте", "Локомотивы и локомотивное хозяйство", "Вагоны и вагонное хозяйство", "Экология и безопасность жизнедеятельности", с участием НИИЦ "Криотрансэнерго" РГУПС (РИИЖТ). Ростов-на-Дону, 1995...97 гг.
на Совете докторов наук РГУПС, 1997г.
на научно-методическом совете по специальности 15.07.00 "Локомотивы". Ростов-на-Дону. РГУПС. 1997г.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в монографии "Конструктивные и технологические особенности газификаторов сжиженных газов и криогенных топливных систем для транспортных двигателей". Ростов-на-Дону.: РГУПС, 1996г.-164с; в учебном пособии "Расчет рабочего процесса газодизеля". Ростов-на-Дону.:РИИЖТ, 1988г.,76с; в 36 научных публикациях, из которых 10 авторских свидетельств и патентов.
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит введение, семь глав, заключение, список использованной литературы и приложения. Материал диссертации изложен на 249 страницак основного текста, содержит 20 таблиц, 78 рисунков, список литературы из 203 наименований, приложения на 78 страницах.
