Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и сравнительный анализ способов и систем прогрева тепловозов 10
1.1. Режим холостого хода 13
1.2. Системы прогрева 15
1.3. Обзор работ по использованию вторичных энергоносителей при прогреве в зимнее время 27
1.4. Выводы и постановка задач исследования 37
2. Математическое моделирование теплообменных процессов в системе'утилизации энергии выхлопных газов маневровых тепловозов 39
2.1. Анализ конструкции вспомогательных систем маневровых тепловозов ТЭМ2 и ЧМЭЗ 39
2.2. Энергетический расчет дизеля и КПД системы прогрева 43
2.3. Исследование и расчет процессов теплопередачи 46
2.4. Математическое моделирование функционирования системы утилизации энергии выхлопных газов 50
2.5. Расчет процесса прогрева теплоносителей в режиме включения теплового аккумулятора 56
2.6. Выводы 60
3. Теплоаккумулирующие материалы для многосекционного теплового аккумулятора 61
3.1 Анализ и основной комплекс требований 61
3.2. Разработка теплоаккумулирующих материалов 63
3.3. Выводы 71
4. Экспериментальные исследования процессов утилизации энергии выхлопных газов и прогрева теплоносителей 73
4.1. Процессы утилизации энергии выхлопных газов 73
4.2. Особенности процесса прогрева тепловоза 77
4.3. Определение необходимой теплопроизводительности системы прогрева 80
4.4. Выводы 82
5. Разработка системы прогрева маневровых тепловозов на основе многосекционного теплового аккумулятора 83
5.1. Особенности конструкции и принцип работы многосекционного теплового аккумулятора 83
5.2. Бортовая установка для прогрева маневровых тепловозов на основе многосекционного теплового аккумулятора 86
5.3. Разработка устройства автоматического управления системой прогрева тепловоза 93
5.3.1. Функции устройства. Структурная схема. Аналитическое описание 93
5.3.2. Реализация устройства. Выбор базовых элементов 97
5.3.3. Функциональная схема устройства автоматического управления системой прогрева 108
5.3.4. Структура программного обеспечения 111
5.4. Выводы 114
6. Технико-экономическая эффективность реализации разработанной системы прогрева 115
6.1. Оценка экономической эффективности системы прогрева на базе многосекционного теплового аккумулятора 116
6.2. Расчет себестоимости системы прогрева 118
6.3. Формирование отпускной цены бортовой системы прогрева 122
6.4. Выводы 127
Заключение 128
Библиографический список 130
Приложение
- Обзор работ по использованию вторичных энергоносителей при прогреве в зимнее время
- Математическое моделирование функционирования системы утилизации энергии выхлопных газов
- Определение необходимой теплопроизводительности системы прогрева
- Бортовая установка для прогрева маневровых тепловозов на основе многосекционного теплового аккумулятора
Введение к работе
Актуальность. Учитывая неблагоприятные долгосрочные тенденции развития рынка энергоресурсов в 2004 г. в компании ОАО «Российские железные дороги» была принята и в декабре 2007 г. актуализирована Энергетическая стратегия на период до 2020 г. Важнейшей целью стратегии определены оптимизация энергопотребления и реализация комплексных мероприятий по экономии топливных ресурсов /42/.
Осуществляя основные для государства объемы перевозок, железнодорожный транспорт является одним из крупных и стабильных потребителей энергоресурсов в стране. Суммарные затраты на их приобретение в 2007 г. составили 113 млрд. руб. В 2008 г. затраты на энергопотребление составили 156 млрд. руб., в первую очередь в связи с резким ростом стоимости дизельного топлива и энерготарифов /16, 17/. Основная доля расхода топливно-энергетических ресурсов ОАО «Российские железные дороги» приходится на тягу поездов. Это 82 % электроэнергии и 90 % дизельного топлива. При этом в теплотяге на горячий простой во всех видах движения в 2007 г. было израсходовано 529 тыс. т дизельного топлива /17/.
С учетом нарастающего дефицита традиционных источников энергии (нефти угля, торфа и т.д.) вопросы экономии дизельного топлива приобретают приоритетное значение. Это определяет необходимость совершенствования и разработки различных методов, направленных на уменьшение затрат дизельного топлива на прогрев тепловозов, с применением вторичных энергоносителей.
Цель и задачи исследований. Целью исследований является разработка и изучение конструктивных методов с применением вторичных энергоносителей, направленных на повышение эффективности прогрева маневровых тепловозов в зимнее время.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи: 1. Проанализированы различные методы, способы и системы прогрева силовых установок тепловозов при отстоях в холодное время года.
2. Исследован характер, установлены закономерности и выполнено физико-математическое моделирование процессов съема и отдачи теплоты при использовании вторичных энергоносителей при прогреве дизелей типа IWMHK6S310DR.
3. Разработана методика расчета системы утилизации энергии выхлопных газов тепловозных дизелей на основе многосекционного теплового аккумулятора.
4. Проведены расчетно-экспериментальные исследования процессов теп-лосъема, теплоотдачи и временного хода режимных параметров системы утилизации применительно к маневровым тепловозам ТЭМ2 и ЧМЭЗ.
5. Разработана система прогрева тепловозного дизеля на основе многосекционного теплового аккумулятора и обеспечен автоматический выбор и регулирование режимов съема и отдачи теплоты. Произвести посекционный подбор теплоаккумулирующих материалов для многосекционного теплового аккумулятора.
6. Рассчитан экономический эффект от использования предложенной системы прогрева маневрового тепловоза.
Объектом исследования работы являются локомотивы серий ТЭМ2, ЧМЭЗ.
Предметом исследования является система охлаждения тепловозных дизелей типа ПД1М, K6S310DR.
Методика исследований. При выполнении работы использованы методы математического моделирования теплофизических процессов, методы математической статистики, сходимости эксперимента и обработки результатов исследования, компьютерного моделирования, методы физико-химического анализа. Обработка результатов математического моделирования теплообменных процессов в системе аккумулирования тепла для тепловозного дизеля выполнена в среде MathCAD. Устройство автоматического управления реализовано на базе ОЭВМ Siemens 80С552, с использованием внутрисхемного эмулятора на стадии отладки программного обеспечения. Программное обеспечение написано на языке С+ с частичным использованием языка Assembler. При изыскании составов использовались пакеты программ PDF2 (электронная база данных рентгенограмм), HSC Chemistry 4.0 (теплофизические свойства составов).
Экспериментальный материал получен и обработан при содействии кафедры общей и инженерной химии СамГУПС, кафедры общей и неорганической химии СамГТУ, кафедры физики твердого тела СамГУ.
Научная новизна работы
1. Исследован характер и установлены закономерности протекания процессов съема и отдачи теплоты при использовании вторичных энергоносителей в цикле работы дизеля.
2. Обоснованы особенности построения и разработана математическая модель процессов съема и отдачи теплоты при использовании вторичных энергоносителей в цикле работы дизеля.
3. Исследован и предложен новый способ прогрева тепловозных дизелей с применением многосекционного теплового аккумулятора.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Математическая модель системы утилизации энергии выхлопных газов тепловозного дизеля многосекционным тепловым аккумулятором.
2. Методика расчета системы утилизации, учитывающая особенности процессов утилизации энергии выхлопных газов при использовании многосекционного теплового аккумулятора фазового перехода.
3. Новый способ прогрева тепловозных дизелей с применением многосекционного теплового аккумулятора.
Достоверность научных положений и выводов
Достоверность результатов подтверждается использованием современных методов, методик исследования, применением сертифицированных приборов, устройств измерений и анализа ошибок; положительными результа 8 тами внедрения предложенных технических решений в локомотивном депо Самара Куйбышевской железной дороги. Практическая ценность:
1. Разработанная методика расчета системы утилизации энергии выхлопных газов тепловозных дизелей на основе многосекционного теплового аккумулятора позволяет на стадии проектирования рассчитать теплоотдачу системы и определить ее массогабаритные характеристики.
2. Предложенный способ прогрева позволяет обеспечить в зимнее время поддержание температуры теплоносителей вспомогательных систем тепловозных дизелей ПД1М и K6S310DR на необходимом уровне при различных значениях температуры наружного воздуха.
3. Разработанная система прогрева маневровых тепловозов ТЭМ2 и ЧМЭЗ на базе многосекционного теплового аккумулятора позволяет повысить ресурс дизелей на 5 - 7 % и сократить расход дизельного топлива на 3 4 %, оторного масла на 0,5 - 1 % (защищена патентами № 65191 РФ МІЖ7 F24H 7/02 и № 70552 РФ МІЖ7 F02N 17/02).
Реализация результатов работы. Основные теоретические положения, практические результаты, полученные в диссертационной работе, используются на Куйбышевской железной дороге - филиале ОАО «РЖД». Результаты работы реализованы в технологии технического обслуживания тепловозных дизелей в локомотивном депо Самара.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на XIII Всерос-сийской конференции по термическому анализу (г. Самара, 2-5 июня 2003 г.), на Региональной научно-практической конференции, посвященной 70-летию Южно-Уральской железной дороги «Новейшие достижения науки и техники на железнодорожном транспорте» (г. Челябинск, 22-23 июля 2004 г.), на II Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (г. Самара 7-8 декабря, 2005 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы и направления развития транспортной системы» (г. Самара 10-13 сентября, 2007 г.), V Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» (г. Самара 4-5 марта, 2008 г.), Всероссийской научной конференции «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования»(г. Хабаровск 22-24 апреля, 2008 г.), III Всероссийской конференции-семинаре (г. Сызрань 22-23 мая, 2008г.).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в 16 печатных работах, в том числе статей — 8, из них 2 - в ведущих рецензируемых научных изданиях из Перечня ВАК РФ, тезисов докладов на конференциях - 5, патентов на полезную модель - 3, общим объемом - 3,5 п.л, авторский вклад - 50%.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 162 страницах машинописного текста, включая 13 таблиц, 31 рисунок и состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографического списка из 110 наименований и 4 приложений.
Обзор работ по использованию вторичных энергоносителей при прогреве в зимнее время
Речь в этом случае идет о применении так называемых вторичных источников энергии, среди которых важное место занимают аккумуляторы тепловой энергии. Применение теплового аккумулятора (ТА) в качестве источника тепловой энергии позволяет создать широкий класс энергетических установок различного типа и целевого назначения (рис. 1.4). Так как ТА представляет собой устройство, позволяющее накапливать, консервировать и отдавать тепловую энергию, то очевидно, что типы ТА также могут быть различными. Наиболее характерными являются ТА, использующие в качестве теплоаккумулирующего материала (ТАМ) различные соли и оксиды металлов, которые доводят до плавления с целью использования теплоты плавления. ТАМ может быть и твердым (например, оксиды металлов при температурах ниже температур плавления или графит). ТА может быть создан с использованием в качестве ТАМ перегретой воды под большим давлением. Из рис. 1.3 хорошо видно, что область применения ТА достаточно широка: автономные источники электрической энергии технических средств, наземные транспортные средства, обогрев помещений системы жизнеобеспечения, утилизация теплоты, технологические процессы и т.д.
Особый интерес в данном случае представляют установки утилизации теплоты на базе ТА с последующим ее перераспределением на различные технические нужды. Впервые установки подобного типа были использованы в судостроении /63/.
Впоследствии такие системы нашли свое применение на автомобильном транспорте при безгаражном хранении транспортных средств в зимнее время. Г.В. Кромаренко и В.А. Николаев в работе /45/ предлагают использовать установку воздухообогрева двигателей автомобилей, которая включает в себя узел нагрева и подачи воздуха, диффузор, воздуховодов и соединительные рукава. В свою очередь узел нагрева и подачи воздуха состоит из калорифера и вентилятора, приводимого в работу от электродвигателя.
При функционировании установки калорифер нагревает воздух, который с помощью вентилятора подается через диффузор, воздуховоды и соединительные рукава на радиатор или в картер обогреваемого двигателя. Данная установка применялась в стационарных условиях автотранспортного предприятия как групповое средство предпускового подогрева ДВС автомобилей при их безгаражном хранении, но требовала значительных затрат энергии.
Этими же авторами был разработан многоцелевой индивидуальный воздушный отопитель, предназначенный для обогрева масла в картере ДВС, аккумуляторных батарей и кабины водителя. Отопитель состоял из воздушного подогревателя, воздухоочистителя, коробки переключения горячих газов, воздуховодов, газопровода и запорной арматуры. При работе данного отопи-теля обогрев кабины автомобиля и аккумуляторных батарей осуществлялся горячим воздухом, нагреваемым в подогревателе, а картер ДВС - отработавшими газами подогревателя. Но, как показали результаты исследований и практика эксплуатации подогреватели обладают невысокой надежностью, обусловленной сложностью их конструкции, и повышенной пожароопасно-стью вследствие наличия в конструкции огневой горелки. Кроме того ухудшается экологическая обстановка из-за выброса в атмосферу отработавших газов при работе подогревателя. С понижением температуры окружающего воздуха в подогревателе ухудшается испаряемость топлива, что приводит к образованию ледяных пробок в системе его подачи. При розжиге подогревателя это ведет к срыву факела, при работе - к отказам подогревателя или снижению его теплопроизводительности /83/.
В 1993 г. А. Куликов в работе /48/ предложил в качестве накопителя тепловой энергии использовать нетрадиционное техническое средство - тепловой аккумулятор фазового перехода. Разработанная им система подогрева легкового автомобиля позволила забирать от выхлопных газов и хранить в течение 6 часов накопленную в процессе движения автомобиля теплоту в пе риод безгаражной стоянки автомобиля в условиях низких температур. Помимо теплового аккумулятора (ТА) в систему входят: автономный электронасос; запорная арматура; жидкостные трубопроводы, соединяющие ТА, зарубашечное пространство ДВС и радиатор-отопитель салона.
Накопление тепловой энергии в данной системе осуществляется следующим образом. При движении автомобиля автономный электронасос выключен, а под действием штатного водяного насоса ДВС поток жидкого теплоносителя (тосола) движется по замкнутому контуру: зарубашечное пространство ДВС - ТА. В ТА жидкий теплоноситель передает часть своей тепловой энергии теплоаккумулирущему материалу (ТАМ), который нагревается в твердой фазе до температуры плавления, плавится и далее нагревается в жидкой фазе до некоторой температуры, при которой наступает тепловое равновесие между ТАМ и потоком жидкого теплоносителя.
Хранение накопленной теплоты осуществляется за счет расплавленного ТАМ. В расплавленном состоянии ТАМ сохраняется благодаря наличию в конструкции теплового аккумулятора высокоэффективной теплоизоляции.
Разрядка теплового аккумулятора фазового перехода производится путем включения автономного электронасоса. Управляя потоком теплоносителя с помощью запорной арматуры, возможна организация его циркуляции по двум вариантам: зарубашечное пространство ДВС - ТА и радиатор-отопитель салона - ТА. В первом случае осуществляется подогрев двигателя перед пуском, а во втором - обогрев салона автомобиля при неработающем двигателе. В обоих случаях отдача тепловой энергии потребителю производится за счет выделения ТАМ скрытой теплоты кристаллизации, при этом ТАМ претерпевает обратимый фазовый переход из жидкого состояния в твердое. В качестве ТАМ в данном случае используется октагидрат гидро-ксида бария Ва(ОН)2 8Н20 с температурой плавления =78 С и удельной теплотой фазового перехода 280 кДж/кг.
Математическое моделирование функционирования системы утилизации энергии выхлопных газов
Рассмотрим пример расчета системы для маневрового тепловоза ТЭМ2 с дизельным двигателем ПД1М. Основная цель расчета - определение конструктивных характеристик ТА: площади поверхности нагрева Fl} и массы ТАМ Ми, как следствие, его геометрических размеров. Основными исходными параметрами утилизации отходящей теплоты ДВС являются среднеинтегральные значения температуры и расхода отработавших газов, характеризующие реальный режим работы тепловозного дизеля. Так, при температуре окружающего воздуха Т0 = 293 К они составляют: массовый расход отработавших газов (Gf =(a-L 0 +1)-BXX = (4,5-14,5+1 6 = 397,5) при работе дизеля в режиме холостого хода, их температура Т/асч = 580 К. Для приведения величины Т/асч к температуре Т0 = 253 К (при этой температуре были получены экспериментальные данные) и к температуре Т0 = 228 К (минимальное допустимое значение температуры окружающей среды), была использована приближенная формула, полученная А.А. Сорокиным в работе /84/: где t3, t lem - температуры отработавших газов соответственно в зимний и летний периоды, С; Т ет, Тзил - температуры окружающего воздуха соответственно в зимний и летний периоды, К; kt - коэффициент, учитывающий увеличение удельного расхода топлива при зимней эксплуатации.
Полагая, что kt» 1, по формуле (2.29) получаем: Т/ас" = 505 К при T03KCIh = 253 К и Tfac" = 475 К при Tomin = 228 К. Исходя из значений Т/асч и учитывая тепловые потери, выбирается ТАМ для первой секции - гидроксид натрия NaOH с рабочей температурой 300 С, для второй - ацетат-нитратная смесь (состав образца: 39KN03+6lCH3COOK, мол.%) с рабочей температурой 210 С; для третьей бинарная эвтектическая система нитратов калия и лития KNO3 - L1NO3 с рабочей температурой 133 С. Все составы термостойкие, т.е. выдерживают длительную работу в диапазоне температур 150-500 С [см. гл.З настоящей работы]. Зададимся геометрией теплообменника, изображенного на рис.4.1 (см. п.4.1). Каждая секция теплообменника содержит блок из трех «кольцевых» капсул шириной 10 мм с величиной зазора между капсулами также 10 мм. Учитывая трехсекционность теплообменника, величину зазора между секциями (30 мм) и толщину вакуумированного корпуса (20 мм), окончательно определяем, что его высота составляет 640 мм, а ширина 260 мм. В режиме предпусковой подготовки дизеля ТА должен подогревать поступающий в него поток воздуха из окружающей среды от Т = 253 К до ТвЬ1Х = 363 К с учетом тепловых потерь. Коэффициент теплоотдачи от стенок кап-сул к воздуху составляет аг = 62,4 Вт/(м"-К) /55/.
Тогда необходимая безразмерная температура воздуха на выходе из ТА средняя безразмерная температура воздуха Максимальное значение безразмерной толщины закристаллизовавшегося ТАМ Приняв Лраз=0,9 и решая совместно уравнения (2.25) и (2.28) относительно Qcm и N, получаем: Qcm =0,0801, N= 2,2. По формуле (2.15) вычисляем температуру стенок капсул Тст = 547 К. Площадь поверхности теплообмена определяем из уравнения (2.20) Значительное сокращение площади поверхности теплообмена достигается путем секционирования аккумулятора, когда нагреваемый теплоноситель последовательно проходит несколько секций (с 1/гг массой, где п - число секций). Указанный эффект был подтвержден Э.В. Котенко в работах /43,-44/.
В данном случае число секций п=3, поэтому при вычислении оценочной длины теплообменника расчетная величина і7,, будет составлять 1,3 м2. Безразмерное время полной кристаллизации ТАМ определятся из уравнения (2.27) и составляет t = 0,314. Физическое время полной кристаллизации ТАМ вычисляется как Исходя из принятой геометрии теплообменника, учитывая его трехсекци-онность и значение F4 =1,3 м", определяем его длину 520 мм. Исходя из вышеприведенных формул, при разрядке аккумулятора в течении 10 часов общая масса ТАМ составит 83 кг, т. е. по 27,6 кг в каждой секции соответственно. Таким образом, высота ТА составляет 640 мм, ширина 260 мм, длина 520 мм, масса ТАМ в каждой секции 27,6 кг. Общая масса аккумулятора - 123 кг. В результате теоретических расчетов теплообменных процессов системы утилизации определен временной ход режимных параметров в системе в процессе ее зарядки и разрядки (рис. 2.4, 2.5). Здесь G - массовый расход отработавших газов; Q - тепловая мощность выхлопных газов; Т - температура матриц. На рис. 2.6 приведены графики изменения температуры матриц в процессе разрядки системы. Из графиков видно, что расчетное время зарядки системы при общей массе матриц 83 кг и температуре окружающей среды Т0 = -20 С составит порядка 30 мин., при этом время консервации теплового аккумулятора без нагрузки при той же температуре окружающего воздуха 10 ч, а при максимальной нагрузке порядка 4 ч.
Определение необходимой теплопроизводительности системы прогрева
Необходимая теплопроизводительность системы прогрева тепловозов в зависимости от температуры наружного воздуха определялось с помощью соотношений, полученных Р.Ю. Якушиным в работе 151. В таблице 4.1 приведены необходимые величины теплопроизводительности систем прогрева, обеспечивающие поддержание теплового состояния дизеля тепловоза на необходимом уровне (tBl=60 С, 1:в2=40 С, tM=50 С) при различных значениях температуры наружного воздуха. Воспользовавшись табл. 5.6 можно определить значение коэффициента действительного тепловыделения в воду (термический КПД прогрева Г). Для этого, после остановки дизеля, при температуре наружного воздуха 0 С, по достижению необходимого теплового состояния силовой устанвоки тепловоза произведен прогрев систем. Необходимо отметить, что теплопроизводительность подбиралась такой, чтобы тепловое состояние силовой установки тепловоза поддерживалось неизменным. Была подведена мощность 60 кВт, таким образом, термический КПД прогрева составил г]=45/60=0,75. Из таблицы также видно, что система утилизации эффективна при температуре наружного воздуха до -15 С. При более низких температурах воздуха энергия тепловыделения в водяную систему должна составлять более 60 кВт.
В этом случае значение утилизированной тепловой мощности необходимо увеличить, что может быть достигнуто либо за счет заполнения матриц теплового аккумулятора ТАМ с более высокой теплоемкостью, либо за счет увеличения частоты вращения коленчатого вала двигателя. 1. Результаты проведенных экспериментальных исследований показали эффективность использования системы утилизации выхлопных газов. 2. Произведена оценка адекватности разработанной математической модели функционирования системы утилизации энергии выхлопных газов тепловозных дизелей и методики расчета систем утилизации на базе многосекционного вторичного энергоносителя. Результаты экспериментальных с достаточной точностью совпадают с результатами теоретических исследований. Относительная погрешность не превышает 5%. 3. Установлена необходимая теплопроизводительность системы утилизации в зависимости от температуры наружного воздуха и определено значение коэффициента действительного тепловыделения в воду (термический КПД прогрева т). Тепловозы расходуют до 20 - 30% топлива и масла при работе на холостом ходу, поскольку выключить двигатель при сильных морозах нельзя, иначе замерзнет вода, используемая в качестве охлаждающей жидкости двигателя, а моторное масло станет вязким. Поэтому обычно для поддержания нужного температурного режима двигателя используют электроэнергию или самопрогрев /58/. Как уже отмечалось, и тот и другой способы экономически и эксплуатационно неэффективны (см. гл.1).
В качестве одного из альтернативных вариантов решения проблемы прогрева тепловозного дизеля в зимнее время предлагается применение в процессе прогрева вторичного энергоносителя — многосекционного теплового аккумулятора фазового перехода (ТА), работа которого основана на использовании скрытой теплоты фазового перехода «твердое тело - жидкость» /56/. Для транспортных установок наиболее приемлемым является аккумулирование тепловой энергии как за счет теплоты плавления теплоемкости пла- вящегося ТАМ, так и за счет только теплоемкости неплавящегося ТАМ, что в основном полностью связано с полной обратимостью процессов плавления и нагрева ТАМ. ТАМ должны обладать возможностью многократностью зарядов и разрядов при постоянном уровне тепловой эффективности, высокой энергоемкостью единицы массы, полной обратимостью фазовых превращений, высокой начальной температурой (см. гл.З).
Бортовая установка для прогрева маневровых тепловозов на основе многосекционного теплового аккумулятора
Для поддержания необходимых температур масляной, водяной и топливной систем при неработающем дизеле предусматривается оборудование тепловоза бортовой установкой, основой которой является вторичный энергоноситель - многосекционный тепловой аккумулятор фазового перехода /64, 77, 97-99/.
Нагревательными элементами в данном случае служат секции ТА. Система обогрева включает (рис. 5.2): основной дизель 1, трубопровод системы охлаждения вспомогательного дизель-генератора 2, электроуправляемые клапаны 3, 5, 30, 31, 32, 33, 34, 35, вспомогательный дизель-генератор 4, запорные вентили 6, 24, 25, 26, топливный трубопровод вспомогательного дизеля 7, штатный топливный трубопровод 8, трубопровод системы охлаждения основного дизеля 9, масляный трубопровод 10, датчик температуры воды 11, датчик температуры масла 12, расширительный бак 13, водо-топливный теплообмен-ник 14, водяные секции 15, масляные секции 16, блок управления 17, электромагнитные контакторы 18, 19, 20, 42, штатный топливоподкачиваю-щий насос 21, водяной насос 22, маслопрокачивающий насос 23 с электроприводами, выхлопной коллектор 27, многоходовые газовые краны 28 и 36, трехсекционный ТА 29, газовые трубопроводы 37, 38, выхлопную трубу 39, фильтр 40, центробежный вентилятор 41, воздухопроводы 43, 45, картер 44.
ТА выполнен из вакуумированного корпуса, внутри которого размещены секции с фазопереходными ТАМ: гидроксид натрия NaOH с рабочей температурой 300 С, ацетат-нитратная смесь (состав образца: 39KNO3+6ICH3COOK) с рабочей температурой 220 С и бинарная эвтектическая система из нитратов калия и лития KNO3 - ЫЫОз с рабочей температурой 133 С (вопрос подбора ТАМ рассмотрен в 3 главе данной работы). Секции теплового аккумулятора фазового перехода расположены в порядке уменьшения интервала рабочих температур теплоаккумулирующего материала и соединены при помощи эапорно-регулирующей арматуры - многоходовых газовых кранов 28 и 36 - с системой выпуска отработавших газов ДВС 1, состоящей из газовых трубопроводов 37, 38 и выхлопной трубы 39. Для циркуляции теплоносителя - воздуха - имеется воздушная магистраль, состоящая из воздухопровода 40, фильтра 41, центробежного вентилятора 42, воздухопроводов 24 и 45, подводящих и отводящих воздух из картерного пространства ДВС 1. Для циркуляции теплоносителя - вода - имеется водная магистраль, состоящая из трубопровода штатной водяной системы дизеля 9, подключенного к третьей секция теплового аккумулятора, и трубопровода системы охлаждения вспомогательного дизель-генератора 2. Циркуляцию обеспечивает водяной насос 22. Система обогрева работает следующим образом.
При отсутствии необходимости заряжать тепловой аккумулятор 29 (например в летний период) заслонка многоходового газового крана 28 устанавливается в положение, при котором перекрывается вход в многосекционный тепловой аккумулятор. Поток выхлопных газов из ДВС 1 направляется по коллектору 27, газовому трубопроводу 38 и через выхлопную трубу 39 выбрасывается в атмосферу.
Для накопления тепловым аккумулятором теплоты заслонка многоходового газового крана 28 устанавливается в положение, при котором перекрываются входы в газовый трубопровод 38 и воздуховод 45, а заслонка многоходового крана 36 - в положение, перекрывающее вход в воздухопровод 40.
Поток выхлопных газов из ДВС 1 направляется по выхлопному коллектору 27 в секции теплового аккумулятора, затем по газовому трубопроводу 37 в выхлопную трубу 39.
При этом происходит теплообмен между выхлопными газами и фазопе-реходным теплоаккумулирующим материалом, в результате которого последний нагревается в твердой фазе до температуры плавления, плавится, а затем нагревается в жидкой фазе до температуры теплового равновесия с выхлопными газами. В процессе хранения тепловой энергии ее диссипации препятствует вакуумированный корпус теплового аккумулятора. Отдача теплоты осуществляется в следующих режимах.
Режим 1. При необходимости прогрева ДВС 1 при оперативном отстое тепловоза в «горячем» резерве заслонка многоходового крана 28 устанавливается в положение, при котором перекрываются входы в выхлопной коллектор 27 и газовый трубопровод 38, а заслонка многоходового крана 36 устанавливается в положение, при котором закрывается вход в газовый трубопровод 37.
При включении центробежного вентилятора 42, приводимого в работу от аккумуляторной батареи 47, возникает вынужденная циркуляция воздуха по замкнутому контуру: вентилятор 42 - воздуховод 44 - картерное пространство ДВС - воздуховод 45 - многоходовой газовый кран 28 - первая и вторая секции теплового аккумулятора - многоходовой газовый кран 35 - воздуховод 40 - фильтр 41 - вентилятор 42, при этом электроклапан 30 открыт, а электроклапаны 31, 32 закрыты. В процессе прохождения потока воздуха по первой и второй секциям воздух нагревается, а теплоаккумулирующий материал остывает и претерпевает обратимый фазовый переход из жидкого состояния в твердое, выделяя при этом скрытую теплоту кристаллизации. Горячий воздух очищается от механических примесей в фильтре 41 и поступает в картерное пространство ДВС, где отдает часть своей тепловой энергии коренным и шатунным подшипникам коленчатого вала, а также моторному маслу, циркулирующему по масляному трубопроводу штатной масляной системы дизеля.
Режим 2. При необходимости подогрева воды водяной системы тепловозного дизеля 33 и 34 электроклапаны устанавливаются в положение «открыто», а 30, 31, 32 и 35 в положение «закрыто». При включении водяного насоса 22 штатной водяной системы дизеля возникает вынужденная циркуляция воды по замкнутому контуру: трубопровод системы охлаждения вспомогательного дизель-генератора 2 - ДВС 1 - трубопровод штатной водяной системы дизеля 9 - третья секция теплового аккумулятора - водяной насос 22 — трубопровод системы охлаждения вспомогательного дизель-генератора 2. При работе вспомогательного дизель-генератора 4 начинает прогреваться штатная водяная система охлаждения основного дизеля 1, так как она подключена к системе охлаждения вспомогательного дизель-генератора, а также за счет прохождения потока воды по третьей секции теплового аккумулятора (вода нагревается, а теплоаккумулирующий материал остывает).
