Крайнюк Андрій Олександрович. Підвищення ефективності повітропостачання й опалення пасажирських залізничних вагонів застосуванням обігрівачів каскадно-теплового стиску

Краткое описание

Крайнюк Андрій Олександрович. Підвищення ефективності повітропостачання й опалення пасажирських залізничних вагонів застосуванням обігрівачів каскадно-теплового стиску : Дис... канд. наук: 05.22.07 2006

Крайнюк А.О. Підвищення ефективності повітропостачання й опалення пасажирських залізничних вагонів застосуванням обігрівачів каскадно-теплового стиску. - Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.07 - Рухомий склад залізниць і тяга поїздів. - Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2006.
Дисертацію присвячено підвищенню ефективності повітропостачання та опалення пасажирських вагонів шляхом використання генератора каскадно-теплового стиску (ГКТС). Розроблено комплекс математичних моделей, методик та програм розрахунку робочих процесів ГКТС. Проведено розрахунково-експериментальні дослідження впливу режимних та конструктивних параметрів ГКТС на показники роботи опалювально-вентиляційної системи. Результати роботи знайшли промислове впровадження при проектуванні систем повітропостачання та опалення на залізничному транспорті.

У дисертації вирішена науково-технічна задача підвищення ефективності і економічності опалення й повітропостачання пасажирських вагонів залізничного транспорту використанням агрегатів каскадно-теплового стиску.
Основні результати виконаних досліджень полягають у наступному:
1. Значний резерв енергетичного й функціонального вдосконалювання ОВС пасажирських вагонів пов'язаний з використанням як генератора гарячого повітря агрегатів каскадно-теплового стиску, що реалізують пряме перетворення теплоти в енергію стисненого повітря.
Розроблено робочий цикл, принципову схему та конструкцію принципово нового пристрою опалювально-вентиляційної системи каскадно-теплового стиску, захищені патентами України й Росії.
2. Математична модель ГКТС, що базується на використанні методу «пошарової дифузії» і уточненого методу «розпад довільного розриву» враховує дисипативні фактори, пов'язані з відривними явищами й затопленням струменя в граничних перетинах осередків ротора. Її використання розширює уяву про механізм протікання реальних процесів тепломасообміну в проточних елементах і дозволяє одержати характеристики роботи ГКТС для різних сполучень конструктивних параметрів.
Досить висока адекватність математичної моделі робочого циклу ГКТС підтверджена гарною збіжністю (у межах 2,4-4%) розрахункових і експериментальних значень термодинамічних параметрів циклу.
3. В результаті розрахунково-експериментальних досліджень ГКТС виявлені й проаналізовані закономірності впливу режимних і конструктивних параметрів на показники роботи ГКТС. Зокрема:
- встановлена чутливість робочого циклу ГКТС до якості очищення осередків у процесах продувки й заміщення. У досліджуваній конструкції прийнятні значення коефіцієнтів продувки й заміщення перебувають у межах 1,6...1,7.
- доведена енергетична доцільність інтенсифікації процесів продувки й заміщення за рахунок збільшення зовнішнього діаметра ротора. Кожному коефіцієнту продувки й заміщення відповідає своє граничне значення діаметра, при зменшенні якого дана продувка недосяжна навіть при значному збільшенні частоти обертання ротора.
- обґрунтована доцільність регулювання відносної витрати робочого тіла, що відбирається із циклу ГКТС, залежно від максимальної температури циклу. Зі збільшеннямраціональні значення(за критерієм максимального ККД ГКТС) практично лінійно зростають.
4. Запропонований метод узгодження режимних і конструктивних параметрів ГКТС і ежектора за критерієм максимальної продуктивності ОВС КТС для заданого теплового й температурного потенціалу джерела теплоти значно спрощує пошук сполучень розмірних співвідношень структурних елементів системи, що забезпечують ефективну роботу ОВС КТС на розрахунковому режимі.
5. Аналіз особливостей спільної роботи ГКТС і ежектора показав, що при виборі конструктивних параметрів ГКТС, що працює в складі ОВС, у якості основної оптимізаційної передумови доцільно використати умову максимальної кількості руху активного струменя ежектора.
При виборі параметрів ежектора оптимізаційними передумовами є умова реалізації 1-го граничного режиму (на якому швидкість пасивного потоку наближається до звукової), а також мінімізація втрат затоплення струменя повітря на виході з дифузору ежектора.
6. Розроблена математична модель робочого процесу ОВС КТС на нерозрахункових режимах, що базується на методі пошуку режимів спільної роботи ГКТС і ежектора при різній температурі джерела підведення теплоти, а також програмне забезпечення дозволяють істотно скоротити трудомісткість дослідницьких, дослідно-конструкторських і доводочних робіт.
7. Випробування ГКТС на безмоторному стенді підтвердили можливість ефективного перетворення підведеної теплоти в розташовувану роботу стисненого повітря (на режимі Тg1=950-1000К,air1= 32% адіабатний ККД ГКТС досягає 32-33%). Високі значення тиску й температури відведеного до споживача повітря (= 0,20,6МПа, Тz=600-1000К) дозволяють транспортувати тепло у віддалені зони вагона за допомогою повітроводу з відносно невеликим прохідним перерізом з наступним розведенням гарячого повітря припливним в ежекторних камерах змішання.
8. В результаті розрахункових досліджень підтверджено, що параметри робочого циклу ГКТС, що забезпечують максимальний його ефективний ККД (найбільшу розташовувану роботу генеруємого повітря) не завжди відповідає умові максимальної продуктивності повітряного контуру ОВС.
Раціональна зміна відносної витрати повітря, що відводиться до споживачаair1залежно від Tz, у свою чергу, носить лінійний характер, однак зміщено відносно кривоїair1= f(Tz) за критерієм максимального ефективного ККД КТС у напрямку більших значеньair1.
Наприклад, для Tz=1000К максимальний ККД КТС (= 0,33) досягається приair1= 32%, у той час як максимальна продуктивність повітряного контуру ОВС КТС реалізується приair1=58%.
9. Експериментально підтверджена працездатність і висока надійність дослідної системи ОВС КТС, що обумовлено відсутністю механічних витискувачів та дискретно-керованих газорозподільних органів, а також невеликою теплонапруженістю ротора ГКТС, внаслідок періодичного охолодження свіжим зарядом. Підтверджено високу ефективність роботи ОВС КТС у широкому діапазоні режимів експлуатації. На режимі Тz= 790 К загальний ККД ОВС КТС становить 0,83, а на режимі Тz=1000 К досягає значення 0,87.
10. Запропоновано інженерний метод визначення основного розмірного параметру ГКТС обсягу проточної частини ротора за результатами розрахунку максимальної потужності системи опалення вагонів. Наприклад, для одночасного обігріву трьох вагонів ДЕЛ-02 при використанні як джерела підведення теплоти топкових газів (Тz= 1000 К) досить застосування агрегату ГКТС із обсягом проточної частини ротора Vр=0,00233м3.
11. У поїздах з дизельною тягою істотно менша витрата палива на обігрів вагона витрачається при використанні як джерело теплоти робочого циклу ГКТС топкових камер або ВГ дизеля. Застосування в ОВС КТС електроенергії є менш раціональним, оскільки теплота, випромінювана електронагрівальними приладами, в остаточному підсумку, є продуктом подвійного перетворення теплової енергії згорілого у двигуні палива.
12. Техніко-економічний розрахунок ефективності застосування ОВС КТС на дизель поїзді ДЕЛ-02 показав, що зниження витрати дизельного палива на обігрів одного вагона, що рухається, при Т0= - 250С у результаті заміни базового обігрівача БОС-03 на ОВС КТС становить 3,82 кг/год.