Утилизация вторичных энергетических ресурсов при нагрузочных испытаниях тепловозов

УДК 629.4.016.2

В. Ф. Тарута, С. В. Глухов, М. В. Глухова

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация

УТИЛИЗАЦИЯ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ ПРИ НАГРУЗОЧНЫХ ИСПЫТАНИЯХ ТЕПЛОВОЗОВ

Аннотация. В статье рассмотрены вопросы возможности утилизации энергии выпускных газов дизель-генераторных установок тепловозов при проведении нагрузочных испытаний. Выполнен расчет количества тепла, уносимого при проведении испытаний с уходящими газами. Рассмотрены возможные варианты утилизации теплоты с использованием различного рода теплообменников.

Ключевые слова: ресурсосберегающие технологии, вторичные энергетические ресурсы, утилизация энергии, выпускные газы дизеля, нагрузочные испытания.

Victor F. Taruta, Sergey V. Glukhov, Marya V. Glukhova

Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation

UTILIZATION OF SECONDARY ENERGY RESOURCES LOAD TESTING

OF LOCOMOTIVES

Abstract. The article deals with the possibility of energy utilization of exhaust gases of diesel-generator sets of locomotives during load tests. The calculation of the amount of heat carried out during tests with exhaust gases. Possible variants of heat utilization with the use of various heat exchangers are considered.

Keywords: resource-saving technologies, secondary energy resources, energy utilization, diesel exhaust gases, load tests.

Одним из приоритетных направлений дальнейшего развития и совершенствования организации технического обслуживания и ремонта локомотивов является использование ресурсосберегающих технологий, разработка и внедрение программ энерго- и ресурсосбережения. В компании ОАО «Российские железные дороги» в 2004 г. была принята и в 2011 г. актуализирована Энергетическая стратегия. Важнейшей целью стратегии определены оптимизация энергопотребления и реализация комплексных мероприятий по экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР).

В настоящее время основой ресурсосбережения в локомотивном комплексе является экономное использование дизельного топлива и электроэнергии в эксплуатации. Для достижения заданной цели ведутся работы, направленные на повышение энергетической эффективности локомотивов - так называемые ресурсосберегающие технологии, - в частности, на снижение потребления топливно-энергетических ресурсов на единицу выполненной работы. В серии «Библиотека энергоэффективности и энергосбережения» выпущено трехтомное справочно-методическое издание «Энергосбережение на железнодорожном транспорте» (под редакцией к.т.н. В. А. Гапановича) [1].

В издании отмечается, что «... наиболее энергозатратными и ресурсоемкими являются испытания следующих видов оборудования локомотивов: дизель-генераторной установки тепловозов, тяговых и вспомогательных электрических машин, выпрямительных установок, поршневых воздушных компрессоров тормозной системы локомотивов, колесно-моторных блоков после ремонта». Указываются и возможные направления экономии ТЭР, например, переход от водяных нагрузочных реостатов к сухим, с помощью которых «появляется возможность использовать выделяемую теплоту на обогрев помещений депо и подогрев технической воды для производственных нужд», а также «испытания по специальным и сокращенным программам с использованием методов имитационного моде-

лирования и прогнозирования технологических параметров». Однако вряд ли в ближайшие годы «имитационное моделирование» заменит традиционную технологию послере-монтной проверки технического состояния дизель-генераторных установок (ДГУ) нагру-жением на реостат. Значит, искать резервы экономии следует пока здесь.

Одной из технологий в данном направлении является утилизация энергии горячей воды нагрузочного реостата с использованием теплообменников [2]; другой - утилизация энергии выпускных газов тепловоза при проведении реостатных испытаний.

В тепловозных ДГУ значительное количество теплоты рассеивается с выхлопными газами, имеющими температуру 270 - 400 °С. Это так называемые тепловые вторичные энергетические ресурсы (ВЭР), представляющие собой энтальпию тепла отходящих газов, которые могут быть использованы другими потребителями. Тепловой баланс тепловозного дизеля с газотурбинным наддувом показывает, что в среднем лишь 41,5 % тепла, получаемого при сгорании топлива, превращается в эффективную работу, а потери с выпускными газами составляют приблизительно от 32 до 40 %.

Проблемой утилизации выпускных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) давно интересуются на Западе. Например, известны экспериментальные работы ведущих западных автоконцернов по созданию систем регенерации тепловой энергии в системе выпуска отработавших газов по циклу Ренкина и термоэлектрических генераторов на эффекте Зеебека, однако ввиду сложности и все еще достаточно низкого КПД широкого распространения они до сих пор не получили.

Например, фирма BMW для использования энергии отработавших газов разработала вариант двигателя, в котором газы нагревали воду, превращая ее в пар, который затем с помощью паровой машины подкручивал коленчатый вал ДВС. Эта же фирма разработала конструкцию, в которой рядом с выхлопной трубой автомобиля размещается термоэлектрогенератор, преобразующий энергию охлаждающей жидкости и отработавших газов в электрический ток, который используется для питания многочисленных потребителей на борту, разгрузив штатный генератор [3].

Сообщается также, что «при поддержке Министерства энергетики США ученые представили большой термоэлектрогенератор (ТЭГ) на 200 Вт, который планируется устанавливать на танки с целью снижения расходов на топливо. Аналогичным образом планируется оптимизация и в автомобильной сфере, где ожидается повышение эффективности благодаря ТЭГ на пять процентов» [4].

Однако ни применение термоэлектрогенераторов, ни использование каких-либо иных источников утилизации ВЭР не получили широкого распространения на транспорте по ряду причин, в частности, из-за низкого КПД и относительно высокой стоимости. Оснащать отдельную транспортную единицу установкой для утилизации ВЭР пока экономически невыгодно. На это указывается и в рецензии [5] на статью «Источники энергии - термоэлектрические генераторы».

Однако в большинстве сервисных локомотивных депо по ремонту тепловозов (СЛД) имеются станции реостатных испытаний. Известно количество теплоты (вв), которое в ДВС теряется с отработавшими газами:

вв = бво "

где Ово - количество теплоты в отработавших газах - физической (теплосодержание от 0 °С) и химической (при неполноте сгорания);

вов - теплота, внесенная в двигатель воздухом из окружающей среды (теплосодержание от 0 °С);

Оот - теплота топлива (теплосодержание от 0 °С), поступившего в двигатель.

В свою очередь количество теплоты, уносимой отработавшими газами (дг), находится в прямой зависимости от количества сгоревшего топлива [6]:

Ч = ^ ^ ,

где Qт - количество тепла, уносимого отработавшими газами 1 кг сгоревшего топлива, ккал/кт; ge - удельный эффективный расход топлива ge, г/кВтч.

Следовательно, зная расход топлива за время проведения нагрузочных испытаний, можно на основе теплового баланса двигателя приблизительно оценить количество тепловой энергии, потерянной с уходящими газами.

Исследованиями, проведенными сотрудниками кафедры «Тепловозы и тепловозное хозяйство» ОмИИТа на ряде дорог МПС (Южно-Уральской, Свердловской, Юго-Восточной, Северной) в период 1972 - 1984 гг. [6] было установлено, что удельный расход топлива дизель-генераторной установкой тепловозов типа 2ТЭ116 под нагрузкой по тепловозной характеристике (по позициям контроллера) с высокой достоверностью аппроксимируется полиномом третьего порядка (рисунок 1).

->-

Рисунок 1 - Расходная характеристика ДГУ тепловоза 2ТЭ116

Имея подобную функциональную зависимость, можно ориентировочно посчитать, сколько топлива затрачивается на проведение испытаний (таблица 1).

Расход топлива на проведение обкаточных реостатных испытаний (РИ) тепловозов 2ТЭ116

Позиция контроллера машиниста Мощность генератора Рг, кВт Удельный эффективный расход топлива §е, г/кВтч ^ раб, ч Расход топлива, Q, кг

1 89 577,8 0,42 21,4

2 120 496,4 0,25 14,9

3 187 457,0 0.25 26,7

4 239 420,2 0,50 50,2

6 506 303,6 0.58 89,6

7 598 307,0 0,17 30,6

8 758 274,4 0,33 69,3

9 899 268,1 0.25 60,3

10 1028 243,2 0.33 83,3

11 1145 271,8 0,67 207,5

12 1315 259,0 0,08 28,4

13 1513 260,7 0.25 98,6

14 1626 260,4 0.25 105,9

15 1821 258,1 1,17 548,3

Итого 1435,0

При полной обкатке ДГУ в соответствии с требованиями ТО и ТР тепловозов 2ТЭ116 в течение 5 час 5 мин [7] суммарный расход топлива на обкаточных режимах под нагрузкой составит 1435 кг (см. таблицу).

Тепловой баланс тепловозного дизеля с газотурбинным наддувом показывает, что в среднем лишь 41,5 % тепла, получаемого при сгорании топлива, превращается в эффективную работу, а потери с выпускными газами составляют приблизительно от 32 до 40 %. Предполагая, что эффективность использования тепла сгоревшего топлива соотносится с расходной характеристикой ДГУ тепловоза (см. рисунок 1), ориентировочное значение количества тепловой энергии, уходящей с выпускными газами при проведении полных РИ, составляет более 1,5 Гкал.

Традиционными схемами утилизации теплоты являются парогазовые схемы, когда в выхлопной системе ДВС устанавливают котел-утилизатор, обеспечивающий выработку водяного пара [7]. Для условий работы в депо можно использовать прямоточные кожухотрубные газоводяные теплообменные аппараты с использованием тепловых аккумуляторов (рисунок 2).

Плр

Рисунок 2 - Кожухотрубный теплообменник

В последние годы все большее развитие получают установки непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую (рисунок 3).

Современная наука постоянно изыскивает новые и новые полупроводниковые композиции, и прогресс в этой области обеспечивается не столько теорией, сколько практикой, ввиду сложности физических процессов, происходящих в термоэлектрических материалах.

Новейшие модификации термоэлектрических генераторов способны выдерживать нагрев верхней его части до 600 °С при температуре основания в 100 °С. Это позволяет при разнице в 500 °С конвертировать мощность в 7,2 Вт при площади устройства всего в 4 см [8].

Вид генерации варьируется во всем мире, что приводит к широкому диапазону цен на электроэнергию. Выбор метода преобразования тепловой энергии в электрическую и его экономическая целесообразность зависят от потребностей в энергоносителях, наличия природного топлива и достаточности площадки строительства.

В журнале «Локомотив» опубликована статья «Источники энергии - термоэлектрические генераторы» [9], в которой предлагается утилизировать тепло уходящих газов с помощью установки на тепловозах термоэлектрических генераторов. Использование подобных устройств непосредственно на локомотиве затруднено по ряду причин. В первую очередь это ограниченное внутреннее пространство современного автономного локомотива, вспомогательное оборудование которого непрерывно увеличивается. Немаловажен и тот факт, что нет потребителя утилизированной энергии на локомотиве.

Холодная сторона

Рисунок 3 - Термоэлектрический генератор: а - общий вид; б - принцип действия

Однако в большинстве сервисных локомотивных депо по ремонту тепловозов имеются станции реостатных испытаний. При установке кожухотрубных теплообменных аппаратов (КТА) или термоэлектрических генераторов на станциях реостатных испытаний в СЛД можно воспользоваться сооружениями, аналогичными пунктам экологического контроля (ПЭКам) (рисунок 4, а, б), поскольку последние приспособлены для отбора проб выпускных газов тепловоза при проведении реостатных испытаний.

Рисунок 4 - Пункты экологического контроля на станциях реостатных испытаний тепловозов

Поскольку в последние годы ПЭКи во многих депо не используются по прямому назначению, то КТА можно устанавливать непосредственно на их месте. При этом весогабаритные характеристики установки не имеют критического значения.

По результатам проведенных патентных исследований, поиска и обзора специальной литературы выполнена классификация систем утилизации тепловой энергии отработавших газов после двигателей внутреннего сгорания (рисунок 5) [10].

Рисунок 5 - Способы утилизации и использования тепловой энергии отработавших газов ДВС

Из предлагаемой классификации видно, что системы утилизации выпускных газов тепловозных ДВС, находящихся в стационарном положении при проведении нагрузочных испытаний, целесообразно развивать как минимум по двум направлениям:

применением прямоточных кожухотрубных газоводяных теплообменных аппаратов с использованием тепловых аккумуляторов;

применением термоэлектрических генераторов стационарного типа.

Необходимо отметить также, что особенностью возможного применения установок по утилизации ВЭР от дизельных двигателей тепловозов при нагрузочных испытаниях является цикличность процесса работы на разных нагрузочных испытательных режимах, что для полноценного их функционирования в СЛД потребует применения аккумулирующих систем, а также дублирования (при длительном простое стенда нагрузочных испытаний) традиционными источниками энергии.

Список литературы

1. Сайт «Инновационный дайджест» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.rzd-expo.ru/innovation/resource_saving/resoursce_saving/index.php (дата обращения: 22.09.2019).

2. Глухов, С. В. Утилизация вторичных энергетических ресурсов при проведении реостатных испытаний [Текст] / С. В. Глухов, В. Ф. Тарута, М. В. Глухова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2015. - № 3 - С. 68 - 72.

3. Пат. 2519529 Российская Федерация, МПК F02G5/02. Устройство для выработки электрической энергии с использованием тепла отработавших газов [Текст] / Шатц А., Лимбек З., Брюкк Р., Ходгзон Я. ^Е); заявитель и патентообладатель Эмитек Гезельшафт Фюр Эмиссионстехнологи МБХ фЕ). - № 2010151473/06; заявл. 13.05.2009 опубл. 10.06.2014, Бюл. № 16.

4. Сайт «Электрик-инфо» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://electrik.info/main/news/946-effektivnoe-preobrazovanie-tepla-termogenerator-gmz-energy.html (дата обращения: 22.09.2019).

5. Игин, В. Н. Энергоэффективность локомотивов: планирование и прогнозирование [Текст] / В. Н. Игин // Локомотив. - 2016. - №4. - С. 10 - 13.

6. Четвергов, В. А. Опыт разработки и внедрения технических средств для оценки качества ремонта и настройки ДГУ тепловоза при реостатных испытаниях [Текст] / В. А. Четвергов, А. И. Володин, В. З. Даминов. - М.: Транспорт, 1986. - 53 с.

7. Выбор схемы утилизации тепла отработавших газов поршневых ДВС и оценка полезного теплоиспользования в составе когенерационной установки [Текст] / В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов и др. // Омский научный вестник / Омский гос. техн. ун-т. - Омск. - 2015. - №1 С. - 114 - 119.

8. Эффективное преобразование тепла в электричество с помощью термогенераторов GMZ Energy [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://electrik.info/main/news/946-effektivnoe-preobrazovanie-tepla-termogenerator-gmz-energy.html (дата обращения: 22.09.2019).

9. Митронов, М. В. Источники энергии - термоэлектрические генераторы [Текст] / М. В. Митронов // Локомотив. - 2013. - № 9. - С. 23, 24.

10. Яркин, А. В. Повышение эффективности строительных мобильных машин путем утилизации тепла отработавших газов: Автореф... дис. канд. техн. наук. - Тюмень, 2005. - 20 с.

References

1. Innovatsionnyy daydzhest. Programma resursosberezheniya (Innovative Digest. Resource Saving Program).

Access Point: http://www.rzd-expo.ru/innovation/resource_saving/resoursce_saving/index.php (Revised: 22.09.2019).

2. Glukhov S. V. Utilization secondary energy resources during rheostatic tests [Utilizaciya vtorichny'x e'nergeticheskix resursov pri provedenii reostatny'x ispy'tanij]. Izvestiia Transsiba - The journal of Transsib Railway Studies, 2015, no. 3, pp. 68 - 72.

3. Shatcz A., Limbek Z., Bryukk R., Xodgzon Ya. Patent RU 2519529. 10.06.2014.

4. Elektrik Info. Termoelektricheskiy generator. (Electrician info. Thermoelectric generator). Access Point: http://electrik.info/main/news/946-effektivnoe-preobrazovanie-tepla-termogenerator-gmz-energy.html (Revised: 22.09.2019).

5. Igin V. N. Locomotive energy efficiency: Planing and forecasting [E'nergoe'ffektivnost' loko-motivov: planirovanie i prognozirovanie].Lokomotiv - The Locomotive, 2016, no. 4, pp. 10 - 13.

6. Chetvergov V. A., Volodin A. I., Daminov V. Z. Opy^t razrabotki i vnedreniya texnicheskix sredstv dlya ocen-ki kachestva remonta i nastrojki DGUteplovozapri reostatny^x ispy^taniyax (Experience in the development and implementation of technical means for assessing the quality of repair and tuning of diesel engine diesel engine during rheostatic tests). Moscow: Transport, 1986, 53 p.

7. Vedruchenko V. R., Krajnov V. V., Zhdanov N. V. Choice of a scheme for utilizing the heat of exhaust gases from reciprocating internal combustion engines and evaluating useful heat use as part of a cogeneration unit. [Vy'bor sxemy' utilizacii tepla otrabotavshix gazov porshnevy'x DVS i ocenka poleznogo teploispol zovaniya v sostave kogeneracionnoj ustanovki]. Omskij nauchny^j vestnik - Omsk Scientific Bulletin, 2015, no. 1, pp. 114 - 119.

8. Elektrik Info. Effektivnoe preobrazovanie tepla v elektrichestvo spomoshh^yu termogenera-torov GMZ Energy. (Efficiently convert heat to electricity with GMZ Energy). Access Point: http://electrik.info/main/news/946-effektivnoe-preobrazovanie-tepla-termogenerator-gmz-energy.html (Revised: 22.09.2019).

9. Mitronov M. V. Energy Sources - Thermoelectric Generators [Istochniki e'nergii -termoe'lektricheskie generatory]. Lokomotiv - The Locomotive, 2013, no. 9, pp. 23 - 24.

10. Yarkin A. V. Povy'shenie e'ffektivnosti stroitel'ny'x mobil'ny'x mashin putem uti-lizacii tepla otrabotavshix gazov (Improving the efficiency of mobile construction vehicles by utilizing exhaust heat). Doctor's thesis abstract, Tyumen, 2005, 20 p.

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Тарута Виктор Федорович

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Локомотивы», ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 37-06-17.

E-mail: TarutaVF@gmail.com

Глухов Сергей Витальевич

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика», ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 37-06-23.

E-mail: svgluk@mail.ru

Глухова Мария Викторовна

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика», ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 37-06-23.

E-mail: Marta_omgups@mail.ru

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

Тарута, В. Ф. Утилизация вторичных энергетических ресурсов при нагрузочных испытаниях тепловозов [Текст] / В. Ф. Тарута, С. В. Глухов, М. В. Глухова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2019. - № 4 (40). - С. 70 - 77.

Taruta Victor Fedorovich

Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Ph. D. in Engineering, Associate Professor of the department «Locomotives», OSTU. Phone: +7 (3812) 37-06-17. E-mail: TarutaVF@gmail.com

Glukhov Sergey Vitalyevich

Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Ph. D. in Engineering, Associate Professor of the department «Power system», OSTU. Phone: +7 (3812) 37-06-23. E-mail: svgluk@mail.ru

Glukhova Marya Victorovna

Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Ph. D. in Engineering, Associate Professor of the department «Power system», OSTU. Phone: +7 (3812) 37-06-23. E-mail: Marta_omgups@mail.ru

BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Taruta V. F., Glukhov S. V., Glukhova M. V. Utilization of secondary energy resources load testing of locomotives. Journal of Transsib Railway Studies, 2019, vol. 4, no. 40, pp. 70 - 77 (In Russian).

УДК 699.865

Е. М. Резанов1, П. В. Петров2

1Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация;

2Общество с ограниченной ответственностью «Сибирская проектная компания» (ООО «СПК»), г. Омск,

Российская Федерация

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УТЕПЛЕНИЯ СТЕН ЗДАНИЙ С УЧЕТОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТПУСКАЕМОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Аннотация. Предложена оптимизация утепления ограждающих конструкций стен зданий, учитывающая взаимосвязь конструктивных, теплотехнических, режимных параметров и экономических показателей. Целью исследования является определение оптимального значения толщины утепления теплоизоляционным материалом объекта, с учетом отпускаемой ему тепловой энергии. В проведенном исследовании использовались методы математического моделирования теплообмена, оптимизационной задачи. Приведены результаты исследования влияния толщины теплоизоляционного материала на технико-экономическую эффективность потребления зданием энергетических ресурсов и материальных затрат. Результаты показали снижение тепловых потерь через ограждающие конструкции, расхода потребления тепловой и электрической энергии на систему «отопление, вентиляция» и приведенных затрат.

Ключевые слова: теплоизоляция, толщина, эффективность, затраты, тепловая энергия, электроэнергия.