Анализ служебных потерь теплоты паровоза и пути их уменьшения

Информационные технологии и безопасность

189

А. А. Тимофеев

АНАЛИЗ СЛУЖЕБНЫХ ПОТЕРЬ ТЕПЛОТЫ ПАРОВОЗА И ПУТИ ИХ УМЕНЬШЕНИЯ

В работе подробно рассмотрены отдельные составляющие суммарной служебной потери теплоты на паровозе и намечены пути их уменьшения, что способствует повышению общего к.п.д. паровоза.

паровоз, потери теплоты, к.п.д.

Введение

Причиной низкого к.п.д. паровоза являются большие потери теплоты. Их условно можно разделить на потери по котлу, потери по паровой машине и служебные потери, которые в основном тоже по котлу, но обычно они выделяются в отдельную группу. Самой большой является потеря в паровой машине с уходящим паром, составляющая более 50 % от располагаемого количества теплоты, выделяемой при полном сгорании топлива. Среди потерь по котлу наибольшая - потеря с уходящими газами, составляющая более 18 % от того же числа.

1 Служебные потери теплоты

Служебными потерями на паровозе принято называть потери теплоты на собственные нужды паровоза. Реже их называют потерями на самообслуживание паровоза. Их можно условно разделить на основные и дополнительные (табл. 1) [1].

ТАБЛИЦА 1. Распределение отдельных составляющих суммарной служебной потери

теплоты на паровозе

Служебные потери теплоты Составляющие части служебных потерь теплоты Потеря теплоты от располагаемого количества теплоты, выделяемой при полном сгорании топлива, %

Основные потери qH - на инжектор ^с _ на сифон или qд - дымосос qn - на тормозной насос qy - на турбогенератор X 0-5 X г В сумме 0-1 J (2-8) X

Дополнительные потери qст - суммарная на стокер (угеподатчик) q$ - на распыление нефти 2-7 (1,5-5) 2-5

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/3

Информационные технологии и безопасность

^пн - на подогрев нефти 0-2

qбм - на подогрев будки

машиниста X

Нестандартные потери дв - на насос 0 5 15

водоподогревателя 0,5 1,5

По данным академика С. П. Сыромятникова, общая служебная потеря теплоты на паровозе в процентах от располагаемого количества теплоты, выделяемой при полном сгорании топлива, составляет:

• при дровяном и угольном отоплении с ручным обслуживанием 37 % (2-5);

• при угольном отоплении со стокером (углеподатчиком) 7-10 % (310);

• при нефтяном (мазутном) отоплении 5-10 %.

Данные в скобках более позднего периода [2].

Данные других авторов, полученные в разные годы, представлены в таблице 2.

ТАБЛИЦА 2. Общие потери теплоты на служебные нужды паровоза

Автор Год издания Суммарные служебные потери, %

С. П. Сыромятников 1934 3-10

Г. П. Васильев 1937 3

М. И. Прозоровский 1946 3-4,8

Р. Джонсон 1947 3,3

Энциклопедический справочник 1949 1

«Машиностроение», том 13 С. П. Сыромятников 1955 6,5

Н. К. Прозоров, М. Б. Вигдорчик, Э. К. Гребенкин 1986 6,5

Большая разница результатов при рассмотрении в разные годы служебных потерь паровоза объясняется привязанностью к конкретным экспериментальным данным по определенным паровозам, работающим в разный исторический промежуток времени, различием серий паровозов, разницей в отоплении, условиями и задачами эксперимента или расчета, а также причислением или вычеркиванием (в разное время) из служебных потерь той или иной составляющей и рассмотрением ее отдельно (например, потеря на тормозной насос). Из-за практических сложностей в измерении расхода пара экспериментов проводилось мало, оценка потерь

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/3

Информационные технологии и безопасность

191

часто делалась расчетным путем, поэтому некоторые результаты являются приближенными.

2 Составляющие части служебных потерь теплоты

К основным относятся неизбежные служебные потери, без которых эксплуатация паровоза невозможна. Они являются наибольшими по величине. Среди них неотъемлемая потеря любой котельной установки -потеря на питание котла водой. Обычно на паровозе в качестве питательных устройств установлены инжекторы (пароструйные насосы). Данная потеря может варьироваться в широких пределах, так как зависит от множества факторов: серии паровоза, условий его эксплуатации, типа инжектора, режимов отопления, грамотного обслуживания котла и ведения поезда и др. Поэтому данную потерю авторы старались не указывать даже в приближенном виде.

Вторая потеря необходима для создания или усиления искусственной тяги в газовом тракте котла. В основном тягу создают сифоном, являющимся устройством эжекторного типа, работающим совместно с дымовой трубой паровоза. Он питается острым паром от пароразборной колонки и устанавливается в дымовой коробке паровоза. Простота и надежность сифона объясняет предпочтение конструкторов именно этому устройству несмотря на высокий расход пара. Установка на паровозе вместо сифона дымососа имеет свои достоинства и недостатки, описанные в литературе [3].

В нашей стране паровозы с дымососами эксплуатировались в меньшем количестве, поэтому сведения по потерям на паровозные дымососы весьма немногочисленны.

Потери на тормозной насос и турбогенератор отсутствовали у паровозов XIX, начала ХХ века, т. к. торможение производилось реверсированием паровой машины и ручными тормозами на паровозе и вагонах поезда. Электроэнергия тоже не требовалась из-за отсутствия приборов, ее потребляющих, в том числе освещения, производимого в то время керосиновыми фонарями.

Необходимость обеспечения сжатым воздухом современных тормозов, наличие электроосвещения и обеспечение бесперебойной работы систем связи и приборов безопасности заставляет отнести эту группу служебных потерь к основным служебным потерям.

Нагрузка на турбогенератор слагается из следующих потребителей электроэнергии: системы связи и приборов безопасности, которые должны работать круглосуточно и бесперебойно, и осветительных приборов, находящихся внутри и снаружи паровоза (в том числе прожектор), которые потребляют значительное количество электроэнергии. Работа осветительных приборов зависит от продолжительности светлого времени

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/3

Информационные технологии и безопасность

суток, а она соответствует географической широте местности и времени года. Поэтому потеря теплоты на турбогенератор будет зависеть от конкретного места работы паровоза и времени года.

Потерю на тормозной насос, как и последующие служебные потери, оцениваем по формулам, предложенным академиком С. П. Сыромятниковым [1]:

Ьн • Пн  4

t • Bh  к

100,

где Ьн - расход пара за один рабочий ход поршня тормозного насоса, кг;

Пн - число ходов поршня за расчетное время;

/к - теплосодержание котлового пара;

t - расчетное время работы паровоза, ч;

Bh - часовой расход топлива, кг;

к - коэффициент теплопередачи.

Дополнительные потери появляются при наличии устройств, установленных для повышения общей экономичности паровоза, или устройств, улучшающих условия труда локомотивной бригады.

Одна из самых крупных дополнительных потерь при отоплении углем - потеря на работу стокера (углеподатчика), которая складывается из потери на работу стокерной паровой машины и потери на разбрасывание (разбрызгивание, распыление) угля в топке.

Общая потеря теплоты на работу стокера

b • i

qCT =100,

Bh • к

где Ьст - расход пара на стокер, кг.

Эта потеря зависит от рационального режима отопления и грамотного обслуживания паровоза, исключающего унос несгоревших частиц топлива, провал недогоревшего угля в зольник и др.

При нефтяном (мазутном) отоплении возникают две дополнительные потери, связанные с подогревом и распылением нефти (мазута). Расход пара на распыление нефти (мазута) зависит от форсировки котла, правильно подобранной форсунки и режима отопления, а также грамотного отопления, исключающего химический недожог топлива. Расход пара на подогрев нефти (мазута) будет слегка варьироваться в зависимости от температуры наружного воздуха и марки топлива.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/3

Информационные технологии и безопасность

193

Потеря теплоты на распыление форсункой нефти и подогрев ее за 1 час

%

?пн

Vll. 100;

Bh. k

b . i

. 100,

B  k

где Ьф и Ьпн - расходы пара на распыление нефти и ее подогрев, кг.

Оставшиеся дополнительные потери, связанные с возможным подогревом будки машиниста, подачей свистка или использованием подобных дополнительных устройств, в литературе не описаны. Также нет данных по расходу воздуха на приводы дополнительных устройств (воздушный реверс, тифон и др.), увеличивающие потерю пара на тормозной насос.

Среди паровозов имелись опытные образцы или серии с нестандартными устройствами для повышения эффективности паровоза. Потери, связанные с использованием таких устройств, можно отнести к нестандартным служебным потерям. Среди них надо отметить потерю на насос водоподогревателя, составляющую около 0,5-1,5 % от общего располагаемого количества теплоты при полном сгорании топлива.

3 Дискретные потери теплоты

Анализируя служебные потери, можно выделить из них две группы: непрерывные и дискретные. К дискретным отнесем те, которые на определенное время могут равняться нулю. Рассмотрим четыре из них. Это потеря на тормозной насос, которая прерывиста из-за наличия регулятора хода, автоматически перекрывающего доступ пара к тормозному паровоздушному насосу, обеспечивающему сжатым воздухом работу автотормозов. При достаточном давлении воздуха в тормозной системе тормозной насос не работает и эта потеря равна нулю.

Следующая дискретная потеря имеет место при нефтяном отоплении, это потеря на подогрев нефти (мазута) до 40-60оС [4]. К сожалению, пар на подогрев подается в основном без перерывов, поэтому имеется некоторый его перерасход, связанный с отсутствием непрерывного контроля за температурой подогреваемой в топливном баке нефти (мазута) и теплообменом этого бака с окружающей средой. Эту потерю следует уменьшать путем постановки терморегулятора, перекрывающего подачу пара в трубчатые паровые подогреватели (змеевики), установленные внутри нефтяного бака, а также устроив тепловую изоляцию этого бака.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/3

Информационные технологии и безопасность

Подача звукового сигнала также является дискретной потерей теплоты, но она прерывается по требованию, а не по изменению какого-либо физического параметра и может быть уменьшена только за счет сокращения расхода пара на свисток, то есть постановкой свистка меньших размеров или дросселированием поступающего в него пара, а также дополнительной постановкой воздушного свистка (некоторые маневровые паровозы в 70-х годах ХХ века) или тифона (например паровоз П36), уменьшающих расход пара, но дающих более слабый звуковой сигнал.

Наиболее крупной служебной дискретной потерей является потеря на работу сифона (до 5 % от располагаемого количества теплоты, выделяемой при полном сгорании топлива):

= ААА. 100,

Чс t. в. к

где Ьс - расход пара на работу сифона за 1 час; ^ - время действия сифона.

При работе основных паровых машин тяга в газовом тракте котла осуществляется за счет использования уходящего отработанного пара, при этом надобность в сифоне отпадает и его закрывают вручную. Периодичность работы паровых машин предполагает периодичность открытия и закрытия сифона, чего на практике не происходит из-за наличия человеческого фактора. Отсутствие быстродействия при закрытии, а также долговременное или непрерывное открытие сифона приводит к увеличению tc и появлению необоснованного и достаточно значительного перерасхода пара. Для уменьшения этой потери предлагается установить автосифон, отключающий подачу пара в сифонное кольцо при работающей паровой машине [5].

Заключение

Надо отметить, что до настоящего времени уменьшение служебных дискретных потерь не рассматривалось ни в литературе, ни на практике. Внедрение указанных устройств позволит сократить суммарную служебную потерю и тем самым повысить общий к.п.д. паровоза.

Библиографический список

1. Паровоз / С. П. Сыромятников. - М. : Трансжелдориздат, 1934. - 1060 с.

2. Тепловой процесс паровоза / С. П. Сыромятников. - М. : Изд-во Академии наук СССР, 1955. - 603 с.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/3

Информационные технологии и безопасность

195

3. Машиностроение : энциклопедический справочник. Т. 13, разд. 4

«Конструирование машин». - М. : Гос. научно-техн. изд-во машиностр. лит., 1949. -732 с.

4. Паровозы. Устройство, работа, ремонт / Н. К. Прозоров, М. Б. Вигдорчик,

Э. К. Гребенкин. - М. : Транспорт, 1986. - 468 с.

5. Патент на полезную модель 68063 (Россия). Автосифон / А. Б. Буянов, И. Г. Киселев, А. А. Тимофеев, А. С. Краснов. - Опубл. в Б.И., 2007. - № 31.

6. Паровоз, его устройство, содержание и ремонт / Г. П. Васильев. - М. : Трансжелдориздат, 1937. - 816 с.

7. Паровоз. Теория, эксплуатация, экономика, сравнение с тепловозами / Р. Джонсон / пер. с англ.; ред. А. А. Чирков. - М. : Гос. научно-тех. изд-во машиност. лит., 1947. - 502 с.

Общетехнические и социальные проблемы

УДК 535.317.2

Е. К. Галанов, М. К. Филатов

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРЕТУРЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ БЕСКОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ ИНФРАКРАСНОЙ ПИРОМЕТРИИ

Исследовано влияние ряда методических и метрологических факторов на точность измерения температуры поверхностей методами инфракрасной пирометрии. Показано, что при измерении температуры металлических шероховатых поверхностей коэффициент излучательной способности образцов следует считать эффективным, так как он зависит от температуры окружающей среды и апертуры пирометра. Рассмотрено влияние на точность измерений поглощения атмосферой инфракрасного излучения.

бесконтактный метод измерения температуры, инфракрасная пирометрия, коэффициент излучательной способности.

Введение

Инфракрасные пирометрические методы находят широкое применение при измерении температуры поверхностей зданий, сооружений, электротехнических, электромеханических и механических узлов и деталей [1], [2]. Эти бесконтактные методы эффективны при контроле температур от минус 30° до +600 °С. Они могут быть применены

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/3