ТЕПЛОВОЗ СО ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта и касается конструкции тепловоза, работающего от силовой установки дизельного типа.
Известна конструкция маневрового тепловоза (патент RU 2422311 С1, опубликован 27.06.2011 г.) с возможностью работы на дизельном и газодизельном топливе, содержащего дизельный двигатель, кузов с кабиной машиниста, ходовую часть, электронно-управляемую систему подачи газа. Недостатком конструкции является то, что значительная часть энергии, заключенная в химических связях топлива, поступающего в цилиндры дизеля, при сгорании вместе с отработавшими газами переходит в атмосферу, что является следствием низкой эффективности работы тепловозов в целом и большого содержания вредных веществ в отработавших газах дизеля.
Известна конструкция энергосистемы (патент RU 2502880 С2, опубликован 27.12.2013 г.), основанная на органическом цикле Ренкина, содержащая средство для перегревания испаренной органической рабочей текучей среды, модуль органической турбины, соединенный с генератором, первую трубу, через которую перегретая органическая рабочая текучая среда подается к турбине, в которой средство для перегревания является комплектом змеевиков, через которые протекает испаренная органическая рабочая текучая среда, и которые находятся в прямом теплообменном взаимодействии с содержащими отходящее тепло газами, при этом средство перегрева содержит работающий на отходящем тепле парогенератор, имеющий входное отверстие, через которое подаются содержащие отходящее тепло газы, выходное отверстие, из которого выпускаются содержащие отходящее тепло газы с уменьшенным количеством отходящего тепла, камеру, расположенную между входным отверстием и выходным отверстием, через которую протекают содержащие отходящее тепло газы, и подогреватель, бойлер и перегреватель, к которому проходит вторая труба в теплообменном взаимодействии с упомянутыми содержащими отходящее тепло газами, причем подогреватель и перегреватель расположены в камере, бойлер расположен выше по потоку перегревателя, а перегреватель расположен выше по потоку подогревателя. Недостатком данного устройства, является высокая материалоемкость и необходимость применения большого количества сложного оборудования для получения приемлемого КПД установки, в том числе использование в схеме с прямым нагревом дополнительного регенератора и перегревателя. Такой подход делает невозможным использование данной конструкции в тепловозах, вследствие чрезмерных массогабаритных характеристик.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению является известная конструкция тепловоза 2ТЭ116 (см. «Тепловоз 2ТЭ116/С.П. Филонов, А.И. Гибалов, Е.А. Никитин и др. 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Транспорт, 1996. 334 с, с. 6, 7, 12, 14) принятая за прототип, содержащая ходовую часть в виде двух тележек, объединенных рамой тепловоза с кабиной машиниста и кузовом, дизель-генератор с турбокомпрессором, электропередачу, глушитель, холодильную камеру, вентиляторы холодильной камеры, высоковольтную камеру, тормозное оборудование. Недостатком конструкции является невысокий КПД тепловоза, так как отсутствует возможность использования низкопотенциальной энергии, содержащейся в отработавших газах, а также высокое содержание вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу.
Целью заявленной полезной модели является оснащение тепловоза соответствующей энергосистемой.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение КПД тепловоза путем уменьшения нагрузки на дизель-генератор за счет снабжения вспомогательных систем тепловоза дополнительной электрической энергией, полученной путем трансформации низкопотенциальной тепловой энергии потока отработавших газов, и, как следствие дополнительно, повышение экологических характеристик тепловоза.
Указанный технический результат полезной модели обеспечивается тем, что тепловоз со вспомогательным энергетическим комплексом содержит ходовую часть в виде двух тележек, объединенных рамой тепловоза с кабиной машиниста и кузовом, дизель-генератор с турбокомпрессором, электропередачу, генератор вспомогательных машин, холодильную камеру, вентиляторы холодильной камеры, высоковольтную камеру, тормозное оборудование, и, дополнительно, включает вспомогательный энергетический комплекс, соединенный с дизель-генератором тепловоза, основанный на органическом цикле Ренкина, осуществляющий трансформацию низкопотенциальной тепловой энергии потока отработавших газов в электрическую.
Полезная модель - тепловоз со вспомогательным энергетическим комплексом (далее - ВЭК) поясняется чертежами:
на фиг. 1 изображен продольный разрез секции тепловоза с ВЭК;
на фиг. 2 изображена принципиальная тепловая схема тепловоза с ВЭК;
на фиг. 3 изображен выносной вид А (1:25) испарителя с сажеуловителем и питательного насоса из продольного разреза секции тепловоза с ВЭК;
на фиг. 4 изображен выносной вид Б (1:15) подключение и расположение конденсатора в холодильной камере из продольного разреза секции тепловоза с ВЭК;
на фиг. 5 изображено расположение испарителя с сажеуловителем над дизель-генератором с турбокомпрессором, сечение В-В (1-25) продольного разреза секции тепловоза с ВЭК.
Предлагаемая конструкция тепловоза с ВЭК (1), который установлен после турбокомпрессора дизель-генератора (2) представлена на фиг.1 и 2.
ВЭК включает в себя контур (3) замкнутого типа с рабочим телом, с подводом и отводом теплоты в теплообменных аппаратах, который расположен внутри кузова секции тепловоза (1) и работает по принципу органического цикла Ренкина, позволяя трансформировать низкопотенциальную тепловую энергию потока отработавших газов в электрическую, и соединенный с дизель-генератором тепловоза.
ВЭК состоит из следующих элементов: испаритель с сажеуловителем (4), клапаны регулирующие (5) и (6), турбогенератор (7), конденсатор (8), питательный насос (9) и система управления (10). Испаритель с сажеуловителем (4) представляет собой единый блок, который установлен после турбокомпрессора в месте крепления глушителя путем демонтажа глушителя тепловоза, и выполняет одновременно функцию глушителя и теплообменного аппарата. Испаритель с сажеуловителем (4) расположен над дизель-генератором (2) и служит для передачи тепловой энергии потока отработавших газов рабочему телу установки. Для распределения усилий испаритель с сажеуловителем (4) оснащен силовой рамой, которая служит для упрочнения секции. Испаритель с сажеуловителем (4) содержит трубный пучок, состоящий из двух трубных досок и трубок с внешним оребрением. Турбогенератор (7) выполнен в едином герметичном корпусе с турбинной и генераторной частями, оснащен гермовыводом, подвесами для снижения воздействия вибрации и силовой рамой. Конденсатор (8) установлен в холодильной камере тепловоза и охлаждается с наружной стороны вентиляторами холодильной камеры (11) тепловоза (1). Конденсатор (8) состоит из двух блоков, при этом каждый блок состоит из радиатора. Блоки конденсатора (8) вместе с радиаторными секциями (12) и (13) «горячего» и «холодного» контура системы охлаждения дизеля тепловоза соответственно расположены под углом для обеспечения максимального прохождения охлаждающего воздуха через них. Питательный насос (9) расположен в раме секции тепловоза с ВЭК (1) под полом. Элементы трубопроводов контура (3) циркуляции рабочего тела соединяются между собой фланцами. Система управления в составе ВЭК осуществляет регулирование турбогенератора при помощи клапанов регулирующих (5) и (6) и клапана отсечного (14), которые служат для подачи, перепуска и остановки расхода рабочего тела через турбину. При помощи клапана регулирующего (5) производится запуск турбогенератора (7) и его останов, аварийный останов осуществляется перекрытием клапана отсечного (14) и полным открытием клапана регулирующего (6). Контрольно-измерительные элементы системы управления и автоматизации устанавливаются на трубопроводе с помощью штуцеров или отборных устройств.
Тепловоз с ВЭК функционирует следующим образом. Поток горячих отработавших газов дизель-генератора (2), работающего под нагрузкой тепловоза с ВЭК (1), проходит через трубный пучок испарителя с сажеуловителем (4), тем самым передавая содержащуюся в нем низкопотенциальную тепловую энергию рабочему телу, циркулирующему в теплопроводящих трубках испарителя с сажеуловителем (4). Рабочее тело, в свою очередь, нагревается и переходит из жидкого фазового состояния в газообразное, после чего под давлением поступает на лопатки турбины, находящейся на одном валу с генератором турбогенератора (7). Раскручивая турбину рабочее тело далее поступает в теплопроводящие трубки конденсатора (8). Охлажденное рабочее тело транспортируется по трубопроводу из конденсатора (8), и на выходе из конденсатора (8) оно находится в жидком фазовом состоянии, после чего поступает в питательный насос (9), после цикл повторяется.
Выработанная таким образом электроэнергия используется для питания вспомогательных систем тепловоза, а испаритель с сажеуловителем (4), установленный взамен глушителя, в месте его крепления, позволяет отфильтровать частицы сажи потока отработавших газов, попадающих в атмосферу.
Трансформация низкопотенциальной тепловой энергии, отходящего от дизель-генератора потока отработавших газов, в электрическую, передаваемую для вспомогательных систем тепловоза с ВЭК, в предлагаемой конструкции, позволяет увеличить КПД тепловоза с ВЭК путем уменьшения нагрузки на дизель-генератор, и, как следствие, снизить расход топлива дизель-генератором и тепловозом в целом.
Кроме того, дополнительно, улучшаются экологические показатели атмосферы, в связи с уменьшением нагрева окружающего воздуха за счет снижения температуры потока отработавших газов, путем передачи теплоты рабочему телу ВЭК через испаритель с сажеуловителем, который также позволяет накапливать содержащиеся в потоке отработавших газов частицы сажи в емкость, улучшая, таким образом, экологические характеристики тепловоза с ВЭК.
В качестве конкретного примера представлены параметры возможной реализации ВЭК на тепловозе серии 2ТЭ25КМ, при этом данный конкретный пример не ограничивает возможные варианты исполнения тепловозов. В таблице 1 приведены сравнительные расчетные параметры тепловоза серии 2ТЭ25КМ в штатном исполнении и с установленным на нем вспомогательным энергетическим комплексом, а также ориентировочный уровень снижения выбросов сажи.
Таким образом, предложенное решение обеспечивает увеличение КПД тепловоза с ВЭК за счет трансформации низкопотенциальной тепловой энергии отходящего от дизель-генератора потока отработавших газов в электрическую, передаваемую для вспомогательных систем тепловоза за счет уменьшения нагрузки и снижения расхода топлива дизель-генератором и тепловозом в целом, также дополнительно повышая экологические характеристики тепловоза.