Применение модулей Пельтье для прогрева энергетической установки маневрового тепловоза

(Современные технологии - транспорту

правило, его носители. Но не все носители были хорошими методистами. Преподавание английского языка не имело традиций в русском обществе, поэтому шло довольно туго.

Английский язык не был популярен в то время. Тем интереснее сравнить этот факт с нашей сегодняшней жизнью. Известно, что наиболее распространенным языком в дореволюционное время был французский. В наши дни английский язык является международным, он признан как язык технологий, бизнеса, экономического и финансового развития. Английский язык - это язык века информации, в котором мы живем.

Библиографический список

1. Практическая грамматика английского языка с хрестоматиею и словарем / П. М. Нурок. - СПб. : Типография Тренке и Фюсно, 1894. - 190 с.

2. История Института инженеров путей сообщения Императора Александра I за первое столетие его существования. 1810-1910 / А. М. Ларионов. - СПб. : Типография Ю. Н. Эрлихъ (вклд. А. Э. Коллинз), 1910. - 409 с.

3. Ленинградский ордена Ленина институт инженеров железнодорожного транспорта : краткий очерк / М. И. Воронин, С. М. Гришуков, П. М. Янкин. - Л. : ЛИИЖТ, 1959. - 142 с.

4. Ленинградский ордена Ленина институт инженеров железнодорожного транспорта / ред. К. А. Ермаков. - Л. : Лениздат, 1968. - 294 с.

5. Ленинградский ордена Ленина институт инженеров железнодорожного транспорта имени академика В. Н. Образцова / сост. С. В. Амелин, К. А. Ермаков. - Л. : Изд-во Ленинградского государственного университета, 1976. - 72 с.

6. Формирование гуманитарных традиций в высшей технической школе России / В. Н. Тарасова. - М. : МИИТ, 1999. - 340 с.

Современные технологии - транспорту

УДК 629.421.4: 629.4.004.67

И. К. Андрончев, М. А. Саламатин

ПРИМЕНЕНИЕ МОДУЛЕЙ ПЕЛЬТЬЕ ДЛЯ ПРОГРЕВА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ МАНЕВРОВОГО ТЕПЛОВОЗА

Предложен новый способ прогрева тепловозного дизеля в зимнее время и его охлаждение в летний период на основе термоэлектрических модулей Пельтье. Представлены структурная схема и физическая сущность термоэлектрического

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

1 43

модуля. Приведена математическая модель оценки тепловой мощности, сообщаемой водяной системе, разработана методика идентификации тепловых параметров водяной системы.

термоэлектрический модуль Пельтье, тепловая защита, энергетическая установка, тепловоз, тепловая мощность, идентификация тепловых параметров.

Введение

Осуществляя основные объемы перевозок в государстве, железнодорожный транспорт является одним из крупнейших и стабильных потребителей энергоресурсов. Потребление топливно-энергетисческих ресурсов по сети дорог ОАО РЖД в 2007 году составило около 25,2 миллиона тонн в условном исчислении стоимостью 110,3 миллиарда рублей, что на 10,5 миллиардов рублей (10,5%) больше, чем в 2006 году. При этом на тягу поездов израсходовано 17,8 млн. тонн в условном исчислении, что составляет 70,9% от общего потребления всех видов топливно-энергетических ресурсов. Горячий простой тепловозов во всех видах движения по сети дорог составил 17 069 385 часов в 2007 году и 16 168 747 часов в 2006 году. При этом потребление дизельного топлива на горячий простой во всех видах движения составило 530 тыс. тонн в 2007 году и 529 тыс. тонн в 2006 году [1], [2].

Снижению издержек по данному вопросу посвящен третий раздел в «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 17 июня 2008 г. № 877р [3].

Основными показателями качества любого изделия являются ресурс, надежность и безопасность работы. Обеспечение перечисленных показателей - одна из важнейших задач, решаемых на этапах конструирования, разработки технологических процессов и эксплуатации изделия. Наиболее эффективным путем решения поставленных задач является создание математической модели, позволяющей рассчитать тепловую мощность, сообщаемую водяной системе, и разработка методики идентификации тепловых параметров водяной системы.

1 Структурная схема и физическая сущность термоэлектрического модуля Пельтье

В основу нагрева/охлаждения водяной системы тепловоза положен термоэлектрический эффект Пельтье. Эффект Пельтье - процесс выделения или поглощения тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. В элементе Пельтье количество связанных друг с другом переходов достигает высоких значений, но главное - все нагревающиеся переходы расположены в одной

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

(Современные технологии - транспорту

плоскости, а все охлаждающиеся - в другой. Контакты, соединяющие полупроводники, фиксируются пластинами. Таким образом, одна пластина нагревается, а другая, наоборот, охлаждается. Структурная схема термоэлектрического модуля Пельтье показана на рис. 1.

Холодная сторона

*

Рис. 1. Структурная схема термоэлектрического модуля Пельтье

Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени прохождения тока, то есть количество выделяемого тепла пропорционально количеству прошедшего через контакт заряда:

dQu = р nldt-----dQ2i-

Эффект Пельтье, как и все термоэлектрические явления, выражен в цепях, составленных из электронных (n-тип) и дырочных (р-тип) полупроводников. Когда ток в контакте идет от дырочного полупроводника к электронному (р —>п), электроны и дырки движутся навстречу друг другу и, встретившись, рекомбинируют. В результате рекомбинации освобождается энергия, которая выделяется в виде тепла. Эта ситуация представлена на рис. 2, где изображены энергетические зоны (sc - зона проводимости, sv - валентная зона) для примесных полупроводников с дырочной и электронной проводимостью.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

1 45

Рис. 2. Выделение тепла Пельтье на контакте полупроводников р- и И-типов

На рисунке 3 показано, как происходит поглощение тепла Пельтье в случае, когда ток идет от электронного к дырочному полупроводнику

(п -+р).

Рис. 3. Поглощение тепла Пельтье на контакте полупроводников р- и Н-типов Здесь электроны в электронном и дырки в дырочном полупроводниках движутся в противоположные стороны, уходя от границы раздела. Убыль носителей тока в пограничной области восполняется за счет попарного рождения электронов и дырок. На образование таких пар требуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Образующиеся электроны и дырки увлекаются в противоположные стороны электрическим полем. Поэтому пока через контакт идет ток, непрерывно происходит рождение новых пар. В результате в контакте тепло будет поглощаться.

Главная характеристика термоэлектрического охлаждающего устройства - эффективность охлаждения, которая рассчитывается:

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

Z = a2/

где а - коэффициент термоЭДС; р удельное сопротивление;

X - удельная теплопроводность полупроводника.

Параметр Z - функция температуры и концентрации носителей заряда, причем для каждой заданной температуры существует оптимальное значение концентрации, при которой величина Z максимальна. Максимальное снижение температуры связано с величиной эффективности следующим выражением:

Атшах =

где Т - температура холодного спая термоэлемента.

Чем больше значение Z для отдельных ветвей, тем больше и значение

КПД всего

Z = + а2 2 j yfp^Xi + ^p2Z2 , определяющее

термоэлемента [4].

Термоэлектрические модули Пельтье обладают следующими характеристиками:

гарантийное время наработки на отказ не менее 200 000 часов;

высокие механические нагрузки - пиковые ускорения до 1500 g;

ток 3-10 А;

напряжение 12, 24 и 48 В;

мощность 40-100 Вт;

габаритные размеры модуля могут составлять от 3,4 х 3,4 мм до 62,0 х 62,0 мм.

В стандартном термоэлектрическом модуле термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах -от единиц до сотен пар, что позволяет создавать модули практически любой мощности.

2 Расчет тепловой мощности, сообщаемой водяной системе, и разработка методики идентификации тепловых параметров

Термоэлектрические модули Пельтье устанавливаем в тепловозе для нагрева/охлаждения водяной системы тепловоза. Для этого произведем расчет тепловой мощности, сообщаемой водяной системе.

При расчете тепловой мощности, сообщаемой водяной системе, задаемся следующими значениями: теплота сгорания топлива

Н = 42700 кДж/кг, часовой расход топлива тепловоза ЧМЭ3 g = 10,2 кг/ч,

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

1 47

тепловая мощность, т. е. тепловая энергия, выделяемая в цилиндрах дизеля за 1 с,

Рт=

т 3600

42700-10,2

3600

= 120,98 кВт.

Образующаяся энергия определяется тепловой мощностью Рт. Основная часть этой энергии передается водяной системе, а также уносится в атмосферу с выхлопными газами. Механические потери мощности в элементах энергоустановки тепловоза в конечном счете преобразуются в тепло. Поэтому за вычетом тепловой мощности выхлопных газов Рг оставшаяся часть тепловой мощности, определяемая формулой (4), сообщается энергоустановке тепловоза через водяную систему, принимающую не только тепловую энергию сгорающего топлива, но и ту часть механической энергии трущихся поверхностей элементов дизеля, которая преобразуется в тепло, отдаваемое водяной системе. Относительно нарастающей температуры в отсеке установившийся перегрев водяной системы, суммируясь с температурой отсека, повышает температуру воды. Определяем мощность выхлопного газа:

Рт — mlc • Z4 • с • AT — 0,065 • 6 -1,012 -160 = 63,15 кВт,

где m1c - масса газа, выпускаемого из одного цилиндра за 1 с;

Zu - число цилиндров дизеля; с - теплоемкость выхлопного газа, кДж/(кг-К);

АТ - разность температур газа и атмосферного воздуха, К.

Таким образом, в модели дизеля как регулирующего органа обогрева тепловоза можно применять условие, что тепловая мощность, сообщаемая водяной системе, составляет

Рвс =РТ~РГ =120,98-63,15 = 57,38 кВт,

где Рвс - водяная мощность, сообщаемая системе; Рт - тепловая мощность;

Рг - мощность выхлопного газа.

КПД системы

Л =

Р

вс

р

57,83

120,98

0,478.

Выполненный энергетический расчет дизеля раскрывает дополнительный резерв дальнейшего сокращения расхода дизельного топлива на обогрев тепловоза. В атмосферу с выхлопными газами уносится тепло мощностью 63,15 кВт. Частичная утилизация этой мощности

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

([^Временные технологии - транспорту

способна обеспечить дополнительную экономию дизельного топлива, расходуемого на обогрев тепловоза.

Водяная система тепловоза рассматривается как регулируемая система теплового состояния энергоустановки транспортного средства.

Входным воздействием, т. е. регулирующей величиной, здесь является тепловая мощность, передаваемая водяной системе в результате работы дизеля на холостом ходу.

Регулируемая величина представляет собой температуру воды в контролируемых элементах водяной системы.

Динамическую модель подобных объектов принято описывать дифференциальным уравнением первого порядка:

н dT ^ А9

где Тн - постоянная времени нагревания; т - время работы дизеля, ч;

- температура перегрева объекта, ^ =

Р - тепловая мощность, передаваемая объекту;

А - коэффициент теплоизлучения, т. е. количество тепла, излучаемого в окружающую среду в единицу времени при перегреве в 1°С.

Закон изменения перегрева, как решение уравнения (7),

Р

А

где - начальный перегрев объекта.

Аналогичная ситуация характерна и для элементов водяной системы исследуемого тепловоза ЧМЭ3, характеристики которого подчинены практически линейному закону от времени. Поэтому для синтеза системы и

Т

ее моделирования необходимо преобразовать уравнение = £,0е т,к" с учетом изменения температуры в техническом отсеке:

*ок = *с*.н + а •

где /ок.н - начальное значение температуры окружающей среды;

а - коэффициент, зависящий от температуры наружного воздуха и теплоизоляции отсека.

Определим перегрев элемента водяной системы:

5 = ^в-

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

1 49

Тогда уравнение нагревания приобретает следующий вид:

dt„

Т —--Т •a + t —t

Н 7 Н В ОК.Н

dx

Закон нагревания водяной системы

Р

а • т = —.

А

К = ^„-у. -е Г" +у +С.н+а'г-

Закон охлаждения водяной системы будет иметь вид:

К = -е Т' +^+гок.н+ат-

зн -эу

у ОК.Н

Для определения тепловых параметров водяной системы из уравнений (12) и (13) по данным натурных наблюдений была разработана следующая методика идентификации тепловых параметров водяной системы.

Из уравнения (12), найденного путем преобразования трех уравнений, содержащих три неизвестные а, Тн, ^у , получим:

L= 5»-5, <’ '+?

4s2= 5,-У eT-+i

_д_

5„= $2“ 5, ^”+5

Получены формулы, позволяющие определить а, Тн, ^у:

т =— Tl

н А

ln

У^эЗ S32 у

а =

7

$3-$. -5,-§0 5з-§2

г, [2 - ?,-4о - у - у ;

У =

ат

1-е Тн

н

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

Аналогично из формулы (13) при охлаждении находятся То, а:

71 =

In

э2

2

а

$о-Ъ±у1 5." 5. А

После идентификации тепловых параметров решение компоновки теплообменника было произведено экспериментально [5].

3 Методика исследования системы автоматического регулирования теплового состояния тепловоза

Водяная система тепловоза как объект автоматического регулирования подверглась экспериментальному и теоретическому исследованию в целях разработки ее модели. Для этого с помощью термогигрометров серии CENTER-314 выполнены натурные исследования следующих элементов водяной системы: верхнего коллектора охладителя основного контура; нижнего коллектора охладителя вспомогательного контура; расширительного бака; трубопровода подвода воды к турбонагнетателю; трубопровода отвода воды от турбонагнетателя; трубопровода отвода воды от охладителя наддувочного воздуха; раздаточного водяного коллектора дизеля; трубопровода отвода воды от охладителя масла; трубопровода подвода воды к калориферу в кабине машиниста; трубопровода отвода воды от отапливаемой ступеньки за пределами кабины машиниста (в техническом отсеке). Полученные данные послужили основой создания методики исследования водяной системы тепловоза и создания программы идентификации тепловых параметров водяной системы.

Дизель до начала исследования работал в режиме холостого хода в течение одного часа. После остановки дизеля был произведен замер температур на всех элементах водяной системы, затем продублированы еще два замера с интервалом в 20 минут, после этого еще пять замеров с интервалом в 30 минут.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

1 5 1

Рис. 4. Изменение температуры элементов водяной системы тепловоза ЧМЗ3:

1 - верхний коллектор охладителя основного контура; 2 - нижний коллектор охладителя вспомогательного контура; 3 - расширительный бак; 4 - трубопровод подвода воды к турбонагнетателю; 5 - трубопровод отвода воды от топливоподогревателя; 6 - трубопровод отвода воды от охладителя наддувочного воздуха; 7 - раздаточный водяной коллектор на дизеле; 8 - трубопровод отвода воды от охладителя масла; 9 - трубопровод подвода воды к калориферу в кабине машиниста; 10 - трубопровод отвода воды от отапливаемой ступеньки

В процессе натурных исследований в отличие от лабораторных условий температура окружающей среды непрерывно изменяется.

Определен элемент водяной системы, обладающий наибольшей теплоемкостью, - водяной коллектор на дизеле, а также элемент с наименьшей теплоемкостью - трубопровод отвода воды от отапливаемой ступеньки. Но главное - в результате эксперимента выявлено отсутствие экспоненциальной зависимости температурных характеристик от времени. Поэтому оказалось достаточным контролировать температуру в двух элементах водяной системы - с наибольшей и наименьшей теплоемкостью. При этом требуемое тепловое состояние всех других элементов гарантируется.

Водяная система тепловоза рассматривается как регулируемая система теплового состояния энергоустановки транспортного средства [6].

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

4 Практическое применение модулей Пельтье для прогрева энергетической установки маневрового тепловоза

Устройство (рис. 5) содержит дизель 1, дополнительную аккумуляторную батарею 2, водяной насос 3, электроуправляемый контактор 4, термоэлектрический модуль 5, датчик температуры воды 6, блок управления 7, систему охлаждения дизеля 8, расширительный бак 9, водяные секции 10, электромагнитный контактор 11, водотопливный теплообменник 12, масляные секции 13, контур топливной системы охлаждения дизеля 14, контур масляной системы 15, датчик температуры масла 16.

В практическом применении установка работает следующим образом: при стоянке тепловоза дизель 1 глушится и в работу включается дополнительная аккумуляторная батарея 2, от которой получает питание водяной насос 3 через электроуправляемый контактор 4. Одновременно с этим начинают работать термоэлектрические модули 5, которые с помощью датчиков температуры воды 6, датчика температуры масла 16 и блока управления 7 поддерживают заданную температуру. Посредством циркуляции теплоносителя начинают прогреваться водотопливный теплообменник 12, масляные секции 13, контур топливной системы охлаждения дизеля 14, контур масляной системы 15. Циркуляция воды осуществляется по контуру системы охлаждения дизеля 8 через расширительный бак 9 и водяные секции 10.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

1 53

Рис. 5. Устройство для поддержания двигателя внутреннего сгорания в прогретом и безотказном предпусковом состоянии

Электромагнитным контактором 11 термоэлектрического подогревателя 5 и электромагнитным контактором 4 осуществляется управление блоком 7.

При разрядке дополнительной аккумуляторной батареи запускается дизель-генераторная установка от сигнала блока 7, обеспечивая необходимый температурный режим. От блока 7 поступает сигнал зуммера, сообщающий ответственному исполнителю о неполадке.

Заключение

Современная цивилизация остро нуждается в топливноэнергетических ресурсах, причем с каждым годом эта потребность только возрастает. Предлагаемое техническое решение благодаря своей простоте, модульности и компактности имеет значительное преимущество перед имеющимися аналогами. В зависимости от условий работы и типа применяемой системы экономия с помощью предлагаемого простого и доступного метода защиты энергетической установки тепловоза может составить до 70%, что существенно сократит непроизводственные расходы топливно-энергетических ресурсов.

Библиографический список

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

1. Перспективы направления повышения энергетической эффективности ОАО РЖД / В. А. Гапанович // Железнодорожный транспорт. - 2008. - № 3. - С. 3-7.

2. Анализ использования топливно-энергетических ресурсов в ОАО «Российские железные дороги» за 2008 год / Анализ использования ТЭР за 2008 год. - 2009. - 148 с.

3. Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации. Утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 17 июня 2008 г. № 877р.

4. Практическое применение эффекта Пельтье для защиты энергетической установки тепловоза / И. К. Андрончев, М. А. Саламатин // Актуальные проблемы развития транспортного комплекса. - Самара : СамГУПС, 2009. - С. 55-57. - ISBN 9785-98941-088-0.

5. Динамическая характеристика регулируемого объекта обогрева тепловоза от промерзания / И. К. Андрончев, М. А. Саламатин // Безопасность движения поездов : труды VII научно-практич. конф. - М. : МИИТ, 2006. - С. 48-49. - ISBN 5-7876-0112-2.

6. Способ и устройство для автономного электропрогрева тепловоза ЧМЭ3 / И. К. Андрончев, М. А. Саламатин // Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта. - Самара : СамГАПС, 2006. - С. 61-63. - ISBN 5-98941039-5.

Статья поступила в редакцию 30.03.2009;

представлена к публикации членом редколлегии А. В. Грищенко.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4