СПОСОБ РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ И ГИДРОПНЕВМОСИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ENERGY RECUPERATION AND HUDRAULIC-PNEUMATIC SYSTEM FOR IMPLEMENTATION OF THIS METHOD

Изобретение относится к области машиностроительного гидропривода и может быть использовано в различных гидропневмосистемах грузоподъемных машин, сельскохозяйственных, строительно-дорожных и других мобильных машин, а также в станкостроении, нефтяной (буровых установок) и горнодобывающей промышленности.
Известен способ рекуперации энергии, заключающийся в том, что тепло рабочей жидкости гидросистемы отводят в тепловой двигатель, где преобразовывают в цикле работы теплового двигателя в механическую энергию и через сумматор механической энергии подают к исполнительному механизму (SU 653463 А, (МАДИ), 25.03.1979).
Недостатком является то, что известная гидропередача имеет ограниченную область применения.
Общеизвестно, что при к.п.д. механизмов, равном 1, энергия для подъема груза на высоту Н (где Н высота подъема груза) равна энергии, получаемой от груза при опускании с высоты Н. То есть при наличии аккумулирующих устройств в приводе грузоподъемной лебедки на процессы подъема в реальной машине с аккумулированием энергии при опускании требуется только компенсация механических потерь в приводе грузоподъемного механизма.
В современных грузоподъемных механизмах механический к.п.д. составляет 0,65…0,8 (набольший к.п.д. относится к грузоподъемным механизмам на базе симметричного гидроцилиндра, работающего в составе гидросистемы с закрытым кругом циркуляции рабочей жидкости).
Например, US 4819429 A, KORDAK, 11.04.1989.
Таким образом, рекуперационная система привода будет требовать установочную мощность в 3…5 раз меньше мощности существующих приводов грузоподъемных машин. Особенно это существенно для скоростных грузоподъемных устройств большой грузоподъемности, к которым можно отнести в первую очередь грузовые лебедки буровых установок. В процессе бурения требуются частые и скоростные процессы подъема и опускания буровой колонны. В процессе бурения требуется наращивать или уменьшать длины буровой колонны и, следовательно, производить цикличные подъемно-спусковые операции на 8…18 м (на длину ведущей трубы - квадрата или свечи). Как видно, при общей длине буровой колонны сотни метров время на подъем или опускание на одно звено (трубу 8…9 метров или свечу 16…18 м) должно быть минимально, а следовательно, скорость спуско-подъемных операций и очевидно мощность грузоподъемного механизма в данном случае значительна.
Очевидно, рекуперационная система цикличного привода (цикл: спуск - подъем) должна включать в свой состав аккумулятор соответствующей энергоемкости. Например, US 4489812 A, FERRIS, 25.12.1984. В данном случае период цикла работы составляет в среднем несколько минут, а энергоемкость аккумулятора должна соответствовать работе при подъеме-опускании, например, колонны весом 100 тонн на 10 метров. Следовательно, потребная работа, или накопленная энергия, равна:
6
A=G·H=100000H·10 м=10·10Нм=2,78 кВт·час,
где А - потребная работа, или накопленная энергия (кВт·час);
G - вес колонны (Нм);
Н - высота подъема-опускания (м).
Анализ существующих аккумуляторов (электрических, маховичных, грузовых, пневмогидравлических и т.д.) показал, что в данном случае они должны иметь недопустимо большие размеры, а их стоимость и затраты на техническое обслуживание недопустимо велики. Наиболее приемлемы в данном случае тепловые аккумуляторы. И наиболее простой из них - теплоизолированная емкость с водой.
Таким образом, система рекуперации должна переводить энергию положения при опускании груза в тепловую, а затем тепловую энергию преобразовывать в механическую для привода грузоподъемных устройств.
Это является технической задачей изобретения.
Указанная задача решается и технический результат достигается за счет того, что способ рекуперации энергии заключается в том, что дроссельной гидросистемой на гидравлическом сопротивлении переводят энергию положения груза при его опускании в тепло рабочей жидкости гидросистемы и аккумулируют полученное тепло в тепловом аккумуляторе, а затем снимают его теплообменником теплового двигателя и преобразовывают в цикле работы теплового двигателя в механическую энергию для привода грузоподъемных устройств.
При этом гидропневмосистема для осуществления способа содержит дроссельную гидросистему, образующую контур циркуляции с теплообменником, и тепловой двигатель, образующий со своим теплообменником замкнутый контур циркуляции, при этом теплообменники гидросистемы и теплового двигателя установлены в тепловом аккумуляторе.
При этом наилучший результат достигается, если дроссельная гидросистема выполнена в виде насосной установки, подключенной своим входом к баку, а выходом ко входу гидрораспределителя, два выхода которого сообщены гидролиниями с баком, причем один из них через подпорный клапан, при этом первый рабочий отвод гидрораспределителя соединен гидролинией с входом обратимой гидромашины, второй - с ее выходом, третий - с первым входом теплообменника через дополнительный теплообменник, а четвертый - с полостью управления предохранительного клапана непрямого действия, вход которого подключен к выходу обратимой гидромашины, а выход - ко второму входу теплообменника гидросистемы.
При этом наилучший результат достигается, если тепловой двигатель выполнен в виде установленных на одном валу компрессора, пневмомотора, топливного насоса и электростартера, при этом выход компрессора и вход топливного насоса подключены к разным входам одной полости калорифера фреона, а к разным входам другой полости калорифера фреона подключен вход компрессора и через дроссель - выход пневмомотора, вход которого и выход топливного насоса подключены к разным входам теплообменника теплового двигателя, причем параллельно топливному насосу установлен дроссель регулировки теплового двигателя.
При этом наилучший результат достигается также, если тепловой аккумулятор выполнен в виде теплоизолированной емкости.
Первая часть задачи решается дроссельной гидросистемой, переводя энергию положения при опускании в тепло рабочей жидкости гидросистемы на гидравлическом сопротивлении. (Наибольшая допустимая рабочая температура, например, жидкости ВМГ3-70°С.) Минимальная рабочая температура в емкости с водой определяется способностью теплового двигателя усваивать тепловую энергию при заданной температуре. При использовании в качестве рабочего тела теплового двигателя фреона R13 минимальная рабочая температура может быть принята равной 30°С (критическая температура фреона 13 составляет 29°С). Следовательно, рабочий температурный диапазон воды в емкости для нормального функционирования теплового двигателя равен:
max
min
Δt=Т-Т=70-30=40°С,
где Δt- рабочий перепад температур °С;
max
T - наибольшая допустимая рабочая температура °С;
min
T - минимальная рабочая температура °С.
Определим требуемую емкость водяного бака на основании теплового баланса:
B
Θ=c·m·Δt,
где Θ - количество тепловой энергии, Θ=10034,4 кДж;
B
B
c - теплоемкость воды, c=4,181 кДж/кг·град;
m - масса воды, кг;
Δt - рабочий перепад температур, Δt=40°С.
Следовательно, необходимая масса воды:
B
m=Θ/(c·Δt)=10034,4/(4,181·40)=60,0 кг.
мя
Таким образом, тепловой аккумулятор представляет собой теплоизолированную (строительной пеной) емкость на 60 л с водой и 2 теплообменниками - трубчатыми змеевиками для охлаждения масла гидросистемы и нагрева рабочего тела - фреона теплового двигателя. Из конструктивных соображений в качестве теплового аккумулятора примем емкость 100 л.
Следующим компонентом рекуперативной системы является тепловой двигатель, работающий на запасенной тепловой энергии в емкости с водой. В качестве теплового двигателя возьмем модернизированный автомобильный дизельный двигатель ЯМ3-236 со следующей заводской технической характеристикой:
1. Число цилиндров 6;
2. Расположение цилиндров V-образное с углом 90°;
3. Диаметр цилиндра 130 мм;
4. Ход поршня 140 мм;
3
5. Рабочий объем цилиндра 11,5 л (дм);
6. Степень сжатия 16,5;
7. Номинальная мощность 180 л.с.;
8. Номинальное число оборотов 2100 об/мин;
9. Максимальный крутящий момент 67 кгм.
В качестве рабочего тела данного двигателя, но в закрытом бестопливном цикле используем, например, фреон R13 со следующими термодинамическими характеристиками:
2
1. Температура кипения -81,5°С при давлении 1 кг/см;
2. Критическая температура +29,13°С;
2
3. Критическое давление 39 кг/см;
3
4. Критическая плотность пара 1,75 дм/кг;
3
5. Плотность пара (при t=-20°C) 0,8 дм/кг;
6. Теплоемкость 0,58 кДж/кг·град.
Модификация двигателя минимальна и связана с переводом работы двигателя на бестопливный режим работы:
1. На поршнях делаются проточки под уплотнительные кольца фирмы «Симрит».
2. Заменяется распределительный вал. Причем делаются кулачки на распределительном валу с таким расчетом, чтобы один ряд поршней работал в режиме пневмомотора, другой ряд - в качестве компрессора.
На чертеже показана принципиальная схема гидропневмосистемы для осуществления способа на примере грузоподъемной машины.
Рекуперативная система гидропневмопривода на примере грузоподъемной машины содержит:
1 - компрессор;
2 - пневмомотор;
3 - насос (топливный);
4 - насос гидросистемы гидропривода установки;
5 - калорифер фреона (жидкая фракция);
6 - дроссель (эжектор);
7 - теплообменники теплового двигателя;
8 - теплообменник гидросистемы привода;
9 - тепловой аккумулятор - емкость 100 л (водяной термостат);
10 - теплообменник дополнительный (масло-воздух);
11 - предохраниетльный клапан непрямого действия с дистанционным клапаном 15 управления (на пульте управления);
12 - грузовая лебедка;
13 - гидрораспределитель - переключатель режимов работы;
14 - насосная установка;
15 - дистанционный клапан управления клапаном 11;
16 - насос - мотор (обратимая гидромашина);
17 - подпорный клапан;
18 - дроссель регулировки теплового двигателя.
19 - электростартер;
20 - ДВС-ЯМ3-236.
Способ рекуперации энергии и гидропневмосистема для его осуществления реализуются следующим образом.
Рекуперативная система гидропневмопривода на примере грузоподъемной машины работает следующим образом.
Дроссельная гидросистема гидропривода грузовой лебедки 12 выполнена на базе использования обратимой гидромашины 16 (радиально-поршневой высокомоментный гидромотор), которая в зависимости от позиции гидрораспределителя 13 - переключателя режимов работы работает в режиме гидромотора - режим подъема груза (позиция гидрораспределителя «а»).
Позиция «б» гидрораспределителя - переключателя соответствует режиму «принудительного» опускания - реверсу гидромотора.
Позиция «в» гидрораспределителя - переключателя соответствует режиму опускания груза с заданной скоростью и рекуперацией энергии - потенциальной энергии положения груза при опускании. В этом случае клапаном 15 можно настроить необходимое давление открытия клапана 11. Гидромашина 16 работает в режиме насоса и на клапане 11 рассеивает в тепло энергию опускаемого груза. Затем рабочая жидкость (масло), пройдя теплообменник 8, отдавая тепло воде теплового аккумулятора 9, направляется в дополнительный теплообменник 10 и затем поступает на вход снова гидромашины 16. То есть насос 16 работает по замкнутому контуру циркуляции жидкости на предохранительный клапан 11. Охлаждение рабочей среды осуществляется змеевиком 8 и при недостаточном охлаждении в нем - дополнительным теплообменником 10. Насосная установка 14 компенсирует утечки в замкнутом контуре гидромашины 16. А подпорный клапан 17 обеспечивает безкавитационную работу радиально-поршневой гидромашины в насосном режиме.
Данная схема работы гидромашины 16 на клапан 11 позволяет не только регулировку скорости опускания груза с помощью настройки клапана 15 на пульте управления, но и позволяет обеспечить требуемое усилие (давление) режущего инструмента колонны на грунт (данная часть гидросхемы на чертеже не показана).
Как видно, гидросхема переводит энергию положения груза в тепло воды теплового аккумулятора. Это тепло снимается теплообменником 7 в цикле работы теплового двигателя.
Рассмотрим работу теплового двигателя. При пуске электростартером 19 происходит прокрутка пневмомотора 2, компрессора 1 и топливного насоса 3. За счет дросселя 6 и последующего расширения фреона температура фреона R13 понижается до -10…-20°С и сжатый в компрессоре 1 парообразный фреон до давления 1 МПа сжижается в калорифере фреона 5. Топливный насос 3 подает фреон в теплообменник 7, где он нагревается выше критической температуры, и создается критическое давление 3,9 МПа и газообразный фреон под давлением 3,9 МПа направляется в пневмодвигатель 2, создавая требуемый момент на валу теплового двигателя. Скорость вращения такого (парового) двигателя определяется величиной момента сопротивления и степенью открытия дросселя 18 байпасной системы регулирования. При пуске двигателя и на полной его мощности дроссель 18 должен закрываться, а при остановке теплового двигателя - полностью открываться.
Как видно, в тепловом двигателе срабатывает перепад (разница) давления фреона при температуре более 29°С (критическое давление 3,9 МПа) и давлении холодного фреона 1 МПа (при -10°С), при конденсации с помощью компрессора 1. Следовательно, располагаемое эффективное давление теплового двигателя составляет:
2
Δp=3.9-1=2,9 МПа ≈ 29 кг/см,
где Δp - эффективное давление теплового двигателя.
Это гораздо больше (почти в 2 раза) эффективного давления любого двигателя внутреннего сгорания, и в частности двигателя ЯМ3-236. А цикл работы пневмодвигателя в два раза более эффективен четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
Таким образом, несмотря на то, что только половина цилиндров ДВС ЯМ3-236 работает как пневмодвигатель, и несмотря на то, что есть затраты компрессора на сжатие фреона, выходная мощность фреонового теплового двигателя будет почти вдвое больше мощности исходного двигателя ЯМ3-236.
Мощность фреонового теплового двигателя может быть использована как для непосредственного привода каких-либо рабочих органов, так и для привода гидронасоса привода лебедки. То есть в этом случае реализуется замкнутая рекуперационная система, использующая энергию положения груза, а следовательно, можно иметь значительно меньшую установочную мощность установки в целом.