Международная научно-практическая конференция

Перспективы применения каталитических технологий в транспортной отрасли не ограничиваются разработкой различных видов обогревательных устройств. Развитие технологий катализа может способствовать повышению эффективности и безопасности эксплуатации транспортных средств путем создания новых способов нейтрализации вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания, а также посредством каталитической обработки рабочей смеси, поступающей в двигатель, с целью улучшения ее качественного состава.

Результаты исследований

Рассмотрены вопросы использования каталитических окисления в целях предпускового подогрева двигателей внутреннего сгорания различных транспортных средств, в частности, тепловозных двигателей. Определены методики расчета мощности каталитических нагревательных элементов и возможные конструктивные решения для практического применения каталитического подогрева на железнодорожном транспорте. Сконструирован и создан макетный образец универсального подогревателя на каталитических элементах. Проведены эксперименты для оценки эффективности нагрева воды нагревательными элементами.

Полученные результаты расчетов и экспериментов говорят о перспективности данного способа тепловой подготовки подвижного состава различных видов транспорта, в том числе и железнодорожного.

Библиографический список

1.Кузнецов Е.С. Техническая эксплуатация автомобилей. М.: Наука, 2004. 535 с.

2.Лукьянов Б.Н. и др. Экологически чистое окисление углеводородных газов каталитических нагревательных элементах // Химия в интересах устойчивого развития. 2001. № 9. С. 667–677.

3.Уонг Х. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. М.: Атомиздат, 1979. 212 с.

70

Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе. Часть 2

И.Н. Жигулин

Ростовский государственный университет путей сообщения, Ростов на Дону

Рациональная эксплуатация и комплектация теплоэнергетической станции предприятия транспорта

Перспективное развитие железнодорожного транспорта требует строительства новых и модернизацию существующих предприятий транспорта, на которых применяют мобильные теплоэнергетические системы.

Мобильными теплоэнергетическими системами завода можно считать станции, которые состоят из нескольких основных -ма шин, работающих на переменных режимах(например, компрессорные). Нагрузка компрессорных станций диктуется потреблением энергетического продукта (сжатого воздуха) основным технологическим производством. Режим работы большинства оборудования в цехе не постоянен и нагрузка на теплоэнергетические системы имеет переменный характер. Выбор нового оборудования станции, без учета ее режима работы и нагрузочных характеристик, составляющих систему машин, может не привести к ожидаемому экономическому эффекту.

Наиболее рациональный вариант комплектации основными машинами системы может быть выбран, для переменного режима работы исследуемого производства.

На рис. 1 представлена зависимость полезной мощности (или производительности) системы объектов от времени ее суточной работы. Для того чтобы график можно было бы подвергнуть математической обработке его нагрузку рационально перестроить по возрастающему ранжиру, а мощность и время выразить в относительных величинах. Такой график принято называть – «расчетный квадрат» (рис. 2). Ступенчатый график переменной нагрузки системы заменяется аппроксимирующей линией, которую можно выразить аналитически [1].

71

Международная научно-практическая конференция

	120
),%	100
(производительность	80
	60
	40
Мощность
	20
	0
	1	2	3	4

5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
		Время работы, час

Рис. 1. Зависимость мощности (производительности) системы объектов от времени ее суточной работы

Исследованы возможные варианты типовых моделей графиков нагрузки, преобразованных в «расчетный квадрат». Графики нагрузки в «расчетном квадрате» подразделяются на три типа моделей: «А», «Б» и «В» (рис. 2).

Рис. 2. Типовые модели нагрузки теплоэнергетических систем: а — модель типа «А»; б – модель типа «Б»; в – модель типа «В»

Модель нагрузки типа «А» (рис. 2, а) подходит для систем, график суточной работы которых предусматривает запуск в первую смену и последующую работу без длительной по времени и постоянной по величине мощности. Для описания линии нагрузки используют функцию вида Nп = tn, где Nп – мощность положительная; t – время работы; n – показатель степени (может быть n = 1; n < 1; n > 1).

72

Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе. Часть 2

Модель типа «Б» (рис. 2, б) включает минимальную нагрузку Nп = а, линию частичных нагрузок вида Nп = а + вtn в пределах времени t = 0…к, линию максимальной нагрузки Nп = 1 в пределах времени t = к…1.

Модель типа «В» (рис. 2, в) включает длительную минимальную нагрузку Nп = а в пределах времениt = 0…с, линию частичных нагрузок системы вида Nп = а + вtn в пределах времени t = = с…к и линию максимальной длительной нагрузки Nп = 1 в пределах времени t = к…1.

При оптимизации работы системы с увеличением количества объектов их потери стремятся к минимальной величине для модели нагрузки типа «А». Для моделей нагрузок типа«Б» и «Г» эта тенденция справедлива на участке переменной нагрузки. Чем больше объектов работает на переменной нагрузке, тем выше общий КПД системы.

Для модели «Б» чем выше величина минимальной нагрузки «а», тем выше КПД системы. При увеличении периода частичных нагрузок КПД системы снижается. При увеличении числа объектов КПД системы стремится к максимально величине КПД одной машины, но его прирост монотонно убывает.

При увеличении продолжительности минимальной нагрузки (коэффициента с на графике «расчетного квадрата») для нагрузки модели «В», КПД системы снижается.

Для обработки графиков нагрузки в«расчетном квадрате» разработаны математические модели трех типов. Модели настраиваются по данным суточной работы системы, с учетом количества, мощности и КПД рабочих машин в системе. При настройке математической модели выполнения суточной нагрузки системой -ис пользуется зависимость КПД машины от ее нагрузки, также преобразованная в относительных координатах «расчетного квадрата».

Общий КПД компрессорной установки представляют следующим образом hку = hполi hмех hвсп hпер hдв, здесь hполi – политропный индикаторный КПД [2]; hмех – КПД механический, характеризует потери от трения; hвсп – коэффициент расхода мощности на привод вспомогательного оборудования; hпер – КПД передачи мощности от двигателя к приводному валу компрессора; hдв – КПД двигателя.

73

Международная научно-практическая конференция

Для привода компрессоров используются асинхронные двигатели, реже синхронные. При разработке электрического привода для мобильных теплоэнергетических машин учитывают, что машины длительно работают на частичных нагрузках и смещают величину максимального КПД в сторону от номинальной нагрузки [3, 4, 5]. На рис. 3 представлены зависимости КПД электрического привода с максимумом при полной нагрузке (max 100) и со смещенным максимумом (max 60) от мощности.

	1
привода	0,8
	0,6
	0,4
КПД
	0,2
	0
	0	20	40	60	80	100	120	140
			Мощность привода, %:

КПД max 100;		КПД max 60

Рис. 3. Варианты зависимостей КПД электрических двигателей от мощности

Модель нагрузки типа «А» наиболее универсальна, ее можно использовать (в первом приближении) вместо других моделей, чтобы выявить отклик работы системы на переменных режимах. Для сравнительного расчета эффективности работы принята переменная нагрузка типа «А» и два варианта комплектации системы основными установками. Полезная работа системы постоянная для всех вариантов расчета. Мощности основных установок равны между собой, а в сумме равны максимальной мощности системы. Вариант 1: установка с максимумом КПД hмакс = 0,5 при мощности 100 %. Зависимость КПД от мощности степенная, показатель степени 0,5. Вариант 2: установка с максимумом КПД hмакс = 0,5 при мощности 70 %, а при мощности 100 % номинальный КПД hномин = 0,45. Зависимость КПД от мощности описывается полиномом.

74

Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе. Часть 2

Общий КПД теплоэнергетической установки(компрессора) равен отношению hобщ = Nп/Nз, где Nз – мощность затраченная.

Затраченная работа в «расчетном квадрате» связана с полезной

1 Nп(t)

мощностью выражением Lз =	ò		dt	.
	0 h(Nп )

Результат математической обработки графика нагрузки для каждого варианта комплектации системы– суммарная разность затраченной и полезной работы для всех установленных машин станции (рис. 4). Как видно при увеличении количества объектов в системе уменьшается потеря работы для обоих вариантов, но для варианта 1 это изменение происходит интенсивнее.

	0,85
	0,8
работы	0,75
	0,7
Потеря
	0,65
	0,6
	0,55
	1	2	3	4	5	6
		Количество объектов в системе:

объекты без смещения максимума КПД;

объекты со смещенным максимумом КПД

Рис. 4. Зависимость величины потери работы системы от количества основных объектов

Чтобы оценить относительные величины потери работы, необходимо перейти в размерный масштаб«расчетного квадрата». Например, комплектация воздушной компрессорной4 машины, мощность станции 1 500 кВт, суточная работа 2 смены, 270 раб. дней в году. Тогда перерасход энергии при комплектации станции машинами с КПД варианта1 по сравнению с вариантом 2, составит 220,3 МВт×ч/год, или при стоимости энергии

3,5 р./кВт×ч - 771 тыс. р./год.

Очевидно, что установки варианта 2 более эффективны на переменных пиковых нагрузках системы, а установки варианта1

75

Международная научно-практическая конференция

лучше использовать как базовые при продолжительных постоянных нагрузках.

Для дальнейшего сравнительного расчета эффективности работы теплоэнергетической системы с нагрузкой типа«А» принята степень n = 2 (больше переменной нагрузки для каждой машины), Nп исходная и те же два варианта комплектации установками. Вариант 1: КПД объектов без смещения максимума; показатель сте-

пени m = 0,5; hмакс = 0,5. Вариант 2: КПД объектов со смещением максимума; ηномин = 0,45 при N = 1,0; ηмакс = 0,5 при N = 0,7.

По результатам расчетов на рис. 5. представлена зависимость КПД системы от количества в ней объектов, равной мощности, для двух принятых вариантов комплектации системы. Видно, что при комплектации 5–6 объектами КПД обоих вариантов комплектации приблизительно равны.

	48
	46
	44
	42
, %	40
КПД	38
	36
	34
	32
	30
	1	2	3	4	5	6
			Количество объектов в системе

КПД системы объектов с максимумом при номинале нагрузки; КПД системы объектов со смещением максимума

Рис. 5. Зависимость КПД системы от количества в ней объектов, равной мощности. Нагрузка: модель «А»; n = 2; Nп исходная

Можно заключить, что эффективность системы из объектов, у которых смещен максимум КПД, снижается при уменьшении показателя степени нагрузки n. Поэтому анализируя работу возможных к использованию объектов рациональнее составить«смешанную» комплектацию системы с различными нагрузочными характеристиками машин.

Пример «смешанной» комплектации системы из трех объектов. Нагрузка: модель «А»; n = 2; Nп исходная. Объекты равной

76