Принцип работы бортовой установки и особенности конструкции. Чтобы поддерживать допустимую температуру теплоносителей при неработающем дизеле в системах тепловозов предусматривается бортовая установка, которая работает от промышленной сети переменного тока, напряжением — 380 В [1]. В качестве нагревательных элементов предусмотрены трубчатые электронагреватели (ТЭН) на 220 В.
Бортовая установка состоит из следующих элементов (рисунок 1): электротеплообменник 1, центробежный насос 2, электродвигатель переменного тока 3, всасывающий и нагнетательный трубопроводы 4, 5, температурные реле 6, 7, 8, промежуточный патрубок 9 с дисковой заслонкой 10 и водомасляный теплообменник 11, включенный в маслопрокачивающую систему тепловозного дизеля, 11 — водомасляный теплообменник; 12 — штатный маслопрокачивающий насос; 13 — водяной насос дизеля; 14 — топливоподогреватель; 15 — секции холодильника; 16 — калорифер; 17 — расширительный бак; 18, 19, 20, 21 — вентили; 22 — гофрированный патрубок.
Эффективность прогрева систем дизеля существенно зависит от места включения всасывающего и нагнетательного трубопроводов 4, 5 относительно водяной системы тепловозного дизеля. Необходимо подключать трубопроводы таким образом, чтобы циркуляция нагретой воды могла осуществляться через водяную полость тепловозного дизеля по штатной схеме: включение промежуточного патрубка 9 в нижнем трубопроводе в шахте холодильника.
Принципиальная схема подключения энергопотребителей бортовой установки к внешнему источнику электроэнергии переменного тока (3
380 В) приведена на рисунке 2. В данной схеме энергопотребителей, кроме электротеплообменника (ЭТО), электродвигателя (ЭД) и магнитных пускателей МП1, МП2, МПЗ предусмотрено оборудование тепловоза внешней силовой розеткой Р и установка в местах длительного простоя тепловозов электрощитов ЭЩ, оборудованных коммутирующими аппаратами с защитой от короткого замыкания в силовых цепях.
Нагревательные элементы распределены на три группы с одинаковой мощностью по 18 кВт, каждая группа соединена по схеме «звезда» через магнитные пускатели МП1 — МПЗ. Катушки магнитных пускателей МП1 — МПЗ подключены к сети через блокировочные контакты температурных реле АРТ1, АРТ2 и АРТЗ, отрегулированных на отключение при температурах равных 84, 60 и (40 ± 2) °С соответственно. Такая схема подключения электронагревателей автоматизирует вариации теплопроизводительности электротеплообменника в зависимости от температуры наружного воздуха.
Рис. 1. Схема подключения узлов бортовой установки в водяную и масляную системы дизеля типа ПД1М
Рис. 2. Схема подключения электронагревателей, электродвигателя и аппаратов бортовой установки
В схеме защиты и оповещения предусмотрена установка сигнальной лампы JI, температурного реле АРТ1 и реле заземления РЗ. В частности, в случае повышения температуры воды в теплообменнике более допустимой нормы (до 84 °С), сработает температурное реле АРТ1 и далее за счет обратной блокировки отключаются магнитные пускатели МП1, МП2, МПЗ.
Подогрев дизельного топлива осуществляется путем его циркуляции через топливо-подогреватель 5 (рисунок 3). Для этого достаточно включить электродвигатель топливоподкачивающего насоса. Подогрев масла производится путем циркуляции маслопрокачивающим насосом 2 по контуру «картер — теплообменник — картер». При этом масло будет нагреваться за счет отбора тепла при его циркуляции через водомасляный теплообменник, дополнительно установленный в контуре (рисунок 4). При этом необходимо перекрыть вентиль, предотвращающий проход масла через масляные секции и открыть вентиль для слива масла из секций в картер дизеля. Подзарядку аккумуляторной батареи рекомендуется производить в зависимости от ее емкости и длительности простоя тепловоза. Для подзарядки достаточно включить рубильник АБ (см. рис. 2). Наряду с подогревом топлива, воды и масла предусмотрен подогрев масла в картере тормозного компрессора КТ6.
Рис. 3. Схема топливной системы дизеля в режиме циркуляции и подогрева топлива: 1 — топливный бак; 2 — топливный насос; 3 — клапан максимального давления; 4 — подпорный клапан; 5 — топливоподогреватель
Рис. 4. Схема масляной системы дизеля в режиме циркуляции и подогрева масла: 1 — водомасляный теплообменник; 2 — маслопрокачивающий насос; 3 — основной насос; 4 — масляные секции; 5,6 — обратные клапаны; 7, 8 — перепускные клапаны; 9–12 — вентили
Расчет мощности, потребляемой для прогрева тепловозного дизеля. При использовании бортовой установки с подключением к внешнему источнику электроэнергии следует предусмотреть потребление электроэнергии: электронагревателей водяного теплообменника; электродвигателя центробежного насоса; электродвигателя топливного насоса; электродвигателя маслопрокачивающего насоса; подзарядки аккумуляторной батареи; подогрева компрессорного масла.
Среднечасовой расход топлива дизелями типа ПД1М при работе их на холостом режиме в среднем составляет 10 кг/ч. На основании справочных данных тепловых балансов дизелей известно, что отвод тепла с выпускными газами составляет около 36 % и приблизительно 4 % за счет неполноты сгорания топлива от всего выделяемого тепла при сгорании топлива в цилиндрах тепловозного дизеля. Следовательно, для того, чтобы поддержать необходимую температуру систем тепловозного дизеля в среднем расходуется 6 кг топлива за каждый час его работы [2].
Исходя из эквивалентного соотношения, необходимая мощность водяного электротеплообменника равна, кВт:
(1.1)
где 3,6 — переводной коэффициент;
Hu — теплота сгорания дизельного топлива, Hu = 42,5 МДж/кг;
ΔВср.ч — доля топлива, расходуемая для прогрева систем дизеля, кг/ч;
ηи.х.х — индикаторный коэффициент полезного действия в режиме холостого хода, ηи.х.х = 0,3–0,4.
Производительность центробежного насоса, м3/ч обеспечивающего циркуляцию воды через электротеплообменник и через водяную систему дизеля, определяется из уравнения теплового баланса:
(1.2)
где Рн — номинальная мощность электротеплообменника, кВт;
Св — удельная теплоемкость воды, Св= 4,2 кДж/(кг·К);
ΔT — перепад температуры воды между входом и выходом в электротеплообменнике, ΔT = 10 К.
С учетом простоя тепловозов в зимнее время года при температуре ниже минус 20 °С, принимаем номинальную мощность электротеплообменника не менее Рн = 54 кВт.
Расчетная производительность водяного центробежного насоса принимается на 20–30 % большей и составляет Gц.н. = 6,12 м3/ч [12]. Исходя из опыта эксплуатации бортовой установки в локомотивного депо, гидравлическое сопротивление водяной системы (статический напор) Нн находится в пределах 400000–500000 Н/м2.
Согласно уравнению гидродинамической зависимости, мощность электродвигателя равна, кВт:
(1.3)
где Нн — гидравлическое сопротивление водяной системы, Н/м2;
Gн — производительность насоса, м3/с;
ηн — коэффициент полезного действия (КПД) насоса, ηн = 0,6–0,7.
Окончательно, для привода центробежного насоса выбираем электродвигатель мощностью Рэ = 1,5 кВт, при частоте вращения равной 1450 мин-1. Для подогрева топлива и масла предусматривается циркуляция воды через теплообменники с применением топливо- и маслопрокачивающих насосов, приводимых во вращение электродвигателями типа П21М, мощностью 0,5 кВт. Из опыта эксплуатации аккумуляторных батарей известно, что ток зарядки аккумуляторной батареи составляет 20 А. По закону Ома, расход электроэнергии для батареи равен, кВт:
(1.4)
Расход электроэнергии для подогрева компрессорного масла, при среднем токе I = 12 А, аналогично определяется по выражению (1.4):
Суммарная потребляемая электроэнергия для прогрева систем дизеля, с подзарядкой аккумуляторной батареи, равна, кВт:
(1.5)
Потребляемая электроэнергия, определяемая по выражению (1.5) только для среднегодовых параметров окружающей среды. При температуре наружного воздуха ниже минус 20 °С мощность электротеплообменника должна быть не менее 54 кВт. Тогда номинальная мощность, потребляемая бортовой установкой по выражению (1.5), составляет, кВт:
Бортовая установка с использованием электроэнергии от внешнего источника позволяет: в местах длительного простоя тепловозов в автоматическом режиме переходить на прогрев водяной системы дизеля, дизельного топлива в баке, картерного масла и тепловоза в целом, а при необходимости обеспечивать подзарядку аккумуляторной батареи и подогрев масла в картере компрессора КТ6; при аварийных ситуациях обеспечивать автоматическое отключение установки от энергосети, а также предусматривать защиту при пробое изоляции в силовой цепи.
Литература:
- В. Т. Данковцев. Бортовая установка и способы прогрева систем тепловозного дизеля с подзарядкой аккумуляторной батареи при длительных отстоях тепловозов / В. Т. Данковцев // Отчет о НИР № 1200. Омск, Омский гос. ун-т путей сообщения, № ГР 01.200.1 06560. № Инв. 02.200.1 08663. 2001. 38 с.
- Пат. 2003954. Российская Федерация, G 01 L 3/24. Способ определения индикаторной мощности компрессора / В. Т. Данковцев. — № 4927596/10. Бюл. № 43–44, 1993.
