poster333

О межкультурном перепуске в системах охлаждения дизелей типа Д49

отечественном тепловозостроении в качестве силовой установки для тепловозов большой мощности в основном используются дизели типа Д49 производства ОАО ХК «Коломенский завод». Для охлаждения теплоносителей таких дизелей традиционно применяются двухконтурные водяные схемы.

В основном контуре, его еще называют «горячим» (далее ГК), циркулирует вода, охлаждающая крышки и втулки цилиндров дизеля, газоприемный и выхлопной корпуса турбокомпрессора, а также выхлопные коллекторы. Кроме этого, в ГК, как правило, размещают такие теплообменные аппараты, как подогреватель топлива, калорифер кабины машиниста, обогреватели подножки машиниста и воды санитарного узла.

В дополнительном контуре, его называют «холодным» (далее ХК), циркулирует вода, охлаждающая масло дизеля и наддувочный воздух.

Разделение системы по контурам вызвано различием в них допустимых температур воды. Допустимая температура воды при выходе из дизеля при открытой системе охлаждения равна 95... 96 °С, а при закрытой — 105... 107 °С. Допустимая температура воды ХК контролируется на выходе из блока радиатора и составляет 65... 68 °С. Очевидно, что такая разность температур не может быть реализована в одном контуре.

Объединение контуров неизбежно приведет к снижению допустимой температуры воды ГК и, как следствие, к увеличению фронтальных габаритов охлаждающего устройства или к существенному увеличению затрат мощности привода вентиляторных установок для обеспечения максимального теплового режима работы силовой установки.

Наибольшим тепловым режимом считается длительная работа дизеля на номинальном режиме при максимальной температуре атмосферного воздуха (как правило, 40 °С). С другой стороны, рекомендуемые или рабочие значения температуры воды ГК, при которых дизель имеет оптимальное сочетание таких важных параметров, как надежность работы и экономичность, существенно ниже и составляет 80... 85 °С. Это обстоятельство заставляет применять системы автоматического регулирования температур теплоносителей (далее САРТ) с пониженными значениями уставок датчиков температур.

В результате, для обеспечения рекомендованного температурного режима охлаждения дизеля, вентиляторные установки (ВУ) работают в максимальном режиме в широком сочетании диапазонов температур атмосферного воздуха и нагрузок дизеля. Так, ВУ тепловозов 2ТЭ116, ТЭП70 и 2ТЭ25А при работе их силовых установок в номинальном режиме вынуждены обеспечивать максимальный расход воздуха через секции водовоздушного радиатора ГК в диапазоне температур атмосферного воздуха от 20 до 40 °С. В то же время, теплорассеивающая способность радиаторов ХК по мере снижения температуры атмосферного воздуха существенно возрастает и при температуре 20 °С становится избыточной.

Во избежание переохлаждения масла теплорассеивающую способность радиаторов ХК искусственно снижают путем уменьшения частоты вращения вентиляторных установок (2ТЭ10М, М62, 2ТЭ25А) или периодичности их включения (2ТЭ116, ТЭМ2, ТЭМ18). Автоматически при этом уменьшается мощность привода ВУ, необходимая для обеспечения циркуляции воздуха через блок радиаторов ХК.

Возникает парадоксальная ситуация: при температуре 20 °С и максимальной загрузке силовых агрегатов вентиляторные установки, обеспечивающие заданный режим работы радиаторов ГК, функционируют в максимальном режиме. В то же время, затраты мощности на привод вентиляторных установок ХК составляют менее 15 — 20 % от номинала (при релейной САРТ затраты на привод ВУ составляют 45 — 50 % от номинала).

На частичных нагрузках дизеля диспропорция между потребными расходами воздуха через радиаторы ГК и ХК еще выше. Эта диспропорция увеличивается также с понижением температуры атмосферного воздуха, так как теплорассеивающая способность радиаторов ХК растет существенно быстрее, чем ГК.

Очевидно, что недоиспользование избыточной теплорассеивающей способности радиаторов ХК при режимах работы тепловоза, отличных от номинального, негативно сказывается на экономичности работы вентиляторных установок и тепловоза в целом. А так как продолжительность экс-плуатациии тепловоза при таких режимах составляет подавляющую часть общего времени работы, то налицо неоправданный перерасход топлива, связанный с избыточной работой ВУ.

Оптимизировать затраты теоретически просто. Достаточно уравнять теплорассеивающие способности радиаторов обоих контуров за счет перепуска части воды из горячего контура в холодный и обратно. Механизм для этого на большинстве тепловозов уже имеется - это межконтурный перепуск (далее МКП), который предназначен для прогрева воды холодного контура в зимнее время года при работах локомотива на малых нагрузках.

На большинстве тепловозов перепуск носит сезонный характер и открывается вручную в осенний период времени, когда среднесуточная температура атмосферного воздуха опускается ниже 5 °С, а закрывается в весенний период, когда среднесуточная температура становится, соответственно, выше данного значения. Исключение составляет тепловоз ТЭМ18Д производства ЗАО «УК “БМЗ”», на котором установлен регулятор, обеспечивающий автоматическое открытие МКП по мере переохлаждения воды холодного контура.

Необходимо отметить, что существующие МКП позволяют перераспределять тепло между контурами. Однако, во-первых, с точки зрения оптимизации затрат на привод вентиляторных установок сезонный МКП оказывает слабый эффект, так как работает только в холодное время года, а суммарные затраты на привод ВУ в это время ничтожно малы. Во-вторых, нерегулируемый расход воды через МКП при определенных сочетаниях нагрузок и температур атмосферного воздуха может привести к обратному эффекту, если количество тепла, вынесенного из ГК в ХК, превысит сбалансированную величину.

Это также, и даже в большей мере, относится к автоматизированному МКП тепловоза ТЭМ18Д, так как его настройки соответствуют защите холодного контура от переохлаждения, но не обеспечивают оптимальный расход воды для выравнивания теплорассеивающей способности радиаторов обоих контуров. При этом для релейного способа регулирования температур теплоносителей (2ТЭ116У, 2ТЭ116УМ, ТЭМ2, ТЭМ18) проблема согласования работы САРТ с МКП еще острее.

Существует ли технический выход из ситуации, описанной выше? Да, безусловно. И выход очень простой.

В обратной ветви МКП (ветвь, направление потока воды в которой из ХК в ГК)
следует установить термостат, наподобие того, который установлен на ТЭМ18Д. Только назначение его должно быть не защита от переохлаждения воды ХК, а защита ее от перегрева. В подавляющее время работы тепловоза МКП должен быть открыт, а закрываться по мере прогрева воды ХК выше 55 °С. Полное закрытие ветви МКП может осуществляться при температуре воды 65 °С в момент, когда САРТ исчерпает свои возможности по регулированию температур обоих теплоносителей.

В отличие от существующих, такой МКП может работать не только в холодное время года, но и в относительно теплое (межсезонье, лето). При этом в большую часть времени работы тепловоза будет обеспечиваться баланс между тепловыделениями и теплоотводами в радиаторах в каждом контуре не только при исходном, чистом состоянии радиаторов, но и, что наиболее важно, при существенном загрязнении секций радиаторов обоих контуров, прежде всего, секций радиатора ГК.

Секции радиаторов ГК, как известно, в эксплуатации теряют свою теплорассеивающую способность гораздо быстрее, чем секции радиатора ХК, из-за особенностей тепловых и физико-химических процессов, различно протекающих в ГК и ХК.

Применение МКП с рекомендованными параметрами позволит не только экономить топливо на привод ВУ, но и существенно расширить возможности работы тепловоза при загрязненных секциях радиатора, без риска сброса нагрузки из-за перегрева воды или масла дизеля.

При этом неизбежно возникает ряд вопросов. Основные из них — это на каком уровне должен быть максимальный расход воды через МКП и не приведет ли использование нерегулируемого МКП к избыточным затратам мощности на привод ВУ для обеспечения теплорассеивающей способности секций ХК, как уже было отмечено выше?

Ответ на оба вопроса был получен авторами статьи с помощью комплекса тепловых и аэродинамических расчетов системы охлаждения тепловоза 2ТЭ116-648 при его работе в регионе с умеренным климатом (Октябрьская дистанция пути). Параметры загрузки его силовой установки соответствовали реальным условиям работы. Методика расчетов очень громоздка и в настоящей статье не приводится. Вычисления носили сравнительный характер. Сравнивались уровни затрат мощности на привод ВУ тепловоза со штатным и МКП, работающим по вышеизложенному алгоритму.

В результате расчетов установлено, что оптимальный расход воды через МКП в дежурном режиме должен находиться в пределах 10 — 20 % от производительности водяного насоса ГК. Затраты мощности на привод ВУ при новом перепуске и одинаковом состоянии секций радиаторов обоих контуров соизмеримы с затратами мощности при штатном МКП, и снижаются, если скорость загрязнения секций ГК превышает скорость загрязнения секций ХК. Кроме того, по мере загрязнения секций обоих контуров применение нового перепуска позволяет существенно сократить риск перегрева теплоносителей.

Так, при превышении допустимого снижения теплорассеивающей способности секций обоих контуров на 25 % (формально допускается снижение ТРС на 15 %, однако из-за отсутствия контроля за этим параметром — действительное снижение может составлять более 50 %) с использованием нового МКП риск перегрева воды дизеля можно сократить более чем в 2 раза — с 2,3 % до 1,1 %. И хотя сам уровень риска относительно невелик, потери от сброса нагрузки дизеля в пути следования локомотива с составом из-за перегрева теплоносителей могут быть очень ощутимыми.

Исходя из суждений, изложенных выше, и выполненных расчетов можно сделать следующие выводы:

* концептуальное отличие предлагаемого МКП от существующего — не защита ХК от переохлаждения в холодное время года, а защита ГК от перегрева при условиях сочетания экстремально высоких температур атмосферного воздуха и значительных нагрузках дизеля;

* межконтурный перепуск должен работать в автоматическом режиме. При этом реализация МКП с предлагаемым алгоритмом работы требует незначительных дополнительных капитальных затрат — только включение термостата (регулятора расхода) в обратную ветвь МКП. Однако такое включение напрашивается и без изменения принципа работы МКП, а исключительно для облегчения условий работы локомотивных бригад;

* расчеты подтвердили ожидаемую экономию мощности привода ВУ от применения новой МКП при идеальном состоянии секций водовоздушного радиатора. С ростом загрязнения секций указанная экономия растет. Наибольшее ее значение наблюдается при неравномерном загрязнении секций водовоздушного радиатора. В то же время, методика проведенных расчетов не учитывала увеличения теплоемкости обоих контуров путем их частичного объединения. Увеличение теплоемкости, по нашему мнению, позволит демпфировать колебания температур теплоносителей при кратковременных наборах и сбросах нагрузки дизеля. Это, в свою очередь, позволит снизить затраты мощности на кратковременные изменения частот вращения вентиляторных колес;

* применение новой МКП в реальных условиях эксплуатации тепловоза при фактическом состоянии секций водовоздушного радиатора позволит снизить риск перегрева теплоносителей и сброса нагрузки дизеля по этой причине в пути следования тепловоза с составом более чем в 2 раза;

* предлагаемый алгоритм работы МКП может с одинаковым успехом быть реализован как на новых тепловозах при их постройке, так и на серийных при модернизации.

В.И. ГОРИН,
старший научный сотрудник
отделения тягового подвижного
состава ОАО «ВНИИЖТ»
А.В. ГОРИН,
младший научный сотрудник

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела xx1.

Перенес: Admin