Нові електроживлення пристрою для обладнання зв'язку
2006-10-27 17:19:52
У даній статті ми розглянемо можливість збільшення ефективності поршневих ДВС, використовуваних в дизель-генераторах і бензинових блоки живлення, за допомогою комбінованого застосування різних теплових машин і термодинамічних циклів в одній інтегрованої конструкції. В даний час на об'єктах зв'язку Ростелекома використовуються дизель-генератори з витратою 260 – 300 г палива для виробництва 1 кВт електроенергії. Для кращих світових зразків цей параметр знаходиться на рівні 210 г. Вітчизняні бензинові електроагрегати також як і зарубіжні аналоги не відрізняються економічністю. У зв'язку з цим, до розгляду пропонується конструкція дизель-генератора, розрахунковий витрата палива якого не повинен перевищувати 130 гр / кВт / год. Пропонується комбінована конструкція, яка об'єднує різні теплові машини, і в якій конструктивне об'єднання двигуна внутрішнього згоряння, поршневий парової машини, газової турбіни, теплового насоса, компресора дозволяє значно збільшити ефективний ККД. Об'єднання теплових машин вироблено допомогою раціонального їх розміщення в єдиному корпусі, причому одні і ті ж елементи конструкції одночасно є частинами різних теплових машин. Високий ступінь інтеграції дозволяє досягти малого питомої ваги, зменшити непродуктивні втрати енергії! Якщо кращі дизелі досягли ефективного ККД в 44%, то комбіновані – рівня 67 – 71% зі значним збільшенням питомої потужності. Дана обставина дозволить майже в два рази знизити питому витрату палива у комбінованих двигунів в порівнянні з існуючими ДВС. Область застосування комбінованих двигунів може бути різною. Найбільш ефективним є використання таких двигунів на дизель-електричних станціях, а також у польових умовах. Комбіновані двигуни будуються на основі так званої термодинамічної пари, що складається з поршневого ДВС і поршневий парової машини (ПМ). Теплова енергія, що виділяється при роботі ДВС, використовується в паровій машині. У звичайному ДВС теплова енергія віддається навколишньому середовищу системою охолодження і вихлопними газами, що мають високу температуру. У комбінованому двигуні вихлопної газ надходить в камеру ПМ, де його теплова енергія використовується для пароутворення робочої рідини. А замість системи охолодження застосована система передачі теплової енергії від ДВС до ПМ через спеціальні теплообмінники. Таким чином, парова машина є свого роду активною системою охолодження ДВС, використовуючи теплову енергію вихлопних газів і надлишкову теплову енергію частин ДВС, яка повинна відводитися для уникнення перегріву ДВС. При цьому парова машина перетворює утилізовану теплову енергію ДВС в корисну роботу. У паровій машині застосовується робоче тіло змінного складу, що складається з вихлопного газу ДВС і випаровується робочої рідини ПМ. Для забезпечення робочого циклу ПМ застосовується спеціальна рідина із заданими властивостями. Замкнутий цикл робочої рідини парової машини представлений на рис. 1. Рідина початкового об'єму знаходиться в ємності (1). При запуску двигуна починає працювати насос (3), рідина в який надходить з ємності через фільтр (2), службовець для відділення масла, нагару та інших забруднюючих речовин. Насос нагнітає рідину в форсунку (4), яка управляється електроклапаном (10). Рідина підігрівається в нагрівачі (11), в якому циркулює моторне масло. У певний час клапан відкривається і порція рідини розпорошується форсункою в робочій порожнині ПМ (5), де відбувається її випаровування в середовищі стислого вихлопного газу, що надійшов з ДВС. Утворюється парогазова суміш підвищеного тиску, під дією якого відбувається робочий хід ПМ. Цикл випаровування робочої рідини проводиться зі змішаним поглинанням теплоти і зниженням температури. Після закінчення робочого ходу ПМ, парогазова суміш через клапан (9) по трубопроводу (6) надходить в конденсатор (7). Тут пар конденсується в рідину і повертається в ємність (1). Відокремився газ через патрубок (8) виходить в навколишнє середовище. Далі цикл повторюється. Охолодження конденсатора може проводитися повітрям, що поступає в ДВС, або забортної водою, в разі застосування такого двигуна на судах. Температури випаровування і конденсації робочої рідини визначають температурний діапазон навколишнього середовища, в якому експлуатується комбінований двигун. Відмінність даного циклу від класичного циклу Ренкіна полягає в періодичності пароутворення. Функції парового котла в даному випадку виконує робоча камера ПМ, де рідина випаровується. Процес пароутворення в камері ПМ можна порівняти із запалюванням робочої суміші в дизельному двигуні. В даному випадку застосуємо принцип рівномірного розпилювання дози робочої рідини в середовищі стислого вихлопного газу, регулювання порційне ™ подачі робочої рідини в форсунку в залежності від потужності, регулювання кута випередження уприскування і т. д. Таким чином, в даній конструкції парова машина є різновидом парового двигуна внутрішнього пароутворення і свого роду паровим аналогом дизеля. Необхідно відзначити, що потужність парової машини залежить від температури вихлопних газів і температури згоряння палива ДВС. Збільшення температури згоряння палива в ДВЗ призводить до збільшення загального ефективного ККД комбінованого двигуна. Комбінований двигун даного варіанту будується на основі термодинамічної пари (рис. 2), яких в двигуні може бути необхідне для даного варіанту кількість. Термодинамічна пара в свою чергу є конструктивне об'єднання поршневого двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ), поршневий парової машини (ПМ) і генератора електричного струму. Таке об'єднання необхідно для найбільш повного використання теплової енергії згорання палива в ДВС. У комбінованому двигуні теплова енергія згоряння палива спочатку використовується для здійснення робочого ходу ДВС, а потім утилізується в паровій машині. При цьому робочим тілом парової машини є вихлопної газ ДВС і випаровується рідина. Порівняльні теплові баланси звичайного ДВС та комбінованого двигуна наведені в таблиці. За 100% приймається енергія, отримана при згоранні палива в ДВС (Q0 = 100%). Формула теплового балансу має вигляд: Q 0 = Qполез + Qмех + Qвихл + Qохл = 100%, де: Qохл – кількість енергії, що відводиться від ДВС системою охолодження; Qвихл – кількість енергії, що йде з ДВС з вихлопними газами; Qмех – кількість енергії, витраченої на механічні втрати, Qполез – енергія, перетворена в корисну роботу. Збільшення ефективності комбінованого двигуна відбувається за рахунок зниження втрат теплової енергії з вихлопними газами (з 29 до 13%) і в системі охолодження (з 28 до 3%) при деякому збільшенні механічних втрат (з 10 до 13%). Кращі зразки дизелів в даний час мають ККД на рівні 44%, звичайні – 33 – 37%. Комбінований двигун має ККД, більш ніж в два рази перевищує ККД звичайного ДВС. Розрахунковий витрата палива комбінованого двигуна становить 137 г на кВт / ч (у порівнянні з серійними вітчизняними дизелями з витратою палива 290 – 310 г кВт / год). Розглянемо детальніше рис. 2. Поршень ДВС (1) нерухомо встановлений на силовому поздовжньому елементі (14), який закріплений з двох сторін на корпусі двигуна. Усередині поршня є форсунка (3), впускні і випускні клапани (2). Усередині силового елементу (14) розташовані газові канали (15) і приводи клапанів (5). Рухомий поршень ПМ (9) переміщається всередині гільзи ПМ (8). Камера згоряння ДВС (17) і робоча порожнину ПМ (18) розділені теплообмінником (7), що має більшу площу. ПМ містить впускний (19) і випускний клапани (10), які управляються приводом (12). Форсунка ПМ (11) встановлена навпроти теплообмінника (7). ДВС працює в звичайному чотиритактному режимі. Під час робочого ходу ДВС нагрівається теплообмінник (7). Вихлопної газ ДВС з високою температурою з приймача через клапан (19) надходить в робочу камеру парової машини (18), де стискається поршнем (9). При стисненні газу підвищується його температура. В кінці такту стиснення ПМ через форсунку (11) на нагрітий відбиває теплообмінник (7) розпорошується доза робочої рідини, яка в середовищі високотемпературного газу, отримуючи теплоту пароутворення від теплообмінника, вибухово перетворюється в пар, збільшуючи тиск в робочій камері ПМ. Новоутворена парогазова суміш продовжує отримувати теплову енергію від нагрітого поршня через теплообмінники (21). Під дією тиску робочого ходу, поршень ПМ здійснює робочий хід, обертаючи коленвал (13). В кінці робочого ходу відкривається клапан (10), через який парогазова суміш видаляється з робочої камери ПМ. Таким чином, ДВС та ПМ мають спільні коленвал, корпус (16) і рухому частину, що складається з поршня ПМ (9) і теплообмінника (7). Рухома частина з'єднана з коленвалом двома діаметрально протилежно розташованими шатунами (20). Робоча рідина після здійснення робочого ходу ПМ конденсується і використовується циклічно в паровій машині (див. рис. 1). Термодинамічні цикли ДВЗ і ПМ розділені в часі. Дана компоновка має найбільший розрахунковий ККД і найбільш складну конструкцію. Незвичайний поршень ПМ спеціальної конструкції може мати кілька варіантів виконання. В даному випадку функції гільзи виконує сталевий поршень ДВС, а на внутрішній поверхні поршня ПМ розміщуються компресійні і маслос'емниє кільця. Генератор електричної енергії складається з обмотки збудження 24 і силової обмотки 25. Термодинамічні пари можуть з'єднуватися між собою в багатоциліндрових двигуні за допомогою загального для всіх пар коленвала (13). Враховуючи наявність механічного зв'язку між ДВС і ПМ, цей варіант комбінованого двигуна з нерухомим поршнем ДВС представляється дуже перспективним. Застосування як робоче тіло ПМ рідини з температурою пароутворення Тп = 80 – 85 ° С при Р = 10 бар. дозволить отримувати пар з необхідним ступенем підвищення тиску в циліндрі ПМ під час робочого ходу. У даній конструкції джерело теплової енергії (ДВС) розташований всередині споживача теплової енергії (ПМ), тим самим забезпечується найбільш повна передача теплової енергії від ДВС до ПМ. Додатковими зовнішніми пристроями даної конструкції повинні бути: – конденсатор робочої рідини ПМ, виконаний у вигляді теплообмінника, який охолоджується використовуваним в ДВС повітрям; – турбонаддув повітря ДВС; – система циркуляції робочої рідини ПМ (рис. 1); – система зовнішньої теплоізоляції корпусу від навколишнього середовища; – комбінована система змащення. Габаритні розміри комбінованого двигуна значно менше розмірів дизель-генератора аналогічної потужності. Високий ступінь інтеграції дозволяє досягти значного зниження питомої ваги, підвищення питомої потужності і ефективного ККД. Бензиновий аналог комбінованого двигуна може використовуватися в якості переносного електроагрегату. Наведені приклади свідчать про можливість створення теплових двигунів для виконання конкретних завдань в широкій області потужностей і призначень, які мають високий ефективний ККД, малі питомі габаритні розміри і масу. Комбіновані двигуни здатні на більш високому якісному рівні замінити існуючий парк дизель-генераторів і переносних електроагрегатів. Організація виробництва таких двигунів у Росії дозволить подолати хронічне відставання вітчизняних виробників від світових досягнень у цій галузі і створити двигуни, що значно перевершують за основними характеристиками кращі світові зразки поршневих ДВС. Дуже важливий економічний аспект застосування нових конструкцій. У ринкових умовах велике значення має значне зниження витрат на придбання палива для електроживлячих пристроїв зв'язку.
ДЖЕРЕЛО: Вісник зв'язку