автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Подвижной состав железных дорог с низкотемпературными технологиями

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

РГ6 од

на правах рукописи О 9 ФЕЙ 1998 УДК 629.4:621.6

КОМИССАРОВ Константин Борисович

ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ С НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ ТЕХНОЛОГИЯМИ

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга

поездов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ростов-на-Дону - 1997

Работа выполнена в Ростовском государственном университете путей сообщения

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Коссов Евгений Евгеньевич доктор технических наук, профессор Тартаковский Эдуард Давидович доктор технических наук, профессор Балон Леонид Вениаминович

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий

Защита диссертации состоится « 20 » февраля_1998г.

в ¿4 час 00 мин, на заседании диссертационного совета Д114.08.01 при Ростовском государственном университете путей сообщения в конференц- зале

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 344038, Ростов-на-Дону, пл. Народного ополчения, 2, диссертационный совет РГУПС.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан « -У » 1998г.

Ученый секретарь диссертацио! совета, к.т.н., доцент

-3-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Изложенные в диссертации научно-практические положения и рекомендации направлены на разработку и внедрение низкотемпературных технологий на подвижном составе железнодорожного транспорта в рамках реализации Основных направлений энергетической политики Российской Федерации на период до 2000 года, утвержденных Указом Президента от 7 мая 1995 года № 472, Федеральной Целевой программы "Топливо и энергия" на 1996...2000 гг, предусматривающей самостоятельную подпрограмму "Расширение использования сжиженного и сжатого природного газа в качестве моторных топлив", утвержденную Постановлением Правительства РФ 6 мая 1996 года №263, Федеральной Целевой Научно-технической программы на 1996...2000 гг "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского направления", утвержденной Постановлением Правительства РФ от 23 ноября 1996 года, № 144.

Природный газ в качестве моторного топлива на транспорте используется в 25 странах мира. Его применение обусловлено двумя основными преимуществами: экономия более дорогостоящего и дефицитного жидкого нефтяного топлива и снижение выбросов в окружающую среду высокотоксичных веществ.

Перевод транспорта на газомоторное топливо является стратегически актуальной задачей, так как запасами природного газа Россия располагает на многие годы.

Разработка и внедрение систем охлаждения изотермических вагонов, использующих жидкий азот, позволяет также решать комплекс задач: создание экологически чистой транспортной единицы, исключающей применение хлор,— фторсодержащих фреонов, разрушающих озоновый слой Земли и запрещенных к применению Монреальским протоколом, а также дизельных агрегатов, более полная сохранность и высокое качество транспортируемых продуктов.

В связи с вышеизложенным разработка и внедрение низкотемпературных технологий на подвижном составе железнодорожного транспорта является актуаль-

ной научной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение, решение которой способствует научно - техническому прогрессу.

Большой вклад в исследование, создание и развитие низкотемпературных, а также криогенных технологий на транспорте внесли ученые НПО "Криотехника", ВНИИГАЗ, РГУПС (РИИЖТ), ВНИИЖТ, ХИИТ, НИИЖТ, ФТИНТ (Украины), ГП"Завод им.Малышева", ВНИТИ, ПКБ им. Туполева, НПО "Гелиймаш", работники предприятий ПО "Лугансктепловоз", ПО "Брянский машиностроительный завод", ПО "Пенздизельмаш" и др., работники министерств и ведомств: Минтопэнерго, МПС, РАО "Газпром", Роскоммаш и др.

В диссертации на базе работ, проведенных лабораторией криогенной техники, в которых автор принимал участие в качестве научного руководителя, ответственного исполнителя, консультанта, сделано обобщение накопленного материала по использованию низкотемпературных и криогенных технологий на подвижном составе железнодорожного транспорта.

Цель исследования состоит в научном обосновании технических, технологических и эколого - экономических решений по применению низкотемпературных и криогенных технологий на подвижном составе железнодорожного транспорта путем разработки принципов, систематизации прикладных задач, теоретических исследований и их практической реализации на экспериментальных стендах, макетах и опытных образцах подвижного состава, использующего крионосители - сжиженный природный газ (СПГ) для тепловозов и жидкий азот для изотермических вагонов.

Для достижения поставленной цели в данной работе решались следующие основные задачи:

- провести теоретические исследования, использующие принципы алгоритмического и программного обеспечения для разработки и уточнения методик расчета: рабочего процесса газодизеля; нестандартного теплообменного оборудования для газификации сжиженных газов (метана, азота и их смесей); элементов систем и технологических процессов в газификаторах маневровых и магистральных газотепловозов;

-5— теоретически проанализировать и экспериментально проверить: обоснованность методик расчета параметров процесса охлаждения и регулирования состава газовых сред с помощью азота для изотермических вагонов; область применения молекулярно-статистической и континуальной теорий поляризации неполярных веществ (азот, метан) для разработки диэлькометрическо-го метода контроля параметров криогенных топливных систем (КТС) и жид-коазотных систем охлаждения (ЖАСО);

— разработать эколого-экономяческие аспекты и провести сравнительную оценку использования низкотемпературных и традиционных технологий применительно к тепловозным дизелям и автономным изотермическим вагонам;

- апробировать разработанные автором теоретические положения и запатентованные решения путем экспериментальных исследований на лабораторных стендах и макетах, а также испытаний в условиях эксплуатации опытных образцов газотепловозов и изотермических вагонов.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является подвижной состав, конвертируемый на использование низкотемпературных технологий: экспериментальный образец маневрового газотепловоза; опытные образцы магистральных газотепловозов; макетный образец и опытная партия изотермических автономных вагонов с жидкоазотной системой охлаждения. Предмет исследования — методы перевода подвижного состава на низкотемпературные технологии с целью снижения расхода дефицитного жидкого нефтяного топлива, улучшения эколого-экономических показателей транспортных единиц, показателей качества транспортируемых грузов и условий эксплуатации.

Методика исследования. Исследования выполнялись теоретическими методами, базирующимися на применении основных положений математической статистики, векторного и тензорного анализа, гидродинамики, компьютерного моделирования, включающего построение алгоритмов прикладных задач, многофакторную итерацию и аппроксимацию результатов, а также опирающимися на труды отечественных и зарубежных ученых в области низкотемпературных и криогенных технологий, подвижного состава железнодорожного транспорта, экологии,

молекулярно-статистической и континуальной теории поляризации вещее теории переноса энергии и массы в сплошных средах. Экспериментальные \ следования выполнены на лабораторных стендах и макетах, макетных и опь ных образцах подвижного состава в процессе опытов и эксплуатационных ! пытаний.

Научная новизна. Изложены научно обоснованные технические, те нологические и эколого - экономические решения по использованию низкоте пературных технологий на подвижном составе железнодорожного транспор-которые вносят существенный вклад в ускорение научно—технического пр гресса и имеют важное народно-хозяйственное значение.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Системные и методологические обобщения, способствующие расширен!: применения низкотемпературных технологий на подвижном составе желе нодорожного транспорта.

2. Системотехнические и методологические основы решения прикладных зад; конвертирования подвижного состава на использование низкотемпературш технологий.

3. Теоретическое обоснование и экспериментальное исследование диэлектр ческой проницаемости криоагентов и их смесей, используемых на подвю ном составе, в ранее неохваченной области параметров состояния с цель разработки диэлькометрического метода контроля параметров криогеннь топливных систем и жидкоазотных систем охлаждения, а также оперативна сертификации качества крионосителей.

4. Эколого-экономические обоснования и сравнительная оценка использован! традиционных и низкотемпературных технологий на подвижном составе.

5. Экспериментальное подтверждение теоретических, методологических пол! жений и запатентованных решений.

Достоверность результатов подтверждается: - сопоставимыми результатами компьютерного моделирования и экспериме] тальными данными предыдущих исследований с данными опытов и испыт; ний при учете методологических особенностей и метрологических харакп

ристик измерительной аппаратуры, используемой для расчетов и измерений.

Практическая ценность работы состоит в том, что проведенное исследование и практические разработки позволяют:

- обосновать возможность и эффективность применения низкотемпературных, а также криогенных технологий на подвижном составе железнодорожного транспорта;

- использовать аппарат моделирования на ЭВМ для тепловых, гидро,-газодинамических, энергетических, массообмешшх процессов в криогенных топливных системах газотепловозов и жидкоазотных системах изотермических вагонов;

- повысить эколого-экономические показатели подвижного состава путем снижения токсичности отработавших газов дизелей, работающих на СПГ, исключения хлор,-фторсодержащих фреонов и дизельных агрегатов холодильных установок при использовании ЖАСО;

- увеличить количественные и улучшить качественные показатели перевозимой продукции в изотермических вагонах с ЖАСО;

- обосновать эффективность и использовать измерения диэлектрической проницаемости для оперативного контроля параметров и состава крионосите-лей;

- обосновать стоимость ущерба окружающей среде при использовании традиционных и низкотемпературных технологий;

- использовать в учебном процессе по специальностям 15.07.00

"Локомотивы", 15.08.00 "Вагоны", 10.07.14 "Теплоэнергетика на железнодорожном транспорте", 33.02.00 "Инженерная защита окружающей среды", и др. результаты теоретических обобщений и опыта практического применения выполненного исследования.

Реализация работы. Выполненные исследования нашли практическое

внедрение и реализацию на железнодорожном транспорте.

Под руководством автора переоборудован и испытан маневровый газотеп-

ловоз ТЭМ-2у, работающий на СПГ.

Теоретические обоснования, и разработки, представленные в диссертации, использованы при создании и испытаниях магистральных газотепловозов типа 2ТЭ10Г, 2ТЭ116Г, работающих на СПГ.

Запатентованные решения и теоретические обоснования использованы при создании и эксплуатационных испытаниях опытных автономных изотермических вагонов с жидкоазотной системой охлаждения.

Разработана и согласована "Методика проведения приемочных эксплуатационных испытаний опытных образцов вагонов с ЖАСО". Разработаны проекты нормативно-технических и организационно—руководящих документов, необходимых для проведения заводских, пробеговых и эксплуатационных испытаний опытных газотепловозов на путях МПС: "Опытные газодизельные тепловозы 2ТЭ1 16Г, 2ТЭ ЮГ, работающие на СПГ. Программа эксплуатационных испытаний"; "Технические предложения по оборудованию полигона эксплуатационных испытаний опытных газотепловозов"; "Технические предложения по переводу тепловозной тяги в районе г. Оренбурга на СПГ".

Работа выполнялась в соответствии с директивными материалами: при конвертировании тепловозов на сжиженный природный газ (постановления Правительства № 751 от 13.07.84г., № 1041 от 28.08.86г., указания МПС № 370 пр-у от 30.07.84г., № 360 пр-у от 13.09.86г., приказ Министра путей сообщения №43Ц от 18.11.88г.); при разработке и внедрении жидкоазотных систем охлаждения изотермических вагонов (постановление Правительства № 1275 от 19.12.85г., Комплексная научно-техническая программа ГКНТ № 535 от 31.12.86г., указания МПС № Г-640у от 19.02.88г., №И006у от 07.04.89г., №И217 от 15.05.90г.).

Материалы диссертации использовались в учебном процессе при подготовке учебного пособия, монографии и 7 учебно-методических указаний.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:

- на научно-технических советах Главных управлений локомотивного и ва-

гонного хозяйства МПС (1987г., 1988г., 1989г.);

- на Всесоюзных и Всероссийских научно-технических конференциях: "Перспективы развития комбинированных двигателей внутренного сгорания и двигателей новых систем и на новых топливах" (Москва, 1987г.), "Альтернативные топлива в двигателях внутренного сгорания" (Киров, 1988г.), "Проблемы энергетики транспорта" (Москва, 1988г.), "Проблемы развития локомотивостроения" (Луганск, 1990г.), "Автогаз-91" (Паланга, 1991г.), "Актуальные проблемы развития двигателей внутренного сгорания и дизельных установок" (Ленинград, 1990г.), "Промышленная экология и безопасность в современных технологических процессах" (Москва, 1994г.);

- на Общесетевом совещании "Совершенствование эксплуатационной работы железных дорог с применением ЭВМ" (Москва, 1988г.);

- на Научно—технических конференциях и расширенных заседаниях кафедр "Теплоэнергетика на железнодорожном транспорте", "Локомотивы и локомотивное хозяйство", "Вагоны и вагонное хозяйство", "Экология и безопасность жизнедеятельности", с участием НИИЦ "Криотрансэнерго" РГУПС (РИИЖТ). Ростов-на-Дону, 1995...97 гг.

- на Совете докторов наук РГУПС, 1997г.

- на научно-методическом совете по специальности 15.07.00 "Локомотивы". Ростов-на-Дону. РГУПС. 1997г.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в монографии "Конструктивные и технологические особенности газификаторов сжиженных газов и криогенных топливных систем для транспортных двигателей". Ростов-на-Дону.: РГУПС, 1996г.—164с.; в учебном пособии "Расчет рабочего процесса газодизеля". Ростов-на-Дону.:РИИЖТ, 1988г.,76с.; в 36 научных публикациях, из которых 10 авторских свидетельств и патентов.

Объем и структура диссертации. Диссертация содержит введение, семь глав, заключение, список использованной литературы и приложения. Материал диссертации изложен на 249 страницах основного текста, содержит 20 таблиц, 78 рисунков, список литературы из 203 наименований, приложения на 78 страницах.

- 10-

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы использования низкотемпературных, а также криогенных технологий на подвижном составе железнодорожного транспорта.

В первой главе рассмотрено современное состояние проблемы. Обобщен зарубежный и отечественный опыт применения сжиженного природного газа в качестве топлива для тепловозов. Проанализирована жидкоазотная технология охлаждения и регулирования состава газовых сред в изотермических вагонах. Рассмотрены возможности диэлькометрического способа контроля параметров КТС и ЖАСО. Приведены экспериментальные методы определения диэлектрической проницаемости веществ, являющейся инструментом получения фундаментальных данных в широком диапазоне параметров состояния. Показано влияние традиционных и криогенных технологий на состояние окружающей среды. Сформулированы цель и задачи исследования. . .

Во второй главе представлены теоретические разработки по поставленным проблемам. Изложена методология усовершенствованного расчета рабочего процесса газодизелей тепловозов и обоснованы принципы алгоритмического и программного обеспечения расчета на компьютере.

В диссертации показано, что общепринятая методика расчета рабочего процесса газодизеля основана на произвольном назначении доли теплоты, вносимой запальным жидким топливом, от общей теплоты, выделяющейся при сгорании рабочей смеси. При расчете на частичных нагрузках, когда с изменением режима работы изменяется и теплота, выделяющаяся при сгорании рабочей смеси, а состав смеси неизвестен и может быть определен только через неизвестную еще долю жидкого топлива, указанный подход не совсем корректен.

При усовершенствовании методики расчета теплового процесса газодизеля предлагается новый подход к определению расчетной доли жидкого топлива: это та доля от 1 кг жидкого топлива, на который рассчитывается теоретически необходимое количество воздуха при тепловом расчете двигателя на номинальной нагрузке в дизельном варианте исполнения. Количественно эта доля определяет расход дизелем жидкого топлива, необходимого для получения требуемой

-11 -

индикаторной мощности на рассчитываемом режиме.

Усовершенствованная методика расчета газодизеля позволяет определять количественные составляющие рабочей смеси и ее качество, характеризуемое теплотой сгорания. Расчет возможен лишь при использовании многофакторной итерации на компьютере.

В диссертации показано, что при тепловом расчете газодизеля на частичных нагрузках, в том числе и по тепловозной характеристике, исходные данные целесообразно разделить на две группы. К первой относятся данные, не зависящие от изменения нагрузки: сведения о двигателе, состав топлива, физико-химические и теплофизические характеристики компонентов рабочей смеси и продуктов сгорания, параметры окружающей среды и газообразного топлива. Ко второй группе относятся те данные, которые изменяются при переходе с одного режима работы двигателя на другой, оставаясь постоянными на каждом . из режимов. Эти данные вводятся в программу компьютера в виде уравнений, аппроксимирующих результаты экспериментальных испытаний двигателей подобного типа на частичных нагрузках. Если сведений о рассчитываемом двигателе недостаточно, выполняется аппроксимация изменяющихся исходных данных на базе знаний о закономерностях их изменения с учетом результатов испытаний на холостом ходу и на номинальной нагрузке. Точность оценки изменяющихся исходных данных зависит от наличия теоретических и экспериментальных исследований рассчитываемого типа двигателя или его прототипов. Данные на частичных нагрузках аппроксимируются на компьютере выбранными уравнениями при помощи специальных или стандартных программ. При аппроксимации принимается однофакторная функциональная зависимость изменения данных от эффективной мощности или частоты вращения коленчатого вала. Программа компьютерного расчета газодизеля может быть успешно применена для расчета дизеля и газового двигателя. Алгоритм теплового расчета газодизеля по тепловозной характеристике приведен на рис.1.

Как было показано выше, одной из актуальных научных проблем является совершенствование жидкоазотной технологии охлаждения и регулирования состава газовых сред в изотермических вагонах.

■Ш

(Начало )

неизменяющихся исходны*/ данных_/

.. /)■ аг - Юооо]

4 I

Гв&од дополнительных исходных / /данных для расчета холостого хода/

Расчет количества исходного воздуха, топли■ воЗоэдушной. смеси, продуктов сгорания, газоё 8 начале сжатия, параметров процесса сжатия

А

е t _

'ВЫ интербала изменении температуры конца сжатия

7

Вычисление коэффициентов уравнения для определения мольных теплоемкостей продуктов сгорания при И= const

J t ~"

| Вычисление Jz |

Г Вычисление Р2 и расчет процесса расширения]

А

0

п t

Итерационное вычисление NTp

W

Уж'Цжх.х. Уцв3их.х.

/3

да 23 f2S J

Итерационное вычисление С[ж

вычисление индикаторных и эффективных показателей цикла

J0

Печать данных расчета холостого хода

/ х-2;с/г'(0,5..Л0)/

iut

I

Печать индикаторных и элективных показателей цикла

м I

f BioB W /

¿3_\са_

/ ВШ Пу/, Ыем и остальных 'изменяющихся исходных /

данных /

{Конец )

Рис. I. Алгоритм теплового расчета газодизеля по тепловозной характеристике

-13В диссертации показано, что при использовании жидкого азота создание регулируемой газовой среды с концентрациями ее компонентов , Ссо^.,

С02, которые являются функциями времени г, описывается дифференциальными уравнениями:

У°ТтС°2 + РаЬ ' вУРС°2 + ' <2>

Уо~^Ссо2 =Ясо2 -вур'ссо2 - в0бСсо2' (3)

Ус

где -расход компонента, У0 =—, Ус -свободный ооъем холодильной ' т

камеры, т - масса хранимого (транспортируемого) продукта, ()0а = к-Уа > .

коэффициент герметичности, а, {5- концентрации кислорода в подаваемом азоте и воздухе соответственно, Qyp - объемный расход при равновесном режиме.

Расходы (2со2 и Яо2 зависят от вида хранимого продукта, температуры хранения, а также от концентраций Сс0 и . В системе уравнений (1...3) неизвестными являются Су„,Ссо , С0 при заданных <2а^Ь>Яур> либо <2а> С>Ь' бур ПРИ заданных С^ , Ссо^ , С02. Ввиду С.^ + Ссо^ + С02 = 1 и,

используя балансовое уравнение расходов газов, система (1—3) предопределена. Уравнения (1...3) позволили математически проан&тизировать режим первоначального создания РГС и равновесный режим в изотермических вагонах с ЖАСО, а эмпирические расчеты — оценить расход жидкого азота на создание РГС, захо-лаживание различных грузов и их транспортировку в изотермическом режиме с точностью до 3%.

В связи с внедрением на железнодорожном транспорте низкотемпературных, а также криогенных технологий, использующих нетрадиционные для подвижного состава энергоносители, возникает необходимость разработки оперативных и одновременно высо-

коточных методов контроля режимов работы КТС и ЖАСО. Неотъемлемой частью таких методов являются датчики - первичные чувствительные элементы, которые воспринимают информацию о протекании процессов и преобразуют ее для передачи по каналу связи на регистрирующий прибор или управляющую ЭВМ. Такие датчики должны иметь высокую точность и быстродействие, а также значительный ресурс. Указанным требованиям удовлетворяют датчики диэлектрической проницаемости (г) газов, газовых растворов, жидкостей, в том числе криогенных. Датчики устанавливаются в зоне проведения технологического процесса для его безынерционного контроля.

Диэлектрическая проницаемость как электрофизический параметр вещества несёт не только информацию о термодинамических, калорических и составных свойствах, но и представляет фундаментальный интерес для развития теории поляризации веществ. Основной задачей теории поляризации является установление взаимосвязи между напряженностью макроскопического и микроскопического (локального) электромагнитного поля. Последнее действует на молекулу и обусловлено полями всех зарядов кроме связанных с ней. Указанная задача решается с использованием макроскопического (континуального) приближения, в котором вещество, окружающее рассматриваемую молекулу, имеет макроскопическое значение г и микроскопическое приближение, в котором молекулы диэлектрика представляют статистический ансамбль. Последнее приближение, основные положения которого были сформулированы Киркву-дом и Ивоном, позволяет разработать методики расчета градуировочных характеристик датчика £ неполярных газов, жидкостей и их смесей. Результаты, полученные согласно теории Кирквуда—Ивона, представляются поправочным множителем в формуле Клаузиуса-Массотги:

где р - молярная поляризация, р - молярная плотность, е0 — электрическая постоянная, Ы— пространственная плотность атомов, Г — температура, а - поляризуемость.

Значения S£ определяются разложением по степеням поляризуемости:

= Z«1' S™ . (5)

i-2

Основной вклад в (5) вносит первый член S^ сходящегося ряда, имеющий вид:

S2

-f = bNrI(N r) ~ CN2rJ(Nr), (6)

ar

где Nr —приведенная пространственная плотность молекул, равная NG1, аг - относительная поляризуемость, равная а / ^г^С3 J, G- параметр потенциала Леннарда-Джонса.

Сравнение экспериментальных и расчетных зависимостей S^ (Nг) позволяет определять область применимости последних. Полученные результаты с использованием модели твердых сфер могут быть представлены формулой (6) при I(Nr)= 1, J{Nr)= 1, что соответствует вириалыюму разложению молярной поляризации:

п- п<') -L т><2> „ . о<3> „> 11\

И=Ве+В£р + В£р-+..., (7)

где в'£ , В(£ , В*^ -первый, второй, третий диэлектрические вириальные коэффициенты, отражающие вклады в Р изолированных молекул, бинарных и тройных взаимодействий.

Значения вириальных коэффициентов находят согласно (7) по соотношениям:

B(J> = lim Р; В(2£> = lim Цр-В(Я ВП£> = lim Цр- В™ - В?р) .(8) р-*0 р—>0 Р J р-*0 р2 J

В диссертации показано, что вследствие быстрой сходимости достаточно трех членов разложения (7) для описания результатов экспериментальных исследований неполярных газов и жидкостей, каковыми являются СПГ, метан, азот и их смеси.

Третья глава посвящена комплексу актуальных научно-исследовательских работ по магистральным газотепловозам, работающим на СПГ. Для выявления первостепенных факторов, влияющих на работу криогенного газификатора магистральных газотепловозов, использовались известные методы системного анализа: ранговая корреляция (экспертные оценки) и случайный баланс, на основании которых отобраны первоочередные задачи.

Для исследования работы газификатора на частичных нагрузках газодизеля преобразована расчетная схема движения тепло- и крионосителей (рис. 2).

Основная испарительная и перегревательная часть оборудования газификатора представляет собой комплекс многосекционных теплообменных аппаратов с многоступенчатой передачей теплоты от охлаждающей воды дизеля к СПГ.

Следует отметить, что расчет теплообменных аппаратов производился разработчиком (НПО "Криогенмаш") для расхода газа на номинальном режиме. Однако для тепловозной тяги характерна работа двигателей на переменных режимах, характеризующихся скачкообразным изменением расхода топлива (газа) и изменением температуры охлаждающей воды дизеля. Для этих условий необходима проверка работы теплообменного оборудования с точки зрения возможности обеспечения процессов теплообмена при достижении требуемых параметров подаваемого в дизель газообразного топлива.

Разработанная с участием автора методика расчета газификатора на режимах, отличных от номинального, позволяет определять температуру газа на входе в дизель при любом его расходе и любой температуре охлаждающей воды путем подбора необходимого разделения (коэффициента регулирования) потока газа на "холодную" и "горячую" части, а также изменения уровня заполнения испарителя и температуры воды на выходе.

Компьютерное моделирование тепло-массообменных процессов в газификаторе включают три основные части. Первая — методика расчета вариантных характеристик каждого элемента испарителя и перегревателя с целью определения температур теплоносителей на выходе и уровня СПГ в испарителе для каждого возможного значения температуры охлаждающей воды. Вторая

часть - методика последовательных приближений параметров элементов 1, 2, 3, 4 с целью определения соответствия температур теплоносителей на входе и выходе каждого элемента. Третья часть - методика расчета температуры газа на входе в дизель путем подбора коэффициента регулирования "холодного" и "горячего" потоков. Целесообразным оказалось составление такой программы из отдельных программных блоков (каждый блок соответствует одному из элементов газификатора). В этом виде расчет газификатора производится поэлементно, что значительно упрощает методику последовательных приближений параметров. Расчет каждого программного блока завершается итерацией параметров внутри этого блока и результаты расчета заносятся в матрицу вывода элемента. Кроме отдельных программных блоков составлена общая программа. Алгоритм программы последовательных приближений параметров газификатора представлен на рис. 3.

В программе расчета характеристик газификатора используются подпрограммы расчета термодинамических и теплофизических свойств СПГ. Также составлены специальные подпрограммы расчета необходимых свойств СПГ (коэффициент объемного расширения, нахождение температуры СПГ по заданной энтальпии, изобарная теплоемкость) и подпрограмма расчета термодинамических и теплофизических свойств воды в характерном для газификатора диапазоне параметров состояния. Эти подпрограммы необходимы ввиду некоторых расхождений термодинамических и теплофизических свойств метана и СПГ.

При исследовании и анализе работы безопасных дренажных устройств (БДУ) было уделено внимание недостаточно изученным вопросам:

- о количестве выбросов газа при возможных срабатываниях БДУ, так как сброс газа является потерей дорогостоящего топлива;

- о возможности образования тяжелого облака, состоящего из смеси природного газа и воздуха, что может иметь место при определенных сочетаниях низких температур и концентраций природного газа и воздуха в струе, при которых средневзвешенная плотность смеси больше плотности окружающего воздуха;

^ АТ-/

> АТ-г

Ш Ьи с

1 * сшшчы)

Рис. 2. Схема теплообменников криогенного газификатора: 1 - вторая секция испарителя ИГ—660; 2 — первая секция испарителя ИГ— 660; 3 - первая секция перегревателя АТ-1; 4 - вторая секция перегревателя

АТ-1; 5 - перегреватель АТ-2 _

\ЦслоШ/е данные

£ &; Тз1х X

Принимаем Т,%

1 Характеристика жмеита/ испаритель+перегревателе испаритель

т.

т

£

Характера

тика 2

ТНых

растерт-

тиха 4

Т&

26ЫХ

ши

>0.05

1

\лринимоем Ъ2к

ГЕ

характеристика г 7}6х :

X

т

Щакг^ритиш 3

7? Иы*

—I—

I Т&гТь

\ПШ 60,05

Ш

70,05

7/ь тТг!ы,

1

Характеристика элементов ГШ

I Коней

Рис. 3. Алгоритм программы последовательных приближений параметров газификатора

- 19— о рассеивании газа в атмосфере и влиянии его примеси на воздух рабочей зоны, если, например, сброс из БДУ произошел во время стоянки газотепловоза.

Методология расчета массы и времени выброса газа из БДУ при снижении давления в криоемкости с Р, до Pj опирается на известные газодинамические зависимости при критическом и докритическом течении паров в трубопроводах. Методика усовершенствована автором применительно к работе БДУ на СПГ и предполагает разделение интервала рассчитываемых давлений от Р, до Pj на несколько промежутков, что обусловливает необходимую точность. Для каждого промежутка определяется масса выброса газа, а затем время выброса этой массы при рассчитанной производительности БДУ. Сумма времени и массы выброса по участкам дает общее время и массу выброса газа при снижении давления с Р, до Pj. Разработанные методики были реализованы на ЭВМ. Компьютерное моделирование и расчеты температур газа в струе, выходящей из БДУ, учитывало атмосферную диффузию и проводилось по разработанной методике для начальных скоростей струи 260 м-с"1, 150 м-с"1, 100 м-с~', 10 м с~1, 1 м-с-1, при температурах 165 К, 135 К и 111 К. Эти температуры соответствуют наиболее характерным давлениям (в состоянии насыщения) в криоемкостях (давлению срабатывания предохранительных клапанов - 1,94 МПа, среднему рабочему давлению — 0,5 МПа и наименьшему возможному - 0,1 МПа). В результате расчетов были определены температуры смеси природный газ --воздух в струях, выходящих из БДУ.

При эксплуатации газотепловоза может возникнуть аварийная ситуация (недопустимое повышение давления в резервуарах, повреждение криогенной изоляции и т.д.), при которой необходимо произвести автоматический или ручной выброс в атмосферу газа через БДУ. Если газотепловоз при этом находится на отстое, может возникнуть опасность загазованности выше допустимой нормы природным газом приземных зон на уровне дыхания человека. Для оценки возможности загазованности были проведены расчеты по определению концентраций природного газа в этих зонах с использованием усовершенствованной методики Главной геофизической обсерватории им. Воейкова.

Результаты компьютерного расчета удовлетворительно аппроксимируются уравнением Сп = 0,5Хд^е ^ М - с -А, где А — коэффициент корреляции, учитывающий зависимость Сп (приземная концентрация), Хм (расстояние от источника выброса) от и (скорость ветра). Для определения размеров факела и зоны с взрывоопасной концентрацией природного газа, выпускаемого из БДУ газотепловоза, а также для расчета распределения концентраций газа по длине дуги Ь траектории, использовалось в качестве базового усовершенствованное автором полуэмпирическое соотношение:

О

0,8\~~1\+0,9

п , (9)

где О - диаметр "живого" сечения газосбросного трубопровода, м; С - концентрация газа в относительных единицах объема; П = ^° ,

Рви2

р0 - плотность газа в начальном сечении (срез БДУ), кг-м 3; рв -плотность окружающего воздуха, кг-м-3; V0 - скорость истечения газа из БДУ, м-с~';

р* ,прир* »1, п - 0,25.

Ро

Для концентрации, соответствующей нижнему пределу воспламенения

метана в воздухе (С = 0,05), имеем I* = — = 16,1 • " л/ТЗ .

О \Ро

Используя известные зависимости между изменением температуры резервуаров и теплопритоком к сосудам во времени, получена формула для расчета температуры резервуаров в любой момент отогрева. Прирост температуры резервуаров:

АТ = , (10)

С р(гс

А(2 — теплопригок к резервуару за время Ат, Вт; Ср — теплоемкость резервуара, Дж-кг "'-К-1; Сс - масса резервуара, кг.

Теплоприток к резервуару за время Ат определяется:

где Л - теплопроводность изоляции резервуара, Вт-м~'-К~|; 5- толщина изоляции, м; Рр — средняя эффективная площадь изоляции резервуара, м2; Тн, Тр- температура окружающей среды и холодной поверхности резервуара соответственно, К; Т0 - температура СПГ (после слива СПГ -Тр = Та), К, в остальных случаях: Тр > Т0, Ти > Тр.

Полагаем, что Л и Ср постоянны, тогда

~^р(тн -Тр)лт

АТ„=--, (12)

Р г .п с р «с

АТ-Ср-Сс-5

откуда Лт~-¡г--г (13)

¿■Гр{Тн 'Тр)

или для достаточно малого промежутка времени

С п ' ¿V • 8 ■ сГГ п а? = -£ (14)

Л-Р

Интегрируя по г, получим:

р(Т>< ~ТР) '

гТ Ср-ис- 5 fp

{ Г„ -Тр

о г

ат0, (15)

ср-вс-5

Л-Рр

-1п

(Тн ~Тр){-1)

= Н \1п(тн-Тр)-1п(Ти-Т0)] =

• Рр Тц ~то Тн-Тр

Потенцируя правую и левую часть, получим выражение для расчета температуры резервуара в любой момент времени в процессе отогрева:

1

®"Р(г-го) =

Т.. - Г н pJ

Р с

■V

" о/

Р с

Л_р_

н о

ехр-

(т-г0)ЛГ1 СрОсЗ

(Т» - То)

-1

ехр

СрОсЗ

т =т р »

СТ»~То)

А*1,

(17)

(18)

(19)

(20)

ехр-

СрОс5

По этим уравнениям рассчитано время отогрева верхнего и нижнего резервуаров КТС магистральных газотепловозов до различных температур.

Оценка количества криопродукта (жидкого азота, СПГ) на захолажива-ние резервуаров производится, исходя из общего количества холода, необходимого для охлаждения сосуда и изоляции, а времени захолаживания на базе следующих обоснований:

А Я1

'ОХ/7

^^Р-То)

Тп>Та,

где А =-

8жСГаГр

°сС

в=Аж.

м

тС

М

аКр(Тр-То)~8ж'

(21) (22)

г + С

Г~

(23)

при этом Тр - начальная (перед захолаживанием) температура криогенных резервуаров, К; Т0 - температура криожидкости, подаваемой в сосуд при его захолаживании, К; gж - расход жидкости, подаваемой на захолаживание, кг-сГ1; т — массовая скорость; (7С - масса захолаживаемых сосудов (внутренняя ем-

о

кость), кг; См - теплоемкость материала внутреннего сосуда, Дж-кг~'-К~';

Сг - теплоемкость паров охлаждающей жидкости, Дж-кг^'-К-1; а - усредненное значение коэффициента теплоотдачи от охлаждающего криоагента, Вт-м~"2-КГ'; Рр — площадь поверхности внутреннего сосуда, м2.

При исследовании вопросов, связанных с эксплуатацией газотепловозов, часто возникает необходимость в количественной оценке времени сброса паров СПГ или слива кипящего конденсата сжиженного природного газа по трубопроводам. Так, например, при разработке технологии заправки газотепловозов необходимо рассчитать время, требующееся для заправки криогенных резервуаров вагона-тендера сжиженным природным газом; для прогнозирования загазованности воздуха рабочей зоны депо необходимо знать пропускную способность и время сброса паров СПГ через систему выхлопных трубопроводов криогенных резервуаров и т.п.

Течение СПГ и его паров в трубопроводах может рассчитываться как теплоизолированное в связи с ограниченной длиной трубопроводов, а также наличием изолирующего слоя.

Для адиабатного течения жидкой фазы природного газа с учетом трения в трубопроводе массовая скорость т определяется по преобразованной формуле:

2§

^ + 4,6^(3

Р2 Н2 -104 \pdP- / р2с1Н

Р1 Н1 )

(24)

V 7

где £ - коэффициент сопротивления трассы трубопровода; /? = - отношение удельных объемов в конце п V J ъ начале трубопровода; с1Р - изменение давления текущей среды до Р1 в начале трубопровода до Р2 в конце трубопровода; с1Н — изменение геодезической отметки оси трубопровода, ввиду незначительности йН = 0.

Предварительно строятся зависимости:

Р,

10 \piip и от Р] =Р5 и отношения со- — .

р}

Численное интегрирование выполняется по правилу Симпсона:

Р2 2 Р —Р

104 \рс1Р=104 I " / + +4р +Р ) , (25)

р п-1 6 1 я т п + 1'

где рт определяется при ?т = + Р„ + /)- При таком методе вычисления

понижение энтальпии в результате приращения скорости не учитывается, что является правомерным, так как при расчете трубопроводов СПГ (жидкой фазы) скорости, как правило, меньше 120-7-150 м-с~'.

Коэффициент д = —— определяется методом последовательных приближений, тк - массовая скорость при критическом течении.

Для расчета массовой скорости по разработанной компьютерной программе были определены коэффициенты сопротивления трубопровода слива СПГ из криогенных тендеров магистральных газотепловозов. Зная массовую скорость т и количество метана, которое необходимо слить, можно определить время слива или заправки СПГ по трубопроводу:

т-%- ,(с), (26)

т-Рр

где ^ - расчетная площадь прохода сливного трубопровода, м2.

При исследовании технологии экипировки газотепловозов СПГ были проанализированы четыре варианта, не требующие специальных проектных разработок и фундаментальных сооружений. В первом варианте производится сброс газа (паровой фазы) из резервуаров газотепловоза через безопасное дренажное устройство в атмосферу. Во втором варианте жидкая и газообразная фаза СПГ из резервуаров газотепловоза сбрасывялте.1 г резервуары не полностью заправленных автозаправщиков или вагонов-цистерн, давление в которых при этом повышается до максимально возможного рабочего. В третьем варианте происходит "душирование", то есть подача в паровую подушку резервуаров

газотепловоза холодного распыленного СПГ. В четвертом варианте жидкая и газообразная фаза СПГ из резервуаров газотепловоза сбрасывается в резервуары автозалравгциков или вагонов-цистерн, заполненных жидким азотом, в результате чего происходит выпаривание жидкого азота.

Компьютерный анализ по разработанным методикам и оценка вариантов технолога и экипировки газотепловозов СПГ с использованием материальных и тепловых энергетических уравнений показали, что наиболее оптимальным из рассмотренных вариантов является организация доставки и экипировки СПГ с помощью железнодорожных цистерн объемом 65 м\ Помимо прочего, использование цистерн позволяет организовать хранение в депо резервного запаса СПГ, а также дает возможность, при необходимости, сливать СПГ из газотепловоза в опорожненную цистерну.

При перевозке СПГ к месту заправки газотепловозов должен выдерживаться бездренажный режим. Оценка бездренажного хранения СПГ актуальна и для газификаторов газотепловозов, так как в процессе эксплуатации могут иметь место ситуации, при которых в разное время года возникает необходимость хранения СПГ в резервуаре без отбора жидкой или паровой фазы. Для решения этой задачи автором разработана методика и выполнены оценочные расчеты времени бездренажного хранения СПГ в железнодорожной цистерне и резервуарах криогенной секции с учетом теплопритоков через изоляцию и тепловые мосты в случае различных коэффициентов заполнения криоемкостей. Также разработана методика и проведены расчеты роста давления в резервуарах газификатора для следующих случаев:

1. Начальный коэффициент заполнения емкостей (при 0,1 МПа) Л о ~ 0,68 и

0,75. Начало хранения соответствует моменту после подъема давления до 0,6 МПа при увеличении коэффициентов заполнения соответственно до г) ■=0,75 и 0,83 и равновесного прогрева жидкости.

2. Начальный коэффициент заполнения емкостей (при 0,1 МПа) г\о-0,63 и 0,75. Начало хранения соответствует моменту после подъема давления до 1,4 МПа при увеличении коэффициентов заполнения соответственно до

-26-

t]H = 0,7-5 и 0,9 и равновесного прогрева жидкости.

3. Для вышеперечисленных случаев рассчитывался рост давления для наружных температур, характерных для предполагаемого района испытаний тепловозов (г. Луганск): средняя максимальная температура наиболее жаркого месяца +29,1°С, абсолютно-максимальная +41°С, средняя температура наиболее холодного периода -10°С .

Кроме того, рассчитывался рост давления в резервуарах газификатора при воздействиях на них открытого пламени (без нарушения целостности изоляции). При этом температура наружной поверхности резервуаров принималась равной 873 К и 1473 К, согласно рекомендациям нормативной литературы.

В диссертации проведена оценка устойчивости работы газотепловоза при переходе питания дизеля с дизтоплива на СПГ. По результатам исследования разработаны технические предложения для подготовки и проведения приемочных и эксплуатационных испытаний опытных магистральных газотепловозов.

В четвертой главе на основании предыдущих теоретических положений, разработанных автором, представлены экспериментальные и методологические исследования и результаты испытаний при конвертировании маневровых тепловозов на сжиженный природный газ. На рис. 4 показана схема экспериментального стенда, моделирующего процессы в КТС с использованием жидкого азота и промежуточных теплоносителей (фреон-12, вода) в жидком и твердом состояниях.

Принципы моделирования стенда опирались на данные теплового расчета газодизеля маневрового газотепловоза и основные положения теории подобия. При создании экспериментального стенда (модели КТС) было соблюдено геометрическое и кинематическое подобие, показан вывод уравнений гидродинамического и теплового подобия и рассчитаны одноименные множители подобного преобразования, учитываемые в уравнениях подобия для модели. При рассмотрении движения газообразной фазы принимался во внимание эффект сжимаемости среды с учетом уравнений подобия Маха и гомохронности . В диссертации приведены рассчитанные множители подобного преобразования в

сходственных точках модели и натуры. Кроме этого, числа Ле, Рг, N11 и их соотношения использовались в разработанных методиках позонного теплового расчета теплообменных аппаратов модели и КТС газотепловоза.

Хранение модельного рабочего тела - жидкого азота - осуществляется в криоемкостях. Узел газификации предназначен для испарения, перегрева и стабилизации температуры азота при изменении его расхода в пределах, необходимых для бесперебойной работы газодизеля на переменных режимах эксплуатации, а также регулирования давления рабочего тела на выходе из системы. В связи с отсутствием в настоящее время надежных методик расчета теп-лообменного оборудования для стабилизации термодинамических параметров крионосителей при резкопеременных их расходах были использованы экспериментально-теоретические зависимости, полученные в работах Хоблера и сотрудников, в результате исследования процессов теплопередачи при испарении в гладких трубах на криогенном уровне температур. Использование этих зависимостей, разработка позонного расчета теплообменных аппаратов, многофакторное конструкторско-технологическое моделирование и экспериментальная проверка создаваемых теплообменников с использованием жидкого азота и СПГ позволили существенно повысить точность разработанной методики.

Порядок работы экспериментального стенда (рис. 4) заключается в следующем. Жидкий азот из узла хранения (ЦГК-1,6/0,25, ЦТК-0,5/1,6) подается в стабилизатор 1, протекает по трубкам верхнего змеевика, охлаждая их стенки до температуры, гораздо ниже точки замерзания водного теплоносителя. В результате на верхнем змеевике образуется лед. Из стабилизатора жидкий азот поступает в перегреватель 2, затем в газообразном состоянии через ресивер 3, регулятор давления РД и догреватель 4 направляется обратно в стабилизатор. По нижнему змеевику стабилизатора движется поток газообразного азота, перегретого в перегревателе до температуры 283...313 К. -

За счет разности температур воды у верхнего и нижнего змеевиков происходит интенсивный конвективный теплообмен, в результате которого выходящий из стабилизатора поток газообразного рабочего тела имеет температуру 278 К. В качестве регулятора давления (РД) применяется система пяти парал-

лельно соединенных редукторов, которые предназначены для понижения давления с 25...15 МПа до 0...1,2 МПа и поддержания этого давления с точностью Ю-3 МПа. Понижение давления азота в редукторе происходит путем одноступенчатого дросселирования газа, что сопровождается снижением его температуры. Для последующего повышения температуры на стенде применяется дог-реватель 4, в котором греющим теплоносителем является дистиллированная вода, поступающая из части стенда, имитирующей водяную систему охлаждения дизеля.

Для контроля и регистрации процессов теплообмена в газовом трубопроводе установлены медь-константановые термопары Т1...Т6. Контроль температуры воды в перегревателе 2 и догревателе 4 осуществляется по показаниям термометров сопротивления ТД7 и ТД8. Для автоматического поддержания температуры воды в догревателе в заданном интервале величин используется устройство, состоящее из регулятора температуры РТ-14 типа "Оапйк" и электромагнитного клапана 8У1. Для измерения малых расходов газа (азота, метана) на стенде использована двойная дроссельная диафрагма в комплекте с преобразователем "Сапфир".

Проведенные эксперименты позволили определить величины объемных расходов газообразного азота с учетом их значений по позициям контроллера газотепловоза при рабочих параметрах: температурах - 278; 283; 288; 293; 298 К; давлениях - 0,2; 0,4; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2 МПа.

Аппроксимация обработанных по закону нормального распределения экспериментальных данных оказалась возможной при помощи полуэмпирического уравнения О% = А • е~р , где А - постоянная, варьируемая в зависимости от позиции контроллера. Например, для первой позиции А изменяется от 1,82 до 2,09 в интервале давлений Р= 1,2...0,6 МПа; для восьмой позиции постоянная А располагается в интервале (5,28...5,88)-101 для того же диапазона изменения давления.

Кроме этого, по известным методикам был проведен гидравлический расчет трубопроводов для азота, который позволил оценить изменение падения

давления в отдельных элементах стенда и во всем трубопроводе до выхода из стенда газообразного азота. Расчеты были подтверждены опытным путем.

Для учета резкопеременных режимов работы маневрового газотепловоза необходимо было также доказать способность созданного стенда следовать этим режимам: определить время роста и снижения расхода при переходе с первой позиции контроллера на восьмую и наоборот, а также при переходах промежуточных позиций.

Следует отметить, что основная масса экспериментов проводилась при автоматическом поддержании и измерении давлений, температур и расходов с помощью разработанного нами устройства.

Полученные расходно-временные характеристики представлены на рис.5 для давления 0,8 МПа. Максимальное время роста расхода при имитации перехода с первой на восьмую позицию составляет 1,75 с. Снижение расхода с максимального (8—я позиция) на минимальный (1-я позиция) происходит за 1,8 с. Время роста и падения расхода на промежуточных позициях ниже и составляет от 0,4 с до 1,5 с. Рост и падение расхода при переходе с позиции на

позицию определяется мгновенным значением дQд|дт, то есть углом наклона

соответствующей прямой к оси т. Наибольшие мгновенные значения д(2л/сЬ, то есть максимальная интенсивность роста (падения) расхода наблюдается при переходе с первой на восьмую позицию и наоборот.

Расходно-временные характеристики экспериментального стенда получены во всем диапазоне указанных выше температур и давлений и удовлетворяют режимы работы газодизеля.

По результатам теплового расчета газодизеля и исследований на стенде была разработана система дозирования газообразного топлива в газодизель маневрового тепловоза: с использованием известных уравнений процесса истечения произведен расчет системы подачи газа в цилиндр газодизеля, создана и испытана электронная система управления дозированием и распределением природного газа по цилиндрам газодизеля (СУДРГ).

Вышеизложенные теоретические обоснования, опытные данные, полу-

Рис. 4. Схема экспериментального стенда, моделирующего процессы в КТС: 1 - стабилизатор; 2 - перегреватель; 3 - ресивер; 4 - догреватель; 5 - бак запаса воды; 6 — подпиточный бачок; 7 - расходомер; 8 - ТЭН

Рис. 5. Расходно-временные характеристики экспериментальной КТС: () - действительный расход азота, IV— позиция контроллера, г-время

ченные на экспериментальном стенде, и многовариантные расчеты распределения нагрузок от размещаемого, снимаемого или перемещаемого криогенного и газового оборудования были реализованы на экспериментальном маневровом газотепровозе типа ТЭМ-2. Работы по переоборудованию дизеля тепловоза в газодизельный вариант выполнялись совместно с учеными Харьковского института инженеров транспорта.

В результате исследований и реостатных испытаний газотепловоза получены экспериментальные данные (параметры) КТС по позициям контроллера. Зависимость действительного расхода природного газа от частоты вращения коленчатого вала двигателя надежно аппроксимируется уравнением —— = В, где В

дп

- постоянная, которая для исследуемого газодизеля равна В = 5,26. Для оценки фазового состояния криогенного топлива привлечены измерения его е. Значения диэлектрической проницаемости Бспг , измеренные в высокоемкостных

ячейках КТС газотепловоза составляют соответственно £ия, - 3,5251 (жидкая фаза); еия2 = 1,0009; Сияз = 1,0006 (газообразная фаза), что согласуется с теоретическими положениями и экспериментальными данными (Гл.2,6).

В диссертации решена задача о разделении функций безопасных дренажных устройств (БДУ) КТС. Для анализа основных факторов, влияющих на работу КТС маневрового газотепловоза, использовались разработанные в гл. 3 методологические положения. Кроме этого, опираясь на аксиомы вероятности логически связанных событий и, принимая во внимание правило умножения вероятностей, в диссертации проведена оценка вероятности возникновения взрыва (пожара) на маневровых газотепловозах и показано, что эта вероятность составляет 4 • 10"7 в течение года, что ниже допустимого ГОСТ значения -10"6.

В диссертации проведена оценка безопасности сброса давления до атмосферного в газонаполнительных элементах КТС. При этом показано, что при максимальной разности температур газа и воздуха, обуславливающих образование газо - воздушной смеси, концентрация газа в смеси составляет 62%, по-

этому смесь юрывобезопасна.

Экспериментально подтверждены методологические положения расчета бездренажного хранения СПГ в криоемкостях КТС маневрового газотепловоза.

В пятой главе освещены работы по совершенствованию, созданию и испытаниям жидкоазотной системы охлаждения, циркуляции и регулирования состава газовых сред в изотермических вагонах в процессе экспериментальных перевозок различных грузов. Опираясь на теоретические обоснования, принимая во внимание патентные исследования, отечественный и зарубежный опыт, на базе полученных автором и сотрудниками патентов создана ЖАСО (рис.6,7), обеспечивающая равномерный температурный, циркуляционный и оптимальный газовый режимы в изотермических вагонах. На рис.6 представлен изотермический вагон 1 с жидкоазотной системой охлаждения (АЖВ).

Подача жидкого криоагента из емкости 2 к распылительным форсункам 4, установленным на концах трубок 3, осуществляется регулировочным вентилем 10, управляемым датчиком 11 температуры, через трубы 9, 5, 6, 7 и 8, представляющие собой распределительный коллектор, который выполнен в виде ряда горизонтальных, параллельных трубопроводов, оканчивающихся 32-мя фторопластовыми форсунками. Суммарная длина трубопроводов на пути движения азота от цистерн до каждой форсунки одинакова, что обусловливает равенство термодинамических и количественных параметров вытекающего из форсунок в направлении к боковым стенам грузового помещения вагона 7 (рис.7) азота, который далее через зазоры ложного потолка 3 опускается вниз и направляется под напольные решетки 8. Было теоретически обосновано и экспериментально установлено, что в зависимости от режима работы (термостатирование, захолаживание) ЖАСО обеспечивает расход азота от 0,005 до 0,05 mV1 соответственно, при нормируемой величине герметичности рефрижераторных вагонов 0,011 м3-с~' (Ризб. ~ 50 Па). Очевидно, что в режиме

захолаживания холодопроизводительность азота будет использоваться не полностью, и еще "холодный" криоагент будет проникать через неплотности грузового помещения. Для сокращения расхода хладагента была предложена такая

система сброса и циркуляции газовой смеси, которая в комплекте с вышеизложенным распределительным коллектором обеспечивает эффективную работу всей азотной системы охлаждения.

Для этого в верхней части грузового помещения (рис.7) над распределительным коллектором 1 установлен сплошной экран 2, имеющий зазор "в" значительного гидравлического сопротивления для прохода газовой смеси. Над экраном по всей длине вагона располагается перфорированный трубопровод 4, соединенный через газосбросной клапан 5 с дефлектором 6. Ложный потолок грузового помещения 3, установленный с зазором "а" к боковым стенам вагона, образует проход меньшего гидравлического сопротивления, чем в зазоре "в". Ложный потолок образован двумя панелями, имеющими зазор между собой "2а" еще меньшего гидравлического сопротивления, через который и осуществляется отвод отработанной "отепленной" газовоздушной смеси.

Циркуляция и вентиляция грузового помещения осуществляется следующим образом. Струи жидкого азота при распылении засасывают за счет эжекционного эффекта через центральные щели ложного потолка отепленную газовоздушную смесь, поднимающуюся через штабель груза. Газообразный хладагент, находящийся между экраном и ложным потолком, в этот поток не вовлекается, так как зазоры "в" имеют большую величину гидравлического сопротивления.

Криволинейная поверхность экрана, обращенная выпуклостью вниз, направляет "теплые" восходящие потоки газовой смеси и образует "емкость" для отработавшего хладагента, поступающего в теплую зону над экраном из грузового помещения. Газовая смесь будет накапливаться в зоне над экраном, откуда затем удаляться через трубопровод газосброса 4, сбросной клапан 5 и дефлектор 6 по сигналу термодатчика 10.

В диссертации показаны пути дальнейшего совершенствования ЖАСО и методологические особенности экспериментальных перевозок продукции макетным и опытными изотермическими вагонами в сравнении с традиционными АРВ. Один из опытных АЖВ, переданных РГУПС для эксплуатационных испытаний, был оборудован вышеописанным распределительным коллектором и

Рис.7. Система циркуляции и газосброса в изотермическом вагоне

Рис.6. Изотермический вагон с жидкоазотной системой охлаждения: а) вид в плане: б) продольный разрез

системой циркуляции газовой смеси. Предваряя экспериментальные исследования вагонов с ЖАСО с использованием вышеизложенных теоретических положений (были рассчитаны: общий расход жидкого азота на захолаживание груза, поддержания температурного режима, создания РГС, потерь из-за негерметичности вагона, а также определены удельные расходы азота на единицу груза в час. Сопоставление рассчитанных и полученных в результате эксперимента указанных величин позволило оценить погрешность расчета в 3,0 % .

Для определения воздействия на перевозимый груз температурно— влажностных и иных факторов осуществлялся контроль следующих параметров: температуры грузового помещения и наружного воздуха; состава газовой среды грузового помещения; относительной влажности воздуха.

Оценка работы жидкоазотной системы охлаждения изотермических вагонов проводилась по приведенным показателям: удельный расход жидкого азота на охлаждение груза до заданной температуры и поддержания установленного температурного режима; равномерность температурного поля; продолжительность охлаждения груза до заданной температуры; величина потерь скоропортящейся продукции. Результатами обработки экспериментальных данных являются основные характеристики статистических рядов полученных экспериментальных значений.

После размещения в макетном и одном из опытных АЖВ коллекторной системы нашей конструкции, сцеп вагонов использовался для нескольких опытных перевозок продукции. Разность температур в фиксированный момент времени в различных точках грузового помещения опытных АЖВ достигала 5,5 К в период окончания захолаживания груза и снижалась до 2,0...2,5 К в режиме изотермической транспортировки. Нестабильность температур при использовании эжекторной системы распределения достигала 6...8 К, особенно в начальный период захолаживания груза, и снижалась до 4...5 К в изотермическом режиме.

Уровень и стабильность температур в АЖВ с коллекторной системой РГУПС были достигнуты через 6 часов после начала захолаживания груза и практически не менялись в процессе всей транспортировки. Причем, при со-

хранении качества груза температурный режим удалось поднять в некоторых поездках до +8°С.

О существенном выравнивании режима при коллекторной системе охлаждения можно судить по более стабильному изменению относительной влажности и концентрации кислорода.

Кроме этого ^ были получены следующие значения удельных расходов жидкого азота (обработаны методами математической статистики): фактический удельный расход в АЖВ с коллекторной ЖАСО составил 2,96 кг (т км-сутки)"1, удельный расход в АЖВ с эжекторной ЖАСО - 3,86 кг (т-кмсутки)"1.

Анализ заложенных контрольных мест показал, что величина естественной убыли, например, перца составила 2,62%, а гнили — 1,88% в АЖВ с коллекторной ЖАСО и 3,15% и 2,48% соответственно в АЖВ с эжекторной ЖАСО. Эти же показатели для контрольного АРВ составили 9,21% и 7,88% соответственно. При транспортировке яблок позднего срока созревания суммарные потери составили: в АЖВ с коллекторной ЖАСО — 0,76%; в АЖВ с эжекторной ЖАСО - 0,97%; в контрольном АРВ - 1,55%.

Таким образом, эксплуатация двух опытных образцов изотермических вагонов с ЖАСО, изготовленных ПО БМЗ в 1990-91 г.г., в одном из которых система распределения жидкого азота и система газосброса были переоборудованы в соответствии с нашими рекомендациями, а также результаты опытных перевозок скоропортящихся грузов, полученные на макетном АЖВ и контрольном АРВ, позволяют сделать следующие выводы:

1. Изотермические вагоны с жидкоазотной системой охлаждения более просты по устройству, надежны в эксплуатации, обеспечивают высокое качество перевозимых продуктов, в том числе плодоовощей и фруктов потребительской степени зрелости в удаленные пункты Севера и Востока страны.

2. Температурный режим перевозки плодоовощей в изотермических вагонах с жидкоазотным охлаждением, а также и в рефрижераторных вагонах с инертной средой можно повысить до +8°С без снижения товарных потребитель-

ских качеств плодов, что позволяет соответственно снизить расход азота. 3. Сравнение АЖВ с эжекторной и коллекторной системами распределения и циркуляции выявило ряд преимуществ последней:

— упрощение конструкции за счет ликвидации испарительных теплообменников, регуляторов температуры и соответствующей арматуры и, как следствие, повышение надежности системы при сокращении ее металлоемкости;

— обеспечение равномерного температурного и оптимального газового режима транспортировки грузов;

— равенство параметров азота, впрыскиваемого всеми форсунками, при питании из одного или обоих машинных отделений;

— одинаковость поперечных контуров циркуляции азота в грузе по всей длине вагона;

— уменьшение количества влаги, поступающей на верхний слой груза при оттаивании коллектора, поверхность которого в несколько раз меньше поверхности испарительных теплообменников;

— обеспечение надежного удаления отработавшей газовоздушной смеси.

В шестой главе представлены результаты разработки диэлькометриче-ского метода контроля состава и фазового состояния крионосителей, применяемых в КТС газотепловозов и ЖАСО изотермических вагонов. Опираясь на систематизированные автором теоретические обоснования, а также принимая во внимание ограниченность экспериментальных данных по е веществ в области криогенных температур, создан экспериментальный стенд, отработана методика прецезионных {5с = 0,01...0,001%) измерений е. Последнее достигнуто разработкой высокоемкостной многоцилиндровой измерительной ячейки (С0= 1327,5 рБ).

С высокой точностью измерена диэлектрическая проницаемость насыщенных паров азота и метана, а также перегретых паров указанных криоагеитов (рис.8) в диапазоне температур и давлений: 7"= 91...340 К, Р = 0,10...0,20 МПа -для азота и Т= 95...240 К, Р = 0,10...0,22 МПа для метана, а также жидкой сме-

сн метана и азота при концентрациях компонентов и параметрах состояния, характерных для криогенных топливных систем. Разработанные конструкции высокоемкостных измерительных ячеек применялись для оценки фазового состояния СПГ на газотепловозах и могут использоваться для контроля параметров РГС в изотермических вагонах с ЖАСО.

Используя экспериментальные данные по е метана и азота в жидкой и паровой фазе на линии насыщения, были рассчитаны значения молярной поляризации с использованием уравнения (7). Накопление экспериментальных данных по Р при различных параметрах состояния и для различных веществ является актуальной научной задачей, позволяющей с высокой степенью точности определять плотность крионосителей и их смесей. Кроме этого, значения Р используются для нахождения первого, второго и третьего диэлектрических вириальных коэффициентов, определяющих вклады в величины молярной поляризации изолированных молекул, парных и тройных взаимодействий.

Седьмая глава посвящена технико- и эколого—экономическим обоснованиям применения традиционных и низкотемпературных технологий на подвижном составе железнодорожного транспорта.

На базе экспериментальных данных доказаны преимущества применения СПГ на тепловозах и ЖАСО в изотермических вагонах с точки зрения воздействия на окружающую среду.

Для стоимостной оценки экологических, а следовательно и социальных результатов при проведении мероприятий по защите атмосферы от выброса вредных веществ использовались современные методологические положения. При этом стоимостная оценка производилась по формуле:'

где Кии - коэффициент индексации; р— коэффициент экологической ситуации и экологической значимости; V - норматив платы за выброс 1 тонны загрязняющих веществ; 5— показатель относительной опасности загрязнения атмосферного воздуха над территориями различных типов;

1 = П

(27)

1=1

б) а) Рис.8. Зависимость диэлектрической проницаемости криоагента от давления и температуры:

а) азот; б) метан

/—коэффициент, учитывающий характер рассеяния примеси в атмосфере; А/ - показатель относительной активности примеси 1-го вида; т^, т21 — среднегодовые массы загрязняющего вещества /-го вида, поступающие в атмосферу, соответственно до и после осуществления природоохранных мероприятий.

В диссертации показано, что стоимость ущерба окружающей атмосфере при переводе одного маневрового тепловоза на СПГ может быть снижена на 46,5 млн. руб. год-1.

Годовая расчетная технике - и эколого - экономическая эффективность от использования изотермического вагона с ЖАСО с учетом эксплуатационных затрат и сокращения потерь продукции составляет около 532 млн. руб. год"'.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В итоге настоящего комплексного исследования научно обоснованы технические, технологические и эколого - экономические решения по использования низкотемпературных технологий на подвижном составе железнодорожного транспорта, которые вносят существенный вклад в ускорение научно - технического прогресса и имеют важное народно-хозяйственное значение.

Общим итогом диссертационной работы явились теоретические разработки, которые составили научную основу усовершенствованных подходов к тепловым, гидро,-газодинамическим, энергетическим и массообменным расчетам рабочих и технологических процессов в дизельных двигателях, тепло,-массообменном оборудовании, использующем криогенные носители, а также стали базой при внедрении низкотемпературных и криогенных технологий на маневровых, магистральных тепловозах и автономных изотермических вагонах.

В процессе выполненного исследования получены следующие основные результаты:

1. Разработаны системотехнические, методологические положения и проведены теоретические исследования технологических процессов в тепло,-массообменных элементах криогенных топливных систем, показана возможность применения обобщающего алгоритма теплового расчета газодизе-

лей маневровых и магистральных газотепловозов, результаты которых были использованы заводами-изготовителями при создании и испытаниях газотепловозов.

2. Выполнен теоретический анализ параметров процесса охлаждения и регулирования состава газовых сред в изотермических вагонах с жидкоазотными системами охлаждения.

3. Разработаны теоретические и методологические основы контроля режимов работы криогенных топливных систем и жидкоазотных систем охлаждения с использованием молекулярно-статистической и континуальной теорий поляризации веществ и исследований электрофизических свойств крионосите-лей.

4. Систематизированы конструктивные и технологические особенности криогенных топливных систем и газификаторов сжиженных газов, проанализирован опыт применения жидкоазотных систем охлаждения, выделены основные факторы негативного влияния традиционного подвижного состава на состояние окружающей среды и показаны возможности существенного улучшения экологических показателей подвижного состава при использовании низкотемпературных и криогенных технологий.

5. Разработаны принципы и показаны пути практической реализации решений по усовершенствованию системы распределения и циркуляции жидкого азота в автономных изотермических вагонах.

6. Обоснованы и доказаны на практике достоинства созданной коллекторной системы распределения и циркуляции азота для опытных изотермических вагонов по сравнению с эжекторной в процессе опытных перевозок продукции экспериментальным сцепом.

7. Проведена сравнительная оценка и показаны преимущества низкотемпературных технологий по сравнению с традиционными при оценке ущерба, окружающей среде.

8. Создана экспериментальная база для практической реализации полученных автором теоретических обоснований: - экспериментальный стенд, моделирующий процессы в КТС газотепловозов; - коллекторная система охлажде-

ния и макетный изотермический вагон с ЖАСО; - экспериментальный стенд для исследования электрофизических свойств крионосителей.

9. Переоборудован и испытан экспериментальный маневровый газотепловоз ТЭМ-2у, использующий в качестве топлива сжиженный природный газ, позволяющий при работе по газодизельному циклу экономить дефицитное жидкое нефтяное топливо и снизить содержание в отработавших газах токсичных составляющих: N0^ на 51%, СО на 45%, твердых частиц (сажи) на 80%. Разработаны рекомендации по организации безопасной эксплуатации и техническому содержанию маневровых газотепловозов.

10. Разработана и согласована "Методика проведения приемочных эксплуатационных испытаний опытных образцов вагонов с ЖАСО". Разработаны проекты нормативно-технических и организационно-руководящих документов, необходимых для проведения заводских, пробеговых и эксплуатационных испытаний опытных газотепловозов на путях МПС: "Опытные газодизельные тепловозы 2ТЭ116Г, 2ТЭ10Г, работающие на СПГ. Программа эксплуатационных испытаний"; "Технические предложения по оборудованию полигона эксплуатационных испытаний опытных газотепловозов"; "Технические предложения по переводу тепловозной тяги в районе г. Оренбурга на СПГ".

11. Разработанные в диссертации теоретические положения, методики, алгоритмы прикладных задач, а также результаты экспериментального исследования явились основой для расчетов, создания и внедрения опытных образцов подвижного состава, использующего низкотемпературные и криогенные технологии. Результаты внедрения подтверждают обоснованность теоретических разработок и достоверность материалов исследования.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ

1. Комиссаров К.Б. Конструктивные и технологические особенности газификаторов сжиженных газов и криогенных топливных систем для транспортных двигателей. Монография. -Ростов н/Д.: РГУПС. 1996.-164с.

-432. Голованов A.B., Комиссаров К.Б. Расчет рабочего процесса газодизеля. Учебное пособие. -Ростов н/Д.: РИИЖТ.1988.-76с.

3. Комиссаров К.Б. Применение криогенной техники на железнодорожном транспорте. -М.:Деп. ЦНИИТЭИ.№ 5142.1990.-27c.

4. Комиссаров К.Б. Некоторые вопросы использования сжиженного природного газа на железнодорожном транспорте. -М.:Деп. ЦНИИТЭИ. № 4148.1989.-22с.

5. Комиссаров К.Б. Основные направления применения криогенной техники на

железнодорожном транспорте. Межвузовский сбор. науч. трудов "Актуальные проблемы железнодорожного транспорта".-Ростов н/Д.: РГУПС. 1995.С.82...86.

6. Комиссаров К.Б. Эколого - экономические показатели подвижного состава,

использующего криогенные технологии. Межвузовский сбор. науч. трудов "Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды ". -Ростов н/Д.: РГАСМ. 1997.С.21 ...23.

7. Комиссаров К.Б., Муравлев И.О., Орлик Т.В., Фролов А.Б. Эффект отбора теплоты сжиженным природным газом от системы охлаждения дизеля. -М.:Деп. ЦНИИТЭИ.№ 3650.1986.-7c.

8. Комиссаров К.Б., Казинян Г.Г., Моисеенко А.Э., Муравлев И.О. О захолажи-вании криогенного оборудования газотепловозов. -М.:Деп. ЦНИИТЭИ. № 3760. 1986.-9С.

9. Комиссаров К.Б., Муравлев И.О., Фролов А.Б. Макет криогенной топливной системы маневрового тепловоза. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технич. конференции "Перспективы развития комбинированных двигателей и двигателей новых систем и на новых топливах". -М.:МВТУ им.Баумана. 1987.С.91.

10. Комиссаров К.Б., Ветчинкин В.Е., Кууск А.Б. Методы стабилизации температуры продукта газификации в криогенных топливных системах. -М.:Деп. ЦНИИТЭИ.№ 4257.1988,-Юс.

П.Комиссаров К.Б., КуускА.Б., Муравлев О.И., Фролов А.Б., Моисеенко А.Э. Макет криогенной топливной системы маневрового газотепловоза. -М.:Деп. ЦНИИТЭИ.№ 4243.1988.-9c.

-4412. Комиссаров К.Б., Фролов А.Б., Муравлев И.О., Моисеенко А.Э. Конверта рование маневрового тепловоза на сжиженный газ. Тезисы Всесоюзной на учно-технической конф. "Альтернативные топлива в двигателях внутрен него сгорания".-Киров.:1988.С.103...Ю4.

13. Карминский В.Д., Комиссаров К.Б., Ворон O.A. Результаты испытаний изо термического вагона с жидкоазотной системой охлаждения. Тезисы ХХ1\ Общесетевой научно-технич. конф. "Совершенствование эксплуатацион ной работы на железнодорожном транспорте с применением ЭВМ". -М.:1988.С.43...44.

14. Карминский В.Д., Комиссаров К.Б., Муравлев И.О. Исследование криоген ной топливной системы газотепловоза. Тезисы Всесоюзной научно-практической конф. "Проблемы энергетики транспорта". -М.: 1988.С.32.

15. Комиссаров К.Б., Моисеенко А.Э., Муравлев И.О., Фролов А.Б. Экспери ментальная установка для исследования электрофизических свойств сжиженных газов. Сб. научн. трудов "Вопросы теплоэнергетики и криогенно! техники". -Ростов н/Д.: РИИЖТ.1988.С.37...39.

16. Комиссаров К.Б., Ворон O.A., Охотников A.B., Соловьев В А. Анализ результатов испытаний жидкоазотной установки для автономного изотерми ческого вагона. Сб. научн. трудов "Вопросы теплоэнергетики и криогенно! техники". -Ростов н/Д.: РИИЖТ.1988.С.45...50.

17. Карминский В.Д., Сидоров A.M., Комиссаров К.Б., Ворон O.A., Шарден-ков Е.Д., Ферштер Е.Б. Холодильная камера. A.c. СССР. № 597503 кл.Г25ДЗ/10,17/06.1990.-4с.

18. Карминский В.Д., Комиссаров К.Б., Сидоров A.M., Ворон O.A., Шар денков В.Д., Ферштер Е.Б. Холодильник для продуктов. A.c. СССР. N 1597504, кл.Г25ДЗ/10,17/06.1990.-Зс.

19. Комиссаров К.Б., Орлик Т.В., Дмитриев A.B. Испарение метана из емкост! при транспортировке. -М.:Деп. ЦНИИТЭИ.№ 5002.1989.-8c.

20. Комиссаров К.Б., Муравлев И.О., Моисеенко А.Э., Фролов А.Б., Финоченкс В.А. Макетный образец маневрового газотепловоза, работающего на СПГ Тезисы III Всесоюзной научно-технической конф. "Проблемы развита;

-45-

локомотивостроения". -Луганск.: 1990.С.29.

11. Комиссаров К.Б., Моисеенко А.Э. Оптимизация контроля параметров состояния и состава топлива в криогенных топливных системах. Тезисы III Всесоюзной научно-техн. конф. "Проблемы развития локомотивострое-ния". -Луганск. :1990.С.29.

Ч. Ворон O.A., Сидоров A.M., Карминский В.Д., Комиссаров К.Б., Ферштер Е.Б. Холодильная камера. А. с. СССР. № 1645795, кл.Г25Д 13/00, В60РЗ/20.1991 .-4с.

"3. Комиссаров К.Б., Карминский В.Д. Маневровый тепловоз, работающий на криогенном топливе (сжиженном природном газе). Тезисы конф. "Автогаз-91".-Паланга.:1991.С.23...25.

4. Комиссаров К.Б., Фролов А.Б. Способ заправки маневрового газотепловоза сжиженным природным газом. Тезисы Всесоюзной научно-техн. конф. "Актуальные проблемы развития двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок". -Ленинград.:1990.С.70...71.

5. Комиссаров К.Б., Моисеенко А.Э. Экспериментальный стенд для исследования электрофизических свойств криоагентов. -М.:Деп. ЦНИИТЭИ.

№ 3956-В91.1991 -10с.

6. Комиссаров К.Б., Кууск А.Б., Муравлев О.И., Фролов А.Б. Криогенная топливная система для магистральных тепловозов, конвертируемых на сжиженный природный газ.-М.:Деп.ЦНИИТЭИ.№ 3651.1986.-9с.

7. Карминский В.Д., Комиссаров К.Б., Логушков В.В. Способ разработки морских газогидратных залежей. A.c. СССР№ 4859394/03.1991.—4с.

8. Карминский В.Д., Комиссаров К.Б., Филь Е.С., Соломин В.А. Сосуд для хранения криогенной жидкости. Патент РФ № 2022203.1994.-4с.

9. Карминский В.Д., Комиссаров К.Б., Носков В.Н. Силовая установка транспортного средства. Патент РФ № 2007305.1994-Зс.

0. Карминский В.Д., Филь Е.С., Соломин В.А., Комиссаров К.Б. Хранилище для сжиженных газов. Патент РФ № 2027943.1995.-4с.

1. Карминский В.Д., Соломин В.А., Калинченко С.Ю., КомиссаровК.Б. Устройство для обработки воздуха. Патент РФ № 2014875 С1.1994.-5с.

32. Карминский В.Д., Соломин В.А., Филь Е.С., Комиссаров К.Б., Калинчен-коС.Ю. Устройство для обработки воздуха. Патент РФ Кг 2056141 Cl.1996.-7c.

33. Карминский В.Д., КомиссаровК.Б., Ворон O.A. Совершенствование жид-коазотной системы охлаждения в изотермических вагонах. Межвузовский сбор. науч. трудов "Совершенствование конструкций, технического обслуживания и ремонта подвижного состава в современных условиях". -Ростов н/Д.: РГУПС. 1995.С.32...37.

34. Комиссаров К.Б., Дмитриев A.B., Вершинин A.J1. Оценка надежности маневровых тепловозов, работающих на сжиженном природном газе. Межвузовский сбор. науч. трудов "Повышение надежности и долговечности транспортных узлов и систем".т.1.-Ростов н/Д.: РГУПС.1997. С.14...18.

35. Комиссаров К.Б., Магнитский Ю.А., Фролов А.Б. Вопросы использования струйных аппаратов в криогенных топливных системах. Тезисы Всесоюзной научно-практической конф. "Проблемы энергетики транспорта". -М.: 1988.С.86...87.

36. Комиссаров К.Б., Фролов А.Б., Черников В.В. Струйный аппарат. A.c. СССР. № 1543128.1989.-2c.

Личный вклад. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит: в / 2, 7...16, 19...21, 23...26, 33...35/ постановка задачи исследования и ее теоретическое обоснование, разработка методологических и технических решений проблемы, планирование и участие в экспериментальных работах, обработка данных, их анализ, выводы, предложения; в /17, 18, 22, 27...32, 36 / анализ патентных материалов, разработка теоретических предпосылок, систематизация способов и конструкций устройств, обоснование новизны при составлении формул изобретений и материалов заявок на изобретения и патенты. Разработка оптимальных путей практической реализации запатентованных решений.

Автор выражает благодарность д.т.н., проф. В.Д. Карминскому за консультации и помощь при выполнении диссертации.

Л U.I.

. ' * ; и. fi л тт у ч В А К Г-.1... о

/т( <Т

, г,. степеш, fOPA }

¿¿Г

гравлен^ ВАК Россш* .jj

.и. ¡;

У1 *■ 1/'/^

^ I " V* С*

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

на правах рукописи УДК 629.4:621.6

КОМИССАРОВ Константин Борисович

ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ С НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ ТЕХНОЛОГИЯМИ

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга

поездов

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, профессор В. Д. Карминский

Ростов-на-Дону - 1 9 9 7

— 2 -

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................. 7

1. ПРИМЕНЕНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ТРАНСПОРТЕ И В ПРОМЫШЛЕННОСТИ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........................... 16

1.1. Опыт применения сжиженного природного газа в

16

качестве топлива для тепловозов................

1.2. Анализ жидкоазотной технологии охлаждения и создания регулируемых газовых сред в изотермических вагонах.................................. 24

1.3. Электрофизические методы контроля состава и фазового состояния криоагентов, применяемых на подвижном составе ....................... 34

1.4. Влияние традиционных и низкотемпературных технологий на состояние окружающей среды.......... ^

1.4.1. Токсичность дизельных двигателей подвижного состава................................ ^

1.4.2. Влияние холодильной техники на современную

45

экологическую ситуацию...................

1.5. Цель и задачи исследования................. 50

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА.. , ....... . 52

2.1. Уточнение положений расчета рабочего процесса газодизеля............................. ^

2.1.1. Расчетная доля запального жидкого топлива...... 54

2.1.2. Исходные данные для теплового расчета газодизеля................................ ^

2.1.3. Использование результатов теплового расчета

газодизеля для проектирования дозирующего устройства

подачи газа............................ 59

2.1.4. Реализация расчета рабочего процесса газодизеля на ЭВМ............................... 63

2.2. Методологические основы расчета параметров

66

процесса регулирования газовых сред с помощью азота ...

2.2.1. Анализ равновесного режима .............. 68

2.2.2. Режим первоначального создания среды........ 70

2.3. Теоретическое обоснование диэлькометрического метода контроля параметров состояния и состава крионоси-

71

телей (неполярых веществ)....................

2.3.1. Континуальная теория диэлектрической проница-

71

емости неполярных веществ...................

2.3.2. Молекулярно-статистическая теория диэлектрической проницаемости неполярных веществ ......... 76

Выводы................................ 81

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КРИОГЕННОЙ ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЕ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОТЕПЛОВОЗОВ ................................ 82

3.1. Анализ процессов в газификаторе магистральных газотепловозов при работе на частичных нагрузках

82

газодизеля...............................

3.1.1. Расчет узла регулирования температуры газа

87

смешением потоков.......................

3.2. Исследование и анализ работы безопасных дренажных устройств (БДУ)........................... 90

3.2.1. Методология расчета массы и времени выброса газа

90

из БДУ при снижении давления в криоемкости с Р-, до Ру..

3.2.2. Расчет температур газа в струе, выходящей из БДУ... 93

3.2.3. Расчет загазованности местности при сбросе паров СПГ через БДУ газотепловозов................. 93

3.2.3.1. Расчет приземных концентраций метана при

сбросе его через БДУ.....................

3.2.3.2. Оценка размеров зоны взрывоопасной концен-

96

трации природного газа при срабатывании БДУ.....

3.3. Методология расчета времени отогрева криогенных

99

резервуаров ...........................

3.4. Расчет количества жидкого криопродукта и времени, необходимого для захолаживания отогретых резервуаров . . . ^

3.5. Расчет пропускной способности и времени сброса

105

паров кипящего конденсата СПГ по трубопроводам.....

3.6. Исследование вопросов технологии экипировки

111

газотепловозов СПГ.......................

3.7. Теоретические исследования по определению времени

130

бездренажного хранения СПГ в криогенных резервуарах.

3.8. Исследование бездренажного хранения СПГ в емкостях

134

газификатора магистрального газотепловоза..........

3.9. Оценка устойчивости работы газотепловоза при

135

переходе питания дизеля с дизтоплива на СПГ........

3.10. Определение количества переходных криогенных

139

тендеров.............................

Выводы.............................. 142

4. КОНВЕРТИРОВАНИЕ МАНЕВРОВЫХ ТЕПЛОВОЗОВ НА СЖИЖЕННЫЙ ПРИРОДНЫЙ ГАЗ................... 143

4.1. Экспериментальный стенд для моделирования процессов в криогенных топливных системах газотепловозов................................ 143

4.1.1. Методика проведения опытов на стенде и

154

экспериментальные данные..................

4.2. Переоборудование и испытания маневрового

160

тепловоза, работающего на СПГ................

4.2.1. Особенности работы КТС маневрового газотепловоза. . 166

-54.2.2. Вероятность возникновения взрыва (пожара) на

экспериментальном маневровом газотепловозе.......

4.2.3. Оценка безопасности сброса давления до атмосферного в газонаполненных элементах КТС.......... 175

4.2.4. Экспериментальная проверка расчетных данных по определению времени бездренажного хранения СПГ в

177

криоемкостях КТС маневрового газотепловоза........

4.2.5. Результаты испытаний экспериментального манев-

178

рового газотепловоза......................

Выводы.............................. 183

5. ЖИДКОАЗОТНЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ СОСТАВА ГАЗОВЫХ СРЕД В ИЗОТЕРМИЧЕСКИХ ВАГОНАХ.........................................184

5.1. Совершенствование жидкоазотной системы охлаждения, циркуляции и регулирования состава газовых сред в изотермических вагонах....................

5.2. Исследование жидкоазотного охлаждения на макетном АЖВ.................................. 194

5.2.1. Методологические особенности и организационные мероприятия при проведении экспериментальных перевозок продукции................... . . . 195

5.2.2. Результаты исследований, полученные на макетном АЖВ................................. 203

5.3. Опытные изотермические вагоны с ЖАСО........ 204

5.3.1. Результаты экспериментальных поездок и эксплуатационных испытаний опытных изотермических вагонов

с ЖАСО.............................. 208

Выводы................................ 212

6. ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ СОСТАВА И ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ КРИОНОСИТЕЛЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В КТС ГАЗОТЕПЛОВОЗОВ И ЖАСО ИЗОТЕР-

МИЧЕСКИХ ВАГОНОВ....................... . 214

Выводы.............................. 226

7. ТЕХНИКО- H ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКНЕ ОБОСНОВАНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ТРАДИЦИОННЫХ И НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ........ 227

7.1. Экологические показатели тепловозных дизелей,

227

работающих на традиционных и криогенных топливах.. .

7.2. Технико - экономические показатели изотермических

231

вагонов..............................

7.2.1. Текущие расходы при эксплуатации и техническом обслуживании АЖВ и АРВ................... 231

7.3. Снижение ущерба окружающей среде при использовании криогенных и традиционных технологий (стои-

239

мостная оценка)............................

7.3.1. Эколого - экономическая эффективность перевода

239

маневровых тепловозов на СПГ................

7.3.2. Эколого - экономическая эффективность применения жидкого азота для охлаждения изотермических

242

вагонов.................................

Выводы.................... .......... 246

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................... 247

ЛИТЕРАТУРА........................... 250

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ТЕРМИНОВ И ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ................. 267

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................... 269

Приложение 1. Экспериментальные и расчетные данные. . 270 Приложение 2. Директивные материалы. Материалы внедре-

ния...................................

— 7 -ВВЕДЕНИЕ

Развитие железнодорожного транспорта в большой степени определяется внедрением высокоэффективных технологий на подвижном составе. Около десяти лет назад на железнодорожном транспорте начался процесс, направленный на использование низкотемпературных, а также криогенных технологий и техники.

Придавая большое и важное значение этой проблеме, а также, принимая во внимание переход экономики страны на энергосберегающий путь развития и повышения эффективности использования топливо-энергетических ресурсов, определенных в Основных направлениях энергетической политики Российской Федерации на период до 2000 года, утвержденных Указом Президента от 7 мая 1995г. № 472, в настоящее время разработаны: Федеральная Целевая программа "Топливо и энергия", предусматривающая самостоятельную подпрограмму "Расширение использования сжиженного и сжатого природного газа в качестве моторных топлив", утвержденную Постановлением Правительства РФ 6 мая 1996 г. № 263 и Федеральная Целевая Научно-техническая программа на 1996...2000 гг. "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского направления", утвержденная Постановлением Правительства РФ 23 ноября 1996 г. № 144, в которых существенное значение придается разработке новых технологий с использованием низкотемпературной и криогенной техники на транспорте.

Основными направлениями применения низкотемпературных, а также криогенных технологий на железнодорожном транспорте за последнее десятилетие явились: конвертирование двигателей внутреннего сгорания тепловозов на сжиженный природный газ (постановления Правительства № 751 от 13.07.84г., № 1041 от 28.08.86г., указания МПС № 370 пр-у от 30.07.84г., № 360 пр-у от 13.09.86г., приказ Министра путей сообщения № 43Ц от 18.11.88г.); разработка и внедрение жидко-азотных систем охлаждения рефрижераторного подвижного состава (постановление Правительства № 1275 от 19.12.85г., Комплексная научно-техническая программа ГКНТ № 535 от 31.12.86г., указания МПС № Г-640у от 19.02.88г., № Г-1006у от 07.04.89г., № Г-1217 от 15.05.90г.).

При реализации этих работ заметное место занимала научно-исследовательская лаборатория криогенной техники РГУПС (РИИЖТа), силами которой были проведены комплексные научно-исследовательские, опытно-конструкторские, производственно-технические, организационные, внедренческие и другие работы по указанным направлениям использования низкотемпературных и криогенных технологий.

Объем и география применения природного газа в качестве моторного топлива на транспорте и в других отраслях неизменно возрастают во многих странах мира. Так, природный газ, как моторное топливо, используется в 25 странах мира.

Отметим, что на территории бывшего Советского Союза в эксплуатации находилось свыше 16 млн. автотранспортных средств, от которых ежегодно в атмосферу выбрасывалось 35...40 млн. тонн высокотоксичных веществ. Ущерб окружающей среде при оценках использования природного газа в то время не являлся превалирующим. Сейчас же, используя современные подходы к оценке эколого-экономического ущерба, можно с большей долей уверенности сказать, что эколого-экономические потери, например, от одного маневрового тепловоза, работающего на дизельном топливе, достигают 46,5 млн. руб. в год (Гл. 7), /1/.

Поэтому перевод транспорта на газомоторное топливо является стратегически важной задачей, так как природный газ, в том числе в газгидратном состоянии на шельфах морей / 202 /, ресурсами которого Россия располагает на многие годы, является более экологически чистым топливом по сравнению с другими видами нефтяного моторного топлива. Работы по применению сжиженного природного газа на транспорте можно рассматривать также как этап перевода транспортных двигателей на экологически чистое водородное топливо.

Разработка и внедрение систем охлаждения, использующих жидкий азот, позволяет также решить комплекс задач 121. Основными являются: более полная сохранность и высокое качество транспортируемых изотермическим подвижным составом продуктов, особенно скоропортящихся; создание экологически чистой транспортной единицы, так как исключается применение Cl,F-содержащих фреонов, выбросы которых в атмосферу способствуют уменьше-

нию содержания озона в атмосфере планеты, служащего экраном от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Кроме этого в изотермических вагонах с жидкоазотной системой охлаждения отсутствуют дизельные агрегаты, служащие для привода традиционных холодильных установок, что обусловливает нулевой выброс отработавших газов.

В связи с внедрением на железнодорожном транспорте низкотемпературных, а также криогенных технологий, использующих нетрадиционные для подвижного состава энергоносители, возникает необходимость разработки методов контроля режимов работы криогенных топливных систем и жидкоазот-ных систем охлаждения. Неотъемлемой частью систем контроля, а следовательно, управления технологическими процессами являются датчики - первичные чувствительные, элементы, которые воспринимают информацию о протекании процессов и преобразуют ее для передачи по каналу связи на регистрирующий прибор или управляющую ЭВМ: Такие датчики должны иметь высокую точность и быстродействие, а также значительный ресурс. Указанным требованиям удовлетворяют датчики диэлектрической проницаемости газов, газовых растворов, жидкостей, в том числе криогенных / 3,4 /. Устанавливаемые непосредственно в зоне проведения технологического процесса для его безынерционного контроля, датчики могут передавать информацию о плотности газа или жидкости, а также составе газовой смеси или раствора при известных параметрах проведения процесса. Эти измерения позволяют сертифицировать то или иное рабочее тело, определять его качество.

Диэлектрическая проницаемость как электрофизический параметр рабочего тела несет не только информацию о термодинамических, калорических и составных свойствах отдельных веществ и их смесей, но и представляет фундаментальный интерес для развития теории поляризации веществ /5,6/.

Большой вклад в исследование, создание и развитие низкотемпературных и криогенных технологий на транспорте внесли ученые НПО "Криотехника", ВНИИГАЗ, РГУПС (РИИЖТ), ВНИИЖТ, ХИИТ, НИИЖТ, ФТИНТ, ВНИТИ, ПКБ им.Туполева, ГП "Завод им.Малышева", НПО "Гелиймаш", работники предприятий ПО "Лугансктепловоз", ПО "Брянский машиностроительный завод",

ПО "Пенздизельмаш" и др., работники министерств и ведомств: Минтопэнерго, МПС, РАО "Газпром", Роскоммаш и др.

В предлагаемой диссертации на базе работ, проведенных лабораторией криогенной техники, в которых автор принимал участие в качестве научного руководителя, ответственного исполнителя, консультанта, сделано обобщение накопленного материала по использованию низкотемпературных и криогенных технологий на подвижном составе железнодорожного транспорта.

Цель исследования состоит в научном обосновании технических, технологических и эколого - экономических решений по применению низкотемпературных и криогенных технологий на подвижном составе железнодорожного транспорта путем разработки принципов, систематизации прикладных задач, теоретических исследований и их практической реализации на экспериментальных стендах, макетах и опытных образцах подвижного состава, использующего крионосители - сжиженный природный газ (СНГ) для тепловозов и жидкий азот для изотермических вагонов.

Для достижения поставленной цели в данной работе решались следующие основные задачи:

- провести теоретические исследования, использующие принципы алгоритмического и программного обеспечения для разработки и уточнения методик расчета: рабочего процесса газодизеля; нестандартного теплообменного оборудования для газификации сжиженных газов (метана, азота и их смесей); элементов систем и технологических процессов в криогенных топливных системах и газификаторах маневровых и магистральных газотепловозов;

- теоретически проанализировать и экспериментально проверить: обоснованность методик расчета параметров процесса охлаждения и создания регулируемых газовых сред с помощью азота для изотермических вагонов; область применения молекулярно-статистической и континуальной теорий поляризации неполярных веществ (азот, метан) для разработки диэлькометрическо-го метода контроля параметров криогенных топливных систем (КТС) и жид-коазотных систем охлаждения (ЖАСО);

- разработать эколого-экономические аспекты и провести сравнительную оцен-

ку использования низкотемпературных и традиционных технологий применительно к тепловозным дизелям и автономным изотермическим вагонам; - апробировать разработанные автором теоретические положения и запатентованные решения путем экспериментальных исследований на лабораторных стендах и макетах, а также испытаний в условиях эксплуатации опытных образцов газотепловозов и изотермических вагонов.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является подвижной состав, конвертируемый на использование низкотемпературных, а также криогенных технологий: макетный образец маневрового газотепловоза; опытные образцы магистральных газотепловозов; макетный образец и опытная партия изотермических автономных вагонов с жидкоазотной системой охлаждения. Предмет исследования - методы перевода подвижного состава на низкотемпературные и криогенные технологии с целью снижения расхода дефицитного жид�