автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Создание системы утилизации тепла с термоэлектрическим генератором и обоснование ее рабочих процессов для строительной машины, эксплуатируемой в условиях Западной Сибири

На правах рукописи

Райшев Денис Владимирович

СОЗДАНИЕ СИСТЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА С ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ГЕНЕРАТОРОМ И ОБОСНОВАНИЕ ЕЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ, ЭКСПЛУАТИРУЕМОЙ В УСЛОВИЯХ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ (НА ПРИМЕРЕ БУЛЬДОЗЕРА Б-10М)

05 05 04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень 2004

Работа выполнена на кафедре «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» Тюменского государственного нефтегазового университета

Научный руководитель

- доктор технических наук, профессор Карнаухов Н.Н.

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор Храмцов Н.В.

- кандидат технических наук, доцент Скворцов И.Д.

Ведущая организация

- ОАО «Сибнефтепровод» Тюменское специальное транспортное управление

Защита состоится « 24 » декабря 2004 г. в 14 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.04 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Володарского 38, зал им. Косухина.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре ТюмГНГУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан

2004 г.

Телефон для справок (3452) 20-91-27

диссертационного совета кандидат технических наук

Ученый секретарь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффективность использования строительных машин (СМ) в северных регионах России (в связи с ужесточением экологических, экономических и др. требований к ним) во многом оценивается степенью рационального использованию различного рода энергий - механической, электрической, тепловой.

Эксплуатация СМ в условиях отрицательных температур окружающего воздуха (ОТ) в зимний период характеризуется дополнительными затратами различного рода ресурсов. Повышение расхода топлива двигателем внутреннего сгорания (ДВС), отмечаемое в нормативной документации, сопровождается снижением степени использования энергии, выделившейся при сгорании топлива. Ужесточение режима работы машин в условиях ОТ в северных регионах Западной Сибири сопровождается влиянием сопутствующих факторов, таких как: рост прочности разрабатываемого грунта; колебания влажности, ветра; сокращение светового дня и т.д. Негативное влияние вышеуказанных факторов сказывается на снижении ресурса узлов и элементов (ДВС и СМ в целом), при увеличивающихся затратах на проведение технического обслуживания и ремонта.

Одновременно с организационными методами (повышение норм расхода, применение зимних сортов ГСМ, рабочих жидкостей и т.д.), для снижения негативного влияния факторов, сопровождающих ОТ, применяются и исследуются методы адаптации конструкций машин. Развитие малой энергетики, энергосберегающих технологий, достигнутый предел энергии, которая может быть преобразована в работу в современных конструкциях двигателей СМ определяют актуальность исследований, направленных на улучшение энергетического баланса мобильных машин, эксплуатируемых в условиях ОТ. Сами строительные машины могут рассматриваться как замкнутые энергетические системы, потенциат которых может быть повышен путем утилизации потерь.

Способам повышения степени использования первичного топлива за счет утилизации потерь тепла многих технологических процессов уделяется все больше внимания. Однако, опыт оснащения СМ системами утилизации тепла (СУТ) ограничивается исследованием теплового режима двигателя, привода и кабины машиниста. Поэтому термоэлектрическим генераторам (ТЭГ), обеспечивающим прямое преобразование тепла потерь в электроэнергию, используемую для обеспечения растущего числа потребителей в электрооборудовании СМ, уделяется особое внимание, как в России, так и за рубежом.

В соответствии с вышеизложенным, работы по улучшению энергетического баланса строительных машин (на примере бульдозера Б-10М), являются актуальными.

Цель исследования: Повышение эффективности строительных машин, эксплуатируемых в условиях отрицательных температур окружающего воздуха путем оснащения их системой утилизации тепла с термоэлектрическим генератором (СУТ ТЭГ).

Объект исследования: Система «Строительная машина - система утилизации тепла с термоэлектрическим генератором».

Предмет исследования: Рабочие процессы системы «Строительная машина - система утилизации тепла с термоэлектрическим генератором».

Научная новизна:

• Разработана математическая модель процесса получения электрической энергии в термоэлектрическом генераторе системы утилизации тепла двигателя строительной машины на разных этапах ее функционирования;

• Обоснована новая конструкция системы утилизации тепла с применением термоэлектрического генератора;

• Получены закономерности влияния параметров рабочего цикла строительной машины и структуры СУТ на выходные параметры ТЭГ;

• Разработана методика расчета и подбора материалов СУТ ТЭГ.

Практическая ценность. Заключается в использовании полученных зависимостей при конструировании СУТ ТЭГ, в методиках и рекомендациях по выбору оптимального соотношения параметров ТЭГ. Разработана и предложена к использованию конструкция СУТ ТЭГ, обладающая по сравнению со штатной системой электропитания потребителей рядом преимуществ: экономия топлива и снижение выбросов отработавших газов (ОГ) при получении дополнительной электрической энергии, возможность расширения номенклатуры и мощности потребителей тока, возможность работы потребителей при аварии. Получен патент РФ на изобретение по оригинальной конструкции СУТ ТЭГ.

Реализация результатов. Методики расчета СУТ ТЭГ использованы в ТюмГНГУ при создании лабораторной установки и ее макетных образцов, при проектировании опытного образца системы «СМ - СУТ ТЭГ». Макет разработанной СУТ ТЭГ прошел опытную проверку в условиях реальной эксплуатации (г. Тюмень). Результаты исследований используются в учебном процессе ТюмГНГУ. Опытный образец СУТ ТЭГ (глушитель-генератор) в настоящее время изготавливается для внедрения в ОАО «Сибнефтепровод» г. Тюмень

На защиту выносятся:

• Математическая модель процесса получения электрической энергии в термоэлектрическом генераторе системы утилизации тепла двигателя строительной машины;

• Конструкция СУТ ТЭГ;

• Закономерности влияния параметров расхода топлива ДВС СМ на выходные параметры ТЭГ;

• Методика расчета СУТ ТЭГ для СМ, включающая математические модели определения выходных параметров ТЭГ на разных режимах;

• Методика подбора материалов основных элементов СУТ ТЭГ.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на региональных научно-технических конференциях (Тюмень 1998г, 2002г), международных научно-практических конференциях (Тюмень 2002г, 2004г.), на научно-практическом семинаре международной выставки-ярмарки «Город-2002», «АЗС комплекс-2002», «Автосалон-2002», на научно-технических семинарах каф. ПТСДМ ТюмГНГУ, на конкурсе научных исследований работа студентов, аспирантов, молодых ученых (отмечена призом 2003г.). В полном объеме диссертация докладывалась на заседаниях каф. ПТСДМ ТюмГНГУ (Тюмень 2004г).

Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в 11 печатных работах. Получен патент по теме работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Объем диссертации составляет 142 страницы, в том числе 138 страницы основного текста, 12 таблиц, 7 рисунков, список литературы из 148 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, излагается цель исследований, научная новизна, практическая ценность, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации приведены результаты анализа энергетического баланса СМ, эксплуатируемой в условиях ОТ на примере бульдозера тягового класса Ют. Выбор в качестве базовой машины (БМ) бульдозера Б-10М с двигателем Д-180 обосновывается: • всесезонностью применения бульдозеров при сооружении большинства объектов;

• объем земляных работ, выполняемых бульдозерами, составляет значительную долю этих работ;

• широчайшим диапазоном условий работы БМ по многим параметрам, переменными нагрузками, рабочим циклом;

• наличием механического, гидравлического, электрического привода на одной машине и т.д.

Определено, что при применении ДВС в качестве источника механической энергии лишь 25-30% тепловой энергии, выделившейся при сгорании топлива, соответствует полезной работе. Все остальное тепло, считаемое избыточным, в том или ином виде отводиться в окружающую среду.

Подробно анализируются взаимосвязь составляющих мощностного и теплового баланса БМ на различных рабочих режимах. Подтверждена взаимосвязь температурного режима узлов и агрегатов с выходными (эффективными) параметрами СМ, такими как: эффективная (индикаторная) мощность расход топлива удельный (часовой) , производительность

Особому рассмотрению подвергнуто распределение генерируемой электрической энергии в электрооборудовании БМ в условиях ОТ. Для обеспечения надежного пуска ДВС приходиться применять аккумуляторные батареи (АБ) повышенной номинальной емкости со значительным запасом, неиспользуемой полностью, электрической энергии. В некоторых работах отмечается, что при температурах ниже -30°С аккумулятор не воспринимает заряд, либо разряжается до значений емкости, при которых запуск ДВС от штатного стартера невозможен.

Сокращение продолжительности светового дня вызывает необходимость более продолжительной работы приборов освещения, что снижает возможность генератора для эффективной подзарядки АБ. Ухудшение условий работы БМ приводит к снижению отдачи энергии генератором. Это, в свою очередь, сокращает возможность полного заряда. Кроме того, увеличивается число включенных в работу потребителей электроэнергии, питание которых происходит на холостых оборотах двигателя от АБ. Определены численные значения электрической мощности, затрачиваемой на питание дополнительных устройств электрооборудования (ЭО) различных СМ.

В обзоре отмечается, что усилиями С.Д. Гулина, Н.Г. Гаркави, В.Я. Груданова, СВ. Каверзина, Н.Н. Карнаухова, Л.А. Николаева, А.И Тар-хова, Н.В. Храмцова, А.И. Хороша и многих других, накоплен большой опыт по рассмотрению способов, позволяющих более полно использовать энергию топлива. Наиболее распространены научные и инженерные разработки систем утилизации тепла внутренних источников энергии:

ДВС, привода, автономных подогревателей. Особое место в рассматриваемых способах, в последнее время, уделяется способам непосредственного преобразования тепла в электроэнергию - термоэлектрической генерации.

На основе выполненного анализа, для достижения поставленной цели, были сформулированы задачи исследования:

1. Разработать теоретические обоснования использования системы утилизации тепла с термоэлектрическим генератором для повышения эффективности эксплуатации строительных машин в условиях отрицательных температур.

2. Разработать математическую модель процесса получения электрической энергии в термоэлектрическом генераторе системы утилизации тепла двигателя строительной машины.

3. Разработать методику расчета термоэлектрического генератора и реализовать ее при конструировании макета системы утилизации тепла с термоэлектрическим генератором.

4. Испытать макет разработанной конструкции СУТ ТЭГ в условиях реальной эксплуатации строительных машин (на бульдозере Б-10М).

Вторая глава посвящена аналитическим исследованиям существующих способов повышения степени использования первичного топлива, расходуемого на функционирование СМ. Полученные на основе анализа энергетического баланса данные о теплонапряженности систем ДВС СМ, позволили выбрать те, которые можно использовать в качестве источников тепловой энергии для СУТ. Наиболее перспективными системами-источниками тепловой энергии являются трубопроводы отвода отработавших газов и система охлаждения, в которых поглощается до 60% всего тепла, выделившегося при сгорании топлива.

На выпуске из дизеля температура ОГ в среднем находится в пределах 973...1073°С при давлении 0,105...0,120 МПа. Эта температура нестационарная вследствие цикличности работы цилиндров, изменяясь по сложному периодическому закону с частотой первой гармоники вокруг среднего значения Т, постоянного при установившемся режиме работы дизеля

где (У-* частота вращения коленчатого вала;

/ -• число цилиндров, объединенных выпускным коллектором; - тактность двигателя внутреннего сгорания.

О)

На основе критического анализа конструкций СУТ установлены следующие способы утилизации теплоты, применимые для СМ:

1. утилизация энергии ОГ в выпускных трактах ДВС с помощью теплообменников самых разных конструкций передающих теплоту непосредственно потребителям;

2. теплообменники-утилизаторы на базе тепловых труб;

3. теплоаккумулирующие материалы, способные накапливать тепло, которое в дальнейшем можно рационально использовать;

4. другие способы, в частности, термоэлектрический генератор, рассматриваемый в данной работе.

Развитие теории полупроводников, периодически повторяющиеся энергетические кризисы, определили актуальность исследований преобразователей, в которых тепловая энергия напрямую преобразуется в электрическую энергию. Применение термоэлектрических генераторов исследовано и реализовано:

• для защиты трубопроводов от коррозии (СССР, РФ,

страны Евросоюза (ЕС), Канада, США и др.);

• для космических летательных аппаратов (СССР, РФ, ЕС,

США, Израиль);

• для обеспечения автономного электропитания (СССР, РФ,

ЕС, США, Израиль, Бразилия, страны СНГ и др.);

• для транспортных средств (СССР, США).

Однако, ввиду определенных причин эти разработки не получили широчайшего распространения. Кроме того, вышеуказанные разработки не рассматривали в качестве источника тепловой энергии потери, образующиеся при работе СМ.

Для подтверждения роста эффективности работы СМ, оснащенной СУТ ТЭГ, установлены теоретические обоснования на основе анализа: конструкции системы «СМ-СУТ ТЭГ», принципов ее функционирования, а также численных интервалов внутренних, внешних и выходных параметров системы.

Управление

свойств СМ

Рис. 1. Универсальная модель использования тепловых потерь ДВС СМ.

Большое разнообразие реальных ситуаций, характеризуют условия работы и нагруженность ДВС СМ как источника энергий. Сложность задания четких критериев рабочего цикла разных по назначению СМ определило необходимость создания универсальной модели СМ. В дальнейшем, любая СМ с установленным на ней ТЭГ рассматривается с точки зрения структурно-следственных моделей.

Структурно-следственную модель БМ получают на основе декомпозиции структуры с выделением комплексов причинно-следственных связей между конструктивными элементами и процессам взаимодействия элементов с окружающей средой и между собой, а также параметрами этих процессов. Выделенный по данной методике, из общей структуры БМ, двигатель представляет собой сложную систему, состоящую из определенного числа подсистем. Частью структурно-следственной модели БМ является приведенная на рис. 1 структурная модель.

Представление электрооборудования отдельным комплексом обосновано тем, что генерируемый ТЭГ постоянный ток может, как направляться в штатную систему, так и быть использован в автономных системах напрямую не связанных с работой ДВС. В свою очередь, СУТ ТЭГ представляет собой (см. рис.2): систему подвода тепла (корпус, тепловые трубы, теплообменники т.п.); систему отвода тепла - радиатор; собственно ТЭГ, состоящий из определенного числа термопар - термоэлементов (ТЭЭ).

резонаторная полость изоляция ТЭЭ

Рис. 2. Общий вид глушителя-генератора.

Параметры работы двигателя представлены в виде связей на вышеуказанной схеме. Следует отметить, что выходные параметры каждого из приведенных в схеме комплексов могут влиять на работу, как всей СМ, так и на функционирование соседнего комплекса. Упрощенно, связи между ДВС и ЭО соответствует та часть мошностного баланса (определенная в первой главе), которая равна мощности затрачиваемой на привод вала генератора - А'эо- Отмечается также, что есть конструкции устройств управляющих работой ДВС, при функционировании которых используется система ЭО, что соответствует обратной связи. Но, так как данные устройства не нашли широкого применения на ДВС СМ эта связь на рис.1 не приведена.

Полученные результаты аналитического исследования позволили предложить перспективную конструкцию СУТ ТЭГ (глушитель-генератор) совмещающей функции получения дополнительного источника энергии и штатного глушителя (рис.2).

В третьей главе описано функционирование разработанной СУТ ТЭГ на разных этапах с построением математических моделей процессов теплопереноса при термоэлектрической генерации.

Условно рассматривается взаимодействие ДВС и ТЭГ: двигатель в данном случае рассматривается лишь как источник теплового потока О преобразуемого в ТЭГ. Существует зависимость изменения выявленная ранее.

В дальнейшем ДВС СМ упрощенно будем считать замкнутой системой реагирующей на внутренние и внешние факторы, которые могут быть объединены и записаны в виде вектора Причем,

где температура окружающей холодный спай среды (воздуха), К;

Не - низшая теплота сгорания топлива, применяемого на машине, Дж/кг.

Аналогично, для каждого комплекса можно записать векторы X,? и Хз составленные из регулируемых и нерегулируемых факторов. Причем нерегулируемые факторы могут совпадать для X/, Х^ И Х^, Т.е.;

(3)

Рассмотрение факторов влияния на систему «СМ — СУТ ТЭГ» с применением теории размерности позволили определить основные группы, влияние которых на эффективность преобразования тепловых потерь двигателя с помощью ТЭГ наиболее важно:

где - количество тепла, поглощаемое на горячем спае ТЭГ и вы-

деляемое на холодном спае соответственно, кДж;

• рабочий объем двигателя, л;

5 ■• поверхность охлаждения, м2;

- частота вращения вентилятора, об/мин.

Функциями отклика рассматриваемых комплексов (рис.1) упрощенно принимаются - для ЭО и ТЭГ соответственно. Для электротехнических устройств ЭО и материалов ТЭГ, очевидно, функцией отклика будут являться их вольтамперные характеристики. Определяемые параметры постоянного тока и будут являться функциями отклика, т.е.:

Составление математической модели всех процессов протекающих как в ДВС, так и в ТЭГ с учетом влияния всех факторов Xдостаточно трудоемкий процесс, поэтому приведем некоторые ограничения с приложением которых, с достаточной степенью точности, указанный процесс упростится:

Тепловые процессы протекающие в ДВС, чаще всего рассматриваются на основе принципа стабильности теплового потока. Согласно этому принципу тепловой поток выравнивается в глубине тела независимо от формы его поверхности. Рассмотрение рабочего цикла СМ как квазистационарного процесса позволяет оценить каждый из режимов эксплуатации ДВС через тот тепловой поток, который отдается тому или иному теплоносителю.

X, 6Л-,Л(Х2Г)Х3)

Итак, приведенные выше упрощения позволяют создать математическую модель процессов утилизации отработанного тепла ДВС СМ в различных режимах эксплуатации:

где - тепло соответственно Пельте, Джоуля, Томсона, Вт;

-температуры горячего и холодного спаев, К;

- коэффициент термо-ЭДС термоэлемента, В/К; к- коэффициент теплопроводности ТЭЭ, Вт/м К; 1,Ш- сила генерируемого тока и полезная мощность ТЭГ: А, Вт; - электрическое сопротивление ТЭЭ, Ом

На следующем этапе исследования формируется частная рабочая гипотеза - выявляются основные факторы, влияющие на величину генерируемой электроэнергии. После преобразования полной матрицы размерностей, составленной на основе возможных факторов влияния, и исключения взаимно-корелируемых, было определено:

где - количество ТЭЭ, составляющих ТЭГ.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям. В данном разделе приводится описание плана экспериментов, включавшего методики проведения экспериментов, описание экспериментальной установки, контрольно-измерительных приборов, а также определения погрешности измерения. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях и на БМ.

Цель экспериментальных исследований заключается в проверке гипотез, выдвинутых в теоретических исследованиях, определение численных значений параметров математических моделей.

В процессе эксперимента решались следующие задачи:

1. Определить максимальную мощность ТЭГ на основе предложенных термоэлектрических материалов, их количества.

2. Установить влияние изменения расхода топлива работающей СМ на мощность, отдаваемую ТЭГ во внешнюю цепь.

3. Установить степень влияния факторов, определяющих мощность ТЭГ.

4. Проверить адекватность и рассчитать численные значения параметров математической модели изменения мощности ТЭГ при работе СМ на разных режимах.

5. Проверить вид математической модели полученной теоретически и зависимостей полученных экспериментально при оснащении СМ разработанной СУТ ТЭГ.

6. Определить экспериментально (на натурном образце СУТ ТЭГ) количество дополнительно получаемой электроэнергии.

Для установления максимальной мощности ТЭГ на основе предложенных термоэлектрических материалов, а также количества ТЭЭ, проводился пассивный эксперимент. Исследовались термоэлектрические генераторы марок ГТУ 1-19 и ГТУ 12-12 (технические условия ЖЦМИ 3.579.006ТУ).

Рис. 3 Результаты лабораторных исследований.

Полученные данные подвергались процедуре корреляционно-регрессионного анализа (рис.3). Априорный анализ функционирования СУТ ТЭГ (моделируемый в лабораторных условиях, а также при проведении натурных испытаний) позволил выделить три режима работы:

I - режим разогрева ТЭЭ: продолжительность - 10-25 мин., что соответствует: пуску ДВС, прогреву на холостом ходу, времени на обеспечение принятия нагрузки на рабочем органе. При этом граница режима совпадает с четвертью необходимой мощности на ускоренный заряд АБ.

II - режим максимальной мощности: соответствует работе машины на номинальном режиме. Плавный рост мощности заканчивается при наступлении установившегося среднего значения теплового потока.

III - режим работы на запасенном тепле: соответствует режиму охлаждения ДВС в подкапотном пространстве. Очевидно, при аварийном

отключении ДВС (генератора) возможна работа низковольтного оборудования в течение 5-10 минут только на энергии, генерируемой СУТ.

Планирование активного эксперимента включает составление матрицы плана и определение необходимого числа измерений результирующего параметра в каждой строке матрицы плана. При построении интерполяционной модели, на основе анализа априорной информации, выявлено три фактора влияющие на рабочие процессы СУТ ТЭГ: XI - температура воздуха, Тоа,?С~, Х2 — средний часовой расход топлива gt,кг/ Ч; ХЗ -количество ТЭЭ (термопар) Мтээ,шт\

Таблица 1

Матрица эксперимента_

Характеристики плана XI т °г Х2 ХЗ

Нулевой базовый уровень -20 18 300

Интервал варьирования 20 16 400

Верхний уровень -10 26 500

Нижний уровень -30 10 100

В качестве функции отклика - электрическая мощность ТЭГ Ж, Вт. Пределы варьирования факторов, с учетом ОТ, приведены в таблице 1.

Получено следующее интерполяционное уравнение:

= -29,01-3,99ГО№-1,48&+0,05#гаэ-0.085Г3о»> +0.09 +0.00002 N 'га +0.025 Т0№ д -0.0002 Т0№ -0.00036 в, (6)

Численные значения коэффициента корреляции для уравнения (6) при различных его параметрах составило 0,99, а коэффициента детерминации -0,98, что указывают на достаточную полноту учета факторов в модели. Значение дисперсионного отношения Фишера составило 88,7, что больше табличного значения Б-критерия для доверительной вероятности 0,9. Это свидетельствует об адекватности трехфакторной модели, 1 -статистика коэффициента корреляции составила 42. Средняя ошибка аппроксимации составила 0,99, что не превышает допустимые пределы.

Установлено, что наиболее влиятельный фактор -составляющих ТЭГ. Ввиду того, что расход топлива второй по значимости фактор, подтверждается гипотеза соответствии каждому режиму эксплуатации БМ конечного значения величины теплоты, утилизируемой

ТЭГ. На рис. 4-6 показаны графики влияния каждого фактора (при постоянстве остальных) на отклик.

VЫ.Вт

60

50 40 30 20 10 О

О 100 200 300 400 500 тЫш,шт

ф д=1бкгАч. Т—30 С • д=26кгА<, Т—30 С — — теорит данные--

Рис. 4. Зависимость мощности термоэлектрического генератора от количества термоэлементов.

IV, Вт

60

50

40

30

20

10

-35 -30 -25 -20 -15 -10

-5

Г окр, С

Я Кгээ=300 шт. д=18 кг/ч А N133=500, д=18кг/ч — —теорит данные

Рис. 5. Зависимость мощности термоэлектрического генератора от температуры окружающей среды.

Рис. 6. Зависимость мощности термоэлектрического генератора от режима работы машины.

В пятой главе приведены результаты работы, обоснования применения СУТ ТЭГ на мобильных строительных машинах, основные выводы.

Кроме того, в главе представлено практическое использование результатов работы, заключающееся в разработке методики определения параметров ТЭГ, устанавливаемого на БМ, приводится принципы конструкторской оптимизации СУТ ТЭГ.

По приведённой методике расчёта ТЭГ определялись параметры опытного образца. Проведенные экспериментальные исследования позволили уточнить параметры моделей, с помощью которых могут быть разработаны конструкции СУТ ТЭГ для других БМ. Большинство конструкций СМ позволяют вписывать существующие ТЭГ без существенного изменения в габаритные размеры той или другой системы.

К основным теоретически обоснованным преимуществам использования ТЭГ на СМ можно отнести следующее:

а) Повышение степени использования тепла. Так, если рассматривать тепловой баланс, применение ТЭГ позволило, согласно расчетам и проведенным экспериментам, использовать до 15% ранее не используемых тепловых потерь, что примерно составляет около 20 кВт/ч энергии.

б) Расширение возможностей СМ при разных условиях эксплуатации за счёт использования полученной электроэнергии: на подзарядку

аккумулятора, для приборов безопасности, звуковой сигнализации, приборов для освещения и кондиционирования рабочего места машиниста.

в) ТЭГ можно использовать как резервный источник питания для некоторых систем и устройств СМ так же важнейшим фактором является то, что электроэнергию проще накапливать и хранить.

г) По сравнению с другими типами СУТ, ТЭГ обладает меньшими размерами, конструктивно более прост, ТЭГ надежен, обладает большим сроком службы, стабильностью параметров, вибростойкостью.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обосновано, что оснащение строительной машины СУТ ТЭГ позволяет преобразовать тепло двигателя в электрическую энергию, используемую для работы потребителей постоянного тока. Установлена и численно оценена тенденция к росту потребления электрической энергии в условиях ОТ.

2. Обоснована и исследована принципиально новая компоновка СУТ ТЭГ, сочетающая функции глушителя и генератора. Получен патент на предлагаемую конструкцию.

3. Установлены закономерности влияния режима работы БМ, окружающей среды и конструктивных особенностей СУТ ТЭГ на генерируемую электрическую мощность.

4. Получена многофакторная модель, позволяющая определить мощность ТЭГ в зависимости от изменения среднего часового расхода топлива ДВС, температуры окружающей среды, и количество термоэлектрических элементов (термопар). Установлено, что наибольшее влияние на отклик оказывает количество термопар.

5. Установлено, что закономерность изменения температуры и среднего часового расхода топлива носит нелинейный характер. Явная нелинейность влияния количества ТЭЭ на выходную мощность определяется лишь при значениях длины контакта ТЭЭ с горячим источником более 0,7...0,8 м.

6. Разработана методика расчета основных параметров ТЭГ и реализована при конструировании макетного образца. Проведены экспериментальные исследования макетного образца в условиях реальной эксплуатации. Доказана адекватность математических моделей результатам натурных экспериментов.

7. Определены перспективные термоэлектрические материалы, на основе которых возможно создание СУТ ТЭГ с наибольшим к.п.д.

Основные положения и результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. Райшев Д.В. Повышение эффективности использования ДВС СДМ //Новые технологии - нефтегазовому региону: Тез. докл. региональной НТК. - Тюмень: ТюмГНГУ, 1998.- стр.135-136.

2. Закирзаков Г.Г. Райшев Д.В. Применение систем утилизации тепла на технологических машинах //Сервис, техническая эксплуатация транспортных и технологических машин: Межвуз. сб. науч. трудов. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2001.- стр. 106-109.

3. Закирзаков Г.Г. Райшев Д.В. Применение дополнительных источников тока в электрооборудовании СДМ //Приспособленность машин к суровым условиям эксплуатации. Межвуз. сб. науч. трудов. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2001.- стр.40-42.

4. Закирзаков Г.Г., Райшев Д.В., Ильинский B.C., Крыловицкий М.В Исследование применения дополнительных источников тока в электрооборудовании //Проблемы транспорта в Западно-Сибирском регионе России. Сб. науч. трудов. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2001.- стр.86-88.

5. Закирзаков Г.Г., Райшев Д.В. Создание модели системы утилизации отработанного тепла двигателя строительной машины //Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях: Материалы международной науч.-практ. конф. Часть 2. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2002, стр. 109113. ,

6. Конев В.В., Райшев Д.В., Разуваев А.А. К вопросу о тепловой подготовке строительно-дорожных машин //Нефть и газ: Проблемы недропользования, добычи и транспортировки. Материалы НТК, посвященной 90-летию со дня рождения В.И. Муравленко. Тюмень: - ТюмГНГУ, 2002г., стр. 233.

7. Иванцов Е.А., Сидоров СА. Райшев Д.В. Выбор термоэлектрических материалов для систем утилизации тепла двигателя строительных машин //Инновации и эффективность производства: Тез. докл. межвуз. студ. науч-техн. конф. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2002.- стр. 81-84

8. Богданов Ю.С., Конев В.В., Райшев Д.В., Разуваев А.А. Совершенствование системы предпусковой тепловой подготовки ДВС //Инновации и эффективность производства: Тез. докл. межвуз. студ. науч-техн. конф. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2002.-стр. 58-59.

9. Конев В.В., Разуваев А А., Райшев Д.В. Комплексная система утилизации тепла //Транспортный комплекс 2002: Материалы науч.-практ. семинара. - Тюмень, ТюмГНГУ, 2002. - стр. 128-130.

10. Конев В.В., Разуваев А А. Райшев Д В. Система предпусковой тепловой подготовки привода строительно-дорожных машин //Транспортные

проблемы Западно-Сибирского нефтегазового комплекса: Межвуз. сб. науч. тр. - Тюмень: Издательство «Вектор Бук», 2002. стр.136-144.

11. Карнаухов Н.Н., Закирзаков ГГ., Мерданов Ш.М., Иванов A.A., Рай-шев Д.В., Сидоров С.А. Глушитель-генератор для двигателей внутреннего сгорания. Пат. РФ №2213869, опубл. 10.10.2003 г., бюл. №28.

12. Райшев Д.В, Закирзаков Г.Г., Конев В.В. Использование отработанного тепла ДВС строительных машин в суровых условиях эксплуатации //Нефть и газ Западной Сибири: Материалы международной НТК. Том 2. -Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. - 250с.

Соискатель

Д.В. Райшев

Подписано к печати Заказ

Формат 60 х 84 1/16 Отпечатано на RISO GR 3750

Бум. писч. №1 Уч. изд. л. 1,0 Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз.

Издательство «Нефтегазовый университет»

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет» 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38 Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет»

625000, г. Тюмень, ул киевская 52

125382