Новые электропитающие устройства для оборудования связи

Мещеряков А. Новые электропитающие устройства для оборудования связи // Вестник связи. 2003 . №11. C. 58-62

В данной статье мы рассмотрим возможность увеличения эффективности поршневых ДВС, используемых в дизель-генераторах и бензиновых электроагрегатах, посредством комбинированного применения разных тепловых машин и термодинамических циклов в одной интегрированной конструкции.

В настоящее время на объектах связи Ростелекома используются дизель-генераторы с расходом 260 ? 300 г топлива для производства 1 кВт электроэнергии. Для лучших мировых образцов этот параметр находится на уровне 210 г. Отечественные бензиновые электроагрегаты также как и зарубежные аналоги не отличаются экономичностью. В связи с этим, к рассмотрению предлагается конструкция дизель-генератора, расчетный расход топлива которого не должен превышать 130 гр/кВт/ч.

Предлагается комбинированная конструкция, объединяющая разные тепловые машины, и в которой конструктивное объединение двигателя внутреннего сгорания, поршневой паровой машины, газовой турбины, теплового насоса, компрессора позволяет значительно увеличить эффективный КПД. Объединение тепловых машин произведено посредством рационального их размещения в едином корпусе, причем одни и те же элементы конструкции одновременно являются частями разных тепловых машин.

Высокая степень интеграции позволяет достигнуть малого удельного веса, уменьшить непроизводительные потери энергии! Если лучшие дизели достигли эффективного КПД в 44 %, то комбинированные ? уровня 67 ? 71 % со значительным увеличением удельной мощности.

Данное обстоятельство позволит почти в два раза снизить удельный расход топлива у комбинированных двигателей по сравнению с существующими ДВС. Область применения комбинированных двигателей может быть различной. Наиболее эффективным представляется использование таких двигателей на дизель-электрических станциях, а также в полевых условиях.

Комбинированные двигатели строятся на основе так называемой термодинамической пары, состоящей из поршневого ДВС и поршневой паровой машины (ПМ). Тепловая энергия, выделяемая при работе ДВС, используется в паровой машине.

В обычном ДВС тепловая энергия отдается окружающей среде системой охлаждения и выхлопными газами, имеющими высокую температуру. В комбинированном двигателе выхлопной газ поступает в камеру ПМ, где его тепловая энергия используется для парообразования рабочей жидкости. А вместо системы охлаждения применена система передачи тепловой энергии от ДВС к ПМ через специальные теплообменники.

Таким образом, паровая машина является своего рода активной системой охлаждения ДВС, используя тепловую энергию выхлопных газов и избыточную тепловую энергию частей ДВС, которая должна отводиться для избежания перегрева ДВС.

При этом паровая машина превращает утилизированную тепловую энергию ДВС в полезную работу. В паровой машине применяется рабочее тело переменного состава, состоящего из выхлопного газа ДВС и испаряемой рабочей жидкости ПМ. Для обеспечения рабочего цикла ПМ применяется специальная жидкость с заданными свойствами.

Замкнутый цикл рабочей жидкости паровой машины представлен на рис. 1. Жидкость исходного объема находится в емкости (1). При запуске двигателя начинает работать насос (3) , жидкость в который поступает из емкости через фильтр (2), служащий для отделения масла, нагара и других загрязняющих веществ.






Насос нагнетает жидкость в форсунку (4), которая управляется электроклапаном (10). Жидкость подогревается в нагревателе (11), в котором циркулирует моторное масло. В определенное время клапан открывается и порция жидкости распыляется форсункой в рабочей полости ПМ (5), где происходит ее испарение в среде сжатого выхлопного газа, поступившего из ДВС. Образуется парогазовая смесь повышенного давления, под действием которого происходит рабочий ход ПМ.

Цикл испарения рабочей жидкости производится со смешанным поглощением теплоты и снижением температуры. После окончания рабочего хода ПМ, парогазовая смесь через клапан (9) по трубопроводу (6) поступает в конденсатор (7). Здесь пар конденсируется в жидкость и возвращается в емкость (1). Отделившийся газ через патрубок (8) выходит в окружающую среду. Далее цикл повторяется. Охлаждение конденсатора может производиться воздухом, поступающим в ДВС, или забортной водой, в случае применения такого двигателя на судах.

Температуры испарения и конденсации рабочей жидкости определяют температурный диапазон окружающей среды, в которой эксплуатируется комбинированный двигатель. Отличие данного цикла от классического цикла Ренкина заключается в периодичности парообразования. Функции парового котла в данном случае выполняет рабочая камера ПМ, где жидкость испаряется.

Процесс парообразования в камере ПМ можно сравнить с воспламенением рабочей смеси в дизельном двигателе. В данном случае применим принцип равномерного распыления дозы рабочей жидкости в среде сжатого выхлопного газа, регулировки порционное? подачи рабочей жидкости в форсунку в зависимости от мощности, регулировки угла опережения впрыска и т. д.

Таким образом, в данной конструкции паровая машина является разновидностью парового двигателя внутреннего парообразования и своего рода паровым аналогом дизеля. Необходимо отметить, что мощность паровой машины зависит от температуры выхлопных газов и температуры сгорания топлива ДВС. Увеличение температуры сгорания топлива в ДВС приводит к увеличению общего эффективного КПД комбинированного двигателя.

Комбинированный двигатель данного варианта строится на основе термодинамической пары (рис. 2), которых в двигателе может быть необходимое для данного варианта количество. Термодинамическая пара в свою очередь представляет собой конструктивное объединение поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС), поршневой паровой машины (ПМ) и генератора электрического тока.





Такое объединение необходимо для наиболее полного использования тепловой энергии сгорания топлива в ДВС. В комбинированном двигателе тепловая энергия сгорания топлива сначала используется для осуществления рабочего хода ДВС, а затем утилизируется в паровой машине. При этом рабочим телом паровой машины является выхлопной газ ДВС и испаряемая жидкость.

Сравнительные тепловые балансы обычного ДВС и комбинированного двигателя приведены в таблице. За 100 % принимается энергия, полученная при сгорании топлива в ДВС (Q0 = 100 %). Формула теплового баланса имеет вид:

Q 0 = Qполез + Qмех + Qвыхл + Qохл = 100 %,

где: Qохл ? количество энергии, отводимое от ДВС системой охлаждения; Qвыхл ? количество энергии, уходящее из ДВС с выхлопными газами; Qмех ? количество энергии, затраченной на механические потери, Qполез ? энергия, превращенная в полезную роботу.

Увеличение эффективности комбинированного двигателя происходит за счет снижения потерь тепловой энергии с выхлопными газами (с 29 до 13 %) и в системе охлаждения (с 28 до 3 %) при некотором увеличении механических потерь (с 10 до 13%).

Лучшие образцы дизелей в настоящее время имеют КПД на уровне 44 %, обычные ? 33 ? 37 %. Комбинированный двигатель имеет КПД, более чем в два раза превышающий КПД обычного ДВС.

Расчетный расход топлива комбинированного двигателя составляет 137 г на кВт/ч (по сравнению с серийными отечественными дизелями с расходом топлива 290 ? 310 г кВт/ч).

Рассмотрим подробнее рис. 2. Поршень ДВС (1) неподвижно установлен на силовом продольном элементе (14), который закреплен с двух сторон на корпусе двигателя. Внутри поршня имеются форсунка (3), впускные и выпускные клапаны (2). Внутри силового элемента (14) расположены газовые каналы (15) и приводы клапанов (5). Подвижный поршень ПМ (9) перемещается внутри гильзы ПМ(8).

Камера сгорания ДВС (17) и рабочая полость ПМ (18) разделены теплообменником (7), имеющем большую площадь. ПМ содержит впускной (19) и выпускной клапаны (10), которые управляются приводом (12). Форсунка ПМ (11) установлена напротив теплообменника (7).

ДВС работает в обычном четырехтактном режиме. Во время рабочего хода ДВС нагревается теплообменник (7). Выхлопной газ ДВС с высокой температурой из приемника через клапан (19) поступает в рабочую камеру паровой машины (18), где сжимается поршнем (9). При сжатии газа повышается его температура.

В конце такта сжатия ПМ через форсунку (11) на нагретый отражающий теплообменник (7) распыляется доза рабочей жидкости, которая в среде высокотемпературного газа, получая теплоту парообразования от теплообменника, взрывообразно превращается в пар, увеличивая давление в рабочей камере ПМ.

Образовавшаяся парогазовая смесь продолжает получать тепловую энергию от нагретого поршня через теплообменники (21). Под действием давления рабочего хода, поршень ПМ совершает рабочий ход, вращая коленвал (13).

В конце рабочего хода открывается клапан (10), через который парогазовая смесь удаляется из рабочей камеры ПМ. Таким образом, ДВС и ПМ имеют общие коленвал, корпус (16) и подвижную часть, состоящую из поршня ПМ (9) и теплообменника (7). Подвижная часть соединена с коленвалом двумя диаметрально противоположно расположенными шатунами (20).

Рабочая жидкость после осуществления рабочего хода ПМ конденсируется и используется циклически в паровой машине (см. рис. 1). Термодинамические циклы ДВС и ПМ разделены во времени.

Данная компоновка имеет наибольший расчетный КПД и наиболее сложную конструкцию. Необычный поршень ПМ специальной конструкции может иметь несколько вариантов исполнения. В данном случае функции гильзы выполняет стальной поршень ДВС, а на внутренней поверхности поршня ПМ размещаются компрессионные и маслосъемные кольца.

Генератор электрической энергии состоит из обмотки возбуждения 24 и силовой обмотки 25. Термодинамические пары могут соединяться между собой в многоцилиндровом двигателе с помощью общего для всех пар коленвала (13). Учитывая наличие механической связи между ДВС и ПМ, этот вариант комбинированного двигателя с неподвижным поршнем ДВС представляется очень перспективным.

Применение в качестве рабочего тела ПМ жидкости с температурой парообразования Тп = 80 ? 85? С при Р = 10 бар. позволит получать пар с необходимой степенью повышения давления в цилиндре ПМ во время рабочего хода.

У данной конструкции источник тепловой энергии (ДВС) расположен внутри потребителя тепловой энергии (ПМ), тем самым обеспечивается наиболее полная передача тепловой энергии от ДВС к ПМ. Дополнительными внешними устройствами данной конструкции должны быть:

- конденсатор рабочей жидкости ПМ, выполненный в виде теплообменника, который охлаждается используемым в ДВС воздухом;

- турбонаддув воздуха ДВС;

- система циркуляции рабочей жидкости ПМ (рис. 1);

- система внешней теплоизоляции корпуса от окружающей среды;

- комбинированная система смазки.

Габаритные размеры комбинированного двигателя значительно меньше размеров дизель-генератора аналогичной мощности. Высокая степень интеграции позволяет достигнуть значительного снижения удельного веса, повышения удельной мощности и эффективного КПД. Бензиновый аналог комбинированного двигателя может использоваться в качестве переносного электроагрегата.

Приведенные примеры свидетельствуют о возможности создания тепловых двигателей для выполнения конкретных задач в широкой области мощностей и назначений, имеющих высокий эффективный КПД, малые удельные габаритные размеры и массу. Комбинированные двигатели способны на более высоком качественном уровне заменить существующий парк дизель-генераторов и переносных электроагрегатов.

Организация производства таких двигателей в России позволит преодолеть хроническое отставание отечественных производителей от мировых достижений в этой области и создать двигатели, значительно превосходящие по основным характеристикам лучшие мировые образцы поршневых ДВС. Очень важен экономический аспект применения новых конструкций. В рыночных условиях большое значение имеет значительное снижение расходов на приобретение топлива для электропитающих устройств связи.

Тип двигателя

Qполез. %

Qвыхл. %

Qохл. %

Qмех. %

Обычный ДВС

33

29

28

10

Комбинированный двиг.

71

13