На водном транспорте технологии комбинированной выработки тепловой и электрической энергии (технологии когенерации) используются уже значительное время. Известно [6], что на судах различного назначения имеются в составе энергетической установки блоки утилизации тепловой энергии (БУТ). БУТ энергетических установок судов позволяют утилизировать тепловую энергию охлаждающей жидкости и отработанных газов их двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Для автомобильного и железнодорожного транспорта подобные технологии снабжения их тепловой и электрической энергией только начинают развиваться. В работах [2, 5] была предложена теплоэнергетическая установка позволяющая одновременно вырабатывать на борту транспортного средства (крупнотоннажный автомобиль, тепловоз) тепловую и электрическую энергию. Теплоэнергетические установки для автомобильного и железнодорожного транспорта представляют собой когенерационные установки (КГУ) компактной конструкции соответствующих тепловой и электрической мощностей. Вместе с тем отметим, что в практике создания КГУ транспортных средств существует определенный информационный пробел, связанный с вопросами эффективности их применения. В связи с этим целью настоящей работы является экспериментальное изучение особенностей работы КГУ транспортного средства для определения параметров эффективности её применения.
Вопросы проектирования и выбора параметров агрегатов КГУ транспортного средства приводятся в работе [5]. На основании данных, указанных в работе [5], для проведения исследований была разработана и создана КГУ транспортного средства, содержащая одноцилиндровый вихрекамерный дизель жидкостного охлаждения с диаметром цилиндра 100 мм и ходом поршня 107 мм, соединенный с синхронным трехфазным электрогенератором переменного тока. Номинальная мощность дизеля КГУ составляет 10 кВт при 2300 мин–1. Синхронный электрогенератор КГУ имеет номинальную мощность 4 кВт, снабжен регулятором напряжения, поддерживающим его напряжение 28 В, и выпрямителем. Все указанные технические устройства позволяют применять электрогенератор для питания электроэнергией электрооборудования бортовых сетей большинства транспортных средств с номинальным напряжением 24 В. Коэффициент полезного действия (КПД) применяемого на КГУ транспортного средства синхронного электрогенератора при частоте вращения его ротора 2300 мин–1, составляет 43 %. Низкий КПД синхронного электрогенератора КГУ обусловлен его удельной массовой характеристикой, которая составляет 5 кг/кВт, и вентиляционными потерями, возникающими при продувке его воздухом с целью охлаждения. Указанная удельная масса синхронного генератора характерна для компактных конструкций, предназначенных для установки на автотракторные ДВС. В нашем случае, руководствуясь стремлением уменьшить массо-габаритные характеристики КГУ транспортного средства был выбран именно такой синхронный генератор с достаточно низким КПД. Масса выбранного синхронного генератора составляет 20,8 кг. Здесь также необходимо отметить, что синхронные электрогенераторы переменного тока с КПД 80 % и выше в диапазоне электрических мощностей 4...10 кВт имеют удельную массовую характеристику, составляющую 11...18 кг/кВт.
В систему охлаждения дизеля КГУ встроен специальный бак, в котором установлены 5 электронагревателей мощностью 500 Вт каждый. Электронагреватели, установленные в баке, подключаются поочередно до суммарной мощности 2,5 кВт и предназначены для выработки дополнительной тепловой энергии. Отметим, что в работе [1] обосновывается рациональность применения на дизельных КГУ подобных электронагревателей. Гидравлическая схема исследуемой КГУ транспортного средства приведена на рис. 1.
Рис. 1. Гидравлическая схема КГУ транспортного средства: 1 – дизельный двигатель, 2 – синхронный генератор, 3 – центробежный насос с электроприводом, 4 – бак с электронагревателями, 5 ‒ теплообменник ‒ утилизатор теплоты отработанных газов дизельного ДВС, 6 – радиатор
Для утилизации тепловой энергии отработанных газов дизеля КГУ использован пластинчато-трубчатый теплообменник, созданный по патенту [4].
Стенд для испытания КГУ транспортного средства оборудован следующими контрольно-измерительными приборами: расходомер теплоносителя турбинного типа; платиновые термометры сопротивления; термопары, типа ТХА; расходомер часового расхода топлива; манометр; вольтметр; амперметр. Датчики температуры испытательного стенда КГУ транспортного средства (в соответствии с рис. 1): Т1 – температура теплоносителя на входе в систему охлаждения дизеля КГУ транспортного средства; Т2 – температура на выходе из системы охлаждения дизеля КГУ; Т3 – температура теплоносителя на входе в теплообменник, утилизатор теплоты отработанных газов; Т4 – температура теплоносителя на выходе из теплообменника, утилизатора теплоты отработанных газов; Т5 – температура отработанных газов на входе в теплообменник, утилизатор их теплоты; Т6 – температура отработанных газов на выходе из теплообменника, утилизатора их теплоты; Т7 – температура окружающего воздуха на входе в дизель КГУ.
Центробежный насос с электроприводом, два электровентилятора радиатора, аккумуляторные батареи и бак с электронагревателями образуют единую бортовую сеть стенда для испытания КГУ транспортного средства. Суммарный ток потребления всего электрооборудования испытательного стенда КГУ составляет 120 А. Общая электрическая мощность при этом составляет 3,36 кВт (при номинальной мощности электрогенератора 4 кВт). Вид стенда для испытания КГУ транспортного средства представлен на рис. 2.
Рис. 2. Стенд для испытания когенерационной установки транспортного средства
Испытания КГУ транспортного средства выполнялись в следующей последовательности: предварительный прогрев дизеля КГУ транспортного средства; установка мощностного режима КГУ (обеспечивается включением центробежного насоса с электроприводом, электровентиляторов радиатора и необходимого количества электрических нагревателей в баке); осуществление выхода КГУ на стационарный тепловой режим при установленной электрической мощности; запись контролируемых параметров КГУ транспортного средства. Комбинацией включения электрооборудования КГУ транспортного средства обеспечиваются пять её нагрузочных режимов, кВт: 0,65; 2,44; 2,84; 3,01; 3,36. После выхода КГУ на стационарный тепловой режим измеряются все температуры (в соответствии с рис. 1), расход теплоносителя, часовой расход топлива, ток и напряжение электрогенератора. При обработке результатов испытания КГУ транспортного средства определялись нижеприведенные параметры.
Потенциальная мощность (кВт), эквивалентная количеству теплоты, введенной с топливом в единицу времени:
(1)
где Hu – теплотворная способность топлива, кДж/кг; Gt – часовой расход топлива, кг/ч.
Мощность дизеля КГУ в кВт:
(2)
где U – напряжение электрогенератора, В; I – ток электрогенератора, А; ηген – КПД электрогенератора.
Электрическая мощность КГУ транспортного средства, кВт:
(3)
Тепловая мощность КГУ транспортного средства, кВт:
(4)
где Степл – теплоемкость теплоносителя (воды), кДж/(кг К); Gтепл – расход теплоносителя, кг/с.
Тепловая мощность теплообменника, утилизатора теплоты отработанных газов дизеля КГУ транспортного средства, кВт:
(5)
Тепловая мощность системы охлаждения дизеля КГУ, кВт:
(6)
Полная мощность КГУ транспортного средства, кВт:
(7)
Коэффициент использования теплоты сгорания топлива, представляющий собой долю теплоты, подведенную с топливом, превращенную в электрическую и тепловую энергии:
(8)
Эффективный КПД дизеля КГУ транспортного средства:
(9)
Тепловой и электрический КПД КГУ транспортного средства:
(10)
Мощностные характеристики КГУ транспортного средства представлены следующими параметрами: (1) (5), (6), (7) – на рис. 3. К показателям, характеризующим эффективность КГУ следует относить (8), (9), (10) – представлены на рис. 4. Коэффициент использования теплоты сгорания топлива КГУ (рис. 4) приведен как для случая применения электронагревателей, встроенных в её гидравлическую цепь, так и без них.
Рис. 3. Зависимость тепловых мощностей от электрической когенерационной установки транспортного средства
Для определения коэффициента использования теплоты сгорания топлива КГУ без применения электронагревателей применяли следующую формулу:
(11)
где qпот – относительное количество теплоты, теряемой дизелем КГУ транспортного средства со своих наружных поверхностей в окружающую среду конвекцией и излучением; ηут – глубина утилизации тепловой энергии, уносимой с отработанными газами дизеля КГУ транспортного средства.
Рис. 4. КПД когенерационной установки транспортного средства
Согласно работе [3] относительное количество теплоты, теряемой дизелем КГУ транспортного средства со своих наружных поверхностей в окружающую среду конвекцией и излучением, составляет 1,5 %, следовательно, можно принять qпот = 0,015.
ηут представляет собой следующее выражение:
(12)
Исследованиями КГУ транспортного средства установлены значения ηут, которые приведены в таблице.
Глубина утилизации тепловой энергии отработанных газов дизеля КГУ
|
Рэл, кВт |
0,65 |
2,44 |
2,84 |
3,01 |
3,36 |
|
ηут |
0,89 |
0,68 |
0,64 |
0,66 |
0,69 |
Анализ характеристик, приведенных на рис. 3, показывает в общем случае их линейный характер изменения. С увеличением электрической мощности КГУ транспортного средства увеличиваются практически линейно её полная мощность, тепловая и потенциальная. Но здесь следует отметить, что в диапазоне электрической мощности, равной 3 кВт, происходит некоторое изменение (в сторону уменьшения) характеристик потенциальной, полной и тепловой мощности КГУ транспортного средства. Объяснить выявленный характер изменения вышеуказанных мощностей можно с точки зрения изменения величины эффективного КПД дизеля КГУ транспортного средства (9), характеристика которого приведена на рис. 4. Эффективный КПД дизеля КГУ транспортного средства имеет максимальное значение при её электрической мощности 3 кВт (эффективной мощности дизельного ДВС 7 кВт) и составляет 0,38. На этом режиме как раз происходит некоторое изменение характеристик мощностных параметров КГУ транспортного средства.
Интересно отметить характер изменения величины тепловой мощности системы охлаждения дизеля КГУ. Величина указанной тепловой мощности практически остается постоянной на всех нагрузочных режимах КГУ транспортного средства. Так, на нагрузочном режиме КГУ транспортного средства соответствующего электрической мощности 0,65 кВт, РСО = 4,31 кВт, а при электрической мощности 3,36 кВт РСО = 5,21 кВт.
Тепловая мощность теплообменника, утилизатора теплоты отработанных газов дизеля КГУ транспортного средства изменяется практически линейно от 2,68 кВт при электрической мощности, соответствующей 0,65, до 4,39 кВт при максимальной электрической мощности.
Анализ данных, представленных на рис. 4, показывает, что коэффициент использования теплоты сгорания топлива при максимальной электрической мощности (равной 3,36 кВт) составляет 0,72. То есть 72 % энергии от введенной в результате сгорания топлива в камере сгорания дизеля КГУ транспортного средства используется ей. Тепловой КПД на режиме максимальной электрической мощности составляет 0,56, а электрический ‒ 0,16. Рост эффективного КПД дизеля КГУ в зависимости от электрической нагрузки сопровождается уменьшением ее теплового КПД и коэффициента использования теплоты сгорания топлива. Максимальное значение коэффициента использования теплоты сгорания топлива у КГУ, составляющее 0,84, наблюдается на её минимальном нагрузочном режиме (при электрической мощности 0,65 кВт). На минимальном нагрузочном режиме работы КГУ транспортного средства эффективный КПД её дизеля составляет 0,17, при этом теплота, которая в обычном ДВС передается теплоносителю в его системе охлаждения, а также выбрасывается в окружающую среду с его отработанными газами, в нашем случае практически полностью утилизируется. Анализ данных, представленных на рис. 4, также выявил, что величина коэффициента использования теплоты сгорания топлива КГУ транспортного средства будет выше на всех режимах её работы, когда применяются электронагреватели. Увеличение величины коэффициента использования теплоты сгорания топлива при использовании электронагревателей составляет в среднем 13 %.
Используя полученные данные в плане эффективности когенерационной установки транспортного средства, можно заключить, что любая проектируемая КГУ должна создаваться для конкретной цели, а именно генерации требуемого вида энергии (тепловой, электрической, тепловой и электрической). Для генерации преимущественно тепловой энергии когенерационной установкой целесообразно использовать на ней электрогенераторы с низким КПД и электрические устройства, преобразующие электрическую энергию в тепловую. В этом рассматриваемом случае побочным видом энергии будет электрическая. Если КГУ предназначается в первую очередь для генерации электрической энергии, то здесь целесообразно применить как ДВС, так и электрогенератор с максимально возможными значениями их КПД. В этом случае тепловая энергия станет побочным продуктом. Например, в нашем случае, соотнеся тепловую и электрическую мощность КГУ транспортного средства, можно сделать вывод о том, что на её номинальном режиме работы на 1 кВт электрической энергии будет приходиться 2,86 кВт тепловой энергии. Притом, например, в условиях низких отрицательных температур главным видом энергии будет являться именно тепловая. И здесь налицо выявляются основные преимущества созданной КГУ транспортного средства.
В итоге выполнения работы были установлены параметры эффективности КГУ транспортного средства. Коэффициент использования теплоты сгорания топлива КГУ транспортного средства на максимальном мощностном режиме составляет 0,72, а на 1 кВт электрической энергии будет приходиться 2,86 кВт тепловой энергии. Отметим, что КГУ транспортного средства призвана заменить широко применяемые в настоящее время автономные жидкостные подогреватели, которые имеют коэффициент использования теплоты сгорания топлива 0,70. Но при этом создаваемая КГУ транспортного средства является полностью энергонезависимой, а для осуществления работы автономного жидкостного подогревателя требуется электроэнергия. Как правило, электроэнергией автономные жидкостные подогреватели снабжают аккумуляторные батареи, которые постоянно разряжаются при его работе.
Рецензенты:
Епархин О.М., д.т.н., профессор, директор Ярославского филиала, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения», г. Ярославль;
Рудаков В.И., д.ф.-м.н., заведующий лабораторией Ярославского филиала, ФГБУН «Физико-технологический институт» Российской академии наук, г. Ярославль.
Работа поступила в редакцию 15.07.2014.