CC BY
83
новационные проекты и новые технологии для транспортного комплекса: Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - С. 69 - 73.
7. Модернизированный стенд для испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки [Текст] / В. Д. Авилов, В. Т. Данковцев и др. // Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии: Материалы IX междунар. науч.-техн. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2013. - С. 137 - 141.
УДК 621.436
А. С. Анисимов, М. Ю. Золотовский
РАСЧЕТ ОТНОШЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТЕЙ РАБОЧЕГО ТЕЛА ПРИ СГОРАНИИ СМЕСЕВЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА В ЦИЛИНДРЕ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
В статье представлена методика расчета отношения теплоемкостей рабочего тела, образовавшегося в процессе сгорания топлива. Представлены аналитические зависимости отношения теплоемкостей в зависимости от температуры продуктов сгорания, коэффициента избытка воздуха и доли сгоревшего топлива для различных составов смесевых видов углеводородного топлива.
При выполнении расчета процесса сгорания топлива в цилиндре тепловозного дизеля методом Вибе, методика которого представлена в работах [1, 2], для расчета текущего значения давления продуктов сгорания по углу поворота коленчатого вала используется уравнение:
р Лхх-2 + Р (Кх-2У - У ) т
К1-2^2 - V
где 8 - геометрическая степень сжатия дизеля;
^ - общая удельная использованная теплота сгорания;
Лх_2 - доля топлива, сгоревшего на элементарном участке процесса сгорания топлива; Р - давление продуктов сгорания в начале рассматриваемого элементарного участка
процесса сгорания топлива;
^ь - удельный объем продуктов сгорания в начале и конце элементарного участка процесса сгорания топлива;
К1-2 = -1-2— - средняя величина фактора теплоемкости рабочего тела; -1-2 -1 с
— 2 -1 = —— - отношение средних теплоемкостей на элементарном участке процесса сго-
Сх-2
рания топлива.
При выполнении расчета процесса сгорания топлива отношение теплоемкостей рабочего тела к следует определять по температуре, коэффициенту избытка воздуха и доле сгоревшего топлива. Применение для этой цели приближенных формул В. Шюле [3] ограничено линейной зависимостью отношения теплоемкости к от температуры. К тому же, формулы В. Шюле не учитывают влияние на отношение теплоемкости к коэффициента избытка воздуха и доли сгоревшего топлива.
Состав рабочего тела в процессе сгорания меняется от воздуха в начале процесса сгорания до соответствующих избытку воздуха продуктов сгорания топлива в конце процесса сгорания. В общем виде формула отношения теплоемкостей для любого промежуточного состояния рабочего тела будет иметь вид [3]:
8 ИЗВЕСТИЯ Транссиба _№ 1(17) 2014
= _
к — к -(к - к ) х,
в V в Г / 5
(2)
где кв, кГ - отношение теплоемкостей для воздуха и продуктов сгорания.
В работе [3] показано, что для продуктов сгорания дизельного топлива и воздуха уравнение (2) перепишется в виде:
Ь
к - а л---(а - аа ) х,
Т
(3)
где а и Ь - константы прямой для воздуха;
аа - ордината, отсекаемая прямой, соответствующей данному коэффициенту избытка воздуха, на оси ординат.
Константы а и Ь получены в результате проверки гиперболической зависимости значения к от температуры, перестроенные в функции 1 / Т. Аналогичным образом получено значение аа в зависимости от обратной величины коэффициента избытка воздуха, для которой получено уравнение:
Ь
а - а —1.
а
Окончательно уравнение (3) принимает вид:
1 Ь ( Ь Л к — а л---а - а + — х.
Т
а
(4)
(5)
Для дизельного топлива среднего элементарного состава (С = 0,845; Н = 0,136; О = 0,012; £ = 0,007) были вычислены истинные изохорные мольные теплоемкости продуктов полного сгорания топлива для шести значений коэффициента избытка воздуха. Численные значения продуктов сгорания и воздуха представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Зависимость истинных изохорных теплоемкостей продуктов полного сгорания дизельного топлива и воздуха от температуры и коэффициента избытка воздуха, кДж/(моль-К)
Температура Т, К Коэффициент избытка воздуха а Воздух
1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25
1 2 3 4 5 6 7 8
273 22,2000 21,9232 21,7346 21,5978 21,4941 21,4128 20,7360
323 22,5426 22,2143 21,9906 21,8284 21,7054 21,6089 20,8090
373 22,9032 22,5312 22,2777 22,0939 21,9545 21,8452 20,9410
423 23,2861 22,8768 22,5980 22,3958 22,2424 22,1221 21,1280
473 23,6927 23,2524 22,9525 22,7350 22,5700 22,4406 21,3630
523 24,1205 23,6506 23,3305 23,0984 22,9223 22,7842 21,6380
573 24,5651 24,0697 23,7322 23,4875 23,3019 23,1563 21,9460
623 25,0216 24,5028 24,1493 23,8930 23,6986 23,5461 22,3060
673 25,4840 24,9431 24,5746 24,3074 24,1048 23,9458 22,6190
723 25,9459 25,3840 25,0012 24,7235 24,5130 24,3479 22,9680
773 26,4021 25,8199 25,4231 25,1354 24,9173 24,7461 23,3160
823 26,8466 26,2445 25,8342 25,5366 25,3110 25,1340 23,6580
873 27,2769 26,6552 26,2315 25,9243 25,6914 25,5086 23,9870
923 27,6895 27,0485 26,6118 26,2951 26,0550 25,8666 24,3010
973 28,0830 27,4231 26,9735 26,6475 26,4002 26,2063 24,5980
1023 28,4559 27,7774 27,3151 26,9799 26,7257 26,5263 24,8760
1073 28,8110 28,1142 27,6393 27,2950 27,0339 26,8290 25,1350
№ 1(17) оли л ИЗВЕСТИЯ Транссиба 9
2014 1
Окончание таблицы 1
1 2 3 4 5 6 7 8
1123 29,1441 28,4297 27,9430 27,5900 27,3223 27,1123 25,3760
1173 29,4601 28,7286 28,2301 27,8687 27,5946 27,3795 25,6000
1223 29,7592 29,0111 28,5013 28,1316 27,8513 27,6313 25,8090
1273 30,0427 29,2785 28,7578 28,3802 28,0939 27,8693 26,0040
1323 30,3114 29,5318 29,0007 28,6155 28,3234 28,0943 26,1870
1373 30,5669 29,7727 29,2315 28,8391 28,5415 28,3080 26,3590
1423 30,8083 30,0001 29,4493 29,0500 28,7471 28,5095 26,5230
1473 31,0358 30,2142 29,6543 29,2484 28,9405 28,6990 26,6790
1523 31,2302 30,3996 29,8337 29,4233 29,1120 28,8679 26,8260
1573 31,4306 30,5880 30,0139 29,5975 29,2818 29,0341 26,9680
1623 31,6177 30,7639 30,1821 29,7602 29,4403 29,1893 27,1010
1673 31,7936 30,9294 30,3405 29,9135 29,5897 29,3357 27,2260
1723 31,9616 31,0879 30,4925 30,0608 29,7334 29,4766 27,3440
1773 32,1288 31,2466 30,6455 30,2096 29,8791 29,6198 27,4540
Далее были вычислены отношения теплоемкостей к продуктов полного сгорания топлива и воздуха для тех же значений а. Результаты вычислений представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Зависимость отношения теплоемкостей к продуктов полного сгорания дизельного топлива и воздуха от температуры и коэффициента избытка воздуха
Температура T, К Коэффициент избытка воздуха а Воздух
1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25
1 2 3 4 5 6 7 8
273 1,3745 1,3792 1,3825 1,3850 1,3868 1,3883 1,4010
323 1,3688 1,3743 1,3781 1,3809 1,3830 1,3848 1,3995
373 1,3630 1,3690 1,3732 1,3763 1,3787 1,3806 1,3970
423 1,3570 1,3634 1,3679 1,3712 1,3738 1,3758 1,3935
473 1,3509 1,3576 1,3622 1,3657 1,3684 1,3705 1,3892
523 1,3447 1,3515 1,3564 1,3599 1,3627 1,3649 1,3842
573 1,3385 1,3454 1,3503 1,3540 1,3568 1,3590 1,3788
623 1,3323 1,3393 1,3443 1,3480 1,3508 1,3531 1,3727
673 1,3263 1,3333 1,3383 1,3420 1,3449 1,3472 1,3676
723 1,3204 1,3275 1,3326 1,3363 1,3392 1,3415 1,3620
773 1,3149 1,3220 1,3270 1,3308 1,3337 1,3360 1,3566
823 1,3097 1,3168 1,3218 1,3256 1,3285 1,3308 1,3514
873 1,3048 1,3119 1,3170 1,3207 1,3236 1,3259 1,3466
923 1,3003 1,3074 1,3124 1,3162 1,3191 1,3214 1,3421
973 1,2961 1,3032 1,3082 1,3120 1,3149 1,3173 1,3380
1023 1,2922 1,2993 1,3044 1,3082 1,3111 1,3134 1,3342
1073 1,2886 1,2957 1,3008 1,3046 1,3075 1,3099 1,3308
1123 1,2853 1,2924 1,2975 1,3013 1,3043 1,3067 1,3276
1173 1,2822 1,2894 1,2945 1,2983 1,3013 1,3037 1,3248
1223 1,2794 1,2866 1,2917 1,2955 1,2985 1,3009 1,3221
1273 1,2767 1,2840 1,2891 1,2930 1,2959 1,2983 1,3197
1323 1,2743 1,2815 1,2867 1,2905 1,2935 1,2959 1,3175
1373 1,2720 1,2793 1,2844 1,2883 1,2913 1,2937 1,3154
10 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(17) 2014
—— =
Окончание таблицы 2
1 2 3 4 5 6 7 8
1423 1,2699 1,2771 1,2823 1,2862 1,2892 1,2916 1,3135
1473 1,2679 1,2752 1,2804 1,2843 1,2873 1,2897 1,3116
1523 1,2662 1,2735 1,2787 1,2826 1,2856 1,2880 1,3099
1573 1,2645 1,2718 1,2770 1,2809 1,2839 1,2864 1,3083
1623 1,2630 1,2703 1,2755 1,2794 1,2824 1,2848 1,3068
1673 1,2615 1,2688 1,2740 1,2779 1,2810 1,2834 1,3054
1723 1,2601 1,2674 1,2727 1,2766 1,2796 1,2821 1,3041
1773 1,2588 1,2661 1,2713 1,2752 1,2783 1,2807 1,3028
На рисунке 1 представлены зависимости к в функции 1 / Т, значения которой в широких пределах температуры хорошо укладываются в параллельные прямые линии.
1,37
о. е.
1,33
1,31
1,29
1,27
1,25
У = 0,0( )72х + 1,2627 а Воздух =2,25 =2,00
у Ж =1,75 =1,50 =1,25 а=1,00
¿у-
'¿г
г 4
V
11
13
К-1
17
Т ч-104 ■
Рисунок 1 - Зависимости отношения теплоемкостей к продуктов полного сгорания дизельного топлива и воздуха для разных значений а
Значения аа в зависимости от обратной величины коэффициента избытка воздуха 1 / а представлены на рисунке 2. Точки этой зависимости хорошо ложатся на прямую линию.
к
5
7
9
№.1(1.7) ИЗВЕСТИЯ Транссиба
Подставляя численные значения коэффициентов уравнений прямых линий, представленных на рисунках 1 и 2, получаем в окончательном виде эмпирическое уравнение для продуктов сгорания дизельного топлива
72 ( 0,0405 1 к = 1,2627 +--1 0,0055 —,- х.
Т \ а )
(6)
1,24
1,23
1,22
1,21
у = - 0,04 05х + 1,2572
N
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
а
Рисунок 2 - График уравнения (4) для продуктов полного сгорания дизельного топлива
Для конечных продуктов сгорания дизельного топлива уравнение (6) принимает вид:
, , „„„ 72 0,0405 к = 1,2572 +-----.
Т
а
(7)
Проверка уравнения (6) показала, что точность определения отношения теплоемкостей к по сравнению с данными таблицы 2 в пределах изменения температуры 700 - 1800 К составляет около ± 0,3 %.
В случае применения смесевого топлива расчетное уравнение для к следует определять с учетом доли присадки альтернативного топлива к дизельному, которая влияет на элементарный состав смесевого топлива.
Элементарный состав смесевого топлива рассчитаем с применением следующих выражений:
С(см) = (1 - а)С(ДТ) + 0С(а); (8)
н(см) = (1- а )н(ДТ)+ан(а); (9)
о(см) = (1- а )о(ДТ)+ао(Л); (10)
8(см) = (1 - а)8(ДТ) + 08(а), (11)
С(ДТ) н(дт) о(ДГ) 8(ДТ) где , , , - элементарный состав дизельного топлива;
С(а) н(а) о(а) ^)
, , , - элементарный состав альтернативной добавки.
Элементарный состав для представленных выше альтернативных добавок приведен в
таблице 3.
а
а
12 ИЗВЕСТИЯ Транссиба _№ 1(17) 2014
= _
Таблица 3 - Элементарный состав альтернативных добавок
Наименование альтернативной добавки и ее природный состав Элементарный состав альтернативной добавки
С^) На) О^) ^)
Природный газ ПГ состава - 0,75 0,25 - -
метан 100 %
Биотопливо БТ1 состава - 0,688 0,218 0,094 -
метан - 87 %, углекислый газ - 13 %
Биотопливо БТ2 состава - 0,512 0,125 0,363 -
метан - 50 %, углекислый газ - 50 %
На основе расчета по приведенной выше методике определения уравнений для расчета величины отношения теплоемкостей продуктов сгорания в таблице 4 представлены коэффициенты регрессии уравнения (4) и вид уравнения (5) для различных долей альтернативной добавки.
Таблица 4 - Значение коэффициентов регрессии уравнения (4) и вид уравнения (5) для различных долей альтернативной добавки
Доля альтернативной добавки, % Коэффициенты регрессии уравнения (4) Вид уравнения (5)
а! Ъ1
Природный газ ПГ
10 1,2572 - 0,0407 к 72 = 1,2627 +-- Т 0,0055- 00407 а У
20 1,2570 - 0,0407 к 72 = 1,2627 +-- Т 0,0057 - 00407 а У
30 1,2570 - 0,0408 к 72 = 1,2627 +-- Т 0,0057 - 00408 а У
40 1,2568 - 0,0408 к 72 = 1,2627 +-- Т 0,0059 - 00408 а У
Биотопливо БТ1
10 1,2571 - 0,0407 к 72 = 1,2627 +-- Т 0,0056 - 00407 а У
20 1,2570 - 0,0408 к 72 = 1,2627 +-- Т 0,0057 - 00408 а У
30 1,2568 - 0,0408 к 72 = 1,2627 +-- Т 0,0059 - 00408 а У
40 1,2568 - 0,0411 к 72 = 1,2627 +-- Т 0,0059- 00411 ^ а , У
Биотопливо БТ2
10 1,2570 - 0,0407 к 72 = 1,2627 +-- Т 0,0057 - 00407 а У
20 1,2569 - 0,0411 к 72 = 1,2627 +-- Т 0,0058 - 00411 ^ а , X
30 1,2566 - 0,0412 к 72 = 1,2627 +-- Т 0,0061 - 00412 ^ а , У
40 1,2565 - 0,0416 к 72 = 1,2627 +-- Т 0,0062 - 00416 а У
В диапазоне изменения доли альтернативной добавки от 0 до 40 % в смесевом топливе расхождение коэффициента а1 составляет не более 0,03 %, Ъ - около 2 %.
С учетом средних значений а1 и Ъ1 окончательно принимаем вид уравнения (5): для продуктов сгорания дизельного топлива и природного газа ПГ -
■НИ ИЗВЕСТИЯ Транссиба 13
4 = 1,2627-3- 0,0057-5«*, (12)
Т I а
для продуктов сгорания дизельного топлива и биотоплива БТ1
к =1,2627+1- 0,0058-0010^*; (13)
для продуктов сгорания дизельного топлива и биотоплива БТ2 -
к = 1,2627 + 720,0059- М!^* . (14)
Таким образом, полученные уравнения для определения отношения теплоемкостей продуктов сгорания позволяют уточнить расчет процесса сгорания при моделировании рабочего цикла тепловозных дизелей. При этом повышается точность определения работы газов и скорости нарастания давления и температуры рабочего тела в течение рабочего цикла.
Список литературы
1. Совершенствование метода анализа процесса сгорания по индикаторной диаграмме [Текст] / А. С. Анисимов, Е. И. Сковородников и др. // Наука и техника транспорта / Российская открытая акад. транспорта МИИТа. - М. - 2010. - № 4. - С. 57 - 63.
2. Володин, А. И. Комплексный анализ термодинамических, экономических и экологических характеристик тепловозных дизелей в условиях эксплуатации: Монография [Текст]/ А. И. Володин, Е. И. Сковородников, А. С. Анисимов / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск, 2011. - 166 с.
3. Вибе, И. И. Новое о рабочем цикле двигателей [Текст] / И. И. Вибе. - М.; Свердловск: Машгиз, 1962. - 271 с.
УДК 621.33
Е. Ю. Дульский, Н. С. Доценко, Е. М. Лыткина
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНВЕКТИВНОГО И ТЕРМОРАДИАЦИОННОГО МЕТОДОВ КАПСУЛИРОВАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК ПРИ РЕМОНТЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Статья посвящена исследованию эффективности использования терморадиационного и конвективного методов сушки изоляции обмоток электрических машин тягового подвижного состава, пропитанной различными современными лаками и компаундами, при их деповском и заводском ремонте. Объективными факторами при сравнении методов являются такие параметры, как класс нагревостойкости, электрическая прочность и цементирующая способность. Авторами обосновывается преимущество терморадиационного метода перед конвективным.
Изоляция обмоток электрических машин тягового подвижного состава (ТПС) является наиболее уязвимым и в то же время дорогим звеном машины. В процессе изготовления электрических машин для повышения влаго-, электро- и термостойкости изоляции, а также в процессе ремонта для восстановления ее физико-механических свойств применяют пропитку
14 ИЗВЕСТИЯ Транссиба _№ 1(17) 2014
= _
