CC BY
46
УДК 621.18
УНІВЕРСАЛЬНА ПІДІГРІВНА МАШИНА ДЛЯ ПОТРЕБ МОТОРИЗОВАНИХ ПІДРОЗДІЛІВ ЗСУ і МНС
Б.М. Посмітний, інженер, ВП «Ваговимірювач», О.М. Березан, викладач, Ю.І. Горпинко, к.т.н., О.П. Ковешніков, курсант, Харківський університет Повітряних Сил
Анотація. Запропоновано використання роторно-кавітаційний парогенератор як джерело тепла для мобільної установки, аналогічної моторним підігрівачам. Показано, що доукомплектування вказаної установки нескладним обладнанням, дозволяє різко розширити її можливості, порівняно з аналогами. Окрім підігрітого повітря, вона здатна виробляти відкриту й глуху пару, з доставкою її до споживача на відстань до 45 метрів і більше. Практично ці можливості дозволяють створити новий вид спеціальних автомобілів - універсальні підігрівні машини. Вони можуть бути використані для розігріву різних об ’єктів при виконанні ремонтних робіт, на декілька діб замінити основне джерело теплопостачання будівлі чи споруди, яке зазнало аварії. Визначено розрахункові споживацькі характеристики універсальної підігрівної машини на шасі УАЗ-452.
Ключові слова: роторно-кавітаційний, парогенератор, шасі, нагрівне повітря, відкрита пара, нагрівна вода, аварійне опалення.
Вступ
Технології розвитку гідродинамічних джерел тепла у своєму розвитку досягли важливого етапу. Створені ефективні роторно-кавітаційцні генератори пари рідин, включаючи водяну пару. Вже перші конструкції показали наявність суттєвих їх переваг, порівняно з котлами різних типів: набагато менші вага і габарити, а також незвична для котлів можливість створювати потужні джерела тепла на основі вже виготовлених пристроїв іншого призначення. Такими є існуючий парк двигунів, в тому числі й двигунів внутрішнього згоряння .
Тому актуальною технічною задачею стає створення мобільних систем виробництва тепла і пари, основним елементом яких стали б уже виготовлені двигуни різних базових шасі. При розробці першого варіанту такої системи передбачалось її використання для потреб моторизованих підрозділів ЗСУ й МНС. Тому система обов’язково має зберегти функції існуючого армійського аналога моторного підігрівача. Інші можливості системи повинні максимально використати переваги нового джерела тепла й урахувати потреби спеціального автомобіля для аварійних ремонтних бригад.
Аналіз публікацій
Завдяки високим енергетичним властивостям, найбільш цікавими як джерело тепла мобільних
установок є гідродинамічні генератори водяної пари. Вони були розроблені на виробничому підприємстві «Ваговимірювач», м. Харків. Ряд продуктивності розроблених агрегатів з електричним приводом за даними [1, 2] складає 25, 50 і 110 кілограм пари за годину. Парадоксальною властивістю гідродинамічних теплогенераторів [1, 2, 3] є досягнення ними максимальної ефективності при подачі на вхід води низької температури [3].
Габарити технологічних блоків роторних тепло- і парогенераторів можна оцінити в одну третину об’єму привідного електродвигуна; вага становить менше половини ваги електродвигуна. Час виходу будь-якого парогенератора на робочий режим не перевищує 300 секунд [1]. Температура пари на виході з парогенератора може бути відрегульована на рівні від 100 до 140 °С і вище [1, 2].
Сучасні мобільні моторні підігрівачі забезпечують нагрівання примусово сформованого потоку атмосферного повітря до температур близько 120 °С за рахунок тепла спалення гасу [4]. Нагріте сухе повітря дозволяє відігріти двигун без ризику ушкодження його електричної системи. Ризик пожежі знижується відокремленням контуру продуктів згорання гасу від контуру підігрівного повітря. Недоліками установки є вузька спеціалізація, необхідність постачання окремого виду палива, підвищена пожежна небезпека.
Мета і постановка задачі
Метою дослідження була розробка технології виробництва підігрітого атмосферного повітря для відігрівання двигунів внутрішнього згоряння мобільною установкою на основі роторно-кавітаційних генераторів водяної пари; розробка додаткових споживацьких технологій на основі використання вже реалізованих можливостей агрегатів виробляти відкриту й глуху водяну пару. Розробка технологій передбачалась на таку глибину, щоб здійснити прив’язку до конкретного шасі.
Для досягнення мети було виконано аналіз літературних публікацій і проведені найпростіші схемні й кількісні оцінки. В задачі дослідження входила оцінка ваго-габаритних характеристик конструктивних вузлів й розробка компонувальної схеми. Постачання тепла у формі пари й нагрітої води було доповнене вимогою забезпечення їх використання на відстані до 45 метрів від базового шасі. Така відстань дозволяє використовувати підігрівну машину для підключення до аварійної системи опалення будівлі чи споруди.
Технологічна схема спеціального обладнання
Для приводу найбільш потужного з розроблених на теперішній час парогенераторів необхідний двигун потужністю 45 кВт. Завдання точно повторювати характеристики існуючого моторного підігрівача не ставилося. Оскільки головна мета
полягала у розробці нових технологій нагрівання, було прийняте рішення про використання найпростішої конструкції, коли на мобільній установці буде розташований один парогенератор. З цих причин як базове шасі для розроблюваної універсальної підігрівної машини вибрано автомобіль УАЗ 452. Збірне виробництво вказаної моделі організовано в Україні.
Для спеціального обладнання універсальної підігрівної машини була розроблена оригінальна технологічна схема (рис. 2). Схема містить у собі чотири окремих контури. Різними видами сполучних ліній виділені контури різних теплоносіїв. Водяна пара і її конденсат позначені простою суцільною лінією. Гаряче повітря - лінією з однією похилою перетинкою. Підігрівна вода з зовнішніх контурів - лінією з двома похилими перетинками. Теплоносій з системи охолодження двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ) - ламаною лінією. Технологічна схема дозволяє реалізувати один з чотирьох режимів: генерації гарячого повітря; генерації гарячої води; генерації відкритої пари, нагріву зовнішнього рідинного потоку глухою парою. Кожен з режимів забезпечує вирішення різних споживацьких завдань.
Розігрів автомобільних двигунів, чи іншого обладнання, для якого є небезпечним контакт з вологою, забезпечений потоком нагрівного атмосферного повітря. Воно примусово прокачується вентилятором 7 з приводом від ДВЗ шасі через теплообмінники 1,8.
Рис. 1. Технологічна схема універсальної підігрівної машини: 1 - радіатор автомобільний; 2 - кран запірний; 3 - насос водяний; 4 - базовий двигун внутрішнього згоряння; 5 - парогенератор роторно-кавітаційний; 6 - кран триходовий; 7 - осьовий вентилятор; 8 - конденсатор повітряний; 9 -роз’ ємні штуцери; 10 - конденсатор водяний; 11 - бак для запасу води; 12 - електричний насос
Для використання того тепла, яке відводиться системою охолодження ДВЗ базового шасі 4, застосовано два додаткових автомобільних радіатори 1. В них атмосферне повітря попередньо підігрівається перед подачею в основний теплообмінник 8 повітряного контуру. Збільшення поверхні теплопередачі дозволяє підвищити ефективність нагріву повітря, порівняно з системою охолодження ДВЗ.
Догрів атмосферного повітря до 110 °С забезпечує повітряний конденсатор 8, в якому використане тепло, вироблене парогенератором 5 з приводом від двигуна 4. Нагрівний теплоносій рухається по замкненому контуру через парогенератор 5 і повітряний конденсатор 8, обминаючи водяний конденсатор 10.
Для відігрівання замерзлого ґрунту над аварійними ділянками мереж, чи інших об’ єктів, яким не заважає волога, передбачається використання відкритої водяної пари. Вода з зовнішньої ємкості чи з власного бака 11 випаровується в парогенераторі 5 і подається до споживача через тепло ізольований гнучкий рукав з приладдя установки. Оскільки пара має небезпечно високу температуру робочий наконечник рукава виконаний зручним для утримання і переміщення.
Для підігріву витратної води із зовнішнього водогону, чи безнапірного зовнішнього джерела, передбачається використання водяного конденсатора 10, закріпленого в кузові шасі. У випадку коли джерело є безнапірним, прокачування води здійснює насос 12 з приводом від електродвигуна. Його енергетичні потреби забезпечує електричний генератор, який працює від двигуна базового шасі (на схемі не показаний). Парогенератор 5 при цьому працює по замкнутому контуру через водяний конденсатор 10, обминаючи повітряний конденсатор 8. Нагріта витратна вода може бути використана для вирішення різних проблем. Наприклад забезпечення польової їдальні, лазні чи таке інше.
Нарешті можливий підігрів циркулюючої води систем опалення будівель і споруд за рахунок винесення водяного конденсатора на відстань до 45 метрів від машини. Реалізація забезпечена наявністю в устаткуванні машини теплоізольова-них паро- і конденсатопроводів відповідної довжини. Циркуляція теплоносія системи опалення може бути забезпечена власним електронасосом 12, який встановлюється на відстані за рахунок використання електричного кабеля достатньої довжини.
Парадоксальна властивість роторно-кавітаційних парогенераторів підвищувати ефективність нагріву при зменшенні температури води на його вході дозволяє додатково використати запас тепла рідкого конденсату. З цих причин конденсатори 8,10
є сенс виконувати якомога ефективнішими, або доповнити їх додатковими теплообмінниками.
В додатковому теплообміннику повітряного контуру тепло зрідженого конденсату може забезпечити підігрівання повітря в зоні між автомобільними радіаторами 1 і конденсатором 8. Такий теплообмінник може бути окремим двосекційним, можливе використання модифікованих трисекційних радіаторів. Треті секції мали б забезпечити підігрів повітря теплом скрапленого конденсату з контуру парогенератора 5. Але в даній роботі був вибраний варіант простої конструкції. Тому в розрахункові характеристики закладена лише теплота конденсації пари. При повному використанні тепловиділень ефективність нагрівної системи може бути підвищена максимально на 20 відсотків від теплоти конденсації виробленої генератором 5 пари .
Компонувальна схема
Конструктивна реалізація технології була прив’язана до базового шасі УАЗ-452. Конструкція основних нагрівних елементів вибрана таким чином. Радіатори - тієї ж конструкції, що й на двигунові базового шасі.
Вгатнл*т»р Кищгж 1і»и> .ш
Рис. 2. Компонувальна схема універсальної підігрівної машини
Конденсатор водяний - такий же самий, який використаний в лабораторії дослідницької групи, що розробила парогенератор. Поверхня теплопередачі конденсатора є достатньою для забезпечення підігріву охолоджуючої води до температури 75 °С при конденсації 110 кілограм пари на годину.
Конденсатор повітряний - модифікований теплообмінник з уніфікованої компресорної станції УКС-400П. Передбачено, що в його габаритах буде розташована така ж кількість трубок, як у конденсаторі колони низького тиску станції АКДС-70М. Продуктивність цього апарату забезпечує конденсацію до 100 кг азоту на годину за робочої різниці температур менше 5 градусів. Мінімальний температурний натиск конденсатора водяної пари складає 30 градусів.
Ваго-габаритні характеристики використаного в спеціальному обладнанні парогенератора були надані його розробниками. Технологічний блок має вертикальний вал ротора. Габарити циліндричного блоку : діаметр 700 мм , висота 300 мм.
Привід в обертовий рух і парогенератора, і осьового вентилятора передбачений від спеціальної коробки відбору потужності, яка має бути додатково встановлена на базове шасі. Приблизно підходить вже готова коробка з існуючого спеціального автомобіля - повітряного пускача авіаційних двигунів на базі того ж шасі.
Оцінка характеристик універсальної підігрівної машини
Продуктивність парогенератора у складі універсальної підігрівної машини була задана як 70 кг водяної пари на годину. Діючі зразки парогенераторів мають електричний привід, тому продуктивність парогенератора з приводом від ДВЗ необхідно прогнозувати. Такий прогноз виконано обережним, зі зменшеною ефективністю, порівняно з характеристиками, досягнутими в агрегатах з електричним приводом. Реальна продуктивність універсальної підігрівної машини, скоріше за все, виявиться більш високою.
Габарити теплообмінників вибрані, як було показано вище, з достатнім запасом. Тому прогнозовані характеристики забезпечені можливостями обладнання з досить великим запасом. Розрахункові характеристики універсальної підігрівної машини зведені в підсумковій табл. 1. Розрахунки було проведено з такими припущеннями. Тепло, передане до підігрівного атмосферного повітря від контуру системи охолодження двигуна, становить сорок відсотків його потужності. Температура повітря, яке забирається з атмосфери, становить мінус двадцять градусів Цельсія. Температура води, поданої з зовнішнього контуру, становить 5 °С. Температура нагрівання води становить 70 °С, яка є достатньою для її пастеризації.
Таблиця 1 Розрахункові характеристики УПМ-УАЗ-452 (універсальної підігрівної машини на базі шасі УПМ-УАЗ-452)
Продовж. табл. 1
Найменування параметрів та розмірність Числове значення
Продуктивність за відкритою водяною парою, кг/год. 70
Об’єм бака з запасом технічної води, л 150
Кількість обслуговуючого персоналу, чол. 1
Час виводу машини на робочий режим, хв 15
Коментарі й міркування
Порівняємо характеристики запропонованої підігрівної машини та уніфікованого моторного піді-грівача УМП-350. Уніфікований моторний піді-грівач має вагому цінність для підвищення бойової готовності військових підрозділів та частин Повітряних Сил у зимовий період експлуатації. Підігрівач призначений для передстартового підігріву авіаційних двигунів, кабін та салонів ЛА та обігріву приміщень та об’єктів. Переваги УМП-350 полягають у більшій продуктивності за гарячим повітрям, яка складає 16000 кг/год; відповідно теплопродуктивність становить 300000 ккал/год або 350 кВт.
Завдяки використанню новітніх технологій, з’ явилася можливість створити агрегат, здатний скласти достойну конкуренцію УМП. На відміну від підігрівача запропонована універсальна підігрівна машина УПМ-УАЗ-452 має вагу меншу в 2,2 рази, що робить її більш мобільною та манев-реною. Машина виконує функції, спрямовані не лише на повітряний обігрів, вона здатна генерувати 580 літрів на годину підігрітої до +70 °С води, та виробляти не менше 70 кг на годину відкритої водяної пари, температурою до +140 °С. Результати порівняння характеристик УПМ-УАЗ-452 з УМП - 350 зведені в табл. 2.
Таблиця 2 Порівняння характеристик УПМ-УАЗ-452 з УМП-350
Порівняльні параметри УМП УПМ
Витрата палива, кг/год/ 35 4
Теплопродуктивність ккал/год 300000 50000
Безперервний час роботи год. 10 14
Продуктивність за гарячим повітрям, кг/год 16000 2300
Якщо перерахувати масову витрату палива для виробництва 300000 кілокалорій тепла, то отримаємо результат який підтверджує більшу економічність УПМ-УАЗ-452. Для виробництва цієї кількості необхідно сумарно витратити 31 літр бензину А-76, а УМП-350 для отримання такої ж
Найменування параметрів та розмірність Числове значення
Температура виробленого повітря, °С 110
Кількість виробленого повітря кг/год. 2300
Теплопродуктивність, ккал/год, 50 000
Максимальна відстань виносу водяного конденсатору, м 45
Витрата проточної води з підігрівом до 70 °С, кг/год 580
кількості тепла, має витратити 35 літрів авіаційного гасу, вартість якого перевищує вартість бензину майже в два рази .
Безумовно, що УПМ-УАЗ-452 відстає в масовій годинній подачі, але ця проблема може бути подолана за рахунок використання більш потужного шасі. Автомобіль з потужністю двигуна біля 180 -200 кВт здатен забезпечити таку ж теплопродуктивність, як і в УМП-350.
Звертає увагу більш висока пожежна безпечність підігрівних машин порівняно з моторними піді-грівачами. УПМ менше забруднює оточуюче середовище продуктами згорання; машина значно простіша в обслуговуванні, експлуатації та ремонті. Деяку експлуатаційну проблему для УПМ створює зберігання в кузові запасу води. Улаштовувати в кузові спеціальну систему постійного підігріву запасу води в холодну пору року нераціонально. Вирішенням проблеми може бути злив води з бака після повернення автомобіля в бокс.
Вибраний комплекс можливостей універсальної підігрівної машини, на нашу думку, забезпечує потреби автомобільних і моторизованих частин і підрозділів ЗСУ та МНС в виробництві тепла, в таких ситуаціях, коли неможливе або недоцільне, використання стаціонарних джерел.
Висновки
Мобільні установки, оснащені роторно-кавітаційними парогенераторами з приводом від базового шасі, мають споживацькі характеристики, аналогів яких серед існуючих спеціальних машин досі немає. Вказані установки можуть бути використані як універсальні підігрівні автомобілі.
Такі спеціальні автомобілі здатні задовольнити потреби моторизованих частин ЗСУ й МНС. Їх
цивільні аналоги виглядають привабливими для використання ремонтними бригадами при виконані аварійно-відновлювальних робіт на мережах різного призначення.
Розроблені установки здатні бути мобільними джерелами резервного теплопостачання житлових будинків і споруд. Можлива швидка їх концентрація на місці системної аварії мереж енергопостачання.
Література
1. Посметный Б.М., Горпинко Ю.И. Импульсные
парогенераторы серии «Торнадо» // Вестник ХНАДУ/ Сб. научн. тр. - Харьков: Изд-во ХНАДУ. - 2005. - Вып. 29. - С. 184-186.
2. Посметный Б.М., Горпинко Ю.И. Сверхъеди-
ничные теплогенераторы роторных конструкций: получение пара и новые физические эффекты. В кн.: Научно-техническая конференция «Аномальные физические явления в энергетике и перспективы создания новых источников энергии». Сборник докладов. - Харьков: Изд-во ООО «Инфо-банк», 2005. - С. 268-277.
3. Посметный Б.М., Горпинко Ю.И. Активизация
дополнительных энерговыделений в вихревых теплогенераторах на основе трубы Ранка // Вестник ХНАДУ/ Сб. научн. тр. - Харьков: Изд-во ХНАДУ. - 2005. - Вып. 29. -С.181-183.
4. Средства аэродромно-технического обеспече-
ния полетов // Справочное пособие. - М.: Министерство Обороны СССР, 1980. - 317 с.
Рецензент: М.А. Подригало, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 20 квітня 2006 р.
