Анотація до роботи:

Крайнюк А.О. Підвищення ефективності повітропостачання й опалення пасажирських залізничних вагонів застосуванням обігрівачів каскадно-теплового стиску. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.07 - Рухомий склад залізниць і тяга поїздів. - Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2006.

Дисертацію присвячено підвищенню ефективності повітропостачання та опалення пасажирських вагонів шляхом використання генератора каскадно-теплового стиску (ГКТС). Розроблено комплекс математичних моделей, методик та програм розрахунку робочих процесів ГКТС. Проведено розрахунково-експериментальні дослідження впливу режимних та конструктивних параметрів ГКТС на показники роботи опалювально-вентиляційної системи. Результати роботи знайшли промислове впровадження при проектуванні систем повітропостачання та опалення на залізничному транспорті.

У дисертації вирішена науково-технічна задача підвищення ефективності і економічності опалення й повітропостачання пасажирських вагонів залізничного транспорту використанням агрегатів каскадно-теплового стиску.

Основні результати виконаних досліджень полягають у наступному:

1. Значний резерв енергетичного й функціонального вдосконалювання ОВС пасажирських вагонів пов'язаний з використанням як генератора гарячого повітря агрегатів каскадно-теплового стиску, що реалізують пряме перетворення теплоти в енергію стисненого повітря.

Розроблено робочий цикл, принципову схему та конструкцію принципово нового пристрою опалювально-вентиляційної системи каскадно-теплового стиску, захищені патентами України й Росії.

2. Математична модель ГКТС, що базується на використанні методу «пошарової дифузії» і уточненого методу «розпад довільного розриву» враховує дисипативні фактори, пов'язані з відривними явищами й затопленням струменя в граничних перетинах осередків ротора. Її використання розширює уяву про механізм протікання реальних процесів тепломасообміну в проточних елементах і дозволяє одержати характеристики роботи ГКТС для різних сполучень конструктивних параметрів.

Досить висока адекватність математичної моделі робочого циклу ГКТС підтверджена гарною збіжністю (у межах 2,4-4%) розрахункових і експериментальних значень термодинамічних параметрів циклу.

3. В результаті розрахунково-експериментальних досліджень ГКТС виявлені й проаналізовані закономірності впливу режимних і конструктивних параметрів на показники роботи ГКТС. Зокрема:

- встановлена чутливість робочого циклу ГКТС до якості очищення осередків у процесах продувки й заміщення. У досліджуваній конструкції прийнятні значення коефіцієнтів продувки й заміщення перебувають у межах 1,6...1,7.

- доведена енергетична доцільність інтенсифікації процесів продувки й заміщення за рахунок збільшення зовнішнього діаметра ротора. Кожному коефіцієнту продувки й заміщення відповідає своє граничне значення діаметра, при зменшенні якого дана продувка недосяжна навіть при значному збільшенні частоти обертання ротора.

- обґрунтована доцільність регулювання відносної витрати робочого тіла, що відбирається із циклу ГКТС, залежно від максимальної температури циклу . Зі збільшенням раціональні значення (за критерієм максимального ККД ГКТС) практично лінійно зростають.

4. Запропонований метод узгодження режимних і конструктивних параметрів ГКТС і ежектора за критерієм максимальної продуктивності ОВС КТС для заданого теплового й температурного потенціалу джерела теплоти значно спрощує пошук сполучень розмірних співвідношень структурних елементів системи, що забезпечують ефективну роботу ОВС КТС на розрахунковому режимі.

5. Аналіз особливостей спільної роботи ГКТС і ежектора показав, що при виборі конструктивних параметрів ГКТС, що працює в складі ОВС, у якості основної оптимізаційної передумови доцільно використати умову максимальної кількості руху активного струменя ежектора.

При виборі параметрів ежектора оптимізаційними передумовами є умова реалізації 1-го граничного режиму (на якому швидкість пасивного потоку наближається до звукової), а також мінімізація втрат затоплення струменя повітря на виході з дифузору ежектора.

6. Розроблена математична модель робочого процесу ОВС КТС на нерозрахункових режимах, що базується на методі пошуку режимів спільної роботи ГКТС і ежектора при різній температурі джерела підведення теплоти, а також програмне забезпечення дозволяють істотно скоротити трудомісткість дослідницьких, дослідно-конструкторських і доводочних робіт.

7. Випробування ГКТС на безмоторному стенді підтвердили можливість ефективного перетворення підведеної теплоти в розташовувану роботу стисненого повітря (на режимі Т_g1=950-1000К, _air1= 32% адіабатний ККД ГКТС досягає 32-33%). Високі значення тиску й температури відведеного до споживача повітря (= 0,2…0,6МПа, Т_z=600-1000К) дозволяють транспортувати тепло у віддалені зони вагона за допомогою повітроводу з відносно невеликим прохідним перерізом з наступним розведенням гарячого повітря припливним в ежекторних камерах змішання.

8. В результаті розрахункових досліджень підтверджено, що параметри робочого циклу ГКТС, що забезпечують максимальний його ефективний ККД (найбільшу розташовувану роботу генеруємого повітря) не завжди відповідає умові максимальної продуктивності повітряного контуру ОВС.

Раціональна зміна відносної витрати повітря, що відводиться до споживача _air1 залежно від T_z, у свою чергу, носить лінійний характер, однак зміщено відносно кривої _air1= f(T_z) за критерієм максимального ефективного ККД КТС у напрямку більших значень _air1.

Наприклад, для T_z =1000К максимальний ККД КТС ( = 0,33) досягається при _air1= 32%, у той час як максимальна продуктивність повітряного контуру ОВС КТС реалізується при _air1=58%.

9. Експериментально підтверджена працездатність і висока надійність дослідної системи ОВС КТС, що обумовлено відсутністю механічних витискувачів та дискретно-керованих газорозподільних органів, а також невеликою теплонапруженістю ротора ГКТС, внаслідок періодичного охолодження свіжим зарядом. Підтверджено високу ефективність роботи ОВС КТС у широкому діапазоні режимів експлуатації. На режимі Т_z= 790 К загальний ККД ОВС КТС становить –0,83, а на режимі Т_z=1000 К досягає значення – 0,87.

10. Запропоновано інженерний метод визначення основного розмірного параметру ГКТС – обсягу проточної частини ротора за результатами розрахунку максимальної потужності системи опалення вагонів. Наприклад, для одночасного обігріву трьох вагонів ДЕЛ-02 при використанні як джерела підведення теплоти топкових газів (Т_z= 1000 К) досить застосування агрегату ГКТС із обсягом проточної частини ротора Vр=0,00233м³.

11. У поїздах з дизельною тягою істотно менша витрата палива на обігрів вагона витрачається при використанні як джерело теплоти робочого циклу ГКТС топкових камер або ВГ дизеля. Застосування в ОВС КТС електроенергії є менш раціональним, оскільки теплота, випромінювана електронагрівальними приладами, в остаточному підсумку, є продуктом подвійного перетворення теплової енергії згорілого у двигуні палива.

12. Техніко-економічний розрахунок ефективності застосування ОВС КТС на дизель поїзді ДЕЛ-02 показав, що зниження витрати дизельного палива на обігрів одного вагона, що рухається, при Т₀ = - 25⁰С у результаті заміни базового обігрівача БОС-03 на ОВС КТС становить 3,82 кг/год.

Публікації автора:

1. Крайнюк А.И., Крайнюк А.А. Особенности организации рабочего процесса агрегатов каскадного сжатия и некоторые направления их применения // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту імені Володимира Даля. - 2005. - № 8 (90). - С. 169-173.

2. Крайнюк А.И., Данилейченко А.А., Крайнюк А.А. Критерии эффективности агрегата каскадно-теплового сжатия // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту імені Володимира Даля. - 2005. - № 8 (90). - С. 176-179.

3. Крайнюк А.И., Данилейченко А.А., Крайнюк А.А.,.Гогуля А.М. Влияние режимних параметров на показатели работы компрессора теплового сжатия // Вісник Східноукраїнського національного університету ім.В.Даля. -Луганськ: Вид-цтво СНУ ім.В. Даля.- 2002. - № 11(57). – С.35-40.

4. Крайнюк А.И., Клюс О.В., Данилейченко А.А., Крайнюк А.А. Метод согласования размерных параметров элементов эжекционной системы наддува дизеля с компрессором каскадно-теплового сжатия // Международный сборник научных трудов «Повышение эффективности работы энергетических установок».-Калининград: Изд-во КГТУ.-2002. - С.183-191.

5. Крайнюк А.И., Брянцев М.А., Крайнюк А.А. Выбор размерных параметров утилизационной системы каскадно-теплового сжатия силовой установки тепловоза // Вiсник Схiдноукраїнського національного університету ім.В.Даля // Луганськ, Вид-цтво СНУ.- 2005. - №10(92). - С. 93-98 .

6. Крайнюк А.И, Данилейченко А.А., Брянцев М.А., Крайнюк А.А. Газотурбинная установка с камерой сгорания каскадного теплового сжатия // Вiсник Схiдноукраїнського національного університету ім.В.Даля.-Луганськ: Вид-цтво СНУ ім.В.Даля.- 2002. - №3(49). - С.110-115.

7. Компресор теплового стиску: Патент України №37772А, МПК⁷ F04D25/00/ Крайнюк О.І., Богославский О.Є., Сторчеус Ю.В., Данілейченко О.А, Гогуля А.М., Васильєв І.П., Крайнюк А.О. -№200042132; Заявл. 14.04.2000; Опубл. 15.05.2001, Бюл. №4. –5 с.

8. Обігрівач салону транспортного засоба: Патент України №69934, МПК⁷ F 15 D 1/00/ Крайнюк О.І., Гогуля А.М., Крайнюк А.О.; - № 20031211690; Заявлено 16.12.03; Опубл.15.09.04. Бюл. №9.

9. Ежекційна система наддуву двигуна внутрішнього згоряння: патент України №56553а, МПК⁷ F02в29/00, F02м25/02/ Крайнюк О.І., Данілейченко О.А., Сторчеус Ю.В., Крайнюк А.О., Брянцев М.А.. -№2002076006; Заявл. 19.07.2002; Опубл. 15.05.2003, Бюл. №5. –7 с.

10. Газотурбінна установка з камерою згоряння каскадно-теплового стиску: Патент України №56554А, МПК⁷ F02С3/28/ Крайнюк О.І., Данілейченко О.А., Сторчеус Ю.В., Брянцев М.А., Крайнюк А.О., Гогуля А.М., -№2002076007; Заявл. 19.07.2002; Опубл. 15.05.2003, Бюл. №5. –7 с.

11. Двовалова газотурбінна установка: Патент України №46254А, МПК7 F 02 С 3/28/ Крайнюк О.I., Данілейченко О.А., Гогуля А.М., Крайнюк А.О. - №2001053058; Заявл. 14.04.2000; Опубл. 15.05.2002, Бюл.№5. – 9с.

12. Тепловий двигун: Патент України №35492А, МПК⁷ F 03G 7/06 / Крайнюк О.І., Данілейченко О.А., Крайнюк А.О., Гогуля А.М., Васильєв І.П. - №99105708; Заявл. 19.10.1999; Опубл. 15.03.2001, Бюл.№2. – 8 с.

13. Комбінований двигун з подачею додаткового палива в паровій фазі: Патент України №53012А, МПК7 F01М 25/00/ Крайнюк О.I., Данілейченко О.А., Крайнюк А.О., Баранов В.Ю., Васильєв I.П., Брянцев М.А., Гогуля А.М. - №2002010784; Заявл. 31.01.2002; Опубл.15.01.2003, Бюл. №1. – 11 с.

14. Компрессор теплового сжатия: Патент РФ №2189497, МПК⁷ F04B19/24/ Крайнюк А.И., Богославский А.Е., Сторчеус Ю.В., Данилейченко А.А., Васильев І.П., Крайнюк А.А. - №2000106844; Заявл. 20.03.2000; Опубл.20.09.2002, Бюл. №26. – 18 с.

15. Комбинированный двигатель внутреннего сгорания: Патент РФ №2196901, МПК7 F02B 33/42, F04F 11/02/ Крайнюк А.И., Богославский А.Е., Данилейченко А.А., Гогуля А.М., Васильев И.П., Крайнюк А.А. - №200012637; Заявл. 11.10.2000; Опубл.20.01.2003, Бюл. №2. – 20 с.