Паросиловая установка с топкой вибрационного горения под наддувом на древесных отходах

Тезисы доклада

ПАРОСИЛОВАЯ УСТАНОВКА (ЛОКОМОБИЛЬ), НЕ ПОДЛЕЖАЩАЯ РЕГИСТРАЦИИ В ОРГАНАХ ГОСГОРТЕХНАДЗОРА С ТОПКОЙ ВИБРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ ПОД НАДДУВОМ НА ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДАХ

Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Першин Л.И., Титов Д.П.(МАИ(ГТУ) Факультет довузовской подготовки. Научная группа «Промтеплоэнергетика» Российская Федерация, г. Москва)

До середины прошлого века в сельском хозяйстве и леспромхозах широко применялись локомобили [1,2]. Это устройство представляет собой паровую машину, смонтированную на паровом котле, которая может приводить электрогенератор или другие агрегаты. Такой локомобиль имел колеса, что позволяло его транспортировать как прицеп. Главным преимуществом локомобиля была его работа на местном топливе: солома, отходы древесины, торф. Их параметры приведены в табл. №1

Таблица №1

Показатели	Марка локомобиля
Показатели	П-25*	П-38	П-75	СК-125**	СК-175	СК-250	СК-360	ЛПУ-1***
Наибольшая мощность при продолжительной работе (кВт)	18,4	27,9	55,1	91,9	128,7	183,8	257,4	18,4
Число оборотов коленчатого вала в минуту.	300	375	280	280	250	187	187	1000
Давление пара (кг/см²)	13	15	12	15	15	15	15	20-22
Удельный расход пара (кг/кВт×ч)	12,92	12,92	12,92	7,48	7,14	7,14	7,14	12,78

*П – передвижной; **СК – стационарный конденсационный; ***ЛПУ – лёгкая паровая установка

В связи с полной электрификацией и низкой стоимостью электроэнергии и дизтоплива в бывшем СССР локомобили перестали применяться и выпускаться. Сейчас во многих сельхозпредприятиях России коров доят трактором, приводя от вала отбора мощности доильный вакуум-насос. В леспромхозах работают дизельгенераторы, дизельное топливо для которых дорого с учетом его перевозки, а древесные отходы гниют на делянках. Поэтому локомобиль вновь стал актуален. Его недостатком является громоздкость и необходимость регистрации котла в органах Госгортехнадзора. Низкое давление в котле (до 15 кг/см²) приводит к большому расходу топлива, что увеличивает затраты по его сбору. Эти недостатки обусловлены тем, что в классических локомобилях использована технология XIX века (клепаный котел, низкооборотная паровая машина, до 300 об/мин, для работы которой с современным электрогенератором 1500-3000 об/мин. нужен мультипликатор). Исключение составляет новый по тому времени тип паросиловой установки – ЛПУ-1. Она отличалась паровым водотрубным котлом повышенного давления и высокооборотной паровой машиной установленной на отдельной раме с электрогенератором.

Она была создана в лаборатории паросиловых установок ВИМ в 1950г [3] и имела следующие основные данные:

Мощность электрогенератора………………………………………………… 35кВа

Число оборотов………………………………………………………………... 1000 об/мин

Параметры пара: давление………………………………………………….. 22кг/см²

температура………………………………………………. 375^o С

Коэффициент использования тепла (при работе в

теплофикационном режиме)…………………………………………… 62%

Количество тепла, отбираемого для теплофикации………………………… 15000ккал/час

Паропроизводительность котла………………………………………………. 300кг/час

Поверхность нагрева……………………………………………………………8м²

КПД котла……………………………………………………………….……... 72%

мощность паровой машины…………………………………………………... 40 л.с.

Вес установки……………………………………………………………….…. 2300кг

Установка ЛПУ-1 имела в 1,5 раза меньшую удельную металлоемкость, чем локомобиль П-25, а по экономичности превосходила его почти вдвое. Первый опытный образец установки ЛПУ-1 был построен и испытан в 1950-1952 гг., а с 1953 г. начато ее серийное производство [3].

В МАИ работы над легкими высокооборотными паровыми машинами и паровыми котлами начались в 30-е годы прошлого века, применительно к созданию паросиловой установки самолета. Экспериментальный образец испытывался как паросиловая установка катера [4]. Работы прервались в связи с гибелью сотрудников этой научной группы в 19-й дивизии народного ополчения г. Москвы. С конца 60-х годов прошлого века в МАИ начались работы по паровым машинам, работающим на пороховых газах, для бортовой энергетики летательных аппаратов [5,6,7]. В начале 90-х годов прошлого века в МАИ возобновились работы по паросиловой установке самолета в связи с потерей силы постановлением ЦК КПСС 1955 г., запрещавшим такие работы. Работы велись в рамках курсового и дипломного проектирования. Опираясь на эти работы и работы научной группы МАИ «Промтеплоэнергетика» в области паровых машин для котельных, стало возможным создать высокооборотную паровую машину на высокие параметры пара с высоким КПД (25% и более). В целях снижения стоимости такая паровая машина может быть создана на базе устаревших нижнеклапанных бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Подтверждающие такую возможность эксперименты были проведены с ДВС УД-2М. При этом был изменен только распредвал и головки цилиндров. Эксперименты проводились с рабочими телами низких параметров, их результаты приведены в другом докладе на данной конференции, посвященном паропоршневым двигателям для котельных.

В настоящее время проектируется прямоточный паровой котел, не подлежащий учету в органах Госгортехнадзора согласно последней редакции [8], в связи с объемом парового пространства менее 1 литра и произведением давления на объем менее 20л*кг/см². Максимальное давление в этом котле – 39 кг/см², а площадь обогреваемой поверхности – около 0,4м². То есть, в 20 раз меньше, чем в установке ЛПУ-1. Это означает, что при давлении пара, таком же, как в ЛПУ-1 мощность будет ориентировочно 35/20 » 1,7 кВа, что очень мало.

Поэтому нужно интенсифицировать теплообмен от продуктов сгорания к поверхности нагрева, чтобы с котла ограниченной емкости получить относительно большую паропроизводительность. Наиболее перспективным, но наименее изученным является применение горелки вибрационного горения, работающей под наддувом. По разным оценкам, применение вибрационного горения увеличивает плотность потока энергии в 2-5 раз, а наддува (без вибрационного горения) – в 2-7 раз. Все эти данные были получены при работе на квалифицированном топливе (солярка, газ). Во сколько раз увеличится плотность потока энергии при одновременной работе под наддувом и с вибрационным горением, тем более при работе на опилках, можно установить только экспериментально, в литературе таких данных обнаружить не удалось. Поэтому можно только предполагать большое увеличение плотности потока энергии, чем отдельно при наддуве топки и вибрационном горении. Наддув, импульсную подачу воздуха с частотой 50-200герц и подачу древесных опилок в зону горения с повышенным давлением с использованием эжектора планируется осуществить с помощью импульсного компрессора. Поэтому его создание является одной из главных задач при создании горелки вибрационного горения работающей в топке под наддувом. Предполагается создавать такой компрессор на базе серийного ДВС, используя ноу-хау и изобретения сотрудников научной группы МАИ «Промтеплоэнергетика». Были проведены испытания двигателя ВАЗ-2103 (рабочий объем 1,6 литра) в режиме компрессора и газогенератора, получено среднее манометрическое давление 3кг/см² при работе на сопло диаметром 10мм. При этом испытания проводились с заводскими фазами газораспределения [9]. Проведены первые испытания четырехтактного двигателя УД-2М (рабочий объем 0,6 литра) в режиме компрессора с распредвалом, обеспечивающим двухтактный цикл. Получены следующие манометрические давления в зависимости от диаметра сопла (Табл №2)

Таблица №2

Диаметр сопла, мм	12	10	8
Давление, кг/см²	0,37	0,57	1,12

Испытания проводились заводскими головками цилиндров (степень сжатия 5), что давало большой объем вредного пространства. В дальнейших испытания планируется замена головок цилиндров.

Литература.

1. Еленев А.В. Краткий справочник по сельхозмашинам. Сельхозиз, 1957г.

2. Машины и орудия для лесохозяйственных работ (справочник). Москва, 1958г.

3. Демин А.В., Елисеев Н.Н., Макаров Б.Г. Использование тепловой энергии в сельскохозяйственном производстве//в кн. «научные труды по электрификации сельского хозяйства, том ХХ под редакцией Листова П.Н.

4. Дузь П. Паровой двигатель в авиации. НКАП СССР. Государственное издательство оборонной промышленности, 1939г.

5. Дубинин В.С. Вопросы микроэнергетики летательных аппаратов. В книге «Гагаринские научные чтения по авиации и космонавтике, 1981 год». М.: Наука, 1983.

6. Квачев В.Н. Исследования характеристик поршневой расширительной машины.// в кн.: Конструкция двигателей летательных аппаратов, их прочность и надежность. Тематический сборник научных трудов. Москва. Издательство МАИ, 1991 г.

7. Ульянов И.Е., Дубинин В.С., Квачев В.Н., Головченко Ю.А., Лаврухин К.М. Способ работы поршневого двигателя и поршневой двигатель. Авт. свид. № 1753001 А1, приор 19.07.89, опубл. 07.08.92 Бюг № 29.

8. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов. Санкт-Петербург 2000. Издательство ДЕАН.

9. Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Першин Л.И., Титов Д.П. Применение парогазогенератора на базе двигателя ВАЗ-2103 для испытания одноцилиндрового отсека паропоршневого двигателя и работа парогазогенератора в режиме горелки для испытания поверхностей нагрева прямоточного котла пульсирующего горения, работающего под наддувом//Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Малая энергетика 2004» 11-14 октября 2004г, г. Москва.