Тепловые трубы не требуют дополнительных энергозатрат на обеспечение циркуляции теплоносителя за счет использования в этих целях капиллярного эффекта.
Научно-технический центр Технопрестиж XXI век






Лугин В.Г., Клюквин Т.В., Новиков С.Е., Корнилов А.В., Свердлов И.В.

Перспективные направления реализации стратегии энергосбережения на железнодорожном транспорте с использованием эффекта теплопереноса при фазовых переходах


В соответствии с политикой государства, направленной на внедрение энергосберегающих технологий во всех сферах экономики [1, 2], в 2004 году утверждена “Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2010г. и на перспективу до 2020 года” [3]. Этот документ закрепляет определяющую роль характеристик энергоэффективности при внедрении новых и совершенствовании существующих решений по всем техническим средствам и технологиям железнодорожного транспорта.

В стратегии, в частности, отмечено, что анализ технических средств и технологий железнодорожной энергетики, к которым относятся все устройства, потребляющие либо генерирующие энергию в технологических процессах работы железнодорожного транспорта, показывает, что их исходное состояние в большинстве своём в настоящее время характеризуется высокой степенью физического и морального износа, высокой энергоёмкостью и малой энергоэффективностью. Фактический износ электровозов достиг – 65%, тепловозов – 73%, устройств тягового электроснабжения – 58%, стационарной электроэнергетики – 40-50%, теплоэнергетики – 70-80%. За пределами нормативного срока эксплуатации находится более 60% технических средств железнодорожной энергетики. Применение морально устаревших энергоустановок первого и второго поколений (в мире идёт внедрение уже четвёртого поколения) с низкими конструктивными и эксплуатационными КПД влечёт за собой не только повышение расхода энергии на рабочих режимах, но и дополнительное повышение энергозатрат на эксплуатацию и ремонт технических средств. (Один процент экономии энергоресурсов в целом по отрасли обеспечивает экономию годовых эксплуатационных расходов на 500 млн. руб. в ценах 2002 г.).

Исходя из анализа основных каналов формирования потерь энергоресурсов по всем техническим средствам и технологиям железнодорожного транспорта, приведённых в стратегии, можно выделить основные технические решения по энергоэффективности и энергосбережению, в т.ч. основанные на высокоэнергоэффективных нетрадиционных технических средствах и технологиях, достижениях фундаментальных наук и отраслей народного хозяйства, также производящих энергопотребляющую и генерирующую технику и оборудование.

К основным из них можно отнести следующие:

  1. повышение напряжения передачи энергии к поездам электрифицированных ж.д.;
  2. замещение дизельного топлива сжиженным и сжатым природным газом, а в последующем – переход на топливные элементы, диметиловый эфир;
  3. использование “высокотемпературной” сверхпроводимости в локомотивной и стационарной энергетике (трансформаторы, реакторы, привод и т.д.);
  4. широкое использование энергоёмких накопителей энергии в основных технологических процессах энергопотребления и генерации энергии, включая тепловую;
  5. использование тепловых насосов.
  6. Широкая трактовка последнего направления предполагает необходимость анализа и обоснования внедрения технологий, основанных на эффекте теплопереноса при фазовых переходах первого рода.

    Примером успешного использования такого эффекта в интересах энергосбережения может служить совместная работа РКК "Энергия" и Исследовательского центра им. М. В. Келдыша [4]. Предложена принципиально новая система терморегулирования для Международной космической станции на базе использования двухфазного контура (ДФК) циркуляционной системы терморегулирования (СТР), рабочим телом которого является аммиак. Использование скрытой теплоты испарения аммиака в ДФК существенно увеличивает возможности теплопереноса и снижает расход теплоносителя. ДФК обладает значительными преимуществами в энергопотреблении, массе, габаритах по сравнению с традиционными (классическими) однофазными контурами. Данный принцип заложен в систему централизованного теплоотвода российского сегмента Международной космической станции. Энергопотребление СТР российского участка на базе ДФК (по сравнению с однофазным контуром) при максимальной мощности 30 кВт на порядок меньше, причем ее масса меньше почти вдвое.

    Во многих случаях, в т.ч. и на железнодорожном транспорте, решение задачи теплоотбора может быть осуществлено путём использования теплопроводящих стержней (тепловых труб), обладающих сверхвысокой скоростью передачи тепла. Такие стержни разрабатываются на основе эффекта поглощения энергии при парообразовании и её выделения при конденсации. При меньшем весе, тех же размерах и разности температур на концах таких стержней они способны передавать тепла в десятки, сотни, а иногда и тысячи раз больше, чем сплошные стержни, изготовленные из высокотеплопроводных материалов, таких как медь и серебро, а также существующие системы конвективного теплоотбора. Один конец теплопроводящего стержня будет находиться в контакте с охлаждаемым агрегатом, а второй конец – в теплообменнике с жидким теплоносителем или в коробе, обдуваемом воздухом. Тепловые трубы не требуют дополнительных энергозатрат на обеспечение циркуляции теплоносителя за счет использования в этих целях капиллярного эффекта.

    Помимо тепловых труб в ряде случаев могут использоваться и тепловые насосы, работающие на принципах, используемых в традиционных холодильниках (при условии рационального выбора теплоносителя).

    Рассмотрим перспективы использования технологий, основанных на рассматриваемых тепловых эффектах применительно к первому направлению внедрения энергоэффективных технологий: “повышение напряжения передачи энергии к поездам электрифицированных ж.д.”.

    Насущной потребностью развития железнодорожного транспорта является существенное увеличение грузопотоков на ряде направлений сети железных дорог России, что потребует организовать движение поездов массой 6 – 9 тыс. т., а на специализированных линиях – от 10 -12 тыс. до 18 тыс. т. Помимо этого, в сфере пассажирских перевозок планируется введение высокоскоростных поездов (300 -350 км/час.), энергопотребление которых сравнимо с энергопотреблением тяжеловесных поездов [5].

    Реализация этих целей может быть осуществлена, в первую очередь за счёт усиления систем тягового электроснабжения. Увеличение их энергетической эффективности по аналогии с энергосистемами общего назначения (ЛЭП 35, 110 … 1150, 1500) может быть реализовано за счёт повышения напряжения передачи энергии к потребителю.

    Для систем электроснабжения переменного тока планируется повышение напряжения до 50кВ, а в перспективе до 100кВ. Аналогично, соответствующими ориентирами для систем постоянного тока являются напряжения 12кВ и 24кВ.

    Использование тягового электроснабжения с повышенным до 50 кВт напряжением переменного тока в контактной сети практически реализованы в ЮАР, США и Канаде [6].

    Вместе с тем переход на повышенное напряжение потребует серьёзных затрат, связанных, как с конструктивными решениями по выполнению контактной сети, так и с внесением технологических решений в подвижной состав.

    В частности для систем электроснабжения переменного тока необходимо выполнить следующие основные мероприятия:

    1. замена фарфоровых и стеклянных изоляторов на полимерные;
    2. разработка и установка поддерживающей конструкции для контактной сети 50 – 110 кВ;
    3. значительное увеличение высоты опор для установки подвесных изоляторов и принятие дополнительных мер по обеспечению ветроустойчивости контактной подвески;
    4. усиление изоляции крышевого оборудования (токоприёмника, шин, ввода в кузов электровоза);
    5. повышение рабочего напряжения вакуумного выключателя;
    6. усиление высоковольтной изоляции ввода тягового трансформатора (его обмотка должна быть выполнена в двухсекционном виде с двумя дополнительными выводами от секций полуобмоток);
    7. введение в цепь первичной обмотки высоковольтного группового контактора, коммутирующего при временном отключении рабочего напряжения;
    8. модернизация высоковольтного разрядника на повышенное рабочее напряжение и т.д.

    Центральной проблемой повышения напряжения в системах постоянного тока является разработка приемлемого по технической реализации и стоимости преобразователя постоянно-переменного или постоянно-постоянного тока с входным напряжением 6 -12 кВ, которого пока не существует в мировой практике. При сегодняшнем уровне разработок в этой области его ожидаемая стоимость сравнима со стоимостью нескольких электропоездов типа ЭД4.

    С другой стороны, увеличение питающих напряжений - не единственный способ повышения мощности электродвигателей. Добиться аналогичного эффекта, в той или иной степени, можно за счёт снижения сопротивления обмоток двигателей.

    Например, если пользоваться классической формулой для мощности электродвигателя Р с обмотками из меди
    P = U*2/R20*K, (1)
    где U-- – питающее напряжение;
    R20 – сопротивление меди при температуре 200С;
    R20 = Rул*L/S (2)
    L, S – длина и сечение проводника, соответственно:
    Rул = 0,0175 Ом*м/кв.мм – удельное сопротивление меди;
    К – температурный множитель, значение которого линейно увеличивается с уменьшением температуры [7].

    При рабочих температурах двигателей до 3000С температурный множитель изменяется на 2% на каждые 50С. Соответственно, снижение, в т.ч. и принудительное, рабочей температуры обмоток электродвигателя является существенным резервом повышения его мощности.

    При научной и практической реализации приведённых выше других направлений разработки энергоэффективных технологий (совершенствование дизельных двигателей, использование высокотемпературной сверхпроводимости, разработка эффективных накопителей тепловой энергии), также могут быть использованы решения на основе эффективного теплопереноса. Эти решения в настоящее время исследуются авторами данной работы.

    Одним из наиболее важных практических вопросов обоснования технологий теплоотбора на основе фазовых переходов первого рода является выбор теплоносителя (рабочего тела).

    Выбор рабочего тела (РТ) тепловых труб следует осуществлять исходя из следующих, часто противоречивых требований:

    1. температура кипения РТ должна быть существенно ниже температуры теплового источника;
    2. РТ должно обладать как можно большей энергией парообразования;
    3. следует добиваться совместимости РТ и материала, с которым оно соприкасается с точки зрения химических процессов;
    4. необходимо обеспечить требования простоты, экономичности и безопасности эксплуатации.

    Требование максимизации энергии парообразования определяется естественным желанием уменьшения общей массы РТ, соответственно, сложности и габаритов оборудования.

    Простота, экономичность и безопасность РТ в эксплуатации определяется его химическими свойствами и ценой. Понятно, что использование дорогостоящих, легко воспламеняющихся, ядовитых, взрывоопасных и т. д. веществ возможно только с применением соответствующих мер безопасности.

    Выбор РТ в случае утилизации тепловой энергии отработанных газов на нужды обогрева помещений целесообразно осуществлять из химических веществ, приведенных в таблице [8]


    Температура кипения Тk и удельная теплота парообразования r при атмосферном давлении
    Рабочее тело
    Тк, 0С
    r, кДж /кг
    Аммиак
    - 33,4
    1370
    Ацетон
    56,25
    525
    Бензол
    80,1
    394
    Вода
    100
    2256
    Метиловый спирт
    64,6
    1100
    Фреон
    -24,9
    162
    Этиловый спирт
    78,33
    840

    С увеличением внешнего давления температура кипения РТ также увеличивается, а теплота парообразования уменьшается. Реализация максимального отбора тепла может быть осуществлена с использованием аммиака или фреона при соответствующем подборе давления. Причём выбор аммиака выглядит предпочтительнее из-за более высокой теплоты парообразования. Вода, как видно из таблицы, имеет более высокую температуру кипения (100 оС), и при её использовании в качестве РТ возможности теплоотбора ограничиваются этой температурой. В то же время вода обладает другими важными преимуществами, такими как высокая удельная теплота парообразования (2256кДж/кг), дешевизна, безопасность, доступность, восполняемость и т. д. Кроме того, существует возможность снижения температуры кипения РТ за счёт уменьшения давления. Использование других веществ может быть обосновано конкретными ситуациями.

    Таким образом, по своим физико-технологическим свойствам тепловые трубы (ТТ) характеризуются такими основными показателями, как скорость теплопереноса (Дж/с), масса и скорость движения РТ (кг, кг/с), габаритные размеры и масса ТТ (м, кг). Показатели ТТ в первую очередь зависят от их конструктивных особенностей, таких как выбор РТ, пористо-капиллярного материала, способов организации движения жидкости и пара, термоизоляции процесса теплопереноса, отбора тепла в конденсаторе и т. п. Технологии теплоперноса с использованием тепловых труб могут быть использовании при реализации ряда направлений “Энергетической стратегии железнодорожного транспорта на период до 2010г. и на перспективу до 2020 года”.

    Литература
    1. Федеральная целевая программа “Энергоэффективная экономика” на 2002-2005 г.г. и на период до 2010 г., Распоряжение Правительства РФ от 28. 08. 2003. №1234р.
    2. Энергетическая стратегия России на период до 2020 г.
    3. “Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2010г. и на перспективу до 2020 года”
    4. Семёнов Ю. П. Новые российские технологии в ракетно-космической технике последних лет //Вестник РАН, 2000, т. 70, № 8, C. 696-709.
    5. А.В. Котельников. Электрификация железных дорог. Мировые тенденции и перспективы. М.: Интекст. 2001.
    6. Железнодорожный транспорт за рубежом. Обзор. Вып.3.М.: ЦНИИТЭИ,1989, 137с.; Кетце В. Тяжеловесное движение на железных дорогах ЮАР//Железные дороги мира. 1999. №6. С.2-6.].
    7. Гост 7220-76. Кабели, провода, шнуры. Метод определения электрического сопротивления токопроводящих жил и проводников
    8. Кухлинг Х. Справочник по физике. М., “Мир”, 1982, 520 с.

     


     

Valid HTML 4.01 Transitional
Copyright © 2005-2017 Лугин Владимир Григорьевич