Значительная часть России не имеет централизованного тепло- и электроснабжения, так же рост цен на тепловую электрическую энергию повышает интерес к малой энергетике и к технологиям её эффективного использования.

Температура рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) достаточна для обеспечения теплоснабжения горячей водой потребителей, так же получения пара. Коэффициент использования тепла (КИТ) может достигать 86%, вследствие установки системы утилизации тепла (СУТ), которая утилизирует тепло выхлопных газов двигателя, тепло охлаждающей жидкости и моторного масла.

Наиболее распространенный привод подобных энергоустановок – газопоршневой двигатель, имеющий множество достоинств, среди которых: доступность, низкая себестоимость, высокий ресурс работы (до 150 – 200 тыс. часов).

Ведущие мировые производители газопоршневых электростанций Caterpillar и WÄRTSILÄ обеспечили себе устойчивое место на российском рынке электроагрегатов за счет высокой надежности, безотказной работы и удобства в эксплуатации. Однако современные отечественные двигатели в состоянии нарастить свое присутствие на рынке за счет своих традиционных преимуществ – цены, ремонтопригодности, низких эксплуатационных затрат.

Изучение методов численных исследований характеристик мини-ТЭЦ представляет большой интерес. Этим обусловлена тематика данной работы и выбор направления исследований коллектива. Одним из наиболее продвинутых программных комплексов, так называемого, 1D моделирования является платформа LMS Amesim, который представляет собой CAE-пакет для моделирования инженерных и физико-технических систем, где расчет производится, используя численные методы решения дифференциальных уравнений. Программный пакет достаточно распространен на крупных предприятиях зарубежной и отечественной промышленности.

Функциональная модель в программном комплексе LMS Amesim

 

В данной работы была разработана функциональная модель блока утилизации теплоты мини-ТЭЦ (рис.1). Установка состоит из газопоршневого двигателя КАМАЗ 820.20-200 (2), с системой охлаждения, включающей в себя радиатор (для устранения перегрева установки) с расширительным баком (3), кожухотрубный теплообменный аппарат (ТА) тосол – вода (5), жидкостную помпу (4), а так же ТА использующего выхлопные газы (ВГ) для дополнительного подогрева воды (6).

Модель работает следующим образом. Водяная помпа 4 подает тосол (ОЖ) в рубашку охлаждения двигателя 2, где ОЖ отбирает тепло отводимое от камеры сгорания. Затем тосол направляется в термостатную коробку, где, в зависимости от температуры, направляется либо по малому, либо по большому кругу охлаждения. При достижении температуры 90⁰С, ОЖ направляется по большому кругу, где будет направлена в зависимости от температуры воды на выходе из ТА ВГ – вода в радиатор (для избежания перегрева системы) или ТА тосол-вода, после чего в помпу и двигатель. Вода после прохождения обоих теплообменников при номинальном режиме работы при 1500 оборотах в минуту будет иметь температуру 90 ± 2 ⁰С.

На данной модели произведена серия расчетных исследований характеристик системы утилизции теплоты. Температура воды на выходах из теплообменных аппаратов после симуляции работы установки в течение 1000 секунд приведена в графическом виде на рисунке 2, при условии, что температура воды на входе в установку составляет 60⁰С, объёмный расход воды 5,5 мᶾ/ч, температура выхлопных газов 450⁰С, массовый расход выхлопных газов 0,156 кг/с. При данном режиме характерная нагрузка 115 кВт.

Снижение мощности ТА1 при нагрузке 115 кВт объясняется уменьшением перепада температур на входе и на выходе из ТА1 (рисунок 2). В это же время, разница перепад температур на выходе из ТА1 и на выходе из ТА2 остается примерно постоянной, соответственно и мощность ТА2 практически не изменяется.

Заключение

 

На данный момент работоспособность подтверждена на номинальном режиме работы ДВС, ведутся работы по приближению установки к реальным условиям, в которых будут использоваться разные режимы работы. В ходе работы было отмечено, что LMS Ameism позволяет не только смоделировать работу системы, но и на этапе разработки выявить слабые стороны и найти оптимальные режимы.

Список литературы

 

 

1.      Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1992. – 672 с.

2.      Совершенствование когенерационных энергетических установок путем применения адаптивной системы охлаждения / Гуреев В.М., Салахов Р.Р., Хайруллин А.Х., Салахов И.Р., Сосновский А.П. //Энергетика Татарстана. 2012. №4. С 13-18.

 3.      Теплообменные аппараты: Учебное пособие / Б.Е. Байгалиев, А.В. Щелчков, А.Б. Яковлев, П.Ю. Гортышов – Казань, 2012. – 180 с.

 4.      Гимадиев, А.Г. LMS Imagine.lab AMESim как эффективное средство моделирования динамических процессов в мехатронных системах: учебное пособие // А.Г. Гимадиев, П.И. Грешняков, А.Ф. Синяков – Самара, 2014. – 136 с.