В Западной Сибири средняя температура самого холодного месяца – января составляет –25 °С [3]. Одной из основных проблем при эксплуатации СДМ является обеспечение теплового состояния всех агрегатов машины. Возникает необходимость проведения тепловой подготовки (работа двигателей внутреннего сгорания, гидросистем, электрооборудования, микроклимат в кабине) [6]. Исследования по рассматриваемой проблеме содержат подходы по моделированию процессов изменения качества машин [3].
Тепловая подготовка машины к работе энергоемка и продолжительна по времени. Использование СДМ северного исполнения «ХЛ» не решает проблемы. При этом нужно учитывать удаленность объектов строительства от стационарных баз. Это затрудняет возможность применения электропрогрева, групповых систем прогрева машин, хранение машин в стационарных гаражах, а также возникают трудности с проведением ТО и Р [8-10]. Поэтому одним из вариантов решения указанной проблемы предложено разработать передвижной гараж для СДМ.
Гаражи, предлагаемые другими исследователями и разработчиками, предназначены для хранения малогабаритных транспортных средств. Использование конструкций таких гаражей для СДМ приводит к росту его материалоемкости, что затрудняет его эксплуатацию при большой длительности и трудоемкости сборки-разборки, транспортировки. Ранее предложенные гаражи не предназначены для использования в зимних условиях вдали от баз на нефтегазовых объектах. В ходе выполнения работы разработана конструкция гаража, основными преимуществами которого являются: мобильность (малый вес конструкции и наличие приспособлений для транспортирования), низкая себестоимость, быстрота сборки, простота конструкции, сохранение тепла во время ночной стоянки (8-16 часов) для обеспечения надежного пуска агрегатов машины в начале рабочей смены [5].
Эффективность конструкции предложенного гаража при использовании в условиях отрицательных температур определяется его теплотехническими характеристиками. Решение задачи теплового состояния ведется из условия достижения наибольшей эффективности конструкции гаража при наименьших затратах энергии [1].
В основу расчета времени охлаждения гаража при нахождении в ней машины в период межсменной стоянки положено соотношение между затратами тепловой энергии, полученной в результате сменной работы машины, и ограждающей конструкцией гаража.
Распределение энергии топлива Эт , расходуемого при работе машины за смену, распределяется следующим образом. Схема распределения энергии топлива представлена на рис. 1. Основной ее поток Эт1 направляется к дизелю и преобразуется частично в механическую энергию коленчатого вала Ээ. Это полезная часть энергии Эт1, реализуемая на рабочем органе при совершении им работы. Остальная ее часть либо от корпуса двигателя рассеивается в окружающее пространство (Эад), либо теряется с выхлопными газами (Эг). К рабочему органу подводится не вся энергия Ээ, а только ее часть - Эро. Остальная энергия (Эат) – рассеивается в атмосферу. Все эти показатели являются составляющими тепловой энергии, выделяемой в мобильный гараж.
Рис. 1. Схема распределения энергии топлива.
При формировании теплового баланса гараж рассматривается как замкнутая камера, внутри которой находится источник тепла (СДМ). Установившийся тепловой баланс мобильного гаража описывается уравнением:
, (1.1)
где
- 
–
сумма тепловыделений в гараж за 1 сек от находящегося в кабине экипажа,
тепловыделений двигателя, трансмиссии, узлов гидрооборудования,
электрооборудования, трубопровода охлаждающей жидкости, отопителей, кВт;
- Qвн – тепловая мощность, отводимая из гаража в окружающую среду, кВт;
- 
-
тепловая энергия, отводимая за 1 сек из гаража за счет воздухообмена через
теплоизолирующий материал и вытяжную трубу, кВт;
- 
,
т.к. подогревающее устройство отсутствует.
Тепловыделения экипажа Qи, находящегося в кабине, определяются по данным, приведенным в табл. 1.
Тепловыделения ДВС определяются по формуле:
, (1.2)
где
- Fдв - площадь поверхности части корпуса двигателя, выходящей в гараж;
- Тдв - температура площади поверхности части корпуса двигателя, выходящей в гараж, (50…60 °С);
- α – коэффициент теплоотдачи в кДж/(м2·°С), определяется по формуле:
(1.3)
Таблица 1
Характеристика тепловыделений экипажа
|
Температура воздуха Твн в кабине, °С |
20 |
21 |
22 |
23 |
25 |
25-35 |
|
Тепловыделения одного человека, кДж/ч: для человека в покое |
419 |
398 |
368 |
368 |
352 |
335 |
|
для человека, занятого легкой работой |
544 |
540 |
532 |
532 |
528 |
523 |
|
для человека, занятого средней работой |
733 |
729 |
720 |
720 |
716 |
712 |
Тепловыделения трансмиссии Qтр и гидрооборудования Qгдр определяются по формулам [1; 6]:
,
(1.4)
, (1.5)
где
- Fтр, Fгдр – площади поверхности частей трансмиссии и гидрооборудования, выходящих в гараж, м2;
- Ттр – температура поверхности трансмиссии (50…60 °С);
- Тгдр - температура поверхности гидрооборудования (150 °С).
Тепловыделения электрооборудования могут быть определены по формуле:
,
(1.6)
где
- Nл – суммарная мощность электроламп, установленных на СДМ, Вт;
- Nд – мощность, потребляемая электродвигателями, Вт;
- η – кпд электродвигателей.
Потери тепла через ограждающие конструкции гаража определяются по следующему уравнению теплопередачи:
.
(1.7)
Рассчитав общее количество тепла, время охлаждения гаража определяется по формуле:
.
(1.8)
Для толщины теплоизоляции δ=0,02 м (на примере минеральной ваты) время охлаждения при температурах -20, -40, -60 °С соответственно составит:
ч,
ч,
ч.
Для толщины теплоизоляции δ=0,06 м время охлаждения при температурах -20, -40, -60 °С соответственно составит:
ч;
ч;
ч.
Для толщины теплоизоляции δ=0,1 м время охлаждения при температурах -20, -40, -60 °С соответственно составит:
ч;
ч;
ч.
Результаты расчетов по охлаждению гаража представлены в табл. 2.
Анализ результатов расчетов показывает, что из условий межсменной стоянки СДМ (не менее 8 часов) толщина теплоизоляционного материала должна быть около 0,1 м.
Работоспособность конструкции гаража определяется прочностью металлоконструкции, параметрами теплоизоляционного материала, устойчивостью.
Таблица 2
Результаты расчетов по охлаждению гаража
|
Толщина теплоизоляции, δ (м) |
Время охлаждения гаража, τ(ч) при температуре воздуха, tвоз (°С) |
||
|
-20 |
-40 |
-60 |
|
|
0,02 |
8,7 |
5 |
3,5 |
|
0,06 |
12,5 |
7 |
5,6 |
|
0,1 |
18 |
10 |
8 |
Экономический эффект предполагается достичь за счет сокращения расхода топлива на тепловую подготовку СДМ, повышения ее производительности за смену (т.к. уменьшается время тепловой подготовки), повышения надежности (снижение времени простоя машины в зонах ТО и Р). Экологический эффект достигается за счет снижения выбросов отработавших газов ДВС при подготовке СДМ к работе.
Рецензенты:
Якубовский Ю.Е., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Прикладная механика» ТюмГНГУ ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень;
Карнаухов В.Н., д.т.н., профессор кафедры «Эксплуатация автомобильного транспорта» ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.