Chłodzenie spalin w górniczych napędach spalinowych dla ...komag.eu/images/maszynygornicze1/2018/mg…

Embed Size (px)

Text of Chłodzenie spalin w górniczych napędach spalinowych dla...

NAPDY I UKADY NAPDOWE

ISSN MASZYNY GRNICZE NR 3/2018 67

Chodzenie spalin w grniczych napdach spalinowych dla kopal

wgla kamiennego

mgr in. Hubert Suffner

Instytut Techniki Grniczej KOMAG

Cooling systems for exhaust gases of mine diesel drives intended for hard coal mines

Streszczenie:

Wymg ograniczenia temperatury zespow napdu

spalinowego wynika zarwno z zalece producenta

napdu, jak i przepisw grniczych. W artykule

przedstawiono rozwj ukadw chodzenia spalin

w napdach podziemnych maszyn grniczych

wykorzystywanych w kopalniach wgla kamiennego.

Omwiono aktualne tendencje w tym zakresie oraz

dziaania ITG KOMAG.

Abstract:

The requirement of limiting temperature in diesel

drive unit results both from the manufacturer

recommendations as well as from mining

regulations. Progress in development of exhaust

gases cooling systems for drives of underground

mining machines operated in hard coal mines is

presented. The present development trends in this

area as well as KOMAGs actions are discussed.

Sowa kluczowe: grnictwo, napd spalinowy, chodzenie

Keywords: mining industry, diesel drive, cooling systems

1. Wprowadzenie

Wykorzystanie napdw spalinowych w transporcie kopalnianym jest szeroko

rozpowszechnione zarwno w kopalniach wgla kamiennego, jaki i rud metali oraz innych

kopalin. Istot pracy maszyny cieplnej, jakim jest tokowy silnik spalinowy, jest zamiana

energii cieplnej w energi mechaniczn. Niestety tylko cze dostarczonej energii cieplnej

zostaje zamieniona w prac, natomiast znaczna cz jest przekazywana do otoczenia.

W napdach spalinowych pracujcych w ograniczonej przestrzeni, jak jest podziemne

wyrobisko grnicze, sposb przekazywania ciepa do otoczenia ma zasadnicze znaczenie.

Z jednej strony zespoy napdu spalinowego musz by chodzone tak, aby ich temperatura

nie przekroczya granicznych wartoci zaoonych przez ich producenta i jednoczenie nie

osigna granicznych wartoci narzuconych przepisami grniczymi. Z drugiej strony

temperatura panujca w wyrobiskach kopalnianych jest z reguy dosy wysoka dochodzc

niejednokrotnie do 28C i dalsze jej podwyszanie jest niewskazane, albowiem pogarsza

komfort pracy zaogi. Jednoczenie, wysoka temperatura otoczenia stwarza problemy

techniczne z przekazywaniem ciepa z napdu spalinowego do otaczajcej go atmosfery.

Wymg stosowania maszyn z napdami spalinowymi budowy przeciwwybuchowej

z ograniczon temperatur powierzchni, do ktrych dostp ma atmosfera kopalniana

zawierajca palny py, zawarty jest w obowizujcych przepisach miedzy innymi w normie

[7] i rozporzdzeniu [9].

W niniejszym artykule przedstawiono rozwj ukadw schadzania spalin napdw

spalinowych oraz aktualne kierunki dziaa w tym zakresie. W rozwaaniach tych pominito

wpyw substancji toksycznych wytwarzanych w trakcie pracy napdu spalinowego na skad

atmosfery kopalnianej.

NAPDY I UKADY NAPDOWE

ISSN MASZYNY GRNICZE NR 3/2018 68

2. Bilans cieplny silnika spalinowego

Zagadnienie bilansu cieplnego silnikw spalinowych omwiono w wielu publikacjach

fachowych, midzy innymi w pozycji literaturowej [6], gdzie zobrazowano rozpyw energii

cieplnej w silniku tzw. wykres Sankeya pokazany na rysunku 1.

Jeeli, przez Q = 100% oznaczona zostanie caa ilo energii dostarczonej do silnika wraz

z paliwem i powietrzem, to bilans wewntrzny silnika przedstawia si nastpujco:

Q = Qe + Qc + (Qw + Qn) + Qr

gdzie:

Qe - energia zamieniona na prac efektywn [%]

Qc - energia odprowadzona z ukadem chodzenia przez chodziwo i olej

smarujcy [%]

Qw+Qn - strata wylotowa i niepenego spalania [%]

Qr - straty promieniowania [%]

Rys. 1. Bilans cieplny silnika spalinowego [6]

Na rysunku 1 pokazano wewntrzny przepyw ciepa w silniku, gdzie:

Q1, Q2 - podgrzewanie wieej mieszanki przez chodziwo i spaliny,

Q3, Q4 - podgrzewanie chodziwa (wody lub oleju), wskutek dziaania si tarcia

i przepywu wok kanau wylotowego.

Przyblione dane liczbowe bilansu zewntrznego zawarte w [6] podano w tabeli 1.

NAPDY I UKADY NAPDOWE

ISSN MASZYNY GRNICZE NR 3/2018 69

Przybliony bilans wewntrzny silnika z zaponem iskrowym ZI i samoczynnym ZS [6]

Tabela 1

Pozycja Silniki

ZI

Silniki

ZS bez doadowania ZS z doadowaniem

Qe [%] 2128 3042 3046

Qw [%] 3040 2642 2636

Qc [%] 1830 2035 1832

Na rysunku 2 zobrazowano przybliony rozkad mocy w silniku spalinowym.

Rys. 2. Rozkad mocy silnika spalinowego [1, 11]

Jak wynika z tabeli 1 i rysunkw 1 i 2, ilo energii (mocy) odprowadzanej przez ukad

wylotowy jest zbliona do iloci energii (mocy) uytecznej silnika.

Rozwizanie konstrukcyjne oraz wielko mocy pobieranej przez ukad chodzenia spalin

jest zatem porwnywalny z ukadem chodzenia silnika. Zalenoci te uwzgldniane s przy

projektowaniu ukadu wylotu spalin, zwaszcza w aspekcie ich chodzenia. Sprawne

odprowadzanie ciepa spalin do otoczenia ma szczeglne znaczenie zwaszcza w napdach

spalinowych pracujcych w kopalniach wgla kamiennego, gdzie z uwagi na moliwo

zapalenia pyu wglowego ograniczona jest przepisami temperatura nagrzewajcych si

powierzchni [7, 9].

NAPDY I UKADY NAPDOWE

ISSN MASZYNY GRNICZE NR 3/2018 70

3. Rozwj napdw spalinowych przeznaczonych do pracy w kopalniach wgla

W pierwszej poowie XIX wieku w Anglii podjto pierwsze prby zastosowania

lokomotyw z silnikami cieplnymi w transporcie kopalnianym [3]. Lokomotywy te,

wyposaone w zwyke palenisko wglowe, nie daway jednak zadawalajcych rezultatw

due iloci wydzielanej pary i dymu utrudniay wentylacj wyrobisk. Dodatkowo, ze wzgldu

na osadzanie si tustej sadzy na szynach, powszechnie wystpowao zjawisko polizgu k.

Rozwijajcy si przemys pojazdw samochodowych z silnikami benzynowymi umoliwi

zastosowanie ich w lokomotywach kopalnianych. Lokomotywy benzolowe od pocztku XX

wieku byy wdraane w kopalniach wgla kamiennego m.in. w kopalniach wabrzyskich

i lskich. Na rysunku 3 przedstawiono przykadowe rozwizanie polskiej lokomotywy

kopalnianej z napdem benzolowym, typu 2DK zbudowanej w 1932 roku dla KWK

Brzeszcze [8].

Rys. 3. Lokomotywa spalinowa typu 2DK zasilana benzolem [8]

Wad tego rozwizania byo wydzielanie toksycznych spalin do atmosfery kopalnianej

oraz zagroenie wybuchem benzolu, co zdecydowao o zaprzestaniu prac nad tego typu

rozwizaniem.

Przeomem w rozwoju grniczych napdw spalinowych byo skonstruowanie

w 1897 roku silnika z zaponem samoczynnym, zwanego silnikiem wysokoprnym lub

silnikiem Diesla. Opracowanie ukadu wylotu spalin z tzw. puczk wodn umoliwio

uruchomienie w Wielkiej Brytanii produkcji pierwszych lokomotyw doowych z silnikiem

o mocy 22 kW [3]. Przykadowe rozwizanie lokomotywy z silnikiem wysokoprnym (z okresu

midzywojennego) przedstawiono na rysunku 4.

NAPDY I UKADY NAPDOWE

ISSN MASZYNY GRNICZE NR 3/2018 71

Rys. 4. Lokomotywa spalinowa z silnikiem wysokoprnym firmy Klckner-Humboldt-Deutz [4]

1 - silnik, 2 koo zamachowe z wbudowanym sprzgem ciernym, 3 - przekadnia, 4 wa poredni z korb

napdow, 7 dwignia wyboru kierunku jazdy, 8 dwignia rozruchu pneumatycznego, 9 - koo hamulca

rcznego,10 - odcznik sprzga,11 dwignia przeczania biegw, 12 zbiornik powietrza spronego -

sprarka, 16 chodnica, 17 przewd wylotowy spalin, 18 - tumik, 19 wentylator, 20 rozrzedzacz spalin

(powietrzem z wentylatora), 21 puczka wodna spalin, 22 piasecznica, 23 rura wylotowa piasku, 27

urzdzenie zderzakowo-pocigowe, 28 - zgarniacz, 30 fotel operatora, 31 zbiornik paliwa, 32 zbiornik

wody chodzcej spaliny, 34 rozrusznik pneumatyczny, 35 zawr odcinajcy spaliny

W lokomotywie tej zastosowano ukad chodzenia spalin z puczk wodn w formie

skrzyni wypenionej wod. Spaliny z silnika kierowane byy do puczki wodnej zespoem rur,

a stamtd, po przejciu przez kpiel wodn, dalej rurami do tumika haasu i na zewntrz do

atmosfery. Puczka wodna speniaa dwie role: chodnicy spalin i przerywacza pomienia

(iskrochronu).

Dalszy rozwj napdw spalinowych bazowa na powyszym rozwizaniu, zmieniano

jedynie komponenty i szczegy rozwiza konstrukcyjnych tak, aby speni wymagania

obowizujcych przepisw.

4. Ukady chodzenia spalin opracowane w ITG KOMAG

Pierwsze prace dotyczce zastosowania silnika spalinowego do doowej maszyny

mobilnej, prowadzono w KOMAG-u (w byych Zakadach Konstrukcyjno-Mechanizacyjnych

Przemysu Wglowego), zaowocoway opracowaniem w latach szedziesitych XX wieku,

kopalnianego cignika spalinowego KCS KOCUR pokazanego na rysunku 5 [2],

przeznaczonego do eksploatacji