В северных условиях России [3, 10] эксплуатируется большой парк коммунальных машин, основными из которых являются вакуумные ассенизационные машины [7]. Использование большинства таких машин при температурах ниже –20 °C затруднено, так как происходит замерзание конденсата в предохранительном клапане. Этот клапан входит в состав сигнально-предохранительного устройства, располагающегося на верхнем люке цистерны. Предохранительный клапан служит для ограничения давления и разрежения в цистерне. При замерзании клапан не способен ограничить давление в цистерне, вследствие этого атмосферный столб может «раздавить» цистерну. После этого цистерну необходимо выправлять, и эксплуатация машины в таком случае невозможна. При этом коммунальная служба не выполняет свои обязанности и несет материальные потери в связи с ремонтом техники. На участках жилых массивов, где отсутствует центральная канализация, все нечистоты попадают в выгребные ямы. Для таких случаев и существует специальная техника для сбора и очистки канализационных отходов – ассенизационные машины [5, 11].

Чтобы использовать вакуумные ассенизационные машины при низких отрицательных температурах, поставлена задача разработки системы утилизации тепла от двигателя внутреннего сгорания на вакуумные ассенизаторские машины, в частности на КО-505А-1. Система утилизации тепла от ДВС направляет горячие отработавшие газы по сварной трубной конструкции к предохранительным клапанам, обеспечивая оптимальную температуру для работоспособности клапанов [4].

В 2014 году в г. Тюмени температура окружающего воздуха достигала –20 °C и ниже суммарно на протяжении 28 дней. В эти дни большинство вакуумных ассенизационных машин простаивали. Поэтому проблема замерзания конденсата в предохранительных клапанах на вакуумных ассенизаторских машинах является актуальной и требует решения. Возникает необходимость повышения эффективности использования автомобилей в погодно-транспортных условиях [2, 8].

Данная система утилизации тепла от ДВС позволит эксплуатировать машину КО-505А-1 при температурах ниже –20 °C. КО-505А-1 является распространенной машиной, предназначенной для механизированного заполнения, транспортирования и выгрузки жидких отходов, не содержащих горючих, агрессивных и взрывоопасных веществ. Машина рассчитана на эксплуатацию по разным видам дорог, в том числе по грунтовым дорогам в полевых условиях. Машина климатического исполнения «У» по ГОСТ 15150-69 эксплуатируется при температуре окружающего воздуха от минус 20 °С до плюс 40 °С. Технические характеристики КО-505А-1 представлены в табл. 1 [6].

Таблица 1

Технические характеристики КО-505А-1

Машина представляет собой автомобильное шасси КАМАЗ-65111, на которое монтируется специальное оборудование. Специальное оборудование состоит из двух цистерн, привода вакуумного насоса, механизма выдачи и укладки рукава, коробки отбора мощности, брызгоотражателей, вакуум-нагнетательной системы, пневмосистемы, дополнительного электрооборудования. Привод рабочих органов спецоборудования осуществляется от двигателя шасси через коробку отбора мощности, установленной на КПП шасси. Привод вакуумного насоса – механический от коробки отбора мощности через клиноременную передачу. Привод механизма выдачи и укладки рукава – пневматический, со специальным движителем.

Цистерны установлены с наклоном в сторону слива. Цистерны сварные, цилиндрической формы, днища сферические. Внутри каждой цистерны, для гашения гидравлических ударов, установлены три волнореза. В задней части каждой цистерны имеются сливные лючки. Цистерны соединяются между собой патрубками и рукавом диаметром 65 мм. На крышке левой цистерны установлен датчик уровня, сигнально-предохранительное устройство и клапан предохранительный, для ограничения давления в цистернах при сливе отходов. На внутренней поверхности каждой цистерны имеются три ребра жесткости из уголка 32×32×3. Вакуумный насос установлен впереди цистерн на специальной раме, который приводится во вращение от коробки отбора мощности через клиноременную передачу. Включение и выключение вакуумного насоса осуществляется дистанционно из кабины водителя с пульта управления. Транспортирование жидкости производится при закрытой приемной камере и выключенном дополнительном электрооборудовании. Во избежание раскрытия стыка приемной камеры пневмоцилиндр постоянно находится под давлением и держит клапан приемной камеры в закрытом положении. Слив жидкости из цистерн может осуществляться как самотеком, так и под давлением. Для ограничения давления 0,03 + 0,01 МПа и разрежения 0,08 МПа в цистерне на крышке сигнально-предохранительного устройства имеется предохранительный клапан. Для прогрева клапанов разработана система, в которой отработавшие горячие газы от двигателя внутреннего сгорания поступают по выхлопной системе автомобиля до выхлопной трубы, в которой установлена специальная заслонка, имеющая 2 положения. Первое положение, при котором заслонка закрыта, – отработавшие горячие газы меняют своё направление и проходят по специальной системе, направленной на обогрев предохранительных клапанов. Во втором положении заслонка открыта, происходит беспрепятственный выхлоп отработавших газов через стандартную выхлопную трубу машины [4]. Системы утилизации тепла ДВС ранее предлагались для прогрева гидропривода, ДВС [3, 12]. Чертеж системы прогрева клапанов представлен на рис. 1.

В процессе выхлопа в данной системе утилизации тепла возможно образование конденсата. Образование конденсата происходит из-за разницы температур горячих выхлопных газов и элементов системы отвода тепла, которые имеют большую протяженность. Для сбора конденсата из системы предусмотрен сборник конденсата 5. Сборник конденсата представляет собой цилиндрическую емкость с двойной стенкой. Образовавшийся конденсат накапливается во внутренней емкости. Часть горячих выхлопных газов, проходящих между стенками сборника, обогревают внутреннюю емкость и предотвращают замерзание конденсата, затем они выходят в атмосферу через специальное отверстие. Слив накопленного конденсата осуществляется самотеком через сливной кран 6. Опытный образец КО-505А-1 представлен на рис. 2.

Рис. 1. Чертеж системы прогрева клапанов: 1 – выхлопная труба штатной системы; 2 – труба системы прогрева клапанов; 3 – распределительная труба; 4 – полукружия; 5 – сборник конденсата; 7 – цистерна ассенизационной машины

а б

Рис. 2. Опытный образец КО-505А-1: а – до модернизации; б – после модернизации системой прогрева клапанов; 1 – цистерна ассенизационной машины; 2 – полукружие клапана

При тепловой подготовке клапанов отработавшими газами ДВС на поверхности стенок трубопроводов и полукружий направителей газов образуются осевшие на них твердые частицы (рис. 2). Это снижает интенсивность прогрева клапанов. Для периодической очистки внутренней поверхности стенок от частиц несгоревшего топлива используются нейтрализаторы [9].

Стоимость изготовления предлагаемой системы прогрева клапанов от двигателя внутреннего сгорания вакуумной ассенизаторской машины КО-505А-1 определяется из общих затрат по формуле

Sобщ = Sраб + Sмат.

где Sраб – затраты на оплату работы по изготовлению, руб.; Sмат – затраты на материалы для изготовления и монтажа, руб.

Стоимость работ по изготовлению системы прогрева клапанов приведена в табл. 2.

Материалы для изготовления системы прогрева клапанов [1] приведены в табл. 3.

Общие затраты на изготовление системы прогрева клапанов ассенизационной машины составят

Sобщ = 11390 + 7658,9 = 19048,9 руб.

В результате проведенной научной работы следует, что эксплуатация ассенизационных машин при низких отрицательных температурах (ниже минус 20 °С) затруднительна – перемерзают клапаны. Поэтому разработана система утилизации тепла ДВС для прогрева клапанов ассенизационной машины. Разработан и изготовлен опытный образец, который проходит дальнейшее исследование. Внедрение предложенной системы позволит получить экологический и экономический эффект за счет увеличения количества сбора, транспортировки и отгрузки жидких отходов при низких отрицательных температурах.

Таблица 2

Стоимость работ по изготовлению системы прогрева клапанов

Таблица 3

Материалы для изготовления системы прогрева клапанов