MS- Word файл автореферата (914 КБ)

На правах рукописи
РИПОЛЬ-САРАГОСИ
Леонид Францискович
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ СЖАТОГО
ВОЗДУХА ДЛЯ ЗАРЯДКИ И ОПРОБОВАНИЯ ТОРМОЗОВ
В ПУНКТАХ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ВАГОНОВ
Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов
и электрификация
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Ростов-на-Дону
2007
2
Работа выполнена в Государственном учреждении высшего профессионального
образования «Ростовский государственный университет путей сообщения»
на кафедре «Электрический подвижной состав»
Научный руководитель:
доктор технических наук, доцент
Волков Игорь Васильевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Козубенко Владимир Григорьевич
кандидат технических наук, старший
научный сотрудник
Головач Юлий Николаевич
Ведущая организация:
Московский государственный
университет путей сообщения
Защита диссертации состоится « 29 »
на
заседании
диссертационного
совета
мая
Д
2007 г. в 14.00 часов
218.010.01
в
Ростовском
государственном университете путей сообщения (РГУПС) по адресу: 344038,
г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения,
2, в конференц-зале.
С
диссертацией
можно
ознакомиться
в
библиотеке
Ростовского
государственного университета путей сообщения.
Автореферат разослан «28» апреля 2007 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 218.010.01,
доктор технических наук, профессор
В.А. Соломин
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность
работы.
В
условиях
современного
развития
железнодорожного транспорта, ужесточения требований к безопасности
движения поездов, в программных документах ОАО «РЖД» сформулирована
концепция безотказной работы пневматических систем подвижного состава. В
рамках этой концепции важная роль в обеспечении безопасности движения
отводится повышению качества сжатого воздуха (СВ), являющегося рабочим
телом пневматических систем.
Сжатый воздух, подготавливаемый поршневыми компрессорами,
эксплуатирующимися как на локомотивах, так и на предприятиях ОАО «РЖД,
содержит масло и влагу в парообразном и капельно-дисперсном состояниях.
Возникающая в результате конденсации при охлаждении сжатого воздуха
свободная влага вызывает интенсивное ржавление трубопроводов, а в осеннезимний период приводит к образованию ледяных пробок в тормозных
магистралях поездов, отказам в работе воздухораспределителей и других
тормозных приборов, что часто становится причиной простоя поездов,
нарушения их графика движения, снижения безопасности движения.
В этой связи для эффективной организации безлокомотивной обработки
составов сжатым воздухом возрастает роль устройств зарядки и опробования
тормозов (УЗОТ) в пунктах технического обслуживания (ПТО) вагонных депо.
Именно здесь изначально тормозные магистрали заполняются сжатым
воздухом низкого качества, содержащим значительное количество водяных
паров. В пути следования, при понижении температуры окружающей среды,
влага, попавшая в тормозные магистрали и приборы в процессе зарядки и
опробования
тормозов,
конденсируется
и
замерзает,
закупоривая
калиброванные отверстия воздухораспределителей и образуя ледяные пробки в
тормозных магистралях и под золотником крана машиниста.
Основными причинами попадания влаги в магистраль поезда при
безлокомотивной обработке составов являются: - повышенная относительная
влажность наружного воздуха; - высокая температура воздуха после второй
ступени сжатия в компрессоре; - отсутствие достаточной величины
поверхности охлаждения и осаждения влаги в пневмосистеме; - недостаточно
эффективная работа влагомаслооотделителей; - высокая степень износа
компрессоров.
Таким образом, совершенствование технологии подготовки (осушки)
сжатого воздуха в УЗОТ, отвечающей критериям эффективности, надежности,
экономичности, экологичности, а также минимизирующей влияние
человеческого
фактора
(ошибок
персонала),
является
назревшей
необходимостью, которая отражена в стратегической программе развития ОАО
«РЖД» и подтверждена статистикой отказов тормозного оборудования
подвижного состава.
Целью исследования является установление теоретических и
экспериментальных закономерностей реализации тепловлажностных режимов
функционирования пневмосистем УЗОТ, позволяющее усовершенствовать
4
технологию подготовки сжатого воздуха с использованием эффекта
адиабатического расширения с последующим осаждением, отводом, очисткой и
возвратом конденсата в систему оборотного водоснабжения вагонных депо.
В соответствии с поставленной целью необходимо решить задачи:
- определить критерии выбора технологии осушки сжатого воздуха для
УЗОТ пунктов технического обслуживания вагонов;
- разработать математическую модель теплового функционирования
пневмосистем (ТФП) УЗОТ, позволяющую определить рациональную
структуру его пневмосистемы с учетом изменения влагосодержания
воздуха при различных атмосферных условиях и режимах работы;
- на основе созданной модели подобрать схему адиабатического
расширения сжатого воздуха для получения требуемого запаса по
температуре точки росы;
- выполнить расчеты по определению влагосодержания сжатого воздуха в
различных элементах пневмосистемы и на выходе из УЗОТ при заданных
перепадах давления в системе, оценив степень влияния элементов на
количественные характеристики осаждаемой в них влаги;
- провести
экспериментальные
исследования
(эксплуатационные
испытания) ТФП УЗОТ в режимах реального времени;
- на основе системного анализа разработать план реализации выбранной
технологии подготовки сжатого воздуха;
- провести обоснование предлагаемой технологии подготовки сжатого
воздуха с позиций ресурсосбережения и эколого-экономической
целесообразности.
Методы исследования и достоверность полученных результатов
Методологической основой работы являются методы газовой динамики,
тепломассобмена, теории подобия и математической статистики.
Достоверность полученных результатов подтверждается:
- достаточной сходимостью результатов математического моделирования с
данными экспериментальных исследований и эксплуатационных испытаний;
- критическим обсуждением результатов работы с экспертами – ведущими
специалистами ВНИИЖТа, ВЭлНИИ, ВНИКТИ, АСТО, НПО ДЭВЗ и ВНУ им.
В. Даля (г. Луганск, Украина).
Научная новизна
- определена степень влияния внешних и внутренних факторов на режимы
ТФП УЗОТ;
- получены численные значения переменных, учитывающих влияние
внешних и внутренних факторов на режимы ТФП УЗОТ;
- создана математическая модель ТФП УЗОТ, позволившая получить
инженерную формулу для расчетов влагосодержания сжатого воздуха;
- теоретически
обоснована
и
экспериментально
подтверждена
правомерность использования эффекта дросселирования для управления
процессами конденсации влаги в пневмосистемах УЗОТ;
5
- предложена
технология
осушки
воздуха
с
использованием
адиабатического расширения сжатого воздуха в управляемом дросселе с
последующей механической сепарацией влаги;
- проведено обоснование предложенной технологии подготовки сжатого
воздуха с позиций эколого-экономической эффективности и
ресурсосбережения.
Практическая ценность
- предложенная математическая модель ТФП УЗОТ может быть
использована при решении конкретных задач проектирования,
модернизации и эксплуатации пневмосистем УЗОТ ПТО вагонных депо;
- впервые на практике применена технология осушки сжатого воздуха на
основе адиабатического расширения в управляемом дросселе с
последующей сепарацией и локализацией влаги в устройствах
механической осушки (жалюзийных сепараторах);
- разработанная технология имеет промышленное внедрение и
положительный опыт эксплуатации на УЗОТ ПТО «Север» и «Юг»
вагонного депо станции Батайск, УЗОТ ПТО вагонного депо станции
Лихая, что подтверждено соответствующими актами внедрения;
- предложенная схема очистки и возврата в оборотное водоснабжение
сконденсированной из сжатого воздуха влаги повышает экологичность и
ресурсосбережение в системах технического обслуживания вагонов;
- определен экономической эффект от ликвидации простоев и внеплановых
ремонтов по причине перемерзания приборов и магистралей, а также
возврата очищенного конденсата в систему оборотного водоснабжения
вагонного депо;
- результаты научных исследований внедрены в учебный процесс РГУПС.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации
докладывались на заседании кафедр «Вагоны и вагонное хозяйство»,
«Локомотивы и локомотивное хозяйство», «Электрический подвижной состав»
РГУПС; на ежегодных международных научно-технических конференциях
«Проблемы рельсового транспорта» (г. Луганск, Восточно-украинский
национальный университет им. В. Даля, 2003, 2004, 2005, 2006 г.г.);
Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт – 2005»
(Ростов-на-Дону,
РГУПС);
на
международной
научно-практической
конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного
транспорта» (г. Днепропетровск, Днепропетровский национальный университет
железнодорожного транспорта им. академика В. Лазаряна); на IV
Международной научной студенческой конференции “Trans-Mech-Art-Chem”
(г. Москва, МГУПС, 2006 г.); на научно-техническом совете АСТО (завод
«ТрансМаш», г. Москва, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ.
Материалы диссертационных исследований включены в отчеты по научноисследовательским работам.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,
заключения, списка использованных источников, содержащего 128
6
наименований, и двух приложений. Общий объем диссертации составляет
189 страниц (9 таблиц, 58 рисунков).
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отображена актуальность рассматриваемой проблемы и
обоснована необходимость поиска эффективной технологии подготовки
(осушки) сжатого воздуха для устройств зарядки и опробования тормозов в
пунктах технического обслуживания вагонных депо.
В первой главе проведен анализ состояния исследуемого вопроса и
методов подготовки сжатого воздуха. Определены основные требования,
предъявляемые к качеству сжатого воздуха при его подготовке для систем
технического обслуживания вагонных депо. Исследованиям в области
повышения качества сжатого воздуха на магистральном и промышленном
транспорте посвятили целый ряд теоретических и экспериментальных работ
следующие ученые: Л.В. Балон, В.А. Браташ, И.Я. Виноходов, В.И. Водяник,
Ю.Н. Головач, В.Г. Иноземцев, В.М. Казаринов, Д.Э. Карминский, В.Д.
Карминский, В.Г. Козубенко, В.О. Кубил, В.Д. Кузмич, В.И. Копшаков, С.Г.
Микулин, Ю.Е. Просвиров, А.Л. Редин, Т.Л. Риполь-Сарагоси, И.В. Скогорев,
В.А. Смородин, Г.М. Финкельштейн, А.А. Шарунин, К.Д. Шевченко, С.В. Шелухин, В.Г. Щербаков и др.
В результате проведенного анализа технологий и методов осушки
сжатого воздуха, применяемых в различных отраслях народного хозяйства,
включая железнодорожный транспорт, наиболее приемлемым, с учетом
специфики функционирования пневмосистем УЗОТ, является метод
адиабатического расширения сжатого воздуха в управляемом дросселе с
последующей сепарацией и локализацией влаги в устройствах механической
осушки (жалюзийных сепараторах).
Успех внедрения любой технологии зависит от четкого определения
плана ее реализации с учетом специфики производства. Для этого в работе был
использован метод «SWOT-анализа», основанный на системном подходе к
решению сложных производственно-технологических задач.
Вторая глава посвящена созданию математической модели ТФП УЗОТ
для ПТО вагонных депо. Оценка воздействия внутренних и внешних факторов
влияния на режимы ТФП проводилась согласно расчетной схеме (рис. 1). В
состав схемы включены элементы, состоящие из машин и аппаратов,
объединенных по принципу системности подготовки сжатого воздуха и
различного влияния на изменение влагосодержания сжатого воздуха на каждом
отдельно выбранном участке.
Определим количество конденсата, образующегося в каждом из
элементов пневмосистемы, через соответствующие функции влияния
Xк= X1 А; Xp= X1 B; X0= X1 C + X1 C/; Xd = X1 D,
где A = f1 – функция влияния на осаждение влаги в элементе «А»;
B = f2 – функция влияния на осаждение влаги в элементе «В»;
C = f3 – функция влияния на осаждение влаги в элементе «С»;
7
C/ = f4 – функция влияния на осаждение влаги в элементе «C/»;
D = f5 – функция влияния на осаждение влаги в элементе «D»;
X1 – влагосодержание атмосферного воздуха.
T1, Тв
T1, X 1, P1, W1
T1, V ветра, X 1, Qинс
T11,X 11, P2, W11
A
Qk, Tв, X k
C'
T1, V ветра, X 1, Qинс
T12,X 11, P2, W11
T14,X 12, P21, W13
T1, V ветра, X 1, Qинс
T15,X 13, P22, W14
C
Qc, Wc
T1, V ветра, X 1, Qинс
C''''
C''
Qc, Wc
T1, V ветра, X 1, Qинс
T16,X 13, P22, W15
C'''
Q0, X 0, W0
T17,X 14, P3, W15
T13,X 12, P21, W12
Qp, X p, Wp
Qc
T1, V ветра, X 1, Qинс
B
T1, V ветра, X 1, Qинс
D
Qd, X d
T1, X 1
T18,X 14, P3, W15
QC
F
T19,X 14, P4, W16
Qf , Wf
Рис.1. Расчетная схема ТФП УЗОТ: A – компрессор, С/ - магистраль на участке
«компрессор – ресивер», В – ресивер, С// - магистраль на участке «ресивер –
охладитель», С – воздушный охладитель, С/// - магистраль на участке «охладитель – дроссель/система жалюзийных сепараторов», С//// - магистраль на участке
«дроссель/система жалюзийных сепараторов–УЗОТ», D – управляемый
дроссель, F–УЗОТ. Т – температура сжатого воздуха и окружающее среды в
соответствующих точках системы; Х – влагосодержание там же; Р – давление
сжатого и атмосферного воздуха; W – расход сжатого воздуха; Q – теплота
отданная или воспринятая соответствующим элементом; V – скорость ветра.
Влагосодержание сжатого воздуха на выходе из УЗОТ можно определить
как разность между влагосодержанием атмосферного воздуха и суммой
конденсата, отведенного от каждого элемента пневмосистемы:
Х14 = Х1 – (Xк+ Xр+Х0+ Xd).
(1)
Количество отведенной влаги от каждого элемента определяется в
процентном соотношении как
Xотв = Хвх/Хвых ∙ 100 % ,
(2)
где Хвх, Хвых – влагосодержание сжатого воздуха на входе и выходе из
соответствующего элемента пневмосистемы.
Таким образом, общее уравнение, связывающее влагосодержание
сжатого воздуха на выходе из УЗОТ X14 с влагосодержанием атмосферного
воздуха X1, можно записать в виде
X 14  X 1 f1 1 f 2
y
где
y
f3 3 f4
y4
y
f5 5 ,
(3)
функции, определяющие степень понижения
влагосодержания для данного элемента;
y1, y2, y3, y4, y5 – коэффициенты, определяющие степень влияния («вес»)
данного элемента на снижение в нем влагосодержания.
При создании математической модели ТПФ УЗОТ использовались
математические модели отдельных ее элементов с соответствующим анализом
f1, f2,
f3, f4,
f5
–
y2
8
определяющих групп параметров влияния. Наиболее характерными для
рассмотрения в данной системе являются элементы «B» (рис. 2) и «D» (рис. 3).
Параметры рабочего
тела на входе в элемент
W11 P2 X11 T12
Параметры рабочего
тела на выходе из
элемента
Параметры внешнего
воздействия
Т13 Х12 Р21 W12
Qинс Т1
Vветра X1
Параметры влияния на
состояние рабочего
тела
W p Xp Qp
ЭЛЕМЕНТ
В
Рис.2. Расчетная схема элемента «B».
Цель составления математической модели элемента заключается в
определении температуры и влагосодержания проходящего через него сжатого
воздуха на основе расчета отданного каждым элементом тепла. Так например,
стационарный тепловой поток через поверхность элемента «B» (ресивера)
Q  
F
t
dF ,
n
(4)
где λ – коэффициент теплопроводности;
n – нормаль к поверхности ресивера;
t – температура поверхности ресивера;
F – площадь поверхности ресивера.
С учетом геометрического подобия тел (поверхности ресивера, соляных
отложений, коррозионного слоя, эмалевого покрытия)
Q  t н  t к  ,
(5)
tн
 U  U 2 
dF – функция формфактора; здесь U 1   dt где   


U

U

n
1
2
F
О
внутренней энергии в начале процесса tн; U 2
tк
  dt
функция
- функция внутренней
О
энергии в конце процесса в конечный момент времени tк.
9
Поскольку ресивер рассматривался как многослойный коаксиальный
цилиндр, то интенсивность теплообмена через многослойную стенку ресивера
можно представить системой уравнений:
q1  Dв.тр   1 Tсж .в.  t ст 


q 2



q 3


q
 4


q 5
 d1
 2эм.покр. ln 
 d вн.тр

d
 2тр ln  1
 d2

t ст  t 2 


,
(6)

t 2  t 3 

 d2

t  t 4 
 2 рж. ln 
 d нар.тр.  3


 d нар.тр. 2 Tвн.ст.  t 4 
Количество отданного ресивером тепла определилось в виде
Tсж.в  ха  Tв 2
q
d вн.тр.
1

d
ln 1
d вн
 рж

d
ln 2
d1
 тр
ln

.
d нар
d2
 эм.покр

(7)
d нар.тр.
2
Учтем также выделение тепла при конденсации паров. Для этого запишем
уравнение теплопроводности на поверхности охлаждения
 t 
      t   t ст  ,
 n  cm
(8)
где α – коэффициент теплоотдачи;
t// – температура конденсата в пленке;
tст – температура стенки.
Средняя температура конденсата

t 
 tdy
0

 t    t   t ст  ,
(9)
 dy
0

где

t   t

t   t cm
l – относительное переохлаждение конденсата;
 – толщина пленки;
ω– скорость течения в жидкой фазе;
y – координата, нормальная к поверхности охлаждения;
t - средняя температура конденсата.
Количество тепла, передаваемого поверхности при
насыщенного пара


 t 
     r  С р t   t 2  g n ,
 n  cm
где gn – весовая скорость конденсации;
конденсации
(10)
10
Ср – теплоемкость сжатого воздуха при постоянном давлении;
r – теплота фазового перехода;
t2 - температура на границе раздела слоев.
Подставив правую часть данного уравнения в (4), получим окончательное
выражение для количества тепла, выделяемого при конденсации паров.
На рис. 3 представлена расчетная схема теплового функционирования
элемента «D» - дроссель и системы жалюзийных сепараторов.
Параметры рабочего
тела на входе в элемент
W15 P22 X13 T16
Параметры внешнего
воздействия
Vветра X1 Qинс
Т1
Параметры рабочего Параметры влияния на
тела на выходе из
состояние рабочего
элемента
тела
Т17 Х14 Р3 W15
Xd
Qd
ЭЛЕМЕНТ
D
Рис. 3. Расчетная схема элемента «D».
В качестве дросселирующего элемента был выбран дроссель ДРВ-10010/2 (рис. 4), схематично изображенный на рис. 5.
Рис. 4. Управляемый дроссель
Рис. 5. Схема дросселирующего элемента
Принцип работы управляемого дросселирующего элемента заключается в
следующем: когда управляющее устройство У открывается, давление в верхней
камере дросселя А снижается, и эффективное сечение отверстий стакана В
увеличивается пропорционально величине прогиба мембраны управляющего
устройства. Когда управляющее устройство У закрывается, давление в верхней
камере возрастает. Разность давлений в верхней и нижней камерах закрывает
дросселирующий стакан, что приводит к снижению проходного сечения
11
дросселя А. Таким образом, путем изменения в нем эффективного проходного
сечения, поддерживается разность давлений между входом и выходом дросселя.
Температура сжатого воздуха после дросселирования определялась
следующей степенной зависимостью:
k 1
 k
 P
(11)
T16  T17  3  ,
 P22 
где k – показатель адиабаты.
Коэффициент осаждения влаги в жалюзийном сепараторе определен с
помощью логарифмической зависимости
Кос = ln (Fсеп0,37),
(12)
где Кос – коэффициент осаждения.
Аналогичным образом были составлены математические модели
теплового функционирования и остальных элементов пневмосистемы УЗОТ.
Окончательно математическая модель ТФП УЗОТ представлена в виде:
X i  Аi/ y1 Аi// y2 Biy3 Ciy4 Diy5 A* ,
(13)
где Xi – влагосодержание сжатого воздуха;
i – номер реализации эксперимента;
А* – эмпирический коэффициент;
Аi/


РX
40  1 1
 Т2
 1
Сi  0,2647
Lвх 
Sвх 
7
;
Lтр  Sтр  Lтр.охл.Sтр.охл
T2  T1
 V  V n P 
Аi//   1 2 1 2  ;
 tв 2  tв1 Т 2 
;
PX 
Вi  V р 5  1 1 
 T1 
4
;
0,37
 P3  1  W 0,94 S дрос Fсеп

Fi  0,3975

2  T17   2  W


.


Третья глава посвящена реализации плана экспериментальных
исследований тепловых режимов и влагоосаждающей способности элементов
пневмосистемы УЗОТ, которые проводились по схеме промышленноэксплуатационных
испытаний.
Объектом
исследования
являлась
пневмосистема УЗОТ ПТО «Север» вагонного депо ст. Батайск.
Проведение экспериментов позволило получить подробную информацию:
- о режимах теплового функционирования пневмосистемы;
- о влиянии температуры и относительной влажности наружного воздуха,
расхода сжатого воздуха на его влагосодержание на выходе из УЗОТ;
- о влиянии конструктивных особенностей пневмосистем на места
рационального расположения отдельных элементов;
- о влиянии типа эмалевого покрытия на режим теплового функционирования
системы и величину коэффициента теплопередачи.
Эти сведения явились основой для принятия решений:
- о необходимости введения в пневмосистему дросселирующего элемента и
координате его установки;
- о необходимости создания в системе дополнительной поверхности осаждения
влаги из сжатого воздуха;
12
- о выборе и координатах установки оборудования для повышения
эффективности осаждения влаги из сжатого воздуха;
- об определении величины давления за второй ступенью компрессора для
обеспечения требуемого запаса по температуре точки росы при расширении
сжатого воздуха в дросселирующем устройстве и последующем снижении
давления до величины рабочего давления УЗОТ;
- о структуре схемы локализованного сбора влаги, сконденсировавшейся при
охлаждении сжатого воздуха в различных элементах пневмосистемы, методе ее
очистки с последующим возвратом в систему оборотного водоснабжения;
- о выборе типа эмалевого покрытия и системы защиты от инсоляции сжатого
воздуха в пневмосистеме;
- об определении степени влияния термодинамических параметров влияния
окружающей среды на режим тепловлажностного функционирования системы.
Результаты
экспериментальных
исследований
представлены
в
графической форме на рис. 6 для зимнего цикла испытаний.
Данные диаграммы получены на основе расчетов с использованием
компьютерной программы COOL PACK. Результаты натурных испытаний,
представленные на графиках рис. 6 а, б, в, показывают степень взаимовлияния
основных параметров функционирования пневмосистемы УЗОТ, а также
влияния адиабатического расширения сжатого воздуха в управляемом
дросселирующем элементе на его влагосодержание. Как видно из графика (рис.
6 а), при отсутствии снижения давления Р1 перед УЗОТ (Р1=Р2=0,8 МПа)
сжатый воздух пересыщен влагой. При снижении давления на 0,1 МПа (Р1= 0,8
МПа, Р2=0,7 МПа) сжатый воздух (кривая 4, рис. 6 б) находится практически в
стадии насыщения. И только при снижении давления на управляемом
дросселе до Р2=0,6 МПа получен гарантированный запас по температуре точки
росы до 5 0С при суточных колебаниях расхода воздуха от 0,9 л/мин до 16
л/мин.
Проведенные натурные испытания подтвердили гипотезу о возможности
применения технологии адиабатического расширения сжатого воздуха и
необходимости установки дополнительной поверхности для сепарации и
локализации влаги. В качестве таких устройств были использованы
жалюзийные сепараторы.
В четвертой главе представлены теоретические исследования режимов
тепловлажностного
функционирования
пневмосистемы
УЗОТ,
с
представлением данных численного анализа математической модели, их
графической интерпретацией, а также анализом согласованности теоретически
полученных данных с результатами эксперимента, подтверждающими
адекватность созданной математической модели.
Прологарифмировав выражение (13), представим его в виде
X i*  A  y1Bi  y2Ci  y3Di  y4 Ei  y5Fi ,
(14)
где À  ln A* ; Bi  ln Ai/ ; Ci  ln Ai// ; Di  ln Bi ; Ei  ln Ci ; Fi  ln Di ; X i*  ln X i .
13
Р1=Р2=0,8МПа
а
Р1= 0,8МПа; Р2=0,7 МПа
б
Р1= 0,8МПа; Р2=0,6 МПа
в
Рис. 6. График взаимовлияния основных параметров функционирования
пневмосистемы УЗОТ для Р1=Р2=0,8 МПа (а), Р1= 0,8 МПа Р2=0,7 МПа
(б), Р1= 0,8 МПа Р2=0,6 МПа (в). Кривая «1» - температура сжатого
воздуха перед УЗОТ; кривая «2» - влагосодержание атмосферного
воздуха; кривая «3» - температура атмосферного воздуха; кривая «4» влагосодержание сжатого воздуха перед УЗОТ; линия «5» - давление
сжатого воздуха на выходе из компрессора; линия «6» - влагосодержание
сжатого воздуха при t=20 0C; линия «7» - давление сжатого воздуха после
дросселирования.
Составим систему уравнений для множества экспериментальных
значений:
14
 A  y1 B1  y 2 C1  y 3 D1  y 4 E1  y 5 F1  X 1*

*
 A  y1 B2  y 2 C 2  y 3 D2  y 4 E 2  y 5 F2  X 2
....................................................................
,

*
 A  y1 Bi  y 2 Ci  y 3 Di  y 4 Ei  y 5 Fi  X i
....................................................................

 A  y1 Bn 1  y 2 C n 1  y 3 Dn 1  y 4 E n 1  y 5 Fn 1  X n*1

*
 A  y1 Bn  y 2 C n  y 3 Dn  y 4 E n  y 5 Fn  X n
(15)
где i =1, 2,…, n ; здесь n – количество реализаций эксперимента; n = 24168.
Характерной особенностью данной системы линейных алгебраических
уравнений является то, что она переопределена, то есть число уравнений
существенно превышает количество неизвестных. Решение данной системы
уравнений может быть получено только в приближенном виде, причем степень
приближения будет тем лучше, чем больше количество уравнений в системе.
Для реализации численного решения системы уравнений представим ее в
матричной форме
 X 1  A   B1 C1 D1 E1 F1


 

X

A
B
C
D
E
F
 2
  2 2 2 2 2
 y1 
 .........   .......................................  y 

 
 2  .
 X i  A    Bi Ci Di Ei Fi
 y3 

 
 
 ............   .......................................  y4 
 X n 1  A   Bn 1 Cn 1 Dn 1 En 1 Fn 1  y5 

 

 X n  A   Bn Cn Dn En Fn

(16)
или в сокращенной форме записи
X  MY ,
где
 X1  A 


X2  A 
 .........  ;



X  Xi  A 
 ............ 


 X n 1  A 


Xn  A 
 B1 C1 D1 E1 F1



B
C
D
E
F
 2 2 2 2 2

 .......................................  ;


Ì   Bi C i Di E i Fi

 ....................................... 


 Bn 1 C n 1 Dn 1 E n 1 Fn 1 


 Bn C n Dn E n Fn

(17)
 y1 
 
 y2  .

Y   y3 
 
 y4 
 
 y5 
Для использования стандартной процедуры пакета MATLAB,
реализующей метод наименьших квадратов, матричное выражение (17)
записывается в эквивалентной форме
MY  X .
Численное решение данного матричного уравнения реализуется на основе
линейного преобразования к расширенной матрице, образованной из матриц
M и X , при помощи стандартного метода решения алгебраических уравнений,
который в пакете MATLAB условно обозначается как «метод \».
По результатам вычислений получены следующие значения степенных
коэффициентов: у1 = 3,062; у2 = 2,020; у3 = 1,396; у4 = 4,890; у5 = 6,890.
15
Таким образом, уравнение, характеризующее процесс ТФП УЗОТ при
реальных условиях, в обозначениях (13) окончательно приобретает вид:
7 
 
P1 x1 Lвх  
*

x14  А  40 

  T1 S вх  


3, 062
 V  V2   n1 P2 

  1
 t в 2  t в1  T12 
Lтр  S тр  Lтр.охл. S тр.охл 

  0,2647

T12  T1


4 ,890
2,020


 V рес 5


 P1 X 1 


 T1 
4




1,396


 P3 1  W 0,94 S дрос Fсеп 0,37  


 0,3975



2

T

W
17
2



.
(18)
6 ,890
На рис. 7 представлен графический анализ изменения величин оснований
каждого из степенных коэффициентов выражения (18).
Область значений А/ при изменении температуры
окружающей среды от Т1 = -12 0С до Т1 = +38 0С
Область значений В при изменении температуры
окружающей среды от Т1 = -12 0С до Т1 = +38 0С
а
б
1 – зимний
цикл
2 – летний
цикл
Область значений А// при изменении температуры
охлаждающей воды на входе от tв1 = 4 0С до tв1 = 11
0
С и на выходе от tв2 = 4 0С до tв2 = 60 0С
Область значений С и С/ в зависимости от разности
температур сжатого воздуха и окружающей среды
в
г
Область значений D при изменении температуры от Т 1 = -12 0С до Т1 = +38 0С и рабочего давления УЗОТ
д
Рис. 7. Графическая оценка численных значений A/, A//, B, C, D.
16
Анализ графических зависимостей показывает, что основания степеней в
выражении (18) при всех режимах ТФП принимают значения, превышающие
единицу. Это позволяет сделать вывод о том, что «вес ответственности»
элементов пневмосистемы за изменение влагосодержания воздуха на выходе из
УЗОТ, непосредственно связан с величинами показателей степени в выражении
(18). Наибольшее значение имеет показатель степени
у5=6,890,
характеризующий влагоосаждающую способность элемента «D» (дроссель и
система жалюзийных сепараторов). Наименьший по величине коэффициент
у3=1,396 определяет состояние элемента «B» (ресивера). Как видно из
расчетной схемы пневмосистемы (рис. 1), элемент «B» установлен сразу после
компрессора. В него поступает горячий сжатый воздух с высокой способностью
к удерживанию влаги. Даже при наличии значительной поверхности
теплообмена снижение температуры сжатого воздуха в ресивере ниже точки
насыщения не происходит, что указывает на необходимость поиска
технологически обоснованного места расположения данного элемента в
пневмосистеме. Предложенные и обоснованные в диссертации технические и
технологические решения позволили дать конкретные рекомендации по
размещению ресиверов и управляемых дросселей в пневмосистемах УЗОТ ПТО
депо ст. Батайск и Лихая.
Анализ согласованности результатов численного исследования
математической модели с данными экспериментов проведен путем наложения
теоретических кривых на область экспериментально полученных значений. На
рис. 8 показаны диаграммы, характеризующие температурно-влажностное
состояния воздуха в пневмосистеме УЗОТ в зимний период времени.
Рис. 8. Т-Х диаграммы состояния влажного воздуха в пневмосистеме УЗОТ
ПТО «Батайск-Север» в зимний период. Области экспериментальных данных:
1 – при атмосферном давлении воздуха; 2 – при давление сжатого воздуха на
входе в УЗОТ Р2 =Р1= 0,8 МПа; 3 – то же при Р2 = 0,7 МПа; 4 – то же при
Р2 = 0,6 МПа. Теоретические зависимости изменения влагосодержания сжатого
воздуха от температуры окружающей среды: 5 – при Р2 =Р1= 0,8 МПа;
6 – то же при Р2 = 0,7 МПа; 7 – то же при Р2 = 0,6 МПа.
17
ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ВЫБРАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОСУШКИ СЖАТОГО ВОЗДУХА
II
Компрессорная
КI
5
0,1 2,15м
3
0,05 5м; 20 шт
V
0,15 2м
3
10 м
0,111 2,1м
III
1
6
VI
lцч=4,72м
IV
7
lсч=0,38м
IX
0,1 45м
8
0,16 1,5м
К II
X
0,15 2м
0,1 4,75м
0,111 1,7м
0,1 75м
lцч=1,18м
lсч=0,06м
VII
V=950 л
с учетом труб к
УЗОТ
C=1,31м
0,1 2,1м
6,3 м
0,16 7м
VIII
4
lцч=3,78м
К I II
2
0,111 1,1м
0,0318 10м
9
3
ПТО
lсч=0,38м
0,16 1,5м
10
УЗОТ
I
11
12
IX
Схема очистки и возврата воды в
систему оборотного водоснабжения
1
2
5
4
3
3
I - резервуар охладитель V=6,3 м ;
I I - резервуар охладитель V=10 м3 ;
II I , IV - резервуары охладители ;
V , VI, VII - соединительные трубы;
VII I - система УЗОТ ;
IX - дросселирующий элемент;
X - система жалюзийных сепараторов;
K I - компрессор №1;
K I I - компрессор №2;
K III - компрессор №3;
1 .....
12 - точки замеров;
lцч - длина цилиндрической части резервуара;
l сч - длина сферический части резервуара.
1 - каскадный осадитель;
2 - дренаж;
3 - емкость для сбора и возврата воды в систему;
4 - песчано-гравийный фильтр;
5 - насос.
Рис. 9. Схема очистки и возврата конденсата в систему оборотного водоснабжения депо: 1 – каскадный осадитель,
2 –дренаж; 3 – емкость для сбора и возврата воды в систему; 4 – песчано-гравийный фильтр; 5 – насос.
18
Как видно из графиков рис. 8 теоретические кривые 5, 6, 7 хорошо
отражают особенности распределения экспериментальных данных в областях 4,
3, 2. Коэффициент корреляции при этом принимает значения не ниже 0,98, что
свидетельствует об удовлетворительной сходимости теоретических и
экспериментальных данных.
Глава 5 посвящена эколого-экономическому обоснованию выбранной
технологии осушки сжатого воздуха. Суточные объемы получаемого
конденсата определены с помощью правила «золотого сечения» и составляют
117,9 л/сутки. Схема очистки конденсата для его возврата в систему оборотного
водоснабжения депо представлена на рис. 9.
Годовой экономический эффект от внедрения предложенной технологии
определен по формуле
Эг = ΔЕ+ ΔЕв – Ев – rּ(К1+К2) , тыс. руб.,
где Е - суммарное снижение эксплуатационных расходов за счет внедрения
технологии механической осушки сжатого воздуха, тыс. руб.;
ΔЕв – годовая экономия на сборе воды, тыс. руб.;
Ев - суммарные расходы, связанные с организацией работ по сбору воды в
процессе осушки сжатого воздуха в условиях ПТО, тыс. руб.;
r - коэффициент эффективности использования капитальных вложений;
К1 – полная стоимость комплекта оборудования для технологии
механической осушки сжатого воздуха с учетом установки, тыс. руб.;
К2 – полная стоимость комплекта оборудования для технологии сбора
воды в процессе осушки сжатого воздуха, тыс. руб.
и составляет 329,2 тысячи рублей при сроке окупаемости:
Ток = 12∙
К1  К 2
=9,24 мес.,
Е  Ев  Ев
что свидетельствует не только об экологической эффективности, но и об
экономической целесообразности внедрения предлагаемой технологии
подготовки сжатого воздуха.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании выполненных в работе исследований можно сделать
следующие выводы:
1. Определены критерии выбора технологии подготовки сжатого воздуха,
основанные
на
принципах
технологичности,
экономичности
экологичности и ресурсосбережения.
2. Разработана математическая модель теплового функционирования
пневмосистемы УЗОТ, позволившая получить инженерную формулу для
расчетов влагосодержания сжатого воздуха с учетом реальных режимов
эксплуатации и погодно-климатических факторов.
3. Предложена и теоретически обоснована технология механической
осушки сжатого воздуха с использованием эффекта адиабатического
19
4.
5.
6.
7.
8.
расширения; разработан план реализации выбранной технологии методом
SWOT-анализа.
На основе численного исследования математической модели определена
рациональная структура пневмосистемы УЗОТ ПТО «Север» вагонного
депо ст. Батайск, выбрана схема адиабатического расширения воздуха в
управляемом дросселе, определена степень влияния элементов пневмосистемы на количественные характеристики осаждаемой в них влаги.
Проведены экспериментальные исследования и эксплуатационные
испытания пневмосистемы УЗОТ, подтвердившие обеспечение запаса по
температуре точки росы в диапазоне 1…5 0С при реализации данного
технологического решения.
Предложено техническое решение по очистке и возврату
сконденсированной воды в систему оборотного водоснабжения депо в
объеме 117 л/сутки.
Выполнено технико-экономическое обоснование предлагаемой технологии осушки сжатого воздуха на основе ресурсосбережения и с позиции
эколого-экономической целесообразности. Экономический эффект от
внедрения предлагаемой технологии составит 329,2 тысячи рублей в год.
Предлагаемая технология осушки сжатого воздуха имеет промышленное
внедрение в ПТО вагонных депо ст. Батайск и ст. Лихая СКЖД.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в работах:
1. Риполь-Сарагоси Л.Ф. Выбор технологии осушки сжатого воздуха для тормозных
магистралей подвижного состава. // Труды Всероссийской научно-практической
конференции «Транспорт – 2005, май 2005 г. В 2-х частях. Часть 2. – Ростов н/Д:
РГУПС, 2005. - С.270-272.
2. Риполь-Сарагоси Т.Л., Риполь-Сарагоси Л.Ф. Использование технологии
механической осушки сжатого воздуха в системе УЗОТ. // Вiсн Схiдноукр. нац. Ун-т
iм В. Даля. Ч.2. Луганськ,2003.-№9 [67]. - C. 223-225.
3. Кравченко Г.М., Бабенков В.И., Риполь-Сарагоси Л.Ф. Регулирование параметров
теплоносителя открытых систем теплоснабжения. // Научно-технический журнал
«Новости теплоснабжения», №10[50], октябрь, 2004 г. - С. 38-39.
4. Ripol-Saragosi L. Analysis of the existing compressed air purification methods and its
employment. // IV Международная научная студенческая конференция “Trans-MechArt-Chem”, Труды, МИИТ.
5. Риполь-Сарагоси Т.Л., Риполь-Сарагоси Л.Ф. Сравнительный анализ технологии
осушки сжатого воздуха для подвижного состава с позиций экологичности
ресурсосбережения. // Вiсн Схiдноукр. нац. Ун-т iм В. Даля. Ч.2. Луганськ, 2004.- №9
[78]. - C.201-203.
6. Риполь-Сарагоси Л.Ф. Выбор оптимального метода очистки сжатого воздуха для
нужд железных дорог. // «Вестник Ростовского Государственного Университета
Путей Сообщения» №1[21].- Ростов н/Д: РГУПС, 2006.- С. 27-29.
7. Риполь-Сарагоси Т.Л., Риполь-Сарагоси Л.Ф. Повышение безопасности движения
подвижного состава при использовании главных резервуаров с жалюзийными
сепараторами на локомотивах (тезисы). // Тезисы 65-ой Международной научно-
20
практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного
транспорта». – Днепропетровск: ДНУЖТ – ДИИТ, 2005. - С.55-56.
8. Волков И.В., Риполь-Сарагоси Л.Ф. Анализ возможности применения различных
способов осушки воздуха в пневмосистемах евролокомотива 21-го века. // Вiсн
Схiдноукр. нац. Ун-т iм В. Даля. Ч.2. Луганськ, 2006.- №8 [102]. - C.197-202.
9. Риполь-Сарагоси Т.Л., Риполь-Сарагоси Л.Ф. Анализ возможностей применения
различных технологий осушки на подвижном составе. // Вiсн Схiдноукр. нац. Ун-т iм
В. Даля. Ч.2. Луганськ, 2005. - №8 [90]. - C.186-190.
10. Риполь-Сарагоси Л.Ф. Сравнительный анализ методов осушки сжатого воздуха,
применяемых на подвижном составе ОАО «РЖД». // «Вестник Ростовского
Государственного Университета Путей Сообщения» №4[24].- Ростов н/Д: РГУПС,
2006. - С. 61-67.
11. Риполь-Сарагоси Л.Ф. Математическая модель теплового функционирования
пневмосистемы УЗОТ. // «Труды Ростовского Государственного Университета Путей
Сообщения 2006» №2[3]. - Ростов н/Д: РГУПС, 2006. - С. 117-126.
12. Риполь-Сарагоси Т.Л., Риполь-Сарагоси Л.Ф. Повышение безопасности движения
подвижного состава при использовании главных резервуаров с жалюзийными
сепараторами на локомотивах. // Вiсник Днiпропетровського унiверситету
зализничного транспорту iменi академiка В.Лазаряна.- Вип.10.-Д.: Вид-во
Днiпропетр. Нац. Ун-ту залiзн. Трансп. Iм. Акад. В.Лазаряна, 2006. – С. 72-75.
13. Риполь-Сарагоси Л.Ф. Использование SWOT-анализа для выработки стратегии
внедрения технологии повышения качества сжатого воздуха на предприятиях ОАО
«РЖД». // «Вестник Ростовского Государственного Университета Путей Сообщения»
№7[25].-Ростов н/Д: РГУПС, 2007.- С. 33 -37.
РИПОЛЬ-САРАГОСИ Леонид Францискович
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ СЖАТОГО
ВОЗДУХА ДЛЯ ЗАРЯДКИ И ОПРОБОВАНИЯ ТОРМОЗОВ
В ПУНКТАХ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ВАГОНОВ
Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Подписано в печать .2007. Формат 6084/16
Бумага офсетная. Ризография РГУПС. Усл. печ. л. 1,0.
Уч.-изд. Л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ №
.
Ростовский государственный университет путей сообщения
Ризография РГУПС
Адрес университета: 344038, г. Ростов н/Д, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного
Ополчения, 2.