Экспериментально-теоретическое исследование определяющих параметров электрообогрева СП

Место проведения экспериментов — крытый рефрижераторный вагон и огражденная от ветра площадка на открытом воздухе, которые использовались в зависимости от решаемой задачи (рис. 3.1, рис. 3.2 ).

Рис. 3.1 Экспериментальный стенд в рефрижераторном вагоне

Рис. 3.2 Экспериментальный стенд на открытом воздухе среды (температура и подвижность воздуха)

Одновременно велись наблюдения за поведением загрязнителя в рабочем пространстве СП до полного таяния.

На втором этапе исследовалось влияние теплоизоляции наружных поверхностей рабочего пространства СП на эффективность процесса очистки.

Исследовались условия, при которых имеют место «эффект таяния» и «эффект парения».

По результатам экспериментов была произведена аппроксимация графических зависимостей и получено математическое выражение для установления времени готовности СП к функционированию при использовании в различных условиях окружающей среды.

Исследование распространения тепла в элементах стрелочного перевода в зависимости от температуры окружающей воздушной среды

Местом проведения экспериментов был крытый рефрижераторный вагон, в котором размещался лабораторный стенд, изготовленный из натурных элементов стрелочного перевода ( рис. 3.3 ).

Характеристика стрелочного перевода: перевод стрелочный типа Р65 марки 1/11.

Техническая характеристика ТЭН: рабочее напряжение — 220В, погонная мощность — 0,5 кВт/пог. м длина — 3,6м.

поперечное сечение -8×12 мм2 крепление — подошвенное.

Рис. 3.3 Исследование теплопередачи в элементах СП в зависимости от температуры окружающей среды(наиболее распространенный вариант).

Исследования проводились при помощи следующих приборов:измеритель температуры поверхности ИТП-1-5М — 24 шт. Изготовитель ООО «НПО МЭП», СПб, 1999 г. Назначение и технические характеристики приведены в приложении №1. цифровой комбинированный прибор «Метеор БГТА-1». (Рис.3.4)

В каждой точке замеры проводились несколько раз в следующей последовательности:

1. Отмечалась температура воздуха в вагоне.
2. Регистрировалась температура каждой точки при неработающем электрообогреве.
3. Обеспечивалось полное безветрие.
4. Одновременно с включением электрообогрева ( подавалось питание ) производился с помощью секундомеров ( 2 шт. ) отсчет времени.
5. Показания ИТП-1-5М снимались единовременно во всех точках через каждые 10 минут. Одновременно отмечалась температура ТЭНа.
6. Результаты испытаний сводились в таблицу.

Рис. 3.4 Прибор БГТА-1

1. По результатам измерений строились графические зависимости ( рис. 3.6 — рис. 3.8 ).
2. Замерялась температура элементов СП после длительного включения (~ 24 часа) ЭО. Результаты замеров нанесены на соответствующие графики (п. 7)

Температура воздуха в вагоне до включения ЭО равнялась температуре элементов СП. (^Свозд = Лэ)Методика проведения приборометрических измерений: Каждая серия испытаний состояла из трех параллельных опытов. Производились прямые измерения физических величин, т. е. измерения, при которых искомые значения величин получали непосредственно.

Рис. 3.8 График зависимости температуры прогрева остряка от времени прогрева при I °С возд = -12,4 и о = 0 м/с

Из приведенных графиков видно, что время прогрева элементов СП составляет (при ^Свозд = -12,4; и = 0 м/с): тпр тэн- 6 мин, хпр р ~ 50 мин, тпр б ~ 40 мин, Тпр о~ 100 мин.

При этом необходимо отметить, что указанные значения времени приведены для средних точек измерений (3, 4, 5, 6,), которые не испытывают влияния необогреваемых концов рельса. Последние (1, 2, 8, 7) прогреваются, согласно эксперименту, через тр(М)~220 мин., тб(1,)~100 мин., то(1,8)~230 мин., Тр(2,7) -80 мин., тб(1,8) -70 мин., то(1,8) -110 мин.,

что указывает на неэффективность рассматриваемой конструкции ЭО СП.

На рис. 3.9 приведены зависимости для средних участков элементов СП как наиболее прогреваемых. На рис. 3.10 — то же самое при различных X °Свозд

Рис. З.10 Зависимости времени прогрева элементов СП от изменений температуры окружающей среды.

Эпюры распределения тепла в поперечном сечении и по длине СП представлены на рис. 3.11 — 3.13.

Таким образом, в рассматриваемой схеме размещения ТЭНа в системе СП, время прогрева элементов значительно разнится как в поперечном сечении рабочего пространства (xiпр), так и по его длине (хп пр), что указывает на нерациональность конструкции УЭО СП.

Оптимальным вариантом обогрева СП было бы такое положение, когда

Хпрр — Хпрб = Хпр о —> Хпртэн ( £ —> I )

Хпр I⁼ …⁼ Хпр i = … = хпр 8 —> min

где \ — к. п. д. системы.

Рациональным же вариантом обогрева СП является тот, при котором выполняются условия:

Хпр р = Хпр б = Хпр о —> Хпр тэн ( £ —> Шах ) Хпр I = … = Хпр i = … = Хпр 8 —» min

Исследования показывают, что прогрев элементов стрелочного перевода не эффективен как в поперечном сечении ( рельс — башмак — остряк ), так и в продольном направлении ( корень — остряк ).

Достижение оптимального варианта обогрева стрелочного перевода, что может иметь место при полной теплоотдаче источника тепла ( £ -> I ) и, как следствие, минимальном времени прогрева (хсп -> min) — нереально.

Достижение рационального варианта обогрева СП ( £ -> max,хсп —» min) требует проведения дополнительных исследований с целью установления путей повышения теплопередачи в системе стрелочного перевода.
 

Рис. 3.11 Эпюры прогрева элементов СП

Рис. 3.13 Наблюдения за прогревом элементов СП

Установление путей повышения теплопередачи в системе СП

Полученные экспериментальные зависимости (рис. 3.14 ) позволяют для зоны прогрева ( 0 > I °СЛ -го элемента при любых отрицательных значениях температуры воздуха установить:

Т ¡-го элемента = Т С ¡-го элемента где — угол наклона кривых к абсциссе , а tg У’ ~ скорость прогрева элементов СП. Как видно из рис. 3.14, скорость прогрева элементов СП различна: максимальная у ТЭН и минимальная у остряка (обозначение «о»).

Общие потери тепла можно учитывать коэффициентом потерь системы стрелочного перевода

Рис. 3.14 Совмещенный график прогрева элементов СП во времени при г °Свозд = -12,4 и безветрии

Угол наклона кривых у может иметь значения 0< у < 90 (теоретически). Это означает, что нагрев системы СП ограничен возможностями ТЭН при определенном его использовании (у -» 90 ) или система СП или ее отдельная составляющая получает тепла крайне мало (у -» 0 ).

В состав показателя £ входят потери (прежде всего с наружных поверхностей) всех видов теплопередачи, термическое сопротивление (в контакте рельс-башмак), сопротивления в масляном контакте (башмак-остряк) и др., т. е. ^ — интегральный коэффициент потерь тепла и количественная оценка каждой составляющей требует дополнительных экспериментов, что данной работой не предусматривается.

Рациональным вариантом установки теплоэлектронагревателей будет тот, при котором будет иметь равенство

£т-р = £р-б = £б-о -> I

т. е. будет обеспечен равный прогрев элементов за одинаковое минимальное время, что возможно только при симметричном относительно прогреваемых масс расположении ТЭНов и максимальной изоляции рабочего пространства стрелочного перевода, рис. 3.15.

Путями решения задачи могут быть в зависимости от конструктивных и технологических возможностей следующие предложения:

1. Установка ТЭН на каждом элементе СП.
2. Установка ТЭН на башмаке.
3. Установка ТЭН на рельсе и остряке.

Изоляции подлежат наружные поверхности СП и пространство в шпальных ящиках с целью экономии всех видов тепла в рабочем пространстве стрелочного перевода.Таким образом, полученные экспериментальные зависимости не являются окончательной характеристикой СП или его элементов.

Рис. 3.15 Эпюра распределения тепла в элементах СП при симметричном расположении ТЭН

Малейшее изменение условий теплопередачи, сохранив характер кривых, количественно видоизменит их.

Анализ таблицы показывает, что наибольшие потери в теплопередаче имеют место в контакте ТЭН — рельс. Для повышения ^тэн — рельс необходимо обеспечить плотный контакт.

Потери в масляном контакте элементов башмак — остряк ( подвижное соединение ) постоянный.

Последний вывод может быть отнесен и к соединению рельс — башмак ( болтовое соединение).

Предполагая, что характер кривой элемента-донора тр = является наиболее близкой (как наиболее прогреваемой) к характеристике рационального электрообогреваемого стрелочного перевода, аппроксимируем ее в целях получения уравнения теплового баланса.

Обработка экспериментальных данных

Обобщенная аппроксимирующая функция для всех результатов имеет вид Т(х) = А + В-е^ат + С-е»^Рт , где А + В + С = То- начальная температура (температура окружающего воздуха),

• А — максимальная температура для данных условий, которая достигается при х = оо,
• а — коэффициент, определяющий скорость нагрева (1/час), (3 — коэффициент, определяющий скорость потерь тепла за счет теплового контакта с другими элементами конструкции (1/час). В формуле коэффициент А всегда положителен, а коэффициент В всегда отрицателен.

В начальный момент времени х = 0 (в момент подачи электроэнергии на нагревательный элемент) Т (0) = То.

В последующем, экспонента при коэффициенте В уменьшает его абсолютное значение, что приводит к росту общей температуры, то есть к нагреву, а экспонента при коэффициенте С, также уменьшая его абсолютное значение, приводит к снижению общей температуры, то есть к охлаждению. Скорость прогрева определяется коэффициентом а, а скорость охлаждения коэффициентом р.

При обработке результатов экспериментов ставилась задача построения аналитических зависимостей, достаточно хорошо описывающих результаты наблюдений.Известно, что при решении задачи приближенного представления данных У{ = £ ( X!), [ = 1, 2, 3, … п зависимостью у = ( х ) в случае, когда данные содержат ошибки измерений, наиболее часто используется аппроксимация алгебраическими многочленами невысоких степеней. При этом предполагается, что разброс значений у1 относительно у = ( х) подчиняется определенному закону.

Построение искомых многочленов в этом случае сводится к определению таких значений коэффициентов, при которых разброс принимает минимальное значение. Для этого строится и решается система уравнений метода наименьших квадратов (МНК), формализующая необходимое условие минимума приведенного выражения как функции искомых коэффициентов и приведенная в приложении.

На рис. 3.16 точками показаны экспериментальные данные, полученные в результате замеров температуры на различных элементах стрелки при определенной температуре окружающего воздуха в зимнее время в конкретное время после начала нагрева (т = 0).

Рис. 3.16. Обработка экспериментальных данных

Иными словами, для определенных температурных условий окружающей среды, типа ТЭНа и места его установки, произведение скорости прогрева ai на время прогрева tí есть величина постоянная.

На рис. 3.14 приведены кривые прогрева элементов СП при температуре окружающей среды t °С возд = -12,4 в стандартном варианте крепления ТЭН конструкций Великолукского завода.

Из графиков видно, что время прогрева до О °С составит для т ТЭН = 6 мин. т «башмак» =39 мин. т «рельс» = 48 мин. т «остряк» =102 мин.

Предельная температура нагрева элементов СП при t °С возд = — 12,4 равна: W ТЭН = 105 °С At TЭH=117°C

• tmax «башмак» = 18 °С At б =30 °С
• tmax «рельс» = 16 °С At р = 28 °С
• tmax «остряк» = 10 °С Ato = 22 °С

Т. к. кривые нагрева элементов СП, согласно проведенному эксперименту, имеют одинаковый характер, то коэффициент скорости прогрева а представляет собой главный критерий устройства ЭО СП, позволяющий установить время прогрева элементов СП (tí), а в случае использования рационального СП (аб = ар = ао иkt6 = ktp = kto) — время прогрева СП (асп и kt сп).

t °С возд — t( т) = kt — а-т ln 1,

Техническая характеристика ЭО СП (ОТФК), таким образом, должна включать в себя показатель а для каких-то определенных теплофизических условий (например, при полном безветрии). Вычисленное же время т в отличных условиях должно быть скорректировано коэффициентами ку, учитывающим подвижность воздуха, и ки, учитывающим теплоизоляцию системы СП.

Для установления значений кп и ки были проведены эксперименты на лабораторном стенде, причем показания снимались только с элемента, на котором смонтирован ТЭН, как наиболее близкого по характеристике к рациональному электрообогреваемому стрелочному переводу.

Влияние подвижности воздуха на прогрев стрелочного перевода

Влияние скорости ветра на прогрев СП проверялось на том же стенде, как в закрытом помещении с помощью вентилятора со ступенчатым регулированием (рис. 3.17 ) так и на открытом воздухе при естественной фиксированной его подвижности, рис. 3.18.

Методика эксперимента:

• Замеры температуры осуществлялись только на рамном рельсе, как наиболее прогреваемом элементе-доноре СП.
• Устанавливалась определенная подвижность воздуха.
• Через каждые 10 минут регистрировалась температура рельса.

Использовалась та же аппаратура, что и в предыдущих экспериментах (п.3.1.).

Одновременно определены коэффициенты, учитывающие влияние О м/с на тпр (указанные на соответствующих графиках).

Результаты сравнивались с данными, полученными при той же температуре при безветрии.

Снижение прогрева элементов СП и, как следствие, увеличение времени прогрева и при подвижности воздуха одновременно имеет место и из-за утечек тепла с наружных поверхностей рамного рельса, остряка, выдувания тепла через шпальные ящики.

В связи с этим был произведен замер температур нагрева элементов СП в положении «свод» (остряк примкнут к рамному рельсу) и «развод» (замерялась температура только рамного рельса, как наиболее прогреваемого и близкого к рациональному варианту ЭО СП).

Сравнение двух положений показало, что в первом случае («свод») ТЭН, находясь в замкнутом пространстве, отдает количества тепла несравненно больше, чем в случае «развод». Эпюра прогревания рамного рельса (элемент-донор) для обоих случаев приведена на рис. 3.19.

Было отмечено начало таяния загрязнителя при отрицательной температуре рамного рельса (- 2°С), что происходило под действием конвективного и лучистого тепла ТЭН.

Опыт свидетельствует о целесообразности создания по возможности закрытого рабочего пространства рабочей зоны СП, изолированного как от воздействия ветра, так и препятствующего утечкам тепла с наружных поверхностей системы СП.

Влияние термоизоляции наружных поверхностей рабочего пространства СП на его прогрев

Теоретические исследования и наблюдения за таянием загрязнителя в рабочей зоне СП показали, что значительная часть тепла расходуется не по назначению, чем снижается к. п. д. электрообогрева, увеличивается время прогрева элементов СП и снижается эффективность ЭО СП.

С целью ликвидации перечисленных негативных явлений был проведен эксперимент по установлению влияния теплоизоляции наружных поверхностей рабочей зоны СП на время прогрева элементов СП.

Наружными поверхностями рабочей зоны СП являются:

• наружная поверхность рамного рельса,
• наружная поверхность остряка,
• шпальные ящики на протяжении стрелки, ограниченные рабочей зоной СП.

В качестве теплоизоляторов были использованы: на рамном рельсе и остряке — асбестовая крошка на основе масляной краски; шпальные ящики перекрывались листами оцинкованного железа, как показано на рис. 3.20.

Испытания проводились на разработанном экспериментальном стенде в закрытом помещении при полном безветрии при различных температурах окружающей среды. В рабочей зоне СП находился загрязнитель в количестве, соответствующем категории опасности ООЯ.

Результаты испытаний приведены на рис. 3.21, на котором пунктиром указаны зависимости т\ = Г (- X °Свозд ) без применения теплоизоляции.

Аналогичные по характеру кривые были получены и для других температур окружающей среды, что позволило количественно оценить влияние теплоизоляции рабочего пространства СП на прогрев его элементов.

ки = 0,65 — 0,70 ¿Г = 0,60 — 0,65 ки = 0,65

чем увеличить к. п. д. общей теплопередачи в среднем на 30%. ( ки = 0,65 )

Рис. 3.20 Исследование влияния термоизоляции на прогрев элементов СП

Рис. 3.21 Влияние термоизоляции на прогрев стрелочного перевода

Выводы

• На специально изготовленном из натурных элементов стрелочного перевода стенде проведены экспериментальные исследования с целью установления качественных и количественных зависимостей времени прогрева элементов стрелочного перевода от воздействующих факторов. В такой же пропорции сократилось и время таяния загрязнителя.
• Разработано условие рациональности конструкции устройств электрообогрева стрелочных переводов.
• Определены пути повышения теплопередачи в системе ЭОСП

• Проведена обработка результатов экспериментальных исследований.
• Получено математическое выражение для определения времени прогрева элементов стрелочного перевода в зависимости от температуры окружающей среды.
• Установлено, что главный показатель конструкции ЭОСП — скорость его прогрева, являющаяся основным параметром технической характеристики ЭОСП — ОТФК (обобщенный термофизический коэффициент)
• Исследовано влияние подвижности воздуха на время прогрева стрелочного перевода при разных температурах окружающей среды.
• Исследовано влияние термоизоляции рабочего пространства СП на его прогрев.
• Выведена зависимость времени прогрева стрелочного перевода от влияния окружающей среды и условий теплопередачи, которая может быть положена в основу системы автоматического регулирования электрообог- реваемым стрелочным переводом.

Выводы и предложения, полученные при экспериментальных исследованиях, были проверены при натурных испытаниях.