Исследование процесса очистки стрелочных переводов способом электрообогрева

Физико-теплотехнические свойства загрязнителя

Снег, лед и град являются хорошо знакомыми явлениями природы, тем не менее существует большое количество не решенных вопросов и исследование льда представляет большой интерес не только для стрелочного хозяйства вообще, но и для науки.

Лед используется как с пользой, так и представляет часто определенную опасность.

Связанные со льдом инженерные работы в основном сводятся к его разрушению.

Развитию транспорта железнодорожного, авиационного, водного, автомобильного, их бесперебойной и безопасной работе снег и лед существенно мешают.

Кристаллы обыкновенного льда относятся к гексагональной системе и существует несколько моделей кристалла льда. Одна из последних моделей, построенной из тетраэдров, т. е. элементарных ячеек льда, представлена на рис. 2.1на котором изображена двухзвенная модель кристалла льда. Основания тетраэдров совмещены с плоскостью чертежа; вершины нечетных тетраэдров ( 1, 3, 5 ) выступают вперед, четных же ( 2, 4 ) — назад, за плоскость чертежа.

Последняя классификация льда, предложенная Н. С. Песчанниковым [ 17 ], делит льды на 8 классов. К первому классу отнесены: снег, иней, гололед, т. е. именно то, с чем сталкиваются эксплуатационники рельсового транспорта.

Основными формами атмосферного льда являются снег и иней, имеющие ярко выраженную скелетную форму. Частицы льда образуются в облаках вследствие сублимации паров воды или кристаллизации переохлажденных капель. Образование такого льда происходит из-за наличия в атмосфере ядер кристаллизации или зародышей льда.

Рост частиц льда происходит путем слияния отдельных кристаллов льда в облаках, так: снежинка диаметром 1 мм увеличит свой размер в 10 раз в течение 1200 с при условии, что в облаке содержится 1 г/смЗ водяного пара, плотность снежинок 100 кг/мЗ, разность скоростей падения снежинок и отдельного водяного кристалла равна 1 м/с.

Размеры кристаллов зависят от температуры и при I = -20° С мелкие частицы в крупные не объединяются.

К атмосферному льду относятся град и гололед, хотя и не имеющие выраженной кристаллической формы.

Град — предельный случай образования частиц льда в облаках. Рис. 2.1 Модель кристалла льда (данные В. Я. Альтберга)

В нормальных условиях при слиянии переохлажденных водяных капель в процессе их падения сквозь облако образуются градины, размер которых доходит до 50 мм в диаметре. Нетрудно представить какую опасность представляет такой загрязнитель для рельсовых пересечений.

Основные характеристики загрязнителя приведены на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Характеристика загрязнителя.

Удельная теплота плавления, ( Ьпл ). Определяется как изменение энтальпии при обратном изотермическом превращении единичной массы льда в воду. При постоянном давлении изменение энтальпии равно количеству тепла, сообщенному системе извне. Ьпл чистого льда при 0 °С и стандартном атмосферном давлении равна 333,5 кДж/кг. Это значение совпадает с удельной теплотой кристаллизации пресной воды.

Ьпл уменьшается с понижением температуры (см. табл. 2.1. ):

Теплоемкость. В практических расчетах используется удельная теплоемкость льда С — количество тепла, необходимое для повышения температуры на 1° К единицы массы льда. Теплоемкость льда уменьшается с повышение температуры.

Удельная теплоемкость пресного льда при нормальном давлении определяется по эмпирической формуле:

С = 2,12 +0,0078 Т, Дж/°К,

где Т — температура, °С.

Удельная теплоемкость (С) жидких и твердых тел при нагревании практически не изменяется.

При таянии льда, появившаяся вода проникает в пустоты, вызывая таяние на межкристаллических границах. В толщу льда проникает вода и становится возможным конвективное движение воды, способствующее ускорению таяния.

Тепловой баланс. Для определения теплового баланса поверхности в настоящее время используются непосредственные измерения отдельных потоков энергии между воздухом и поверхностью льда или снега [ 3 ].

Наибольшее значение имеют четыре потока энергии:

• поток тепла, проходящий через ледяной покров за счет теплопроводности льда — С)к, т. е. общее количество тепла, получаемое поверхностью льда.
• конвективный поток в воздухе —
• радиационный поток — Ск,
• передача тепла при перемещении массы — (^е ( испарение или конденсация влаги и сублимация или возгонка льда ).

Потоки и можно измерять непосредственно с точностью до 10% и выше:

С)к — тепловым флюксометром; ф — болометром.

С)к и (> определяются косвенным способом по данным температурных и ветровых профилей, используемых в микрометеорологии.

Что же представляют из себя теплоэлектронагреватели, используемые для таяния льда? Какова природа воздействия теплоты, выделяемой ТЭН, на объем загрязнителя в рабочем пространстве СП? Как сократить время прогрева элементов СП и, тем самым, повысить эффективность процесса очистки стрелочного перевода от снега с помощью теплоэлектронагревателей?

Показатели качества теплоэлектронагревателей

Очистка стрелочного перевода от загрязнителя методом электрообогрева осуществляется с помощью теплоэлектронагревателей ( ТЭНов ).

Соответствие ТЭНов своему назначению определяется следующими параметрами:

• Надежностью конструкции.
• Удобством эксплуатации и монтажа.
• Быстродействием и связанными с ним энергетическими затратами.

Надежность конструкции

Надежность ТЭНов определяет эффективность этих устройств, т. е. степень пригодности для использования по назначению, способность сохранять в установленных пределах свои эксплуатационные показатели в течение требуемого промежутка времени ( наработки ).

Наработка — величина, принятая для измерения продолжительности или объема работы изделия, выраженная в часах.

Наработка, обусловленная изготовителем, определяет гарантийную наработку.

Срок гарантии представляет собой календарную продолжительность эксплуатации устройств до предельного состояния, оговоренного в технической документации.

ТЭНы, как изделия работающие в экстремальных условиях (низкие температуры, повышенная влажность, вибрация и т. д. ) должны обладать весьма жесткими показателями надежности, а именно:

• безотказностью, обеспечивающую безопасность движения поездов;
• долговечностью в пределах гарантийного срока;
• ремонтопригодностью, определяющую приспособленность к предупреждению, обнаружению и устранению неисправностей;
• сохраняемостью, предусматривающую работоспособность изделия после его хранения и транспортировки.

Основной причиной потери работоспособности ТЭНов является нарушение изоляции. (Рис. 2. 3 ).

При разработке типовых материалов для проектирования «Устройства электрообогрева стрелочных переводов» в соответствии с рекомендациями ВНИИЖТ МПС применяются следующие типы электронагревательных элементов:

• ТЭН-240В 13/1 Р220, ТЭН-240В 13/1 П220 с мощностью 1 кВт для Юга, Запада и Центра ETC;
• ТЭН-240Д 13/1,6 С 220 с мощностью 1,6 кВт для Центра и Севера ETC, Урала и Сибири;
• ТЭН-335 Г 16/3,15 С 220 с мощностью 3,15 кВт для крестовины 1/18 во всех климатических зонах.
• ЭСП-200 мощностью 200 Вт для Юга и Запада ETC;
• ЭСП-300 мощностью 300 Вт для Севера ETC, Урала и Сибири
• ЭСП-200, ЭСП-300 для Центра ETC.

Электронагреватели ЭСП-300 устанавливаются в зоне остряка стрелочного перевода.

Меньшая установочная мощность электронагревателей типа ЭСП обусловлена более эффективной теплоотдачей по сравнению с трубчатыми нагревателями типа ТЭН.

Технические характеристики применяемых электронагревательных элементов приведены в табл. 2.2. Сечение ТЭН представлено на рис. 2.3.

Данные по применению нагревателей для электрообогрева стрелочных переводов в зависимости от типа стрелки и климатической зоны приведены в табл. 2.3.

Для электрообогрева стрелочных переводов применяются и другие типы электронагревателей, по согласованию с МПС.

Рис. 2.3. Сечение ТЭН

Как следует из приведенной технической характеристики применяемых электронагревательных элементов, в ней указывается тип электронагревателя, или рельса и климатическая зона использования. В свою очередь, электронагреватели характеризуются мощностью и количеством на СП, при этом не указывается ни место их крепления, ни их возможности, ни время прогрева элементов СП. В разных климатических зонах в различное время могут быть одинаковые воздействия окружающей среды (температуры и подвижности воздуха), не требующие варьирования мощности электронагревателей. Увеличение мощности снижает, как показывает опыт, надежность ТЭН и увеличивает опасность использования электронагревателей.

В МГУПСе разработаны кабельные модульные нагреватели (КМН ) для стрелочных переводов [ 44 ]. Это устройство не требует какой либо новой сис- темы энергопитания. Стрелочные переводы оборудуются модулями нескольких типов.

Модуль — планшет из листовой стали с вложенным в него греющим кабелем. Отверстия в модулях служат для улучшения конвективного обогрева пространства между остряком и рамным рельсом. На стрелочный перевод монтируют от 20 до 24 таких модулей двумя группами по 10-12 штук с каждой стороны. Элементы стрелочного перевода нагреваются до максимальной температуры через 40-50 минут, в то время как серийные трубчатые ТЭНы на это затрачивают до 1,5 -2 часов. Используется ток напряжением 220В. Система обогрева не мешает работе СЦБ, поскольку для питания применяются отдельные трансформаторы.

При этом необходимо выполнение таких условий как:

1. стрелочный перевод должен быть в исправном техническом состоянии;
2. не изношены ребордчатые подстрелочные подкладки;
3. обеспечена надежная система водоотвода;
4. отсутствие загрязнителя перевода и др. подготовительно- наладочных мероприятий ( питание, монтаж, сборка нагревателей и т. д. ).

В систему входит стандартный шкаф с общепромышленным комплектующим и защитным оборудованием и трансформатором мощностью 40кВт из расчета 10-12кВт на один стрелочный перевод. Используется силовой кабель марки

АВВГ от 3×10+1 до 3×75+1.

На Октябрьской железной дороге в последнее время используются ТЭ- Ны производства ОАО «ТЭН» г. Великие Луки Псковской области. Для стрелочных переводов типа Р65 1/9 и 1/11 применяются нагреватели длиной 4,2 и 3,2м, мощностью 2,0 и 1,8 кВт соответственно. Для стрелочных переводов типа Р50 1/9 и 1/11 применяются нагреватели длиной 3,2м и мощностью 1,6 кВт.

Конструкция ТЭНов производства ОАО «ТЭН» включает в себя корпус плоскоовального сечения 8-0,5 х 12-0,5 мм, внутри которого расположены спираль нагревателя, обратный медный провод и электроизоляционный материал периклаз. Спираль, обратный провод и периклаз омоноличены между стенками корпуса после провальцовки ТЭНа. Конструкция нагревателей ОАО «ТЭН» рассчитана на тепловую работу электронагревателя в контакте с подошвой рамного рельса, т. е. в среде металл—воздух. Длительное включение ТЭНа на воздухе без требуемой теплоотдачи ведет к температурному разрушению герметизирующих элементов ( синтетического клея), поэтому включение этих нагревателей на воздухе при напряжении 220В допустимо не свыше 10 минут.

Перед установкой электронагревателей на стрелочный перевод, ТЭНы проходят проверку на их технологическую пригодность, которая включает в себя визуальный осмотр с целью обнаружения возможных механических повреждений (допущенных при транспортировке или хранении ), измерение сопротивления изоляции в холодном и горячем состояниях. Измерение сопротивления изоляции ТЭНа в холодном состоянии осуществляется мегометром типа М1001, сопротивление между корпусом электронагревателя и жилой кабеля при этом должно быть не менее 50 МОм.

Измерение сопротивления электроизоляции в горячем состоянии производится тем же мегометром сразу после 3-х минутного включения ТЭНа в воздушной среде без теплоотвода при номинальном напряжении 220В. Сопротивление при этом между корпусом электронагревателя и жилой кабеля должно быть не меньше 1,0 МОм. Целостность спирали накаливания оперативно может быть проверено мегометром путем измерения сопротивления между двумя жилами питания спирали накаливания.

В Приложении 7 к Инструкции от 25.04.2000 г. №ЦП-751, пункт 13 указано: «Техническая характеристика системы ЭО СП типов Р50, Р65, 1/9, 1/11:

Рабочее напряжение, В 230

• Погонная мощность ТЭН, кВт/пог. м 0,5-0,7
• Температура нагрева ТЭН в контакте с
• подошвой рамного рельса, °С 80-100
• Длина ТЭН, м 3,0-4,0
• Поперечное сечение ТЭН, мм 8×12

Установочная мощность ЭО на стрелку, кВт:

• Центр России 6-8
• Север и Сибирь 8,5-10,4

Значительный разброс данных указывает на недостаточную изученность как возможностей ТЭН, так и места их установки.

Работа по дальнейшему совершенствованию ТЭНов продолжается в направлении повышения надежности, увеличения площади контакта и повышения температуры в контакте с обогреваемыми элементами СП.

Удобство эксплуатации и монтажа ТЭНов

Эксплуатация ТЭНов — целенаправленное и полное использование их свойств по назначению, главным из которых является уровень теплоотдачи системе СП.

Критерием эффективности эксплуатации ТЭНов принимается показатель конечного результата функционирования, выраженный отношением количества преобразованного в воду загрязнителя в единицу времени, либо числом, равным отношению фактического количества преобразованного загрязнителя ( воды) к теоретически возможному при оптимальном использовании тепла, выделяемого ТЭНом.

Таким образом, оптимальная эксплуатация ТЭНов есть полное использование их тепловой энергии С), которое зависит как от параметров и конструкции ТЭНов, так и от места установки их на элементах стрелочного перевода (рамного рельса, подошвы).

По целому ряду управляемых и неуправляемых факторов тепло, выделяемое ТЭНом непосредственно на таяние загрязнителя С)т, колеблется и может принять значение в интервале 0 < С>т < т. е. ТЭН, в зависимости от места его установки, может иметь различную степень эффективности эксплуатации.

Применяются следующие способы крепления ТЭНов к стрелочному перводу рис. 2.4.:

• Наружное к рамному рельсу, рекомендуемое «Типовыми материалами для проектирования 501 — 09 — 35.88, ГТСС»
• Внутреннее к рамному рельсу, используемое на практике, как наиболее удобное при выполнении монтажно-демонтажных работ.

В обоих приведенных случаях тепло от ТЭНа передается объему загрязнителя ЛУ между рамным рельсом и остряком по схеме: ТЭН — рамный

Рис. 2 А Размещение, крепление, теплоизоляция ТЭНа на СП рельс — башмак — подушка остряка — остряк.

Положение остряка может быть двоякое: примкнутое к рамному рельсу и разомкнутое, в связи с чем и объем загрязнителя может быть минимальным \¥тт И максимальным А^тах.

В случае ‘^Утт, тем не менее, тепло С?т распределяется почти равномерно как в единой массе прогреваемого тела.

В случае ‘^Утах имеет место недостаточный прогрев остряка, как наиболее удаленной массы, а отсюда и неэффективное использование нагревательного элемента. Одновременно налицо большие потери тепла по пути его следования, а при определенной отрицательной температуре — отсутствие эффекта таяния снега.

Поведение загрязнителя на разных сторонах СП показано на рис. 2.5.

Наиболее предпочтительным был бы вариант крепления ТЭНов в месте равноудаленном от прогреваемых масс. Таким местом могла бы быть опора остряка или башмак, что в свою очередь, потребовало бы некоторой конструктивной доработки элементов стрелочного перевода.

ТЭНы в зависимости от их конфигурации и расположения на стрелке подразделяются на три вида: прямые длинные, размещаемые на подошве рамного рельса ( рис. 2.6.а); изогнутые длинные, огибающие стрелочные подушки ( рис. 2.6.6 ); изогнутые короткие для индивидуального обогрева стрелочных подушек ( рис.2.6.в ).

Исследованиями и испытаниями установлено, что наиболее перспективна конструкция с прямыми длинными ТЭНами. При использовании этих ТЭНов возможно обеспечить их плотный контакт с металлическими элементами стрелочного перевода ( подошвой рамного рельса, торцами подушек ), что гарантирует качественный обогрев стрелки. Схема подводки кабеля при этом варианте проста и не занимает много шпальных ящиков, что не препятствует производству путевых работ.

Изогнутые длинные ТЭНы нуждаются в дополнительном гнутье при монтаже на стрелке, поскольку эпюра стрелок имеет значительное поле допуска. При этом в корпусе ТЭНов образуются микро-трещены и они выходят из строя.

Рис. 2.5 Поведение загрязнителя на разных сторонах СП

Рис. 2.6 Расположение ТЭНов на СП

Не обеспечивается также плотный контакт нагревателей по всей их длине со стрелкой. Изогнутые короткие ТЭНы также не имеют плотного контакта со стрелочными подушками, что ведет к значительному уменьшению их к. п. д. Замечено, что они нагревают подушку интенсивнее, чем прямые длинные ТЭНы при равной мощности. Происходит также обледенение и за- снеживание распределительных коробок, расположенных с внешней стороны вдоль рамного рельса. Эту необогреваемую зону приходится очищать вручную. Рамный рельс они нагревают неудовлетворительно. Такая арматура мешает производству путевых работ.

Крепление трубчатых электронагревателей ( ТЭНов ) на стрелочных переводах и крестовинах включает в себя следующие составные части:

• Элементы крепления и теплоизоляции ТЭНов.
• Элементы защиты электропроводки от ТЭНов до путевого ящика.

К элементам крепления и теплоизоляции относятся экраны, которые устанавливаются в пространстве между упорками.

В стрелках экран при помощи пружинного зажима, закрепленного на подошве рельса, прижимает ТЭН к рельсу. Экран служит также для защиты ТЭНов от механических повреждений.

Температура нагрева фиксируется термодатчиком ТСН-75-01, устанавливаемым на одном из стрелочных переводов в группе стрелок, управляемых из одного шкафа ШУЭС. Конструкция крепления датчиков для любых типов стрелок аналогична.

Произведена оценка времени прогрева рамного рельса.

В качестве геометрической модели первого уровня было использовано тонкое сечение рельса.

В расчетах с использованием системы МАТЬАВ смоделирован следующий эксперимент: в рамном рельсе в точках (рис. 2.6.2 ), расположенных на расстоянии 10 мм друг от друга, фиксируются значения температуры через равные промежутки времени (Ат = 30с). В результате расчета по двум вариантам условий однозначности^(граничным и начальным) были получены результаты, приведенные на рис. Они показали, что снижение уровня теплоотдачи в окружающую среду дает возможность уменьшения времени прогрева рамного рельса.

Рис. 2.6.1 Зависимость времени прогрева рамного рельса от уровня теплоотдачи.

Рис. 2.6.2. Оценка времени прогрева рамного рельса

Быстродействие и связанные с ним энергетические затраты

Быстродействие устройств электрообогрева стрелочных переводов следует рассматривать как время т, затраченное на очистку стрелочного перевода от загрязнителя, обеспечивающего, в свою очередь, готовность к бесперебойному пропуску поездов. При этом, чем скорее устройства электрообогрева стрелок освободят перевод от снега и льда, тем эффективнее примененное устройство: т —» min

Пример рационального размещения ТЭН на СП приведен на рис. 2.7. Пример наиболее распространенного размещения ТЭН — на рис.2.8. Достижение поставленной цели существенно зависит от технической характеристики и, прежде всего, мощности ТЭНов NkBt(la, Vb ).

В литературе приводятся также понятия как: применяемая погонная мощность ТЭНа в кВт ч; осредненная погонная мощность ТЭНа в кВт ч; рекомендуемая мощность на стрелку в кВт ч; количество выделяемого тепла ( или потребляемой энергии) на 1 пог. м. полустрелки ( рамный рельс с остряком ) в квт ч на 1 пог. м. В [Н ] в числе показателей технической характеристики указана «температура нагрева ТЭНов в контакте с подошвой рамного рельса, °С», при этом не указывается ни температура воздуха, ни его подвижность ( ветер ), ни наличие осадков и других важных факторов, влияющих на процесс ликвидации загрязнителя.

Деление на климатические зоны ( Запад, Юг, Центр, Север, Урал, Сибирь ) и, как следствие, выбор характеристики устройств ЭО представляется не совсем убедительным обоснованием для выбора тех или иных ТЭНов.

Оптимальным случаем, очевидно, можно считать тот, при котором все тепло Qt, выделяемое ТЭНом, полностью идет на преобразование загрязнителя объемом Wcm³ в воду.Если бы ТЭН располагался внутри загрязнителя ( в его эпицентре), потери тепла были бы минимальными (Qt = [Q3 ]).

Рис. 2.7 Пример рационального размещения ТЭН на СП

Практически, в силу известных причин, ТЭНы располагаются не рационально, что вызывает неизбежные потери тепла на пути ТЭН — загрязни

тель, в несколько раз увеличивая время очистки стрелочного перевода, снижая эффективность электрообогрева ( кэф ), ( т существенно увеличивая энергозатраты (Ы* т).

Компенсация же потерь увеличением мощности ТЭНов положение только усугубляет ( снижает надежность ТЭНов, усложняет и увеличивает номенклатуру оборудования, увеличивает энергозатраты и др.) Следовательно, одним из важнейших условий эффективного использования электрообогрева стрелочных переводов, при определенной мощности ТЭН, является отыскание наиболее выгодного места размещения устройств ЭО ( ТЭНов ) с целью снижения тепловых потерь ( £ ) и, тем самым, достижение минимальных затрат времени на очистку стрелочного перевода т и, как следствие, минимизация энергетических затрат.

Оз =[ОгК , где [ С)т ] — тепло, выделяемое ТЭНом, С)з — тепло, необходимое для преобразования объема загрязнителя в воду, коэффициент тепловых потерь от источника до загрязнителя. (£, = … £0

Вопрос выбора рационального размещения устройств электрообогрева на стрелочном переводе требует своего решения.

При совершенствовании тепловых устройств необходимо уделять внимание следующим вопросам:

• Надежности работы нагревательных элементов.
• Размещению ТЭНов в положении, при котором имеют место минимальные потери тепла, идущие не по назначению (£).
• В технической характеристике ТЭНов необходимо указывать площадь контакта с прогреваемой поверхностью и максимальную температуру нагрева в зависимости от I °С окружающей среды.
• Теплоизоляции для повышения теплопередачи и обеспечению более надежной работы устройств.
• Дистанционному управлению и контролю при любых метеорологических условиях.
• Регулированию температуры нагрева элементов стрелки в пределах оптимальных режимов.
• Автоматическому включению нагревательных устройств при неблагоприятных условиях и их выключению.
• Защите рельсовых цепей автоблокировки и автоматической локомотивной сигнализации от влияния обогревательных устройств.
• Защите устройств от блуждающих токов, особенно на электрифицированных линиях.

Сделанные выводы о свойствах загрязнителя и возможностях ТЭНов положены в основу создания расчетной схемы исследования.

Модель функционирования системы «загрязнитель — устройство электрообогрева — стрелочный перевод»

Расчетная схема ЭО СП учитывает рассмотренные физико-теплотехнические свойства загрязнителя, технические характеристики теплоэлектрона- гревателей, а также научные и практические рекомендации исследований поставленной задачи.

Будем считать, что рациональным местом размещения ТЭН в системе СП является то, в котором все элементы СП (рамный рельс, башмак, остряк) нагреваются до одинаковой температуры t°Ссп за одно и то же равное время теп. В этом случае, достигнув О °С и одновременно пройдя зону разогрева, ЭО СП переходит в зону таяния и полной очистки от загрязнителя.

Тр = Тб — То = Теп —> Topt

Предположительно характер нагрева в этом случае будет таким, как показано на рис. 2.9. пунктиром.

В реальных условиях элементы СП прогреваются не одинаково и предположительно так, как показано на рис. 2.9. сплошными линиями.

Рис. 2.9 Предполагаемая модель разогрева элементов СП

До включения ЭО температура элементов СП (г °Сэ) и ТЭН (г °Стэн) равна температуре окружающей среды (1 °Свозд).

X °Сэ ⁼ I °Ср ⁼ I °Сб ⁼ I °Со ⁼ I °Стэн = I °Свозд

При включении ЭО СП нагревается прежде всего ТЭН (источник тепла). В зависимости от I °Свозд нагрев имеет различную характеристику. В инструкции по снешборьбе [11] указан такой параметр ТЭНа как «температура нагрева в контакте с подошвой рамного рельса, °С (80-100)». Было бы полезным при этом указать температуру воздуха (1 °Свозд) и, главное — площадь контакта Б через которую и происходит передача тепла системе СП. Очевидно, чем больше Б, тем эффективнее теплопередача от ТЭНа к элементу- донору (в данном случае — рамный рельс). Из этих соображений можно сделать вывод, что обязательным параметром ТЭНа, указываемого в технической характеристики, должна быть максимальная поверхность контакта ТЭН — место крепления его к элементу-донору.

Кроме того, в технической характеристике заводов-изготовителей должна указываться зависимость температуры максимального нагрева ТЭНа от температуры воздуха.

Особое внимание должно уделяться месту крепления и способу крепления ТЭН к элементу-донору, от которых зависит теплопроводность и нагрев элемента. Неплотное крепление ТЭНа к элементу-донору увеличивает термическое сопротивление настолько, что при определенных условиях, теплопередачи может не быть вовсе. В этом случае прогрев рабочего пространства СП, ограниченного рамным рельсом, башмаком и остряком, будет осуществляться лучистым и конвективным теплом ТЭНа, что, в свою очередь, потребует теплоизоляции рабочего пространства СП с целью сохранения тепла.

Следовательно, во всех случаях в технической характеристике ТЭН должна быть указана максимальная температура нагрева при различных температурах окружающей среды, устанавливающая возможности теплоотдачи

ТЭН в определенных температурных условиях.

Зависимость температуры нагрева ТЭНа от ^С возд приведена на рис.2.10

При определенной низкой температуре окружающей среды максимальный нагрев ТЭНа будет настолько мал, что говорить о теплопередаче элементам стрелочного перевода вряд ли будет уместно.

В данном случае под сомнение ставится и само использование принципа электрообогрева, т. е. можно утверждать, что применение электрообогрева стрелочных переводов имеет свои границы.

Дальнейшее увеличение температуры системы ( рельс — башмак — остряк ) сопровождается таянием загрязнителя объемом W в интервале времени тпр (время прогрева) + тт ( время таяния ).

Достигнув температуры [ I °Ссм ], являющейся ограничением по смазке, электрообогрев стрелочных переводов автоматически должен отключаться и переходить на более экономичный режим работы, при котором процесс таяния может продолжаться.

Кроме выравнивания температуры разогрева элементов стрелочного перевода, резервом повышения эффективности электрообогрева является снижение потерь тепла, уходящего в атмосферу и окружающую среду, рис.

ТЭН, прогревая систему рамный рельс — башмак — остряк, независимо от места расположения, часть теплоты расходует не по назначению, чем снижает эффективность использования электрообогрева стрелочного перевода.

Загрязнитель, попавший между шпалами на балласт, не имеет контакта с нагретыми элементами системы и не тает. Кроме того, через открытые участки нижней поверхности в рассматриваемый объем проникает ветер, выдувающий конвективное тепло.

Очевидно, было бы целесообразным по возможности полностью закрыть нижнюю грань объема рефлекторами-отражателями, оставив промежутки для стока воды. Эти конструкции обеспечивали бы максимальное использование тепла, находящегося в объеме рельс — нижняя грань — остряк.

Проследим процесс теплопередачи от источника тепла (ТЭНа) к элементам стрелочного перевода рис. 2.11

.

Рис. 2.10 Зависимость температуры ТЭН от температуры окружающей среды

Тепло ТЭНа передается элементу, на котором он крепится (чаще всего — рамный рельс). Далее, преодолев термическое сопротивление Лк, тепло передается башмаку, от которого через сопротивление масляного контакта переходит к остряку.

Теплота к элементам стрелочного перевода от ТЭНа передается теплопроводностью, конвекцией и излучением, т. е. всеми видами теплопередачи.

Теплопроводность — передача теплоты за счет переноса энергии микрочастицами со скоростями пропорциональными их температуре (С)т).

Конвекция — передача теплоты вместе с микроскопическими объемами вещества (С*к).

Конвективная теплоотдача — передача теплоты от поверхности к поверхности.

Излучение — передача теплоты фотонами, излучаемыми и поглощаемыми участвующими в теплообмене телами.(С)и).

Система, получив теплоту от ТЭНа распространяет ее: в атмосферу с наружных поверхностей ( синий цвет на рис. 2.12.) и во внутрь с внутренних поверхностей, включая часть поверхности ТЭНа ( красный цвет на рис. 2.12).

При определенных условиях, система, прогретая до заданной положительной температуры, создает тепловой ореол, при вхождении в который снег тает, а образовавшиеся капли воды, достигнув металла, испаряются. Стрелочный перевод в таких случаях «парит», обеспечивая готовность к функционированию, используя конвективное тепло электрообогрева (эффект «парения»).

Эффект «парения» выгодно, очевидно, использовать при слабых метелях, наметании и легком снегопаде.

Таким образом, тепло, выделяемое ТЭНом лишь частично идет на ликвидацию загрязнителя (очистку СП от снега и наледи), большая же его часть рассеивается в атмосфере, идет не по назначению.

Рис. 2.12 Теплопередача в системе СП

Последнее выражение позволяет сделать вывод, что для достижения чистоты СП (Мен -> 0) в кратчайшее время (т —» min) целесообразно в рабочем пространстве создать такие условия, чтобы снег таял уже на подходе к нему (назначение ЭО СП), что может быть обеспечено рациональным подбором мощности ТЭНов и их размещением в системе СП, а также ликвидацией потерь тепла в окружающую среду. При этом ЭО СП должен работать, учитывая переменный характер всех параметров без исключения, в разных режимах функционирования:

( -t°Свозд + О °С ) режим разогрева

( + О °С + 4 °С ) режим таяния

Установление количества теплоты, при котором имеет место описанное условие, обеспечит оптимальную готовность СП к функционированию (х -» min).

Какой вид теплопередачи преобладает, создавая в рабочей зоне СП условия для ликвидации загрязнителя?

Процесс переноса теплоты возникает под действием разности температур и устремляется в направлении уменьшения температуры.

Путь теплопередачи следующий: ТЭН — термическое сопротивление контакта — элемент-донор — термическое сопротивление контакта — башмак — сопротивление масляной пленки в контакте — остряк.

Количественными характеристиками теплопередачи являются:

1. Плотность теплового потока, т. е. количество теплоты, передаваемой в единицу времени через единичную площадь поверхности

( q, Вт/м² );

2. Мощность теплового потока ( Q, Вт )

Q = q* F , Вт

где F — поверхность, через которую передается тепло, м²

3. Коэффициент теплопроводности X, характеризующий способность данного материала проводить тепло.

Для углеродистых сталей А,ст = 50 Вт/ (м °К ), для воды Хъ = 0,6 Вт/ (м °К ). Наименьшей теплопроводностью обладают пористые материалы ( пробка, вата ), у которых Хлор < 0,25 Вт/ (м °К ).

Отношение A, F / 8 представляет собой тепловую проводимость стенки толщиной 8.

Обратная величина 8 / À, F представляет собой термическое сопротивление стенки ( Ra, ).

Проведя некоторые преобразования, имеем

Q = ( tci —tca )/Ra. где tci и tc2 — температура стенки через 8.

Термическое сопротивление многослойной стенки равно сумме термических сопротивлений отдельных слоев:

Ra = ERw = £ Si/F Ai

tel — te (n+1) tel — te (n+1)

или: Q = iRxi IS/FAi

Контакт между отдельными слоями стенки получается не однородный, т. к. твердые тела касаются друг друга только вершинами профилей шероховатостей.

Площадь контакта весьма мала и весь тепловой поток идет через воздушный зазор, что создает контактное термическое сопротивление Rk. Оно оценивается приблизительно.

Так, при контакте двух пластин с шероховатостью поверхности Rz = =12,5 мкм

Rk = S/A, « 0,5-10 м² °К/Вт, что эквивалентно термическому сопротивлению слоя стали толщиной 30 мм.

Для уменьшенияRk зазоры заполняются материалом высокой теплопроводности ( пайка, склеивание ).

Для уменьшения потерь тепла некоторые поверхности нагреваемых тел приходится теплоизолировать, покрывая их стенки слоем материала с малой теплопроводностью ( X < 0,2 Вт/ ( м °К ) — теплоизоляторами.

Термическое сопротивление создает воздух, а пористая основа только препятствует естественной конвекции воздуха и переносу теплоты излучением.

Увеличение температуры одновременно увеличивает X теплоизоляции из-за увеличения теплопроводности воздуха и усиления теплоизлучения.

Теплопроводность также сильно увеличивается при увлажнении тепло- изоляторов, т. к. теплопроводность воды на порядок выше воздуха.

Теплофизические свойства теплоносителей и теплоизоляторов зависят от температур, которые часто не известны. Поэтому расчеты проводятся методом последовательных приближений.

Для увеличения теплопередачи, согласно приведенной выше формулы, нужно либо увеличить перепад температур tel — tc2, либо уменьшить термическое сопротивление теплопередачи Ri.

Прежде чем выбрать метод воздействия на процесс теплопередачи, необходимо установить значения отдельных составляющих в суммарной величине Rx.

Приведенные коэффициенты берутся из справочников, либо вычисляются с проведением предварительных экспериментов.

Коэффициент теплоотдачи зависит от многих параметров: теплофизи- ческих параметров, геометрических размеров, параметров среды и др. Обычно его расчет проводится с помощью метода анализа размерностей и теории подобия.

И, тем не менее, аналитическое решение оказывается не всегда верным. Вывод необходимой для данных условий эмпирической зависимости производится на основании результатов экспериментов и подбора вида функции.

В этом случае не будет полной уверенности в сходимости с реальным законом, но для интервалов параметров, в которых проведен эксперимент, вполне допустима. [ 3 ]

Коэффициент теплопроводности веществ является функцией большого числа параметров и точное определение расчетным путем установить очень сложно. В подавляющем случае эти значения определяются экспериментально, что, в свою очередь, является достаточно сложной процедурой.

Погрешность при определении теплопроводности в твердых телах составляет несколько процентов, а в ряде методов достигает 10 — 20% и более.

Большое число полученных теоретических и эмпирических формул для определения теплопроводности содержит ряд допущений или выражены через сложные теоретические функции и могут найти практическое применение лишь в определенных случаях ввиду своего несовершенства или отсутствия данных по содержащимся в них параметрам.

Для определения времени прогрева металла до заданной температуры можно воспользоваться наиболее простым и распространенным методом, предусматривающим, что удельное термическое сопротивление теплоотдачи 1/а от греющей среды к рассматриваемому телу больше удельного термического сопротивления теплоотдачи от поверхности к середине 5А,, или, что а < Х/Ь, где 5 — половина толщины греемого тела или половина наибольшего линейного размера.

В этом случае считается, что в каждый момент времени температура X внутри такого тела выравнивается вследствие активного переноса тепла путем теплопроводности, т. е. I °С = Г ( т ), где т — время переноса теплоты.

Т. е. избыточная температура О тела со временем изменяется по экспоненциальному закону от начальной температуры Оо при т = 0 до 0 при т = оо, и тем быстрее , чем больше значение имеет термофизический комплекс (ТФК)

Время прогрева элементов СП подчиняется экспоненциальному закону и установлено может быть только для конкретной конструкции системы электрообогрева, используемой в определенных климатических условиях.

Выводы

1. Проанализированы физико-теплотехнические свойства загрязнителя:

• интенсивное разрушение ледяных кристаллов происходит в интервале температур 0 < I °С < 4
• Наименьшей смерзаемостью обладает лед с полистеролом (2,2 кг/см ). Для сравнения, сила смерзания льда с железом равна 20 кг/см².

• Рассмотрены потоки энергии, на основании чего составлено уравнение теп лового баланса.
• Установлены параметры, характеризующие показатели качества тепло- электронагреватетей: надежность, удобство эксплуатации и монтажа, быстродействие, энергозатраты.
• Разработана модель функционирования системы «загрязнитель — устройство электрообогрева — стрелочный перевод».
• Рассмотрен процесс теплопередачи в элементах стрелочного перевода и выделены мероприятия, позволяющие повысить ее коэффициент полезного действия.
• Составлено уравнение, характеризующее использование электрообогрева по условию энергосберегающей технологии.
• Предложены мероприятия по уменьшению потерь с нагреваемых поверхностей.
• Проанализирован теплообмен между элементами СП методом теплопроводности, теплоизлучения и конвекции.
• Выведена формула для установления времени прогрева СП в зависимости от условий внешней среды.
• Установлен обобщенный термофизический коэффициент (ОТФК), характеризующий свойства загрязнителя, возможности источника тепла (ТЭН), место установки ТЭН и условий теплопередачи, к. п. д. системы и др. факторов.
• Время прогрева элементов стрелочного перевода подчиняется экспоненциальному закону и может быть установлено только для конкретной конструкции системы электрообогрева, используемой в определенных климатических условиях.

Учет факторов и рекомендаций по повышению эффективности электрообогрева стрелочных переводов требует проведения экспериментальных исследований.

Список Литературы

• Баскаков А. П. Теплотехника. М.: Энергоатомиздат, 1991.
• Инструкция по снегоборьбе на железных дорогах Российской Федерации. М.:Транспорт, 2000, 96с.
• Лавров В. В. Деформация и прочность льда. Л.: Гидрометеоиздат, 1969.
• Спиридонов Э. С., Харитонов Ю. В., Хубаева В. В. Модуль для обогрева // Путь и путевое хозяйство. — 1990 — №2 — с. 23.