автореферат диссертации по транспорту, 05.22.01, диссертация на тему:Управление газодинамическими и теплообменными процессами в пневматических системах подвижного состава для интенсификации влагоосаждения с помощью жалюзийных сепараторов

1 .СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1 Анализ теоретических разработок в области течения сжатого газа в цилиндрических трубах.

1.2 Анализ методов подготовки сжатого воздуха.

1.3 Механические способы сепарации влаги из потока сжатого воздуха.

1.4 Конструктивные решения механического способа сепарации влаги.

1.5 Способ интенсификации процесса осаждения влаги методом звуковой коагуляции (укрупнения) аэрозольных частиц.

1.6 Применение антифризов для понижения температуры точки росы.

1.7 Применение адсорбционного способа осушки.

1.7.1 Зарубежные адсорбционные установки.

1.7.2 Отечественные адсорбционные установки сжатого воздуха.

1.8 Обоснование выбора механического способа осушки.

1.9 Обоснование численности экспертов.

1.10 Обработка данных анкет.

Выводы по главе 1.

2.МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ТРУБЕ.

2.1 Основные уравнения движения и граничные условия.

2.2 Установившееся изотермическое течение газа в цилиндрической трубе. чц 2.3 Решение уравнений нулевого приближения.

2.4 Решение уравнений первого приближения.

2.5 Изотермическое нестационарное движение газа в круглой трубе.

2.6 Неизотермическое установившееся течение вязкого газа в цилиндрической трубе.

2.7 Решение уравнений первого приближения.

2.8 Неустановившееся неизотермическое течение вязкого газа в цилиндрической трубе.J.;.

Выводы по главе 2.

3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ЖАЛЮЗИЙНЫХ СЕПАРАТОРОВ НА ОСНОВЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ТЕПЛОПРОВОДЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ.

3.1 Аналитическое выражение для определения поля температур в пневмосистемах локомотивов в функции величины теплопроводящей поверхности.

3.2 Теоретические исследования температурного режима пневмосистем локомотивов для полых главных резервуаров.

З.ЗОпределение необходимой величины дополнительной поверхности охлаждения в пневмосистемах локомотивов.

3.4 Разработка конструкций жалюзийных сепараторов.j.

3.5 Усовершенствование конструкции змеевика и режимов его продувки в рамках создания технологии механической осушки сжатого воздуха.i.Ill

З.бТеоретические исследования температурного режима пневмосистемы локомотива с жалюзийными сепараторами.

3.7Теоретические исследования температурного режима пневмосистемы локомотива ВЛ80К. Определение необходимой поверхности охлаждения.

Выводы по главе 3.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ И ВЛАГООСАЖДАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПНЕВМОСИСТЕМ ЛОКОМОТИВОВ.

4.1 Лабораторная база и методика проведения исследований.

4.2 Комплекс измерительной и регистрирующей аппаратуры.

4.3 Методика обработай результатов испытаний.

4.4 Исследование теплового режима работы напорной и питательной магистралей с различными конструкциями главных резервуаров.

4.4.1 Расчет доверительной оценки измерений.

4.4.2 Исследование способности полых главных резервуаров и с жалюзийными сепараторами к охлаждению сжатого воздуха.

4.5 Определение координат начальной точки конденсации для схем локомотива ДЭ1.

4.6 Исследование способности различных вариантов пневмосистем к влагоотделению.

4.70пределение интегрального процента осаждения влаги различными пневмосистемами локомотива.

Выводы по главе4.:.¡.

5. АНАЛИЗ ЭКОЛОГИЧНОСТИ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЕМОСТИ ПРЕДЛАГАЕМОЙ ТЕХНОЛОГИИ.

5.1 Выбор критериев оценки адсорбционного способа осушки сжатого воздуха.

5.1.1 Характеристика и состав сточных вод сталелитйного производства.

5.1.2 Характеристика и состав выбросов в атмосферу сталелитейного производства.

4 5.2 Оценка материалоемкости предприятий по производству силикагеля.

5.2.1 Характеристика силикагеля, используемого для целей осушки сжатого воздуха на подвижном составе.

5.2.2 Технологическая схема производства силикагеля.

5.2.3 Определение коэффициента использования материалов.

5.2.4 Определение категории опасности предприятия,1 производящего силикагель.

5.3 Определение коэффициента полноты использования энергетических ресурсов.

5.4 Определение коэффициента соответствия экологическим требованиям.

5.4.1 Водные объекты.

5.4.2 Определение коэффициента соответствия производства экологическим требованиям по отношению к водным объектам.

5.4.3 Определение коэффициента соответствия производства экологическим требованиям по отношению к атмосфере.

5.4.4 Определение категории безотходности производства.

5.5 Оценка степени воздействия предприятия на состояние атмосферного воздуха на основе проведения расчетов рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере.

5.6 Исходные данные для расчета.

5.7 Анализ результатов расчета загрязнения атмосферы.

Выводы по главе 5.

Актуальность темы. Современные и перспективные условия работы железнодорожного транспорта связаны с увеличением скоростей движения, а также веса, длины магистрального подвижного состава и уклонов при работе локомотивов в карьерах. Тенденции развития современного железнодорожного транспорта таковы, что организация эффективного и безопасного перевозочного процесса невозможна без надежной работы пневматических систем локомотивов, в практике эксплуатации которых возникают нарушения нормального режима работы, обусловленные наличием водяных паров в сжатом воздухе [1-7]. Их конденсация вызывает интенсивное образование ржавчины в осенне-зимний период, перемерзание магистралей и тормозных приборов, что реально угрожает безопасности движения, приводит к простою локомотивов, материальным ущербам.

В последнее десятилетие в связи с общим ухудшением экономического состояния в отрасли и, как следствие, отсутствием возможности внедрения новых технологий очистки сжатого воздуха, отвечающих критериям эффективности, надежности, экономичности, экологичности, минимизирующим влияние «человеческого фактора» - ошибок персонала, количество случаев отказов пневмооборудования по причине перемерзания увеличилось до критических величин. Так, например, количество отказов пневматического оборудования и перемерзание магистралей тягового подвижного состава только по Северо-Кавказской железной дороге в среднем составляет 390 случаев, по Восточно-Сибирской-510, по ЮжноУральской - 46, по Юго-Восточной - 38 [8, 80, 88, 89, 94, 95]. По ЗападноСибирской железной дороге ежегодные отказы тормозного оборудования по электровозам BJI10 составляют [80, 88, 89, 94, 95, 211]: краны для продувки главных резервуаров - 325; напорная магистраль -111; трубки к манометрам и песочницам - 283;

4 блокировка У сл. №367 - 47; тормозная магистраль -33; тормозные цилиндры - 29; кран машиниста - 30.

Несмотря на многочисленные исследования, проводимые в области разработки технологии осушки сжатого воздуха от влаги, у специалистов нет единого мнения о том, какая технология является более приемлимой на подвижном составе.

Общеизвестно, что в существующих пневматических системах сжатый воздух на выходе из последнего главного резервуара перегрет относительно температуры окружающей среды на 8-10° С в теплонапряженных режимах [5]. Его дальнейше охлаждение и приводит к конденсации влаги. Многочисленными наблюдениями за продуваемым из главных резервуаров воздухом установлено, что сконденсированная влага находится в капельно-дисперсном состоянии (состоянии тумана) [8].

Из сказанного следует, что в пневмосистемах локомотива величина поверхности охлаждения должна быть увеличена [11].

Учитывая современный уровень развития методов расчета газодинамических процессов и вычислительной техники, а также актуальность поднимаемой в работе проблемы, представляется возможным постановка задачи о создании математической модели течения газа в цилиндрической трубе, которая позволит получить зависимость распределения температур по длине магистрали от величины поверхности охлаждения, дать качественную и количественную оценку исследуемых явлений.

Создание такой модели вооружит проектировщиков высокоэффективным инструментом управления качеством сжатого воздуха на этапах проектирования пневмосистем локомотивов подвижного состава.

Следовательно, разработка и внедрение современных технологий осушки сжатого воздуха на основе математического моделирования с учетом законов газодинамики, является актуальными и тесно связаны с проблемой создания современных отечественных локомотивов, что отражено в Постановлении Правительства Российской Федерации от 23.11.1996 года № 1400 О федеральной целевой программе «Разработка и производство подвижного состава нового поколения на предприятиях России (1996-2005 годы)» и «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте».

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание эффективной технологии осушки сжатого воздуха для пневмосистем локомотивов на основе разработанной математической модели течения газа в цилиндрической трубе и создания на ее основе конструкции, обеспечивающей реализацию предлагаемой технологии с обоснованием ее с позиций ресурсосбережения и охраны окружающей среды.

В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи: определить критерии оценки технологии осушки сжатого воздуха на подвижном составе; разработать математическую модель, основанную на описании газодинамических процессов течения сжатого воздуха в цилиндрической трубе, позволяющую рассчитывать температурные режимы пневмосистем подвижного состава в зависимости от величины поверхности охлаждения и на стадии проектирования управлять качеством сжатого воздуха; на основе разработанной теории создать конструкцию главных резервуаров с жалюзийными сепараторами для реализации технологии механической осушки сжатого воздуха; выполнить расчеты по определению температур точки росы, 'Л' координаты начальной точки конденсации и количеству осаждаемой влаги полыми главными резервуарами и с жалюзийными сепараторами для различных температур наружного воздуха и режимов работы компрессора; провести обоснование предлагаемой технологии осушки сжатого воздуха, основанное на принципах ресурсосбережения и экологичности.

Научная новизна. Новизна научных результатов, изложенных в диссертации заключается в следующем:

- создана математическая модель течения газа в цилиндрической трубе применительно к пневмосистемам подвижного состава;

- разработан аналитический метод решения задачи о движении газа в круглой цилиндрической трубе на основе полных нелинейных стационарных уравнений Навье-Стокса;

- решен комплекс задач по определению полей скоростей, давлений и массовых секундных расходов газа через любое сечение цилиндрических труб;

- на основе созданной автором математической модели решена задача по * определению поля температур в функции величины поверхности охлаждения; решение получено в виде инженерной формулы, что позволяет рекомендовать ее для широкого использования при проектировании пневмосистем локомотивов;

- по результатам теоретических разработок создана конструкция жалюзийных сепараторов, выполненная на уровне изобретения;

- в работе доказано преимущество механического способа осушки сжатого воздуха с помощью жалюзийных сепараторов над адсорбционным с позиции ресурсосбережения и охраны окружающей среды;

- универсальность полученной математической модели позволяет реализовать технологию механической осушки сжатого воздуха для любых пневмосистем локомотивов.

Методы исследования и достоверность полученных результатов.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, а также полученных результатов обеспечивается: а) использованием фундаментальных принципов и методов газодинамики и математики; б) достоверность расчетных результатов подтверждена сравнением с данными экспериментальных исследований, приведенными в работе, а также представленными в литературных источниках; в) критическим обсуждением результатов работы с экспертами по локомотивостроению - ведущими специалистами ВНИИЖТа, ВЭлНИИ, ACTO, НПО «ДЭВЗ».

Практическая значимость и внедрение. Полученные в работе результаты имеют практическое значение при решении конкретных задач проектирования пневмосистем современных образцов грузовых, пассажирских, грузо-пассажирских, а также локомотивов карьерного транспорта. Разработанная на основе теоретических расчетов конструкция жалюзийных сепараторов, выполненная на уровне изобретения позволяет надежно защитить приборы и магистрали от перемерзания и имеет положительный опыт 19-летней эксплуатации на локомотивах карьерного и магистрального транспорта России и стран СНГ.

Главные резервуары с жалюзийными сепараторами установлены на магистральных локомотивах ДЭ1, выпускаемых НПО «ДЭВЗ» (Украина), ДСЗ, выпускаемых НПО «ДЭВЗ» (Украина) совместно с фирмой «Сименс» (Германия), локомотивах карьерного транспорта типа ПЭ2М, ОПЭ1А, ОПЭ1Б, ОПЭ1АМ.

В настоящее время в рамках договора между РГУПС и СКЖД № 419 от М' 01.01.2000 года «Повышение влагоосаждающей способности главных резервуаров локомотивов» проводится работа по оборудованию локомотивного парка СКЖД жалюзийными сепараторами.

Проведено сравнение материало- и ресурсоемкости, а также экологичности выбранной технологии с адсорбционной осушкой сжатого воздуха.

По результатам1 некоторых разделов1 работы написаны учебно-методические пособия внедренные в учебный процесс.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на ежегодных международных научно - технических конференциях «Проблемы механики железнодорожного транспорта» (г.Днепропетровск, 1995г.), «Проблемы развития локомотивостроения» (г.Москва, 1996 г.), «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава» (г.Новочеркасск, 1997г., 2000г.), «Проблемы рельсового транспорта» (Крым, 1999г., 2000г., 2001г.), «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 2000г.), «Проблемы экологии на пути к устойчивому развитию регионов» (г.Вологда, 2001г.), «Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса Юга России» (г.Ростов-на-Дону 2001г.), на заседаниях ACTO, НТС НПО «ДЭВЗ» (Украина) и ОАО «Трансмаш» (г. Москва).

Работа доложена и обсуждена на совместном заседании кафедр «В и ВХ», «Л и ЛХ», «ЭПС», «БЖД», «ТЭЖТ» РГУПСа, на докторском совете РГУПСа, на кафедре «Локомотивы» СамИИТа, на заседании автотормозного отделения ВНИИЖТа, на НТС ОАО «Лебединский горнообогатительный комбинат».

Публикации. По теме диссертации имеется 36 публикаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 271 странице основного текста, состоит из введения, пяти глав, заключения и 4 приложений. Список литературы содержит 231 наименование.