Расчет эффективности УФ-стерилизатора модернизированной системы водоснабжения пассажирского вагона

Список литературы

1. Исследование эксплуатационных дефектов фрикционного сопряжения тормозной колодки с колесом вагона [Текст] / Б. М. Асташкевич, С. Г. Иванов и др. // Вестник ВНИИЖТ, 2004. - № 4. - С. 44 - 48.

2. Вуколов, Л. А Сравнительные характеристики тормозных колодок различных поставщиков [Текст] / Л. А Вуколов, В. А. Жаров // Вестник ВНИИЖТ, 2005. - № 2. - С. 16 - 20.

3. Ковалева, И. В. Метод измерения теплопроводности твердых теплоизоляционных материалов на основе интегральной формы уравнения Фурье [Текст]: Автореф. дис ... канд. техн. наук / И. В. Ковалева. М., 2005. - 16 с.

4. Епифанов, Г. И. Физика твердого тела [Текст] / Г. И. Епифанов. - М.: Высшая школа, 1977. - 288 с.

5. Блейкмор, Дж. Физика твердого тела [Текст] / - М.: Мир, 1988. - 608 с.

6. Киттель, Ч. Квантовая теория твердых тел [Текст] / Ч. Киттель. - М.: Наука, 1967. - 492 с.

7. Павлов, П. В. Физика твердого тела [Текст] / П. В. Павлов, А. Ф. Хохлов. - М.: Высшая школа, 2000. - 494 с.

8. Верещагин, И. К. Физика твердого тела [Текст] / И. К. Верещагин, С. М. Кокин, В. А. Ни-китенко. - М.: Высшая школа, 2001. - 237 с.

9. Матвиенко, Ю. Е. Модели и критерии механики разрушений [Текст] / Ю. Е. Матвиенко - М.: Физматлит, 2006. - 328 с.

10. Зуев, В. В. Кристаллоэнергетика как основа оценки свойств твердотельных материалов (включая магнезиальные цементы) [Текст] / В. В. Зуев, Л. Н. Поцелуева, Ю. Д. Еончаров - СПб: Альфапол, 2006. - 139 с.

11. Смольянинов, П. В. Обоснование пути повышения надежности тормозной системы грузовых вагонов [Текст] / П. В. Смольянинов, В. С. Смольянинов, В. А. Четвергов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2012. - №1 (9). - С. 42 - 50.

12. Еалиев, И. И. Безопасность движения грузовых поездов и динамические свойства ходовой части вагона [Текст] / И. И. Еалиев, В. А. Нехаев, В. А. Николаев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2012. - №1 (9). - С. 107 - 112.

13. Шантаренко, С. Е. Технологический аудит как инструмент обеспечения эксплуатационной надежности локомотивов [Текст] / С. Е. Шантаренко, М. Ф. Капустян // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. - №4 (8). - С. 63 - 68.

14. Молчанов, В. В. Новые технологии и оборудование контроля и диагностирования железнодорожной техники [Текст] / В. В. Молчанов, В. Е. Шахов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - №4 (4). - С. 116 - 120.

УДК 629.45.048

О. С. Томилова

РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ УФ-СТЕРИЛИЗАТОРА МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА

В статье приведена классификация основных методов обеззараживания воды, возможных к применению на железнодорожном транспорте, рассмотрены недостатки существующей методики определения эффективности УФ-излучения, предложены и определены с помощью приложения Flow Works программы SolidWorks количественные показатели эффективности на основе элементов статистики: среднеквадратическое отклонение и модальная величина дозы облучения для типового и УФ-стерилизатора с концентрично установленными патрубками модернизированной системы водоснабжения пассажирского вагона.

В настоящее время питьевая вода является одним из дефицитных ресурсов планеты. В нашей стране эта проблема не столь актуальна. Тем не менее ученые приводят различные

аргументы для привлечения общественного внимания и рационального использования пресных водных ресурсов. Ряд экологов требуют вмешательства в решение названной проблемы на мировом уровне.

Качество подготовки питьевой воды на железнодорожном транспорте влияет на состояние пассажиров в пути следования, в том числе на их безопасность. Существующий способ периодической дезинфекции системы водоснабжения с помощью хлорамина, применяемый на железных дорогах Российской Федерации, имеет ряд недостатков [1, 2], в результате которых система может находиться в неудовлетворительном состоянии и может не отвечать санитарнымтребованиям [3].

Классификация основных способов и методов инактивации (обеззараживания) воды, возможных к применению на железнодорожном транспорте, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Классификация основных методов обеззараживания воды, возможных к применению на железнодорожном транспорте

Кроме того, система заправки водой пассажирских вагонов и конструкция самотечной системы холодного водоснабжения подвержены воздействию негативных факторов, способствующих вторичному загрязнению воды [1, 4]. Несмотря на различное конструктивное исполнение принципиальное устройство систем водоснабжения пассажирских вагонов практически одинаково, а их водоналивные системы заправляются от типовых колонок.

Перечисленные выше обстоятельства, особенности и недостатки способов дезинфекции определяют выбор автора статьи в пользу обычного ультрафиолетового (УФ) способа очистки воды, который может быть использован на этапах предварительного (как альтернативного хлорированию, так и совместного) и заключительного обеззараживания питьевой воды [5]. Совместное применение УФ-излучения и хлора повышает санитарную надежность обеззараживания в отношении вирусов.

Источниками УФ-излучения конструктивно могут быть лампы с отражателями или с защитными кварцевыми чехлами. УФ-лампы с отражателями используются в установках с непогруженными источниками излучения. Эти лампы располагаются над свободно текущей водой, т. е. в установках отсутствует непосредственный контакт ламп с водой. УФ-лампы с защитными кварцевыми чехлами применяются в установках с погруженными источниками излучения. Лампы с защитными чехлами располагаются в потоке воды, обтекающей их со всех сторон. Защитные чехлы изготавливаются обычно из кварцевого стекла и предназначены для стабилизации температурного режима ламп. Для обеззараживания питьевой воды чаще применяются установки с погруженными источниками вследствие более высокой эффективности использования УФ-излучения ламп. Оба типа источников присутствуют в предлагаемой автором системе водоснабжения пассажирского вагона [1].

Согласно методическим указаниям [5] контроль за дозой облучения производится путем учета интенсивности бактерицидного излучения в камере обеззараживания, времени пребывания воды в ней и рассчитывается по формуле, мДж/см :

Я = I • г,

где I - минимальная интенсивность бактерицидного излучения, мВт/см ; г - среднее время пребывания воды в камере обеззараживания, с:

г = Б • Ь / 2780>,

где Б - поперечное сечение камеры обеззараживания, см; Ь - длина камеры обеззараживания, см; Q - расход воды, м3/ч;

278 - коэффициент пересчета размерности единиц.

В приведенных формулах (1) и (2) используются приближенные величины, такие как среднее время, и неэкономичные, как минимальная интенсивность, аргументом по использованию которой является отсутствие передозировки. Повышение дозы УФ-излучения не приводит к гигиенически значимым неблагоприятным изменениям свойств воды и образованию побочных продуктов. Доза УФ-облучения должна быть увеличена до значений, обеспечивающих эпидемическую безопасность воды как по бактериям, так и по вирусам [5]. Однако питание УФ-лампы будет осуществляться от аккумуляторов вагона, заряд которых ограничен, как и ресурс УФ-лампы. Рациональное использование мощности УФ-установки обеззараживания воды является ключевой и весьма актуальной задачей [6, 7].

Проблема возникает при детальном рассмотрении траекторий движения элементарных струй. Часть струй пройдет дальше от поверхности лампы, часть - ближе. Очевидно, что в этом случае интенсивность облучения элементарных струй разная. Проникновение УФ-лучей в воду сопровождается их поглощением водой и веществами, находящимися в воде в растворенном или взвешенном состоянии. Согласно закону Бугера - Ламберта - Бера, определяющему ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде, интенсивность облучения, мВт/см2:

I

2

где 1о - интенсивность исходящего пучка, мВт/см ;

I - толщина слоя вещества, через которое проходит свет, мм;

кх - коэффициент поглощения, цифровое выражение которого указывает долю бактерицидного излучения, поглощенного слоем воды толщиной 10 мм:

кх = 4лк /

где к - безразмерный показатель поглощения, X - длина волны (220 - 280), нм.

Коэффициенты поглощения к природной воды поверхностных источников водоснабжения колеблются в пределах от 0,2 до 0,6; коэффициенты поглощения питьевой воды, полученной из подземных источников водоснабжения, имеют значения 0,05 - 0,2, из поверхностных - 0,15 - 0,3 [5].

Для внутренней полости УФ-лампы интенсивность облучения воды I в зависимости от расстояния I до ее поверхности в пределах 60 мм изображена на рисунке 2 для различных коэффициентов поглощения с начальной степенью ^ = 5 мВт/см .

Вследствие турбулентности струи перемешиваются, следовательно, необходимо отследить весь путь движения элементарной ,-й струи, разделив его на элементарные отрезки по времени г, с получением элементарных доз В(г), определяемых по формуле (1) с учетом (3) и

(4). Таким образом, доза облучения элементарной струи воды за период времени Т будет оп-

2

ределяться формулой, мДж/см :

Т т С 4пк-1, \

= 1(г,) =1

г =0 г.=0

10 •г, •г я

V

Выбор дозы УФ-облучения определяют характером и качеством воды, поступающей для

2

обеззараживания: не менее 16 мДж/см для воды из подземных источников I класса и питьевых вод; не менее 25 мДж/см для воды из подземных источников II, III класса и поверхностных источников; не менее 30 мДж/см для бытовых и городских сточных вод; не менее

2

40 мДж/см для любого типа вод при неблагоприятной эпидемической ситуации [5].

мВт/см2

^ ki = 0,0 )5

k2 = 0,2

^ кз = 0,6 ----.

10

20

30

40

мм

60

l

Рисунок 2 - Интенсивность облучения воды в зависимости от расстояния до поверхности УФ-лампы

Эффективность работы УФ-установок подтверждается результатами бактериологического анализа проб воды после облучения, однако необходимо оценивать ее на этапе проектирования и иметь количественные критерии оценки для сравнения различных вариантов.

Предлагаемая методика определения эффективности УФ-стерилизаторов основана на элементах статистики. Доза облучения, как физическая величина, подверженная влиянию значительного числа независимых факторов, на что указывалось выше, способных вносить положительные и отрицательные отклонения, может быть с определенной степенью точности описана в соответствии с одним из статистических законов распределения. В качестве критерия эффективности УФ-стерилизатора можно использовать следующие количественные показатели:

среднеквадратическое отклонение (СКО) дозы облучения элементарных струй с(Д): чем меньше СКО, тем эффективнее устройство;

моду (модальное значение), как наивероятнейшую величину, облучения Mo(D): чем выше модальное значение, тем эффективнее устройство.

Плотность распределения дозы облучения элементарных струй воды P(D), составляющих поток и описываемых нормальным (Гауссовым) законом распределения, для двух УФ-стерилизаторов показана на рисунке 3. Величина математического ожидания M(D) в данном случае равна модальной. Очевидно, что стерилизатор с дозой облучения D2 эффективнее.

При определении дозы облучения возникает сложность расчета траекторий движения элементарных струй, выбора и учета их количества, точности расчета, выбора шага итерации и другого классическими способами.

Решение проблемы автору работы видится в применении уже давно распространенного приложения COSMOS Flo Works автоматизированного комплекса SolidWorks [8]. Данная разработка базируется на последних достижениях вычислительной газо- и гидродинамики, которая позволяет рассчитать параметры широкого круга различий течений несжимаемых и сжимаемых сред: двумерные и трехмерные, ламинарные, турбулентные и переходные, стационарные и нестационарные, в том числе двухфазные течения с учетом шероховатости стенок, с теплообменом между текучей средой и твердым телом. В основе математических мо-делей COSMOS FloWorks лежат уравнения Навье - Стокса, описывающие в нестационарной

6

0

постановке законы сохранения массы, импульса и энергии этой среды. Этими уравнениями моделируются турбулентные, ламинарные и переходные течения.

В статье [9] рассмотрен метод моделирования процессов протекания жидкости в УФ-стерилизаторах для установившегося режима при помощи приложения Flow Works программы SolidWorks, позволяющий рассчитать динамические характеристики потока воды (давление, скорость, температуру и др.) в модернизированной системе водоснабжения пассажирского вагона, оснащенной УФ-стерилизатором.

т)

50

30

20

10

°Фп) > ъШ; M2

M1

Oi

10

18

M2

26

мДж/см2

Dl

.III

42

Рисунок 3 - Плотность распределения облучения элементарных потоков воды

На рисунках 4 - 6 приведены результаты расчета траекторий (x-, y-, z-координаты) 100 элементарных потоков в типовом стерилизаторе с центральными патрубками (а) и модернизированном (б) - с концентричными соответственно. Последний, разработанный в Омском государственном университете путей сообщения, интегрирован в модернизированную систему водоснабжения пассажирского вагона и подробно описан в работе [1], а также защищен патентом на полезную модель [10]. Конструкция модернизированного УФ-стерилизатора устроена таким образом, что каждая проходящая единица объема воды получает одинаковую дозу УФ-облучения, а следовательно, является более энергоемкой и эффективной, что соответствует требованиям указаний [5] по применению в конструкции установок специальных «выравнивающих» устройств.

м 0,02 0,01 0

-0,01 -0,02

0,5 1 1,5 t -г

м 0,02 0,01 0

-0,01 Z -0,02 -0,03 -0,04

II

II

0,5 1 1,5 t -

С 2,5

Рисунок 4 - z-координаты продольного перемещения 100 элементарных потоков в типовом и модернизированном стерилизаторах

0

0,04

Z

-0,04

0

2,5

0

Рисунок 5 - х-координаты поперечного перемещения 100 элементарных потоков в типовом и модернизированном стерилизаторах

У -0,1

¡Шщп

№

ш Ш Ш

Ф ф

)

1 1,5

г -1

0,3

0,1

У

0

0,5

1,5

2,5

0,5

2,5

Рисунок 6 - у-координаты поперечного перемещения 100 элементарных потоков в типовом и модернизированном стерилизаторах

Зная координаты точек элементарного /-го потока (ху;,), где координаты г, являются продольной составляющей перемещения, х, и у, - поперечной, в момент времени г,, которые сохраняются в файле с расширением «х1б» в виде таблицы, можно рассчитать расстояние ^ до поверхности УФ-лампы (рисунок 7) известного диаметра Л с геометрическим центром оси (хо'уо) при параллельном расположении оси г-координат и оси стерилизатора:

а затем рассчитать интенсивность и дозу облучения соответственно по формуле:

т

А = 1

г, = 0

10 ••е

я

У

х

Рисунок 7 - Схема определения расстояния до поверхности УФ-лампы при поперечном сечении

№ 3(11) 2012

На рисунках 8 и 9 приведены графики плотности распределения дозы элементарных струй для типового УФ-стерилизатора и предлагаемого с концентрично установленными патрубками.

Сравнительный анализ результатов расчета эффективности УФ-стерилизаторов позволяет сделать следующие выводы:

1) модальная величина облучения струй у стерилизатора с концентрично установленными патрубками на 33,1 % выше величины типового - 29 мДж/см против 21;

2) среднеквадратическое отклонение (СКО) облучения элементарных струй у типового стерилизатора в 3,7 раза превосходит величину СКО стерилизатора с концентрично установленными патрубками - 56 мДж/см против 15;

3) нижняя граница зоны А облучения потоков на рисунке 8 у типового стерилизатора значительно ниже - 1,47 мДж/см против 20 и не обеспечивает требуемой дозы облучения не менее 16 мДж/см ;

4) в типовом стерилизаторе присутствуют «переоблученные» струи (зона В), получившие намного большую дозу, чем остальные, что является неэкономичным фактором;

5) кроме того, в типовом стерилизаторе присутствуют струи с чрезмерным облучением (зона С), физически многократно проходящие вдоль УФ-лампы и снижающие полезный объем внутреннего пространства, выталкивая или сокращая путь остальных.

Последнее замечание требует особого внимания при высоком напоре воды, например, как в вихревых трубах, в модернизированном стерилизаторе с концентрично установленными патрубками наблюдается обратное течение вдоль УФ-лампы за счет значительного уменьшения радиального перепада давления. Это явление также приводит к сокращению полезного объема УФ-стерилизатора и «недооблучению» внешних слоев воды, что визуально наблюдалось автором статьи при расчете траекторий потоков для сравнительно невысоких скоростей и требует выполнения предварительной аналитической проверки при известном диапазоне рабочего напора воды.

25

Р

15

10

1,47

Потоки с высокой "вероятностью инфицирования

Мв1

28,6

55,

а 1:(Ргг): :=; 56:: мДж/см2; >;

Мо,(Р/]) = ' 21 мДж/см2; 7;1ач.ВД = 293.2 : К; Рнач.=: : 3,03 : МПа;: х:;:;:;:;:;:;

и = 18 мм; Н = 500 мм

ПОТОКИ : х^х^х с: «переоблучением»; : (неэкономично): :

.....-'Ш^...........

с ;

ПОТОКИ •хсчрезмерным ; облучением (снижение::хх облучения : других потоков) :

ш.

1

83,10

110,30

мДж/см

164,72

Р,

Рисунок 8 - Плотность распределения дозы элементарных потоков в типовом УФ-стерилизаторе

5

0

Mü2

12

10

15 мДж/см Mo2(Di2) = 29 мДж/см2 THa,.#20 = 293.2 К; ^нач.= 3,03 МПа; d = 18 мм; H = 500 мм

P(D) 6

46,89

Рисунок 9 - Плотность распределения дозы элементарных потоков в УФ-стерилизаторе с концентрично установленными патрубками

Предлагаемая методика аналитической оценки эффективности УФ-стерилизаторов пригодна для устройств, используемых не только на железнодорожном транспорте, но и в других отраслях, где применяются проточные стерилизаторы, а также может быть адаптирована для конструкций с непогруженными источниками УФ-излучения. Универсальность методики является ее несомненным преимуществом. При сравнительных расчетах малые значения модального значения укажут на необходимость увеличения мощности УФ-лампы, СКО дозы облучения - совершенствования конструкции стерилизатора.

Список литературы

1. Матяш, Ю. И. Устройство для обеззараживания воды в пассажирских поездах дальнего следования [Текст] / Ю. И. Матяш, О. С. Томилова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 4. - С. 23 - 27.

2. Матяш, Ю. И. Применение ультрафиолетовых стерилизаторов для обеззараживания воды в пассажирских поездах дальнего следования [Текст] / Ю. И. Матяш, О. С. Томилова // Инновации для транспорта / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - Ч. 2. -С. 176 - 180.

3. Санитарно-эпидемиологические правила СП 2.5.1198-03. Санитарные правила по организации пассажирских перевозок на железнодорожном транспорте [Текст]. Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава России. - М., - 2003. - С. 63.

4 Матяш, Ю. И. Устройства по предотвращению появления вторичного загрязнения питьевой воды в пассажирских вагонах дальнего следования [Текст] / Ю. И. Матяш, О. С. Томилова // Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - С. 115 - 122.

5. Методические указания 2.1.4.719-98. Санитарный надзор за применением ультрафиолетового излучения в технологии подготовки питьевой воды [Текст]. Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава России. - М., 1998. - С. 7.

6. Никифоров, М. М. Целевые показатели энергосбережения и повышения энергетиче-

№ 3(11) 2012

8

4

2

0

ской эффективности системы тягового электроснабжения и электропотребления на нетяговые нужды / М. М. Никифоров // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск. - 2010. - № 3. - С. 110 - 116.

7. Черемисин, В. Т. Основные направления реализации федерального закона № 261-ФЗ от 23.11.09 «Об энергосбережении...» в холдинге «Российские железные дороги» [Текст] / В. Т. Черемисин, М. М. Никифоров // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 2. - С. 119 - 123.

8. Маслов, Г. П. Аэродинамические показатели токоприемников скоростного электрического подвижного состава [Текст] / Г. П. Маслов, М. А. Дятлова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 1. - С. 20 - 25.

9. Матяш, Ю. И. Моделирование процессов протекания жидкости в ультрафиолетовом стерилизаторе модернизированной системы водоснабжения пассажирского вагона [Текст] / Ю. И. Матяш, О. С. Томилова, В. В. Томилов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 2. - С. 16 - 21.

10. Пат. РФ на полезную модель № 88327, МКИ В 61 D 35/00. Устройство для обработки воды ультрафиолетовым излучением [Текст] / Ю. И. Матяш, О. С. Мотовилова. -№ 2009127016/22; Заявлено 14.07.2009; Опубл. 10.11.2009 // Открытия. Изобретения. - 2009. -№ 31. - 4 с.

УДК 625.143.3:624.024

В. В. Шилер

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВ И ГЕОМЕТРИИ ИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КАТАНИЯ

Представлен анализ состояния геометрических параметров рельсовой колеи и внутренних напряжений металларелъсов. Предложены новые методы их измерения с повышенной точностью. Приведенырезулътаты измерения напряженного состояния рельсов после рельсошлифования. Выявлены серьезные недостатки в технологии шлифовки рельсов и контроля еерезультатов.

Как известно, при равномерном износе рельсы эксплуатируются в течение достаточно длительного времени, неравномерный износ приводит к быстрому выходу рельсов из строя. Согласно статистическим данным поездная нагрузка (по пропуску тоннажа), выдерживаемая рельсом в течение срока его службы до снятия с пути, варьируется от 100 млн до 2,5 млрд т брутто. Причинами такого широкого диапазона (25-кратный) ресурса рельсов, как правило, является неудовлетворительная динамика системы «подвижной состав - пути». Анализ показывает, что максимальные величины динамических добавок давления колеса на рельс, возникающие при движении подвижного состава, на 90 - 99 % создаются за счет волнообразного износа рельсов; за счет групповых неровностей на колесе - 1 - 4 %, от изолированных неровностей на колесе - 0,2 ^ 1,5 % [2]. Волнообразный износ на отдельных участках поражает до 50 % рельсов от общей протяженности рельсовых путей. По своей форме волнообразный износ разделяют на два характерных вида: короткие волны - от 0,03 до 0,08 м, отличающиеся наличием светлых горбов в чередовании с темными впадинами (рифли), и длинные неровности с волнами длиной от 0,2 до 2 м [1].

Целью представленной работы является определение уровня напряженного состояния рельса и поиск путей его снижения.

В ОмГУПСе разработан и изготовлен путеизмерительный комплекс, предназначенный для одновременной и с повышенной точностью регистрации восьми геометрических параметров рельсовой колеи [3]. Результаты измерений, полученные с помощью путеизмерительного комплекса, преобразованы в абсолютные значения координат поверхностей катания