Анализ потери теплоты от охлаждения паровоза

Современные технологии - транспорту

203

1. Повышение надёжности вспомогательных АД электропоезда связано с нормализацией схемы их питания от однофазной тяговой сети. Частотный пуск и работа асинхронного электродвигателя привода компрессора при питании от стабилизированного по звену постоянного напряжения статического преобразователя соответствует наилучшим условиям функционирования этого агрегата.

2. Для питания вспомогательных АД электропоезда требуется разработка статического преобразователя частоты со стабилизированным звеном постоянного напряжения.

Библиографический список

1. Разработка статической вентильной системы питания вспомогательных цепей : научно-технический отчет № 75043805 по теме 603 / В. В. Колесников, Е. А Крутяков, Б. А. Трифонов. - Л. : ЛИИЖТ, 1976. - 109 с.

2. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации. -МПС РФ, 2002. - 190 с.

3. Вспомогательные машины электровозов переменного тока / О. А. Некрасов, А. М. Рутштейн. - М. : Транспорт, 1988. - 223 с.

4. Технический анализ порч, неисправностей и неплановых ремонтов электропоездов за 2005 год / ОАО РЖД. - М., 2006. - 32 с.

5. Конденсаторные двигатели / Г. Б. Меркин. - М. ; Л. : Энергия, 1966. - 186 с.

6. Программа анализа нелинейных радиоэлектронных схем на ЕС ЭВМ / Н. Н. Удалов, В. Д. Разевиг. - М. : Изд. МЭИ, 1981. - 77 с.

7. Трёхфазный асинхронный двигатель в схеме однофазного включения с конденсатором / Н. Д. Торопцев. - М. : Энергоатомиздат, 1988. - 95 с.

Статья поступила в редакцию 07.05.2009;

представлена к публикации членом редколлегии А. И. Хожаиновым.

УДК 629.422

А. А. Тимофеев, О. К. Балахонов

АНАЛИЗ ПОТЕРИ ТЕПЛОТЫ ОТ ОХЛАЖДЕНИЯ ПАРОВОЗА

Проведен анализ потери теплоты от охлаждения паровоза, выделены составляющие этой потери. Впервые произведено тепловизионное обследование паровоза и показано распределение теплоты по его наружным поверхностям. Данная работа является первым шагом к использованию современных приборов диагностики на паровозах.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

паровоз, потери теплоты, альтернативные двигатели, КПД.

Введение

В наше время медленно, но стабильно растёт интерес к некогда забытым видам локомотивов, таким как паровозы, газотурбовозы, локомотивы-аккумуляторы (тепловые) и др. Этот интерес обусловлен быстрым истощением запасов жидкого органического топлива, служащего в данный момент основным видом топлива в мире.

У каждого локомотива есть свои достоинства и недостатки, при этом каждый удобен и выгоден в определенном, конкретном месте работы. Оценку локомотива следует производить не по одному, а по нескольким критериям, учитывая не только КПД, но и затраты на топливо, электроэнергию, обслуживание, ремонт и др. При таком подходе паровоз выглядит как весьма рентабельный локомотив, потребляющий любое дешевое топливо, а также горючие отходы предприятий (включая мусор), которые требуют утилизации. В наше время паровозы следует рассматривать с современной точки зрения, а именно как альтернативные локомотивы.

Удаляясь на значительные расстояния от крупных населенных пунктов, паровозы способны рассеивать вредные выбросы лучше, чем точечные городские мусоросжигательные заводы, которые практически невозможно построить во всех промышленных центрах, имеющих промышленные и бытовые отходы, с учетом того обстоятельства, что на данный момент в России построено всего три мусороперерабатывающих завода - два в Москве и один в Санкт-Петербурге. При наличии на линии нескольких паровозов, а на станциях - мусорных бункеров - возможно сжигание любых, даже самых незначительных объемов горючих отходов, которые на данный момент стремительно возрастают, увеличивая количество и объем свалок, расположенных у населенных пунктов, а иногда и в их черте. Сжигание паровозами мусора за пределами населенных пунктов не будет оказывать такого пагубного влияния на человека, как процессы гниения, протекающие рядом с ним.

Основным недостатком паровозов является их низкий КПД (6...8,5%) из-за больших потерь теплоты [1]. Они складываются из потерь по котлу, потерь по паровой машине (составляют более 50% от располагаемого количества теплоты, выделяемой при полном сгорании топлива) и служебных потерь, которые обычно суммируют с потерями по котлу. Суммарные потери по котлу, полученные в разные годы, представлены в таблице 1.

Суммарные потери по котлу в свою очередь складываются из потерь в топке дт, потерь с уходящими газами qyx, потерь на собственные нужды

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

205

котла дсл (служебных потерь) и потерь на внешнее охлаждение котла qox. Эти слагаемые потери состоят из более мелких составляющих, принципиально отличающихся друг от друга и требующих рассмотрения по отдельности, кроме потери на внешнее охлаждение котла qox, которая выглядит цельно и обычно рассматривается как единая потеря, так как является суммарной потерей всех участков охлаждаемых поверхностей и не имеет принципиальных различий своих составляющих. При использовании на паровозах достаточно крупных котлов, при повышении давления, а следовательно и температуры, эта потеря становится весьма ощутимой, особенно в зимнее время. Она зависит в основном от качества теплоизоляции (обмуровки), плотности теплового потока, а также от компактности котла (площади наружных поверхностей) и в среднем составляет 1...3% от располагаемого количества теплоты, выделяемой при полном сгорании топлива.

ТАБЛИЦА 1. Суммарные потери теплоты по котлу паровоза

Автор Год издания Суммарные потери теплоты по котлу, %

С. П. Сыромятников 1934 43,2

Г. П. Васильев 1937 31

М. И. Прозоровский 1946 31

Р. Джонсон (под ред. А. А. Чиркова) 1947 34,1-34,6

Энциклопедический справочник «Машиностроение», том 13 1949 36

С. П. Сыромятников 1955 34

А. В. Хмелевский, П. И. Смушков 1979 25-50

Н. К. Прозоров, М. Б. Вигдорчик, Э. К. Гребенкин 1986 33-34

1 Слагаемые общей потери теплоты от охлаждения паровоза

Общая (суммарная) потеря теплоты от охлаждения паровоза представляет собой сумму потерь от охлаждения всех поверхностей паровоза, температура которых выше температуры наружного воздуха.

Надо особо отметить, что отсутствие четко выделенных составляющих этой потери приводит к неясности при прочтении экспериментальных и расчетных данных, полученных в разные годы, учитывая, что одни авторы имели в виду потери по котлу, а другие -потери по всему паровозу. При этом непонятно, какие составляющие (паровая машина, арматура и др.) автор включил в суммарную потерю теплоты от охлаждения, а какие - нет, а также какие серии паровозов брались для рассмотрения данной потери и в каком состоянии (срок и

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

условия эксплуатации) находилась теплоизоляция на момент замера. Этим объясняется расхождение результатов, представленных в таблице 2.

Для исключения ошибок, связанных с количеством составляющих в общей потере теплоты от охлаждения, предлагается разложить ее на части, соответствующие классическому разделению паровоза.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту 2 0 7

ТАБЛИЦА 2. Суммарные потери теплоты от охлаждения паровоза

Автор Год издания Суммарная потеря теплоты от охлаждения, %

Г. П. Васильев 1937 2

М. И. Прозоровский 1946 2

Р. Джонсон (под ред. А. А. Чиркова) 1947 2,8-3,3

Энциклопедический справочник «Машиностроение», том 13 1949 1

П. А. Скепский 1953 1,0-1,5

С. П. Сыромятников 1955 1,5

Н. К. Прозоров, М. Б. Вигдорчик, Э. К. Гребенкин 1986 1,5

Любой паровоз П (рис. 1) разделяют на котёл 1, паровую машину 2 и экипажную часть 3 плюс тендер Т (если он есть).

Рис. 1. Основные составляющие потери теплоты на охлаждение паровоза:

П - паровоз; Т - тендер; 1 - котел; 2 - паровая машина; 3 - экипаж (рама);

4 - огневая коробка (топка); 5 - цилиндрическая (трубчатая) часть; 6 - дымовая коробка; потери от охлаждения: q - топки, q - цилиндрической части,

q

ох3

дымовой коробки, q

ох4

паровых машин, q - топливного бака

В соответствии с таким делением основными охлаждаемыми поверхностями являются:

котёл (теплопередача через плоские и цилиндрические стенки);

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

гарнитура и арматура котла, включая горячие трубопроводы; оборудование, размещённое на котле и площадках; паровая машина (нагревается неравномерно по времени из-за периодичности поступления пара, причём нагрев сменяется охлаждением от конденсата в цилиндрах, подводящих каналах и др.);

экипажная часть (нагрев от контактных поверхностей котла, паровой машины, трубопроводов и пр.);

топливные баки (при мазутно-нефтяном отоплении).

Котел разделяют на три части: огневую коробку (топку) 4,

цилиндрическую (трубчатую) часть 5 и дымовую коробку 6 (рис. 1). Укрупняя предыдущее деление, можно выделить основные составляющие потери теплоты на охлаждение паровоза:

Чощ, Чох2, Чохъ - три части котла с гарнитурой, арматурой и оборудованием, расположенным на них;

q - паровые машины со своими трубопроводами (паровпускные и

паровыпускные трубы);

q - топливные баки и трубопроводы прогрева и обогрева и другое

оборудование, расположенное не на котле.

Таким образом, потеря теплоты от охлаждения котла

q

4 ох.

+ Чох, + Чо

3

Вся потеря теплоты от охлаждения паровоза, которую следует учитывать,

Ч

ox

=а +а +а

1 ох 1 ох4 1 ох5

Данное деление обусловлено принципиальными отличиями выделенных составляющих: различным расчетом ( чох , Чох2, ЧОХз), наличием

периодичности ( чох ), различием по отоплению ( чох )•

2 Распределение теплоты по наружным поверхностям паровоза

Конечным пунктом рассеяния теплоты является окружающая среда. На паровозе теплота достигает окружающей среды различными путями. Передача теплоты котлу осуществляется одновременно лучеиспусканием, теплопроводностью и конвекцией. В топке передача теплоты от слоя топлива и газов к поверхностям нагрева происходит преимущественно лучеиспусканием, а в цилиндрической (трубчатой) части котла -конвекцией. Топка производит 40-60% пара от всей

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

209

2

паропроизводительности котла. В среднем 1 м поверхности нагрева топки воспринимает и предает воде и пару теплоты в 10-12 раз больше, чем трубчатая часть [2].

Две потери теплоты первыми достигают окружающей среды - потеря в топке дт и потеря с уходящими газами дух. Третья потеря будет дох.

Для того чтобы понять, какая охлаждаемая поверхность больше влияет на дох, нужно знать не только геометрические характеристики

поверхностей (площадь, кривизну, расположение в пространстве), но и распределение теплоты по этим поверхностям.

2.1 Основные факторы, влияющие на qox

Распределение теплоты по наружным поверхностям паровоза, оборудования и внешней арматуры происходит весьма причудливым образом и зависит от множества внешних и конструктивных факторов, таких как обдув паровоза во время движения и при ветреной погоде, работа на разных режимах или стоянка, т. е. различная форсировка котла в комбинации с работой того или иного оборудования, и т. п. Будут оказывать влияние погодные условия (дождь, снег, температура наружного воздуха), а также конструкция котла и паровой машины, наличие внешних трубопроводов, их протяженность, общая компоновка паровоза и др.

Основным фактором, существенно влияющим на температуру наружной поверхности, является качество теплоизоляции. Для учета качественной стороны коэффициента теплопроводности теплоизоляции аи., можно использовать нормированные поправочные коэффициенты К}, учитывающие техническое состояние теплоизоляционного материала [3]:

ТАБЛИЦА 3. Значения поправок К} к коэффициентам теплопроводности теплоизоляционных материалов в зависимости от их технического состояния

Техническое состояние теплоизоляционной конструкции, условия эксплуатации

Незначительное разрушение покровного и основного слоев изоляционной конструкции 1,3-1,5

Уплотнение изоляции сверху и обвисание снизу 1,6-1,8

Частичное разрушение теплоизоляционной конструкции, уплотнение основного слоя изоляции на 30-50% 1,7-2,1

Уплотнение основного слоя изоляции на 70% 3,5

Незначительное увлажнение изоляции 10-15% 1,4-1,6

Увлажнение изоляции 20-30% 1,9-2,6

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

Сильное увлажнение изоляции 40-60% 3,0-4,5

По расположению запасов воды и топлива, а также вспомогательных устройств паровозы можно разделить на паровозы с тендером и без тендера (танк-паровозы). Паровозы с другой компоновкой (типа «Г аррат», «Ферли» и т. п.) в данный момент отсутствуют в отечественном парке паровозов (включая музейные экземпляры). Понятно, что распределение теплоты по поверхностям паровозов, отличающихся по компоновке, будет различным.

2.2 Современные методы получения термограмм

Охлаждаемые поверхности паровоза нагреваются на разных участках по-разному, и для получения достоверной картины потерь теплоты от охлаждения паровоза недостаточно знать температуру нескольких точек. Требуется построить изотермы и выяснить площади изотермических поверхностей. Только так можно определить реальные потери от охлаждения и выявить проблемные зоны, требующие дополнительной теплоизоляции. Раньше подобные исследования представляли собой сложный, трудоемкий, дорогостоящий и длительный процесс. Применяя современные приборы, можно быстро и с большой степенью точности получить изображение изотермических поверхностей, найти максимальные и минимальные температуры того или другого участка, а также определить проблемные зоны.

Наиболее полную и достоверную картину распределения теплоты по наружным поверхностям паровоза можно получить, проведя его тепловизионное обследование.

Тепловизионное обследование является одним из передовых направлений неразрушающей диагностики объектов в инфракрасной области спектра с длиной волны 8-14 мкм. Основным прибором служит тепловизор, с помощью которого получают тепловое изображение наружной поверхности объекта (термограмму) и наблюдают динамику тепловых процессов.

Размеры участков определяют, используя геометрические масштабы термограмм.

3 Результаты тепловизионного обследования паровозов

Обследование паровозов с помощью тепловизора проводится в нашей стране впервые. Описание подобных исследований и их результатов или факта проведения таких работ в отечественной и зарубежной технической литературе и периодической печати отсутствует.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту 2 1 1

Когда паровозы эксплуатировались в больших количествах, являясь основным видом локомотива на сети железных дорог всех стран, тепловизоров еще не существовало. Когда эти приборы появились, то действующие (горячие) паровозы стали редкостью, кроме того, проведение теплотехнических испытаний и обследований сопряжено с другими трудностями.

3.1 Условия проведения тепловизионного обследования паровоза

Тепловизионное обследование производят в режиме теплопередачи при отсутствии атмосферных осадков, тумана, задымленности. Обследуемые тепловизором поверхности не должны находиться в зоне прямого и отраженного солнечного облучения в течение 12 часов до проведения тепловизионного контроля [4].

Для выяснения распределения теплоты по наружным поверхностям паровоза экспериментальные данные следует снимать при условиях, не требующих дополнительных поправок и дающих наиболее характерную картину температурных полей на наружных поверхностях паровоза. Близкими к таким условиям будут несколько одновременно присутствующих факторов:

паровоз находится на стоянке, но только что прекратил длительную работу, т. е. прогрев всех поверхностей и оборудования близок к поездной работе, но не требуется поправки на внешний обдув;

безветрие;

пасмурная, но не дождливая погода (отсутствие снегопада);

температура наружного воздуха удовлетворяет требованиям тепловизионного контроля по ГОСТ 26629-85.

При описанных условиях распределение теплоты по наружным поверхностям паровоза будет наиболее характерным и близким к реальным значениям.

3.2 Место, объекты и приборы тепловизионного обследования

14 февраля 2009 года в ремонтном локомотивном депо Санкт-Петербург-Сортировочный-Московский ТЧ-7 Октябрьской ж. д. в присутствии комиссии из трех человек было произведено тепловизионное обследование двух различных по компоновке паровозов - Эр 766-41 и 9П 19489, о чем в ТЧ-7 был составлен соответствующий акт от 14.02.2009.

Паровоз серии Эр выбран как наиболее распространенный локомотив, оставленный на базах запаса, а серии 9П - как промышленный танк-паровоз с короткой базовой длиной. На сегодняшний день конструкция паровоза 9П является удачной для локомотива, пригодного для утилизации небольших количеств отходов. Они еще в 1970-х годах успешно работали

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

на подъездных путях многих предприятий, пережив своё время, а затем принудительно заменялись тепловозами. Оба обследованных паровоза - на мазутном отоплении, 9П 19489 использует также жидкие горючие отходы, например отработанное машинное масло и т. п.

Для обеспечения процесса горения жидкое топливо подогревается, соответственно топливные баки имеют определённую температуру, а угольные ящики паровозов на твёрдом топливе - холодные и интереса с точки зрения охлаждения поверхности не представляют. В остальном паровозы на твердом и жидком топливе в целом имеют одинаковые охлаждаемые поверхности.

Условия проведения тепловизионного обследования днем 14 февраля 2009 г. удовлетворяли описанные в п. 3.1. При проведении работ был использован тепловизор марки ТН-7700, основные характеристики которого представлены в таблице 4.

ТАБЛИЦА 4. Основные характеристики тепловизора ТН-7700

Диапазон измеряемых температур -20 ... +250 °С

Погрешность + 2 °С, + 2% от показания

Поле зрения 27°

Диапазон фокусирования От 50 см до бесконечности

Пространственное разрешение (IFOV) 1,5 мрад

Чувствительность 0,10 °С при 30 °С

Тип приемника излучения Неохлаждаемая микроболометрическая матрица 320 (Г) х 240 (В) элементов

Спектральный диапазон 8.14 мкм

Коррекция коэффициента излучения 0,10. 1,00

Для составления более полного представления о распределении теплоты с каждого паровоза было получено по восемь термограмм (рис. 2).

Для получения табличных данных приняты термограммы № 2, 4, 6, 8, так как в этих точках паровозные поверхности менее наклонены к оси тепловизора. Расстояние до паровоза измерялось строительной рулеткой. Для улучшения обработки данных с каждой из восьми точек была сделана фотография цифровым способом.

7 6 5 7 6 5

рис,9,10 рис,7,8 рис,5,6

ISS>

2009

Современные технологии - транспорту

2 1 3

Рис. 2. Номера термограмм по паровозам Эр 766-41 и 9П 19489

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

3.3 Полученные результаты

Результаты тепловизионного обследования представлены в табличной форме (табл. 5, 6), а также в виде обзорных термограмм № 3, 6, 7 (отмечены черными точками, рис. 2), дающих общее представление о распределении теплоты по наружным поверхностям паровоза (рис. 4, 6, 8, 10). Для лучшего прочтения термограмм на них и на соответствующих им фотографиях (рис. 3, 5, 7, 9) отмечено по 14 характерных мест. Наименования позиций следующие:

1 - дымовая коробка; 2 - дымовая труба; 3 - песочница; 4 -сухопарник; 5 - свисток; 6 - соединение дымовой коробки с цилиндрической (трубчатой) частью; 7 - турбогенератор; 8 - водяной бак; 9 - цилиндропоршневой блок; 10 - золотниковая камера; 11 - рабочий цилиндр; 12 - воздушный резервуар; 13 - топливный бак; 14 - люк (лючок).

Особое внимание следует уделять термограммам, а не табличным данным, так как средняя температура участка поверхности при электронной обработке данных может оказаться завышенной из-за двухтрех нехарактерных точек, случайно попавших при замере. Отметим также, что при обработке данных следует учитывать срок эксплуатации теплоизоляционного слоя. Например, теплоизоляция цилиндрической части котла паровоза Эр 766-41 - асбест сроком эксплуатации более 40 лет (на рис. 8 видны проблемные зоны на цилиндрической части), а его топка теплоизолирована минеральной ватой около 10 лет назад, но также имеет проблемные зоны, связанные с качеством теплоизоляции, которые характерны только для данного паровоза. Теплоизоляция 9П 19489 - новая и качественная (минеральная вата URSA) сроком эксплуатации 1 год, поэтому при тепловизионном обследовании этого паровоза не было случайных пятен теплопотерь, связанных с качеством теплоизоляции.

Представленные табличные данные не являются обобщенными и лишь обзорно отображают картину температурных полей, характеризуя в данном случае лишь конкретный паровоз. Для полного представления о распределении теплоты по наружным поверхностям следует снять показания по меньшей мере с 5-7 паровозов. Тем не менее полученные результаты тепловизионного обследования двух паровозов дали общее представление о распределении qox, показали основные проблемные зоны,

присущие большинству отечественных паровозов, и позволили сделать ряд выводов.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

2 1 5

Современные технологии - транспорту

Рис. 3. Общий вид паровоза 9П

Рис. 4. Термограмма паровоза 9П

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2009/4

ТАБЛИЦА 5. Температуры наружных поверхностей паровоза 9П 19489

Часть паровоза Расположение Участок поверхности Номер позиции ^ср Anin 7max

Огневая коробка (топка) Сбоку Верхняя часть стенки - 18,2 5,7 37,2

Люки — 96,3 48,9 110,0

Предохранительный клапан - 67,4 47,7 81,0

Цилиндрическая часть стенки Сбоку Верхняя часть стенки — 12,2 5,0 23,2

Сухопарник 4 29,1 2,5 101,6

Свисток 5 86,2 51,3 110,0

Лаз - 68,8 50,6 79,5

Дымовая коробка Сбоку Песочница 3 28,6 4,5 41,6

Стенка 6 107,8 60,8 110,0

Дымовая труба 2 105,2 46,0 110,0

Спереди Верхняя часть стенки (фронтона) - 47,3 33,9 55,5

Нижняя часть стенки (фронтона) - 34,4 23,6 46,6

Цилиндропоршневой блок Сбоку Корпус 9 13,4 2,0 38,2

Крышки рабочего цилиндра - 66,5 44,3 80,2

Крышки золотниковой камеры - 67,3 50,6 81,6

Спереди Корпус - 11,9 5,1 29,1

Крышки рабочего цилиндра 11 76,3 59,6 82,2

Крышки золотниковой камеры 10 42,4 3U 80,0

Топливный бак Сбоку Стенка выше уровня топлива — 31,3 25,0 39,0

Стенка ниже уровня топлива 13 54,5 31,4 63,4

Сзади Стенка выше уровня топлива — 24,9 18,2 35,7

Стенка ниже уровня топлива 13 48,0 30,8 58,6

Водяной бак Сбоку Стенка выше уровня воды 8 -1,0 -3,4 -9,5

Стенка ниже уровня воды — 3,6 0,5 4,7

Спереди Стенка выше уровня воды 8 3 -0,2 8,5

Стенка ниже уровня воды - 4,3 2,2 6,1

Современные технологии - транспорту

Современные технологии - транспорту

2 1 7

Рис. 5. Вид сзади паровоза 9П

Рис. 6. Термограмма паровоза 9П. Топливный бак

3.4 Выводы

В результате проведенного анализа были сделаны следующие выводы.

Самыми горячими наружными поверхностями паровоза являются: дымовая труба (причем после стоянки паровоза с погашенной или слабо горящей топкой заметно остывает, рис. 4) и кольцевое соединение дымовой коробки с цилиндрической частью (в районе передней трубной решетки, рис. 4, 8), которое даже после продолжительной стоянки с погашенной топкой сохраняет высокую температуру, а также золотниковая часть паровой машины.

Самой горячей частью котла является дымовая коробка из-за традиционного отсутствия на ней теплоизоляции. Надо полагать, что при движении паровоза ее температура благодаря обдуву снижается незначительно.

Наиболее горячими частями топки и цилиндрической (трубчатой) части котла является арматура котла, не имеющая теплоизоляции. Поверхности турбогенератора, свистка, инжекторов, трубопроводов, запорной арматуры, люков и всего, что выступает из обмуровки котла и не имеет теплоизоляции, нагревается до значительных температур, превышающих в несколько раз среднюю температуру соседних поверхностей; высокую температуру имеет также сухопарник котла.

Рабочие цилиндры паровых машин на стоянке значительно остывают из-за наличия в них конденсата, что хорошо видно на передней крышке цилиндра (см. рис. 4). Наружные механизмы паровых машин нагреваются не от котла и рабочих цилиндров, за исключением штоков и скалок, а от наличия трения (например, палец ведущего колеса, рис. 8) и,

следовательно, практически не влияют на qox.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

Экипажная часть паровоза в целом нагревается слабо, а некоторые части по температуре равны окружающей среде.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2009/4

I

ТАБЛИЦА 6. Температуры наружных поверхностей паровоза Эр

Часть паровоза Расположение Участок поверхности Номер позиции ^ср ^min /пах

Огневая коробка (топка) Сбоку Верхняя часть стенки - 59,8 46,1 77,5

Средняя часть стенки — 17,4 9,2 32,9

Люки — 107,7 100,5 110,0

Т урбогенератор 7 53,1 18,7 110,0

Свисток 5 75,0 18,7 110,0

Цилиндрическая часть стенки Сбоку Верхняя часть стенки — 32,1 16,3 47,8

Нижняя часть стенки - 28,7 15,7 42,5

Сухопарник 4 51,3 23,0 67,0

Песочница 3 3,7 0,7 15,9

Предохранительный клапан - 43,8 10,9 84,7

Дымовая коробка Сбоку Верхняя часть стенки 1 61,3 51,3 72,8

Нижняя часть стенки 6 67,0 43,0 86,9

Дымовая труба 2 91,1 59,2 101,4

Спереди Верхняя часть стенки (фронтона) — 57,7 43,2 68,1

Нижняя часть стенки (фронтона) — 28,7 16,2 50,5

Дымовая труба - 96,7 46,3 110,0

Цилиндропоршневой блок Сбоку Корпус 9 36,3 17,5 57,6

Крышки рабочего цилиндра 11 52,9 43,8 62,4

Крышки золотниковой камеры 10 49,9 43,0 59,6

Спереди Крышки рабочего цилиндра - 86,3 63,5 97,1

Крышки золотниковой камеры - 22,5 15,5 31,3

Тендер (топливный бак) Сбоку Стенка выше уровня топлива — 14,0 5,6 26,1

Стенка ниже уровня топлива 13 36,3 30,7 38,8

Сзади Стенка выше уровня топлива 9,0 3,4 14,9

Стенка ниже уровня топлива 13 31,1 23,0 39,8

Тендер (водяной бак) Сбоку Стенка выше уровня воды 8 -3,5 -7,0 -1,0

Стенка ниже уровня воды - -0,7 -3,7 0,5

Сзади Стенка выше уровня воды 8 -3,5 -5,7 -0,8

Стенка ниже уровня воды - 0,2 -3,7 1,1

I

Современные технологии - транспорту 219

Современные технологии - транспорту

Рис. 7. Общий вид паровоза Эр

Рис. 8. Термограмма паровоза Эр

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

2 2 1

В водяных и топливных баках заметно различимы границы жидкость-воздух. Топливные баки имеют значительные температуры поверхностей и соответственно увеличивают потерю теплоты от охлаждения. Особенно это заметно при небольшом объеме топливного бака паровоза 9П, где наружные поверхности имеют меньшие площади в отличие от паровоза Эр, в котором вместительный топливный бак, размещенный на тендере, имеет меньшие температуры наружных поверхностей за счет распределения количества теплоты на большие площади. Различие средних температур разных стенок одного и того же топливного бака объясняется в основном расположением нагревательного змеевика и наличием контактных поверхностей бака, а также неоднородностью стенок.

Заключение

В настоящее время паровозы следует рассматривать как альтернативные локомотивы, способные потреблять дешевое твердое топливо, низкосортное жидкое топливо, а также горючие отходы предприятий (включая мусор), требующие утилизации.

Обладая рядом достоинств, паровозы имеют существенный недостаток - низкий КПД. Повышение КПД паровоза возможно за счет снижения отдельных потерь теплоты. Результаты по уменьшению некоторых составляющих потерь теплоты опубликованы в статье, описывающей влияние манеры управления паровозом на расход пара (0,51,5% КПД) [5], и статье, показывающей способ уменьшения самой

крупной составляющей служебных потерь - потери на работу сифона qc

путем установки автосифона (1,0-1,5% КПД) [6].

Анализ очередной потери теплоты помог наметить пути ее уменьшения. Были выделены пять основных составляющих потери теплоты от охлаждения паровоза, что объяснило расхождение результатов, полученных в разные годы. Для ясности в этом вопросе следует различать

две общие потери теплоты от охлаждения: qox - по котлу, qox - по всему

паровозу. Такое разделение поможет в дальнейшем избежать ошибок при сравнении результатов по этой потере.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

Рис. 9. Тендер паровоза Эр

I

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

223

Рис. 10. Термограмма тендера паровоза Эр

Впервые было проведено тепловизионное обследование паровоза, которое дало наглядное представление о распределении теплоты по его наружным поверхностям. Применяя тепловизионный контроль обмуровки котла, теплоизолировав проблемные зоны, прежде всего топливные баки паровозов, можно уменьшить потерю теплоты от охлаждения паровоза и поднять его КПД на 0,5—1,0% в целом, а применив современные теплоизоляционные материалы с коэффициентами теплопроводности 0,028—0,045 Вт/(м-0С) (вместо традиционного асбеста 0,15 Вт/(м-0С), свести qox к минимуму. Получается, что можно увеличить КПД паровоза на 1,0—

2,0% простой заменой теплоизоляции и периодическим контролем ее качества.

Таким образом, если на последних сериях отечественных паровозов, например ЛВ (КПД 8,5%) или П36 (КПД 9,2%), одновременно применить новейшие (автосифон, патент 2007 года [7] и др.) и известные усовершенствования (двухтрубный выпуск пара, 1,5—2,0% КПД, установлен в ТЧ-7 Окт. ж. д. на паровозе П36 0032 в 2005 году и др.), то уже сегодня можно поднять КПД до 13—15%, что сделает паровоз современным локомотивом и привлечет большее количество научнотехнических работников к нерешенным проблемам этого вида локомотивов.

К сожалению, в нашей стране для работы с паровозами никогда не использовался ни один современный прибор (ультразвуковой расходомер, электронный газоанализатор и проч.). В итоге мы имеем весьма приближенные данные полувековой давности и до сих пор ссылаемся на результаты, полученные на приборах конца XIX — начала XX века.

Данная работа является первым шагом в использовании современных приборов диагностики на паровозах. Применяя современные достижения науки и техники, удастся не только выявить, но и устранить причины низкого КПД паровоза.

Библиографический список

1. Паровозы. Устройство, работа, ремонт / Н. К. Прозоров, М. В. Вигдорчик, Э. К. Гребенкин. — М. : Транспорт, 1986. — 468 с.

2. Паровоз / П. А. Скепский. — 2-е изд. — М. : Государственное транспортное железнодорожное издательство, 1953. — С. 46—47.

3. СНиП 2.04.14-88*. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов — Введ. 1990-01-01 / Госстрой России. — М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1998. — 28 с.

4. ГОСТ 26629-85. Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций. — Введ. 1986-07-01. — М. : Изд-во стандартов, 1985. — 19 с.

5. Снижение расхода топлива за счет экономии пара на паровозах, эксплуатирующихся в ретропоездах / А. А. Тимофеев, А. С. Краснов // Известия

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

Петербургского государственного университета путей сообщения. - 2006. - Вып. 4 (9). - С. 100-104.

6. Один из способов повышения КПД паровоза / А. А. Тимофеев, И. Г. Киселев, А. С. Краснов // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2009. -Вып. 2 (19). - С. 71-77.

7. Пат. 68063 Российская Федерация, МПК F 01 в 31/30. Автосифон / Буянов А. Б., Киселев B. Г., Тимофеев А. А., Краснов А. С.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения». - № 2007125030/22; заявл. 02.07.07; опубл. 10.11.07, Бюл. № 31. - 1 с.: ил.

Статья поступила в редакцию 30.03.2009;

представлена к публикации членом редколлегии А. В. Грищенко.

Общетехнические и социальные проблемы

УДК 621.319.53

О. И. Г ромов, А. А. Костроминов, А. М. Костроминов, А. П. Ледяев, Э. Н. Фоминич

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ УТИЛИЗАЦИИ ПОЛЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Рассмотрена технология утилизации полых железобетонных конструкций, в частности выработавших ресурс и выведенных из эксплуатации железобетонных опор контактной сети, основанная на разрядно-импульсных процессах в жидкой среде. Приведены результаты экспериментальных исследований этой технологии разрушения опор, выполнена оценка технико-экономических показателей.

электрогидроимпульсная технология, утилизация железобетонных полых конструкций, технико-экономические показатели.

Введение

Железобетонные конструкции, с середины 1960-х годов широко применяемые во многих отраслях страны, за 40 с лишним лет выработали свой ресурс. В полной мере эта ситуация характерна и для железнодорожного транспорта. Многочисленные опоры контактной сети из-за старения железобетона потеряли несущую способность, что стало угрозой для безопасности движения поездов, т. к. по сети дорог их многие сотни тысяч. Опоры интенсивно заменяют на новые, но весьма

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4