Новый подход к очистке сжатого воздуха для железнодорожного транспорта

УДК 629.44

Ю. И. Матяш, Е. М. Кирпиченко, В. П. Клюка

НОВЫЙ ПОДХОД К ОЧИСТКЕ СЖАТОГО ВОЗДУХА ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

В статье рассмотрены существующие способы решения проблемы по повышению степени очистки сжатого воздуха в тормозной системе подвижного состава. Представлены недостатки данных способов и предложен принципиально новый способ очистки сжатого воздуха, ранее не применяемый на подвижном составе.

Повышение эффективности перевозочного процесса на грузовом железнодорожном транспорте в последнее время реализуется по следующим направлениям:

- увеличение скорости движения грузового и порожнего составов;

- повышение осевой нагрузки (свыше 27 т на ось);

- вождение соединенных поездов с повышенным весом (более 10000 т);

- внедрение интервального движения грузовых поездов.

Увеличение удельной нагрузки на ось, повышение скорости движения поездов и внедрение длинносоставных поездов требуют существенного повышения эффективности работы тормозного оборудования как локомотива, так и всего железнодорожного подвижного состава.

Выполнение поставленных задач возможно при широкомасштабном внедрении на сети железных дорог современного подвижного состава (грузовых вагонов и локомотивов нового поколения), отвечающего указанным требованиям. При этом особое внимание следует уделить увеличению надежности работы тормозного оборудования, поскольку в случае его неисправности возникают различные аварийные ситуации:

изломы рельсов (остряков) из-за большого количества ползунов на колесах;

крушения (проезды запрещающих сигналов) из-за нехватки тормозной эффективности в поезде;

большого количества неработающих тормозов или угасания тормозной волны в поезде;

разрывы поездов из-за продольно-динамических усилий, причиной которых является неравномерное действие тормозов по всему поезду и т. д.

Многолетним опытом эксплуатации установлено, что перечисленные аварии возникают в основном из-за неудовлетворительной очистки сжатого воздуха от посторонних примесей (масла, влаги и др.). Так, например, в осенне-зимний период года наличие паров влаги в сжатом воздухе вызывает образование ледяных пробок в тормозных магистралях (воздухораспределителях, клапанах продувки главных резервуаров, концевых и разобщительных кранах, подводящих к манометрам и песочницам трубках и др.), кроме этого наблюдаются интенсификация коррозионных процессов с образованием ржавчины.

Решению проблемы по повышению степени очистки сжатого воздуха посвящены работы таких ученых, как В. Г. Иноземцев, В. М. Казаринов Л. В. Балон, Т. Л. Риполь-Сарагоси и других. Основную причину наличия паров влаги в сжатом воздухе названные исследователи объясняют наличием высокой температуры сжатого воздуха, находящегося в главных резервуарах локомотива. Поэтому влага, находящаяся в потоке сжатого воздуха, будет конденсироваться только в тормозных коммуникациях локомотива, где температура сжатого воздуха будет значительно ниже, чем в главных резервуарах локомотива. Для решения указанной выше проблемы была предложена конструкция главных резервуаров со встроенными жалю-зийными сепараторами [1]. Показано, что применение жалюзийных сепараторов позволяет увеличить количество осаждаемой влаги в главных резервуарах на 20 - 24 %. Однако данное техническое предложение позволяет лишь частично уменьшить накопление конденсата в тормозных магистралях локомотива, а следовательно, не исключаются возникновение перечисленных выше аварий, что подтверждается следующим примером.

На рисунке 1 приведена температурная зависимость влагосодержания насыщенного воздуха при давлении 1 кгс/см2, построенная по данным работы [2], которая позволяет оценить

№ 4(20) 2014

объемы накопления конденсата в главных резервуарах локомотива при различных условиях его эксплуатации. Например, при температуре окружающей среды Т = +30 °С и давлении р = = 1 кгс/см2 равновесное влагосодержание dsJ = 30 г/м3 (см. рисунок 1). При штатной производительности локомотивного компрессора (3,4 м3/мин) в течение одного часа через главные резервуары будет пропущено более 80 л влаги. Поэтому даже при использовании жалюзий-ных сепараторов в главных резервуарах происходит накопление влаги, которая беспрепятственно перемещается в тормозную магистраль подвижного состава, что и приводит к возникновению аварийных ситуаций, перечисленных выше.

03

10

ч

о «

а

<и Ч О

О

о «

« «

и

<и

а з

о

3

0,1

Зимний Переходный период Летний

период период

230 240 250 260 270 280 290

Температура воздуха, К

300

310

320

Рисунок 1 - Температурная зависимость влагосодержания насыщенного воздуха

при давлении 1 кгс/см2

Из анализа отечественной и зарубежной научно-технической литературы следует, что на современном этапе для повышения чистоты сжатого воздуха применяются адсорбционные системы осушки воздуха - с холодным или горячим методом регенерации. В работе [3] представлены результаты по использованию двухблочных адсорбционных систем осушки воздуха с холодным методом регенерации, общий вид такой системы показан на рисунке 2.

Разработанная установка для подготовки сжатого воздуха [3] включает в себя винтовой компрессорный агрегат типа АКВ 4,5/1ПУ2 производства ОАО «Транспневматика» и двухблочную короткоцикловую адсорбционную систему осушки воздуха (типа СПВ 4,5/1), принципиальная схема которой приведена на рисунке 3. В качестве адсорбента в адсорбционной системе осушки воздуха используется силикагель типа КСКГ.

Рисунок 2 - Общий вид двухблочной короткоцик-

ловой адсорбционной системы осушки воздуха

Рисунок 3 - Принципиальная схема установки двухблочной адсорбционной системы осушки воздуха с холодным методом регенерации: О.С - воздух с параметрами окружающей среды, Г.П - грузовое помещение локомотива, КМ - компрессор, ДО - доохладитель, С - сепаратор, БО - двухблочная адсорбционная система осушки воздуха, ФМО - механический фильтр тонкой очистки, ГР - тормозное оборудование локомотива

№ 4(20) 2014

100

Тестовые испытания разработанных осушителей воздуха на тепловозах типа 2ТЭ25КВ и 2ТЭ25А [3] выявили ряд недостатков, основные среди них следующие:

1 - низкая эффективность работы короткоцикловой адсорбционной системы осушки сжатого воздуха, особенно в летний период года (при температуре наружного воздуха от 20 °С и выше). Это объясняется тем, что воздух из окружающей среды вначале поступает в грузовое помещение локомотива, где размещается технологическое оборудование (тяговые двигатели, модуль компрессорного агрегата, вспомогательный компрессор и др.), в результате температура воздуха в грузовом помещении локомотива примерно на 10 °С выше температуры воздуха окружающей среды.

Кроме этого в процессе сжатия температура воздуха на выходе из компрессорной установки возрастает на 15 - 20 °С по сравнению с температурой его всасывания. Поэтому уже при температуре наружного воздуха окружающей среды +20 °С температура воздуха в грузовом помещении локомотива составит примерно 30 °С, а на выходе из компрессора она достигает значения примерно 50 °С. Поскольку адсорбционная емкость силикагелей (в том числе и силикагеля типа КСКГ) при температуре +50 °С уже близка к нулю, короткоцикло-вая адсорбционная система осушки сжатого воздуха может обеспечивать требуемую степень осушки потока сжатого воздуха в ограниченном диапазоне температур воздуха окружающей среды (ниже +20 °С);

2 - для работы короткоцикловой адсорбционной системы осушки (согласно паспортным данным адсорбционной системы типа СПВ 4,5/1) требуется дополнительный расход воздуха на регенерацию адсорберов (около 20 % от количества очищаемого воздуха), что может негативно сказываться на режимах торможения грузового подвижного состава;

3 - для обеспечения непрерывной работы установки требуется периодическое техническое обслуживание элементов адсорбционной установки (замена выходных фильтров очистки воздуха, контроль и настройка переключающих клапанов, замена адсорбента в адсорберах и др.);

4 - первоначальная стоимость короткоцикловой адсорбционной установки типа СПВ 4,5/1 - 700 - 800 тыс. р., ее масса составляет примерно 800 кг при габаритах 1881*1775x525 мм.

Для исключения отмеченных выше недостатков авторами данной статьи разработан принципиально новый подход к созданию системы очистки сжатого воздуха для нужд железнодорожного транспорта. Данное техническое предложение базируется на использовании повышенного давления сжатого воздуха, например, до 13 кгс/см2, и удаления капельной влаги из потока сжатого воздуха при максимально возможном давлении в системе (13 кгс/см2).

Принципиальная схема предлагаемой установки для подготовки сжатого воздуха показана на рисунке 4. Схема включает в себя винтовой компрессор I типа ДЭН-30Ш, отрегулированный на избыточное давление Ризб =13 кгс/см2; магистральный сепаратор циклонного типа II серии СЦ.27ОР, обеспечивающий удаление капельной влаги из потока сжатого воздуха до 99 % при максимально возможном давлении в системе (Ризб =13 кгс/см2); автоматический регулятор давления воздуха III для снижения давления воздуха перед главными резервуарами локомотива с 13 до 9 кгс/см2; главные резервуары локомотива IV; кран машиниста V, устройства для сбора и хранения информации IV и VII.

Рисунок 4 - Принципиальная схема предлагаемой установки для подготовки сжатого воздуха

Технические характеристики винтового компрессора типа ДЭН-30Ш и магистрального сепаратора циклонного серии СЦ.27ОР представлены в таблицах 1 и 2 (на основании руководства по эксплуатации грузового электровоза постоянного тока 2ЭС6 ОАО «Уральский завод железнодорожного машиностроения (УВЖМ)», утвержденного генеральным директором ОАО «УВЖМ» в 2008 г.).

Таблица 1 - Технические характеристики винтового компрессора

Тип винтового компрессора Производительность, м3/мин Давление, кгс/см2 Расход масла, г/ч Привод, мощность, кВт

ДЭН-30Ш 44,6 33,9 33,4 07,5 110 113 00,84 00,76 00,69 30

Из данных, представленных в таблице 1, следует, что винтовой компрессор типа ДЭН-

30Ш обеспечивает требуемую для современных локомотивов производительность 3,4 м /мин

2 „ при давлении сжатого воздуха 13 кгс/см . Кроме этого винтовой компрессор типа ДЭН-30Ш

укомплектован теплообменником для охлаждения масляно-воздушной смеси, поэтому (согласно паспортным данным на винтовой компрессорный агрегат типа АКВ 4,5/1ПУ2) температура воздуха на выходе из винтовой компрессорной установки возрастает всего лишь на 15 -20 °С по сравнению с температурой его всасывания [3].

Таблица 2 - Магистральные сепараторы циклонного типа серии СЦ.27ОР

Модель Поток, м3/мин (н.у) Диаметрхвысота, мм*мм Максимальное рабочее давление, кгс/см2 Потери давления, кгс/см2 Максимальная рабочая температура, °С Отделение воды, %

СЦ.27ОР 2,9...5.5 85x197 16 0,01 66 99

Магистральные сепараторы циклонного типа серии СЦ.27ОР являются высоконадежными техническими средствами, оборудованы автоматическим дренажом для сброса конденсата, смотровым окном и предохранительным клапаном, имеют гарантийный ресурс более десяти лет безопасной работы.

Схема установки для подготовки сжатого воздуха приведена на рисунке 4. Порядок ее работы рассмотрим для следующих параметров окружающей среды: температура воздуха

окружающей среды Т\ = +40 °С, равновесное влагосодержание воздуха d1 при давлении Р\ = 2 u = 1 кгс/см составляет 45 г воды/кг воздуха. При работе компрессора атмосферный воздух с

приведенными выше параметрами воздуха окружающей среды через жалюзийную решетку вначале поступает в грузовое помещение локомотива (на рисунке 4 не показано) и затем всасывается винтовым компрессором 1. Поскольку в грузовом помещении локомотива находятся агрегаты (тяговый электродвигатель, основной и вспомогательный компрессоры, блок осушения воздуха) с повышенным выделением тепла, температура воздуха в грузовом помещении локомотива Т1 возрастает до +50 °С при сохранении давления всасывания и влаго-содержания.

На выходе из компрессорной установки давление сжатого воздуха Р2 увеличивается до 2 и w 13 кгс/см , а температура воздуха на выходе из винтовой компрессорной установки типа

АКВ 4,5/1ПУ2 Т2 возрастает минимум на 10 °С по сравнению с температурой его всасывания и становится равной 60 °С в то время как равновесное влагосодержание остается на прежнем уровне - d1 = 45 г воды/кг воздуха и с этими параметрами поток сжатого воздуха поступает в магистральный сепаратор II, где в результате удаления (до 99 %) капельной влаги из потока сжатого воздуха его влагосодержание понижается до значения d3 = 11,0 г воды/кг воздуха, далее сжатый воздух направляется в автоматический регулятор давления воздуха III, в котором перед поступлением сжатого воздуха в главные резервуары давление понижается с 13 до 2 „ 9 кгс/см . В силу незначительной поверхности теплообмена, а также из-за низкого значения

коэффициента конвективного теплообмена главных резервуаров, автоматического регулято-

ра давления и других, изменением температуры сжатого воздуха при его движении по коммуникациям системы осушки можно пренебречь, т. е. Т2 = Т3= Т4 = +60 °С.

При давлении Р3 = 9 кгс/см и температуре Т2 = +60 °С равновесное влагосодержание й4 составляет 16,0 г воды/кг воздуха, в то время как влагосодержание воздуха, поступающего в главные резервуары, й3 имеет величину 11,0 г воды/кг воздуха. Таким образом, воздух, поступающий в главные резервуары локомотива, является переосушенными более чем на 20 °С по сравнению с равновесным влагосодержанием воздуха, находящегося в главных резервуарах, что исключает образование конденсата в главных резервуарах локомотива.

Далее воздух с параметрами Т4 = +60 °С, Р4 = 9 кгс/см и й3 = 11,0 г воды/кг воздуха) направляется в кран машиниста V, в котором давления понижается с 9 до 6 кгс/см , а температура воздуха практически остается на прежнем уровне (т. е. Т5 = +60 °С).

В кране машиниста осуществляется снижение давления воздуха до Р5 = 6 кгс/см , влагосодержание которого имеет значение й3 = й4 = = 11,0 г воды/кг воздуха, в то время как равновесное влагосодержание воздуха dр5 при Т4 = Т5 = 60 °С и Р5 = 6 кг/см2 составляет 22 г воды/кг воздуха). Из приведенных данных видно, что сжатый воздух, поступающий в тормозные магистрали локомотива, является переосушенным более чем на 30 °С, что исключает возникновение конденсата и в тормозных магистралях локомотива.

Таким образом, согласно предлагаемому методу создание в системе осушки сжатого воздуха давления до 13 кгс/см и удаление при этом значении давления конденсата из потока сжатого воздуха обеспечивают такое остаточное его влагосодержание, которое будет ниже, чем равновесное влагосодержание воздуха, находящегося в главных резервуарах локомотива (примерно на 20 °С), и значительно ниже, чем в тормозных коммуникациях локомотива (более чем на 30 °С), тем самым исключаются выпадение конденсата во всех устройствах локомотива и нарушение их работоспособности.

Для изучения характера изменения параметров сжатого воздуха, перемещающегося по тормозной системе локомотива, были приведены численные исследования по оценке работоспособности разработанной системы очистки сжатого воздуха в широком диапазоне изменения температуры воздуха окружающей среды (от -40 °С до +40 °С). Установлено, что во всем диапазоне изменения параметров воздуха окружающей среды исключается образование конденсата как в главных резервуарах локомотива, так и в его тормозных магистралях, обеспечивая тем самым надежную работу подвижного железнодорожного транспорта. Изменение влагосодержания сжатого воздуха при его движении по тормозным коммуникациям локомотива определяли с помощью выражения, полученного авторами:

4,(1сопс1) = - 0,92,

где й?Д1;сопс1;) - равновесное влагосодержание воздуха при текущем значении давления и при заданной температуре, г воды/кг воздуха;

ё0 - равновесное влагосодержание воздуха при давлении Р =1 кг/см и при заданной температуре, г воды/кг воздуха;

Р - давление сжатого воздуха, кгс/см .

Результаты численного моделирования изменения параметров сжатого воздуха при его перемещении по тормозной системе локомотива приведены в таблице 3, из данных которой видно, что расхождение между расчетными и фактическими значениями влагосодержание сжатого воздуха при изменении температуры окружающей среды от +40 °С до -40 °С в рабочем диапазоне давления (6 - 13 кгс/см ) не превышает 10 %.

Сравнивая принципиальные схемы известной и предложенной систем осушки сжатого воздуха, приведенные на рисунках 3 и 4 соответственно, можно сделат вывод о том, что использование предложенных технических решений существенно снижает затраты на приобретение и обслуживание предлагаемой системы осушки сжатого воздуха за счет исключения установки адсорбционного блока осушки и ее сменных элементов (стоимость адсорбционно-

го осушителя воздуха, например, фирмы ЕКОМАК, составляет 750 274 р., сменного фильтра тонкой очистки сжатого воздуха типа DF - 13 507 р., разовой смены адсорбента - 12 080 р.). Ежегодное технологическое обслуживание механических фильтров тонкой очистки, переключающих клапанов, замена адсорбента и составляет порядка 10 % от первоначальной стоимости адсорбционного осушителя воздуха (75 000 р.). Улучшены также и массогабаритные показатели предложенной системы очистки сжатого воздуха (с учетом системы автоматического переключения клапанов и адсорберов масса адсорбционного блока осушки производи-

о

тельностью 3,4 м /мин составляет примерно 800 кг, а ее габариты - 1881 х 1775 х 525 мм).

Таблица 3 - Изменение параметров сжатого воздуха при его перемещении по тормозной системе локомотива

Температура воздуха, °С Влагосодержание сжатого воздуха (г воды/кг в оздуха) при давлении, кг/см ,

окруж. после 1 6 9 13

среды сжатия табл. расч. факт. погр., % расч. факт. погр., % расч. факт. погр., %

40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 60 50 40 30 20 10 0,0 -10 -20 130 80 45 22 15 7,5 3,2 1,5 0,64 22,0 14,0 8,0 4,0 2,7 1,3 0,6 0,26 0,1 24,0 15,0 8,6 4,2 2,9 1,4 0,62 0,28 0,11 8,3 6.7 7,0 4.8 7,0 7,0 3,0 7,0 9,0 16,0 9,4 5,2 2,8 1,8 0,92 0,40 0,18 0,075 17, 10,0 5,3 2.9 1,9 0,96 0,42 0,19 0,08 6,9 7,0 2,0 3,5 5.2 4,2 4,8 5,2 6.5 11,0 6,8 4.0 2.1 1,5 0,067 0,03 0,013 0,006 12,0 7,5 4,2 2,2 1,4 0,070 0,03 0,014 0,006 8,5 4,0 5,0 5,0 6,0 5,0 0,0 7,0 0,0

В заключение следует отметить целесообразность внедрения разработанной установки на пунктах подготовки грузовых вагонов к эксплуатации (ППВ) и пунктах их технического обслуживания (ПТО), поскольку предложенная установка позволяет исключить накопление конденсата в тормозной системе грузовых вагонов при проверке работоспособности тормозов.

Список литературы

1. Балон, Л. В. Повышение влагоосаждающей способности главных резервуаров локомотива и систем УЗОТ за счет внедрения жалюзийных сепараторов [Текст] / Л. В. Балон, Т. Л. Ри-поль-Сарагоси // Автоматические тормоза грузового железнодорожного подвижного состава. -М., 2004. - С. 120 - 134.

2. Вороней, Д. Влажный воздух [Текст] / Д. Вороней, Д. Козич. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 136 с.

3. Редин, А. Л. Анализ методов подготовки сжатого воздуха для пневматических систем подвижного состава [Текст] / А. Л. Редин // Железнодорожный транспорт. - 2010. - № 3. -С. 45 - 47.

References

1. Balon L. V., Ripol'-Saragosi T. L. Vlagoosazhdayuschey Increased capacity main tanks Lokomo-asset and the RCD systems through the introduction of louvered separators [Povyshenie vlagoosazhdaiushchei sposobnosti glavnykh rezervuarov lokomo-tiva i sistem UZOT za schet vnedreniia zhaliuziinykh separatorov]. Avtomaticheskie tormoza gruzovogo zheleznodorozhnogo podvizhnogo sostava - Automatic braking freight rolling stock, 2004, рр. 120 - 134.

2. Voronei D., Kozich D. Vlazhnyi vozdukh (Moist air). Moskow: Energoatomizdat, 1984, 136 p.

3. Redin A. L. Analysis of methods of preparation of compressed air for pneumatic systems of rolling stock [Analiz metodov podgotovki szhatogo vozdukha dlia pnevmaticheskikh sistem podvizhnogo sostava]. Zheleznodorozhnyi transport - Rail, 2010, no. 3, pp. 45 - 47.