CC BY
82
РУХОМИЙ СКЛАД ЗАЛ1ЗНИЦЬ
Исследуется тепловой аккумулятор как средство повышения эффективности пуска двигателя в условиях низких температур. Тепловой аккумулятор (ТА) состоит из контуров нагрева и отбора тепла, и теплоаккумулирующего материала с фазовым переходом.
Разработан экспериментальный вариант теплового аккумулятора, установки для исследования ТА и проведены испытания по времени зарядки и разрядки ТА при различных входных параметрах.
Получены экспериментальные материалы, которые достаточно убедительно свидетельствуют о целесообразности использования ТА в системе охлаждения ДВС для повышения его температуры перед пуском.
We investigate the heat storage as a means of improving the efficiency of the engine start in cold weather. Thermal Battery (TA) is composed of circuits of heating and heat recovery, and thermal storage material with a phase transition.
A pilot version of the thermal battery systems for the study of TA and tested by the time of charging and discharging of TA under different input parameters.
The experimental material that convincingly demonstrate the usefulness of TA in the cooling system of internal combustion engines to increase its temperature before starting.
УДК 541.64:541.183:542.65
АЛЕКСАНДРОВ В. Д., д. х. н., профессор (ДонНАСА); ЛУКЬЯНОВ А. В., д. т. н., доцент (ДонНАСА); ПОСТНИКОВ В. А., к. х. н., доцент (ДонНАСА); ОСТАПЕНКО В. В., аспирант (ДонНАСА); ГРИЦУК И. В., к. т. н., доцент (ДонИЖТ); ПРИЛЕПСКИЙ Ю. В., к. т. н., доцент (ДонИЖТ).
Аккумулирование тепла на основе фазовых переходов в материалах для использования в устройствах формирования комфортного микроклимата на железнодорожном транспорте для работы локомотивных бригад
Постановка проблемы_
В последнее время, пожалуй, трудно переоценить важность развития энергосберегающих технологий. В широком круге задач этого направления большую актуальность имеет разработка технологии теплоаккумулирования на основе скрытой теплоты АНь фазового перехода жидкость ^ твердое тело в материалах [1-3]. Основными требованиями, предъявляемыми к теплоаккумулирующим ма-
териалам (ТАМ) являются: наличие достаточно высокого значения энтальпии плавления АНь, устойчивость и повторяемость эндо- и экзотермических эффектов при многочисленном термоциклировании относительно температуры плавления Ть, управляемость величиной переохлаждения АТ~ жидкой фазы относительно Ть, нормы экологической безопасности, доступность и низкая стоимость материала. Данное направление является весьма целесообразным при создании и исследова-
нии устройств формирования комфортного микроклимата на железнодорожном транспорте.
Анализ последних достижений. Цель работы
Работа локомотивных бригад характеризуется специфическим режимом труда и отдыха: начало и окончание работы в разные часы суток, наличие ночной работы, частый отдых вне дома, длительное пребывание на локомотиве при ограниченной подвижности и т. д. Тенденции развития железнодорожного транспорта связаны с повышением скорости движения, при этом возросло нервно-эмоциональное напряжение членов бригады, увеличился поток информации - более частое мелькание сигналов (путевых знаков), набегание шпал и т. д. Такие факторы, как шум, вибрация, микроклимат и др., не безразличны для организма человека и могут также быть причиной преждевременного утомления [4].
Профессия машиниста локомотива относится к группе профессий операторского типа. Данный вид деятельности с физиологической точки зрения характеризуется выраженным нервно-эмоциональным напряжением и в то же время малоподвижностью, что требует высокого уровня комфортности. Результаты многочисленных испытаний в реальных условиях эксплуатации и заводами изготовителями локомотивов, показали, что температура и относительная влажность воздуха в сочетании с температурами внутренних поверхностей ограждений кабины не всегда соответствуют требованиям, предъявляемым к микроклимату на рабочих местах машинистов локомотивов.
На сегодняшний день данные лабораторных и натурных испытаний, полученные в расчетных климатических условиях, показывают, что микроклимат в кабинах всех локомотивов не отвечает предъявляемым требованиям в полном
объеме. При работе в подобных условиях организм испытывает значительное напряжение терморегуляторных функций, что влияет на постоянство его внутренней среды и нормальное течение физиологических процессов, т.е. оказывает неблагоприятное влияние на состояние здоровья человека. Это подтверждается высоким уровнем заболеваний органов дыхания у локомотивных бригад.
Поддержание требуемого состояния микроклимата на рабочих местах локомотивной бригады выдвигает повышенные требования к системе обеспечения микроклимата кабины локомотива (теплоизоляции ограждений и климатическим установкам).
Микроклимат в кабине машиниста также имеет немаловажное значение для здоровья членов локомотивной бригады. По санитарным нормам средняя температура воздуха в кабине машиниста при закрытых окнах весной, зимой и осенью должна быть 16 - 18°С, при этом перепад температуры на уровнях 50 -100 мм и 1,5 -2 м от пола не должен превышать 3 - 5°С. При больших перепадах температуры появляется состояние дискомфорта. Устройство боковых окон в кабине машиниста должно обеспечивать отсутствие сквозняков, а также чрезмерного перепада давлений в кабине при их открытии, вызывающего болевые ощущения в ушах [4].
Для создания нормального микроклимата в переходное и холодное время года должна быть предусмотрена система отопления с обеспечением возможно большей равномерности температуры воздуха во всем объеме кабины. Этому способствует хорошая герметизация пола, окон, дверей кабины. Воздух к отопитель-но-вентиляционной установке должен поступать снаружи очищенным от пыли. Использование установки летом в качестве вентиляционной позволяет снижать температуру в кабине на 3 - 6°С, однако в условиях жаркого климата вентиляционная установка не решает проблемы созда-
ния оптимального микроклимата в кабине. Поэтому радикальным мероприятием для улучшения условий труда локомотивных бригад при высоких температурах наружного воздуха является оборудование кабины машиниста установкой для кондиционирования, позволяющей понизить температуру воздуха во всем объеме кабины, очистить его от пыли и обеспечить подачу свежего воздуха [4].
При эксплуатации локомотивов в условиях низких температур окружающей среды и круглогодичного хранения их на открытом воздухе, кроме проблемы пуска двигателя локомотива, возникают еще одна проблемы - обеспечение необходимого теплового режима в кабине машиниста при неработающем двигателе.
Эта проблема обусловлена сложностью, которая формулируется в самой постановке задачи. Температура воздуха в кабине машиниста является одним из основных физических параметров, формирующих комфортный микроклимат. Под комфортным микроклиматом понимают такие микроклиматические условия, при
которых теплообмен водителя и пассажиров с окружающей средой происходит при минимальном напряжении системы терморегуляции тела [5]. По данным В.П. Хохрякова [6], комфортный микроклимат в кабине транспортного средства характеризуется оптимальными температурами, представленными в таблице 1.
Обобщенные сведения об основных нормируемых параметрах микроклиматических кабинах мобильных (строительных, дорожных, сельскохозяйственных, горнодобывающих) машин приведены в работе [7]. Актуальность рассматриваемой проблемы непосредственно связана с облегчением безопасности труда на железнодорожном транспорте. Так, например, в работе [6] отмечается, что низкая температура воздуха в кабине обуславливает охлаждение и быструю утомляемость машиниста или водителя, проявляющуюся в росте ошибочных действий примерно на 10-20%. Особую актуальность эта проблема приобретает при длительных рейсах и при продолжительных прогревах локомотивов перед троганием с места.
Таблица - 1. Оптимальные температуры комфортного микроклимата в кабине транспортного средства.
Оптимальная температура в кабине, °С Зона контроля параметра на уровне частей тела человека Температура Т0 наружного воздуха, °С
<+10 >+10
Воздуха Головы +15 (+10) +25 (+26)
Поясницы +17(+12) +26 (+28)
Ног +19(+13) +28 (+31)
Внутренних поверхностей Головы +10 (+5) +28 (+33)
ограждений Поясницы +15 (+10) +33 (+35)
Примечание. В скобках даны значения оптимальных температур соответственно по снижению температуры наружного воздуха до -40 °С или при ее повышении до +40 °С.
Коллективом авторов предлагается в качестве средства прогрева кабины машиниста при прогреве тепловоза использовать тепловые аккумуляторы (ТА) фазово-
го перехода. При моделировании системы прогрева тепловоза на базе теплового аккумулятора необходимо располагать параметрами и динамическими свойствами ее звеньев. Авторами с использованием данных [8], в результате предварительной проработки конструкции и материалов ТА, были определены основные параметры системы охлаждения некоторых теп-
ловозов, которые широко применяются на Донецкой железной дороге. Так, тепловая мощность, сообщаемая водяной системе охлаждения со стороны двигателя, для тепловозов ТЭМ2, ЧМЭ3 и дизель-поезда Д1 составляет 43,6; 57,8; и 107 кВт. соответственно (расчет произведен для случая стопроцентного забора тепловой энергии). На основании полученных данных, в реальных условиях, для создания оптимального поддержания температуры в кабине машиниста вполне допустимо при прогреве использовать в качестве основного теплоносителя ТА систему охлаждения тепловоза.
Процессам исследования и подбора материалов для ТА фазового перехода планируемого к использованию в прогреве кабины машиниста и посвящена данная статья.
С целью изучения закономерностей поведения ТАМ в процессе плавления и кристаллизации в условиях, приближенным к реальным, а также выяснения оптимальных условий эксплуатации энергокомплекса предложена и реализована схема экспериментальной тепловой установки с ТА (рисунок 1).
Конструктивно схема делиться на два контура - контур генератора теплоты и контур потребителя. В условиях реальной системы необходимо предусмотреть перемычки для снабжения потребителя при режиме аккумуляции теплоты. Общей частью двух контуров является рассматриваемый теплообменный аппарат, на линии с которым предусмотрен циркуляционный насос 4 (трехскоростной, для изменения скоростных режимов теплоносителя) и счетчик горячей воды 5 для определения расхода теплоносителя, а в рамках системы и количества теплоты потребленной, либо отданной аккумулирующей загрузке. Отличие же контуров заключается лишь в том, что в контуре потребителя генератор 1 заменен на потребителя 3 (отопительный прибор - панельный радиатор). Переключение режимов осуществляется кранами 2
£
Гт
КI
^ . 5 $ а gl
i
L
J
Рисунок 1. - Схема экспериментальной тепловой установки с ТА (пояснение в тексте).
На рисунке 2 представлена схема теплообменника для ТА. Здесь межтрубное пространство теплообменного аппарата заполняется твердым теплоаккумули-рующим материалом, при этом в верхней части конструкции остается свободное пространство, что дает возможность для теплового расширения загрузки при изменении агрегатного состояния. В верхнюю и нижнюю часть бункера помещаются два датчика температуры для наблюдения за состоянием материала. Также предусматривается установка манометра для измерения масштабов изменения давления в емкости. В ходе эксперимента планируется наблюдение за материалом различного химического состава, в силу чего предусмотрены отверстия для загрузки ТАМ и его слива. Отверстие для загрузки материала закрывается прозрачной крышкой из оргстекла. Опорожнение производиться в состоянии расплава. В трубной решетке протекает греющий или нагреваемый теплоноситель (в зависимости от цикла работы). На входе и выходе теплоносителя установлены термометры для фиксации его температур.
Теплообменный аппарат с ТА является составной частью установки, эмитирующей упрощенную схему системы теплоснабжения, включающую генератор теплоты и потребителя.
Рисунок 2. - Схема теплообменника.
Рисунок 3. - Вид экспериментальной тепловой установки с ТА: 1 - генератор, 2 - кран, 6 - теплообменник.
На рисунке 3 представлена фотография экспериментальной установки.
Весьма важной задачей является подбор термоаккумулирующих материалов с необходимыми физико-химическими свойствами. Вещества из группы парафинов удовлетворяют многим требованиям, предъявляемым для ТАМ [9], однако для каждой марки вещества этой группы имеют место индивидуальные теплофизические характеристики (Ть,
АНь, АТ~ и пр.), что не вполне отражено в справочной базе. Кроме того, в литературе почти отсутствуют данные об исследовании влияния числа термоциклов на деградацию этих материалов.
Методами циклического термического (ЦТА) [10] и дифференциально-термического (ДТА) анализов для парафина марки Т-3 (очищенный технический) проведены исследования температуры плавления Ть, удельной энтальпии плавления ДНь и величины предкристаллиза-ционного переохлаждения АТ", а также устойчивости этих параметров относительно длительного термоциклирования относительно Ть. Согласно ГОСТ 2368389 парафин Т-3 не содержит токсичных примесей и имеет температуру плавления Ть=50^56°С. В литературе практически отсутствуют данные по величине ДНь. Для длительного термоциклирования использовали образец массой 1,00 г, который помещался в стеклянную пробирку, герметизированную пробкой с протянутой сквозь неё термопарой. Для измерения температуры использовали ХА-термопары диаметром 0,2 мм. Термоциклирование проводили в интервале температур от 30 до 80оС со средней скоростью нагрева -охлаждения 0,05 К/с. Для записи дифференциально-термических кривых использовали специально разработанную малоинерционную печь с ячейкой-держателем. Масса образцов для ДТА составляла 0,30 г. В качестве эталона использовали техническое масло. Запись температуры и дифференциальной температуры осуществлялась с помощью цифрового мультиметра Рго'вКк МТ-1860 и цифрового термометра ЦМ-Т ИТ325 через интерфейс ЯБ-232 на ПК. Калибрование термоизмерений проводили по плавлению нафталина и бензойной кислоты. Ошибка в измерении температуры не превышала 0,5 К. Всего было проделано свыше 600 термоциклов плавления и кристаллизации.
а
рага!Ап (Т-3), N=620,0.30 9
901
7060504030-
0 10 20 30 <40 50 60 70 б
Рисунок 4. - Кривые ЦТА и ДТА, характеризующие плавление и кристаллизацию парафина марки Т-3 во 2-м (а) и 620-м (б) термоциклах.
На рисунке 4 приведены экспериментальные кривые нагревания и охлаждения (ЦТА) совместно с ДТА-кривыми, характеризующие плавление и кристаллизацию образца массой 0.30 г во 2-м (а) и в 620-м (б) термоциклах. Как видно из этого рисунка, для указанных термоциклов диапазоны плавления и кристаллизации прак-
тически совпадают и лежат в интервалах 49^56°С и 54-49оС соответственно. В термоцикле №=620 (рис.4б) была проведена выдержка жидкого парафина при температуре 80оС в течение 20 минут.
Отклонение дифференциальной кривой от базовой линии при нагревании для данной марки парафина начинается в районе 30оС. Далее при нагреве при температурах 33^35оС наблюдается 1-й эндотермический пик. Температура основного пика плавления (полное расплавление) во 2-м термоцикле Ть=55,5оС, а в 620-м Ть=54,5оС. Для указанных термоциклов температуры начала кристаллизации Тз и максимума экзоэффекта Т3т практически совпадает: Тз ~ 52-53оС, Т^т~ 49-50оС. Из рисунка 4 видно, что более шестисот термоциклов плавления и кристаллизации практически не повлияли на температуры фазовых переходов.
По стандартной методике [11] определена удельная теплота АНь плавления парафина в начале и в конце термоцикли-рования. Данные температур ных параметров плавления и кристаллизации, а также по величинам АНь для 2-го и 620-го термоциклов приведены в таблице 2. Как видно из этой таблицы, разница в температурах и удельных теплотах фазового перехода в начале и в конце термоцикли-рования незначительна. В частности, относительное изменение величины АНь положительно и не превышает 3%.
№ Тх, Ть, Тз, ТЗт-< АТ, АНь,
термо- оС оС оС оС К кДж/кг
цикла
2 33,0 55,5 53,0 50,0 2,5 130
620 35,0 54,5 52,5 49,0 2,0 134
Таблица 2. - Параметры плавления и кристаллизации парафина марки Т-3, установленные методом ДТА: Тх - температура первого пика эндо-эффекта перед плавлением, Ть - температура плавления, Тз - температура начала кристаллизации, Т3т - температура пика кристаллизации, АТ - переохлаждение жидкой фазы относительно Ть при кристаллизации (АТ = Ть- Тт, Тт- минимальная температура переохлажденной жидкой фазы), АНь- удельная теплота плавления.
Выводы
1. Для создания оптимального микроклимата в кабинах машинистов при прогреве тепловоза возможно использование тепловых аккумуляторов фазового перехода.
2. Предложена и реализована экспериментальная установка с теплоаккумуля-тором, предназначенная для изучения поведения теплоаккумулирующего материала в условиях, близких к реальным, а также выяснению оптимальных условий эксплуатации.
3. В качестве ТАМ предлагается парафин марки Т-3, для которого термическими методами анализа установлено следующее:
- полное расплавление происходит в среднем при температуре TL = 55оС, что соответствует данным, заявленным ГОСТом, а кристаллизация происходит в интервале 53^49°С с незначительным переохлаждением жидкой фазы (1,5^2,5 К) относительно TL;
- удельная теплота плавления AHl~ 130 кДж/кг;
- более шестисот термоциклов плавления и кристаллизации не оказали заметного влияния на параметры TL, Ts и AHL.
Список литературы
1. A. Abhat. Short term thermal energy storage / A. Abhat // Revue Phys. Appl. - 1980. - № 15. - Pp. 477 - 501.
2. В. Д. Левенберг, М. Р. Ткач, В. А. Гольстрем. Аккумулирование тепла - Киев: Техника, 1991. - 112 с.
3. Murat Kenisarin, Khamid Mahkamov. Solar energy storage using phase change materials. - Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2007. - № 11. - Pp. 1913-1965.
4. Маневровые локомотивы. Санитарно-гигиенические требования к кабинам машиниста - дocтyпний з: http://myswitcher.ru/books/poyda/page 62.html .
5. Шульгин В. В. Тепловые аккумуляторы автотранспортных средств : монография / В. В. Шульгин. - СПб.: СПбГПУ, 2005. - 268 с.
6. Хохряков В.11. Вентиляция, отопление и обеспыливание воздуха в кабинах автомобилей. - М.: Машиностроение, 1987. - 152 с
7. Набиулин Ф.А., Квят И. Д., Выстороп Н.И. Микроклимат в кабинах мобильных машин // Строительные и дорожные машины. - 1989. - № 3. - С. 12-13.
8. Чертыковцева Н.В. Прогрев тепловозных дизелей с применением вторичных энергоносителей / Н.В. Чертыков-цева // Научно-техническое творчество: проблемы и перспективы развития: матер. III Всероссийской конференции-семинара (г. Сызрань 22-23 мая, 2008г.). - Сызрань: Филиал ГОУ ВПО СамГТУ в г. Сызрани, 2008. - С.95-98.
9. A.S. Luyt *, I. Krupa. Thermal behaviour of low and high molecular weight paraffin waxesused for designing phase change materials. - Thermochimica Acta. -2008-№ 467. Pp. 117-120.
10. Александров В.Д., Постников В. А. Зависимость предкристаллиза-ционного переохлаждения расплава висмута от массы образцов // Письма в ЖТФ. - 2003. - Т.29, вып. 7. - С. 48-54.
11. Шестак Я. Теория термического анализа.- М.: Мир, 1987. - 455 с.
Аннотации:
Для создания оптимального микроклимата в кабинах машинистов при прогреве тепловоза предложено использование тепловых аккумуляторов фазового перехода. С этой целью разработана экспериментальная установка с фазопереходным теплоаккумулятором, предназначенная для изучения поведения теплоаккумулирующего материала (ТАМ) в условиях, близких к реальным, а также выяснению оптимальных условий эксплуатации. В работе приведены данные исследования термическими методами анализа параметров плавления и кристаллизации парафина технического
Для створення оптимального мик-роктмату в кабшах машишспв при прогрiвi теп-
ловоза запропоновано використання теплових акумуляторiв фазо-вого переходу. 1з щею метою розроблено експериментальну установку з фа-зоперехвдним теплоакумулятором, яка призначена для вивчення поведiнки теплоакумулюючого матерiалу (ТАМ) в умовах, близьких до реальних, а також з'ясуванню оптимальных умов експлуатаци. У роботi наведет дат дослвдження термiчними методами аналiзу параметрiв плавлен-ня й кристалiзацil парафiну технiчного очищеного (Т-3), що рекомендуеться в якостi ТАМ.
We suggested the use of thermal batteries of the phase transition to create an optimal micro-klimate in the cab of the locomotive during engine heating. For this purpose has been developed the experimental plant with phase change thermal receiver, designed to study the behavior of the heat storage phase change material (PCM) in conditions close to real life, and to determine optimal conditionstions of operation. In paper we present the thermal analyse studies of melting and solidification parameters of refined technical paraffin (T-3), as recommended by the PSM.
УДК 629.4.014.275
ФАЛЕНДИШ А.П., д.т.н. (УкрДАЗТ); КРАШЕНИИ О С., к.т.н. (УкрДАЗТ); ШАПАТ1НА О.О., асистент (УкрДАЗТ); ОДЕГОВ М.М., старший викладач (УкрДАЗТ).
Концепщя розвитку i реструктуризацп локомотивних депо
Згщно з концепщею реформування 1 реконструкцп галуз1, зокрема, локомотивного господарства поставлен! задач1 по упорядкуванню локомотивних депо до обсяпв перевезень. Це означае необхщ-шсть обгрунтування потужностей депо, !х перепрофшювання або доцшьшсть передач! в шш1 структури чи припинення д1я-льносп.
Анал1з показниюв роботи ТРС за останш роки по локомотивних депо Укр-зал1знищ показав, що обсяги роб1т щор1ч-но падають на фош старшня 1 повшьного оновлення парку локомотив1в, а також старшня ремонтно! бази. В цих умовах виникае необхщшсть р1шення ряду техн1-чних 1 оргашзацшних задач, що можуть полшшити як1сть роботи зал1зничного транспорту. Прюритетним напрямком в умовах обмеження економ1чних ресурс1в е
пошук резерв1в ефективносп роботи д1ю-чих п1дприемств.
Закордонний досвщ показуе, що значно покращити роботу лшшних п1д-приемств можливо за рахунок ц1леспря-мованого 1 роздшьного розвитку експлуатац1йно1 1 ремонтно! складово! л1н1йних п1дприемств, рац1ональний перерозподш обсяг1в роботи депо.
Традиц1йно потужносп депо визна-чалися обсягом роб1т, що виконувало депо, зв1дки розраховувалися потреби в ремонт-них дшянках, обладнан1, контингент1 екс-плуатац1йного 1 ремонтного тдроздшв. В умовах, що склалися, може виникнути си-туац1я, що потреба в ряд1 структур депо вщпадае. Це, в свою чергу, вимагае розро-бки критерИв, що дозволять об'ективно оцшити доц1льн1сть виконання ряду захо-д1в, в тому числ1 1 реструктуризацИ об'ект1в локомотивного господарства.
