CC BY
23
protsessa okhlazhdeniia vody v radiatore teplovoza s uchetom ego sredneekspluatatsionnogo sosto-ianiia]. Metody i algoritmy prikladnoi matematiki v tekhnike, meditsine i ekonomike: Materialy mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii (Methods and algorithms of applied mathematics in equipment, medicine and economy). Novocherkassk, 2005, 127 p.
2. Bazhan P. I. Thermal models of the unified coolers of diesels [Teplovye modeli unifitsiro-vannykh okhladitelei dizelei]. Dvigatelestroenie - Engine-building, 1982, no. 4, pp. 36 - 37.
3. Balagin O. V. Definition of the most admissible quantity of the polluted radiator sections in the cooling system of a locomotive [Opredelenie maksimal'no dopustimogo kolichestva zagriaznennykh radiatornykh sektsii v sisteme okhlazhdeniia teplovoza]. Molodezh' nauka, tvor-chestvo - 2005: Materialy nauchno-prakticheskoi konferentsii (Youth science, creativity). Omsk, 2005, 174 p.
4. Anisimov A. S. A problem definition of non-stationary heat conductivity for an assessment of technical condition of heatexchange devices of locomotives in operation [Postanovka zadachi nestatsionarnoi teploprovodnosti dlia otsenki tekhnicheskogo sostoianiia teploobmennykh appa-ratov teplovozov v ekspluatatsii]. Povyshenie nadezhnosti, ekonomichnosti i ekologichnosti dizel'nogo podvizhnogo sostava: Mezhvuzovskii tematicheskii sbornik nauchnykh trudov (Increase of reliability, profitability and environmental friendliness of a diesel rolling stock). Omsk, 2004, pp. 76 - 77.
5. Volodin A. I., Fomenko V. K. Modeling of external non-stationary temperature fields of technical objects of a difficult configuration [Modelirovanie vneshnikh nestatsionarnykh tempera-turnykh polei tekhnicheskikh ob"ektov slozhnoi konfiguratsii]. Prioritetnye napravleniia razvitiia nauki i tekhnologii: Doklady vserossiiskoi nauchnno-tekhnichekoi konferentsii (Priority directions of development of science and technologies). Tula, 2008, pp. 42 - 43.
6. Balagin O. V. Razrabotka tekhnologii teplovizionnogo kontrolia tekhnicheskogo sostoianiia sektsii kholodil'nikov teplovoznykh dizelei (Development technology of thermovision control technical condition of diesel engines sections refrigerators). Phd's thesis, Omsk, OSTU, 2005, 165 p.
УДК 629.45.048
О. С. Томилова, В. В. Томилов
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
В статье приведена методика расчета потерь напора воды в системе водоснабжения пассажирского вагона, оснащенного системой очистки в виде последовательно установленных двух фильтров и проточного ультрафиолетового стерилизатора шнековой конструкции. Представлены результаты расчета потерь в различных системах водоснабжения вагонов с учетом максимальных и минимальных времени заправки и напоров воды в станционной системе водоснабжения. Определены рациональные геометрические параметры камеры обеззараживания проточного ультрафиолетового стерилизатора из условий обеспечения полного заполнения бака вагона за минимальное время стоянки с минимальным напором станционной системы водоснабжения. Величина потерь напора не превышает паспортных значений типовых конструкций. Геометрия стерилизатора позволяет интегрировать устройство в вагон. Ее расчетные значения взяты для разработки макетного образца УФ-стерилизатора, успешно прошедшего испытания. Для возможности определения потерь напора воды камера обеззараживания стерилизатора шнековой конструкции представлена змеевиком с прямоугольным сечением, «намотанным» на цилиндр. Местные потери одного витка рассчитаны с использованием справочной формулы, предложенной Г. Н. Абрамовичем.
В 2015 г. АО «Федеральная пассажирская компания» (Западно-Сибирский филиал) представила следующие проблемные вопросы о состоянии системы водоснабжения в пассажирских вагонах. Качество воды при заправке вагонов в пути следования на дорогах не отвечает требованиям из-за плохого качества очистки. Имеются жалобы от потребителей на ряде
44 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 3(23) 2015
станций. Требуется обеспечение наличия установки обеззараживания воды в системе водоснабжения пассажирских вагонов. Необходимо предусмотреть дезинфекцию системы водоснабжения современными дезинфицирующими средствами, исключая раствор хлорной извести. Существующий метод дезинфекции, реализуемый в соответствии с инструкцией 1988 г. экономически нецелесообразен, так как требуются большие затраты времени на подготовку раствора и промывку после дезинфекции.
Специалисты кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПСа) занимаются решением этих вопросов с 2009 г. Анализ существующих путей повышения качества водоподготовки показал, что для обеспечения требований нормативных документов можно использовать метод ультрафиолетового (УФ) обеззараживания [1]. В ходе работы были получены пять патентов на устройства водоподго-товки с применением проточных и дополнительно поверхностных УФ-стерилизаторов, интегрированных в существующую конструкцию системы водоснабжения вагонов.
В работах [1 - 6] подробно рассматриваются варианты конструкций стерилизаторов для пассажирских вагонов, рассчитывается их эффективность.
Наиболее эффективным решением является применение УФ-стерилизатора с ребрами на внутренней стенке камеры обеззараживания таким образом, что внутренний объем представляет собой сложную фигуру вращения с заданным шагом - шнек (рисунок 1).
Количество витков, их геометрия существенным образом влияют на траектории потока воды [5, 6], а задача оптимизации числа витков весьма актуальна.
Рисунок 1 - Сечение корпуса модели модернизированного УФ-стерилизатора с оребрением
Площадь поперечного сечения витка целесообразно иметь равной входному патрубку для сохранения средней скорости течения воды, местных потерь напора, времени заправки бака пассажирского вагона. Если высота витка большая, то снижается тангенциальная составляющая. Если ширина витка большая, то снижается облучение потоков, которые расположены дальше от УФ-лампы. Если площадь витка мала, то растут местные потери сопротивления движению снижается напор воды, а следовательно, и скорость ее течения.
Конструктивно количество витков должно быть целым числом и должно соотноситься с длиной лампы I формулой:
п х й + Дх п = I, (1)
где п - количество витков; к - высота витка, м;
А - толщина стенки ребра (см. рисунок 1), м.
Отсюда количество витков
п =
И + Д
Внедрение УФ-стерилизатора в водоналивную систему пассажирского вагона приведет к увеличению потерь напора воды, что в свою очередь может вызвать недозаправку вагона и нехватку воды для пассажиров в пути следования. В связи с этим дается оценка потерям воды в модернизированной системе водоснабжения при различных исходных напорах централизованной системы и конфигурациях УФ-стерилизатора.
Схема замещения модернизированной водоналивной системы водоснабжения пассажирского вагона с предлагаемой конструкцией УФ-стерилизатора приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Схема замещения водоналивного трубопровода: £ з - коэффициент потерь напора (Дарси) стерилизатора; ^ - водоналивного шланга; - участка трубы «заправочный кулачок - стерилизатор»; - участка трубы «стерилизатор - бак холодного водоснабжения»
Уравнение Бернулли для модернизированного водоналивного трубопровода в соответствии с расчетной схемой имеет вид:
^= г2+Ак (з)
рё рё
Исходные данные для расчета расхода воды: давление в водоналивной колонке Р = 0,2 -- 0,4 МПа [7]; длина водоналивных рукавов - 25 м, диаметр труб - 54 мм. Время заправки ¿запр = 7 - 15 мин и объем бака Убака = 850 - 1000 л [8, 9]. Верхний уровень расположения водоналивной трубы 22 = 3 м. Из указанных величин расход воды для пассажирского вагона железнодорожного транспорта определяется по формуле:
г — ^бака /д\
гзапр — . (4)
^запр
46 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 3(23) 2015
=
Минимальные и максимальные нормы времени заправки баков типовой конструкции и соответствующего им расчетного расхода воды приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Требуемый расход воды для заправки пассажирского вагона
бака;, л 850 1000 850 1000
4апр, мин 15 15 10 10
Gзапр, Д/с 0,94 1,11 1,42 1,67
Исходный напор воды определяется по формуле, м:
Р .
ре'
н=■
(5)
н =
3 -105
= 30 м.
1000-10 Н2 = н1 -АН,
(6)
где Н2 - напор в конце водоналивного канала, м; АН - потери напора, м. Потери напора воды
АН = Аг+ Им + И
7,
(7)
где А - полная геометрическая высота подъема жидкости; Им - местные потери; И7 - линейные.
Линейные потери (на трение):
к1 = Л
1 2 I V
4 2 е
(8)
где X - коэффициент потерь на трение по длине, принимаемый с учетом эквивалентной абсолютной шероховатости стенок труб Аэ = 0,0001 м; 7, ё - длина и диаметр трубопровода; V - скорость потока воды, м/с. В общем случае местные потери на г-м элементе
Ъ = ¿1 — .
2 е
(9)
откуда полные потери для расчетной схемы
! 2 2 2 2 2
АН = А + Ъ + К =А2 + (Л- ^ + ¿1 ^ + ¿2 ^ + ¿3 ^ + ¿4 =
4 2е 2Е 2Е 2Е 2Е
2
= А + (Л-+¿1+С2 +Сз) •
4 2Е
(10)
Потери в модернизированном стерилизаторе определяются следующим образом. Внутреннее пространство камеры обеззараживания представляет собой змеевик с прямоугольным сечением, «намотанным» на цилиндр (рисунок 3).
Каждый виток змеевика можно представить в виде отвода с поворотом на 5 = 360°. Угол 50° - угол обмотки спирали. Общий коэффициент сопротивления отводов для удобства инженерных расчетов определяется как сумма коэффициентов местного сопротивления и сопротивления трения ^тр поворота [10]. Для гладких стенок:
№ 3(23) 2015
— 0,017 • п • — •Л/
Я (ао + -0 ) 2 • а0 • Ь0
(11)
где п - число витков;
5 - угол поворота витка, град; Я0 - радиус закругления осевой линии канала, м; Ъ0, а0 - ширина и высота канала витка (рисунок 4), м; \к - коэффициент сопротивления трения криволинейных труб прямоугольного сечения для турбулентного режима (Яв = 7000 - 38000), определяемый по формуле [10]:
Л —
0,136 + 8,65
а0 • Ь0
Я (а0 + Ь0 )
Л1,32 Г и Л0,34
V
V а0 у
Яе
-0,25
(12)
Рисунок 3 - Расчетная схема модернизированной камеры обеззараживания
Ж
о,
Рисунок 4 - Фрагмент витка модернизированной камеры обеззараживания
Коэффициент местного сопротивления одного витка определим по формуле, предложенной Г. Н. Абрамовичем [10]:
См —[ 0,7 + 0,35 0 0,21
V Ь0 у
X С
(1з)
где С1 - коэффициент, зависящий от размеров Ъ0, а0:
С —
0,85 + 0,125 при -0. < 4;
а0 а0
1,115 - 0,84 --0- при -0. > 4.
а0 а0
(14)
Так как высота канала а0 (см. рисунок 4) в расчетах соизмерима с его шириной Ъ0, либо больше ее, то выполняется первое условие.
Итоговая формула расчета потерь напора в модернизированном стерилизаторе пассажирского вагона железнодорожного транспорта имеет вид:
АН уф — п ■
0,017 —
0,136 + 8,65
а0 ■ Ь0
Я (а0 + Ь0 ).
У,32/_ Л 0,34 -0 V а0 у
Яе
-0,25.
Я0 (а0 + Ь0 ) , X-^-- +
2 ■ а0 ■ Ь0
( 8
0,7 + 0,35 — | х 0,21 ^ 90
V ь0 у
2,5
Л
(15)
:0,85 + 0,125
а
0
V
'
№ 3(23) 2015
V
Расчетные данные скоростей воды и чисел Рейнольдса для УФ-стерилизатора с различным числом витков для рабочего диапазона расхода (см. таблицу 1) приведены в таблице 2. Геометрические размеры камеры обеззараживания: = 0,015 м, Я2 = 0,05 м, Ь = 0,6 м.
Таблица 2 - Расчетное число скорости воды и чисел Рейнольдса для камеры обеззараживания с различным числом витков
Параметр Значение параметра
п 5
Уср, м/с 0,26857 0,3171 0,4057 0,4771
Яв 9400 11100 14200 16700
п 10
Уср, м/с 0,53714 0,63429 0,81143 0,95429
Яв 18800 22200 28400 33400
п 15
Уср, м/с 0,80571 0,95143 1,21714 1,43143
Яв 28200 33300 42600 50100
п 20
Уср, м/с 1,07429 1,26857 1,622857 1,9085714
Яв 37600 44400 56800 66800
п 25
Уср, м/с 1,34285 1,5857 2,0286 2,3857
Яв 47000 55500 71000 83500
п 30
Уср, м/с 1,61143 1,902857 2,43429 2,862857
Яв 56400 66600 85200 100200
Результаты расчета гидравлических потерь в УФ-стерилизаторе с различным количеством витков для водоналивной системы водоснабжения пассажирского вагона приведены на гистограмме (рисунок 5) и поверхности (рисунок 6).
Рисунок 5 - Потери давления в УФ-стерилизаторе с различным числом витков
Рисунок 6 - Поверхность потерь давления в УФ-стерилизаторе
Параметры УФ-стерилизатора для определения его рациональных значений изменяются согласно данным таблицы 3.
Таблица 3 - Входные параметры и диапазон расчетных величин УФ-стерилизатора
Параметр Обозначение параметра, ед. изм. Диапазон расчетных величин Шаг расчетных величин
Расход Vsrnp, Л/С 0,9 - 1,7 0,1
Температура воды T, °С 18 - 23 1
Давление Р, МПа 0,2 - 0,4 0,4
Высота УФ стерилизатора Яуф, м 0,5 - 1,0 0,1
Ширина камеры обеззараживания bo, м 0,03 - 0,08 0,01
Количество витков n, шт. 5 - 30 5
Шероховатость стенок RMS, мкм 0,01 - 1 0,05
По результатам расчета можно сделать следующий вывод. При заданных геометрических параметрах и возможном снижении давления в заправочной колонке на железнодорожной станции до 0,2 МПа и величины потерь давления в типовых конструкциях не более 0,02 МПа максимальное количество витков в модернизированном УФ-стерилизаторе не должно превышать 15 (см. рисунок 5).
Результаты расчета общих потерь в модернизированной системе водоснабжения для различного количества витков устройства УФ-стерилизации с учетом потерь в трубе, наливном шланге и высоты установки бака приведены на рисунке 7.
Рисунок 7 - Потери давления в системе водоснабжения пассажирского вагона с устройством УФ-стерилизации с учетом различного числа витков
Однако при 15 витках максимальные потери на УФ-стерилизаторе составляют 53 % от общих потерь, а при 10 расчетные потери давления составляют 24 % от общих потерь (рисунок 8).
Рисунок 8 - Доля гидравлических потерь на УФ-стерилизаторе от общих в системе водоснабжения для различного числа витков
50 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 3(23) 2015
Рекомендуемая величина п (число витков) равна 10 из условий гарантирования заправки вагона за отведенное время и удовлетворительная величина потерь давления от общих потерь в типовых конструкциях УФ-стерилизатора.
Результаты расчета гидравлических потерь в УФ-стерилизаторе с 10 витками различной высоты для водоналивной системы водоснабжения пассажирского вагона приведены на рисунке 9, согласно которому минимум гидравлических потерь приходится на высоту 0,6 м. Данное значение принято за высоту макетного образца УФ-стерилизатора с оребрением, разработанного в ОмГУПСе и успешно прошедшего испытания.
Анализ гидравлического расчета показывает, что снижение давления из-за поперечных ребер в модернизированном УФ-стерилизаторе с концентрично установленными патрубками будет выше, чем без ребер, что скажется на снижении скорости (как максимума, так и ее среднего значения). Это привет к увеличению времени заправки и снижению интенсивности перемешивания. Величина потерь напора определяется расчетным путем и верифицируется экспериментально. Рекомендуемая величина витков из условий гарантирования заправки водой пассажирского вагона равна 10, при этом расчетные потери давления составляют 24 % от общих потерь.
Рисунок 9 - Поверхность распределения потерь в УФ-стерилизаторе с 10 витками в зависимости от расхода воды и высоты
Разработанная модель расчета потерь напора воды в модернизированном стерилизаторе может применяться и при других расходах воды, а также при других конструкциях для различных отраслей народного хозяйства.
Список литературы
1. Томилова, О. С. Расчет эффективности УФ-стерилизатора модернизированной системы водоснабжения пассажирского вагона [Текст] / О. С. Томилова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2012. - № 3. - С. 47 - 54.
2. 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.
3. 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.
4. 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(23) ЛЛИ Р ИЗВЕСТИЯ Транссиба 51
=2015 ■
5. 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.
6. Моделирование течений жидкости в УФ-стерилизаторе модернизированной системы водоснабжения пассажирского вагона железнодорожного транспорта [Текст] / Ю. И. Матяш, О. В. Гателюк и др. // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. -2013. - № 1. - С. 18 - 27.
7. Организация железнодорожных пассажирских перевозок [Текст] / А. А. Авдовский, А. С. Бадаев и др. - М.: Академия, 2008. - 256 с.
8. Акимов, О. В. Водоснабжение и водоотведение на железнодорожном транспорте: Учебное пособие [Текст] / О. В. Акимов, Ю. М. Акимова, А. Н. Ганус / Дальневосточный гос. ун-т путей сообщения. - Хабаровск, 2010. - 34 с.
9. Акимов, О. В. Водоснабжение железнодорожной станции [Текст] / О. В. Акимов, А. Н. Ганус / Дальневосточный гос. ун-т путей сообщения. - Хабаровск, 2004. - 24 с.
10. Справочник по гидродинамическим сопротивлениям [Текст] / Под ред. И. Е. Идель-чика. - М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.
References
1. Tomilova O. S. Calculation UV sterilizer of the efficiency to modernize the system for passenger car [Raschet effectivnosti UF-sterilisatora modernisirovannoy sistemy vodosnabzheniya passazhirskogo vagona]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2012, no. 3, pp. 47 - 54.
2. Matyash, Y. I., Tomilova O. S. Devices for water disinfection of secondary pollution in longdistance passenger cars [Ustroystva po predotvrascheniyu poyavleniya vtorichnogo sagryazneniya pitevoy vody v passazhirskih vagonah dalnego sledovaniya]. Innovatsionnye proekty i novye tekhnologii v obrazovanii, promyshlennosti i na transporte - Innovative projects and new technologies in education, industry and transport, 2010, pp. 115 - 122.
3. Matyash, Y. I., Tomilova O. S. Devices for water disinfection in long-distance passenger cars [Ustroystva dlya obbezzarazhivaniya vody v passazhirskih vagonah dalnego sledovaniya]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2010, no. 4, pp. 23 - 27.
4. Matyash, Y. I., Tomilova O. S. Using of Ultraviolet sterilizers for water disinfection in passenger long-distance trains [Primenenie ultrafioletovyh sterilizatorov dlya obezzarazhivaniya vody v passazhirskih poezdah dalnego sledovaniya]. Innovatsii dlia transporta - Innovations for Transport, 2010, Part 2, pp. 176 - 180.
5. Matyash, Y. I., Tomilova O. S., Tomilov V. V. Modeling of fluid flow in the ultraviolet sterilizer in the modern water system of passenger car [Modelirovanie processov protekaniya zhidkosti v ultrafioletovom sterilizatore modernisirovannoy sistemy vodosnabzheniya passazhirskogo vagona]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2011, no. 2, pp. 16 - 21.
6. Matyash, Y. I., Tomilova O. S., Tomilov V. V., Gatelyuk O. V. Flow modeling in UV sterilizer modern water systems in rail transport [Modelirovanie techeniy zhidkosti v UF-sterilizatore modernisirovannoy sistemy vodosnabzheniya passazhirskogo vagona zhelesnodorozhnogo transporta]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2013, no. 1, pp 18 - 27.
7. Avdovsky A. A. Organizaciya zhelesnodorozhnyh passazhirskih perevosok [Organization of rail passenger transport]. Moscow: Publishing center «Academy», 2008, 256 p.
8. Akimov O. V. Vodosnabzhenie i vodootvedenie na zhelesnodorozhnom transporte: Uchebnoe posobie [Water supply and drainage in railway transport: Textbook]. Khabarovsk: DVGUPS, 2010, 34 p.
9. Akimov O. V. Vodosnavzhenie zhelesnodorozhnoy stancii: Metodicheskoe posobie po vy-polneniyu raschetno-graficheskih [Water in railway station: Toolkit for the implementation of the settlement and graphic works]. Khabarovsk: DVGUPS, 2004, 24 p.
10. Idelchik I. E. Spravochnik po gidravlicheskim soprotivleniyam [Reference hydrodynamic resistance]. Moscow: Engineering, 1992, 672 p.
52 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 3(23) 2015
= _
