Управление удалением теплоизбытков от подвижного состава метрополитена Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

-------------------------------------------- © Д.В. Зедгенизов, И.В. Лугин,

2005

УДК 621.3.078:622.44

Д.В. Зедгенизов, И.В. Лугин

УПРАВЛЕНИЕ УДАЛЕНИЕМ ТЕПЛОИЗБЫТКОВ ОТ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА МЕТРОПОЛИТЕНА *

Семинар № 17

л ктуальность исследований. Энергопотребление тоннельной вентиляции метрополитена уступает только потреблению подвижного состава и составляет 0.8-1.2 млн. кВт-ч в год. На удаление теплоизбытков, выделяющихся от подвижного состава, затрачивается около 53% электроэнергии, расходуемой системой тоннельной вентиляции. Применение разрабатываемой системы в Новосибирском метрополитене позволит повысить эффективность удаления тепловыделения подвижного состава, а также снизит количество электроэнергии, затрачиваемое на проветривание станций. Последнее обстоятельство особенно актуально в связи с постоянным увеличением пассажиропотока метрополитена г. Новосибирска и неизбежным существующим ростом тарифов на электроэнергию. Указанные причины на наш взгляд определяют актуальность исследований.

Цель исследований: Поддержание требуемого микроклимата подземных сооружений метрополитена и создание более комфортных условия для пассажиров при одновременном снижении энергопотребления тоннельной вентиляции.

Задачи исследований: Локализовать распространение теплоизбытков от ходовой части подвижного состава в пределах подвагонного пространства во время стоянки поезда на станции и организовать их эффективное удаление системой тоннельной вентиляции.

Описание объекта исследований. Одним из основных источников тепловыделения в Новосибирском метрополитене является подвижной состав. На удаление тепла, выделяющегося в метропоездах, затрачивается около 50 % электроэнергии, расходуемой системой тоннельной вентиляции.

Исследование конструкций и характери-

стик электрического оборудования вагонов модели 81-717 и 81-714, эксплуатирующихся в Новосибирском метрополитене, показало, что источниками выделения тепла в подвижном составе являются пускотормозные резисторы (ПТР), четыре тяговых электродвигателя, мощностью 110 кВт каждый, резисторы регулирования поля электродвигателей и тормозные колодки на колесных парах. На основе анализа характеристик электрического оборудования вагонов, а так же по данным эксплуатационных служб метрополитена установлено, что основным источником тепловыделения метровагона являются пускотормозные резисторы [1, 2].

Наибольшее количество тепла выделяется: в ПТР при подходе метропоезда к станции (реостатное торможение тяговых двигателей), при стоянке на платформе (остывание ПТР) и при разгоне поезда (выведение ступеней сопротивлений, сопровождающееся повышенным током электродвигателей).

Тепло, выделившееся после начала торможения поезда в тоннеле, выносится воздушным потоком на станцию и затем удаляется через станционную вентиляционную камеру. Выделение тепла в ПТР при разгоне поезда происходит уже в тоннеле, поэтому для его разбавления и выноса используются только перегонные вентиляторы.

Перевозка пассажиров в метрополитене г. Новосибирска осуществляется четырехвагонными поездами. Метропоезд состоит из двух головных вагонов модели 81-717 и двух промежуточных вагонов модели 81-714. Независимо от модели вагона пускотормозные резисторы размещены в отдельной секции под кузовом вагона слева по направлению от хвоста к началу вагона. Таким образом, при правильной сцепке вагонов в депо ПТР трех метровагонов распо-

* Исследования выполнены в 2003 г. при грантовой поддержке молодых ученых СО РАН Администрацией Новосибирской области.

Рис. 1. Расположение пускотормозных резисторов метропоезда

лагаются с одной стороны, а резисторы четвертого вагона - с противоположной. При маневре метропоезда на конечной станции головной вагон становится хвостовым, т.е. меняется расположение ПТР относительно оси состава. Расположение секций ПТР приведено на рис. 1.

Указанные обстоятельства ограничивают число вариантов эффективной реализации системы удаления теплоизбытков.

На основе изучения конструкции вагонов и подплатформенного пространства станций метрополитена, а так же исходя из особенностей движения метропоездов и тепловыделений от них, авторами был предложен ряд вариантов построения системы удаления теплоиз-бытков от подвижного состава.

Технико-экономическое сравнение вариантов и выбор наиболее эффективного. При технико-экономическом анализе предложенных вариантов необходимо проводить их сравнение по стоимости, сроку окупаемости, энергоемкости, ремонтопригодности, надежности и массогабаритным показателям.

В результате экспертного сравнения установлено, что вариант «Перегон», представленный на рис. 2, имеет лучшие показатели сразу по нескольким критериям оценки. Указанный

вариант позволяет в большей степени использовать теплоаккумулирующие способности грунтов, окружающих тоннели перегона, для поддержания требуемых параметров микроклимата тоннельного воздуха. В этом варианте секция ПТР помещается в теплоизолирующий корпус. В нижней части корпуса размещены две автоматические створки-воздухоприемники. При подходе к станции и во время стоянки створки корпуса закрыты, обеспечивая локализацию теплоизбытков. После окончания разгона поезда, при подходе к перегонной вентиляционной камере, система автоматического управления открывает створки, ПТР интенсивно охлаждаются набегающим воздушным потоком. Таким образом, тепло выделяется непосредственно вблизи места его скорейшего разбавления и выноса перегонными вентиляторами, а также его аккумуляции прилегающими к тоннелю грунтами, а не на станции.

Расчет температуры нагрева пускотормозных резисторов

При полной остановке поезда большая часть его кинетической энергии переходит в тепловую, которая выделяется на ПТР. Масса

Рис. 2. Требуемое расположение воздухозаборных устройств для эффективного удаления теплоизбытков ПТР

Рис. 3. Диапазон температуры ПТР при установившемся термодинамическом равновесии

четырехвагонного поезда при максимальной загрузке составляет 220800 кг. При этом кинетическая энергия поезда Ек, движущегося со скоростью и = 60 км/ч = =16.7 м/с, составляет:

^ т ■ и2 220800 -16.72 ^

Ек =—^~ =-----------------------------------2-= 30678934 Дж

Тормозной путь поезда по данным эксплуатационных служб при начальной скорости 60 км/ч в зависимости от уклона путей составляет 157-194 м, в среднем - 175.5 м [3]. Поскольку по пути торможения выделение тепла происходит неравномерно и большая его часть выделяется непосредственно перед остановкой, для простоты расчета принимаем, что вся энергия на ПТР выделяется единовременно.

Масса нагревающегося элемента одной спирали блока ПТР метровагона составляет 5.4 кг. В блоке содержится 17 рядов ПТР по горизонтали и 4 ряда по вертикали (рис. 2). Масса нагревающихся элементов блоков четырехвагонного поезда:

М = 5.4-17 ■ 4 ■ 4 = 1468.8 кг

Начальная температура ПТР равна ^ = =18 0С (средняя температура тоннельного воздуха), конечная температура И определяется по формуле [4]:

Ек = <2 = с ■ М(й - г0)

/1 =

0.9 • Є

0.9 • 30678934

- +18 = 55.60 С

с • М 500 • 1468.6

где 2 - количество тепла, выделяющееся на ПТР, Дж; с - теплоемкость материала ПТР, Дж/(кг-0С); 0.9 - коэффициент, учитывающий потери теплоты на других элементах конструкции.

Расчет коэффициента теплоотдачи ПТР

Коэффициент теплоотдачи ПТР зависит от скорости обтекания спиралей ПТР воздухом.

Температура омывающего воздуха 18 0С, температура ПТР составляет 55.6 0С. Скорость омы-вания ПТР и0 на 8 % ниже скорости воздуха в зазоре из между поездом и стенкой тоннеля (за счет увеличения площади поперечного сечения зазора) и зави-

сит от скорости движения поезда [1]. из = 0.84 •у/(0.164 • и)4 = 8.54 м / с где и - скорость поезда, м/с.

При и = 60 км/ч = 16,7 м/с, и0 составляет:

и0 = 0.92 • 0.84 •д/(0.164-16.7)4 = 7.9 м / с

При значении скорости и0 = 7.9 м/с, Яе = 5.4-106 > 0.5405, поэтому расчет коэффициента теплоотдачи проводится для турбулентного потока. Для воздуха зависимость среднего коэффициента теплоотдачи при турбулентном режиме течения в пограничном слое имеет вид

[4]:

Мих = 0.032 • Яе08 = 0.032 • (0.5 406)08 = 191.6 где Мих - число Нуссельта; Яех - число Рейнольдса для потока, омывающего витки спирали ПТР;

Яе = Нзіі = = 0.5 40*

х V 15 •10-6

где х - характерный размер витка спирали ПТР по длине потока, 0.1 м.

Коэффициент теплоотдачи а

Мих Х 191.6• 0.0259 Вт

= 49.6-

х 0.1 м2 -0 С

где X - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м-0С).

Полученный коэффициент а справедлив для параметров первого ряда труб по направлению движения воздуха. При омывании труб в пучке турбулизация потока усиливается и достигает максимального и постоянного значения на третьем ряде труб. В ПТР несущие трубы расположены в коридорном порядке, следовательно, для первого ряда а = а1 составит 60 % от а3, для

Таблица 1

Результаты расчета коэффициента теплоотдачи для различной скорости омывания ПТР

Скорость омывания, из, м/с Средний коэффициент теплоотдачи, Ор, Вт/(м2'°С) Время полного охлаждения ПТР, мин

7.9(60 км/ч) 80.2 6.17

9 88.7 5.61

10 96.5 5.16

11 104.2 4.77

12 111.7 4.25

13 119.1 4.18

14 126.4 3.94

15 133.6 3.72

16 140.4 3.53

второго ряда а2 - 90 % от а3, для третьего и последующих рядов а3 [4], т.е.:

а1 = 49,6 Вт/(м2- 0С) 1 ряд; а2 = 74,4 Вт/(м2 • 0С) 2 ряд; а3 = 82,6 Вт/(м2- 0С) 3-17 ряды.

Средний коэффициент теплоотдачи в пучке:

а1 + а3 + а3-15

а = -

ср

17

49.6 + 74.4 + 82.6-15 17

= 80.2-

м

время от начала движения поезда, мин

С

Площадь поверхности теплоотдачи с одной спирали ПТР при ее внешнем диаметре 0,1 м составляет 0,000707 м2. Площадь теплоотдающей поверхности блока ПТР каждого вагона поезда Е = 6.15 м2.

Тепловой поток с поверхности теплообмена ПТР составляет:

Ч = аср (И - ?0) =

= 80.2-6.15-(55.6 -18)-4 = 74181,8

Дж

Время остывания ПТР до начальной температуры т1 составит:

, О 0.9-30678934

г1 = — =---------------= 370 с = 6.17 мин

Ч 74181,8

Проведенные исследования показали, что

время остывания ПТР до начальной температуры значительно превышает время движения поезда между станциями по перегону. Указанное обстоятельство объясняется недостаточной скоростью обтекания ПТР воздушным потоком. Сокращение времени остывания ПТР возможно, например, путем увеличения скорости их обтекания за счет изменения конструкции подвагонного пространства (см. рис. 2).

Оценка параметров теплопередачи в ПТР

При использовании рекомендуемой методики организации распределения тепло-избытков от поездов, теплопередача с ПТР осуществляется только при движении поезда на участке тоннеля от станции до перегонной венткамеры. Согласно эксплуатационным данным, при скорости движения поезда 60 км/ч,

Таблица 2

Диапазоны температур на ПТР при работе СУТ

Циклы торможения 11, 0С 12, 0С С * о ч И д о ^ Время с начала движения поезда, мин.

1 18 55.6 9063840 18547260 2.5

2 43.25 106.11 21240783 6370317 5

3 77.18 123.461 25423125 2187975 7.5

4 88.83 129.41 26859609 751490.7 10

5 92.84 131.46 27352990 258110.1 12.5

6 94.21 132.16 27522448 88651.53 15

7 94.68 132.40 27580651 30448.61 17.5

8 94.84 132.48 27600642 10458 20

9 94.90 132.5 27607508 3591.948 22.5

10 94.92 132.52 27609866 1233.705 25

11 94.93 132.53 27610676 423.7334 27.5

12 94.93 132.53 27610954 145.5372 30

13 94.93 132.53 27611050 49.98679 32.5

14 94.93 132.53 27611083 17.16867 35

15 94.93 132.53 27611094 5.896819 37.5

16 94.93 132.53 27611098 2.025345 40

это время составляет от 60 до 90 с, для большинства перегонов - 70 с. За это время все тепло со спиралей ПТР должно перейти к тоннельному воздуху. При несоблюдении этого условия будет происходить постепенный перегрев спиралей. Расчеты необходимого времени для остывания ПТР до первоначальной температуры приведены в табл. 1. Это время обратно пропорционально скорости воздуха, омывающего ПТР. В пункте 1 табл. 1 приведена естественная скорость омывания ПТР при движении поезда 70 км/ч, при которой время охлаждения ПТР составляет 6.17 мин, что значительно превышает указанное выше среднее время 70 с. Наибольшая скорость, которую можно получить при омывании ПТР воздушным потоком, составляет 16 м/с. Она ограничена конструктивными параметрами подвагонного пространства и требует установки воздухозаборных устройств (рис. 2). При этой скорости время остывания снижается до 3.53 мин, что также превышает 70 с.

Таким образом, не все количество тепла, выделяющееся на ПТР, передается тоннельному воздуху за время движения поезда от станции до перегонной венткамеры. Для расчета диапазона температур ПТР (нагрев - остывание), необходимо определить равновесное термодинамическое состояние и время его наступления. Результаты этих расчетов приведены в табл. 2 и на рис. 3. Расчет проведен для каждого цикла торможения поезда, начиная от начала его движения. В табл. 2 температура ПТР после охлаждения его воздушным потоком обозначена как И, температура ПТР после выделения в нем тепла при торможении обозначена как 12. Начальная температура ПТР (И первого цикла) равна температуре тоннельного воздуха 18 0С.

Количество тепла, переданное тоннельному воздуху за время охлаждения ПТР обозначено как QП; тепло, накопленное на ПТР и повы-

шающее их температуру - как QН, единицы измерения количества тепла - Дж. Время одного цикла в расчете составляет 2.5 мин. Термодинамическое равновесие наблюдается при QН стремящемся к нулю. Согласно проведенным расчетам, диапазон рабочей температуры ПТР устанавливается равным 94.9-132.5 0С. Это происходит к 9-му циклу, т. е. примерно через 22.5 мин от начала движения поезда.

Таким образом, определен диапазон рабочих температур ПТР, достигаемый при рекомендуемой схеме управления удалением теп-лоизбытков. Этот диапазон находится в пределах допустимых для ПТР значений. На основе расчета определены значения пороговой и аварийной температуры для САУ: соответственно 150 и 175 0С.

Функциональная схема системы удаления теплоизбытков

Функциональная схема системы управления удалением теплоизбытков (СУТ) представлена на рис. 4.

Открытие или закрытие заслонок-

воздухозаборников осуществляется электродвигателем посредством двух редукторов. Редуктор 1 и Заслонка 1 расположены непосредственно около электродвигателя. Для передачи вращающего момента ко второй заслонке служит трансмиссионный вал, в средней части которого расположены колодки тормозного устройства. Сжатие колодок осуществляет гидравлический толкатель тормоза. Пускатель гидротолкателя при наличии на входе команды «Тнал» подключает электромагнит гидротолкателя к питающей сети. Электромагнит втяги-

Рис. 4. Функциональная схема системы управления удалением теплоизбытков

вает сердечник, являющийся поршнем цилиндра с трансформаторным маслом. Выходной конец сердечника соединен с тормозными колод-

ками, осуществляя их сжатие. На трансмиссионный вал накладывается тормоз. При снятии сигнала «Тнал» сердечник отпадает и вал растормаживается.

Для подключения двигателя заслонок к сети имеется реверсивный пускатель, который при поступлении команд «ЗСоткр» или «ЗСзакр» осуществляет подключение той или иной последовательности фаз к электродвигателю, обеспечивая открытие или закрытие заслонок.

Крайние положения заслонок (открыто, закрыто) контролируются концевыми выключателями. Снятие или наложение тормоза так же контролируется соответствующими концевыми выключателями. В блоке пускотормозных резисторов установлен датчик температуры, выдающий сигнал «Тп» при достижении температурой ПТР порогового значения (150 0С), либо сигнал «Та» при достижении аварийного значения температуры (175 0С). Сигналы от концевых выключателей и датчика температуры поступают в блок управления.

Включение и отключение блока управления осуществляется внешними командами от машиниста поезда. При нормальной работе системы СУТ машинисту выдается сигнал «Работа», при возникновении в системе аварийной ситуации - сигнал «Авария».

В блоке управления запрограммирован временной график открывания и закрывания заслонок. Синхронизация временного графика с местоположением поезда происходит на конечных

1. Цодиков В.Я. Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Недра, 1975. - 568 с.

2. Пособие по изучению электрических цепей, электромагнитных реле и тяговых двигателей метрополитена. Ленинград. Изд-во «Транспорт», 1978. - 215 с.

станциях при поступлении сигнала «Синхр» от путевого выключателя.

Заключение

1. Впервые для данного класса моделей получено математическое описание процесса удаления тепла, выделяющегося в пускотормозных резисторах подвижного состава метрополитена при разгоне и торможении. Математическая модель учитывает изменение коэффициента теплоотдачи при различных скоростях движения поезда и накопление выделяющейся теплоты, позволяющее определить параметры термодинамического равновесия системы.

2. Впервые проведен анализ различных вариантов построения системы удаления теплоиз-бытков от ходовой части подвижного состава одновременно по нескольким критериям оценки.

3. Pазработаны технологические алгоритмы управления тепловыделением пускотормозных резисторов подвижного состава, обеспечивающие эффективную локализацию теплоизбытков на станциях и их удаление на перегонах средствами тоннельной вентиляции, а также даны рекомендации по использованию алгоритмов управления и регулирования теплового режима тоннелей и станций метрополитена.

4. Применение разработанных математических моделей и алгоритмов управления позволит снизить расход электроэнергии на проветривание на 9-12 %, улучшит условия эксплуатации тягового электрооборудования метропо-езда.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Правила технической эксплуатации метрополитенов Pоссийской Федерации. Санкт-Петербург. Изд-во

«Гранспорт», 1995. - 138 с.

4. Михеев М.А., Михеева ИМ. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1977. - 343 с.

— Коротко об авторах ------------------------------------------

Зедгенизов Д.В., Лугин И.В. — Институт горного дела СО РАН, г. Новосибирск.

УДК 622.73

© Ю.А. Лагунова, 2005