Диплом (Разработка влагоустроняющего комплекса тормозного компрессора КТ-7, КТ-7), страница 3

Механические способы предусматривают отделение влаги в жидкой фазе после сжатия воздуха и его охлаждения. В устройствах, реализующих этот метод, влага отделяется:

• при движении воздуха через насадки с металлическими кольцами в контактных фильтрах; при движении воздуха сквозь слой очищающего вещества - в проницаемых фильтрах; при движении воздуха по спирали и осаждении аэрозолей под действием центробежной силы - в циклонах; путем осаждения капель под действием силы тяжести - в гравитационных очистителях.

Ha Полтавском тепловозостроительном заводе была разработана звуковая камера, включающая в себя цилиндр диаметром 205 мм и длиной 1200 мм, на входе в который размещен трубчатый звуковой генератор. Генератор оснащался трубами, длина которых равнялась четверти длины звуковой волны. Воздух в трубы генератора направляется сопловым аппаратом. Для создания в камере стоячих волн на выходе из нее установлен отражатель с отверстиями диаметром 5 мм для прохода воздуха. Камерой описанной конструкции был оборудован тепловоз ТЭЗ-6732 А. Она подсоединена в систему после первого главного резервуара и установлена в вертикальном положении в дизельном помещении. Интенсифицировать процесс охлаждения сжатого воздуха и кон­денсацию в нем водяных паров можно также с помощью вихревого эффекта Ранка-Хилша . Для использования вихревого эффекта в условиях работы компрессорной установки локомотивов с сохранением необходимых параметров сжатого воздуха и получением максимальной холодопроизводительности необходимо около 10% сжатого воздуха отбирать в вихревую трубу для получения холодного потока, охлаждаю­щего основной поток в теплообменнике, что неэкономично.

Рассмотрение различных способов подготовки сжатого воздуха показывает, что только с помощью адсорбентов может быть получена та степень осушки, которая исключает образование конденсата и обеспечивает надежную работу пневмосистем как при положительных, так и при отрицательных температурах атмосферного воздуха. Адсорбционные установки сравнительно просты по конструкции и в изготовлении и легки в обслуживании.

2 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПАРОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В ПНЕВМАТИЧЕСКИХ МАГИСТРАЛЯХ ЛОКОМОТИВОВ

2.1 Температурный режим пневматических магистралей электровозов

Для определения причин, возможных мест замерзания влаги и разработки устройств, исключающих это явление, необходимо знать температурный режим пневматической сети, границы зон конденсации водяных паров и характер распределения конденсата по длине трубо­проводов при различных погодно-темперагурных условиях окружающей среды.

При расчёте распределения температур по длине магистрали обычно используется формула В. Г. Шухова [11], учитывающая стационарный теплообмен между теплоносителем и окружающей средой:

, (2.1)

где t₀ , t_вх – соответственно температура атмосферного и сжатого воздуха на входе в трубопровод;

k – коэффициент теплопередачи от сжатого воздуха к окружающей среде;

l, d - длина и внутренний диаметр трубопровода;

C_p , G - теплоемкость и массовый расход сжатого воздуха.

По данному выражению определяется температура ядра потока. Однако более низкую температуру имеет внутренняя поверхность трубопровода, на которой и начинается конденсация водяных паров при соприкосновении с ней воздуха. Эту температуру и следует принимать за исходную при определении изменения термодинамического состояния паровоздушной смеси по длине трубопровода.

Экспериментальные исследования характера распределения температур внутренней поверхности трубы по длине магистрали для пневматических сетей современных локомотивов типа ТЭ10, ТЭ116, ТЭП70, ТЭМ 2, ВЛ80 описываются уравнением

. (2.2)

Коэффициент χ зависит от характеристики пневматической сети и условий охлаждения трубопровода и имеет одинаковые значения для участков магистрали с идентичными условиями охлаждения, но различные для моментов пуска и остановки компрессора. Для участка магистрали от компрессора до промежуточного холодильника (змеевика) коэффициент χ равен соответственно 0,0952 и 0,0924, для промежуточного холодильника - 0,048 и 0,0478, для главных резервуаров - 0,0386 и 0,04. Полученное уравнение с учетом значений коэффициента χ позво­ляет аналитически определить температуры внутренней поверхности трубы по длине магистрали при любых температурах атмосферного воздуха. На рисунке 2.1 и 2.2 построены такие зависимости в диапазоне температур от плюс 50 °С до минус 50 °С для пневмомагистрали с компрессором типа КТ6, работающем в повторно-кратковременном режиме с продолжительностью включения (ПВ), равной 33%. При других ПВ компрессора графики строятся с помощью той же формулы (2.1), но с соответствующими замеренными для каждого ПВ значениями t_вх .

Рисунок 2.1 - Температурный режим пневматической магистрали (1) и зоны начала конденсации влаги в сжатом воздухе (2) на момент пуска компрессора при ПВ=33%

Из графиков следует, что перегревы внутренней поверхности трубы, например, на выходе из компрессора в момент его пуска составляют 104 °С, в момент остановки - 117 °С. После главных резервуаров для обоих режимов работы пневмосети перегревы практически одинаковы и равны 7 °С. Таким образом, хотя на участке магистрали, включая главные резервуары, поверхность трубы, а с ней и сжатый воздух охлаждается на 97-110 °С, но температуры окружающей среды не достигает. Дальнейшее охлаждение и уравнивание с температурой атмосферного воздуха осуществляется в тормозной магистрали и во вспомогательных цепях локомотива.

Рисунок 2.2 - Температурный режим пневматической магистрали (1) и зоны начала конденсации влаги в сжатом воздухе (2) на момент остановки компрессора при ПВ=33%

2.2 Фазовое состояние влаги в пневмомагистралях локомотивов

При известном распределении температур по длине магистрали представляется возможным определить места конденсации влаги, а так­же ее агрегатное состояние. Температура t₀, относительная влажность φ₀, давление ρ₀ атмосферного воздуха, а также давление сжатого воздуха однозначно определяют абсолютное содержание в нем влаги. Для данного значения t₀ по таблицам состояния водяного пара находим температуру, при которой воздух насыщается водяными парами. Эту температу­ру отмечаем на рисунках 2.1 и 2.2 на кривой t_маг =f(l), соответствующей принятому значению t₀. Например, при t₀=0 °C, φ=100% и давлении сжатого воздуха в момент остановки компрессора, равном 1,0 МПа в м³ сжатого воздуха содержится 49 г влаги. Этим количеством влаги воздух насыщается при температуре 39 °С, которую имеет магистраль на расстоянии 9,5 м от компрессора. Указанным способом на рисунке 2.1 и 2.2 построены серии кривых l_p=f(t₀, t_маг), ограничивающих зоны начала конденсации водяных паров в пневмомагистрали при различных величинах φ₀ и t₀. Анализ графиков показывает, что с повышением температуры атмо­сферного воздуха начало зон конденсации влаги в магистрали сдвигается ближе к компрессору и при t₀=50 °С находится от него на расстоянии 6-7 м. С понижением температуры до 0 °С конденсация влаги начинается на длине трубопровода 9-11 м, при минус 50 °С — на расстоянии 17-18 м от компрессора.

Устройства для подготовки сжатого воздуха — адсорбционные установки должны устанавливаться перед началом зоны конденсации водяных паров.

Из диаграммы вытекает важное обстоятельство: в магистрали возможна конденсация водяных паров, минуя жидкую фазу. Например, для φ₀=90% это будет происходить при температурах атмосферного воздуха ниже минус 25-27 °С, для φ₀=70% - при значениях ниже минус 21-23 °С и т. д. В этом случае практически исключается механическое отделение влаги.

Зная распределение температур по длине магистрали, представля­ется возможным определить количество влаги, конденсирующейся в пневмосети при любых погодных условиях работы локомотива. Для этого магистраль разделяем на ряд участков от начала зоны конденсации. По заданным значениям t₀ и φ₀ определяем абсолютное содержание водяных паров во всасываемом воздухе ρ_n. Для температуры сжатого воздуха t₁ в конце первого участка и для его давления находим величину плотности насыщенных паров ρ₁ по условиям всасывания. Разность ме­жду ρ_n и ρ₁ и есть количество воды в жидкой фазе на первом участке. Для второго участка по температуре t₂ в конце участка находим ρ₂, разность ρ₂- ρ₁=g_вл определяет количество сконденсировавшейся в нем воды и т. д. При этом делаются следующие допущения: давление сжатого воздуха в рассматриваемый момент времени постоянное по всей длине ма­гистрали, исключается существование капель влаги во взвешенном со­стоянии. По описанному способу на рисунках 2.5 и 2.6 приведены построен­ные графики, позволяющие определить количество влаги, выпадающей как на отдельных участках магистрали, так и на всем участке от начала конденсации до рассматриваемого места.

Кривые построены для t=0 °С и φ₀=30—100% при температурах сжатого воздуха в магистрали, соответствующих моментам пуска и остановки компрессора при его работе с продолжительностью включения 33%.

Из графиков следует, что на участке магистрали от компрессора до главных резервуаров может сконденсироваться примерно 90% всей влаги. Остальная влага выпадает после них, включая и тормозную магистраль. В главных резервуарах конденсируется 50-75% всего количества влаги.

Зная температуры сжатого воздуха в пневмосети электровоза, можно определить причины недостаточной эффективности термодина­мического метода улучшения качества воздуха в тормозной магистрали. Для этой цели определены значения относительной влажности φ_м воздуха в тормозной магистрали при типичных условиях работы пневматиче­ской сети электровоза в диапазоне температур атмосферного воздуха от плюс 50 °С до минус 50 °С. Расчеты выполнялись с помощью номограмм, (рисунках 2.1 и 2.2). При расчетах было учтено изменение температуры воздуха при его дросселировании в кране машиниста:

, (2.3)

где Р_р, Р_м – давление сжатого воздуха в главном резервуаре и в тормозной магистрали;

Т – абсолютная температура сжатого воздуха перед дроссельным устройством.

Значения φ_м определялись по формуле 2.4

, (2.4)

где ρ_р , ρ_м - плотность насыщенных водяных паров при температуре воздуха соответственно в главном резервуаре и в тормозной магистрали.