К вопросу об осушке сжатого воздуха на подвижном составе и предприятиях ОАО «РЖД»
Аннотация
Безопасность движения поездов - один из главных критериев привлекательности перевозочного процесса – напрямую зависит от качества работы тормозной техники. Российская история ее развития шла по пути использования сжатого воздуха. Однако, недорогое и привлекательное рабочее тело пневмосистем – сжатый воздух – не лишен весомых недостатков. Наиболее опасным является влага. При понижении температуры сжатого воздуха происходит процесс насыщения паров влаги, а затем выпадение конденсата... Ключевые слова: сжатый воздух, компрессора, УЗОТ, локомотивы, жалюзийный сепаратор, механический способ
05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрофикация
РГУПС
Безопасность движения поездов - один из главных критериев привлекательности перевозочного процесса – напрямую зависит от качества работы тормозной техники. Российская история ее развития шла по пути использования сжатого воздуха. Однако, недорогое и привлекательное рабочее тело пневмосистем – сжатый воздух – не лишен весомых недостатков. Наиболее опасным является влага. При понижении температуры сжатого воздуха происходит процесс насыщения паров влаги, а затем выпадение конденсата.
Образование конденсата в пневмосетях поездов, тормозных приборах в осенне-весенний период представляет угрозу безопасности движения подвижного состава ввиду возможности кристаллизации влаги. Перемерзание тормозной магистрали, концевых рукавов между секциями локомотива, автоблокировки усл. № 367, ледяные пробки в кране машиниста и воздухораспределителях, делают поезд неуправляемым.
Наряду с проблемой отказа автоматических тормозов в пути следования, ещё до выхода на маршрут движения, вагоны проходят безлокомотивную обработку сжатым воздухом. Полное опробование тормозов в ПТО вагонных депо проводится сжатым воздухом от стационарных компрессорных станций Устройством Зарядки и Опробования Тормозов (УЗОТОом). Пневмосистемы УЗОТ, как правило, не оборудованы эффективными системами осушки сжатого воздуха. Таким образом, перед отправлением поезда, в тормозную магистраль закачивается сжатый воздух вместе с влагой, которая также может кристаллизироваться и препятствовать движению сжатого воздуха.
На протяжении многих лет в РГУПСе (РИИЖТе), ВЭлНИИ, ВНИКТИ ведущими специалистами велись фундаментальные исследования по вопросам осушки сжатого воздуха в системе железных дорог. Исследования применяющихся в технике методов осушки сжатого воздуха показало, что для условий эксплуатации подвижного состава железнодорожного транспорта одним из возможных методов является адсорбционный. Ученые ВЭлНИИ и ВНИКТИ (Ю.Н. Головакч, И.В. Скогоровев, А.А. Шарунин, А.Л. Редин) шли по пути реализации химического метода осушки сжатого воздуха – применении адсорбентов.
Рассмотрим наиболее интересный короткоцикловый безнагревный метод адсорбции.
Для расчёта массы адсорбента рекомендуется уравнение:
, кг (1)
где G – масса адсорбента, кг;
пц – продолжительность процесса поглощения влаги, с;
Vo, Vp – удельные расходы осушаемого и осушенного воздуха, кг/м3;
Ки – коэффициент избытка регенерационного воздуха;
С0, С – влагоёмкость осушаемого воздуха, кг/м3;
Ад – динамическая влагоёмкость адсорбента, кг влаги/кг адсорбента;
Объём адсорбента равен
Vадс = 
, (2)
где 
- насыпная плотность адсорбента, кг/м3.
Рекомендуемое соотношение размеров слоя адсорбента
H = ( 2
H ) D, (3)
где H и В – высота и диаметр слоя адсорбента.
, м (4)
Входящие в (1) величины взаимосвязаны. Проведён комплекс исследований процессов КБА. Изучено влияние на выходные параметры осушенного сжатого воздуха различных климатических и эксплуатационных факторов: влагосодержания и температуры осушаемого воздуха, длительности адсорбции и десорбции влаги, расхода регенерационного воздуха, продолжительности включения компрессора.
Одной из важнейших характеристик процесса короткоцикловой безнагревной адсорбции является длительность полуцикла работы адсорбера до его переключения на режим регенерации адсорбента.
Результаты исследований приведены на рис.1 для установки с цеолитами NaA. Графики представлены в виде серии кривых зависимости температуры точки росы tp осушенного сжатого воздуха от величины 
пц при различных относительных расходах регенерационного воздуха 
, где Vp и Vo - количество регенерационного и осушенного воздуха. Значение 
определились при испытаниях из выражения:
100, % (5)
где ПВр и ПВб – продолжительность включения компрессора соответственно при наличии расхода регенерационного воздуха и без него.
Продолжительность включения компрессора определяется как отношение времени его работы к общей продолжительности цикла (работа плюс стоянка).
Для стабильного процесса КБА должен обеспечиваться достаточный расход регенерационного воздуха. Его величина не должна быть ниже вычисляемой из уравнения
, % (6)
где Pp и P1 – давление регенерационного и осушаемого потоков.
Для локомотивных пневматических сетей величина 
находится в пределах 11-13 %.
Из рис.1 следует, что существует определённая продолжительность полуцикла, при которой достигается наилучшая степень осушки, то есть минимальное значение tp. Положение экстремума кривых, практически, не зависит о величины 
; для цеолита оно наблюдается при 
пц = 3,5 мин. Отклонение величины как в сторону его увеличения, так и в сторону его уменьшения приводит к снижению эффективности процесса, то есть к возрастанию температуры точки росы осушенного сжатого воздуха. Удлинение цикла процесса уменьшает частоту срабатывания управляющей аппаратуры, уменьшает износ адсорбента, чем повышается надёжность адсорбционной установки. Кроме того, сокращаются непроизводительные расходы сжатого воздуха, неизбежные при переключении адсорберов с режима адсорбции на режим регенерации. Это снижает нагрузку на адсорбер, повышает его срок службы. Что касается эффективности обоих типов адсорбента, то получаемые величины tз при осушке цеолитом, практически, равны при соответствующих им оптимальных значениях 
пц.
Значение температуры точки росы для цеолита NaA, в зависимости от длительности полуцикла и относительного расхода воздуха 
на регенерацию, можно определить по формуле:
, (7)
На степень осушки сжатого воздуха оказывает влияние влагосодержание осушаемого воздуха С0. Эта зависимость показана на рис1. Этот график показывает, что адсорбент NaA обеспечивает достаточную степень осушки.
Рис. 1. Зависимость содержания влаги в осушенном воздухе от её количества в осушаемом при адсорбции на цеолите NaA (
=3,5 мин).
Исследуемая зависимость описывается уравнением:
, (8)
Расход воздуха на локомотивах при ведении поезда непостоянен во времени. Ввиду этого и продолжительность включения компрессора (ПВ) является величиной переменной. Влияние ПВ в установившемся режиме адсорбционного процесса на температуру точки росы tp приведено на рис.2.
Рис.2. Номограмма зависимости точки росы сжатого воздуха от ПВ компрессора при адсорбции на цеолите ( t0 = 20° C, 
).
Уравнение зависимости tp = f(ПВ) имеет вид:
,
Одной из основных характеристик адсорбционного процесса является динамическая влагоёмкость адсорбента, то есть количество влаги, поглощаемое единицей массы поглотителя при реальных условиях адсорбционного процесса. Её значение может быть определено из уравнения:
, 
, (10)
График зависимости 
приведён на рис.3.
Рис.3. Динамическая влагоёмкость цеолита NaA.
Масса адсорбента в одном адсорбере определяется из уравнения (1). Значения входящих в него величин вычисляются из выражений (8), (10), либо из соответствующих номограмм на рис. 1 и 3.
Данные результаты дают основание говорить о том, что адсорбционный процесс отвечает большинству требований, предъявляемых к системам осушки подвижного состава железных дорог. Однако, в процессе их изучения, выявили ряд недостатков, к которым можно отнести следующие. При остановке компрессора адсорбер сообщается с атмосферой, и за возможно более короткое время давление в нём должно снизиться до атмосферного, чтобы за время стоянки компрессора обеспечивалась нормальная регенерация адсорбента. При включении компрессора также за короткое время растёт давление. Такой режим работы ухудшает процесс адсорбции, ввиду высоких скоростей воздуха в первоначальный период, и уменьшает срок службы адсорбента. Отсюда следует, что адсорбент необходимо постоянно регенерировать, следить за его состоянием и способностью поглощать влагу из сжатого воздуха. Затем, отработанный адсорбент необходимо утилизировать, а это оказывает пагубное воздействие на состояние окружающей среды. В пневмосистемах УЗОТ использование адсорбционного метода осушки сжатого воздуха также представляется затруднительным. Особенностью работы УЗОТа является переменный расход сжатого воздуха, колеблющейся от 0,9 до 16000 м3/час (по данным эксперимента, проведенного на ПТО «Север» станции Батайск СКЖД – филиала ОАО «РЖД»), что также не позволит адсорберной установке эффективно осушать сжатый воздух.
Всё это, позволяет сделать вывод о несовершенстве адсорбционной метода осушки, и необходимости поиска современного метода, отвечающего требованиям качества осушки, экологичности, простоты в эксплуатации и долговечности.
Ученые РГУПСа (РИИЖТа) шли по пути реализации механической осушки сжатого воздуха. Таким устройством, позволяющим эффективно осушать сжатый воздух до крана машиниста, стал жалюзийный сепаратор (рис. 4). Простой в изготовлении, недорогой, не требующий специального обучения персонала, жалюзийный сепаратор явился эффективным средством осушки сжатого воздуха для локомотивов.
Рис. 4. Устройство для осаждения и удаление влаги из сжатых газов:
1 – главный резервуар; 2 – гофрированные перегородки; 3 – наклонные перегородки; 4 – клапан продувки КП-45; 5 – влагосборник; 6 – дренажные трубки; 7 – каналы; 8 – резервуар; 9 – отражатель; 10 – дренажный желоб; В – камера влажного воздуха; С – камера сухого воздуха
Согласно программным документам ОАО «РЖД» в рамках повышения безопасности движения поездов была поставлена задача создания эффективной установки осушки сжатого воздуха на ПТО вагонных депо. Проведенный промышленный эксперимент на ПТО «Север» станции Батайск подтвердил теоретически полученные данные. Дросселированиие давления в пневмосистеме УЗОТ с последующей сепарацией, локализацией и отводом влаги в жалюзийных сепараторах позволило создать запас по температуре точки росы до 5 градусов.
Несомненными преимуществами применения механического метода осушки сжатого воздуха на подвижном составе и предприятиях ОАО «РЖД» являются:
- высококачественная подготовка сжатого воздуха;
- низкая материалоёмкость;
- высокая степень экологичности установок;
- минимизация влияния человеческого фактора при их эксплуатации;
- простота в обслуживании;
- высокий экономический эффект.
Литература:
1. Ю.Н. Головач, И.В.Скогорев, А.А.Шарунин «Устройства для подготовки сжатого воздуха на локомотивах», Новочеркасск, 1988 г. с.11-12
2. А. Пуанкаре. Термодинамика – М. – Ижевск: НИЦ, 2005. – 332 с.
3. С.С. Кутателадзе Основы теории термодинамики – М. : Машгиз, 1962. – 456 с.
20 июня 2008 г.