Расчет контурной тепловой трубы термостабилизации бесстыкового пути

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАСЧЕТ КОНТУРНОЙ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ БЕССТЫКОВОГО ПУТИ

М.Е. Маркушин

Самарский государственный университет путей сообщения, г. Самара, Российская Федерация

Аннотация

Статья посвящена проблеме термостабилизации рельсов бесстыкового пути. Автор предлагает для защиты от недопустимых величин нагрева и охлаждения использовать контурные тепловые трубы. Зимой они позволяют использовать геотермальное тепло, а летом -- геотермальный холод. Это поддерживает температуру рельсов в автоматическом режиме без переохлаждения и перегрева рельсов предохраняя от «температурного» разрыва или излома зимой и от «температурного» выброса летом. Приведены результаты технико-экономического расчета системы термостабилизации плети бесстыкового пути тепловыми трубами в первом приближении, которые показывают принципиальную обоснованность и возможность их использования.

Ключевые слова. Бесстыковой путь, рельс, термостабилизция, геотермальный, контурная тепловая труба, температурный режим, регулировка, расчет, выброс, разрыв, излом.

Abstract

M.E. Markushin

Samara State Transport University, Samara, Russian Federation

CALCULATION OF THE CIRCUIT HEAT PIPE THERMOSTABILIZATION OF A CONTINUOUS WELDED RAIL

The article considers the problem of thermal stabilization of continuous welded rails. The author suggests using loop heat pipes to protect against unacceptable system values and cooling. In winter, they allow the use of geothermal heat, and in summer, geothermal cold. This maintains the temperature of the rails in automatic mode without overcooling and overheating of the rails, protecting them from “temperature” rupture or kinking in winter and from “temperature” release in summer. The study provides the results of the technical and economic calculation of the system of thermal stabilization of the continuous welded track by heat pipes in the first approximation, which show the fundamental validity and the possibility of their use.

Keywords. Continuous track, rail, thermal stabilization, geothermal, loop heat pipe, temperature regime, adjustment, calculation, ejection, rupture, fracture.

рельса термостабилизация бесстыковой труба

Использование бесстыковой конструкции пути железной дороги предполагает регулярное измерение температуры рельсов. При обеспечении надежной и безопасной работы бесстыкового пути встает задача управления его температурным режимом. Температура рельса выше температуры закрепления вызывает продольные силы сжатия, которые могут создать опасность выброса пути. Если температура рельса ниже температуры закрепления -- возникают растягивающие силы, которые могут вызвать излом плети или образование зазора в стыке, угрожающего безопасному пропуску поезда.

Использование бесстыкового пути в районах с большим межсезонным перепадом температур воздуха создает дополнительные трудности в его содержании: вероятность необходимости смены уравнительных рельсов в весенний и осенний периоды. Она приводит к увеличению времени проведения и удорожанию текущих и ремонтно-восстановительных работ бесстыкового пути.

Межсезонная смена уравнительных рельсов, по стоимости, может варьироваться. Она выполняется путевой бригадой. Численность бригады зависит от типа, длины рельсов, а также используемых путевых механизмов. Например, смена рельса Р65 длиной 12,5 м при раздельном скреплении, в среднем, может занимать 4,5-5,5 ч/ч. Об утверждении Норм времени на работы по текущему содержанию пути. Часть 2. Работы по рельсам и скреплениям: Распоряжение ОАО РЖД от 2 янв. 2018 г. № 22р : (ред. от 22 нояб. 2018) // СПС «КонсультантПлюс». Тогда затраты труда на смену 6 уравнительных рельсов (2 нитки пути) будут 27-33 ч/ч.

Весной при температурном расширении уравнительных рельсов, стыковые зазоры могут закрыться при невозможности их разгонки. Иногда не удается сменить уравнительный зимний рельс на укороченный летний. Технология смены рельсов без зазоров в стыках предполагает удалять зажатый рельс вырезкой его газопламенной резкой. Это приводит к его разрушению и невозможности дальнейшего использования. Извлекаемый рельс превращается в металлолом. При этом в бригаду смены рельсов должен быть назначен газорезчик, что влечет за сбой определенные сложности в период возможной смены уравнительных рельсов. Каждая «весенняя» смена уравнительных рельсов между бесстыковыми участками пути может быть дороже на стоимость двух уравнительных рельсов и процедуры газорезки. То есть, кроме нормированных человеко-часов при смене уравнительных рельсов, в ее стоимость может включаться стоимость 2-х рельсов Р65 длиной 12,5 м. Та- ким образом, актуальная стоимость ежегодной смены уравнительных рельсов между бесстыковыми участками в год может быть порядка 200 000 р.

Задача термостабилизации рельсов бесстыкового пути для защиты их от недопустимых величин нагрева и охлаждения может быть решена на высоком технологическом уровне применением низкотемпературных тепловых труб, позволяющих использовать геотермальное тепло зимой и геотермальный холод летом. Авторами [1] схематично разработана конструкция тепловой трубы системы автоматической регулировки температурного режима рельсов бесстыкового пути. Для практической реализации ее решения предложено применять контурные тепловые трубы, размещенные в верхнем и нижнем строениях пути, позволяющие использовать геотермальное тепло зимой и геотермальный холод летом для поддержания в автоматическом режиме допустимой температуры бесстыкового пути: предохранение от «температурного» разрыва или излома рельса зимой и предохранение от «температурного» выброса рельса или плети летом.

Контурная тепловая труба (КТТ) [2] относится к числу пассивных теплопередающих устройств, работающих по замкнутому испарительно-конденсационному циклу с капиллярным давлением прокачки теплоносителя. Она есть замкнутый контур с испарителем капиллярно-пористой структуры -- фитилем, конденсатором, которые связаны трубопроводами раздельного движения паровой и жидкостной фаз теплоносителя. КТТ имеет гибкие транспортные каналы, что удобно при монтаже. Капиллярная структура локализована, расположена в испарителе.

Возможные размеры КТТ: горизонтальный -- между вертикальными частями гидравлической и паровой труб, и вертикальный -- от испарителя до конденсатора, определяются принципами функциональности и целесообразности: горизонтальный -- не меньше межшпального, вертикальный -- не меньше толщины балластного слоя.

Приблизительный технико-экономический расчет конструктивного решения устройства термостабилизации рельсов бесстыкового пути при критических годовых температурных перепадах (в северных регионах), в продолжении [3], может быть следующим.

Нитка бесстыкового пути длиной L = 1 000 м принимает солнечное излучение площадью, 150 м² (для Р65). В наших широтах на квадратный метр приходится 800-1 000 Вт мощности солнечной энергии. При возможных потерях, для расчета можно взять 800 Вт на м². Тогда одна километровая нитка бесстыкового пути принимает 120 кВт. Пусть КТТ, обеспечивающая тепловую стабильность нитки плети бесстыкового пути, имеет геометрические параметры тепловой трубы [3]: вертикальный размер -- 2 м, горизонтальный -- не менее междушпального расстояния, корпус с теплоносителем на водной основе с теплопередающей способностью не менее 60 Вт. Его ориентировочная стоимость определяется ценой теплоносителя, корпуса, фитиля, конденсатора и его установкой в строение пути.

Рис. 1. Схема контурной тепловой трубы термостабилизации рельсов бесстыкового пути показана на рисунке: рельс 1 на железобетонных шпалах 2 в балласте 3 на грунте 4 включает испаритель (охладитель рельса) 5 и конденсатор (радиатор- теплообменник) 6, жидкостной конденсаторопровод 7 с теплоизолятором 8, компенсационную полость 9, паропровод 10 и фитиль (капиллярный насос-испаритель) 11