Analiza procesów ogrzewania zwrotnic tramwajowych Analysis of Tram Rail-Switches Heating Processes

Pełen tekst

(1)PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 92. Transport. 2013. Witold Grudzie Tramwaje Warszawskie Sp. z o.o., Zak ad Energetyki Trakcyjnej i Torów – T-1. Cezary ucyk, Tadeusz Niedziela Politechnika Warszawska, Wydzia Transportu Zak ad Systemów Informatycznych i Trakcyjnych w Transporcie. ANALIZA PROCESÓW OGRZEWANIA ZWROTNIC TRAMWAJOWYCH Rkopis dostarczono, listopad 2012. Streszczenie: W artykule przedstawiono i omówiono schemat blokowy systemu ogrzewania rozjazdów tramwajowych w Warszawie. Pokazano przyk adowe termogramy powierzchni zwrotnic, wykonane za pomoc kamery termowizyjnej przy mronej pogodzie. Przedstawiono model cieplny ogrzewania zwrotnicy tramwajowej. Przeanalizowano celowo stosowania grza ek o rónej mocy. Sowa kluczowe: tramwaj, zwrotnica, grza ka. 1. WPROWADZENIE Warunkiem sprawnego funkcjonowania komunikacji tramwajowej jest m.in. bezawaryjne dzia anie zwrotnic. Z tego wzgldu w okresie zimowym nie mona dopuszcza do zalegania niegu i zamarzania wody na rozjazdach. rodkiem s ucym do rozwizania problemu, stosowanym powszechnie przy sterowanych elektrycznie zwrotnicach, jest montowanie grza ek elektrycznych przy kadej iglicy. Dawniej, kiedy nie instalowano grza ek elektrycznych przy zwrotnicach, trzeba by o kierowa ludzi do oczyszczania rozjazdów przy kadym wikszym opadzie niegu lub przy spadku temperatury nastpujcym po odwily. Obecnie nie ma takiej potrzeby, wy czajc stany wyszej koniecznoci (sytuacje katastroficzne). W warszawskiej sieci tramwajowej znajduje si 190 rozjazdów o rónej konfiguracji, z przestawianymi automatycznie zwrotnicami, w nich za cznie 1436 podgrzewanych elektrycznie iglic [1]. W czasie zimy wszystkie grza ki musz by zdatne, co wymaga cig ego monitorowania ich stanu i szybkiej wymiany elementów uszkodzonych. Blokowanie zwrotnicy przez zalegajcy nieg wyd ua postój tramwaju na przystanku.

(2) 56. Witold Grudzie, Cezary ucyk, Tadeusz Niedziela. i utrudnia prac motorniczemu, musi on bowiem wychodzi z kabiny i przestawia. zwrotnic rcznie, a to opónia jazd. Szybka wymiana uszkodzonych grza ek jest wic wana zarówno dla zapewnienia przepustowoci szlaków, jak i normalnej pracy motorniczych. Na rys. 1 pokazano architektur systemu podgrzewania zwrotnic na rozjedzie tramwajowym. Sterownik lokalny obs uguje jeden rozjazd. System sterowania ogrzewaniem rozjazdów wspó pracuje z systemem monitorowania stanu rozjazdów. W systemie tym mog by realizowane nastpujce funkcje: kontrola i pomiar prdu grza ek, pomiar temperatury zewntrznej, za czanie sterowników lokalnych, pomiar opadów deszczu lub niegu oraz transmisja tych danych do centrum monitoringu. Sterowanie i monitoring s realizowane za porednictwem Internetu [8].. Rys. 1. Schemat blokowy systemu ogrzewania rozjazdów tramwajowych [8]. Monitoring urzdze tramwajowych oraz moliwo zdalnego za czania i wy czania grza ek usprawnia radykalnie prac s ub technicznych w okresie zimy. Pozwala szybko lokalizowa i usuwa awarie. Ogranicza zuycie paliwa (mniej wyjazdów pogotowia i grup sprawdzajcych). Dostosowanie sterowania ogrzewaniem zwrotnic do warunków atmosferycznych przynosi oszczdno energii elektrycznej, jak te wp ywa korzystnie na „kalendarzowy” czas ycia grza ek (wyraona nim trwa o izolacji elektrycznej jest z zasady wiksza przy pracy przerywanej ni przy pracy cig ej). Za czanie i wy czanie grza ek oraz kontrola ogrzewania zwrotnic odbywa si – jak wyej powiedziano – poprzez Internet. Na rys. 2 pokazano aplikacje monitoringu dotyczce warszawskiej sieci tramwajowej i wybranych jej wz ów. Wida tu m.in. aktualne (zmierzone w danej chwili) wartoci prdu grza ek zainstalowanych przy poszczególnych zwrotnicach. Jeli grza ka nie jest w czona lub jeli jest w czona,.

(3) Analiza warunków ogrzewania zwrotnic tramwajowych. 57. ale niesprawna, albo jest uszkodzony bezpiecznik (informacje o awariach s podawane na czerwono), to na ekranie widnieje informacja 0.0 A.. . . Rys. 2. Fragmenty obrazów z monitoringu sterowania i ogrzewania zwrotnic. . .

(4) 58. Witold Grudzie, Cezary ucyk, Tadeusz Niedziela. 2. BADANIA MODELOWE G ówna cze ciep a wytwarzanego w grza ce ogrzewajcej pó zwrotnic wnika w ni, rozprzestrzenia si, a nastpnie przenika do atmosfery: bezporednio bd przez warstw gruntu, powodujc stopienie niegu pojawiajcego si na powierzchni (w rowku szyny). Pozosta a cze ciep a wytwarzanego w grza ce (bezuyteczna) omija pó zwrotnic, rozprasza si w ziemi i równie przenika do atmosfery. W pó zwrotnicy i warstwach ssiadujcej z nim ziemi wystpuje nie tylko przep yw, ale i akumulacja ciep a. Jednoczenie ze wzrostem temperatury zwrotnicy zape nia si wic take „magazyn ciep a”. W czasie, gdy akumulacja nie zachodzi (stan ustalony), ciep o wydostajce si do atmosfery jest równe ciep u wydawanemu przez grza k. „Magazyn ciep a”: jest wtedy zape niony. W razie potrzeby; cz jego zawartoci moe by póniej spoytkowana. Stanowi konieczn rezerw na wypadek duego opadu niegu. Na rys. 3 pokazano uproszczony schemat termokinetyczny ogrzewanej elektrycznie pó zwrotnicy, odpowiadajcy jej modelowi geometrycznemu [4]. -o Rth1. Cth. '- F. -F. Rth2. Pth.u. Rys. 3. Schemat termokinetyczny ogrzewanej pó zwrotnicy; -o - temperatura otoczenia (powietrza), -F - temperatura pó zwrotnicy, '-F - przyrost temperatury, Pth.u - moc cieplna wnikajca do pó zwrotnicy, Rth1 - opór dla ciep a przep ywajcego poprzez warstw gruntu i przenikajcego z jego powierzchni do otoczenia, Rth2 - opór dla ciep a przenikajcego bezporednio z powierzchni pó zwrotnicy do otoczenia, Cth - pojemno cieplna. Aby obliczy wartoci rezystancji termicznych Rth1 i Rth2 , naley najpierw - korzystajc z równa i tablic z liczbami kryterialnymi oraz z prawa Stefana-Boltzmanna - wyznaczy. wartoci wspó czynników przenikania ciep a [2, 7]. Przyrost temperatury '-F w stanie ustalonym oblicza si ze wzoru. przy czym. '- F. Rth12 Pth.u. (1). Rth12. Rth1 Rth 2 Rth1 Rth 2. (2). Sta czasow ogrzewania pó zwrotnicy (zwrotnicy) Wth wyraa zaleno. W th. C th Rth12. (3).

(5) Analiza warunków ogrzewania zwrotnic tramwajowych. 59. Warto pojemnoci cieplnej Cth okrela si uwzgldniajc wk ad ilociowy i w asnoci materia ów (stali zwrotnicy i czci gruntu j otaczajcego), w odniesieniu do redniego przyrostu temperatury, zastpczej objtoci i zastpczej jednostkowej pojemnoci cieplnej (zastpczego objtociowego ciep a w aciwego). Za oono, e moc cieplna dop ywajca do pó zwrotnicy Pth.u stanowi 80% mocy cieplnej wydawanej przez grza k. W tablicy 1 podano wyznaczone wartoci rezystancji termicznych, ustalonych przyrostów temperatury zwrotnic z grza kami o mocy 1000 W i 1500 W, oraz pojemnoci cieplnej i sta ej czasowej ogrzewania pó zwrotnicy. Dane i wyniki odnosz si do ogrzewania zwrotnic przy suchej, bezwietrznej pogodzie [4]. Tablica 1 Wartoci wielkoci fizycznych i parametrów zwizanych z ukadem ogrzewania pózwrotnicy Pth.u. Rth1. Rth2. Rth12. '-F. Cth. Wth. Wth. W. K/W. K/W. K/W. K. kJ/K. min. h. 800. 0,110. 0,163. 0,066. 52,5. 240. 264. 4,4. 1200. 0,110. 0,147. 0,063. 75,4. 240. 252. 4,2. Obliczone wartoci ustalonego przyrostu temperatury '-F s bliskie wartociom uzyskanym z pomiarów za pomoc kamery termowizyjnej. Wp yw mocy cieplnej Pth.u na opór cieplny Rth12 i sta czasow ogrzewania Wth jest ma y, co wskazuje na stosunkowo niewielk nieliniowo badanego uk adu przy dobrej pogodzie. Po za czeniu lub wy czeniu grza ki temperatura pó zwrotnicy zmienia si (zak adajc liniowo uk adu) wyk adniczo [6]: '- F. '- F .u '- F .u '- F . p

(6) e. . t. W th. (4). przy czym (5) '- F .u Rth12 Pth.u gdzie: t – czas, '-F.p – przyrost temperatury ponad temperatur otoczenia w chwili pocztkowej (t = 0), '-F.u – ustalony przyrost temperatury ponad temperatur otoczenia (t = f). Przy „zerowym” nagrzaniu pocztkowym ('-F.p = 0) i sta ej czasowej ogrzewania zwrotnic o wartociach podanych w tablicy 1, osiga si: 60% ustalonego przyrostu temperatury zwrotnicy - po oko o 4 godzinach od chwili za czenia grza ek, 80% - po oko o 7 godzinach, 90% - po oko o 10 godzinach. Równie wolno przebiega stygnicie zwrotnic (wczeniej ogrzanych) po wy czeniu grza ek. Ciep o wydawane na bieco przez grza k moe okaza si niewystarczajce do stopienia duych iloci niegu spadajcego, nawiewanego bd nanoszonego na odkryt powierzchni pó zwrotnicy (g ównie do rowka szyny). W takiej sytuacji ujawnia si przydatno „magazynu ciep a”. Musi by on pe ny w chwili pojawienia si duego opadu niegu, tzn. zwrotnica musi by na pocztku opadu dobrze nagrzana. Dlatego, biorc pod uwag du inercj uk adu, konieczne jest w czanie ogrzewania zwrotnic co najmniej.

(7) 60. Witold Grudzie, Cezary ucyk, Tadeusz Niedziela. 6y7 godzin przed spodziewanymi opadami niegu. Wane jest ledzenie pod tym ktem prognoz pogody. Rozpatrzono kwesti mocy cieplnej potrzebnej do tego, by nieg osadzajcy si w czasie opadów - na pó zwrotnicy i bezporednio przy niej - topnia na bieco. W tablicy 2 zamieszczono wyniki oblicze odnoszce si do opadów niegu o redniej oraz duej intensywnoci (miar intensywnoci opadów stanowi wspó czynnik kmin lub ksek). Tablica 2 Obliczenie mocy potrzebnej do topnienia na bieco niegu osadzajcego si w rowku szyny ct. ctV. Vrs 3. 3. kJ/kg. kJ/m. m. 334. 334000. 0,003. kmin. ksek. Pth.top. 1/min. 1/s. W. 0,09. 0,0015. 1503. 0,12. 0,0020. 2004. ct - ciep o topnienia niegu; ctV - ciep o topnienia niegu odniesione do objtoci powstajcej przy tym wody; Vrs - pojemno rowka szyny na d ugoci 3 m; kmin , ksek - szybko zape niania rowka szyny wod ze niegu stopionego w umownym obszarze; Pth.top - moc cieplna potrzebna do topnienia niegu na bieco. Wyniki oblicze wskazuj, e rednio intensywne opady niegu nie s zagroeniem jedynie dla zwrotnic z grza kami o mocy 1500 W – nagrzanymi w chwili wystpienia opadów i ogrzewanymi w sposób cig y w czasie ich trwania. Zwrotnice z grza kami o mocy 1000 W wykazuj w podobnej sytuacji deficyt ciep a. Opady niegu o duej intensywnoci tworz deficyt ciep a dla obu zwrotnic. Ciep o brakujce do stopienia niegu pobierane jest z „magazynu”. Rodzi si pytanie, na jak d ugo moe starczy tego zmagazynowanego ciep a podczas opadów niegu o duej intensywnoci. W tablicy 3 przedstawiono wynik analizy dotyczcej tego zagadnienia. Tablica 3 Wspomaganie topnienia niegu przez ciepo zmagazynowane w szynach i podou Cth. '-F. 'Q. 'Pth.top. ttop.sek. ttop.min. kJ/K. K. kJ. W. s. min. 52,5. 4200. 1680. 2500. 42. 75,4. 6030. 1490. 4050. 68. 240. Cth - pojemno cieplna; '-F - przyrost temperatury przy pe nym nagrzaniu; 'Q - rezerwa ciep a przy pe nym nagrzaniu (1/3 ciep a zakumulowanego); 'Pth.top - deficyt mocy cieplnej przy topnieniu niegu na bieco; ttop.sek , ttop.min - czas topnienia niegu przy wykorzystaniu dostpnej czci ciep a zakumulowanego. Z oblicze wynika, e w razie wystpienia opadów o duej intensywnoci, wczeniejsze pe ne nagrzanie zwrotnic powinno zabezpiecza ich poprawne dzia anie w czasie oko o 1 godziny (grza ki o mocy 1000 W – 42 minuty, a o mocy 1500 W – 68 minut). Przy trwajcych d uej silnych opadach niegu trzeba si liczy z niewydolnoci systemu ogrzewania zwrotnic tramwajowych i by gotowym do uycia specjalnych rodków..

(8) Analiza warunków ogrzewania zwrotnic tramwajowych. 61. 3. POMIARY TERMOWIZYJNE Mierzono temperatur zwrotnic w pe ni ogrzanych (w stanie ustalonym), uywajc kamery termowizyjnej. Kamera termowizyjna przetwarza promieniowanie podczerwone wysy ane w jej kierunku z obserwowanego obiektu, nie mierzy wic rzeczywistej temperatury powierzchni, tylko przelicza porcje energii promienistej docierajce do poszczególnych pikseli matrycy, nadajc im wartoci okrelone mianem temperatury pozornej. Rol operatora kamery jest ustawienie w aciwych parametrów obrazu w czasie „sesji zdjciowej”. Zaley od tego wiarygodno termogramów. B dny wpis do menu kamery mona skorygowa na etapie komputerowej analizy obrazu. Nie znaczy to jednak, e „poprawione” w taki sposób (poprawnie wyznaczone) wartoci temperatury pozornej staj si automatycznie rzeczywistymi wartociami temperatury obserwowanej powierzchni. Mona bowiem skorygowa warto emisyjnoci powierzchni, albo wp yw t umiennoci atmosfery zwizany z odleg oci powierzchni od kamery, ale nie mona wp yn na zmian po oenia ktowego kamery wzgldem tej powierzchni. Jeli jest to powierzchnia niep aska, znaczenie ma kt widzenia fragmentów jej krzywizny, zmieniajcy si wraz ze zmianami oddalenia kamery od powierzchni. Poprawnie wyznaczone wartoci temperatury pozornej, uzyskane wy cznie przy prostopad ym ustawieniu kamery do obserwowanej powierzchni, mona uwaa za rzeczywiste wartoci temperatury tej powierzchni. Na rys. 4 i 5 pokazano termogramy i fotografie podgrzewanych elektrycznie zwrotnic tramwajowych, tj. kadej z jej pó zwrotnic (z oddzieln grza k przy kadej pó zwrotnicy), wykonane przy suchej nawierzchni, w temperaturze powietrza równej –8qC. 50,0°C 50. 1. . 40. 30. 6. 5. 2. 20. 10. 4. 3. 0. -10. -20 -20,0°C. Maksymalne wartoci temperatury pozornej w analizowanym obszarze: 1) -8,1ºC; 2) 34,3ºC; 3) 46,4ºC; 4) 37,4ºC; 5) 31,6ºC; 6) 28,4ºC.. Rys. 4. Termogram i fotografia zwrotnicy tramwajowej wyposa-onej w grza ki o mocy 1000 W, umieszczone przy opornicach (g ówkach szyn) pó zwrotnic.

(9) 62. Witold Grudzie, Cezary ucyk, Tadeusz Niedziela. 70,0°C. 1 60. 2. 5. 40. 4. 3. 20. 0. -20 -20,0°C. . Maksymalne wartoci temperatury pozornej w analizowanym obszarze: 1) -8,0ºC; 2) 57,0ºC; 3) 63,4ºC; 4) 57,9ºC; 5) 55,9ºC. Rys. 5. Termogram i fotografia zwrotnicy tramwajowej wyposa-onej w grza ki o mocy 1500 W, umieszczone przy opornicach (g ówkach szyn) pó zwrotnic. Niep askie fragmenty powierzchni zwrotnic obserwowane przez kamer termowizyjn znajduj si w rónej odleg oci od kamery i s widziane pod rónym ktem, dlatego te na termogramach przedstawionych na rys. 4 i na rys. 5 wystpuje spory rozrzut maksymalnych wartoci temperatury pozornej w obszarach ssiednich pó zwrotnic oraz zwrotnic. Rzeczywista temperatura tych powierzchni nie moe róni si tak znacznie. 70,0°C. 60. 40. 3 4. 20. 2. 0. 1 -20 -20,0°C. . Maksymalne wartoci temperatury pozornej w analizowanym obszarze: 1) –4,7ºC; 2) -1,0ºC; 3) 68,5ºC; 4) 67,6ºC. Rys. 6. Termogram i fotografia pó zwrotnicy tramwajowej wypo-saonej w grza k o mocy 1500 W, umieszczon przy opornicy (g ówce szyny) pó zwrotnicy.

(10) Analiza warunków ogrzewania zwrotnic tramwajowych. 63. Na rys. 6 pokazano termogram i zdjcie jednej z pó zwrotnic z rys. 5, w bliszym ujciu. Wiksze ni poprzednio wartoci temperatury w obszarze pó zwrotnicy s efektem lepszej jej ekspozycji. Wysz z podanych wartoci mona uwaa za rzeczywist warto. temperatury powierzchni zwrotnicy. Na podstawie przedstawionych termogramów mona stwierdzi , e grza ki o mocy 1000 W, w czone na sta e przy suchej pogodzie, wywo uj przyrosty temperatury zwrotnic równe oko o 50 K, a grza ki 1500 W – oko o 75 K.. 4. UWAGI KO COWE Informacje pochodzce od s ub technicznych potwierdzaj s uszno wniosków sformu owanych na podstawie wyników przeprowadzonych bada. W czanie ogrzewania zwrotnic tramwajowych odbywa si w praktyce na podstawie prognoz pogody, co najmniej 6y7 godzin przed spodziewanymi opadami niegu. Przy duych lub czstych (powracajcych co par godzin) opadach niegu, zwrotnice tramwajowe s ogrzewane w sposób cig y. Badania wskazuj na problematyczno stosowania grza ek o wikszej mocy. Wiksza moc grza ek zapewnia szybsze topnienie niegu, ale ma to znaczenie g ównie przy umiarkowanych opadach niegu, za przy silnych opadach efekt ten jest ma o wyrazisty. Grza ki o wikszej mocy ulegaj przy tym szybszemu zuyciu. Grza ki o mocy 1000 W, w czone na sta e przy suchej pogodzie, wywo uj przyrosty temperatury zwrotnic równe oko o 50 K, a grza ki 1500 W – oko o 70 K. Biorc pod uwag te wartoci oraz wyk adniczy charakter zalenoci czasu „ycia izolacji” od przyrostu temperatury [3, 5], mona przewidywa , e grza ki o mocy 1500 W bd pracowa y 4y5 razy krócej ni grza ki o mocy 1000 W. „Kalendarzowy” czas ycia grza ek (po uwzgldnieniu proporcji czasu w czenia i czasu wy czenia grza ek w cigu ca ego roku) o mocy 1500 W jest wic oko o 2 razy krótszy ni grza ek o mocy 1000 W, mona si zatem spodziewa oko o dwukrotnie czstszego przepalania si grza ek o mocy 1500 W, ni grza ek o mocy 1000 W. Koszty dwukrotnie czstszej wymiany tych urzdze s niebagatelne. Grza ki nie s tanie, przepalaj si do czsto. Licz si koszty materia ów, transportu i robocizny.. Bibliografia 1. Grudzie W., ucyk C., Niedziela T.: Nadzór techniczny nad ogrzewaniem rozjazdów tramwajowych na przyk adzie Warszawy. Logistyka 2012, nr 4, p yta CD1 2. Hering M.: Termokinetyka dla elektryków. WNT, Warszawa 1980 3. Kolbiski K., S owikowski J.: Materia oznawstwo elektryczne. WNT, Warszawa 1988 4. ucyk C.: Efektywno ogrzewania zwrotnic tramwajowych. Wiadomoci Elektrotechniczne 2012, nr 12 (w druku) 5. ucyk C.: Intensywno starzenia i temperatura równowana ze wzgldu na starzenie si izolacji elektrycznej. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, Transport z. 57. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2006 6. ucyk C.: Zasady energoelektryki. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000.

(11) 64. Witold Grudzie, Cezary ucyk, Tadeusz Niedziela. 7. Winiewski S., Winiewski T. S.: Wymiana ciep a. WNT, Warszawa 1997 8. System ogrzewania zwrotnic UNSO-2. Za czniki. ZUE S.A. 2010. http://www.grupazue.pl/?q=pl/node/92. ANALYSIS OF TRAM RAIL-SWITCHES HEATING PROCESSES Summary: A block diagram of system used in Warsaw for tram rail-switches heating is presented and discussed. Some examples of switches surface thermograms taken with thermovision camera in frosty weather are given. A thermal model of tram rail-switch heating has been proposed. The appropriateness of use of heaters with different power was discussed. Keywords: tram, rail-switch, heater.

(12)