analiza procesów ogrzewania zwrotnic tramwajowych

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
z. 92
Transport
2013
Witold Grudzie
Tramwaje Warszawskie Sp. z o.o., Zakad Energetyki Trakcyjnej i Torów – T-1
Cezary ucyk, Tadeusz Niedziela
Politechnika Warszawska, Wydzia Transportu
Zakad 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 przykadowe termogramy powierzchni zwrotnic,
wykonane za pomoc kamery termowizyjnej przy mronej pogodzie. Przedstawiono model cieplny
ogrzewania zwrotnicy tramwajowej. Przeanalizowano celowo
stosowania grzaek o rónej mocy.
Sowa kluczowe: tramwaj, zwrotnica, grzaka
1. WPROWADZENIE
Warunkiem sprawnego funkcjonowania komunikacji tramwajowej jest m.in.
bezawaryjne dziaanie zwrotnic. Z tego wzgldu w okresie zimowym nie mona
dopuszcza
do zalegania niegu i zamarzania wody na rozjazdach. rodkiem sucym do
rozwizania problemu, stosowanym powszechnie przy sterowanych elektrycznie
zwrotnicach, jest montowanie grzaek elektrycznych przy kadej iglicy.
Dawniej, kiedy nie instalowano grzaek elektrycznych przy zwrotnicach, trzeba byo
kierowa
ludzi do oczyszczania rozjazdów przy kadym wikszym opadzie niegu lub
przy spadku temperatury nastpujcym po odwily. Obecnie nie ma takiej potrzeby,
wyczajc 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 grzaki musz by
zdatne, co wymaga
cigego monitorowania ich stanu i szybkiej wymiany elementów uszkodzonych.
Blokowanie zwrotnicy przez zalegajcy nieg wydua postój tramwaju na przystanku
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 grzaek 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 obsuguje jeden rozjazd. System sterowania
ogrzewaniem rozjazdów wspópracuje z systemem monitorowania stanu rozjazdów.
W systemie tym mog by
realizowane nastpujce funkcje: kontrola i pomiar prdu
grzaek, pomiar temperatury zewntrznej, zaczanie 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 zaczania i wyczania
grzaek usprawnia radykalnie prac sub 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 wpywa korzystnie na
„kalendarzowy” czas ycia grzaek (wyraona nim trwao
izolacji elektrycznej jest
z zasady wiksza przy pracy przerywanej ni przy pracy cigej).
Zaczanie i wyczanie grzaek oraz kontrola ogrzewania zwrotnic odbywa si – jak
wyej powiedziano – poprzez Internet. Na rys. 2 pokazano aplikacje monitoringu
dotyczce warszawskiej sieci tramwajowej i wybranych jej wzów. Wida
tu m.in.
aktualne (zmierzone w danej chwili) wartoci prdu grzaek zainstalowanych przy
poszczególnych zwrotnicach. Jeli grzaka nie jest wczona lub jeli jest wczona,
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
58
Witold Grudzie, Cezary ucyk, Tadeusz Niedziela
2. BADANIA MODELOWE
Gówna cze
ciepa wytwarzanego w grzace ogrzewajcej pózwrotnic 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).
Pozostaa cze
ciepa wytwarzanego w grzace (bezuyteczna) omija pózwrotnic,
rozprasza si w ziemi i równie przenika do atmosfery.
W pózwrotnicy i warstwach ssiadujcej z nim ziemi wystpuje nie tylko przepyw, ale
i akumulacja ciepa. Jednoczenie ze wzrostem temperatury zwrotnicy zapenia si wic
take „magazyn ciepa”. W czasie, gdy akumulacja nie zachodzi (stan ustalony), ciepo
wydostajce si do atmosfery jest równe ciepu wydawanemu przez grzak. „Magazyn
ciepa”: jest wtedy zapeniony. 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
pózwrotnicy, odpowiadajcy jej modelowi geometrycznemu [4].
-o
Rth1
Cth
'- F
-F
Rth2
Pth.u
Rys. 3. Schemat termokinetyczny ogrzewanej pózwrotnicy; -o - temperatura otoczenia
(powietrza), -F - temperatura pózwrotnicy, '-F - przyrost temperatury, Pth.u - moc cieplna
wnikajca do pózwrotnicy, Rth1 - opór dla ciepa przepywajcego poprzez warstw gruntu
i przenikajcego z jego powierzchni do otoczenia, Rth2 - opór dla ciepa przenikajcego
bezporednio z powierzchni pózwrotnicy 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 wspóczynników przenikania ciepa [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 pózwrotnicy (zwrotnicy) Wth wyraa zaleno
W th
C th ˜ Rth12
(3)
Analiza warunków ogrzewania zwrotnic tramwajowych
59
Warto
pojemnoci cieplnej Cth okrela si uwzgldniajc wkad ilociowy i wasnoci
materiaów (stali zwrotnicy i czci gruntu j otaczajcego), w odniesieniu do redniego
przyrostu temperatury, zastpczej objtoci i zastpczej jednostkowej pojemnoci cieplnej
(zastpczego objtociowego ciepa waciwego).
Zaoono, e moc cieplna dopywajca do pózwrotnicy Pth.u stanowi 80% mocy
cieplnej wydawanej przez grzak. W tablicy 1 podano wyznaczone wartoci rezystancji
termicznych, ustalonych przyrostów temperatury zwrotnic z grzakami o mocy 1000 W i
1500 W, oraz pojemnoci cieplnej i staej czasowej ogrzewania pózwrotnicy. 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. Wpyw mocy cieplnej Pth.u na
opór cieplny Rth12 i sta czasow ogrzewania Wth jest may, co wskazuje na stosunkowo
niewielk nieliniowo
badanego ukadu przy dobrej pogodzie.
Po zaczeniu lub wyczeniu grzaki temperatura pózwrotnicy zmienia si (zakadajc
liniowo
ukadu) wykadniczo [6]:
'- F
'- F .u '- F .u '- F . p ˜ 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 staej czasowej ogrzewania
zwrotnic o wartociach podanych w tablicy 1, osiga si: 60% ustalonego przyrostu
temperatury zwrotnicy - po okoo 4 godzinach od chwili zaczenia grzaek, 80% - po
okoo 7 godzinach, 90% - po okoo 10 godzinach. Równie wolno przebiega stygnicie
zwrotnic (wczeniej ogrzanych) po wyczeniu grzaek.
Ciepo wydawane na bieco przez grzak moe okaza
si niewystarczajce do
stopienia duych iloci niegu spadajcego, nawiewanego bd nanoszonego na odkryt
powierzchni pózwrotnicy (gównie do rowka szyny). W takiej sytuacji ujawnia si
przydatno
„magazynu ciepa”. Musi by
on peny w chwili pojawienia si duego opadu
niegu, tzn. zwrotnica musi by
na pocztku opadu dobrze nagrzana. Dlatego, biorc pod
uwag du inercj ukadu, konieczne jest wczanie ogrzewania zwrotnic co najmniej
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 pózwrotnicy 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 wspóczynnik 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 - ciepo topnienia niegu; ctV - ciepo topnienia niegu odniesione do objtoci powstajcej przy tym wody;
Vrs - pojemno
rowka szyny na dugoci 3 m; kmin , ksek - szybko
zapeniania 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 grzakami o mocy 1500 W – nagrzanymi w chwili wystpienia
opadów i ogrzewanymi w sposób cigy w czasie ich trwania. Zwrotnice z grzakami o
mocy 1000 W wykazuj w podobnej sytuacji deficyt ciepa. Opady niegu o duej
intensywnoci tworz deficyt ciepa dla obu zwrotnic.
Ciepo brakujce do stopienia niegu pobierane jest z „magazynu”. Rodzi si pytanie, na
jak dugo moe starczy
tego zmagazynowanego ciepa 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 penym nagrzaniu; 'Q - rezerwa ciepa przy
penym nagrzaniu (1/3 ciepa zakumulowanego); 'Pth.top - deficyt mocy cieplnej przy topnieniu niegu na
bieco; ttop.sek , ttop.min - czas topnienia niegu przy wykorzystaniu dostpnej czci ciepa zakumulowanego
Z oblicze wynika, e w razie wystpienia opadów o duej intensywnoci, wczeniejsze
pene nagrzanie zwrotnic powinno zabezpiecza
ich poprawne dziaanie w czasie okoo
1 godziny (grzaki o mocy 1000 W – 42 minuty, a o mocy 1500 W – 68 minut). Przy
trwajcych duej silnych opadach niegu trzeba si liczy
z niewydolnoci systemu
ogrzewania zwrotnic tramwajowych i by
gotowym do uycia specjalnych rodków.
Analiza warunków ogrzewania zwrotnic tramwajowych
61
3. POMIARY TERMOWIZYJNE
Mierzono temperatur zwrotnic w peni ogrzanych (w stanie ustalonym), uywajc
kamery termowizyjnej.
Kamera termowizyjna przetwarza promieniowanie podczerwone wysyane 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 waciwych parametrów obrazu w czasie „sesji
zdjciowej”. Zaley od tego wiarygodno
termogramów. Bdny 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 wpyw tumiennoci
atmosfery zwizany z odlegoci powierzchni od kamery, ale nie mona wpyn
na
zmian pooenia ktowego kamery wzgldem tej powierzchni. Jeli jest to powierzchnia
niepaska, znaczenie ma kt widzenia fragmentów jej krzywizny, zmieniajcy si wraz ze
zmianami oddalenia kamery od powierzchni. Poprawnie wyznaczone wartoci temperatury
pozornej, uzyskane wycznie przy prostopadym 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 pózwrotnic (z oddzieln grzak przy kadej pózwrotnicy),
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 grzaki o mocy 1000 W,
umieszczone przy opornicach (gówkach szyn) pózwrotnic
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 grzaki o mocy 1500 W,
umieszczone przy opornicach (gówkach szyn) pózwrotnic
Niepaskie fragmenty powierzchni zwrotnic obserwowane przez kamer termowizyjn
znajduj si w rónej odlegoci 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 pózwrotnic 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 pózwrotnicy tramwajowej wypo-saonej w grzak o mocy
1500 W, umieszczon przy opornicy (gówce szyny) pózwrotnicy
Analiza warunków ogrzewania zwrotnic tramwajowych
63
Na rys. 6 pokazano termogram i zdjcie jednej z pózwrotnic z rys. 5, w bliszym
ujciu. Wiksze ni poprzednio wartoci temperatury w obszarze pózwrotnicy s efektem
lepszej jej ekspozycji. Wysz z podanych wartoci mona uwaa
za rzeczywist warto
temperatury powierzchni zwrotnicy.
Na podstawie przedstawionych termogramów mona stwierdzi
, e grzaki o mocy
1000 W, wczone na stae przy suchej pogodzie, wywouj przyrosty temperatury
zwrotnic równe okoo 50 K, a grzaki 1500 W – okoo 75 K.
4. UWAGI KOCOWE
Informacje pochodzce od sub technicznych potwierdzaj suszno
wniosków
sformuowanych na podstawie wyników przeprowadzonych bada. Wczanie 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 cigy.
Badania wskazuj na problematyczno
stosowania grzaek o wikszej mocy. Wiksza
moc grzaek zapewnia szybsze topnienie niegu, ale ma to znaczenie gównie przy
umiarkowanych opadach niegu, za przy silnych opadach efekt ten jest mao wyrazisty.
Grzaki o wikszej mocy ulegaj przy tym szybszemu zuyciu. Grzaki o mocy 1000 W,
wczone na stae przy suchej pogodzie, wywouj przyrosty temperatury zwrotnic równe
okoo 50 K, a grzaki 1500 W – okoo 70 K. Biorc pod uwag te wartoci oraz
wykadniczy charakter zalenoci czasu „ycia izolacji” od przyrostu temperatury [3, 5],
mona przewidywa
, e grzaki o mocy 1500 W bd pracoway 4y5 razy krócej ni
grzaki o mocy 1000 W. „Kalendarzowy” czas ycia grzaek (po uwzgldnieniu proporcji
czasu wczenia i czasu wyczenia grzaek w cigu caego roku) o mocy 1500 W jest wic
okoo 2 razy krótszy ni grzaek o mocy 1000 W, mona si zatem spodziewa
okoo
dwukrotnie czstszego przepalania si grzaek o mocy 1500 W, ni grzaek o mocy
1000 W. Koszty dwukrotnie czstszej wymiany tych urzdze s niebagatelne. Grzaki nie
s tanie, przepalaj si do
czsto. Licz si koszty materiaów, transportu i robocizny.
Bibliografia
1. Grudzie W., ucyk C., Niedziela T.: Nadzór techniczny nad ogrzewaniem rozjazdów tramwajowych na
przykadzie Warszawy. Logistyka 2012, nr 4, pyta CD1
2. Hering M.: Termokinetyka dla elektryków. WNT, Warszawa 1980
3. Kolbiski K., Sowikowski J.: Materiaoznawstwo 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
64
Witold Grudzie, Cezary ucyk, Tadeusz Niedziela
7. Winiewski S., Winiewski T. S.: Wymiana ciepa. WNT, Warszawa 1997
8. System ogrzewania zwrotnic UNSO-2. Zaczniki. 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