Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Зимнее содержание автомобильных дорог в условиях города 10
1.1. Технология зимнего содержания автомобильных дорог 10
1.2. Методы утилизации снега 13
1.3. Снеготаялки 18
1.4. Перспективные направления развития снеготаялок 26
Глава 2. Общая методика и разработка постулатов исследования 29
2.1. Общая методика исследования 29
2.2. Снежная масса, как объект растепления » 33
2.3. Предпосылки растепления снежной массы электрическим током 37
2.4. Тезисы теории растепления электрическим током. Объект и предмет исследования 52
Глава 3. Подготовка экспериментальных исследований 55
3.1. Разработка экспериментальной установки 55
3.2. Планирование этапов и методика проведения эксперимента 59
3.3. Журналы эксперимента 67
3.4 Предположения о видах зависимостей 73
Глава 4. Обработка данных. графическая и физическая интерпретация 77
4.1. Определение частных зависимостей 77
4.2. Определение общих зависимостей 93
4.3. Рабочие параметры электрических снеготаялок 98
Глава 5. Пути практического применения результатов исследования 101
5.1. Предлагаемая методика определения начальных параметров снежной массы по ее электрическим характеристикам 101
5.2. Разработка принципиальных схем электрических снеготаялок и общей методики их расчета 103
5.3. Регулирование параметров электрических снеготаялок 107
5.4. Электробезопасность. Экологичность. Экономичность 109
5.5. Рекомендации к практическому применению 116
5.6. Предпосылки дальнейших исследований 117
Выводы по пятой главе 120
Общие выводы по работе 121
Список литературы 123
Приложения 136
- Перспективные направления развития снеготаялок
- Тезисы теории растепления электрическим током. Объект и предмет исследования
- Планирование этапов и методика проведения эксперимента
- Рабочие параметры электрических снеготаялок
Введение к работе
Актуальность темы. Особенности климатических условий нашей страны таковы, что для большинства регионов наиболее проблемным вопросом является зимнее содержание автомобильных дорог, В это время года происходит существенное изменение состояния их поверхности, что вызывает усложнение условий движения автомобилей.
Технология содержания автомобильных дорог и городских улиц в зимний период времени предполагает следующие виды мероприятий: очистка поверхности, сбор, вывоз и утилизация снежной массы. Как правило, в большинстве городов снежная масса, собираемая с улиц, вывозится на снегосвалки.
Однако с ростом городов создание снегосвалок, способных вместить требуемое количество снега, является весьма проблематичным. К тому же необходимо учитывать влияние такого количества тающей снежной массы в весенний период на экологию. Поэтому к настоящему моменту в некоторых городах России производится внедрение в процесс уборки улиц зимой систем непрерывной утилизации снежной массы (снеготаялок).
Практика показывает, что применяемые к настоящему времени стационарные снеготаялки используют непосредственно тепловую энергию (на природном топливе, сбросных водах ТЭЦ или коллекторах канализаций). Это обуславливает ряд недостатков их использования. Мобильные снеготаялки зависимы от сбросных коллекторов и малопроизводительны. Проектирование снеготаялок полустационарного типа, монтаж которых будет осуществляться на сезон в зависимости от объема работ, позволит избежать обозначенных недостатков.
Разработка снеготаялок на основе более универсального для городских условий вида энергии - электрической - является перспективным направлением развития данного вида техники для уборки городских улиц. Применение такого вида снеготаялок особенно эффективно в регионах, являющихся постав-
щиками (донорами) электроэнергии. Кроме того, существует необходимость определения методики нахождения влажности и компонентного состава снежной массы для оптимизации процесса ее растепления.
Актуальным является исследование электрофизических характеристик снежной массы, их изменение при длительном воздействии электрического тока, разработка методики определения параметров снежной массы, принципиальных моделей снеготаялок на основе изученных свойств и методики расчета такого типа снеготаялок.
Актуальным также является определение рабочих параметров и изучение рабочих процессов электрических снеготаялок с парными плоскими электродами.
Цель работы заключается в совершенствовании процесса таяния снежной массы з технологии уборки городских улиц в зимний период времени.
Объект исследования - процесс принудительного таяния снега при его утилизации под действием электрического тока. Предмет исследования - этот процесс применительно к электрическим снеготаялкам с парными плоскими токовыми электродами.
Научную новизну составляют:
способ утилизации снежной массы при помощи непосредственного воздействия электрической энергии;
экспериментальные зависимости начального удельного электрического сопротивления снежной массы от параметров электрического тока, компонентного состава снежной массы, температуры окружающей среды и времени действия тока;
экспериментальные зависимости времени растепления снежной массы от напряжения на токовых электродах, компонентного состава снежной массы, температуры окружающей среды и расстояния между токовыми электродами;
математическая модель рабочего процесса электрической снеготаялки (таяния снежной массы под действием электрического тока);
методика определения влажности и компонентного состава снежной массы по электрическим характеристикам.
Практическая ценность состоит:
в обосновании метода принудительного растепления (утилизации) снежной массы в технологии содержания городских улиц и автомобильных дорог;
в разработке методики определения влажности и компонентного состава снежной массы по электрическим характеристикам;
в формировании принципиальных схем снеготаялок на основе пропускания через снежную массу электрической энергии;
в разработке общей методики расчета параметров электрических снеготаялок;
в определении рекомендаций по применению зависимостей и методик.
Реализация результатов работы. Полученные зависимости и методики могут быть использованы при проектировании и расчете режимов работы снеготаялок на основе электрической энергии. Применение методики определения начальных параметров снежной массы возможно при оптимизации режимов работы снеготаялок с целью минимизации энергетических затрат на растепление.
На защиту выносятся:
- экспериментальные зависимости начального удельного электриче
ского сопротивления снежной массы от параметров электрического тока,
компонентного состава снежной массы, температуры окружающей сре
ды и времени действия тока;
экспериментальные зависимости времени растепления снежной массы от напряжения на токовых электродах, компонентного состава снежной массы, температуры окружающей среды и расстояния между токовыми электродами;
методика определения компонентного состава и влажности снежной массы по ее электрическим характеристикам;
принципиальные схемы снеготаялок, базирующихся на исследованных процессах;
- общая методика расчета параметров электрических снеготаялок.
Апробация работы. Основные результаты исследований представлены,
обсуждены и одобрены на региональной научно-практической конференции «Нефть и газ», г. Тюмень, 2004 г.; международной научно-практической конференции «Интерстроймех - 2004», г, Воронеж, 2004 г.; международной научно-практической конференции «Интерстроймех - 2005», г, Тюмень, 2005 г.; международной научно-практической конференции «Стройкомплекс - 2005», г. Ижевск, 2005 г.; международной научно-практической конференции «Heavy Machinery НМ 2005», г. Кральево (Сербия и Черногория), 2005 г.
Публикации, Основное содержание диссертационной работы автором опубликовано в 12 печатных научных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав» основных выводов по работе, списка использованной литературы из 142 наименований и приложений. Общий объем работы 182 стр., в том числе основной текст - 135 стр., приведены 39 рисунков, 21 таблица и 53 формул.
Перспективные направления развития снеготаялок
Использование снеготаялок для утилизации снежной массы становится привычным не только в самом крупном российском мегаполисе Москве, но и в других российских городах [84]. Первые снеготаялки готовятся принять собранный снег в Санкт-Петербурге, Уфе, Казани, Новосибирске и других городах.
Снеготаялки большой потенциальной производительности (на сбросных водах ТЭЦ) недостаточно мобильны, но их запуск позволит решить проблему утилизации снежной массы района, где они расположены. Передвижные самоходные снеготаялки мобильны, но возможности применения различных источников энергии в данном типе снеготаялок достаточно ограничены.
В то же время применение электрической энергии в процессе растепления позволит нивелировать зависимость процесса от габаритных внешних источников энергии. Изучение поведения снежной массы под действием электрического тока могло бы способствовать созданию принципиально новых моделей снеготаялок и активному развитию этого направления утилизации в регионах с избытком электроэнергии. Изучение возможности применения электрической энергии в системах утилизации снежной массы могло бы способствовать решению ряда научных и прикладных задач.
Обращает на себя внимание возможность разработки и использования снеготаялок полустационарного типа, которые были выделены в отдельную группу при разработке классификации (рис, 4). Полустационарные снеготаялки монтируются в начале зимнего сезона на обслуживаемой территории, а в конце сезона демонтируются и передислоцируются на базу хранения. Компактность таких снеготаялок позволит снизить затраты на перевозку снега от места сбора до объекта утилизации и обусловит возможность их использования не только для таяния снежной массы с городских улиц, но и снега, убираемого на дворовых территориях.
В первой главе проведен анализ технологий содержания городских улиц в зимний период времени, выявлено звено в процессе уборки автомобильных дорог, которое является наиболее «узким» местом технологии, - это утилизация снежной массы, отмечены преимущества систем принудительной («активной») утилизации снега - снеготаялок, рассмотрены конструкции нашедших применение снеготаялок, определены их недостатки. Как результат выше изложенного были сформулированы цель и задачи работы Заключается в совершенствовании процесса таяния снежной массы в технологии уборки городских улиц в зимний период времени. 1. Изучить влияние электрического тока на характеристики снежной массы; 2, Разработать методику определения компонентного состава снежной массы и ее влажности; 3. Предложить принципиальные схемы электрических полустационарных снеготаялок; 4. Описать рабочий процесс и охарактеризовать рабочие параметры электрических снеготаялок; 5. Разработать обшую методику расчета параметров электрических снеготаялок. Общая методика исследования (рис. 10) включает следующие основные этапы. Анализ состояния вопроса. Проводится с целью выявления «узких мест» существующих технологий, определения базовых понятий исследования и проработки информационного и научного материала для постановки задач исследования. Анализ методов зимнего содержания автомобильных дорог служит для создания общего представления о сфере коммунального и дорожного хозяйства в области зимнего содержания дорог в городских условиях. Анализ методов утилизации снежной массы служит для оценки методов утилизации снежной массы, собираемой с городских улиц, и их недостатков, которые ставят перед городским хозяйством вопросы, не разрешимые без научного подхода, и корректировки существующих методик. Анализ конструкций снеготаялок необходим для получения представления о типовой конструкции существующих видов снеготаялок, видах вносимой энергии и способах ее получения; проведения их систематизации и классификации по отличительным особенностям, оценки возможного и фактического использования рассматриваемых механизмов в процессе зимней уборки городских улиц. Этап анализа заканчивается постановкой задач исследования» Разработка дальнейших этапов, связанных непосредственно с решениями поставленных задач, определяется не только их особенностями, но и перспективами практической реализации. Теоретические и экспериментальные исследования проводятся параллельно, что позволяет использовать поэтапное решение задач научной работы с обменом информацией между видами исследований внутри каждого этапа и получением определенного выходного материала по завершении этапа.
Тезисы теории растепления электрическим током. Объект и предмет исследования
Растепление снежной массы электрической энергией явилось бы достаточно приемлемой технологией для условий Западной Сибири, где вырабатываемое на станциях электричество используется лишь на 30% [138] для внутреннего потребления, а в основной массе идет на экспорт в регионы Уральского федерального округа РФ,
При воздействии на растопляемый объект электрической энергией с пары токовых электродов растепление снежной массы будет производиться как проводника электрической энергии, то есть нагревом под действием собственного электрического сопротивления.
Так как чистый снег не является проводником, то наибольший эффект растепления будет достигнут при наличии определенного количества примесей, а именно, солей и грунта.
Механизм проводимости снега и льда в достаточной степени описан в работах [12,13,14, 22, 60,111], откуда следует сделать вывод о том, что растепления при достаточно низких температурах наблюдаться не будет из-за преобладания скорости замерзания очагов таяния над скоростью их образования» Очаги таяния будут образовываться в местах скопления локальных дефектов структуры снежной массы, например, неоднородности в виде кусков грунта или комков соли, внесенных в снежную массу при осуществлении противогололедных мероприятий.
Повышение влажности на определенном этапе будет способствовать повышению скорости таяния, но затем с уменьшением сопротивления скорость будет падать.
Таким образом, на данном этапе работы можно выделить основные понятия об объекте и предмете исследования. Объект исследования — процесс принудительного таяния снега при его утилизации под действием электрического тока. Предмет исследования - этот процесс применительно к электрическим снеготаялкам с парными плоскими токовыми электродами. Выводы по второй главе
В данной главе предложена общая методика исследования, рассмотрены вопросы, связанные с существующими исследованиями в области изучения электрических и электрофизических свойств снега, льда, мерзлых грунтов. Проанализированы работы по применению электрического тока при эксплуатации автомобильных дорог, растеплении мерзлых грунтов.
По результатам второй главы можно сделать следующие выводы: 1. Разработана общая методика исследования, позволяющая структурировать и оптимизировать последовательность действий при выполнении данной работы; 2. Рассмотрены предпосылки разработки метода растепления снежной массы электрическим током (исследование электрических свойств, растепление электрическим током, измерение электрических свойств); 3. Рассмотрены методы измерения электрических и электрофизических свойств, близких по структуре и свойствам к снежной массе материалов; 4. Сформулированы основные положения теории растепления снежной массы электрическим током с использованием парных плоских электродов; 5. Сформулированы объект и предмет исследования. Объект исследования - процесс принудительного таяния снега при его утилизации под действием электрического тока. Предмет исследования - этот процесс применительно к электрическим снеготаялкам с парными плоскими токовыми электродами.
Планирование этапов и методика проведения эксперимента
Теория планирования эксперимента в достаточной степени освещена в литературе [1, 3, 6, 8,11,26, 37, 38,46, 49, 63,70, 85, 86,100,123]. Как правило, большая часть рассматриваемых теорий относятся к поиску оптимума известной функции, то есть определению оптимальных условий протекания описываемого ей процесса. Но иногда существует необходимость построения лишь интерполяционной модели, которая бы предоставила возможность нахождения результата функции с требуемой точностью при заданных условиях. Математически задача планирования эксперимента формулируется, как необходимость получить представление о поверхности отклика факторов, которые задаются функциями. Приведя их к виду, необходимому для планирования эксперимента, можно получить следующие зависимости: где W - влажность снежной массы; Tow - температура окружающей среды; г - время действия электрического тока; S - массовая доля солей в образце; G - массовая доля грунтовых частиц в образце; Н - собственно доля снеголедовых частиц; U - напряжение на токоподающих электродах; L - расстояния между токовыми электродами, В то же время отметим, что некоторые факторы не являются независимыми. Так компонентный состав снежной массы, который характеризуется массовым содержанием трех компонентов, можно ограничить областью (рис. 20) и зависимостью: ходимо при графическом представлении зависимостей функций от компонентного состава.
Возможность варьирования факторами компонентного состава снежной массы представляется весьма затруднительной, поэтому для получения общей зависимости необходимо отдельно изучить влияние содержания соли и содержания грунта. Таким образом, при составлении матрицы планирования можно объединить содержание компонентов под одним фактором - Хх, Нахождение зависимости введенного общего фактора компонентной массы от отдельных его составляющих нуждается в отдельном планировании, которое приведено в соответствующем пункте рукописи. Зависимость функции от влажности снежной массы W не является определяющей для выявления характеристик процесса и на экспериментальном этапе ее можно исключить, а получить при помощи аналитической обработки данных эксперимента, а именно, использованием эмпирических зависимостей между температурой снега в естественных условиях и его влажностью. Температура окружающей среды Г0ф может существенно повлиять на рассматриваемый процесс, в то же время данный фактор в планируемом эксперименте является независимым. При составлении матрицы планирования обозначим фактор- Хг, Напряжение на токоподающих электродах - U и расстояние между токовыми электродами - L будем рассматривать как факторы, определяющие влияние характеристик лабораторной установки, при составлении матрицы планирования обозначим - Хъ. Время действия электрического тока - г, при составлении матрицы планирования обозначим - ХА
Полный факторный эксперимент для четырех факторов будет содержать 2 =24 = 1б вариантов опыта (для варьирования факторов в двух уровнях), содержания которых раскрывает матрица планирования (табл. 4). Где Хд - фиктивная переменная, введенная формально для расчетов коэффициентов регрессии; «+» - учет влияния данного фактора в рассматриваемом варианте эксперимента; «-» - влияния конкретного фактора на функцию в рассматриваемом варианте эксперимента. Запланированный многофакторный эксперимент разделим на несколько этапов для исследования влияния каждого из факторов отдельно и определим соответствующие им факторы варьирования: 1 этап - исследование влияния параметров электрического тока на токо-подводяших электродах. Фактор варьирования - напряжение на токоподводя-щих электродах и. 2 этап - исследование влияния параметров установки. Фаюгор варьирования - расстояние между токовыми электродами L. 3 этап - исследование влияния температуры окружающей среды. Фактор варьирования - температура окружающей среды Токр. 4 этап - исследование влияния компонентного состава снежной массы. Факторы варьирования - содержание солей 5 и содержание грунта G. 5 этап - исследование процесса изменения удельного электрического сопротивления от времени (скорости таяния снежной массы). Фактор варьирования - время воздействия электрического тока /. В тоже время третий этап эксперимента содержит два независимых в определенных пределах фактора варьирования, которые непосредственно влияют только на Хи а на функциональную зависимость влияние их опосредованно, поэтому необходимо составить матрицу планирования данного этапа, как двух-факторного эксперимента (табл. 5), При этом обозначим содержание солиЯ для удобства составления плана - Х5; а содержание грунта G обозначим - Х6.
Рабочие параметры электрических снеготаялок
Наиболее простой электрической снеготаялкой можно назвать пару плоских электродов, расположенных на постоянном расстоянии друг от друга. Назовем такую снеготаялку элементарной. Если между электродами такой конструкции загрузить снежную массу, то полное превращение снежной массы, равной первоначально по объему произведению площади электродов на расстояние между ними, в снежную кашу произойдет за промежуток времени, который можно назвать временем растепления одной загрузки. Следовательно, рабочими параметрами элементарной электрической снеготаялки являются расстояние между токовыми электродами, время растепления одной загрузки и напряжение на токовых электродах. Время растепления одной загрузки (в сек.) можно определять по следующей формуле: где п - масса одной загрузки (в кг); A = b h - площадь электродов (в м ); L - расстояние между токовыми электродами (в см); V - напряжение на токовых электродах (в В); Т0КР - температура окружающей среды (в градусах Цельсия); Н - содержание снеголедовых частиц (в массовых долях); G - содержание грунта (в массовых долях); S - содержание солей (в массовых долях). Расстояние между токовыми электродами можно определить из формулы конечного значения удельного электрического сопротивления снежной массы при ее переходе в снежную кашу: Напряжение на токовых электродах не может быть изменено в широких пределах и постоянно взаимосвязано с особенностями электрической сети. Предельные (максимальное и минимальное) значения напряжения на токовых электродах могут быть определены по формуле; Таким образом, определение рабочих лараметроз электрических снеготаялок не является задачей невыполнимой.
Однако, их регулирование должно выполняться совместно и в строго определенных пределах, чтобы обеспечить выполнение требуемой скорости растепления снежной массы и должных объемов утилизации. По результатам четвертой главы можно сделать следующие выводы: 1. Выявленные зависимости позволяют в дальнейшем проводить конструирование снеготаялок на основе предложенного способа; 2. Частные зависимости и экспериментальные данные позволяют оптимизировать принудительное таяние снежной массы под действием электрического тока по каждому из рассмотренных факторов и по их комплексному влиянию; 3. Рассмотрены рабочие параметры электрических снеготаялок - расстояние между токовыми электродами, время растепления одной загрузки и напряжение на токовых электродах; 4. Особое внимание требуется уделить на вопросы электробезопасности, что обусловлено достаточно размытой гранью перехода снежной массы в снежную кашу; 5. Автоматизированные системы управления процессом утилизации снежной массы в электрических снеготаялках являются необходимым средством контроля и адаптации режимов работы к конкретным начальным условиям и характеристикам подаваемой снежной массы Разработка и уточнение параметров математической модели таяния под действием электрического тока позволяют предложить и реализовать метод определения начальных параметров снежной массы. Порядок проведения и расчета требуемых параметров полностью описываются в соответствующей методике, разработанной на этапе планирования практической реализации аналитических и экспериментальных результатов исследований. Так как начальными параметрами снежной массы являются ее компонентный состав и влажность, то есть задача содержит четыре неизвестных, то для полного решения поставленного вопроса необходимо составить и решить систему из четырех уравнений. Используемый математический аппарат был получен на предыдущих этапах работы, 1) Выбор образцов для исследования Из толщи снежной массы, начальные параметры которой необходимо определить, выделяются два образца прямоугольной формы преимущественно однородного состава. 2)
Среда исследования Один из образцов может быть исследован на месте, другой для исключения влияния влажности помещается в температурный режим ниже (- 15 С), где выдерживается до охлаждения образца до температуры воздуха. 3) Размещение электродов На образце размещаются четыре плоских электрода согласно рис. 17 (II -а)- На концевые электроды прикладывается электрическая нагрузка известной величины- К потенциальным электродам подключается прибор с целью фиксации разности потенциалов на электродах и определения удельного электриче ского сопротивления в текущий момент времени. Измерение начальных параметров проводится у обоих образцов.
