Принципиальная схема тепловоза

Содержание

Введение…………………………………………………………………………4

1.Тепловозы…………………………………………………..………………….7

1.1. Принципиальная схема тепловоза………………………………………...7

1.2. Основы устройства дизеля………………………………………………...8

1.3. Характеристики и виды топлива…………………………………………10

1.4. Процессы горения топлива……………………………………………….12

1.5. Токсичность выхлопных газов дизелей………………………………….15     

1.6. Электрическая передача и вспомогательное электрическое

оборудование тепловоза……………………………………………………….22

1.7. Понятие о механической и гидравлической передачах……………...…23

2. Дизельные поезда, автомотрисы, мотовозы и газотурбовозы……………24

3. Паровозы……………………………………………………………………..25

4. Электрический подвижной состав………………………………………...26

4.1. Электровозы и электропоезда…………………………………………….26

4.2. Тяговая сеть……………………………………………………………......29

4.3. Воздействие электромагнитных полей на человека…………………….31

5. Локомотивное хозяйство……………………………………………………32

5.1. Локомотивное депо……………………………………………………......33

5.2. Экипировка тепловозов и экипировочные устройства…………………40

6. Защита окружающей среды на предприятиях локомотивного

хозяйства………………………………………………………………………..48

6.1.Очистка сточных вод на предприятиях локомотивного хозяйства…….48

6.2. Очистка воздушной среды на предприятиях локомотивного

хозяйства………………………………………………………………………..57

Заключение……………………………….…………………………………….59

Литература……………………………………………………………………...60

 

Введение

Транспорт – технически сложный, круглосуточно работающий комплекс, с широко разветвленной структурой и целым рядом производств (объединенных единым технологическим процессом перевозки пассажиров и грузов) – функционирует, активно загрязняя окружающую природную среду (См. таблицу 1). 

С деятельностью железных дорог связаны газообразные, жидкие и твердые отходы, которые поступают в атмосферу, поверхностные водоемы и подземные воды, почвы. В результате сжигания органического топлива в атмосферу попадает значительное количество углекислого газа и вредных веществ – свинца, сажи, углеводородов, оксидов углерода, серы и азота и др. В ряде районов (не без влияния железной дороги) нарушены почвенный покров и ценные ландшафты, истощены водные ресурсы, уменьшилась численность животных и птиц.

 

Таблица 1. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу транспортными средствами в 2000 г., тысяч тонн.

 

Вид транспорта	СО	С n Hm	NOx	C (сажа)	SO2	Pb	Всего
Автомобильный	9356,0	1311,0	1634,0	50,0	228,0	1,1	12580,1
Речной	14,9	11,1	42,3	4,5	14,9	-	87,7
Морской	11,6	8,0	29,4	2,6	30,5	-	82,1
Воздушный	33,5	6,0	58,0	-	12,5	-	110,0
Железнодорожный	36,7	22,7	149,0	9,0	-	-	217,4
Дорожные машины	128,0	25,0	65,0	5,5	9,1	0,03	232,6
Всего	9588,7	1383,8	1977,7	71,6	295,0	1,13	13317,9

 

До настоящего момента работы по определению сферы влияния железнодорожного транспорта на экологическую ситуацию отражают результаты лишь отдельных исследований той или иной области (например, создание в 1995 году “Атласа радиационной обстановки на Октябрьской железной дороге”). Проведенные в значительном объеме работы пока не укладываются в единую систему наблюдений, оценки, контроля и прогнозирования состояния, как отдельных объектов окружающих среды, так и их совокупности. Однако, это необходимо, поскольку причины и степень нарушенности экологической обстановки в зоне влияния железных дорог различны. Эффективность мер по снижению отрицательного влияния железнодорожного транспорта во многом зависит от качества обследования полосы отвода и прилегающих к ней территорий.

По результатам анализов почвенно-грунтовых проб тяжелых металлов выявлены закономерности распределения в зоне воздействия железной дороги на окружающую среду. Преобладающими металлами-загрязнителями можно считать свинец, цинк и железо. Причем аномально высокое концентрирование техногенного цинка происходит в верхнем слое почвы.

Загрязненность почв тяжелыми металлами можно охарактеризовать следующим образом: большая часть проб почв (57%) является загрязненной, то есть в них содержание хотя бы одного элемента превышает допустимую концентрацию (ПДК). При этом верхний горизонт почв на глубине до 5 см является более загрязненным (65% от всех проб этого горизонта превышает ПДК в отличие от горизонтов почвы на глубинах 10-20 сантиметров (48% соответственно)).

Преобладающие металлы-загрязнители – свинец (25,4% всех проб), цинк (21,7%), никель (21%) и хром (9,4%). Максимальное содержание металла в пробе превышает ПДК для свинца в 2,45 раза, для цинка в 2,5 раза, для хрома в 2,3 раза, для никеля в 1,7 раза.

За пять лет деятельности ОАО “РЖД” завоевало репутацию экологически ориентированной компании. Ее доля в загрязнении окружающей среды России составляет: по выбросам в атмосферу от стационарных источников - 0,72%, по сбросу неочищенных стоков в водоемы – 0,09%, по образованию отходов – 0,08%.

Некоторые из экологических проблем достались компании в наследство с советских времен, когда природоохранная деятельность традиционно оставалась на заднем плане. Как пример: в настоящее время общая площадь загрязненных нефтепродуктами территорий, принадлежащих российским железным дорогам, превышает 6 млн. км², а масса накопленного нефтешлама приближается к 57 тыс. тонн.

Обычно считают, что основное загрязнение окружающей среды производят локомотивы и, в первую очередь, тепловозы. Безусловно, устройство локомотива и его энергетической установки, определяет количество вредных веществ, попадающих в окружающую среду. Не меньше загрязнений выделяют устройства локомотивного хозяйства, связанные с обслуживанием локомотивов, которые в принципе не отличаются для различных видов тяги.

В наше время на дорогах России и мира эксплуатируются 3 вида локомотивов – паровозы, тепловозы и электровозы, а также их модификации – паротурбовозы, газотурбовозы; пассажирские варианты - дизель-поезда и электропоезда.

Из всех выше перечисленных типов локомотивов наибольшее количество на железных дорогах мира тепловозов (включая и локомотивный парк Российской Федерации). Их на магистралях более 100 тыс. штук, не считая работающих на промышленных предприятиях, где их, очевидно, еще больше.

Так, на американском континенте (США, Канада, Мексика и т.д.) магистральные электровозы отсутствуют полностью, перевозка грузов и пассажиров осуществляется тепловозами.  

Наиболее электрифицированы Европа и Россия. Паровозы же сохранились в Китае, Пакистане, ЮАР.

Выбор вида тяги в первую очередь определяется экономическими условиями района, где планируется их работа:

- наличие и низкие цены на топливо;

- затраты на доставку топлива потребителю и удаление его остатков;

- наличие водных ресурсов, пригодных для работы локомотива (паровоза) и затраты на водоподготовку;

- стоимость хранения запасов топлива на площадях локомотивных депо.

Наименее удовлетворяет этим условиям паровозная тяга, требующая больших запасов угля и большого количества воды, которая в естественном природном состоянии не годится для котлов, необходима ее специальная подготовки.

Например, для узла г. Санкт-Петербурга уголь необходимо привозить из Воркуты. Представьте себе, сколько еще надо паровозов и вагонов, чтобы его доставить потребителю.

Электрификация требует электрической энергии, транспортировка которой связана с постройкой контактной сети, но не это главное. Производство электроэнергии дело довольно дорогое: тепловые станции, которых большинство, требуют подвозки топлива, уборки шлаков, либо сжигают дорогостоящие газ и нефтепродукты, а также требуют пригодной для котлов воды и т.д.

Гидростанции связаны с наличием запаса воды, который не всегда и не везде может быть обеспечен, а зависит от погодных условий, затапливаются колоссальные площади, нарушается равновесие в экосистемах и т.д. Атомные станции составляют незначительный процент в производстве электроэнергии и так же требуют большого количества воды, влияют на окружающую среду и т.д.

Существующая тенденция производства и потребления электроэнергии убеждает в дальнейшем увеличении ее потребления и значительном удорожании.

Все эти вопросы более или менее просто решаются при тепловозной тяге: снижается весовое количество потребляемого топлива, практически нет потребления воды. Недостатком тепловозной тяги считают увеличенные расходы на ремонт и значительное влияние на экологию региона. Как показывает зарубежный опыт эксплуатации тепловозов, эти проблемы успешно решаются.

 

Тепловозы

Основы устройства дизеля

 

На подвижном составе железных дорог Российской Федерации наибольшее распространение получили теплосиловые установки с дизельными двигателями. Они используются на тепловозах, дизель-поездах, изотермических транспортных средствах. На тепловозах применяются четы­рех- и двухтактные дизели с наддувом.

Принцип работы четырехтактного двигателя иллюстрируется рисунком 2. При движении поршнявниз (1-й такт) воздух подается в цилиндр через открытый впускной клапан. При обратном движении поршня (2-й такт), когда клапаны   закрыты, происходит сжатие воздуха, сопро­вождающееся сильным его нагрева­нием. В конце этого такта в ци­линдр впрыскивается дизельное топ­ливо, которое самовоспламеняется. В цилиндре повышаются давление и температура; продукты сгорания топ­лива давят на поршень, перемещают его вниз и совершают при этом по­лезную работу (3-й такт). При сле­дующем ходе поршня вверх (4-й такт) происходит выпуск отработав­ших газов из цилиндра. Таким об­разом, рассмотренные процессы, составляющие рабочий цикл двигателя, протекают за четыре хода поршня, т. е. за два оборота коленчатого вала.

Рисунок 2. Схема работы четырехтактного двигателя:

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – шатун; 4 – кривошип; 5 – впускной клапан; 6 – выпускной клапан.

 

Рабочим ходом поршня, совер­шающим полезную работу (враще­ние вала), является только третий.

 

Рисунок 3. Схема работы двухтактного двигателя:

1 – цилиндр; 2 – продувочные окна; 3 – шатун; 4 – кривошип; 5 – поршень; 6 – выпускные окна.

 

Схема работы простейшего двух­тактного двигателя представлена на рис. 3. При движении поршня вверх (1-й такт) вначале закрыва­ются выпускные окна, азатем и продувочные, после чего происхо­дит сжатие воздуха. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается ди­зельное топливо, которое самовоспламеняется. Продукты сгорания топлива давят на поршень и, переме­щая его, совершают полезную рабо­ту (2-й такт). В конце 2-го такта открываются вначале выпускные ок­на, через которые выходят отрабо­тавшие газы (предварение выпуска), а затем продувочные окна, через которые поступает сжатый воздух для продувки и наполнения цилинд­ра. Таким образом, работа двухтакт­ного двигателя происходит за два хо­да поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала.

Мощность двигателя пропорцио­нальна количеству сжигаемого в цилиндре топлива, однако чем боль­ше сжигается топлива, тем больше нужно подать воздуха. В связи с этим в двигателях современных теплово­зов воздух в цилиндры нагнетается под давлением (l,35-2,4) ·10⁵ Па, что существенно увеличивает мощ­ность двигателя. Такой способ заря­да цилиндра свежим воздухом на­зывается наддувом.

На современных тепловозах распространены двухтактные двигатели 10Д100 и четырехтактные 5Д49.

Подача топлива в каждый ци­линдр осуществляется топлив­ными насосами через форсун­ки. Работой топливных насосов уп­равляет центробежный регулятор. Для изменения частоты вращения вала дизеля и реализуемой мощнос­ти машинист воздействует на регуля­тор с помощью контроллера.

Топливная система дизеля тепло­воза 2ТЭ10Л включает топливный бак, топливоподкачивающие агрегаты, фильтры грубой и тонкой очистки, системы коллек­торов и трубопроводов. Запас топли­ва на одной секции тепловоза сос­тавляет 6300 кг. Этого хватает на 1000—1200 км пробега.

Масло в системе смазки дизеля циркулирует под давлением, создава­емым насосом. Масло из поддона дизеля направляется в холодильник, где его темпера­тура снижается на 15—20 °С. Ох­лажденное масло проходит через щелевой фильтри поступает в маслораздаточный коллектор дизе­ля и далее к подшипникам колен­чатого вала, и другим деталям. Количество масла в дизеле достигает 1000 кг.

Водяная система тепловоза слу­жит для охлаждения деталей дизеля и масла в водомасляных теплообмен­никах, а также для подогрева топли­ва, масла и воздуха, подаваемого для обогрева кабины машиниста. Водяная система содержит до 1500 л воды.

 

Процессы горения топлива

Горение представляет собой сложный физико-химический процесс, в основе которого лежит химическая реакция соединения горючих элементов топлива с окислителем. При этом имеет место интенсивное выделение теплоты и значительное повышение температуры.

Горение сопровождается смесеобразованием, диффузией, воспламенением, теплообменом и другими процессами, протекающими в условиях тесной взаимосвязи. Различают гомогенное и гетерогенное горение. При гомогенном горении тепло- и массообмен идут между веществами, находящимися в одинаковом агрегатном состоянии (обычно газообразном). Гетерогенное горение свойственно жидкому и твердому топливам.

В большинстве случаев окислителем является кислород воздуха. Реакция горения происходит очень быстро и теплота, выделившаяся при преобразовании исходных веществ в конечные продукты, не успевает рассеиваться в пространстве.

Горение может быть полным, при котором происходят реакции полного окисления горючих элементов топлива, и неполным, когда эти реакции полностью не завершены. Полное горение происходит при достаточном количестве окислителя и завершается полным окислением горючих элементов топлива. Продукты сгорания при этом состоят из СО₂, SO₂ и Н₂О. При недостаточном количестве окислителя происходит неполное сгорание углерода с образованием СО.

Тепловым эффектом реакции горения топлива называют разность между полными внутренними энергиями исходных веществ и образовавшихся продуктов.

Реакции при горении топлива происходят не между молекулами исходных веществ, а путем последовательных стадий с образованием промежуточных продуктов, которые затем разрушаются, образуя атомы и радикалы, являющиеся активными центрами реакции.

Свободные атомы (Н, О и др.) и радикалы (ОН) взаимодействуют с исходными веществами и образуют конечный продукт. Одновременно рождается новый активный центр, который участвует в продолжении реакции. Такие реакции называют цепными.

Кинетика реакций горения. Скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ, температуры и давления и определяется произведением концентраций реагирующих веществ:

,

где k – константа скорости реакции; С_A и C_B – концентрации реагирующих веществ.

Скорость реакции при росте температуры существенно увеличивается, что определяется законом Аррениуса

,

где k₀ – эмпирическая константа.

Энергия активации Е - наименьшая энергия (для газовых смесей 85-170 МДж/кмоль), которой должны обладать молекулы в момент столкновения, чтобы быть способными к химическому взаимодействию. Разность энергий активации прямой и обратной реакции составляет тепловой эффект химической реакции.

Реакции характеризуются высокой экзотермичностью, обусловливающей рост температуры. Влияние температуры на скорость реакции значительно сильнее влияния концентрации реагирующих веществ. Поэтому, несмотря на уменьшение концентрации реагирующих веществ при горении, скорость реакции горения увеличивается и достигает максимума после выгорания 80-90 % горючих веществ. Реакции горения газообразного топлива протекают практически мгновенно, что объясняется не только сильным влиянием температуры, но и цепным характером их протекания. Скорость реакции также зависит от давления.

Процесс горения горючей смеси может начаться путем самовоспламенения или принудительного воспламенения (электрическая искра, факел и т.п.). Температура самовоспламенения определяется соотношением количеств теплоты, выделяющейся при горении и отдаваемой во внешнюю среду. Количество теплоты, выделяющейся при горении, зависит от температуры:

,

где Q – тепловой эффект реакции; w – скорость реакции; V – объем; T – температура среды, C – константа интегрирования (находится из граничных условий), n – показатель степени. Температура воспламенения может быть найдена из уравнения:

T_В=Т_с+RТ_в²/Е,

где T_В – температура воспламенения горючей смеси; Т_в – температура воспламенения газа; Т_с – температура среды; R – газовая постоянная, характеризует работу 1 кг идеального газа при постоянном давлении и изменении температуры на 1 К.

Горение жидкого топлива протекает в основном в парогазовой фазе, так как температура его кипения значительно ниже температуры воспламенения. Интенсивность испарения горючих веществ увеличивается с ростом поверхности контакта с воздухом и количества подводимой теплоты. Таким образом, скорость горения определяется тонкостью его распыливания. Улучшению распыливания способствует понижение вязкости, что достигается предварительным подогревом топлива до 340-390 К перед подачей в форсунки.

Твердое топливо претерпевает предварительную тепловую подготовку, в процессе которой происходит прогрев частиц, испарение влаги и выделение летучих веществ, воспламеняющихся первыми, она происходит в интервале температур 470-720 К. Время горения их вблизи твердого остатка составляет незначительную часть общего времени горения топлива и способствует его прогреву и воспламенению. После выгорания значительной части летучих веществ начинается выгорание коксового остатка. На процесс горения твердого топлива заметно влияет зола, затрудняющая диффузию кислорода к горючему. При температуре горения, превышающей температуру плавления золы, частицы горючих веществ ошлаковываются, что еще больше затрудняет к ним доступ кислорода.

Количественные соотношения химических реакций горения могут быть получены при известных молекулярных массах μ веществ и плотностях ρ= μ/22,4 газов при нормальных физических условиях. Горение углерода с образованием углекислого газа можно представить уравнением:

1 кг С + 32/12 кг О₂ = 44/12 кг СО₂ + 404/12 МДж/кг С.

Следовательно, на 1 кг углерода приходится 2,67 кг или 1,87 м³ кислорода и 3,67 кг или 1,87 м³ углекислоты СО₂.

Горение углерода с образованием окиси углерода СО:

1 кг С + 32/2·12 кг О₂ = 28/12 кг СО + 119/12 МДж/кг С.

В этом случае на 1 кг углерода приходится 1,33 кг или 0,93 м³ кислорода и 2,33 кг или 1,87 м³ окиси углерода.

Горение окиси углерода с образованием углекислого газа:

1 кг СО + 32/2·28 кг О₂ = 44/28 СО₂ + 284/28 МДж/кг СО.

Здесь на 1 кг окиси углерода приходится 0,57 кг или 0,46 м³ кислорода и 1,57 кг или 0,80 м³ углекислоты.

Горение водорода с образованием водяных паров:

1 кг Н₂ + 32/2 ·2 О₂ = 18/2 Н₂О +284·2/(2·238) МДж/кг Н₂.

В этом уравнении тепловой эффект реакции, данный в числителе, учитывает теплоту конденсации водяных паров, образующихся при сжигании водорода и охлаждении конденсата до 273 К. В знаменателе приведен тепловой эффект 238 МДж/кмоль Н₂ при отсутствии конденсации паров воды. Таким образом, на 1 кг водорода приходится 8 кг или 5,55 м³ кислорода и 9 кг или 11,12 м³ воды.

Горение серы с образованием сернистого ангидрида:

1кг S + 32/32 кг О₂ = 64/32 SO₂ + 288/32 МДж/кг S.

Следовательно, на 1 кг серы приходится 1 кг или 0,69 м³ кислорода и 2 кг или 0,69 м³ сернистого ангидрида.

Горение метана с образованием СО₂ и НО₂:

1 кг СН₄ + 64/16 кг О₂ = 44/16 кг СО₂ + 36/16 кг Н₂О + 56,1/50,5 МДж/кг СН₄.

На 1 кг метана приходится 4 кг или 2,8 м³ кислорода, 2,75 кг или 1,4 м³ углекислоты и 2,25 кг или 2,79 м³ воды. На 1 м³ метана приходится 2 м³ кислорода, 1 м³ углекислого газа и 2 м³ воды.

На основе приведенных соотношений теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива количество кислорода (в кг) определяется выражением:

_.

(S_л=S_р+S_к, где S_л – летучая сера, S_ор – органические соединения серы, S_к – колчеданные соединения серы). Индекс р обозначает рабочий объем данного вещества.

Если учесть, что массовая доля содержания кислорода в воздухе составляет 0,232, то теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг твердого и жидкого топлива составит:

_.

Разделив последнее уравнение на плотность воздуха (ρ_в=1,293 кг/м³ при нормальных условиях), получим теоретический объемный расход:

Теоретический объемный расход воздуха при сжигании 1 м³ сухого газа (м³/м³):

В реальных условиях для полного сгорания топлива требуется подавать воздуха больше теоретически необходимого количества.

 

 

Наименование компонентов