Конструкционные изменения подкрышного
пространства пассажирского вагона с целью предотвращения преждевременного ржавления
Предлагается внести изменения в основную конструкцию подкрышного пространства вагона с целью предотвращения проблемы преждевременного ржавления крыш пассажирских вагонов за счет устройства в двух уровнях защитных теплоотражающих экранов, которые дополнительно позволят сохранить внутри вагона тепло зимой и прохладу летом.
Пространство между наружной металлической и внутренней деревянной обшивками кузова пассажирского вагона обязательно заполняют изоляционным материалом, который укладывают в образованные элементами каркаса ячейки (рис.1). В пассажирских вагонах, построенных до 1950 г., в качестве теплоизоляционного материала применяли альфоль (алюминиевую фольгу), которая служила отражателем инфракрасных волн теплового излучения, которые поднимались вверх от общей отопительной системы вагона к металлической конструкции крыши. Толщина листов применяемой теплоизоляции (альфоль) была в пределах 0,011–0,013 и 0,04–0,05 мм, поэтому точка росы (граница соприкосновения холодного и теплого воздуха) проходила прямо по металлической крыше. В результате с наружной и внутренней стороны закрытого подкрышного пространства вагона образовывался конденсат (роса) в виде капелек воды, который приводил к преждевременной коррозии металлической крыши вагона, особенно при эксплуатации в зимний период времени, несмотря на качественную наружную окраску при ремонте.
Впоследствии альфоль на вагонах заменили листами оцинкованного железа и синтетическим материалом полистиролом и мипорой, а затем — минеральной ватой. Толщину теплоизоляционного покрытия увеличили до 50–60 мм, однако старые проблемы ржавления металлических крыш так и остались нерешенными. Теплоизоляция вагона из-за толщины теплоизоляционного материала в целом улучшилась, но не изменилось местоположение точки росы, которое по-прежнему проходит прямо по металлической крыше. Это по-прежнему приводит к образованию конденсата воды и преждевременной коррозии металла, поскольку отражатель инфракрасных волн (альфоль) убрали, а минеральная вата не способна полностью задержать тепло в подкрышном пространстве.
Преждевременное ржавление крыши пассажирских вагонов возникает еще и из-за того, что фольгированный теплоизоляционный материал заменили листами оцинкованного железа, забывая о том, что шероховатость поверхности такого железа превышает длину волны инфракрасных лучей,
и поэтому оно не может служить в качестве их отражателя.Отражателем может служить только гладкая поверхность, шероховатость которой меньше длины волны ИК-лучей.В результате получается обратный эффект: вместо отражения тепла от поверхности, оцинкованное железо само нагревается и превращается в источник тепла — радиатор, а поскольку оно находится вблизи к поверхности крыши, то в холодное время года «тепло с холодом» встречаются прямо на поверхности металлической крыши вагона, где и располагается точка росы. Это первое правило теплопередачи, которое нарушают ремонтники, когда заменяют алюминиевую фольгу оцинкованным железом. Это же подтверждено в протоколе №37к/04 от 17.05.2004 г. проведенных НИИСК (г. Киев) исследований теплоизоляционного материала ПЕНОФОЛ.
Поскольку ИК-излучение (до 85 %, рис. 2) является основным переносчиком тепла, то эффективное отражение ИК-лучей от фольгированной поверхности (высокочистая полированная алюминиевая фольга способна отражать 97 % ИК-излучения) поможет сохранить до 80 % тепла, генерируемого вагонными радиаторами. Второе правило теплопередачи, которое нарушают ремонтники — это отсутствие замкнутых воздушных полостей между отражающей тепло поверхностью и подверженной
воздействию холода металлической крышей вагона. При ремонтах вагонов применяют минеральную вату, внутри которой отсутствуют замкнутые воздушные полости.
Для решения проблемы преждевременного ржавления крыши пассажирских вагонов предлагается увеличить воздушное пространство между холодом (металлической крыши с утеплителем и верхним отражающим экраном) и теплом (внутреннее пространство вагона) за счет установки нижнего (второго дополнительного) отражающего экрана на уровне подвесного потолка. (Если провести аналогию с устройством жилого дома, то воздушное пространство между верхним и нижним экранами можно назвать входным тамбуром). Основным отражателем 80 % тепла в отопительный сезон будет служить нижний экран, а верхний будет отражать оставшиеся 20 % тепла, которое просочилось вверх внутрь подкрышного пространства за счет конвекции. При наличии достаточного теплоизолирующего слоя (той же минеральной ваты) между верхним отражающим экраном и металлической крышей, температурной разницы между самой поверхностью крыши и наружным холодным воздухом не будет, а, следовательно, и процесса образования конденсата на поверхности металлической крыши тоже не будет.
В жаркое время года все наоборот: тепло от нагретой солнцем металлической крыши будет отражать верхний экран, который является основным отражателем тепла, а нижний экран играет роль дополнительного отражателя. В результате, внутри вагона будет прохладно, конечно при условии нормальной работы вагонного кондиционера.Достичь подобного эффекта предлагается путем устранения с металлической крыши местоположения точки росы и перемещения ее внутрь подкрышного пространства вагона за счет конструктивной установки в двух уровнях алюминиевого отражателя инфракрасных волн теплового излуче-
ния следующим образом (рис. 1):
1-й экран-отражатель установить поверх уложенной минеральной ваты 2 или листов черного потолка 12 (можно применить альфоль или другой минеральный утеплитель, покрытый алюминиевой фольгой), который в летнее время будет отражать тепловые лучи наружу от нагретой солнцем
металлической крыши;
2-й экран-отражатель установить на уровне подвесного секционного потолка 11 перед креплением облицовочного пластика, который в зимнее время будет отражать тепловые лучи внутрь отапливаемого помещения вагона.
При этом граница соприкосновения холодного и теплого воздуха (точка росы) конструктивно будет иметь два местоположения — «зимнее» 14 и «летнее» 13, при этом оба ее местоположения не граничат с металлом, а следовательно, преждевременная коррозия металлической крыши бу-
дет исключена.Теплоотражающая изоляция состоит из полированной алюминиевой фольги, которая отражает до 97% теплового излучения, и специального носителя. В качестве носителя используются пены различной плотности и структуры, сетки из стекловолокна, капроновые, полимерные, пузырьковыеи другие материалы.Основное достоинство данного инженерного решения заключается в регуляции теплового потока, а именно — в уменьшении теплопотерь зимой во внутреннем пространстве пассажирского вагона, снижения в 4 раза расходов по углю в отопительный сезон, и сокращения в 2 раза энергозатрат по мощности устанавливаемого на вагон кондиционера и, соответственно, мощности подвагонного генератора. Пассажирам обеспечивается комфортность поездки железнодорожным транспортом путем сохранения летом прохлады в вагоне. Поскольку кондиционеры и генераторы на пассажирских вагонах уже установлены, и производить их замену нет смысла, то в расчет принимается только эко-
номия по углю.Согласно действующей «Інструкції по технічному обслуговуванню опалювальної установки пасажирського вагона» № ЦЛ-0024 от 01.02.2001 г., норма расхода твердого топлива зависит от температуры окружающей среды и лежит в пределах 21–198 кг на одни вагоно-сутки. На основании проведенного нами анализа статистических отчетов, расходы по углю на отопление пассажирских вагонов только по предприятию ЛВЧД-3 Одесской ж. д. в неполный (за 3 зимних месяца — декабрь 2008 г., январь и февраль 2009 г.) отопительный сезон составили 1118 т, т. е. в среднем 1,3 т на одинвагон. При средней стоимости угля 590 грн за тонну экономический эффект от внедрения инновации только по углю в одном вагонном депо может составить до 0,5 млн грн в год.
Вторым преимуществом является снижение затрат на перекраску крыш вагонов. При подготовке подвижного состава к летним перевозкам из-за ржавления металла крыши вагона ежегодно перекрашивают. Стоимость перекраски одного вагона (с учетом стоимости материалов и работ) обходится вагонному депо примерно в 1,5 тыс. грн, а за 3 года (по сроку до деповского ремонта) дополнительные расходы возрастают до 4,5 тыс. грн. Например, для ЛВЧД-3 Одесской ж. д. с приписным парком в 654 пассажирских вагона экономический эффект от исключения сезонной перекраски крыш может составить до 2 млн грн в год. Таким образом, только по одному вагонному депо экономический эффект от внедрения инновации может составить до 2,5 млн грн в год, а в масштабе всей Укрзализныци может получиться еще большая сумма.
Специалисты теплофизики рекомендуют к использованию два типа материалов для реализации данной разработки — это алюминиевая полированная фольга, армированная нитью АРМОФОЛ тип «В» толщиной 0,3 мм в качестве 1-го экрана-отражателя (средняя стоимость — 41,64 грн/м2), или вспененный полиэтилен с закрытыми порами, дублированный с обеих сторон полированной алюминиевой фольгой — ПЕНОФОЛ тип «В» толщиной 4 мм в качестве 2-го экрана-отражателя (средняя стоимость — 41,28 грн/м2). Стоимость устройства дополнительных отражающих экранов прямо пропорциональна стоимости самого отражающего теплоизоляционного материала, так как работы по его укладке можно совместить с укладкой утеплителя.
Примерные расходы по закупке материалов для устройства двух экранов-отражателей в одном купейном пассажирском вагоне таковы:
АРМОФОЛ 110 м2 х 41,64 грн = 4580,40 грн,
ПЕНОФОЛ 85 м2 х 41,28 грн = 3508,80 грн.
Итого затраты по материалам составляют 8089,2 грн.
Суммарные затраты на модернизацию, например, дляЛВЧД-3 Одесской ж. д. с приписным парком в 654 пассажирских вагона, соответственно, составят (единоразово) 3,2 млн грн. Затраты на модернизацию соизмеримы с получением экономии в первый же год эксплуатации, т. е. срок окупаемости капитальных вложений — 1 год. Разборку внутренней отделки вагона (в том числе и подкрышного пространства) производят при КРП 1 раз в 10 лет. Поэтому рентабельность капвложений в модернизацию соответствует сроку межремонтного периода вагонов при КРП и равна 1:10. Еще одно косвенное, но также очень ощутимое для эксплуатационников преимущество кроется в снижении энергозатрат. Уменьшение в 2 раза нагрузки (потребляемой мощности) на кондиционер и подвагонный генератор приводит к снижению их износа, тем самым повышая их надежность и продлевая срок их безотказной работы. Кроме этого, снижение нагрузки на подвагонный генератор
от средней части оси колесных пар уменьшает сопротивление их качению, а это прямая экономия тяги локомотива. Снижение силы сопротивления движению вагонов можно использовать для увеличения количества пассажирских вагонов в составе одного поезда. Снижение сопротивления локомотивной тяге однозначно приводит к экономии либо дизельного топлива, либо потребляемой электроэнергии при электротяге. В любом случае, это прямое снижение внеплановых простоев транспорта в ремонтах и повышение рентабельности железнодорожного транспорта вцелом.
В мире принцип двойного экранирования подкрышного пространства применяется достаточно давно. В 2005 году при ознакомлении с опытом проведения ремонтных работ на вагоноремонтном заводе в Турции (в 200 км от Стамбула) все члены украинской делегации увидели в реальности предлагаемую конструкцию обустройства подкрышного пространства пассажирского вагона и его эффективность. Лакокрасочное покрытие с наружной стороны крыши и кузова всех стоявших на ремонте в депо вагонов были одинаковыми по уровню коррозии и износа. На наш вопрос о перекраске крыш вагонов в период между очередными плановыми ремонтами турецкие рабочие выразили недоумение (в Турции перекраску вагонов делают не реже 1 раза в 5 лет, потому, что поставщик краски дает на нее такую же гарантию) и задали нам ответный вопрос: «А зачем это делать?». По возвращении в Украину мне стало интересно получить ответ на прозвучавший в Турции вопрос, и я считаю, что ответ для себя я нашел. А будет ли эффективно применение принципа двойного экранирования подкрышного пространства для украинских пассажирских вагонов, можно легко проверить экспериментальным путем на примере двух пассажирских вагонов. Если сопоставить сумму капвложений в проведение эксперимента с предполагаемой суммой экономии, то соотношение финансового риска 1:10 можно считать вполне привлекательным для подтверждения или опровержения экспериментальным путем выдвинутой теоретической гипотезы. По полученным результатам можно было бы дать рекомендации о целесообразности дальнейшего внедрения инновации. Соответствующие письма с предложением о проведении такого эксперимента в 2009 году были направлены в Главное пассажирское управление Укрзализныци, которое переправило их на рассмотрение в ДИИТ. Специалисты из ДИИТа пришли к противоположному выводу, в отличие от своих коллег из ОАО ХК «Лугансктепловоз», которые одобрили и внедрили данную концепцию в производство при обустройстве кабин тепловозов. Лучшим судьей в споре среди инженеровтеоретиков всегда будет натурный эксперимент. Пока же все инженеры делятся на две категории — тех, кто поддерживает данную концепцию модернизации крыш пассажирских вагонов, и тех, кто считает ее нецелесообразной.
