ИДЕНТИФИКАЦИЯ ВЛИЯНИЯ ХЛОРИДНЫХ ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫХ РЕАГЕНТОВ НА КОНТАКТНУЮ СЕТЬ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ НАЗЕМНОГО ТРАНСПОРТА

Попов В.Г.¹, Сухов Ф.И.², Чурюкина С.В.³, Дусеев Д.И.⁴

¹Профессор, доктор технических наук, Московского Государственного Университета Путей Сообщения Императора Николая II, (МГУПС МИИТ), ²Доцент, кандидат технических наук, Московского Государственного Университета Путей Сообщения Императора Николая II (МГУПС МИИТ), ³Старший преподаватель, Московского Государственного Университета Путей Сообщения Императора Николая II (МГУПС МИИТ), ⁴Студент магистратуры 2-го года, Московского Государственного Университета Путей Сообщения, Императора Николая II (МГУПС МИИТ)

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ВЛИЯНИЯ ХЛОРИДНЫХ ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫХ РЕАГЕНТОВ НА КОНТАКТНУЮ СЕТЬ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ НАЗЕМНОГО ТРАНСПОРТА

Аннотация

В статье рассмотрен механизм трансформации хлоридных противогололедных реагентов. Экспериментальным путем доказано, что хлоридные противогололедные реагенты могут попадать  в атмосферу, а также на элементы контактной сети воздушных линий электрификации (изоляторы, провода). Было также доказано, что основным механизмом поступления хлоридов в атмосферу является массоперенос. Интенсивность массопереноса, а, следовательно, и количество вещества в атмосфере, зависит от скорости ветра. Исходя из полученных данных, следует, что необходимо изучить все пути попадания противогололедных реагентов в атмосферу.

Ключевые слова: антигололедные реагенты, хлоридные аэрозоли, массоперенос.

Popov V.G.¹, Sukhov F.I.², Churiukina S.V.³, Duseev D.I.⁴

¹Professor, PhD in Engineering, Emperor Nicholas II Moscow State University of Railway Engineering (MIIT), ²Associate Professor, PhD in Engineering, Emperor Nicholas II Moscow State University of Railway Engineering (MIIT), ³Senior Professor, Emperor Nicholas II Moscow State University of Railway Engineering (MIIT), ⁴Graduate Student of the Second Year of the Master’s Degree program, Emperor Nicholas II Moscow State University of Railway Engineering (MIIT)

IDENTIFICATION OF INFLUENCE OF CHLORIDE DEICING AGENTS ON CONTACT NETWORK OF AIRLINE ELECTRIFICATION LINES OF GROUND TRANSPORT

Abstract

The article considers the mechanism of transformation of chloride deicing agents. It has been experimentally proven that chloride deicing agents can enter the atmosphere, as well as the elements of the contact network of electrification air lines (insulators, wires.) It was also proven that the main mechanism for the introduction of chlorides into the atmosphere is mass transfer. The intensity of mass transfer, and, consequently, the amount of matter in the atmosphere, depends on the speed of the wind. Based on the data obtained, it follows that it is necessary to study all the ways of getting deicing agents into the atmosphere.

Keywords: deicing agent, chloride aerosols, mass transfer.

В последнее время в СМИ стала появляться информация о том, что при применении антигололедных реагентов на дорогах из строя выходят элементы контактной сети воздушных линий электропередачи наземного транспорта. В 1997 году, например, прекращалось движение троллейбусов на многих их московских маршрутов из-за выхода из строя изоляторов на контактных сетях электропроводки [1]. В Санкт-Петербурге вследствие чрезмерного использования реагентов произошло отключение электроснабжения, т.е. на проводах оседали хлориды, которые попадали на них из атмосферного воздуха. В связи с этим, очень важным является вопрос о том, каким образом хлоридные противогололедные реагенты попадают в атмосферный воздух, а затем и на элементы контактной сети воздушных линий.

Путей попадания сыпучих противогололедных реагентов в атмосферу несколько. Так, например, при переходе порошкообразных тел во взвешенное состояние образуются диспергационные аэрозоли. Авторы данной статьи провели исследование по идентификации механизма попадания противогололедных хлоридных реагентов в атмосферу и пришли к выводу, что сыпучие реагенты попадают в воздух вследствие массопереноса. Предположили, что хлориды поступают в атмосферу в результате массопереноса, происходящего за счет движения воздушных масс (в частности – ветров). Хлоридные сыпучие антигололедные реагенты находятся на открытой местности и образуют аэрозоли, которые способны перемещаться на различные расстояния с определенной интенсивностью. Самым распространенным механизмом переноса будет конвективный перенос. Интенсивность переноса при данном механизме будет зависеть от скорости ветра и количества вещества, хранящегося на открытой местности. Для подтверждения этого предположения провели исследования [2].

Для эксперимента взяли навеску модели противогололедного реагента, равную 50 г. Собрали установку (см. рис. 1).

Рис. 1 – Установка для определения массопереноса (Аэродинамическая труба Вентури)

 

Между трубками Вентури расположили подложку с известной площадью, на подложке ровным слоем распределили взвешенный реагент. Провели несколько опытов с разной скоростью движения воздуха. Затем задавали определенную скорость движения воздуха и в течение часа наблюдали за ходом эксперимента. Все данные фиксировали. Рассчитали интенсивность массопереноса (j) по формуле 1:

j = cu   (1)

где с (доли единицы) — концентрация вещества в воздушном потоке мг/м³, u — скорость воздушного потока, м/с.

Данные: площадь подложки S = 0,01575 м²; время проведения эксперимента τ = 60 мин = 3600 сек; разность массы определяем по формуле 2:

∆m = m_н  - m_к  (2)

∆m₁ = 0 г

массовая доля вещества, унесенного с подложки, %, определяется по формуле 3:

Х =(∆ m/m) • 100%   (3)

Х₁ = 0 %

Т.к. скорость – это заданная нами величина, необходимо найти концентрацию реагента, которая определяется по формуле (4):

с =  m/V₀  (4)

где m – масса реагента, мг; V₀ – объем воздуха, прошедшего через аэродинамическую трубу, приведенный к н. у., м³.

Объем находим, преобразовав формулу Бернулли (5) и получив следующее выражение (6):

u = √2(Р₀ – Р)/ρ   (5)

где u – скорость воздушного потока, м/с; Р₀ – давление воздуха при н.у., мм рт. ст.; Р – атмосферное давление воздуха, мм рт. ст.; ρ – плотность воздуха, мг/м³.

V = (mu²)/2 ((Р₀ – Р)  (6)

Подставив значения, получим:

V_t1 = (5,66210²ּ1,3²)/2(760-3,79ּ10^-2) = 0,63 м³.

Поскольку воздух – это газовая среда, необходимо привести объем к нормальным условиям:

V₀₁ = (0,63ּ273ּ760)/298ּ760 = 0,577 м³.

с₁ = 0/(5,662ּ10²) = 0 мг/м³

j₁ = 01,0 = 0

Провели несколько экспериментов с разной модельной скоростью ветра.

Полученные данные занесли в таблицу (см. таблицу 1).

 

Таблица 1 – Зависимость значений массопереноса модели хлоридного противогололедного реагента от скорости движения воздуха

U, м/с	1,0	1,3	2,1	5,0
сּ10-3, мг/м3	0	1, 02	2,65	15,07
j ּ10-3	0	1,325	5,58	75,35

 

График зависимости значений концентрации от скорости движения воздуха представлен на рисунке 2.

Рис. 2 – Зависимость значений концентрации хлоридных сыпучих реагентов от скорости движения воздуха

 

Полученные данные свидетельствуют о том, что с увеличением скорости ветра возрастает и количество вещества им переносимое.

Путем возгонки или транспирации при нормальных условиях, а также и при низких температурах, хлориды попасть в атмосферный воздух не смогут. Это обуславливается очень высокой температурой возгонки хлоридов. Так, по данным Ермоленко Е.П. [4] температура плавления (tпл) хлорида натрия (NaCl) 800,8 °C (1073 К), а температура возгонки или кипения (tкип) - 1465 °C, а температура плавления хлорида калия KCl (tпл) составляет 1049 °С.

К сожаленью, до настоящего времени не проводилось серьезных исследований по определению испарения многокомпонентных смесей. В этом направлении также необходимо работать, для подтверждения или исключения еще и такого способа поступления хлоридов щелочных и щелочно-земельных металлов в атмосферу, а затем и на элементы воздушных линий электрификации.

Интересны данные по летучести. Были проведены расчеты летучести паров поваренной соли. Летучесть рассчитывали по формуле 1.7:

L = (16 · Р · М · 1000)/(273 + t) (1.7)

где Р – давление насыщенного пара вещества, мм. рт. ст.; М – молекулярная масса вещества; t – температура. Летучесть веществ определяется силами притяжения между молекулами, выражается в мг/м³. Данные по летучести обычно сравнивают с ацетоном. Расчетная летучесть ацетона составляет L_(СН3)О = 6,1·10⁷ мг/м³: для сравнения рассчитали еще и летучесть аммиака, запах которого остро ощущается уже при открывании склянки: L_NH3 = 8,0679·10⁹ мг/м³ , а расчетная летучесть поваренной соли (NaCl) cоставляет L_NaCl = 3,2673·10⁵ мг/м³. Становится понятно, что летучесть поваренной соли невысока. Чаще всего вещество попадает в атмосферу при испарении или сублимации для твердых веществ. Летучесть зависит от температуры и давления. Обычно испарение происходит при температуре, чуть более низкой, чем температура кипения. Но для солей, из которых состоят исследуемые реагенты, испарение, скорее всего, начнется при температуре плавления или при температуре, несколько отличной от последней. Значит при нормальных условиях (и при условиях эксплуатации антигололедных реагентов и их пребывания в окружающей среде) процесс испарения хлоридов щелочных и щелочно-земельных металлов протекать не будет. Температура кипения и испарения хлорида натрия очень высока, поэтому и летучесть его при нормальных условиях, и уж тем более при низких температурах, будет низкой. В работе [4] были проведены масс-спектрометрические исследования, в результате которых было установлено, что NaCl возгоняется без разложения.  Необходимо проводить серьезные исследования данного процесса. Объектами исследований могут стать различные физико-химические характеристики этого процесса, такие как состав жидкой фазы, изменения ее объема, наличие градиентов температур и концентраций, взаимное влияние процессов теплообмена и массообмена и пр.

Скорее всего, наиболее вероятным способом попадания хлоридных антигололедных реагентов в атмосферу будет именно массоперенос. Следовательно, на элементы воздушной контактной сети, такие как изоляторы, провода и пр., хлориды, попадающие в атмосферу в результате массопереноса, будут оказывать негативное воздействие. Необходимо разработать меры по предотвращению такого воздействия во избежание износа оборудования и аварийных ситуаций.

Список литературы / References

1. Чудакова С. Б. Токсиколого-гигиеническая оценка степени опасности антигололедных реагентов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук. Москва, 2007 г.
2. Попов В.Г., Сухов Ф.И., Чурюкина С.В., Дусеев Д.И. Идентификация механизма трансформации хлоридов щелочных и щелочно-земельных металлов, входящих в состав антигололедных реагентов, в окружающей среде. Материалы III - IV международной научно-практической конференции. Ежемесячный Российско-китайский научный журнал «Содружество» № 4 (3) / 2016. Часть 1.
3. Физический энциклопедический словарь. / Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. Кол. Д. М. Алексеев, А. М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик- Романов и др. - М.: Советская энциклопедия, 1984. – 944 с., ил., 2 л. цв. ил.
4. Ермоленко Е.П. «Особенности воздействия хлоридов щелочных металлов на процессы клинкерообразования». Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Белгород. 2012 г.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Chudakova S. B. Toksikologo-gigienicheskaja ocenka stepeni opasnosti antigololednyh reagentov. Dissertacija na soiskanie uchenoj stepeni kandidata medicinskih nauk [Toxicological-hygienic assessment of the hazard of de-icing product. The dissertation on competition of a scientific degree of candidate of medical Sciences] Moskva, 2007 g. [in Russian]
2. Popov V.G., Suhov F.I., Churjukina S.V., Duseev D.I. Identifikacija mehanizma transformacii hloridov shhelochnyh i shhelochno-zemel'nyh metallov, vhodjashhih v sostav antigololednyh reagentov, v okruzhajushhej srede. Materialy III - IV mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Ezhemesjachnyj Rossijsko-kitajskij nauchnyj zhurnal «Sodruzhestvo» [Identification of the mechanism of transformation of chlorides of alkaline and alkaline-earth metals included in the composition of anti-icing reagents in the environment. Materials of the III - IV international scientific-practical conference. A monthly Russian-Chinese scientific journal "Commonwealth"] № 4 (3) / 2016. Chast' 1. [in Russian]
3. Fizicheskij jenciklopedicheskij slovar' [Physical encyclopedic dictionary] / Gl. red. A.M. Prohorov. Red. Kol. D. M. Alekseev, A. M. Bonch-Bruevich, A.S. Borovik- Romanov i dr. - M.: Sovetskaja jenciklopedija, 1984. – 944 s., il., 2 l. cv. il. [in Russian]
4. Ermolenko E.P. «Osobennosti vozdejstvija hloridov shhelochnyh metallov na processy klinkeroobrazovanija». Dissertacija na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tehnicheskih nauk ["Impact of alkaline metals chlorides on the process of klinkeroobrazovaniya". The dissertation on competition of a scientific degree of candidate of technical Sciences] Belgorod. 2012 g. [in Russian]