Технические науки/ 4.Транспорт
Мулдагалиев З.А., Кадыров А.С., Бекмаганбетов К. К., Абуов Е.З.
Карагандинский
Государственный Технический Университет, Казахстан
УСТАНОВКА ДЛЯ РАСТАПЛИВАНИЯ СНЕГА НА БАЗЕ
АВТОГУДРОНАТОРА
Снегопады являются одной из острых проблем особенно в условиях города, где большее скопление транспорта.
Обильные осадки снега на дорогах
приводят к заторам и затруднению передвижения транспорта, что является серьезной проблемой на большой
территории Казахстана. Существуют различные виды снегоочистки, которые зависят
от физико-механических свойств снега и вида снегоотложений. К таким видам
относятся химический метод борьбы с обледенелыми поверхностями. В настоящее
время около 55% магистральных дорог обрабатывается раствором хлористого магния.
Благодаря химическим средствам оттаивания можно освободить дороги от снега и
льда. В зимнее время коммунальное
хозяйство города испытывает максимальные нагрузки, связанные с уборкой снега и
льда. Удаление снежных валов, образующихся в результате расчистки проезжей
части, наиболее трудоёмкая работа, которая требует особой оперативности и
больших технических и материальных средств. Содержание и уборка городских улиц
является важным фактором нормального функционирования любого города. К примеру
протяженность автомобильных дорог города Караганды составляет 973 километра и
этот показатель ежегодно возрастает особенно с реализацией расширения программы
городского строительства. При этом ежедневный выход техники в зимнее время в
среднем свыше 300 единиц и до 350-360 дорожных рабочих. Каждые сутки вывозится
от 5 тысяч до 8 тысяч м3 снежной массы.[1]
Территория Казахстана расположена в лесостепной, степной, полупустынной
и пустынной зонах с резко континентальным климатом. В северной половине
Казахстана высота снежного покрова достигает 50 см, а в Восточно-Казахстанской,
области даже 90 см. Скорости ветров в зимний период достигают 24 и даже 34
м/сек. Все это приводит к большим объемам приносимого к дорогам снега. По
данным А.А. Кунгурцева[3] в степной
зоне Северного Казахстана к дорогам приносит от 300 до 600 м3/км снега, а на
некоторых участках даже до 800 - 1200 м3/км. Эти данные подтверждаются В.М.
Михель и А.В. Рудневой[3], которые указывают, что для северной половины
Казахстана объемы приносимого к дорогам снега находятся в пределах от 400 до
1500 м3/км.
Наличие на проезжей части дороги слоя снега с
плотностью до 400кг/м3 при сухом снеге,
вызывает увеличение сопротивления качению и отсюда, как следствие, снижение
скоростей движения транспорта. Количественные значения влияния скоростей в
зависимости от толщины слоя снега[3] приведены на рисунке 1.
1 - легковые автомобили, 2 - легкие
грузовые, 3 - грузовые.
Рисунок 1 - Зависимость скорости движения
автомобилей от толщины ненарушенного слоя снега
Кроме того, снег является фильтром - накопителем
химических и других загрязняющих веществ. В крупных городах загрязнение снега
усиливается из-за отработавших газов, выбрасываемых в атмосферу автомобилями,
заводскими и городскими теплоэнергетическими установками, работающими на
углеводородном топливе. Таким образом, снег является не только причиной заторов
на улицах, но и накопителем вредных веществ.
Решением данной задачи является, так называемый,
«традиционный метод» уборки снега, который заключается в вывозе снега с
городских территорий и накопление его в отвалах. Эта технология снегоуборки
имеет недостатки: во-первых, перевозка снега требует больших затрат на
транспортирование к месту снежных свалок; во-вторых, снег продолжает до полного
таяния собирать вредные вещества, которые после таяния попадут в почву,
грунтовые воды или водоемы.
Следовательно, возникает вопрос о необходимости
разработки новой более рациональной и эффективной технологии утилизации снега
при очистке городских улиц. Такой технологией может стать использование
мобильных установок для принудительного плавления снега, что будет являться
значительным ресурсосберегающим и природоохранным методом.
Метод плавления снега уже используется в таких странах как
США, Канада и Россия, что лишний раз подтверждает выгодность данной технологии
и целесообразность её использования. Ведь ни для кого не секрет, что каждая из
этих стран использует самые лучшие, самые современные и экономически выгодные
технологии в различных сферах деятельности, включая транспортно - дорожную
отрасль.[4]
Cнегоплавильные машины фирмы SNOW DRAGON [3],
используют технологию огнетрубных тепловых котлов. Даже при минусовых температурах окружающего воздуха вода в баке
может нагреваться до плюс от 38 до 49°С за 15 мин и плавит снег. Температура
выходящей воды, полученной из расплавленного снега, составляет плюс от 16 до
21°С, что исключает образование ледяного покрытия. Эти машины являются полуприцепными и могут
транспортироваться с объекта на объект в зависимости от укомплектованности со
скоростью от 80 до 104 км/ч. Операционные системы и компоненты машин
расположены в обогреваемом отсеке, защищающем основные составляющие модули от
погодных условий и облегчающем процесс управления. Для оперативного проведения
работ в городских условиях конструктивно предпочтительны аналогичные
снегоплавильные машины меньшей производительности, например модели SND-RM90.[3]
С целью уменьшения транспортных средств и
повышения производительности работ уборки и вывоза снега предлагается конструкция машины для растапливания снега
на базе автогудронатора (рис.1), который используется для разогрева и
транспортирования битума при ремонте и строительстве автомобильных дорог, эти
машины в зимнее время простаивают. Автогудронатор имеет систему подогрева
битума, состоящую из теплоизолированной цистерны и установленных внутри неё
жаровых труб на фланцах которых, установлены стационарные горелки
обеспечивающие подогрев материала, что дает возможность растапливать снег
погружая его в цистерну. При этом времени затрачивается намного меньше, чем
доведение битума до рабочей температуры.
1- приемный бункер, 2-
перфорированные трубы с насадками,
3-
циркуляционная труба, 4- жаровые трубы, 5- горелка, 6- фильтр со сливным
рукавом, 7- насос.
Рисунок 2 Схема снегоплавильной установки
на базе автогудронатора.
Технология работы данной конструкции следующая, путем установки в цистерну автогудронатора (рисунок 2) приемного бункера 1
и нагнетательной распределительной системы из перфорированных труб 2 с насадками, подающей разогретую воду с
помощью насоса 7 и циркуляционной трубы 3, что обеспечит распыление нагретой
воды на загруженный в цистерну снег. Таким образом происходит непосредственный
контакт нагретой воды со снегом. Установка рукава слива талой воды 6 с фильтром
грубой и тонкой очистки емкости со смесителем. Источником тепла является
горелка 5 и жаровые трубы 4.
При
уборке проезжих частей города Караганды в тандеме со снегопогрузчиком обычно
используют автосамосвалы на базе
автомобиля КамАЗ, которые вывозят в среднем 8 м³ снега за пределы города
на расстояние 10-15 км. Один снегопогрузчик обслуживает от 3 до 5
автосамосвалов в час. Расчеты показывают
количество автосамосвалов необходимых для уборки автодорог города Караганды(протяженность 973 км), общей площадью
около 5772 
с учетом вместимости одного автосамосвала составит 144300
единиц техники. При среднем объеме снега выпадающего в зимний период на дорогах
города который составляет 1154400 м3.
Исходя из традиционного метода расчета тепловой расчет будем проводить, приняв несколько необходимых допущений,
так, например теплопередача в данной машине будет происходить по законам
конвективного теплообмена и с учетом факторов влияющих на процесс теплоотдачи
при этом режиме, таких как:
- природа возникновения
движения жидкости вдоль стенки;
- режим движения
жидкости;
- физические свойства жидкостей;
- форма, размеры и
состояния поверхности стенки, омываемой жидкостью.
Поэтому необходимо
принять допущения:
- теплообмен происходит
теплопроводностью;
- режим теплообмена -
стационарный;
- температура сгорания
топлива является постоянной.
Тепловой расчет
необходим для определения количества топлива необходимого для расплавления
данного объема снежно ледяной массы и времени необходимого на эту операцию, эти
цифры необходимы для расчета экономической эффективности машины.
Массу топлива определяем
по формуле:
, кг, (1)
где 
− масса топлива, кг;
Q − количество теплоты необходимое для
растапливания данного объема снежно - ледяной массы, Дж;
− теплота сгорания топлива, Дж/кг.
Для нахождения времени 
необходимого на один
цикл составляем уравнение теплового баланса с учетом тепловых потерь через
стенки емкости, уравнение будет выглядеть так:
(2)
где 
− теплоемкость снега, Дж/кг
град;
− масса снега, кг;
− температура снега при загрузке, град;
− температура окружающей среды, град;
− удельная теплота фазового перехода снег вода, Дж/кг;
, 
− соответственно толщина внутренней и наружной
стенок емкости, м;
,
− соответственно коэффициенты теплопроводности,
Вт/(мК);
− время цикла, c;
− внутренняя площадь стенок емкости, м²;
− длина жаровых труб, м;
− коэффициент теплопроводности стенок жаровых труб,
Вт/(мК);
− температура горения топлива, град;
− внутренний и наружный диаметр жаровых труб, м;
Из формулы (2) получим:
,с (3)
Количество теплоты необходимое для расплавления данной массы снега
определим по формуле:
(4)
Количество теплоты (кДж), потребное на
расплавление 1 м3 средней плотности
снега определим по формуле:
где k - коэффициент
теплопередачи, кВт/(м2·0С);
- площадь
поверхности цистерны, м2;
- средняя
температура воды после загрузки нега, 0С; 
;
- температура воды
при погрузке снега, .
Нами подсчитано при плавлении снега с
использованием автогудронатора при плотности снежной массы в 300 кг/м3
потребная энергия составит 11025.1кДж
Использование унифицированного автогудронатора
позволит значительно сократить расходы связанные с вывозом снега с городских
дорог, а так же увеличить сроки эксплуатации автогудронатора
который работает только полгода.
Список использованной литературы
2. zaotl.ru
3. Борисюк Н.В. Утилизация снежной массы в
городе (на примере Москвы) // Дорожная техника. М., 2004.
4. Борисюк Н.В. Снег, снежная масса, утилизация
// Строительная техника и технологии. М., 2012.
5. Распоряжение ДЭПиР г. Москвы от 04.07.2007 №
26-Р «Об утверждении Методики расчета стоимости услуг по приему и утилизации
снега снегосплавными пунктами МГУП «Мосводоканал»».