- Titel
- Untersuchung des Wärmetransports von beheizten Weichen im Bahnverkehr zum Optimieren des Heizbetriebs
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-979533
- Erstveröffentlichung
- 2025
- Datum der Einreichung
- 12.12.2024
- Datum der Verteidigung
- 10.04.2025
- DOI
- https://doi.org/10.25368/2025.144
- Abstract (DE)
- Weichenheizungen besitzen in der Bahninfrastruktur die Aufgabe, die Stellbarkeit von Weichen auch unter herausfordernden Wetterbedingungen z. B. in der Winterzeit zu erhalten. Elektrische Weichenheizungen mit resistiven Heizstäben sind die häufigste Anwendungsform von Weichenheizungen in Europa. Die Heizstäbe werden meist mit Klemmen am Fuß der Backenschiene installiert. Dabei zeigen die Erfahrungen der Bahnunternehmen jedoch, dass trotz arbeitender Weichenheizung die Stellbarkeit der Weichen nicht unter allen Wetterbedingungen gewährleistet werden kann. Das beeinträchtigt die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Infrastruktur und damit des Bahnverkehrs, obwohl eine sehr große Menge an Energie für die Beheizung von Weichen auf-gewendet wird. Damit mögliche Maßnahmen zum Optimieren der Beheizung von Weichen analysiert werden können, muss zunächst der Wärmetransport und die sich daraus ergebende Temperaturverteilung in beheizten Weichen untersucht werden. Dafür wird mit der Wärmenetzmethode ein Berechnungsmodell der Weiche erstellt. Eine Weiche ist ein aus mehreren Bauteilen bestehendes System. Die wesentlichen Bauteile sind: Backenschiene, Zungenschiene, Rippenplatte, Gleitstuhl und Schwelle. Es ist vorteilhaft, zunächst für jedes Bauteil ein separates Wärmenetzmodell zu erstellen. In Erwärmungsversuchen der separaten Bauteile werden anschließend die bislang nicht bekannten thermischen Parameter bestimmt. Dazu gehören die spezifische Wärmeleitfähigkeit, der Emissions-grad und die Parameter für die Ähnlichkeitsfunktionen der Konvektion. Für ein Wärmenetzmodell der Weiche werden die Teilnetzwerke der Bauteile miteinander verknüpft. An den Verknüpfungsstellen ist der Wärmetransport zunächst unbekannt. Der Erwärmungsversuch an einer Modellweiche unter Laborbedingungen ermöglicht es, den Wärmetransport an den Verknüpfungsstellen zu bestimmen. Im nächsten Schritt werden die Windgeschwindigkeit, die Windrichtung, die Global- und Himmelsstrahlung und Regen bzw. Schneefall als Parameter für Wetterbedingungen in das Wärme-netzmodell implementiert. An einem Vergleich von unter Freiluftbedingungen gemessenen Temperaturen und mit dem Wärmenetzmodell berechneten Temperaturen kann die Genauigkeit des Wärmenetzmodells verifiziert werden. Eine Analyse der Temperaturverteilung mit dem Wärmenetzmodell der Weiche zeigt, dass bereits bei Umgebungstemperaturen kleiner gleich 0 °C eine Windgeschwindigkeit von 15 km/h oder größer dazu führt, dass mit der untersuchten Beheizung eine Temperatur von 2 °C nicht mehr an der Zungenschiene erreicht werden kann und so die Weiche nicht mehr effektiv beheizt wird. Das gleiche Resultat wird bei 0 °C Umgebungstemperatur und starkem Regen oder bei -5 °C Umgebungstemperatur und Schneefall erzielt. Konstruktive Maßnahmen wie ein größerer thermischer Widerstand zwischen Rippenplatte und Schwelle durch eine Modifikation der verwendeten Kunst-stoffplatte oder eine thermische Isolierung der Backenschiene können den Wärmetransport von der Backenschiene zur Zungenschiene nicht wesentlich verbessern. Ein an der Zungenschiene zusätzlich installierter Heizstab kann hingegen zu einer deutlich günstigeren Temperaturverteilung in der Weiche führen. Mit dieser Optimierung können alle betrachteten Szenarien an Umgebungsbedingungen effektiv beheizt werden. Zusätzlich reduziert sich der jeweilige Heizleistungsbedarf um bis zu 70 %. Ein zusätzlicher Heizstab an der Zungenschiene erhöht also die Effektivität und Effizienz beim Be-heizen von Weichen erheblich. Bei elektrischen Weichenheizungen mit Heizstäben wird ein möglichst großer Anteil an Wärme angestrebt, der vom Heizstab direkt in die Schiene transportiert wird. Der Heizstab wird meist mit Klemmen mit einer Breite von 35 mm und in einem Abstand von 30 cm zueinander an der Backenschiene befestigt. Es soll im weiteren Teil dieser Arbeit untersucht werden, ob der Wärmetransport vom Heizstab in die Schiene durch Vergrößern der Klemmkraft oder durch Oberflächenbehandlungen der Schiene vergrößert werden kann. Um diese Zusammenhänge zu untersuchen, muss zunächst der Be-reich ermittelt werden, in dem die Klemmkraft von den Klemmen bereitgestellt wird. Dafür wird ein modifizierter Zugversuch verwendet. Die Messungen zeigen, dass die Klemmkraft bei neuwertigen Klemmen ca. 72 N beträgt. Thermische und mechanische Belastungen können die Klemmkraft über eine Zeitdauer von 10.000 h auf bis zu 61 N reduzieren. Mit einem selbst konzeptionierten Versuchsstand wird der spezifische thermische Kontaktwiderstand zwischen Heizstab und Schiene abhängig von der Verbindungskraft und von der Oberflächenbehandlung der Schiene gemessen. Für die Messung wird nur der Bereich berücksichtigt, an dem sich die Klemme befindet. Dabei zeigt sich, dass für eine Verbindungskraft größer 10 N keine signifikante Abhängigkeit des spezifischen thermischen Kontaktwiderstands von der Verbindungskraft existiert. Weiterhin sind die spezifischen thermischen Kontaktwiderstände für die Schiene mit Vorbehandlung mit 0,2 mK m² / W (bei Verwendung einer Wärmeleitpaste oder gefräster Schienenoberfläche) und 0,5 mK m² / W (bei Verwendung einer Wärmeleitpaste und gefräster Schienenoberfläche) deutlich niedriger als bei der unbehandelten Schiene mit 0,65 mK m² / W. Im Bereich zwischen zwei Klemmen kann der spezifische thermische Kontaktwider-stand zwischen Heizstab und Schiene deutlich größer sein. Mit einem FEM-Modell von Schiene und Heizstab wird die Temperaturverteilung an beiden Bauteilen abhängig von variablen spezifischen thermischen Kontaktwiderständen im Bereich an den Klemmen und im Bereich zwischen den Klemmen ermittelt. Es zeigt sich, dass die Temperaturen in der Schiene nur eine sehr geringe Sensitivität hinsichtlich der spezifischen thermischen Kontaktwiderstände zwischen Heizstab und Schiene besitzen. Die Temperaturverteilung im Heizstab ist hingegen stark abhängig von den spezifischen thermischen Kontaktwiderständen. Ein hoher spezifischer thermischer Kontaktwiderstand im Bereich zwischen den Klemmen kann im Heizstab zu Temperaturen von über 500 °C führen und so die Lebensdauer des Heizstabs deutlich reduzieren. Ein verringerter Ab-stand zwischen den Klemmen durch eine höhere Anzahl an Klemmen oder durch breitere Klemmen kann diese Gefahr reduzieren.
- Freie Schlagwörter (DE)
- Weichenheizung, Wärmenetzmethode, Finite-Elemente-Methode, Thermischer Kontaktwiderstand
- Klassifikation (DDC)
- 380
- Klassifikation (RVK)
- ZO 5110
- UG 2600
- GutachterIn
- Prof. Dr. Steffen Großmann
- Prof. Dr. Mario Schenk
- BetreuerIn Hochschule / Universität
- Prof. Dr. Steffen Großmann
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Dresden, Dresden
- Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-979533
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 17.09.2025
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Deutsch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY-NC-ND 4.0- Inhaltsverzeichnis
Vorwort I Kurzfassung II Abstract IV Inhaltsverzeichnis VI Formelzeichen, Konstanten und Abkürzungen VIII 1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 2 2.1 Aufbau einer Weiche 2 2.1.1 Überblick 2 2.1.2 Form von Backenschiene und Zungenschiene 4 2.1.3 Material der Schienen 6 2.2 Beheizen von Weichen 7 3 Berechnen von Erwärmungsvorgängen 10 3.1 Grundlagen der Wärmeübertragung 10 3.1.1 Wärmeleitung 10 3.1.2 Konvektion 11 3.1.3 Wärmestrahlung 13 3.2 Thermischer Kontakt 16 3.3 Phasenübergang fest – flüssig 18 3.4 Erwärmungsberechnung 19 3.5 Messen von Temperaturen 21 4 Präzisieren der Aufgabenstellung 23 5 Erwärmung einer Modellweiche 25 5.1 Aufbau des Wärmenetzmodells 25 5.1.1 Aufbau des Wärmenetzmodells der Backenschiene 26 5.1.2 Experimentelle Verifikation des Wärmenetzmodells der Backenschiene 29 5.1.3 Implementieren des longitudinalen Wärmetransports 31 5.1.4 Aufbau des separaten Wärmenetzmodells des Heizstabs 32 5.1.5 Aufbau des separaten Wärmenetzmodells der Zungenschiene 34 5.1.6 Aufbau des separaten Wärmenetzmodells von Rippenplatte und Gleitstuhl 37 5.1.7 Aufbau des separaten Wärmenetzmodells der Schwelle 40 5.1.8 Zusammenfügen der separaten Wärmenetzmodelle 43 5.1.9 Experimentelle Verifikation unter Laborbedingungen 47 5.2 Messen der Erwärmung im Freifeldversuch 51 5.2.1 Implementieren der Wettereinflüsse 51 5.2.2 Verifizieren des Wärmenetzmodells der Weiche 54 5.3 Untersuchungen der Erwärmung der Weiche mit dem Wärmenetzmodell für ausgewählte Szenarien 57 5.3.1 Bestimmen einer effektiven Heizleistung 57 5.3.2 Untersuchungen von konstruktiven Änderungen der Weiche mit dem Wärmenetzmodell 58 6 Untersuchung der Verbindungskraft zwischen Heizstab und Schiene 64 6.1 Analyse der Klemmkraft 69 6.2 Einfluss mechanischer und thermischer Belastung auf die Klemmkraft 72 7 Untersuchung des Wärmeübergangs zwischen Heizstab und Schiene 75 7.1 Messen des thermischen Kontaktwiderstands in Abhängigkeit von Verbindungskraft und Oberflächenbeschaffenheit 76 7.1.1 Planung des Versuchsstands 77 7.1.2 Bestimmen des thermischen Kontaktwiderstands 83 7.2 Übertragung der Messergebnisse auf einen montierten Heizstab 91 7.3 Rechnerische Analyse verschiedener Verteilungen des spezifischen thermischen Kontaktwiderstands 94 8 Zusammenfassung 99 9 Ausblick 102 Literatur 105 Anhang 110