Кондиционирование воздуха в пассажирских вагонах

1

МПС РФ

Уральский государственный университет

путей сообщения

Кафедра «Вагоны»

"ПАССАЖИРСКИЙ МЯГКИЙ КУПИРОВАННЫЙ ВАГОН"

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

«Холодильное оборудование вагонов и кондиционирование воздуха»

Основные задачи транспорта - своевременное, качественное и полное удовлетворение потребностей народного хозяйства и населения в перевозках, повышение экономической эффективности его работы.

Установки кондиционирования воздуха, применяемые на пассажирских вагонах имеют большую массу. Это связано с тем, что одна часть аппаратов расположена под рамой вагона, другая в потолочном пространстве, а это требует большого количества трубопроводов для соединения этих частей. Так же все холодильные установки в пассажирских вагонах с кондиционированием воздуха обладают недостаточно высокими технико-экономическими показателями.

Для совершенствования установок кондиционирования воздуха необходимо работать над путями снижения массы, улучшения условий ремонта и содержания, решать задачи по применению плавного регулирования и автоматического поддержания постоянной температуры воздуха в вагоне, улучшению герметичности системы. Дальнейшее развитие техники, получение необходимых температурно-влажностных условий в вагонах направлено на совершенствование конструкции холодильных машин, приборов отопления и повышение теплотехнических характеристик кузова вагона.

В связи с электрификацией многих участков железных дорог созданы условия для широкого применения электрического отопления пассажирских вагонов и централизованного электроснабжения установок кондиционирования воздуха и других электропотребителей. Это позволяет улучшить не только комфортные условия для пассажиров, но и уменьшить затраты человеческого труда на обслуживание оборудования вагонов.

Применение плавного регулирования холодопроизводительности и автоматического поддержания стабильной температуры воздуха в вагоне можно осуществлять путем поочередного включения цилиндров компрессора. Такой способ регулирования, несомненно, прогрессивен, так как благодаря этому сводится к минимуму количество пусков и остановок компрессора и обеспечивается более устойчивая температура в вагоне. Примером установки с широким диапазоном регулирования является установка фирмы «Стоун» холодопроизводительностью - 31.4 кВт.

Весьма целесообразно изменять температуру воздуха по желанию пассажиров отдельно в каждом купе. В вагонах поездов «Рейнгольд» эксплуатируемых с 1962 г. в ФРГ, применены аппараты «Жетэйр» устанавливаемые в каждом купе. В них происходит вторичная тепловая обработка воздуха, поступившего из нагнетательного воздуховода, и пассажиры могут сами устанавливать в купе желаемую температуру.

Улучшение технико-экономических показателей вагонных холодильных установок может быть достигнуто за счет повышения частоты вращения коленчатого вала компрессора, например, до 3000 об/мин.

Улучшение герметичности системы является одним из наиболее существенных факторов, влияющих на надежность работы холодильной установки.

Первым шагом по улучшению герметичности системы было создание полугерметичных компрессоров, смонтированных в одном корпусе с бесколлекторным электродвигателем переменного тока (например, компрессор ФУБС 15) Полностью же герметичную систему можно создать только при агрегатировании установки, т.е. применении автономного кондиционера с питанием переменным током.

Автономный кондиционер представляет собой единый агрегат отдельные части которого соединены с помощью сварки. Это позволяет ликвидировать один из основных недостатков подвагонных установок, имеющих фланцевые и резьбовые соединения.

Агрегат удобен в обслуживании, легко монтируется на вагоне и при необходимости может быть быстро заменен другим не только на пунктах оборота поезда, но и во время его стоянок.

Автономные кондиционеры появились на транспорте около двадцати лет назад, но уже сейчас находят широкое применение во многих странах.

Кондиционеры, работающие в цикле теплового насоса, весьма экономичны и целесообразны для применения на железнодорожном транспорте. Они могут обеспечить не только охлаждение воздуха, но и подогрев без применения специальных подогревателей путем реверсирования в холодильной системе направление потока хладагента в зависимости от наружных температурных условий.

Применение теплового насоса позволяет значительно расширить возможности использования установок кондиционирования воздуха. В южных направлениях с умеренным климатом, где температура воздуха бывает -5 градусов даже в зимнее время года, такая установка может обеспечить круглогодичное кондиционирование воздуха, не нуждаясь в дополнительном применении приборов системы отопления.

При более холодном климате может потребоваться добавочный подогрев воздуха приборами отопления. И лишь при сильных морозах такая установка оказывается экономически невыгодной.

Таблица 1.1 - Техническая характеристика

Расчетная площадь теплопередающей поверхности кузова определяется по формуле

, м2 /3, с. 31/

где и соответственно, наружная и внутренняя площади поверхностей ограждения.

Рассчитаем площадь наружной поверхности

1) Площадь пола:

2) Площадь боковых стен:

3) Площадь торцовых стен:

4) Площадь крыши: /5, с. 49/

5) Площадь больших окон:

,

где длина окна /4, с. 386/;

ширина окна /4, с. 386/;

количество окон /4, с. 386/

6) Площадь малых окон:

,

где ; ; /4, с. 386/

Рассчитаем площадь внутренней поверхности

1);

2);

3);

4);

Тогда ;

(без площади окон).

Общая площадь кузова вагона:

Таблица 2.1 - Характеристики материалов теплоизолирующих поверхностей элементов ограждения кузова вагона /3, с. 86/

Ограждение крыши, мм:

Боковые и торцовые стены, мм:

Пол, мм:

Окна, мм:

Рисунок 2.1Сечения теплопередающих поверхностей:

1 стальная обшива; 2 пластик; 3 пенополиуретан; 4 ДВП; 5 павинол; 6 мастика; 7мипора; 8 пленка; 9 фанера; 10 линолеум; 11 стекло; 12воздух.

Найдем коэффициенты теплопередачи:

Крыша:

/1, с. 30/;

/1, с. 31/.

Боковая и торцовая стены:

Пол:

Окна:

Определим приведенный коэффициент теплопередачи ограждения кузова вагона

,

где для пассажирских вагонов /6, с. 15/.

Учитывая увеличение коэффициента в процессе эксплуатации из-за «старения» изоляции и увлажнения, получим:

,

где для пассажирских вагонов /6, с. 15/.

, /1, с. 34/

отвечает требованиям ГОСТ12406-66.

Расчет теплопритоков в вагоне в летнее время производится для определения производительности системы охлаждения.

Общий теплоприток в вагон определяется по следующей формуле /1, с. 47/:

,

где теплоприток в вагон поступающий через ограждение кузова в следствии перепада температур воздуха снаружи и внутри вагона, кВт;

теплоприток от инфильтрации воздуха, кВт;

теплоприток от солнечной радиации, кВт;

теплоприток от тепловыделения пассажиров, кВт;

тепловыделение работающего в вагоне оборудования, кВт;

приток наружного воздуха, подаваемого в вагон вентиляцией, кВт.

Находим каждый вид теплопритоков:

, /1, с. 43/

где

наружная температура воздуха летом (по заданию);

температура воздуха в вагоне.

Принимаем .

Теплоприток от инфильтрации:

, /1, с. 43/

где числовой коэффициент.

Теплоприток от солнечной радиации через непрозрачные ограждения:

/1, с. 44/

Через прозрачные ограждения:

,

где А - коэффициент теплопоглащения, зависит от состояния поверхности, рода материала и цвета.

Акр=0,5 - для крыши; Аст=0,7 - для стен /1, с. 44/

Кпр - коэффициент пропускания лучей окнами

Кпр=0,48 /1, с. 44/; Ккр=1,3Вт/(м2К); Кст=1,4Вт/(м2К);

I - интенсивность солнечной радиации /1, с. 45/:

для горизонтальных поверхностей: Iг=950Вт/м2;

для вертикальных поверхностей: Iв=540Вт/м2.

Теплоприток через крышу:

Qкр=(9500,51,381,5)/67=751Вт /1, с. 45/

Через стены:

Qст.=(5400,71,446,2)/67=365Вт /1, с. 45/

Через окна:

Qо=5400,489,15=2372Вт /1, с. 45/

Суммарный теплоприток от солнечной радиации:

Q3=Qкр+Qст.+Qо /1, с. 45/

Q3=751+365+2372=3488Вт3,49кВт

Тепловыделение пассажиров:

Q4=qn, /1, с. 45/

где q=115Вт - суммарное тепло, выделяемое одним пассажиром

/1, с. 13/;

n=23 - число пассажиров.

Q4=11523=3680Вт=2,65кВт

Тепловыделение работающего в вагоне оборудования равно суммарной мощности постоянных потребителей:

Q5=1,7+0,4=2,1кВт, /1, с. 46/

где 1,7кВт - мощность электродвигателя вентилятора;

0,4кВт - мощность регулирующей аппаратуры.

Теплоприток от подаваемого в вагон наружного воздуха:

Q6=G(iн-iв) /1, с. 46/

где =1,2 кг/м3 - плотность воздуха /1, с. 46/;

G=0,4м3/с - объем подаваемого воздуха.

По диаграмме i-d определим /3, с. 10/:

для и =65% iн=71кДж/кг;

для и =55% iв=48кДж/кг.

Q6=0,41,2(71-48)=11,04кВт

Общий теплоприток в вагон, и следовательно, холодопроизводительность холодильной установки составят:

Qобщ.=1,5+0,45+3,49+2,65+2,1+11,04=21,23кВт

Вывод: применяемая на вагоне холодильная установка, с холодопроизводительностью 29кВт, КЖ_25П удовлетворяет условиям.

Основные параметры:

т. Н;

т. В;

т. С. Смесь Н и В;

т. М - мультивент;

т. П- у поверхности ИВО.

Определим тепловлажностные отношения /2, с. 116/:

тепло.=Qi /Wi, кДж/кг

где Qi - теплоизбытки в салоне вагона, складываются из следующих теплопритоков: теплоприток через ограждение кузова, от солнечной радиации, от инфильтрации, от работающего оборудования, расположенного в вагоне, от пассажиров;

Qi=1,5+0,45+3,49+2,65+2,1=10,19кВт

Wi=Wпасс.+Wинф. - влага и теплопритоки, которые поступают с инфильтрационным воздухом, а также выделяются пассажирами.

Wинф.=Gинф.(dН-dВ)10-3,

где Gинф=(0,04170,1111) кг/с - количество инфильтрационного воздуха;

dН и dВ - с диаграммы (влагосодержание).

Wинф=0,1(16,5-10)10-3=0,6510-3кг/с

Wпасс.=qпасс.n,

где n=23 - число пассажиров;

qпасс.=2,710-6 - количество влаги выделяемое одним пассажиром летом.

Wпасс.=232,710-6=0,06210-3кг/с

Тогда Wi=0,6510-3+0,06210-3=0,7110-3кг/с;

тепло.=10,19/0,7110-3=14310кДж/кг.

Мощность испарителя-воздухоохладителя определяем по следующей формуле:

QИВО=G(iС - iМ), кВт

где G - общий расход воздуха, кг/с;

iС и iМ -соответственно, энтальпии точек С и М, кДж/кг;

G=25n=2523=575м3/ч,

где 25м3/ч - количество наружного воздуха на одного пассажира

/2, с. 117/;

n=23 - количество пассажиров.

QИВО=575(57-42)=8625 Вт=8,6 кВт

В мягком вагоне с двух- и четырехместными купе постройки завода им. Егорова были осуществлены некоторые новые для отечественного вагоностроения конструктивные решения. В частности, изменено расположение вентиляционного агрегата, впервые опробована новая холодильная установка типа КЖ_25П, широко использованы синтетические материалы и алюминиевые сплавы. Вагон длиной 23,6 м рассчитан на перевозку 24 пассажиров в четырех двухместных и четырех четырехместных купе. В вагоне имеется два туалета, из которых один оборудован душевым устройством. Основное освещение осуществляется люминесцентными лампами на 220 В с питанием через машинный преобразователь. В вагоне применено горячее и холодное водоснабжение, предусмотрен электрообогрев головок наливных труб, имеются электрокипятильник и охладитель питьевой воды.

Система кондиционирования воздуха состоит из систем вентиляции, водяного отопления, электрического подогрева вентилирующего воздуха и охлаждения. Управление работой агрегатов автоматизировано.

Система вентиляции этого вагона существенно отличается от подобных систем вагонов других типов тем, что вентиляционный агрегат в ней расположен не со стороны служебного помещения, а с противоположной, некотловой стороны вагона. Это обеспечивает ряд преимуществ: удаление наружных жалюзи от дымовой трубы котла; облегчение доступа к вентилятору, воздухоохладителю, калориферу и фильтрам; возможность увеличения живого сечения рециркуляционного канала; улучшение условий монтажа, эксплуатации и ремонта оборудования. Вентилятор снабжен приводным электродвигателем постоянного тока мощностью 1,5 кВт.

Воздух подается в купе вагона из нагнетательного воздуховода через щелевые воздухораспределительные решетки, расположенные у потолка купе вдоль поперечных перегородок так, что встречные потоки воздуха, выходя из перфорированных панелей, резко уменьшают свои скорости. Из купе воздух выходит в коридор через решетки в продольной перегородке, расположенные под диванами. Рециркуляционный воздух засасывается из вагона вентилятором через решетку в потолке большого коридора с некотловой стороны вагона, а наружный воздух - через жалюзи на боковой стене вагона со стороны рециркуляционной решетки. За жалюзи установлена Заслонка, Которой можно регулировать количество засасываемого наружного воздуха, изменяя живое сечение решетки. Из вагона воздух удаляется в основном через дефлекторы в туалетах.

Система вентиляции имеет три ступени регулирования производительности, что достигается изменением частоты вращения вала электродвигателя вентилятора.

При работе системы кондиционирования воздуха в летнем режиме используются две скорости вращения колеса вентилятора: высокая при работе системы охлаждения и средняя при работе системы электроподогрева. При работе установки в зимнем режиме, когда действует водяное отопление, также используются две скорости: средняя и низкая.

Количество подаваемого в вагон воздуха при работе системы вентиляции на высокой скорости составляет 5000 м3/ч, на средней - 3000 м3/ч и на низкой - 2200 м3/ч. Во время стоянок поезда при питании электродвигателя от аккумуляторной батареи количество подаваемого воздуха снижается.

Система отопления вагона имеет верхнюю разводку труб от типового котла с совмещенным прямоугольным расширителем. С купейной стороны вагона проложены две гладкие обогревательные трубы, а с коридорной - одна труба с ребрами в зоне оконных проемов.

Подогрев воздуха, подаваемого в вагон в зимнее и переходное время года, производится трубчатым электрокалорифером мощностью 16 кВт, расположенным в канале системы вентиляции. Электрокалорифер состоит из двух секций, которые могут включаться при питании от генератора напряжением 145 В обе одновременно или только одна секция мощностью 9,5 кВт. При питании от аккумуляторной батареи может включаться лишь одна, меньшая по мощности секция.

В более поздней модификации этого вагона для подогрева воздуха, кроме электрокалорифера, применен калорифер водяного отопления мощностью 13 кВт. В этом случае использован односекционный электрокалорифер мощностью 4 кВт.

Рисунок 6.1 - схема холодильной установки КЖ_25П

Для искусственного охлаждения воздуха в вагоне применения системы охлаждения, которые являются непременной составной частью вагонной установки кондиционирования воздуха. Сама система охлаждения состоит из холодильной установки и устройств для распределения охлажденного воздуха по пассажирскому помещению.

Порядок построения:

Определение температуры кипения хладагента.

Температура испарения (кипения) хладагента to(oC) определяется по следующей формуле /6, с. 18/:

,

где средняя температура воздуха отделения пассажирского вагона, продуваемого через испаритель, оС;

разность температур воздуха и испарения хладагента, оС.

Принимаем tВ=23оС.

tо=1218оС /6, с. 18/. Принимаем tо=15оС.

Тогда .

В области влажного пара изотерма и изобара совпадают. По изотерме tо проводим изобару Pо, на пересечении изобары pо и кривой паросодержания x=1 получим точку 1.

Определение температуры конденсации.

Температуру конденсации tк(оС) определяем по следующей формуле:

,

где температура наружного воздуха;

приращение температуры конденсации;

/6, с. 18/;

По изотерме tк строим изобару Pк соответственно точки 3 и 2 получим пересечение изобары tк с кривой паросодержания x=0.

Построение точки 1.

ti=tвсас.+tвсас.

где tвсас=(1525)оС.

Тогда ti=8+20=28оС

Точка 1 располагается в области перегретого пара на пересечении изобары Pо и изотермы tвсас..

Построение точки 2.

Точка 2 получается в результате пересечения адиабаты, проведенной из точки 1, с изобарой Pк.

Построение точек 3 и 4.

Температуру переохлаждения хладагента на ходим по формуле:

,

где изотерма конденсации;

;

.

В области влажного воздуха находим изотерму . Проводим до пересечения с кривой паросодержания . Восстановив перпендикуляр до изобары , получаем точку 3. Если провести из точки 3 и изобары перпендикуляр на изобару получим точку 4.

Данные с графика:

i1=555кДж/кг; i1 =567кДж/кг;

i2 =568кДж/кг; i2 =585кДж/кг;

i3=440кДж/кг; i3 =i4=425кДж/кг.

удельный объем всасываемых компрессором паров;

температура перегрева пара в точке 2.

Таблица 6.1 - Результаты расчета

7. Приборы автоматики холодильной установки вагона

Холодильные установки обычно работают в автоматическом режиме с помощью специальных приборов, обеспечивающих стабильность процессов и сохранность оборудования. Назначение автоматического регулирования холодильной установки состоит в следующем: обеспечить правильное заполнение испарителя хладагентом; обеспечить включение или отключение соответствующих аппаратов или секций в зависимости от тепловой нагрузки; защитить линию нагнетания от чрезмерного повышения давления; защитить линию всасывания от понижения давления; не допускать снижения давления масла ниже заданной величины; защитить электродвигатели от чрезмерного перегрева; обеспечить заданную температуру воздуха в вагоне. В системе автоматического регулирования применяются приборы, к которым относятся: регуляторы заполнения испарителя - термо- или барорегулирующие вентили; защитные приборы-реле давления и температуры; исполнительные приборы - соленоидные вентили; приборы контроля-манометры, сигнальные указатели.

Регуляторы заполнения испарителя предназначены для автоматического регулирования подачи хладагента в испаритель и действуют в зависимости или от температуры всасываемых паров (терморегулирующие вентили), или от давления этих паров (барорегулирующие вентили).

Принцип действия терморегулирующего вентиля (ТРВ) заключается в изменении размера его проходного отверстия в зависимости от величины перегрева всасываемого пара. При этом происходит дросселирование проходящего через ТРВ хладагента от давления конденсации до давления испарения с одновременным понижением температуры. Для этого ТРВ имеет специальный термочувствительный баллон, который укреплен на отходящей от испарителя трубе и воспринимает температуру поверхности этой трубы. При увеличении перегрева всасываемого пара из-за недостаточного поступления в испаритель хладагента термочувствительный баллон подает сигнал исполнительному механизму ТРВ и сечение проходного отверстия увеличивается, при уменьшении перегрева всасываемого пара - наоборот. Терморегулирующие вентили бывают сильфонные и мембранные. Первые широко применяются в холодильной технике, однако конструкция их довольно сложна. При плохом исполнении и небрежном уходе в эксплуатации сильфонные вентили становятся ненадежными в работе, а главное недостаточно герметичными.

Более простыми по конструкции, компактными и надежными являются мембранные терморегулирующие вентили (рис. 8.1). Термочувствительный баллон 6 этого вентиля частично заполнен легко испаряющейся жидкостью (обычно хладоном-12). Давление со стороны баллона, меняющееся с изменением температуры на поверхности трубопровода, действует через капиллярную трубку 5 на мембрану 4 сверху, а давление хладагента в системе действует на мембрану снизу. Небольшое усилие, создаваемое пружиной 1, удерживает клапан 3 вентиля в закрытом положении до тех пор, пока давление на мембрану сверху не преодолевает усилия пружины и давления хладагента в системе (давление кипения). Изменение усилия пружины для настройки вентиля на определенную величину перегрева производят винтом 2. После регулировки винт закрывают колпачком, который служит и регулировочным ключом.

В барорегулирующем вентиле (рис. 8.2) корпус 1 внутри разделен на две части: нижняя часть, расположенная под сильфоном 2, заполнена хладагентом, верхняя сообщается с атмосферой. Поддержание необходимой величины давления в испарителе происходит следующим образом. Хладагент поступает в нижнюю часть вентиля и давит на сильфон, стремясь сжать его. Этому препятствует пружина 3, жесткость которой можно изменять при помощи регулировочного винта 4 с гайкой. Если давление испарения будет больше усилия пружины, то сильфон сожмется и тягой 5, ввернутой в его донышко, через палец кривошипа 6 повернет золотник 7, который прикроет проходное сечение и уменьшит поступление хладагента. После того как давление в испарителе уменьшится и соответственно понизится давление в нижней части корпуса, пружина растянет сильфон и золотник откроет канал поступления хладагента в испаритель. Бывают и несколько иные по конструкции барорегулирующие вентили, но принцип действия их такой же.

Преимуществом барорегулирующего вентиля является надежность его работы. Однако этот вентиль более грубо осуществляет регулировку подачи хладагента в испаритель, что может приводить к неэкономичной работе установки при частых изменениях тепловой нагрузки.

Реле давления применяется для поддержания необходимого давления в системе и защиты холодильной установки от аварий. Используются реле минимального давления (прессостат) для автоматического отключения компрессора при падении давления всасывания ниже допустимого и реле максимального давления (мано-контроллер), которое останавливает компрессор при чрезмерном повышении давления конденсации. Реле низкого и высокого давления обычно объединяют в один прибор.

1

Одним из наиболее распространенных приборов этого типа, применяемых в вагонных холодильных установках, является реле давления типа РД (рис. 8.3). При повышении давления хладагента во всасывающей линии компрессора сжимается сильфон низкого давления, который отводит рычаг 2 и, преодолевая усилие пружины 3, перемещает тягу 4. Последняя отжимает пластину 5 и замыкает электрические контакты 6, благодаря чему компрессор включается. При понижении давления хладагента во всасывающей линии сильфон под действием пружины 3 разжимается, тяга и рычаг перемещаются в исходное положение и контакты размыкаются, отключая компрессор. Чтобы размыкание происходило без искрения, магнит 7 удерживает пластину 5 до тех пор, пока усилие пружины не будет достаточным для резкого отрыва пластины от магнита.

Сильфон реле высокого давления по конструкции аналогичен сильфону реле низкого давления, но меньше его по диаметру. При чрезмерном повышении давления конденсации сильфон 8 отводит рычаг 9, который с помощью пружины 10 и планки 11 поднимает пластину 5, размыкая контакты независимо от реле низкого давления. Во всех случаях при размыкании контактов компрессор отключается. На срабатывание при соответствующем давлении прибор настраивается с помощью регулировочной гайки.

Электромагнитные запорные вентили относятся к исполнительным приборам и представляют собой соленоидные вентили двухпозиционного (открыт-закрыт) действия. В зависимости от диаметра трубопровода они изготовляются с различным размером проходного отверстия.

Соленоидный вентиль (рис. 8.4) состоит из клапана 4, помещенного в корпусе /, и электромагнитной катушки (соленоида) 7. При прохождении электрического тока в катушке возникает магнитное поле и якорь 8, втягиваясь в катушку, полностью открывает клапан для прохода хладагента. При прекращении электропитания якорь опускается вниз и клапан закрывает проходной канал вентиля.

Рисунок 8.4 - Соленоидный вентиль:

1 - корпус; 2 - колпачок; 3 - отжимной винт; 4 - клапан; 5 - крышка клеммной коробки; 6 - зажимы; 7 - катушка электромагнита; 8 - якорь

Основными данными для теплового расчета холодильной машины являются: нагрузка на компрессор, температурный режим работы машины (температура кипения, конденсации, перед регулирующим вентилем, переохлаждения, всасывания), вид применяемого хладагента.

Температура: конденсации - 39оС, испарения - 8оС, переохлаждения - 34оС, всасывания - 28оС, перегретого пара - 62оС.

Давление: нагнетания - Pк=1,00МПа, всасывания - Pо=0,38Мпа.

Теплосодержание в точках 3 и 4: i3 = i4 =440 кДж.

Удельный объем всасываемого пара: .

Холодильный цикл изображен на рис. 7.1.

Таблица 8.1 Результаты расчетов

Остальные параметры приведены в таблице 7.1.

Количество охлажденного воздуха:

, /5, с. 33/

где удельная теплоемкость воздуха;

плотность воздуха, /5, с. 33/.

Вывод: в результате расчетов принимаем конденсатор с теплопередающей поверхностью 80 м2, с количеством воздуха, продуваемого через конденсатор 8000 м3/ч

/1, с. 135/