CC BY
16
^ ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ
УДК 621.313.5
Электромеханическая система отопления пассажирского вагона К. К. Ким 1, С. Н. Иванов 2, М. И. Хисматулин 1
1 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
2 Комсомольский-на-Амуре государственный университет, Российская Федерация, 681013, Дальневосточный федеральный округ, Хабаровский край, Комсомольск-на-Амуре,
пр. Ленина, 27
Для цитирования: Ким К. К., Иванов С. Н., Хисматулин М. И. Электромеханическая система отопления пассажирского вагона // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2020. - Т. 17. - Вып. 4. - С. 566-574. Б01: 10.20295/1815-588Х-2020-4-566-574
Аннотация
Цель: Разработка электромеханической системы отопления пассажирского вагона с применением теплогенерирующего электромеханического преобразователя (ТЭМП). Методы: Использованы методы математического анализа, аспекты теории электромеханического преобразования энергии и теории управления. Результаты: Разработана оригинальная схема электромеханической системы отопления пассажирского вагона, выполнен гидравлический расчет мощности системы отопления пассажирского вагона. Практическая значимость: На основании сопоставления полученных данных с технико-экономическими показателями классических систем отопления доказана целесообразность эффективного применения ТЭМП как источника тепловой энергии для пассажирских вагонов. В результате повышаются надежность работы и коэффициент полезного действия системы отопления пассажирского вагона за счет применения в качестве теплогенери-рующего блока управляемого ТЭМП, что позволяет регулировать скорость движения и нагрева теплоносителя в зависимости от разности между требуемой температурой нагрева воздуха в вагоне и ее текущим значением.
Ключевые слова: Теплогенерирующий электромеханический преобразователь, отопление, автоматизирование, надежность, коэффициент полезного действия, гидравлический расчет.
В настоящее время, учитывая технические условия, в процессе проектирования и постройки железнодорожных вагонов, предназначенных для пассажирского движения [1], внутривагонная температура должна быть в пределах 20 ± 2 °С при температуре снаружи до -40 °С. Скорость движения допускается не более 160 км/ч; также изменение значения указанной температуры по
габаритным размерам высоты и длины вагона соответственно не должно превышать 3 °С.
Жесткие требования мирового сообщества, касающиеся загрязнения окружающей среды и эффективности работы железнодорожной техники, требуют углубленной проработки и дальнейшего изучения данного направления отечественными разработчиками и производителями.
Стратегия развития ОАО «РЖД» до 2030 года [2] предполагает достижение ряда приоритетных целей, в числе которых:
- предоставлять преимущество «экологическим» технологиям, сделать возможным уменьшение воздействия на окружающую среду в 2 раза;
- увеличить степень удовлетворенности клиентов, благодаря повышению качеств услуг, но в то же время с сохранением конкурентоспособной цены перевозок;
- сохранить лидирующие позиции в мире в плане безопасности, эффективности, предоставляемых качеств услуг инфраструктуры.
Все это, в свою очередь, будет способствовать созданию эффективного обслуживания широкомасштабных цепочек доставок одних из самых крупных клиентов российского и международного рынка, а также расширению перевозочного и логистического бизнеса на евроазиатском пространстве.
Парк пассажирских вагонов России в 90 % от общего числа оснащен котлом водогрейного типа. В нем расположены 24 трубчатых электронагревательных элемента (ТЭНа), а также имеется топочная камера для угля.
Величина коэффициента полезного действия (КПД) котла не превышает 47 %. Также следует отметить достаточно невысокие значения «эко-логичности» производств угольной промышленности.
В процессе применения ТЭНов нужно либо «отбирать» определенные объемы электроэнергии у локомотивов при системе централизованного электропитания, которые нужны для питания ТЭНов, либо использовать автономные дизель-генераторы. Кроме вышеперечисленного, одним из возможных решений является ввод в состав вагона-электростанции в процессе эксплуатации, что, в свою очередь, значительно увеличивает итоговую стоимость системы [3-6].
В качестве альтернативного решения по сравнению с уже имеющимися отопительными системами сотрудниками кафедры «Электротехника и теплоэнергетика» Петербургского государственного университета путей сообщения
и Комсомольского-на-Амуре государственного университета был предложен и разработан оригинальный метод, при применении которого используется теплогенерирующий электромеханический преобразователь (ТЭМП), который выполняет функцию теплогенерирующего и перекачивающего устройства. На базе этого метода был создан ряд конструктивных разработок, новизна которых защищена 13 патентами.
Основным элементом ТЭМП по своей сути является асинхронный двигатель, однако отличительной особенностью от последнего, где нагревание конструкции, которое сопровождает процесс преобразования электрической энергии в механическую, носит негативный характер, теплота, выделяющаяся в элементах конструкции ТЭМП, направляется на нагрев теплоносителя, т. е. непосредственно на отопление вагона. Все это, в свою очередь, приводит к увеличению показателя КПД устройства.
Конструктивная схема ТЭМП показана на рис. 1, а, б.
Конструкция ТЭМП, являющегося составной частью автоматизированной системы отопления пассажирского вагона, включает в себя статор с первичной трехфазной обмоткой 1 и вращающуюся короткозамкнутую вторичную обмотку 2, изготовленную в виде несплошного полого цилиндра. На внутренней поверхности этого цилиндра жестко закреплены напорные лопасти 3. Статор капсулирован с помощью изоляционного антифрикционного самосмазывающегося материала. На внутренней поверхности расточки статора жестко закреплен неподвижный нагревательный элемент 4, который изготавливается из тонкостенной немагнитной электропроводящей фольги из меди, гальванически не связанной с электропроводящими элементами статора, и размещается в специальной кольцевой канавке. Его закрепление и электрическое соединение обеспечиваются с помощью пайки высокотемпературным припоем непосредственно в месте установки.
Между вращающейся вторичной обмоткой 2 и статором находится теплоизолирующий слой из антифрикционного неэлектропроводя-
Рис. 1. Конструктивная схема ТЭМП: а - вид со стороны боковой поверхности; б - вид со стороны торцевой поверхности; 1 - статор с первичной трехфазной обмоткой; 2 - вращающаяся короткозамкнутая вторичная обмотка; 3 - напорные лопасти; 4 - неподвижный нагревательный элемент
щего материала, выполняющего функцию одностороннего радиально-упорного подшипника скольжения. Данный слой жестко закреплен относительно статора и составляет единую конструкцию с магнитопроводом статора и первичной обмоткой. Соединение ТЭМП с внешним отопительным контуром осуществляется с помощью резьбовых штуцеров, закрепленных на торцевых крышках. Между вращающейся вторичной обмоткой 2 и торцевой фиксирующей крышкой расположено уплотнительное кольцо из самосмазывающегося материала, ограничивающее перемещение вращающейся вторичной обмотки в осевом направлении.
Ноу-хау данной конструкции - отсутствие традиционных подшипников, благодаря чему теплоноситель проходит насквозь ТЭМП через внутреннюю полость вращающейся вторичной обмотки, что, в свою очередь, обусловливает низкое гидравлическое сопротивление устройства.
Приводится в движение теплоноситель напорными лопастями, которые начинают вращаться после запитывания первичной трехфазной обмотки.
Вихревые токи во вторичной обмотке и неподвижном нагревательном элементе индуцируются вращающимся магнитным полем первичной трехфазной обмотки, тем самым вызывая их нагрев. Теплота с этих элементов передается теплоносителю.
Статор электродвигателя 4 А180 М2У3 мощностью 30 кВт является базовой конструкцией неподвижной части теплогенератора.
Была проведена серия экспериментов, в которых температура теплоносителя (воды) на выходе ТЭМП была в диапазоне 90-95 °С. Температура теплоносителя при применении ТОСОЛа или масла с легкостью повышалась при помощи регулятора статорного напряжения, постоянное напряжение в котором преобразуется в переменное промышленной частоты, а после этого в переменное регулируемой частоты [7, 8].
В табл. 1 приведены основные технико-экономические показатели и геометрические размеры одного из вариантов ТЭМП.
Показатель производительности данного генератора составил 0,0045 м 3/с, скорость теплоносителя - 1 м/с. Было принято максимально низкое (которое может наблюдаться в зимнее время на территории РФ) значение температуры наружного воздуха, равное -50 °С [9, 10].
Предполагается ТЭМП интегрировать в автоматизированную систему отопления пассажирского вагона, как это показано на рис. 2.
Отличительной особенностью данной системы являются такие показатели как повышенные надежность работы и КПД, которые возможно реализовать с помощью применения в качестве теплогенерирующего блока управляемого ТЭМП.
ТАБЛИЦА 1. Основные технико-экономические показатели ТЭМП
№ Наименование величины Значение
1 КПД 0,825
2 Коэффициент мощности 0,88
3 Подводимая мощность, кВт 3,03
4 Наружный диаметр сердечника статора, м 0,131
5 Длина сердечника статора, м 0,0983
6 Принятое значение длины сердечника, м 0,1
7 Отношение длины сердечника к наружному диаметру 0,748
8 Предельное значение отношения длины сердечника к наружному диаметру 0,775
9 Внутренний диаметр сердечника статора, м 0,0775
10 Воздушный зазор между статором и неподвижным нагревательным элементом, м 0,0001
11 Воздушный зазор между статором и вращающимся нагревательным элементом, м 0,001
12 Наружный диаметр вращающегося нагревательного элемента, м 0,073
13 Число витков в обмотке 192
14 Номинальный фазный ток, А 4,6
15 Линейная нагрузка статора, А/м 22 800
16 Допустимая линейная нагрузка, А/м 25 000
17 Плотность тока в обмотке статора, А/м 2 6488000
18 Тепловая нагрузка, А/м3 1,533-10-11
Это, в свою очередь, способствует возможности проведения регулировки скорости движения, а также нагрева теплоносителя в зависимости от разности показаний требуемой температуры нагрева воздуха в вагоне и ее текущим значением.
На рис. 2 показана автоматизированная система отопления пассажирского вагона.
Работа автоматизированной системы отопления пассажирского вагона (рис. 2) происходит следующим образом: при подключении тепло-генерирующего блока 2, который выполнен в виде управляемого ТЭМП, к сети переменного тока последний начинает нагревать теплоноситель, в то же время приводя его в движение. Теплоноситель по напорным трубам 4 поступает в калорифер 5, а затем в расширитель 7, из которого в отопительные ветви 9 купейной и коридорной сторон.
Нагревание осуществляется в соответствии с заданным алгоритмом управления, обеспечивая необходимый температурный режим, так как ТЭМП подключается к сети переменного тока через блок управления 20, в который входит оптимальный регулятор (на основе нейронной сети и/или нечеткой системы).
В торцевую крышку ТЭМП (под ее поверхностью, обращенной к торцу ротора, заподлицо) жестко закреплены тензодатчики 22, способствующие при нормальном режиме работы выдаче тока номинального значения на устройство отключения 3 питания статорной обмотки.
В случае аварийного режима (резкого изменения напора теплоносителя) происходит обе-сточивание первичной обмотки ТЭМП, тем самым предотвращая ее перегорание.
В качестве примера был выполнен расчет двухтрубной системы водяного отопления ва-
Рис. 2. Автоматизированная система отопления пассажирского вагона: 1 - выход теплогенерирующего блока; 2 - теплогенерирующий блок; 3 - устройство отключения; 4 - напорные трубы; 5 - калорифер; 6 - вход расширителя; 7 - расширитель; 8 - выход расширителя; 9 - отопительные ветви купейной и коридорной сторон; 10 - нагревательные трубы; 11 - вход теплогенерирующего блока; 12 - измерительный датчик; 13 - измерительный датчик; 14 - выход измерительного датчика; 15 - выход измерительного датчика; 16 - вход сумматора; 17 - сумматор; 18 - выход сумматора; 19 - вход блока управления; 20 - блок управления; 21 - выход блока управления; 22 - тензодатчики
гона с нижней разводкой с использованием ТЭМП.
Основные технико-экономические показатели ТЭМП приведены в табл. 1. Установленная мощность системы отопления принималась равной 22 кВт. Результаты расчета даны в табл. 2.
Гидравлический расчет был проведен по двум циркуляционным кольцам (общая длина 44,1 м) и сведен к подбору диаметров труб с обеспечением суммарных потерь напора в системе 343,7 Па, которые не превышают расчетное циркуляционное давление.
По результатам расчета площадей теплоот-дающих поверхностей помещений вагона (с учетом номинальных плотностей теплового потока при стандартных условиях работы, температурного напора, равного разности полусуммы теплоносителя на входе (95 °С) и выходе (70 °С)
отопительного прибора, и необходимой температуры воздуха в помещениях) были выбраны 16 настенных конвекторов без кожуха типа «Прогресс 15». При этом учитывались номинальные плотности теплового потока при стандартных условиях работы, температурный напор, равный разности полусуммы теплоносителя на входе (95 °С) и выходе (70 °С) отопительного прибора, и требуемая температура воздуха в помещениях. На основе полученных данных было проведено сравнение с технико-экономическими показателями традиционных систем отопления и подтвердилась возможность эффективного применения ТЭМП в качестве источников тепловой энергии для пассажирских вагонов.
В заключение следует отметить, что предлагаемая автоматизированная система отопления пассажирского вагона с применением ТЭМП
ТАБЛИЦА 2. Результаты расчета мощности системы отопления
№ помещения Тип помещения Температура внутренняя, °С Ограждающие конструкции ÖnOtM Вт
Элементы Размеры, м
длина ширина
Наружные стены 1,15 2,3
1, 13 Туалет 18 Пол 1,15 1,3 412
Окно 0,64 0,8
Потолок 1,15 1,3
Наружные стены 1,9 2,3
2 Служебное помещение 22 Пол 1,9 1,5 786
Потолок 1,9 1,5
Окно 0,64 0,8
Наружные стены 1,8 2,3
3...12 Купе 22 Пол 1,8 2,1 1253
Потолок 1,8 2,1
Окно 0,96 0,8
Наружные стены 1,15 2,3
14 Тамбур 20 Пол 1,15 1,55 633
Потолок 1,15 1,55
Окно 0,64 0,8
Наружные стены 18 2,3
Пол 18 0,75
Потолок 18 0,75
15 Коридор 20 Окно 1 0,64 0,8 4753
Окно 2 0,96 0,8
Окно 10 0,96 0,8
Наружные стены 3,05 2,3
Тамбур 20 Пол 3,05 1,45 969
Потолок 3,05 1,45
Окно 0,64 0,8
Суммарная мощность, Вт 20 487
выгодно отличается от систем, содержащих котел водогрейного типа с топочной камерой для угля и трубчатые электронагревательные элементы, не только повышенными надежностью и КПД, но и экологичностью (отсутствие загрязнения окружающей среды) и более высоким уровнем электробезопасности (наведенное напряжение на вращающейся вторичной обмотке составляет величину в несколько вольт).
Библиографический список
1. ГОСТ Р 55182-2012. Вагоны пассажирские локомотивной тяги. Общие технические тербования. -URL: docs.cntd.ru/document/1200098590 (дата обращения : 12.07.2020 г.).
2. Краткое описание стратегии развития ОАО «РЖД» до 2030 года. - URL : http://ar2016.rzd.ru/ru/ strategy/development-strategy-2030 (дата обращения : 20.08.2020 г.).
3. Ким К. К. Основы проектирования гидроэлектродинамических теплогенераторов / К. К. Ким, С. Н. Иванов, С. В. Уханов // Электроэнергетика. Электротехника. Электротехническая промышленность. - 2008. -№ 4. - С. 14-1б.
4. Ким К. К. Tеплогенерирующий электромеханический преобразователь / К. К. Ким, С. Н. Иванов, И. M. Карпова // Электротехника. - 2008. - № 9. - С. 4б-52.
5. Компьютерная программа для проведения инженерного анализа и двумерного моделирования методом конечных элементов. - URL : http://www.elcut. ru (дата обращения : 07.09.2020 г.).
6. Kim K. K. The stability of a synchronous machine with zero-flux stator winding to small radial disturban-
ces / K. K. Kim // Electrical Technology Russia. - 1999. -Iss. 4. - Р. 66-77.
7. Kim K. K. New type of electroheat-generator / K. K. Kim, S. N. Ivanov // Digests of XVIII International Conference on Electrical Machines, ICEM'08. - Vila-moura, Portugal. 669 September 2008. - PC. 5.12.
8. Васильев П. Ю. Определение параметров технических средств контроля силовых полупроводниковых приборов путем математического моделирования теплофизических процессов, возникающих при воздействии импульсов тока / П. Ю. Васильев, В. В. Никитин // Материалы Всерос. науч.-техн. конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» : в 4 т. Красноярск, 19-21 мая 2005 г. - Красноярск, 2005. - Т. I. - С. 539-543.
9. Елшин А. И. и др. Экономическая целесообразность электроотопления / А. И. Елшин и др. // Образование, наука и производство : проблемы, достижения и перспективы : материалы Междунар. науч.-технич. конференции «Электротехнические системы и комплексы». Комсомольск-на-Амуре, 21-22 октября 2010 г. : в 5 т. / Редкол. : А. М. Шпилев (отв. ред.) и др. - Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2010. - Т. 3. - С. 190-196.
10. Кузьмин В. М. Электронагревательные устройства трансформаторного типа / В. М. Кузьмин. - Владивосток : Дальнаука, 2001. - 143 с.
Дата поступления: 09.09.2020 Решение о публикации: 22.09.2020
Контактная информация:
КИМ Константин Константинович - д-р техн. наук, профессор; kimkk@inbox.ru ИВАНОВ Сергей Николаевич - д-р техн. наук, профессор; snivanov57@mail.ru ХИСМАТУЛИН Марат Ильдусович - аспирант; lokomotivlar@gmail.com
Electromechanical heating system for a passenger car K. K. Kim 1, S. N. Ivanov 2, M. I. Khismatulin 1
1 Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
2 Komsomolsk-on-Amur State University, 27, Lenin pr., Komsomolsk-on-Amur, Khabarovsk Territory, Far Eastern Federal District, 681013, Russian Federation
For citation: Kim K. K., Ivanov S. N., Khismatulin M. I. Electromechanical heating system for a passenger car. Proceedings of Petersburg State Transport University, 2020, vol. 17, iss. 4, pp. 566-574. DOI: 10.20295/1815-588X-2020-4-566-574
Summary
Objective: Development of an electromechanical heating system for a passenger car using a heat-generating electromechanical converter (HGEC). Methods: Methods of mathematical analysis, aspects of the theory of electromechanical energy conversion and control theory were used. Results: An original diagram of the electromechanical heating system of a passenger car was developed, a hydraulic calculation of the power of the heating system of a passenger car was performed. Practical importance: Based on the comparison of the obtained data with the technical and economic indicators of classical heating systems, the expediency of the effective use of HGEC as a source of thermal energy for passenger cars has been proved. As a result, the reliability and efficiency of the passenger car heating system are increased due to the use of a controlled HGEC as a heat generating unit, which makes it possible to regulate the speed of movement and heating of the coolant depending on the difference between the required temperature of heating the air in the car and its current value.
Keywords: Heat generating electromechanical converter, heating, automation, reliability, efficiency, hydraulic calculation.
References
1. State standart GOSTR 55182-2012. Vagonypas-sazhirskiye lokomotivnoy tyagi. Obshchiye tekhniches-kiye trebovaniya (Pereizdaniye) [Locomotive-hauled passenger cars. General technical requirements (Reissue)]. Available at: http://docs.cntd.ru/document/1200098590 (accessed: July 12, 2020). (In Russian)
2. Kratkoye opisaniye strategii razvitiya OAO "RZHD" do 2030 goda [Brief description of the development strategy of JSC "Russian Railways" until 2030]. Available at: http://ar2016.rzd.ru/ru/strategy/develop-ment-strategy-2030 (accessed: August 20, 2020). (In Russian)
3. Kim K. K., Ivanov S. N. & Ukhanov S. V. Osnovy proyektirovaniya gidroelektrodinamicheskikh teplogene-ratorov [Fundamentals of designing hydroelectrodyna-mic heat generators]. Elektroenergetika. Elektrotekhnika. Elektrotekhnicheskaya promyshlennost '[Power engineering. Electrical engineering. Electrical industry], 2008, no. 4, pp. 14-16. (In Russian)
4. Kim K. K., Ivanov S. N. & Karpova I. M. Teploge-neriruyushchiy elektromekhanicheskiy preobrazovatel' [Heat-generating electromechanical converter]. Elektrotekhnika [Electricalengineering], 2008, no. 9, pp. 4652. (In Russian)
5. ELCUT. Available at: http://www.elcut.ru (accessed: September 07, 2020). (In Russian)
6. Kim K. K. The stability of a synchronous machine with zero-flux stator winding to small radial disturbances. Electrical Technology Russia, 1999, iss. 4, pp. 66-77.
7. Kim K. K. & Ivanov S. N. New type of electroheat-generator. Digests of XVIII International Conference on Electrical Machines, ICEM'08. Vilamoura, Portugal, 669 September 2008, PC. 5.12.
8. Vasil'yev P. Yu. & Nikitin V. V. Opredeleniye parametrov tekhnicheskikh sredstv kontrolya silovykh poluprovodnikovykh priborov putem matematicheskogo modelirovaniya teplofizicheskikh protsessov, voznik-ayushchikh pri vozdeystvii impul'sov toka [Determination of parameters of technical means of control of power semiconductor devices by means of mathematical modeling of thermophysical processes arising under the influence of current pulses]. Materialy Vseros-siyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii "Resur-sosberegayushchiye tekhnologii na zheleznodorozhnom transporte". V 4 t. Krasnoyarsk, 19-21 maya 2005 g. [Proceedings of the All-Russian scientific and technical conference "Resource-saving technologies in railway transport". In 4 vol. Krasnoyarsk, May 19-21, 2005]. Krasnoyarsk, 2005, vol. I, pp. 539-543. (In Russian)
9. Yelshin A. I. et al. Ekonomicheskaya tselesoobraz-nost' elektrootopleniya [Economic feasibility of electric heating]. Obrazovaniye, nauka iproizvodstvo:problemy, dostizheniya i perspektivy. Materialy mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii "Elektrotekhniches-kiye sistemy i kompleksy". Komsomol'sk-na-Amure, 2122 oktyabrya 2010 g. V 5 t. [Education, science and production: problems, achievements and prospects. Proceedings of the international scientific and technical conference "Electrical systems and complexes". Komsomolskon-Amur, October 21-22, 2010. In 5 vol.]. Komsomolskon-Amur, GOUVPO "KnAGTU" [Komsomolsk-on-Amur State Technical University] Publ., 2010, vol. 3, pp. 190-196. (In Russian)
10. Kuz'min V. M. Elektronagrevatel'nyye ustroyst-va transformatornogo tipa [Electric heating devices of transformer type]. Vladivostok, Dal'nauka Publ., 2001, 143 p. (In Russian)
Received: September 09, 2020 Accepted: September 22, 2020
Authors' information:
Konstantin K. KIM - D. Sci. in Engineering,
Professor; kimkk@inbox.ru
Sergey N. IVANOV - D. Sci. in Engineering,
Professor; snivanov57@mail.ru
Marat I. HISMATULIN - Graduate Student;
lokomotivlar@gmail.com
