Количественная оценка влияния солнечной радиации на работу вагонного кондиционера Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Список литературы

1. Пат. 77583 Российская Федерация, МПК В 60 М 1/14. Воздушная стрелка контактной сети / О. А. Сидоров, В. А. Королев, Д. Д. Жмудь (Россия). - № 2008120936/22. Заявлено 26. 05. 2008; опубл. 27.10.2008. Бюл. № 30. - 7 с.

2. Пат. 93349 Российская Федерация, МПК В 60 М 1/14, Воздушная стрелка контактной сети / О. А. Сидоров, В. А. Королев, Д. Д. Жмудь (Россия). - № 2009146611/22. Заявлено 15. 12. 2009; опубл. 27.04.2010. Бюл. №12. - 6 с.

УДК 629.4.048.3:681.5.017

Ю. И. Матяш, А. Ю. Громов

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ НА РАБОТУ ВАГОННОГО КОНДИЦИОНЕРА

В статье приведена методика стенки влияния теплопритока от солнечного радиации в летний период эксплуатации пассажирского вагона при различных скоростях движения на эффективность работы вагонного кондиционера. Представлены результаты расчетов, на основании которых даны рекомендации по усовершенствованию системы кондиционирования воздуха.

Расчет системы кондиционирования воздуха в пассажирском вагоне, выбор необходимого количества воздуха и схемы его обработки производятся на основе тепловлажно-стного баланса. Основной составляющей тепловлажностного баланса является поступление тепла, или теплоприток через ограждения кузова вагона. Это теплопоступление в расчетах выражается в виде тепловых нагрузок на пассажирское помещение в условиях стационарного режима.

При эксплуатации вагонов в летний период года в пассажирское помещение поступает дополнительный теплоприток, вызванный действием солнечной радиации, Вт [1],

(1)

«и

где / - интенсивность солнечной радиации, Вт/м2;

А - коэффициент теплопоглощения облучаемой поверхности;

К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-°С);

Е - площадь ограждения, м2;

о

ан - коэффициент теплоотдачи облучаемой поверхности, Вт/(м -°С).

Вследствие частичного поглощения энергии падающего луча солнечное излучение нагревает поверхность вагона до более высокой температуры, чем окружающий наружный воздух. В связи с этим чем больше тепла будет снято с ограждений набегающим потоком наружного воздуха, тем меньше его пройдет внутрь вагона. Согласно выражению (1) при уменьшении значения коэффициента теплоотдачи от облучаемой поверхности ан, вызванном снижением скорости движения поезда, теплоприток в вагон от солнечной радиации будет пропорционально возрастать.

В «Правилах технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации» приведены регламентированные скоростные режимы движения пассажирского состава в зависимости от места эксплуатации или выполнения маневра. Согласно этим правилам скорость вагона при движении по перегону может изменяться в диапазоне от 50 до 140 км/ч, а в пригородной зоне она не должна превышать 50 км/ч [2]. При этом на практике установлено, что

Подвижной состав железных дорог

длительность режимов движения с низкими скоростями (20 - 50 км/ч) может достигать нескольких часов.

При эксплуатации пассажирского поезда в районах с теплым и влажным климатом, например, в географических зонах на юге и юго-западе нашей страны, величина интенсивности солнечной радиации для горизонтальных поверхностей может достигать 1 кВт/м2 [1] . В связи с этим при длительном движении вагона с низкими скоростями, например, в районах морского побережья, величина теплопритока в пассажирское помещение значительно возрастает, что может существенно сказываться на эффективности работы кондиционера.

Вагонный кондиционер рассчитывается на максимальную тепловую нагрузку при установленных параметрах окружающей среды ¿н = 32 °С, срш = 70 % или = 40 °С, (рн= 30 % и

параметрах воздуха в вагоне 1к = 24 °С, (рк = 60 %. Для расчета теплопритока от солнечной

радиации среднюю маршрутную скорость поезда принимают равной 100 км/ч [1].

Таким образом, в связи со сказанным выше можно предположить, что для существующих вагонных кондиционеров появляется дефицит холодопроизводительности, что приводит к отсутствию возможности поддержания в таких условиях требуемых температурных параметров в вагоне.

Для более детального рассмотрения вопроса о влиянии солнечной радиации на работу вагонного кондиционера, а также предложения мероприятий, направленных на снижение этого влияния, необходимо провести его количественную оценку.

Расчетная величина интенсивности солнечной радиации для горизонтальной крыши вагона принимается для области средних географических широт в июле месяце и составляет 942Вт/м2, что существенно превосходит это же значение для вертикальных поверхностей (535 Вт/м2) [1].

При воздействии солнечной радиации на поверхность ограждений кузова вагона часть теплового потока в количестве (1А) будет поглощаться поверхностью, в то время как другая его часть в количестве /(1 - А) будет отражаться от поверхности и передаваться окружающему воздуху [3] (рисунок 1).

На рисунке 1 приняты следующие обозначения: /(1 - А), Вт/м2, - количество тепла, отраженное от поверхности вагона; Вт/м2, - количество тепла, переданного воздуху; 1А — д0, Вт/м2, - тепловой поток, проникающий внутрь вагона; qp, Вт/м2, - величина

теплового потока, проходящего внутрь вагона, с учетом коэффициента проницания ограждений; ¿н, °С, -

температура наружного воздуха; ¿н, °С, - температура

ограждений; ¿к, °С, - температура в помещении; ¿к, °С,

- температура внутренней поверхности ограждений.

Удельный тепловой поток, переданный набегающему потоку воздуха с единицы поверхности ограждений вагона, Вт/м2 [3],

Коэффициент теплоотдачи ан должен рассматриваться как сумма коэффициентов теп-

о

лоотдачи конвекцией и лучеиспусканием, Вт/(м -°С):

«н=«:+«:■ (3)

Рисунок 1 - Воздействие солнечной радиации на поверхность ограждений вагона

Конвективный коэффициент теплоотдачи от окружающего воздуха к наружной обшивке

о

вагона а* может быть найден по формуле М. А. Михеева, Вт/(м -°С):

=0,032

гг)0-8 я

0.2

(4)

где V- относительная скорость воздуха и ограждений вагона, м/с; у - кинематический коэффициент вязкости, м2 / с ;

о

\ - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м -°С); 1 - геометрический размер ограждений, м.

о

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием аI определяется по выражению, Вт/(м -°С):

а;' =

( т Л 4 (т' Л 4

£ -С, —

[юо,!

(5)

где £ - степень черноты наружных ограждении вагона; с8 - коэффициент излучения абсолютно черного тела; Тн - температура наружных ограждений вагона (К) [3].

Установлено, что повышение относительной влажности воздуха приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи от поверхности кузова вагона в окружающую среду. Поэтому при определении ан во избежание дополнительных погрешностей при расчете физические

параметры воздуха необходимо выбирать для конкретной расчетной температуры и производить их корректировку по мере изменения последней.

Проведенные исследования показали, что при изменении скорости движения поезда от

о

30 до 140 км/ч коэффициент теплоотдачи ан увеличивается с 30 до 100 Вт/(м -°С) [4].

Проведенный математический анализ влияния скорости подвижного состава на величину перегрева поверхности ограждений пассажирского вагона под воздействием солнечной радиации показал, что температура поверхности ¿н в значительной степени зависит как от

скорости движения, так и от коэффициента поглощения радиационного теплопритока.

Изменение температуры крыши вагона при А = 0,5 (серый и темно-серый цвет) в зависимости от скорости движения подвижного состава может быть описано выражением [5]:

Ьп{1кш) = -0,062У2 + 0,04У +1,9

(6)

где ^и(^) - натуральный логарифм температуры крыши вагона (°С);

V- натуральный логарифм скорости движения подвижного состава (км/ч).

Удельный тепловой поток, прошедший внутрь вагона, устанавливает температуру внутренней обшивки крыши Г . Этот тепловой поток согласно рисунку 1 определяется по выражению, Вт/м2:

др=1-А-д0. (7)

Учитывая низкое термическое сопротивление стенок нагнетательного воздуховода, примем температуру этих стенок равной температуре на внутренней обшивке крыши вагона.

Для плоской стенки при отсутствии боковых тепловых потоков все тепло передается перпендикулярно фронтальным поверхностям и при установившемся режиме можно принять

Чр=Чх-> т- е- поток> прошедшим в вагон через крышу и переданный нагнетаемому воздуху,

равен потоку, переданному через крышу посредствам теплопроводности [6].

Таким образом, при известном тепловом потоке через крышу вагона qp температура на

внутренней обшивке крыши t"l будет определяться по закону теплопроводности через многослойную стенку [6], °С:

СТ Н 1 Л

А

\ IУ

(8)

ср

где

А,

1 У ср

- среднее общее термическое сопротивление для участков с однородной и не-

однородной изоляциеи крыши вагона;

' ^ср

А,

+

А,

ср

(9)

где

- общее термическое сопротивление для участков с однородной изоляцией;

- среднее общее термическое сопротивление для участков с неоднородной

у

ср

изоляциеи при зональном методе расчета.

В соответствии с нормами и правилами по кондиционированию воздуха, существующими на железнодорожном транспорте, температура воздуха (¿п), подаваемого в первое и

последнее купе, не должна отличаться более чем на 1,5 °С [7].

Для проведения расчетов по влиянию теплопритока от солнечной радиации на температуру подаваемого кондиционированного воздуха при различных скоростях движения поезда были приняты следующие исходные данные:

- интенсивность солнечной радиации для горизонтальной поверхности крыши вагона -942 Вт/м2;

- скорость движение поезда изменяется от 30 (движение в пригородной зоне) до 140 км/ч (при движении по перегону);

- установка кондиционирования воздуха моноблочная;

- расстояние от вентиляционного выпуска первого купе до вентиляционного выпуска последнего купе - 17,5 м [1];

- в связи с малой кривизной крыша вагона в поперечном сечении принимается плоской, а ее длина составляет 23 м;

- расчет проводится для следующих параметров окружающей среды: ¿н = 32 °С,

(рш = 70%.

Для обеспечения заданных параметров относительной влажности воздуха, подаваемого в купе, в процессе работы кондиционера в режиме охлаждения поток воздуха охлаждается до

о

16 °С и затем подается центробежным вентилятором с расходом 5000 м /ч в нагнетательный воздуховод системы вентиляции, расположенный по длине вагона, откуда в процессе движения распределятся в каждое купе. Воздуховод имеет прямоугольное поперечное сечение с площадью 0,21 м2. Эквивалентный диаметр нагнетательного воздуховода определяется как

4.Р

б/э =-, где Т7 - площадь поперечного сечения воздуховода, а 5 - периметр поперечного сечения воздуховода [1].

При движении воздуха по воздуховоду имеют место потери давления (общее аэродинамическое сопротивление) Нп, которые складываются из потерь давления на трение Н и

потерь давления в местных сопротивлениях Нм [8]. Так как нагнетательный воздуховод

представляет собой прямой участок, то потери в местных сопротивлениях исключаются. Потери давления на трение определяются по выражению, Па:

(Ю)

где / - длина участка воздуховода, м;

Я - коэффициент сопротивления трению;

б/э - эквивалентный диаметр воздуховода, ¿/э = 0,136 м;

ив - скорость движения воздуха на заданном участке, м/с;

рв - плотность воздуха, рв = 1,2 кг/м3;

g - ускорение силы тяжести, g = 9,81 м/с2.

Общее аэродинамическое сопротивление потоку воздуха определяется по уравнению, Па:

= (11)

где ^ Н - суммарные потери давления на трение для расчетных участков воздуховода.

Потери на трение рассчитываются для девяти участков, на которые делят нагнетательный воздуховод. Длина каждого участка составляет 1,75 м - расстояние между соседними распределительными выпусками. Расчет ведется с тем условием, что при прохождении каждого последующего выпуска одна десятая часть от оставшегося количества воздуха уходит в этот выпуск. Соответственно скорость движения воздуха уменьшается по длине воздуховода.

Движение воздуха по воздуховоду осуществляется в турбулентном режиме при скорости 6,5 м/с. Длина участка стабилизации для турбулентного потока определяется из равенства:

— = 15. В рассматриваемом случае отношение длины воздуховода к его диаметру равно 55, йъ

поэтому большая часть потока является гидравлически стабилизированной [8].

Для турбулентного режима течения воздуха по воздуховоду удельное количество тепла , передаваемое воздуху от внутренней стенки воздуховода, определяется по выражению,

Вт/м2:

(12)

где ив - средняя скорость воздуха на рассматриваемом участке, м/с; ^ - средняя температура воздуха на рассматриваемом участке; °С.

С другой стороны, удельное количество тепла, передаваемого воздуху, можно определить по формуле (10), Вт/м2:

^ = Рв-<Умв('е-'Л (13)

где 1е - средняя интегральная температура воздуха в конце рассматриваемого участка, °С; г - температура воздуха в начале рассматриваемого участка,.

Средний температурный напор между внутренней стенкой воздуховода и потоком проходящего по нему воздуха, °С,

т ст 2 ^ '

Если принять температуру стенок воздуховода постоянной, то средний температурный напор между стенкой и потоком можно вычислить следующим образом, °С:

т ст у\> ст V 1 е' J

(15)

Подставляя выражение (15) в (12) и приравнивая правые части выражений (12) и (13), определяют температуру воздуха 1е в конце каждого участка воздуховода [8].

Результаты расчетов по формулам (10) - (15) представлены графически на рисунке 2.

24

23

22

21

20

19

17

16

15

v= 30 ю

У у V- 50 км/ч

/ у V - 100 км/ч

у

V = 140 км/ч

У

10

20

Рисунок 2 - График изменения температуры воздуха при прохождении по раздаточному воздуховоду системы вентиляции под воздействием солнечной радиации при различных скоростях движения вагона

Из анализа графических данных, приведенных на рисунке 2, следует, что при движении поезда в диапазоне скоростей от 30 до 140 км/ч в летний период возникающий дополнительный радиационный теплоприток в вагон оказывает существенное влияние на эффективность работы кондиционера. Так, при скорости 100 км/ч разница температур воздуха, подаваемого в первое и последнее купе, составляет 4,5 °С, что уже не соответствует требованиям санитарных норм, а при скорости 30 км/ч - 9 °С. При этом со снижением скорости от 140 до 30 км/ч удельный тепловой приток, попадающий в вагон от солнечной радиации, повышается примерно в три раза (с 6,2 до 18,9 Вт/м2).

Кондиционированный воздух, попадая из раздаточного воздуховода системы вентиляции в купе вагона, устраняет теплоприток, при этом в пассажирском помещении устанавливается температура .

В соответствии с полученными расчетными данными по изменению температуры подаваемого воздуха по длине воздуховода, а также с учетом теплопоступлений в вагон в летний

период эксплуатации Х<2, расчет которых выполнен по известной методике [1], определены

значения установившиейся температуры в купе ^ по длине вагона, °С:

(16)

где - суммарная тепловая нагрузка на пассажирское помещение, Вт;

Ск - объемный расход подаваемого в вагон кондиционированного воздуха, м3/ч; рк - плотность воздуха внутри вагона, кг/м3;

ср{Тк) - изобарная теплоемкость воздуха внутри вагона, кДж/(кг• К).

Результаты расчетов температуры воздуха установившейся в среднем и последнем

купе вагона в зависимости от скорости движения поезда, приведены графически на рисунке 3.

34

32

30

28

26

24

22

20

\

о

\ V \

2

1

20

40

60

30

1 00

120

км/ч

160

Рисунок 3 - График изменения температуры воздуха в купе вагона в зависимости от скорости движения поезда: изменение температуры воздуха в среднем (1) купе и последнем (2) купе (по направлению

движения кондиционированного потока)

При температуре воздуха после воздухоохладителя, равной 16 °С, в соответствии с рисунком 3 только при скорости движения пассажирского поезда, равной 140 км/ч, возникает возможность обеспечивать температуру воздуха в последнем купе, отвечающую санитарным нормам (^ = 24 °С, с учетом допустимой по длине вагона 1,5 °С).

На основании сказанного выше можно сделать вывод о том, что при эксплуатации вагона в летний период в условиях высоких тепловых нагрузок, вызванных воздействием солнечной радиации, существующие технические параметры вагонного кондиционера, а также особенности теплоизоляции ограждений кузова не обеспечивают поддержание тре-

№ 2(6) 2011

Подвижной состав железных дорог

буемых климатических условий в пассажирском помещении согласно установленным санитарным правилам.

Таким образом, для обеспечения комфортных климатических условий в вагоне на стоянках и при малых скоростях движения пассажирского состава необходимо

снизить температуру воздуха после воздухоохладителя примерно до 13 - 14 °С. Для этого требуется дополнительная холодопроизводительность кондиционера около 3 кВт;

снизить влияние солнечной радиации на температуру воздуха при его движении по раздаточному воздуховоду.

Список литературы

1. Зворыкин, М. Л. Установки кондиционирования воздуха и холодильники пассажирских вагонов [Текст] / М. Л. Зворыкин, В. М. Черкез. - М.: Транспорт, 1969. - 263 с.

2. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации [Текст] / МПС России. - М., 2000. - 190 с.

3. Бартош, Е. Т. Энергетика изотермического подвижного состава [Текст] / Е. Т. Бартош. -М.: Транспорт, 1976.-303 с.

4. Маханько, М. Е. Кондиционирование воздуха в пассажирских вагонах и локомотивах [Текст] / М. Е. Маханько, Ю. П. Сидоров, М. М. Шмидт. - М.: Транспорт, 1981. - 254 с.

5. Матяш, Ю. И. Снижение энергопотребления пассажирских вагонов за счет совершенствования схемного решения установок кондиционирования воздуха [Текст] / Ю. И. Матяш, В. П. Клюка, А. Ю. Еромов // Ресурсосберегающие технологии на Западно-Сибирской железной дороге: Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - С. 52.

6. Ляшков, В. И. Теоретические основы теплотехники [Текст] / В. И. Ляшков. - М.: Машиностроение, 2002. - 143 с.

7. СП 2.5.1198-03. Санитарные правила по организации пассажирских перевозок на железнодорожном транспорте [Текст] / МПС России. - М., 2003. - 32 с.

8. Эккерт, Э. Р. Теория тепло- и массообмена [Текст] / Э. Р. Эккерт, Р. М. Дрейк. - М., 1961.-681с.

УДК 629.45.048

Ю. И. Матяш, О. С. Томилова, В. В. Томилов

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРОТЕКАНИЯ ЖИДКОСТИ В УЛЬТРАФИОЛЕТОВОМ СТЕРИЛИЗАТОРЕ МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА

В статье рассмотрен метод моделирования процессов протекания жидкости в полых твердотельных конструкциях сложного геометрического формы для установившегося режгта при помогци приложения Flow Works программы SolidWorks, позволяюгцгт рассчитать огшамические характеристгти воды в ультрафгюле-товом стерилизаторе модернизированного системы водоснабженгт пассажирского вагона на стадгш проектирования.

Для оценки работоспособности систем водоснабжения существуют различные методы расчета. Основным назначением таких расчетов, как правило, является определение потерь напора или давления, а также обратная задача - определение требуемой пропускной способности. Такая постановка задачи для систем водоснабжения, где используются полые круглые трубы и эквивалентные сопротивления так называемых фильтров, является тривиальной и