Метод диагностирования технического состояния вагонного кондиционера Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.4.048.3:681.5.017

Ю. И. МАТЯШ Д. Н. ШЛОМА г

Омский государственный университет путей сообщения

МЕТОД ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВАГОННОГО КОНДИЦИОНЕРА

Статья посвящена вопросу диагностирования технического состояния системы охлаждения вагонных кондиционеров, используемых в современных пассажирских вагонах. В статье приведен анализ причин возникновения неисправностей, описаны недостатки существующих методов поиска неисправностей, сформулированы преимущества предлагаемого метода диагностирования, а также указан алгоритм диагностирования, позволяющий определить тип, характер и место расположения возникших неисправностей в системе охлаждения вагонного кондиционера. На базе предлагаемого метода диагностирования целесообразно разрабатывать комплексы диагностики парокомпрессионных холодильных машин любых конфигураций. Результаты настоящей работы находят широкое применение в ряде предприятий Омского региона, специализирующихся в области ремонта и обслуживания холодильного оборудования, в частности, НТК «Криогенная техника» и пассажирское вагонное депо ЛВЧД-1 ст. Омск.

Ключевые слова: вагонный кондиционер, система охлаждения, неисправность, диагностирование, датчик температуры.

Длительными наблюдениями установлено, что залогом хорошего самочувствия человека и успешного проведения многих технологических процессов является соответствие основных параметров воздуха нормируемым значениям.

В общем случае к таким параметрам относятся:

1. Метеорологические условия (температура, влажность и скорость перемещения воздуха).

2. Химический состав воздуха (содержание кислорода, диоксида углерода, вредных для человеческого организма парой и газов).

3. Физиологические показатели (содержание микробов. микроорганизмов, пыли органического и неорганического происхождения).

А. Физические характеристики (электрические заряды, звукопые импульсы).

Кондиционирование воздуха, по всем перечисленным параметрам, необходимо обеспечивать только на объектах с экстремальными условиями жизнеобеспечения, таких как подводные лодки и космические корабли.

В пассажирских вагонах необходимость применения кондиционирования воздуха обусловлена их низкой теплоустойчивостью, .малым объемом помещения, приходящимся на одного пассажира, и длительным нахождением в пути, вследствие чего пассажиры в течение короткого времени пересекают климатические зоны с различными погодными условиями.

Система кондиционирования воздуха пассажирских вагонов включает в себя подсистемы вентиляции, отопления и охлаждения.

В летний период годэ система вентиляции работает совместное системой охлаждения, которая отличается повышенной сложностью конструктивного исполнения, а следовательно, и повышенной сложностью техническом обслуживании.

Согласно статистическим данным департамента пассажирских перевозок ОАО «РЖД», исследова-

тельского центра ВНИИЖТа и результатов исследований сотрудников кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ОмГУПСа, более 65 процентов отказов систем жизнеобеспечения пассажирскою вагона приходится на вагонные кондиционеры (из них более 45 процентов отказов по причине неисправности системы охлаждения), а затраты на устранение отих неисправностей составляют более 40 процентов от общих затрат при ремонте систем жизнеобеспечения пассажирских вагонов.

Вагонный кондиционер тина УКВ-31, используемый в современном пассажирском вагоне, представляет собой подвесной горизонтальный моноблок располагающийся над рабочим тамбуром в подкрыш-ном пространстве вагона и состоящий из компрессора, воздухонагревателей, воздухоохладителей и вентиляционного оборудования. Пневмогидравлн-ческая схема ваг онного кондиционера типа УКВ-31 представлена на рис. I.

В процессе эксплуатации, нормальная работа вагонного кондиционера может быть нарушена по причине возникновения различных неисправностей. В изученных литературных источниках (1-3) приведены рекомендации для поиска неисправностей, базирующихся на анализе причин, вызывающих появление высокого или низкого давления паров хлад-агента в конденсаторе или воздухоохладителе.

Например, повышенное давление в конденсаторе может быть вызвано:

— недостаточным количеством или высокой температурой воздуха, поступающего в конденсатор;

— недостаточной величиной или загрязнением теплопередающей поверхности конденсатора.

Однако использование на практике таких рекомендаций не обеспечивает однозначность при определении типа и местонахождения неисправностей.

В бОЛЫИИНСТВе Случаев ЭТО Об'ЬЯСИЯеТСЯ ТОМ, ЧТО 15 существующем кондиционере имеется всего два

ПРИБОРОСІРОЇНИГ. МПРОЛОГМЯ И ИНвОРиАЦИОНЬО.»иМ(РИ1£/ЛИН( ПРй&ОРЫ и системы

Наружный воздух 1 І і 1

Рециркуляционный Наружи ыП воздух поэдух

1111

1 I Г I

Наружный

воздух

Г М I Г Г г Г \ I

Рециркуляционным Наружный воздух воздух

Рис. I. Пневмогидраплическаясхема пагошюго кондиционера------------

, 3 - конденсатор; 2 - вентилятор конденсаторов: -1 - манометр нагнетания; 5 - компрессор; 6 - манометр всасывания; 7, 11 - воздухоохладитель; й, 10 - терморегулирующий вентиль; Я - пеитнлятор воздухоохладителей

типа УКВ-31:

40 -- -!—70; І

Щ :_|

*=^-р.гУ\-' шм

15!----«РГ-^

£-у)^

* » / • ••*

,-3 -;г •> > V-. - -"Л л-' угН-г-і

™ гайй

200 220 240 200 280 .100 Л20 340 360 380 400 420 440 і, кДж/хг

Рис. 2. Цикл работы парокомироссионной холодильной машины: -------------------исправной,--------неисправной

манометра, фиксирующих давление норов хладагента иа стороне нагнетания и всасывания в компрессор.

Для повышения достоверности диагностирования и однозначного определения тина, характера и места неисправностей, возникающих в сисгеме охлаждения нагонного кондиционера, предлагается:

1. Оснаститыеплообменные аппарата средс твами контроля температуры хладагента в характерных точках трубопроводов конденсатора и воздухоохладителя. В конденсаторе, одной из таких точек, является точка начала конденсации паров хладагента, а в воздухоохладителе — точка завершения процесса кипения.

2. Дополнительно установить приборы для измерения температуры, расхода и относительной влажности воздуха па входе и выходе из конденсатора и воздухоохладителя. Порядок размещения дополнительных контрольно-измерительных устройств показан парне. 1.

3. Дли однозначного определения тина и места нахождения неисправности необходимо характер изменения тепловых процессов в конденсаторе и воздухоохладителе отображать на диаграмме 1 - 1сЦр) как для нормальной работы вагонного кондиционера, так и для нештатной ситуации, при заданных параметрах окружающей среды. Пример отображения тепловых процессов на диаграмме 1-!д(р) показан иа рис. 2, Кроме этого, необходимо иметь сравнительные ха-

рактерис тики но измененнгатемпературы и фазового состояния хладагента помине трубопроводов конденсатора и воздухоохладителя, выполненные в прямоугольной системе координат (ось абсцисс - мина трубопровода теплообменного аппарата, осьордипат -температура или агрегатное состояние хладагента) для нормальной работы кондиционера имя нештатной ситуации. Изменение фазового сос тояния хладагента и температуры подлине трубопроводов тепло-обменных аппаратов показано на рис. 3 и 4 соответственно.

Разработанный метод поиска неисправностей, возникающих в холодильном кон туре вагонного кондиционера, базируется на использовании тепловых и материальных балансов теплообменных аппаратов вагонного кондиционера, описываемых зависимостями [2], представленнымиввыражении (I):

О. =к-Р - Л. Ох=С-Д1

(1)

где О,, — количество тепла, отбираемого воздухом от хладагента в конденсаторе, Дж; к - коэффициент теплопередачи;

И - площадь проходного сечения теплообменног о аппарата, мг;

О. - количество тепла, отбираемого от хладагента в конденсаторе, Дж;

Рис. 3. Изменение фазового состояния хладагента по длиис трубопровода конденсатора: а) нормальна» работа; б) аномальная работа

Рис, 4. Изменение температуры хладагента в характерных точках трубопровода конденсатора: я) нормальная работа; б) аномальная работа

С - расход хладагента, кг/час;

Д1 - температурный напор, 'С.

Определение коэффициента теплопередачи к от хладагента, текущего п трубопроводе к проходящему потоку воздуха, рекомендуется |2| выполнят, по следующему выражению:

к =

1

1 + 1 4*1+ 1 V

а. с1, 2-А,., а,.ч1, Г,

(2)

где 5, - толщина каждого однородного слоя сгонки трубопровода, м;

а, - коэффициен')' теплопроводности материала, Вт/(мК);

аи - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки к воздуху, Вт/(м*К); а„ - коэффицненттеплоотдачи от хладагента к внутренней поверхности сгонки, Вт/(м*К).

Коэффициенты теплоотдачи а„ и а„. входящие в выражение (2), соответственно рассматриваются как сумма коэффициентов теплоотдачи конвекцией и лучеиспусканием а':

(3)

Для определения коэффициентов, представленных в выражении {3), рекомендованы [2] следующие зависимости:

с с.

Т

100

на*

1-г.

(4)

где £ - степень черноты стены;

с, - коэффициент излучения абсолютно черного

тела;

- температура стены, ’С;

I - геометрический размер;

?.п - коэффициент теплопроводности рабочего тела; Рг, Кс критерии Прандтля и Рейнольдса соответственно;

С, т, п — справочные коэффициенты.

Определение величин О,, и (Эл, с испол1.зоваиием паспор тных данных вагонного кондиционера, производится следующим образом.

Для расчета коэффициента теплопередачи по выражению (2) необходимо предварительно определить значения входящих в него величин.

Согласно паспортным данным вагонного кондиционера, трубопроводы конденсатора однослойные и выполнены из луженой меди (коэффициент теплопроводности X = 380 Вт/(м К)) с толщиной стенки 8, равной 0,001 м.

Число Рейнольдса Яе для холодильного агента, протекающего по трубопроводу, определяется выражением

Но =

V. -с!

(5)

где V* — скорость движения хладагента, м/с;

(1 - внутренний диаметр трубопровода, м;

V- коэффициент кинематической вязкости жидкости, мг/с.

Скорость движения хладагента в трубопроводе конденсатора рекомендуется |3] определять но выражению:

(6)

где УфХ1М, - скорость хладагента на входе в конденсатор, м/с;

^ ~ скорость хладаген та на выходе из конден-

сатора (принимается равной нулю), м/с.

Для определения рекомендуется исполь-

зовать |3] следующее выражение:

V

Со

(7)

где о - удельный объем паров хладагента, м:,/кг.

237

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ КСТНИК № 1 <8») 2СО» ПРИБОРОСТРО{КМГ. МРГОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМи>ИТЕЛЬНЫ£ ПРИБОРЫ и системы

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТГМЫ

/ \»к.| Дпитсиис ксиярсиия у пило? -|Другаи исисяряпность

| ДП

/■' у|1;1 Высокий иерегре»? у— Другая нснспраиность

Iм

^ Псрсохпджисмме п нирмс? • Друга» псисп|мит>сп.

ТП7Г

Псхязто хлоллгснта

Рис. 5. Алгоритм диагностирования системы охлаждения нагонною кондиционера

Согласно третьему положению предлагаемого метода диагностирования, па диаграмму \ 1д(р), пред-

ставленнуюна рис. 2, наносятся циклы работ исправной и неисправной холодильной машины вагонного кондиционера.

Цикл работы исправной парокомпрессионной холодильной машины протекает следующим образом:

— точка А на правой пограничной кривой диаграммы Нд(р), соответствует поступлению паров хладагента в компрессор;

— процесс Л —В — сжатию паров хладагента в компрессоре;

— точка В— выталкиванию сжатых паров из компрессора в конденсатор;

— процесс В — С — количеству тепла, которое необходимо отвести в конденсаторе от хладагента для его охлаждения и последующей конденсации;

— процесс С —1> — расширение паров хладагента в регулирующем вентиле;

— процесс Э —А — количеству холода, получаемого при кипении хладагента н воздухоохладителе за счет подвода теплоты от проходящего потока воздуха:

— образовавшиеся в воздухоохладителе пары хладагента поступают на всасывание в компрессор, и цикл повторяется [31.

Применение разработанного метода диагностирования показано на примере определения характера неисправностей, приводящих к повышению давлении конденсации. Для этого в координа тах диаграммы 1 — 1д{р). представленной на рис. 2, пунктирной линией показан цикл работы неисправной холодильной машины вагонного кондиционера, построенный на базе измеренных значений Сп,11<р|1,1. \а кг и значений температуры 1х1К|. 1ЙК1, Цдц,, 1жЧК1 в характерных точках трубопровода конденсатора. В этом случае процесс сжатия заканчивается не в точке В, а в точке В\ при этом температура конденсации повышае тся оттемпе-ратуры Т2 до температуры Т‘2. Процесс конденсации определяется отрезком В‘ — С', процесс дросселирования - линией С —Р', а количество выработанного холода определяется отрезком I)' — Л'.

Изменение фазового состояния хладагента подлине трубопровода конденсатора показано на рис. 3.

Соответствие текущих измеренных значений паспортным данным вагонного кондиционера является условием нормальной работы, что прослеживается но изменению температуры и фазового состояния

хладагента подлине трубопровода. В случае аномальной работы холодильной машины, вследствие рассматриваемой неисправности, возникает избыток парообразного хладагента, что, в свою очередь, приводит к «запаздыванию» процесса конденсации и уменьшению количества жидкого хладагента. На рис. -I показан график распределения температуры подли-нетрубопровода конденсатора в случае нормальной и аномальной работы холодильной машины нагонного кондиционера.

Для определения не только типа и харак тера возможных неисправностей, по и их места расположения, автором предложен алгори тм поиска неисправностей, базирующийся на предлагаемом методе диагностирования. Алгоритм проведения диагностирования технического состояния системы охлаждения вагонного кондиционера показан на рис. 5.

Аналогичные алгоритмы составлены для определения каждого типа и характера существующих неисправностей.

В| юдрение предлагаемого метода диагностирования технического состояния системы охлаждения вагонного кондиционера позволит исключи ть преждевременный ее демонтаж и Обеспечит быстрое выявление и устранение неисправностей в пути следования пассажирского сос тава.

Библиографический список

1. Знорикпп, М. Л. Кондиционироплнне воцдуха в пассажирских ваюнах |Текст|: учебннкдля техникумов Ж.-Д-транспорта / М. А. Зворыкин. В. М. Черкез. - Изд. 2*е, перераб. и дон. - М. : Транспорт, 1977. - 28В с.

2. Бартош. П. Т. Энергетика изотермического подвижного состава |Текст]. — М.: Транспорт. 1976. — 304 с

3. Клюкд, В. П. Системы кондиционирования и водоснабжении пассажирских вагонок |Текст |: учеб. пособие / В. П. Клюкд, Ю. И. Маг я ш ; под общ. ред. Ю. И Мптяшл. Омский гос. ун-т путей сообщения. — Омск. 2008. - 265 с.

МАТЯШ Юрий Иванович, док тор технических наук, профессор кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство». ШАОМА Дмитрий Николаевич, аспирант кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство».

Адрес для переписки: е-тпаН: ShlomaDN@mail.ru

Статья поступила в редакцию 17.07.2009 г.

© Ю. И. Митинг, А Н. Шломи