CC BY
47
УДК 628.84:629.114
е. В. ХРИСТЯН, I. В. ТИТАРЕНКО (ДПТ)
ОБГРУНТУВАННЯ ВИБОРУ СИСТЕМИ КОНДИЦ1ОНУВАННЯ ПОВ1ТРЯ ДЛЯ КАБ1Н ЛОКОМОТИВ1В
Розглянуто iснуючi системи кондицшвання повиря на мобiльних машинах, виконано aHani3 1х сильних i слабких сторiн. Запропоновано пол1пшену систему кондицшвання повпря для кaбiни локомотива на бaзi регенеративного непрямо-випарного охолоджувача.
Рассмотрены существующие системы кондиционирования воздуха на мобильных машинах, выполнен анализ их сильных и слабых сторон. Предложена улучшенная система кондиционирования воздуха для кабины локомотива на базе регенеративного косвенно-испарительного охладителя.
The existing systems of an air conditioning by mobile machines are considered, the analysis of the strengths and weaknesses is performed. The improved conditioning system for a locomotive cabin is proposed on the basis of regenerative indirect evaporation cooling.
У л^нш перюд робота машишспв локомо-тивiв протшае в тяжких умовах, викликаних т-двищеною температурою зовшшнього говоря i значними внутршшми тепловидшеннями. Температура усередиш кабши значно вище вста-новлено! санiтарними нормами, в окремих ви-падках вона досягае 45...50 °С, що знижуе пра-цездатнiсть машинюта та точнiсть виконання робочих операцш [1].
У свiтовiй практицi намггилася тенденцiя до широкого впровадження кшматичних установок у кабiнах локомотивiв. В Укра!ш ж на даний час системами кондицшвання повггря оснащено лише невелика кшьюсть локомотивiв [2].
Одним з небагатьох, спещально розробле-них для кабш локомотивiв у кшщ 20 столiгтя в СРСР, був транспортний кондищонер КТТ-4,5 компресiйного типу, призначений для роботи влiтку ^ який мав номiнальну холодопродукти-внють 5 кВт. Компресор, конденсатор i випар-ник змонтованi на однш твердiй плитi та з'ед-наш мiж собою мiдними трубками. Кондищонер установлюеться над кабiною в спещально передбаченому в даху вирiзi кришки люка. У верхнiй, виступаючш над локомотивом частинi розташованi компресор i повiтрозабiрник, а в нижнш - випарник i забiрник рециркуляцшно-го повiтря з фiльтром. У пов^роохолоджувач повiтря надходить як з кабши локомотива, так i зовш. Охолоджене повiтря по повпророзпод> льних каналах подаеться на стелю, передне вш-но кабiни та до робочих мюць машинiста i по-мiчника машинiста. Рециркуляцiйне повiтря за-бираеться з кабiни у верхнш частинi, проходить через фiльтри i змiшуються з потоком зовшш-нього повиря.
Використання подiбних класичних установок кондищювання повiтря з парокомпресш-ною холодильною машиною для створення на-лежних умов працi локомотивно! бригади по-в'язане з досить ютотними недолiками таких систем: екологiчною небезпекою використання фреонiв, що пов'язана з руйнуванням ними озонового шару Землц у результатi шдвищено! в> брацп виникають труднощi забезпечення гер-метичностi з'еднань; необхiднiсть наявностi ви-сококвалiфiкованих фахiвцiв i стацiонарних спещально обладнаних майстерень для здшс-нення обслуговування i ремонту холодильно! машини. Крiм того зазначений вище кондищонер працюе на змiнному струм^ що змушуе об-ладнувати локомотив додатковим джерелом змiнного струму потужшстю 5 кВт. Цi недолши значно стримують темпи впровадження таких систем кондицiювання для даного класу спо-живачiв.
Починаючи iз шютдесятих рокiв минулого сторiччя активно ведуться роботи з пошуку альтернативно! системи кондищювання повпря для кабiн локомотивiв. Серед таких розробок можна вщзначити використання для охоло-дження повпря вихрового ефекту, що здшсню-еться у вихровiй трубi, запропоновано! францу-зьким ¡нжснсром Ранком [3].
5 12(342
1
Щ
Рис. 1. Вихрова труба
Вихрова труба (рис. 1) являе собою вщр1зок цилшдрично! труби, роздшеною д1афрагмою 3
на двi частини. Повпря, яке стиснуте у компре-сорi та мае температуру навколишнього сере-довища, надходить у сопло 2. На виходi iз сопла повiтря розширюеться, входить у порожнину труби з великою швидюстю роздiляючись на два потоки з рiзними температурами. Кутова швидюсть обертання потоку на перифери труби невелика та дуже велика поблизу ос труби. По мiрi руху повiтря кутовi швидкостi потоку вна-слiдок сил тертя мiж газовими шарами змшю-ються. У внутршшх центральних шарах швид-юсть зменшуеться, а в зовнiшнiх зростае; при цьому кшетична енергiя внутршшх шарiв пе-редаеться зовнiшнiм i внутрiшнiм шарам. Знач-на частина кшетично! енерги зовнiшнiх шарiв витрачаеться на тертя, що приводить до 1хнього нагрiвання.
У вихровiй трубi можна одержати холодне повiтря з температурою -10...-50 °С i гаряче повггря з температурою 100. 130 °С при помь рних тисках повггря ~0,5 МПа та температурi навколишнього середовища близько! до 20 °С.
Незважаючи на всi позитивш моменти, хо-лодильний процес у вихровш трубi пов'язаний зi значними витратами електроенерги. I в результат необоротностi термодинамiчних про-цешв, що вiдбуваються в трубi цей метод охо-лодження повiтря поки що не знайшов широкого застосування на транспорт^ окрiм авiацil.
В останнi роки робляться спроби впрова-дження на транспортi термоелектричних систем кондицiювання повiтря, працюючих на ос-новi ефекту Пельтье. Охолоджуеться повiтря за допомогою термоелеменпв (термопар), складе-них з двох послщовно з'еднаних мiдними пластинами нашвпровщниюв. В термоелектричних кондицiонерах, на вщмшу вiд компресiйних, немае гiдравлiчних та механiчних систем (окрiм вентиляторiв), тому такi кондицiонери практично не зношуються. Надiйнiсть термо-електричного пристрою дуже велика. Термо-електричнi батаре! не бояться трясiння, вiбрацil та не потребують спецiальних умов зберпання. Термоелектричнi кондицiонери легко керують-ся змшою напруги живлення. У них може бути просто здшснено переведення з режиму охоло-дження в режим опалення змiною полярностi постшного струму, яким живляться термоеле-менти.
В той же час термоелектричним кондищо-нерам притаманш серйознi недолши. При тем-пературi зовнiшнього повпря вище 35 °С та по-вiтряному охолодженнi спа!в термоелектричнi кондищонери працюють не ефективно. Крiм того !х маса не нижче маси фреонових кондищ-
онерiв ж продуктивносп, а витрата енерги значно вища. Висока вартiсть нашвпровщнико-вих термоелеменпв, а також вiдсутнiсть поту-жних джерел постiйного струму стримують ви-користання термоелектричних кондицiонерiв. В даний час термоелектричш кондицiонери випу-скають в обмеженiй кiлькостi для лггаюв сшь-ськогосподарсько1 ашацп.
1ншим цiкавим напрямком е розвиток систем кондищювання випарного типу.
Одш з перших спроб впровадження такого типу охолоджувачiв повiтря була зроблена А. В. Захаровим [3]. Запропонований ним при-лад, так званий ктматизер, за принципом ди вщноситься до пристро1в прямого випарного охолодження i являе собою цилiндр, нижня ча-стина якого охоплена коробом прямокутного перетину (рис. 2). За допомогою хомупв 12 у корпус електродвигун 3 закрiплено вертикально. На вюь електродвигуна зверху насаджений вентилятор 4 з пов^ророзпилювачем 5. 1нший кiнець осi електродвигуна приводить в обертання вал водяного насоса 1. З бака (емшстю близько 67 лг^в), установленого на даху локомотива, вода надходить самопливом у тддон ктматизера. Рiвень води в шддош регулюеться поплавковим клапаном. Для зменшення коли-вання води при русi локомотива на И поверхш плавае дерев'яне коло 15.
Зовнiшне повiтря, проходячи через змоче-ний фiльтр, зволожуеться, очищаеться вiд пилу та охолоджуеться за рахунок вщбирання вiд води явно1 теплоти, що iде на випар води. Дру-гий етап - охолодження та зволоження повпря в зонi розпилення води i третiй - зволоження повiтря за рахунок крапельок води, винесених повпрям ¿з юпматизера в каб1ну.
Рис. 2. Схема ктматизера
У ходi проведення випробувань у ктмати-зера були виявленi наступнi досить серйозш недолiки: нерiвномiрне надходження зовшш-нього повiтря пов'язане зi швидюстю руху локомотива; вологiсть повпря, що подаеться в ка-бiну машинiста, практично нерегульована та може досягати досить значних величин; конс-трукщя клiматизера виявилася досить громiзд-кою, що приводить до ускладнення дш локомо-тивно! бригади.
На використанш ефекту випарного охоло-дження засноваш установки непрямо-ви-парного охолодження, при якому пов^ря охо-лоджуеться при постшному вологовмiстi [4]. Однак вони принципово вiдрiзняються вiд кон-дицiонерiв прямого випарного охолодження. У них е два потоки пов^ря, мiж якими вщбува-еться теплообмiн. В одному з потоюв (допом> жному) випаровуеться вода - повiтря при цьо-му зволожуеться, температура його падае. Це повiтря викидаеться назовш. Паралельний йому основний потiк пов^ря охолоджуеться в ре-зультатi теплообмiну, але вологовмiст його при цьому не збшьшуеться. Цей потiк пов^ря подаеться в кабiну.
Цьому типу кондицiонерiв також властивi недолши, пов'язанi iз граничним вологовмiс-том, при якому непрямо-випарне охолодження може забезпечити припустиму волопсть повгт-ря в кабш локомотива. Роботи з розвитку таких кондицiонерiв ведуться постшно, а часто i робляться спроби об'еднати його з шшим типом систем кондищювання повiтря в одному при-стро!. Так, наприклад, непрямо--випарна реку-перативна установка [5], що складаеться з охо-лоджувача непрямо-випарного типу та пароко-мпресшно! машини. Така система кондищювання здатна працювати у двох режимах: вл^ку - в режим охолодження з використанням окре-мо непрямо-випарного охолоджувача або разом з парокомпресшною машиною; узимку - вико-ристовуеться тiльки перший ступiнь кондищо-нера i вiн працюе в режимi рекуператора тепло-во! енергп. Незважаючи на практично необме-жений дiапазон використання такого кондищо-нера, застосування парокомпресшно! машини приводить до ускладнення конструкцп i проблемам при обслуговуванш й експлуатаци.
Бшьший ефект, у порiвняннi з непрямим i прямим охолодженням, може бути отриманий у кондицiонерах з регенеративним охолоджен-ням [6]. Принцип його заснований на можли-вому одержаннi при звичайному непрямому випарi температури пов^ря, рiвнiй температурi точцi роси. При непрямому випарi це досяга-
еться шляхом послiдовного охолодження пов> трям води, по^м охолодженою водою - пов^ря, а потiм ще бшьш холодним повiтрям знову води i т.д. Однак, якщо при непрямому випарi це здiйснено в рядi послiдовних установок, то при регенеративному непрямому випарi використо-вуеться одна установка [1].
Мiж тим, не зважаючи на цiлий ряд переваг випарного охолодження, яю, насамперед сто-суються мало! енергоемностi i еколопчно! без-пеки, воно мае i суттевi недолiки. Цi недолши пов'язанi з необхiднiстю витрати води, а також залежшстю ефективностi охолодження вщ во-логостi атмосферного пов^ря.
Авторами дано! статi зроблена заявка на ко-рисну модель, яка полягае в тому що пристрш кондищювання пов^ря включае в себе корпус, та розмщений у ньому блок охолоджувача по-вiтря непрямого регенеративно-випарного типу, який, в свою чергу, складаеться з вентилятора i змонтованих на каркас з тддоном пара-лельних пластин, як утворюють «сухЬ> та «мо-крЬ> канали, що чергуються мiж собою, а також спрямовуючi заслшки i жалюзi. Новим е те, що вш обладнаний блоком конденсаци вологи з повiтря, який виконано з нашвпровщникових термохолодильних елементiв, на холодних спаях яких встановлено реберш радiатори - кон-денсатори вологи з охолодженого пов^ря, а на гарячих спаях розмiщено водяний теплообмш-ник, який поеднуеться з додатковим охоло-джуючим водо - повггряним теплообмiнником; колектором з перфорованими трубками i мш-ронасосами, якi встановлеш у системi подачi води поверх «мокрих» каналiв; електрофшьт-ром, розташованим у трубi, що подае пов^ря у «сухЬ> канали.
Поа!трй э ояоподжуеэча горячих СПЭ1В терМОКОЛО' дильного блоку
Кокдицмоване пое!гря
(ВГ|ТКу)
Рис. 3. Схема пристрою кондицшвання повггря
Конструкщя кондицiонера (рис. 3) мае корпус 1, бак для запасу води 2, електрофшьтр 3, заслшку 4, теплообмшник 5, колектор з перфо-
рованими трубками 6, м^онасоси для перекачу-вання води 7, охолоджуючий випарний блок 8, реберш радiатори, на яких вщбуваеться конден-сацiя вологи з повпря 9, термохолодильнi елеме-нти 10, теплообмiнник для охолодження гарячих спа!в термохолодильних елементiв 11, вентилятор 12, пористе покриття «мокрих» каналiв 13, «сух1» канали 14, «мокрi» канали 15, пщцон ви-парного блоку охолоджувача повпря 16.
Пристрiй кондицiювання повiтря дiе насту-пним чином. Вентилятор 12 продувае повпря, що забираеться частково з вулищ, а частково з примщення для якого повiтря конденцюнуеть-ся (так зване рециркуляцiйне повпря), через електрофшьтр 3 у «сухЬ> канали 14 охолоджу-ючого випарного блоку 8.
При виходi з «сухих» каналiв охолоджене в них повпря потрапляе на реберш радiатори 9 термохолодильного блоку, де вщбуваеться кон-денсацiя частини вологи, що мютиться в цьому повпря Пiдсушене повiтря частково через вщ-повiднi жалюзi спрямовуеться у примщення, для якого виконуеться його кондищювання, а друга його частина ще в «мокрi» канали 15, де за його допомогою вiдбуваеться випарювання вологи з пористого покриття стшок цих кана-лiв, за рахунок чого охолоджуються стшки су-мiжних з «мокрими» «сухих» каналiв. Частина вщпрацьованого повiтря з «мокрих» каналiв може пiдмiшуватись у повiтря, що рухаеться з «сухих» каналiв у примщення, для його зволо-ження до заданого рiвня вологостi, а шша ви-кидаеться на вулицю через вщповщш жалюзi.
Гарячi спа! термохолодильних елементiв 10 охолоджуються за допомогою водяного тепло-обмiнника 11. Вода з теплообмшника за допомогою мшронасосу подаеться у теплообмшник 5, де охолоджуеться повiтрям, яке подаеться вентилятором 12. Подача повпря регулюеться заслшкою 4, а вщпрацьоване повпря може ви-кидатись влпку - через вiдповiднi жалюзi на вулицю, а взимку шд^рпе повпря подаеться у примщення. При цьому жалюзi для охолодже-ного повпря закрш!, а охолоджене на реберних радiаторах термохолодильного блоку повiтря викидаеться на вулицю; вода у «мокрЬ» канали не подаеться. Влiтку сконденсована на реберних радiаторах вода збираеться у емностi для збору конденсату 17, звщки мiкронасосом по-даеться у колектор з перфорованими трубками для змочування пористого покриття «мокрих» каналiв. Надлишок води збiгае у шддон 16, зв> дки самопливом потрапляе у ту ж емнють. Взимку конденсат скидаеться на вулицю через патрубок з вентилем 18. При робот кондицю-
нера у автономному режимi створюеться запас води, для чого служить бак 2.
Пропонований пристрiй кондицiювання повпря у порiвняннi з юнуючими поеднуе у собi кориснi властивосп прототипiв та аналогiв, а саме, простоту конструкци i економiчнiсть кондицiонерiв випарного типу з можливiстю реалiзацi! роботи в режимi теплового насосу при мшмальнш потребi у поповненш водою i незалежностi ефективно! роботи вщ клiматич-них i погодних умов експлуатацп; розширення можливостi регулювання параметрiв кондищ-йованого повiтря як по температур^ так i по во-логостi, а також по юнному складу i бактери-цидним властивостям.
Розрахунки показали ефектившсть викорис-тання цього типу пристро!в кондицiювання по-впря. Так, у порiвняння з фреоновим, кондищ-онер вище зазначеного типу мае вагу у чотири рази менше, а вартють у декiлька разiв нижче.
Щ переваги систем кондицiювання повiтря з блоком охолоджувача регенеративного непря-мо-випарного типу являються достатшм техш-ко-економiчним обгрунтуванням для подаль-шого вдосконалення та впровадження в експлу-атащю цього типу кондицiонерiв.
ББЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Майсоценко В. С. Кондиционеры регенеративного косвенно испарительного типа / В. С. Майсоценко, А. Б. Цимерман, М. Г. Зексер // Санитарная техника, 1978, № 9. - С. 14-15.
2. Маханько М. Г. Кондиционирование воздуха в пассажирских вагонах и локомотивах / М. Г. Маханько, Ю. П. Сидоров, А. Хенач, М. Шмидт. - М.: Транспорт, 1981. - 254 с.
3. Михайлов М. В. Микроклимат в кабинах мобильных машин / М. В. Михайлов, С. В. Гусева. - М.: Машиностроение, 1977. - 230 с.
4. Бушуйкин Ю. М. Кондиционирование воздуха в кабинах локомотивов // Тр. ЦНИИ МПС, 1970, вып. 411, 82 с.
5. Яковенко И. А. Новое в кондиционировании воздуха: косвенно-испарительная рекуперативная установка (КИРУС) / И. А. Яковенко, Е. А. Со-ловцов, А. Б. Цимерман // Журнал «Отопление. Водоснабжение. Вентиляция. Кондиционеры» № 3, 2005.
6. Цимерман А. Б. Термодинамические основы косвенно-испарительного охлаждения воздуха / Журнал «Отопление. Водоснабжение. Вентиляция. Кондиционеры.» № 3, 2006.
Надшшла до редколегп 25.07.2007.
