CC BY
137
36
Современные технологии - транспорту
Библиографический список
1. Руководство по проектированию разводных мостов : введ. 01.03.1989. - М. : Транспорт, 1990. - 92 с.
2. Конструкции и некоторые результаты испытаний разводного пролета моста Александра Невского / М. К. Никитин // Вопросы мостостроения : труды ЛИИЖТа. -Вып. 283. - Л., 1968. - С. 71-83.
3. Оценка напряженного состояния и эффективности усиления крыла раскрывающегося пролетного строения разводного моста / Г. И. Богданов, Е. Д. Максарев // Проблемы мостостроения : межвуз. сб. научн. трудов. - Вып. 863. - М., 1993. - С. 104-111.
УДК 629.4.048
А. Л. Емельянов
ОАО НТЦ «Завод Ленинец»
И. Г. Киселев, А. В. Михайлов
Петербургский государственный университет путей сообщения
ПУТИ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ОТОПЛЕНИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ
Рассмотрены пути повышения теплопроизводительности цикла «тепловой насос» кондиционера при низких значениях температуры наружного воздуха. Приведены схемы предлагаемых методов, их достоинства и недостатки.
терморегулирующий вентиль, цепь инжекции, оттайка, температура кипения, гидравлический удар, промежуточный теплообменник, подогреватель хладагента.
Введение
Для Российской Федерации с её широким полигоном эксплуатации вагонного парка чрезвычайно актуальным является обеспечение оптимального потребления энергии пассажирским вагоном как в зимний период в режиме нагрева, так и в летний период в режиме охлаждения воздуха. В первом случае, при температуре наружного воздуха минус 40 °С и требуемой температуре в салоне вагона +22 °С, необходимо до 50 кВт электроэнергии на каждый вагон. Во втором, в летний период, система кондиционирования воздуха (СКВ) становится основным потребителем электроэнергии для пассажирских вагонов: из 32 кВт мощности подвагонного генератора на
2011/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
37
долю СКВ приходится около 20 кВт при температуре наружного воздуха +35 °С и температуре в салоне вагона +28 °С [1].
Наиболее кардинально снизить энергопотребление в обоих режимах позволяет уменьшение коэффициента теплопередачи к наружного ограждения, пола и крыши вагона, а также повышение герметичности окон и дверей. В этом отношении вагоностроители Тверского вагоностроительного завода подошли к своему пределу к = 0,8...0,9 Вт/(м -К) при серийном производстве. Дальнейшее уменьшение к требует кардинального изменения конструкции вагона.
В то же время представляется, что добиться значительного сокращения потребления энергии на пассажирских вагонах можно, используя в переходный и зимний периоды (при температуре наружного воздуха ниже +16 °С) реверсивный режим работы кондиционера, так называемый «тепловой насос».
Возможности этого режима для железнодорожного транспорта подробно исследованы в обширной монографии Е. Т. Бартоша [2]. В Японии уже в 1985 году было оборудовано кондиционерами с указанным режимом более 525 вагонов. В России первые кондиционеры с режимом «теплового насоса» были разработаны В. А. Жариковым в ЗАО «Лантеп» [3] и А. Л. Емельяновым в ООО БСК и ЗАО «Петроклимат» [4].
В настоящее время на сети железных дорог России, Украины и Белоруссии эксплуатируется более 600 пассажирских вагонов с теплонасосным режимом отопления. Анализ результатов этой эксплуатации в течение 8 лет показал, что кондиционеры работают весьма устойчиво и при температуре наружного воздуха от 0 до +16 °С обеспечивают отопление вагона с эффективностью 2,2...2,5, т. е. на каждый потребляемый кВт мощности в вагон подаётся около 2,2...2,5 кВт тепловой энергии [3], [4].
При понижении температуры окружающей среды до минус 10 °С эффективность режима плавно снижается до 1. Это снижение связано с использованием в кондиционерах хладагентов, а также теплообменных аппаратов, ориентированных на работу кондиционера в режиме охлаждения. Тем не менее расчёты показывают, что даже в этих условиях годовая экономия электроэнергии на 100 вагонов в переходный период весны и осени составляет 2 160 000 кВт-ч, что при существующих тарифах даёт 6,48 млн рублей экономии. Обеспечить еще большую экономию электроэнергии позволило бы использование теплонасосного режима отопления для более низкой температуры наружного воздуха.
1 Способы повышения эффективности режима «тепловой насос»
Эффективность режима «тепловой насос», а также расширение диапазона наружных температур с сохранением комфортных условий для пассажиров могут быть существенно повышены за счёт:
1) оптимизации работы цикла теплового насоса при условии сохранения оборудования холодильной машины;
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/4
38
Современные технологии - транспорту
2) использования новых хладагентов;
3) применения в кондиционерах метода парожидкостной инжекции;
4) использования для цикла теплового насоса специальных подогревателей хладагента.
Рассмотрим эти направления более подробно.
1. Опыт эксплуатации железнодорожных кондиционеров с циклом теплового насоса показывает, что поверхность испарителя существенно меньше, чем у конденсаторов, что заметно усложняет вопрос прямого обращения холодильной машины в тепловой насос. Именно по этой причине эффективность теплового насоса иногда бывает недостаточно высокой. Поэтому крайне важно уже на этапе проектирования уделить особое внимание расчету и оптимальному подбору оборудования, в том числе подбору теплообменных аппаратов, которые позволили бы обеспечить максимальную эффективность при работе установки как в цикле холодильной машины, так и в цикле теплового насоса. Решить данную проблему помогла бы методика расчета цикла теплового насоса при условии сохранения оборудования холодильной машины, которая должна включать тепловой расчет холодильной машины с последующим обратным расчетом теплового насоса. Кроме этого, данная методика должна показывать зависимости коэффициента преобразования, холодильного коэффициента, тепло- и холодопроизводительности от различных характеристик кондиционера и температуры наружного воздуха, а также зависимости площадей поверхностей теплообмена испарителя и конденсатора между собой.
2. На сегодняшний день самыми распространенными хладагентами в кондиционерах железнодорожного транспорта являются хладоны R22 и постепенно его заменяющий R134a. Сравнительные характеристики данных хладагентов в диапазоне температур от минус 40 до +20 °С представлены в таблице.
ТАБЛИЦА. Зависимость температуры кипения R22, R134a и R410a от давления
<r о о R22 R134a R410a
Р, бар
-40 0,05 -0,48 0,73
-35 0,25 -0,32 1,22
-30 0,64 -0,15 1,71
-25 1,05 -0,06 2,35
-20 1,46 0,33 2,98
-15 2,01 0,67 3,85
-10 2,55 1,01 4,72
-5 3,27 1,47 5,85
0 3,98 1,93 6,98
5 4,89 2,54 8,37
10 5,80 3,14 9,76
15 6,95 3,93 11,56
20 8,10 4,72 13,35
2011/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
39
Из приведённой выше таблицы можно увидеть, что в диапазоне температур от минус 20 до минус 40 °С для R22 и от минус 5 до минус 40 °С для R134a применение этих хладагентов становится нецелесообразным, поскольку снижение давления кипения ниже атмосферного является нежелательным для работы компрессора установки. Кроме того, существует вероятность падения температуры наружного воздуха ниже температуры кипения фреона, что может привести к попаданию во всасывающую магистраль установки частиц жидкости и оказаться губительным для компрессора из-за гидравлических ударов. Решить данную проблему позволило бы использование хладагентов, имеющих более широкий диапазон температур кипения при более высоких значениях рабочих давлений, необходимых для устойчивой работы кондиционера в режиме теплового насоса до температур наружного воздуха минус 25 °С и ниже. Примерами таких хладагентов являются смесовые хладоны R410a, R404a, R507a и др. (см. таблицу). Данные хладагенты получили широкое распространение в холодильной технике и бытовых кондиционерах, также могут быть с успехом использованы в установках транспортного исполнения.
3. Существенный вклад в повышение эффективности режима «тепловой насос», а также расширение диапазона температур наружного воздуха может принести использование метода парожидкостной инжекции. Данный метод впервые был применен в 2007 г. в бытовых и полупромышленных кондиционерах серии «ZUBADAN» фирмы Mitsubishi Electric [5]. Суть метода заключается в использовании в цикле кондиционера дополнительной цепи инжекции, состоящей из терморегулирующего вентиля, трубчатого теплообменника и дополнительного штуцера всасывания на корпусе компрессора. Гидравлическая схема кондиционера с цепью инжекции представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Схема кондиционера с парожидкостной инжекцией
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/4
40
Современные технологии - транспорту
На участке 1-2 газообразный хладагент нагнетается компрессором в конденсатор, где происходит отбор теплоты в необходимое помещение. В терморегулирующем вентиле 1 (ТРВ1) происходит дросселирование хладагента с понижением температуры и давления смеси. На участке 3-4 хладагент проходит через жидкостный ресивер, в котором проходит труба всасывания, в результате чего происходит обмен теплотой и температура смеси снова падает. Далее некоторое количество хладагента ответвляется в цепь инжекции (4-10). В ТРВ2 хладагент дросселируется, температура понижается и смесь поступает в промежуточный теплообменник типа «труба в трубе». В результате этого охлаждается и основной поток хладагента (4-5). Пройдя промежуточный теплообменник, газообразный хладагент в цепи инжекции поступает в компрессор через дополнительный штуцер всасывания (точка 10). В ТРВ3 основной поток смеси вновь дросселируется с понижением температуры и давления и поступает в испаритель, где происходит отбор теплоты от воздуха, омывающего поверхность испарителя. Далее газообразный хладагент поступает в жидкостный ресивер, где происходит перегрев газовой смеси, и направляется в компрессор по всасывающей магистрали (7-8). Цикл данного кондиционера представлен на рисунке 2.
Рис. 2. Схема цикла теплового насоса с парожидкостной инжекцией
Стоит отметить, что при температуре наружного воздуха от минус 5 до +16 °С кондиционер работает в режиме простого «теплового насоса», т. е. цепь инжекции не задействована. При снижении температуры наружного воздуха ниже минус 5 °С во всасывающей магистрали резко уменьшается количество газообразного хладагента. Но поскольку компрессор способен всасывать большее количество паров, его производительность падает, зна-
2011/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
41
чит падает и теплопроизводительность установки в целом. По мере снижения температуры наружного воздуха система управления увеличивает расход хладагента в цепи инжекции, восстанавливая тем самым требуемый расход газа через компрессор.
Несомненным достоинством данного метода повышения теплопроизводительности установки отопления является значительное расширение диапазона рабочих температур, приводящее к экономии потребляемой электроэнергии другими установками отопления. Кроме того, расширение диапазона рабочих температур способствует снижению количества включений режима оттайки, представляющего собой достаточно продолжительное переключение четырехходового клапана кондиционера и перевод установки в цикл холодильной машины, в результате чего в салон вагона поступает то тёплый, то холодный воздух.
К недостаткам следует отнести большое количество терморегулирующих вентилей, необходимость их точной настройки, использование компрессоров, имеющих дополнительный штуцер всасывания, а также необходимость установки дорогостоящих средств автоматики и регулирования расхода хладагента в цепи инжекции, что приводит к удорожанию всей установки в целом.
4. Еще одним вариантом повышения эффективности работы режима «тепловой насос», а также расширения диапазона рабочих температур может быть использование специальных подогревателей хладагента. Подогреватель может быть выполнен в виде литого алюминиевого цилиндра с установленной спиральной теплообменной трубой и электронагревателем. Данный подогреватель устанавливается на отдельном трубопроводе, начало которого ответвляется перед ТРВ, а конец соединяется со всасывающей магистралью (рис. 3).
При снижении температуры наружного воздуха специальное реле температуры включает электронагреватель в алюминиевом цилиндре, через который проходит трубопровод с хладагентом. Нагреваясь, газообразный фреон смешивается с основным потоком во всасывающей магистрали. Температура смеси повышается, обеспечивая тем самым непрерывную работу режима «тепловой насос» при низких температурах наружного воздуха.
Несомненным достоинством данного метода повышения теплопроизводительности установки отопления является непрерывность работы во время оттайки, незначительное изменение конструкции кондиционера, а также расширение диапазона температур наружного воздуха.
К недостаткам следует отнести установку дополнительных приборов автоматики, а также повышенное потребление энергии электронагревателем при очень низких температурах наружного воздуха.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/4
42
Современные технологии - транспорту
клапан
ооленоидныа
Вентиль
Рис. 3. Схема кондиционера с подогревателем хладагента
Заключение
Использование для отопления пассажирского вагона реверсивного цикла кондиционера, так называемый «тепловой насос», открывает большие возможности для экономии электроэнергии. Проблема повышения эффективности данного режима в зимних условиях, при значительном снижении температуры наружного воздуха, достигается за счет оптимизации подбора теплообменных аппаратов, использования новых хладагентов, а также за счет использования в установке метода парожидкостной инжекции и специальных подогревателей хладагента.
Библиографический список
1. СП 2.5.1198-03. Санитарные правила по организации пассажирских перевозок на железнодорожном транспорте. - Введены в 2003 г. (п. 3.2.1).
2. Тепловые насосы в энергетике железнодорожного транспорта / Е. Т. Бартош. -М. : Транспорт, 1985. - 279 с.
3. Климатические системы пассажирских вагонов / В. А. Жариков. - М. : ТРАН-СИНФО, 2006. - 135 с.
4. Проблемы обеспечения комфорта на железнодорожном транспорте / С. Е. Буравой, А. Л. Емельянов // РЖД-Партнёр. - 2004. - № 3 (67). - С. 120-122.
5. Saito Macoto Packaged air conditioners that improve the heating capacity by flash injection circuit / (Mitsubishi Electric Corporation). - Reito Refrigeration. - 2007. - № 952. -С. 19-22.
2011/4
Proceedings of Petersburg Transport University
