Разработка критериев оценки эффективности сохранения тепла ограждающими конструкциями пассажирских вагонов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 629.45:629.4.016.15

А. П. СТАРИКОВ Д. Ю. КУЗЬМЕНКО

Омский государственный университет путей сообщения

РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОХРАНЕНИЯ ТЕПЛА ОГРАЖДАЮЩИМИ КОНСТРУКЦИЯМИ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ

В статье представлены традиционные методы теплового расчета кузова пассажирского вагона. Этих методов недостаточно для определения изменений в эффективности теплоизоляционного материала в процессе эксплуатации пассажирского вагона. Основной целью статьи является адаптация расчетов теплоустойчивости, используемых при строительстве зданий, для оценки эффективности ограждающей конструкции вагона сохранять тепло.

Ключевые слова: теплоизоляция, теплоустойчивость, теплопроводность, вагон.

Конструкция кузова пассажирского вагона отличается тем, что должна препятствовать передаче тепла через стены ограждения, поэтому стены, пол и крыша выполняются многослойными с использованием теплоизоляционных материалов.

Качество теплоизоляции зависит от многих свойств используемых материалов. Теплоизоляция является одним из важнейших элементов конструкции кузова. Поэтому к материалам, используемым для теплоизоляции кузовов пассажирских вагонов при их строительстве и капитально-восстановительных ремонтах предъявляются жёсткие требования, регламентированные нормами ОСЖД (Памятка ОP538/1).

Срок службы теплоизоляции должен соответствовать сроку службы вагона, то есть 28 лет [1].

Цельнометаллический кузов вагона обладает большой герметичностью и способностью аккумулировать тепло или холод.

При несоблюдении необходимого температурного и вентиляционного режимов возможно осаждение росы на внутренних металлических поверхностях кузова, что влечет за собой быстрый износ защитного покрытия слоя краски и разрушение металла коррозией.

Пространство кузова заполнено изоляционным материалом, который заложен в ячейки обрешетки между наружной металлической и внутренней деревянной обшивками кузова (рис. 1) [2]. На вагонах современной постройки в качестве теплоизоляции широко применяются многослойные сэндвич-панели, содержащие такие материалы, как пенополиуретан, пенополистирол, вспененный фенопласт. Эти пенопласты имеют малую плотность, объемную массу, низкую теплопроводность и являются водостойкими [3].

Для проведения расчета теплопроводности необходимы данные по толщинам слоев различных участков стен, потолка и пола ограждения, по пло-

щади этих участков и по материалам слоев. Эти данные содержатся в проектно-технических характеристиках вагона.

Общую площадь теплопередающей поверхности пассажирского вагона следует определять по наружным размерам пассажирского помещения. На рис. 2 схематично показан разрез ограждения кузова пассажирского вагона с основными размерами.

Для более точного определения теплотехнических качеств пассажирских вагонов необходимо применить комплексный метод, включающий определение среднего коэффициента теплопередачи ограждений кузова, герметичности кузова и амплитуды колебания температур.

Для расчета теплотехнических показателей пассажирского вагона необходимо провести аэродинамическое исследование для определения показателей герметичности ограждающих конструкций и показателей температур поверхности. Аэродинамическое исследование — это новшество в тестировании вагонов на наличие неплотностей в теплоизоляции, которое проводится с использованием комплекта специального диагностического оборудования, основными компонентами которого являются измерительный вентилятор большой мощности и цифровой двухканальный манометр, отслеживающий изменение давления воздуха и управляющий работой вентилятора.

Использование аэродинамического испытания в сочетании с тепловизионным обследованием — гарантия выявления многих скрытых дефектов, вызывающих ускоренное разрушение несущих конструкций и являющихся главной причиной повышенных затрат на отопление (кондиционирование). При этом обнаружение этих дефектов каким-либо другим способом невозможно [1].

Герметичность кузова определяется конструкцией ограждающих поверхностей и используемыми

Рис. 1. Ограждение кузова пассажирского вагона с изоляцией и облицовкой 1 — гидроизоляционная бумага; 2 — пакеты теплоизоляции;

3 — надоконная обшивка; 4, 5, 9 — бруски обрешетки; 6 — подшивной потолок; 7 — обшивка крыши; 8 — обшивка пола; 10 — кожух; 11 — обшивка подоконной поверхности; 12 — обшивка междуоконная

Рис. 3. Многослойная однородная стена (зона сплошной изоляции крыши пассажирского вагона): 1 — стальной лист наружной обшивки; 2 — слой

антикоррозийной противошумовой мастики; 3 — теплоизоляция; 4 — влагозащитная пленка; 5 — внутренняя обшивка

Рис. 2. Схема планировки кузова пассажирского вагона а) продольное; б) поперечное: 1, 4 — тамбур; 2 — теплоизоляционное ограждение; 3 — пассажирское помещение; 5 — боковая стена;

6 — крыша; 7 — воздушная прослойка; 8 — фальшпотолок; 9 — пол; 10 — торцевая стена

теплоизоляционными материалами. Конструкция ограждения современного пассажирского вагона представляет собой многослойную стену. Элементы ограждения кузова пассажирского вагона приведены на рис. 3 и 4.

Герметичность конструкции кузова вагона необходимо определять, измеряя воздухообмен внутреннего объема вагона и окружающей среды. Перед испытаниями на герметичность помещение изотермического вагона тщательно герметизируют — проверяют состояние уплотнения дверей, вентиляционных каналов, штатных уплотнений сливных приборов, вводы трубопроводов и кабелей от холодильной установки. Разность температур наружного воздуха и грузового помещения не должна быть больше 3 0С.

Суть испытаний заключается в определении величины утечки воздуха при поддержании в помещении избыточного давления 50 Па (5 мм вод. с). Для этого через одно из сливных отверстий в помещение через расходомер подается воздух и с помощью микроманометра контролируется величина давления в помещении. Вагон считается

Рис. 4. Многослойная неоднородная стена (зона дуги крыши пассажирского вагона): 1 — стальной лист наружной обшивки; 2 — слой антикоррозийной противошумовой мастики;

3 — стальной прокатный профиль (дуга); 4 — теплоизоляция; 5 — деревянный брусок; 6 — влагозащитная пленка; 7 — внутренняя обшивка

выдержавшим испытания, если величина утечки воздуха не превышает 40 м3 /ч.

Если передача тепла происходит в стационарных условиях через плоскую однородную стенку (рис. 5) в направлении, перпендикулярном ее поверхности, уравнение теплопроводности запишем в виде:

Нт

с

1

8(Т1 - Т2)М Я(Г1 - Т2)М

(1)

где Нт — суммарны й тепловой поток, Вт; 5 — толщина стенки, м;

Т1Г Т2 — знааения температуры на поверхности стенки, К;

- площадь стенки, мс 8

Я а — — сопративление тепло2бмена.

Стенка пасиаыирс-ого тагона состоит из нескольких слоев ратнорсдд-го материала. Схема передачи тепла через так(тэ стенку пртводени на рис. 6 [4].

Коэффициннт тнп-опередачи для многослойной стенки оиредеоим изследующего выражения:

н

1

1

1 8 — л > ^

Се ^ С

1 а»

Я - Я

1 Я'

(2)

где 5. — телщина отдельных слоев материалов, составляющих ктнст°укцию ограждения, м;

Рис. 5. Теплопередача через плоскую однородную стенку

Рис. 6. Теплопередачач е р ез многосл ойную стенку

А. — действительные значения коэффициентов теплопроводности соответствующих материалов, Вт/(м2 • К);

ЯА — термиаеское сопрлтивосние теплопроводности;

Яа — термическое сопротивление конвекции.

В общем случае о бщая площадь теплопе редаю-щей поверхно сти пассажирского вагона о пределя-ется по выражению:

где Рп

О о О Ю 2 • О Ю О Ю 2 • О - О

общ Г П ^ ^ Г б К Т О

площадь п оверхносто пола, м2;

гк — площадь коыши, м2; Рт — площадь ториевой стены,м2; Р0 — суммар ная площадь всех окон патсажир-ского помещения в агоеа, м2.

Площадь поверхности пола определяется по выражению:

О = Ь

(9)

Так как ограждающими элементами кузова пассажирского вагона являются бьковые и торцевые стены, окна, пол, крыша, то р ас лчитывают средний коэффициент теплопхр=дати:

К =

Уих - о

о

(10)

(3)

где К. — коэффицхе=т теплопередачи г-го элемента ограждения внутреннего помещения вагона, Вт/(м2 • К);

Р. — среднегеометитес кая площадь г-го элемента, м2;

Р — среднегео21етсическая площадь ограждения внутреннего помещения вагона, м2.

В общем свучьо =оэффициент теплопередачи г-го элемента огражде=ия определится по следующей зависимо сти:

Оп о (Ьх о 2 • Ь, С • Ьо, где ЬК — длива оагона по концевым болсам, м;

(4)

I

т длина тамОуьх м;

ое оДЬх о2^ЬвС• К ооо

ох о дьх о 2 • ьс С • м • лн • ^ ,

К V К в н 1,м

х = -

1

1 Ц 1

— л —

(11)

Ьв — наружная ширина вагоеа, м. Выражение дия оорпюощоди боковой стены:

где ан

оо м фф иц ие лты оепло отдачи соответ-

(5)

где — высота Кооовюы стеюю, ю.

Площадь поверхнысьи крыши определяется по выражению:

ственно наруоаюь и внутренней поверхности г-го элемента ограждение] Вт/(м2 • К);

8.. — толщина г=е слоя с 1-ом элементе, м;

А.. — коэффициеот теплопроводности у-го слоя в г-ом элементе, Вк/(м • К).

Сумма отнгшений толщина1 и колффициента проводимости ]нвн=, ляеК [5]:

(6)

Еш ц и ц ц ЦЦ 8Л м X. X Я, X Х4

(12)

где Ян — радиус сечения крыши, м; р — угол, ограничивающий дугу, 0. Угол, ограничивающий дугу:

■ ь(

81а( С = ——

откуда:

"2 2 -Л,

<р = 2 - агс81а(—0—) .

2 -Л„

(7)

(8)

Площадь торцов=й стены определяется по выражению:

При проеетировании объектов капитального строительства недосеаточно определить теплоизоляционные свойе тва здания. Оценивается теплоустойчивость — свойство ограждающей конструкции сохранять при колеСаниях дотока тлпла относительное постоянство температу2ы на поверхности, обращенной в помещение. От постоянства температуры на внугреноей пов2рхносои огдаждающих конструкций зависит обеспечонил условийеомсИои та для пребывающих в вагоне людей.

Теплоусто йчивость ограждающей конструкции обеспечивается преимущественно теплоемкостью слоя подверженного более резким колебаниям температур. При изменении наружной температуры

Рб — площадь боковой отены, м2

а

тепло, накопленное в слое, обеспечивает относительное постоянство температуры внутреннего воздуха.

Ограждающая конструкция вагона должна обладать минимальной паропроницаемостью и теплопроводностью и в то же время быть теплоемкой и теплоустойчиво й.

При рассмотрении теплоустомчивости сначала решаетсо задачк дря однослойнкй рднородной стенки, когда тепловоя и температурная волны направлены от среды с одной ое стороны к поверхности на друуо, со стороны которой температура среды постоянна. Онь за напнаолена навстречу температурной нооне. При эаом с прибиожением к наружной стенке увеличивоютси имплитуды колебаний температурил. Рассмотрим расче1ы амплитуды 1 граждаю-щих еонсюуоций.

Дли внутренней повтрхеости ограждающих кон-зтрукций амауитуеу еолебанин температуры опре-деляюо ио формуле:

Ar =

А расч

!У

(13)

где A^4 — расчетная амплитуда колебаний температуры наружного в о здуха, 0с ;

я — коэффициент затухануя расчетной амплитуды колебаатй температуры няружного воздуха в ограждающей та нструк=ии.

Рас=етную амплитуду колебаний темпеуатуры нархжнхго аоздук:а Ар11", 0С следует определять ро формуле:

АГсч = 0,5А я — — — -

(14)

гдо Ао — мкксималыгая ууп;ак^тууа суточных кюут-баний темперотуы наружного воздуоа в июуо, У, приниме ема( согласно СП 131.13330;

р — коэ ффициент поглощения солнечной радиа-цин материалом наружной поверхности ограждающей констаукции;

I , I — соответственно максимальное и сред-

тах ср ±г-1

нее зиачения суммарн1й солнечной радиации (прямой и рассеанной), Вт/м2, принимаемые согласно СП 131.13330 для еаружных стен — как для вертикальные поеерииосеей иападной ориентации и для поюытий — сак дая гсризонтальной поверхности;

ан — ко 1 ффоциент теплоотдачи наружной по-верхносАи ограждающей конструкции по летним усАовиям, Вт/ (м2 • 0С).

Величину затухания расчетной амплитуды колебаний температуры наружного воздуха V в ограждающей конструкции, состоящей из однородных слАев, следуАТ спределять по формуле:

к = То (н1 уув)°но у н,)-(н„ у )(УТ у Нп) (15)

' (Н1 у Н, )(Но у Н3)...(нп у Нп)Ут '

где е = 2,718 — основание натуральных логарифмов; Б — тепловая инерция ограждающей конструкции, б, б2,..., Бп — расчетные коэффициенты тепло-усвоения материала отдельных слоев ограждающей конструкции, Вт/(м2 • 0С);

У, У,..., Уп1, Уп — коэффициенты теплоусвоения наружной поверхности отдельных слоев ограждающей конструкции, Вт/(м2 • 0С);

а.в, ан — коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей ограждающих конструкций соответственно, Вт/(м2 • 0С).

Порядок нумерации слоев в формуле (15) принят в направлении от внутренней поверхности к наружной. Адаптируя методики определения теплоустойчивости зданий, необходимо обратить внимание на то, что теплоустойчивость конструкций зданий зависит от порядка расположения слоев материалов; величина затухания амплитуды колебаний температуры наружного воздуха в многослойной конструкции увеличивается, если более теплоустойчивый материал расположен изнутри.

Наличие в конструкции ограждения воздушной прослойки увеличивает теплоустойчивость конструкции. В замкнутой воздушной прослойке целесообразно устраивать теплоизоляцию с тепло-отражающей поверхностью, слои конструкции, расположенные между вентилируемой наружным воздухом воздушной прослойкой и наружной поверхностью ограждающей конструкции, должны иметь минимально возможную толщину. Наиболее целесообразно выполнять эти слои из тонких металлических или асбестоцементных листов.

Таким образом, применение комплексного подхода в определении теплотехнического состояния вагона необходимо для выявления более точных показателей, что ускорит процесс нахождения дефектов теплоизоляции и герметичности кузова вагона, а в дальнейшем, при ремонте вагона, позволит подобрать наиболее надежный теплоизоляционный мотериал и сократит энергетические расходы на ыоддержание комфортных условий в пассажирском вагоне. Адаптация теплотехнического расчета зданий, а именно расчеты теплоустойчивости и амплитуды температур, под вагоны дополнит оценку эффективности ограждающей конструкции вагона сохранять тепло и позволит создать новую конструкцию, увеличивающую теплоустойчивость вагона.

Библиографический список

1. Клюка, В. П. Испытание пассажирских вагонов железных дорог на теплоустойчивость / В. П. Клюка, А. П. Стариков, Д. Ю. Кузьменко, А. А. Попов // Известия Транссиба. — 2015. - № 2 (22). - С. 6.

2. Конструирование и расчет вагонов : учеб. для вузов /

B. В. Лукин [и др.] ; под ред. В. В. Лукина. - М. : УМК МПС России, 2000. - С. 659-660.

3. Егоров, В. П. Устройство и эксплуатация пассажирских вагонов (для проводников) : учеб. пособие / В. П. Егоров. -2-е изд., перераб. и доп. - М. : УМЦ МПС России, 2004. -

C. 74-75.

4. Техническая диагностика вагонов : учеб. В 2 ч. Ч. 2 / Р. А. Ахмеджанов [и др.] ; под ред. В. Ф. Криворудченко. -М. : ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2013. - С. 67-71.

5. Матяш, Ю. И. Система кондиционирования и водоснабжения пассажирских вагонов : учеб. пособие для вузов ж.-д. транспорта / Ю. И. Матяш, В. П. Клюка. - М. : ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2008. - С. 32-41.

СТАРИКОВ Александр Петрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой «Теплоэнергетика». Адрес для переписки: [email protected] КУЗЬМЕНКО Дмитрий Юрьевич, аспирант кафедры «Теплоэнергетика».

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 12.01.2016 г. © А. П. Стариков, Д. Ю. Кузьменко

E

у

H