Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние, проблемы и тенденции совершенствования систем овик на железнодорожном транспорте. цели и задачи исследования
1.1. Особенности эксплуатации систем ОВиК с учетом климатических условий России при пассажирских перевозках 14
1.2. Современные тенденции совершенствования систем ОВиК на ж/д транспорте 19
1.3. Способы повышения эффективности работы реверсивных кондиционеров в отопительном периоде 28
1.4. Постановка задачи исследования 36
Глава 2. Анализ энергетических показателей систем овик пассажирского вагона с реверсивным кондиционером
2.1. Тепловой режим пассажирского вагона в отопительном периоде... 38
2.2. Постановка задачи, структурная схема и последовательность расчета реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией 44
2.3. Анализ исходных данных и расчет цикла холодильной машины 46
2.4. Поверочный расчет цикла теплового насоса 49
2.5. Расчетцепи инжекции 58
2.6. Выводы по главе з
Глава 3. Компьютерная программа расчета характеристик реверсивного кондиционера
3.1. Физические и математические предпосылки построения программы 70
3.2. Алгоритм программы 75
3.3. Пример расчета для экспериментальной установки 79
3.4. Выводы по главе 83
Глава 4. Экспериментальное исследование характеристик опытного образца реверсивного кондиционера с парожидкостнои инжекциеи
4.1. Описание испытательного стенда, опытного образца и измерительной аппаратуры 85
4.2. Оценка погрешности измерений 90
4.3. Общий алгоритм работы и управления цепью инжекции 97
4.4. Результаты испытаний 101
4.5. Сопоставление результатов экспериментального и теоретического исследования энергетических показателей работы экспериментальной установки 103
4.6. Технико-экономическое обоснование применения метода парожидкостной инжекции 106
4.7. Выводы по главе 111
Заключение 112
Список использованной литературы
- Современные тенденции совершенствования систем ОВиК на ж/д транспорте
- Постановка задачи, структурная схема и последовательность расчета реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией
- Пример расчета для экспериментальной установки
- Сопоставление результатов экспериментального и теоретического исследования энергетических показателей работы экспериментальной установки
Введение к работе
Актуальность работы
Одной из важнейших научно-технических проблем Российской Федерации является проблема энергосбережения. Не случайно, озабоченность этой проблемой вылилась в Федеральный Закон, принятый Государственной Думой 23 ноября 2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности», а на его развитие Распоряжением Правительства Российской Федерации от 27.12.2010 г. утверждена Государственная программа Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года» с разделом «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на транспорте». Соответствующая отраслевая программа была принята ОАО «Российские железные дороги».
Значительные резервы в экономии энергии и повышении эффективности ее использования на железнодорожном транспорте имеются в подвижном составе, в частности в системах отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВиК) пассажирских вагонов. В любом пассажирском вагоне система ОВиК потребляет до 50% и более установленной мощности. С учетом постоянного роста технической оснащенности вагонов проблема эффективного использования предоставляемой мощности и ее экономии для пассажирских вагонов представляется весьма важной. Особенно актуальной она оказывается для подвижного состава Российских железных дорог, работающего в широком диапазоне температур окружающей среды от минус 50С до плюс 40С.
Соответствующими нормативными документами как РФ, так и других стран установлены определенные требования к системам ОВиК для пассажирских вагонов. Поэтому в настоящее время практически все ведущие мировые производители железнодорожного транспорта предлагают своим заказчикам подвижной состав, оснащённый различными системами кондиционирования воздуха. Специалистами многих российских предприятий (ОАО «ВНИИЖТ», СПбГУНиПТ, ЗАО «Остров», ЗАО «Лантеп», ЗАО «ТРАНСКОН», ОАО НТЦ «Завод «Ленинец», ЗАО «Петроклима», ООО «Балтийские кондиционеры» и др.) и зарубежных фирм (Siemens, Mitsubishi, Hagenuk Faiveley, Merak, Alstom, Bombardier Transportation) постоянно ведутся исследования и разработки, направленные на повышение энергетической эффективности работы систем ОВиК пассажирских вагонов.
Поскольку одними из самых актуальных стоят вопросы энергосбережения и поддержания комфортных условий в салоне вагона, наиболее целесообразным с этой точки зрения, является использование в отопительный период реверсивных кондиционеров, позволяющих не
только охлаждать помещение в летнее время, но и, реализуя обратный цикл, отапливать его в зимний и переходный периоды.
Однако, при всей перспективности использования реверсивных кондиционеров, их внедрение зачастую тормозится из-за снижения коэффициента преобразования теплоты фтн при температурах наружного воздуха ниже -5С. Существующие установки ориентированы, главным образом, на работу в режиме «охлаждение». Однако уже на этапе проектирования кондиционера важно знать, как он будет работать в реверсивном режиме при разной температуре наружного воздуха. Знание этого поможет внести оптимальные изменения в конструкцию кондиционера и повысить эффективность работы установки в целом. В последние годы появились способы и технологии повышения эффективности реверсивных кондиционеров, а также расширения диапазона наружных температур применения указанного режима до -25С, в частности метод парожидкостной инжекции, заключающийся во всасывании дополнительного количества хладона после конденсатора в промежуточную область сжатия компрессора (рис.1), а также использование хладонов с более широким диапазоном температур кипения при более высоких значениях рабочих давлений.
Рисунок 1 - Схема реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией
Настоящая работа представляет собой комплексное исследование работы реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией с использованием более низкокипящего хладона. Проведенные исследования позволили установить взаимосвязь между важнейшими энергетическими показателями работы реверсивного кондиционера и температурой наружного воздуха.
Целью работы является повышение эффективности работы и расширение диапазона наружных температур применения реверсивного кондиционера пассажирского вагона до -25С посредством использования метода парожидкостной инжекции и низкокипящих хладонов.
Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Проведен анализ существующих способов повышения эффективности реверсивных кондиционеров.
-
Предложена методика расчета характеристик реверсивного теплового насоса в зависимости от температуры наружного воздуха при условии сохранения оборудования холодильной машины.
-
На основе предложенной методики разработана программа расчета энергетических показателей работы реверсивного кондиционера.
-
Проанализировано влияние цепи инжекции на повышение эффективности работы установки и разработана методика ее расчета.
-
Проведены экспериментальные исследования эффективности применения метода парожидкостной инжекции.
Объект исследования
Пассажирский вагон, эксплуатируемый в РФ и оборудованный реверсивнымкондиционером. Методика исследования
В диссертационной работе использованы методы конструктивных и поверочных расчетов холодильных машин, классические уравнения термодинамики, теория тепло-массообмена, экспериментальные и аналитические исследования. Научная новизна
-
-
Разработана методика расчета энергетических показателей работы реверсивного кондиционера в зависимости от температуры наружного воздуха при условии сохранения оборудования холодильной машины, наиболее полно учитывающая условия эксплуатации кондиционера.
-
Проанализировано влияние цепи инжекции и использование низкокипящих хладонов на повышение эффективности работы реверсивного теплового насоса.
-
Предложена методика расчета цепи инжекции в зависимости от температуры наружного воздуха.
На защиту выносится:
-
-
-
Целесообразность использования метода парожидкостной инжекции и низкокипящих хладонов для расширения диапазона наружных температур применения теплонасосного режима отопления.
-
Методика расчета энергетических показателей работы реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией.
-
Результаты экспериментальных исследований применения метода парожидкостной инжекции для повышения эффективности реверсивных кондиционеров и расширения диапазона наружных температур применения теплонасосного режима отопления до -25С. Практическая значимость
-
Показана эффективность использования метода парожидкостной инжекции при эксплуатации реверсивных кондиционеров пассажирских вагонов в отопительном периоде.
-
Разработана программа расчета энергетических показателей работы реверсивного кондиционера, позволяющая оценить работу установку еще на этапе проектирования и внести необходимые изменения в конструкцию.
-
Разработан алгоритм управления работой реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией, обеспечивающий полностью автономную работу установки при различных условиях эксплуатации.
-
Результаты аналитического расчета технико-экономического анализа показывают, что использование реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией позволяет экономить 56% электроэнергии по сравнению с прямым электронагревом и 25% по сравнению с обычным реверсивным кондиционером. Достоверность полученных результатов обеспечена корректной
постановкой задач исследований, использованием классических уравнений термодинамики и теории теплообмена в сочетании с методами системного анализа и общепризнанным математическим аппаратом. Результаты экспериментального исследования получены с помощью стандартных средств измерений, прошедших государственную поверку, и обработаны в соответствии с традиционными соотношениями математической статистики и теории ошибок.
Реализация результатов исследований
Разработанная программа расчета энергетических показателей работы реверсивного кондиционера была использована для проектирования установки УК ПВ исп. 01Т производства ЗАО «Петроклима». Разработанный алгоритм управления реверсивным кондиционером с парожидкостной инжекцией был использован в опытном образце производства ОАО «НТЦ «Завод Ленинец».
Апробация работы
Основные положения диссертации, результаты исследования, выводы и рекомендации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Теплотехника и теплосиловые установки» ПГУПС в 2009-2012 гг., на научно-технических конференциях студентов, молодых специалистов и ученых «Неделя науки - 2010, 2011» (ПГУПС, Санкт-Петербург), на 70-й Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Днепропетровск, 2010), на 3-й Международной научно-практической конференции «Энергосбережение в системах тепло- и газоснабжения. Повышение энергетической эффективности» (Санкт-Петербург, 2012).
Публикации
Материалы, изложенные в диссертационной работе, нашли отражение в 5 опубликованных печатных работах, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы
Современные тенденции совершенствования систем ОВиК на ж/д транспорте
На основе анализа существующих нормативных требований определены направления совершенствования систем ОВиК пассажирских вагонов (рис. 1.5), к самым важным из которых относятся: вопросы энергосбережения, уменьшение массо-габаритных характеристик, снижение нормативных требований по тепло- холодопроизводительности, разработка и утверждение новых норм подачи свежего воздуха, разработка для новых вагонов систем вентиляции без рециркуляции, отказ от водяных систем отопления и сосредоточения разных функциональных назначений в одной установке [28, 29, 30]. В связи с возросшими требованиями потребителей к комфортабельности железнодорожного транспорта, исследование вентиляционных процессов в ограниченных объемах помещений имеет большое прикладное значение
Пути повышения энергоэффективности систем ОВиК Функционирование вентиляции в вагоне необходимо в любое время года: летом, при охлаждении наружного воздуха в системе кондиционирования, в переходный и зимний периоды - при его нагревании в водяном или электрическом калориферах. В общем случае, проектирование систем вентиляции для пассажирских вагонов связано с обеспечением заданных параметров: температуры, кратности воздухообмена, относительной равномерности распределения воздуха по вагону [55].
Исследователи и специалисты на протяжении последних 50 лет постоянно совершенствовали средства и способы распределения больших объемов воздуха в относительно малых объемах помещений, добиваясь максимально возможной равномерности распределения скорости, температуры, влажности [13]. В общем случае проблема до сих пор не решена, так как кроме средств распределения на равномерность полей оказывает влияние загроможденность помещения, тепловые конвективные струи, движущиеся механизмы и другие факторы.
В плацкартных вагонах, а также в вагонах пригородных и межобластных поездов (вагоны открытого типа) система воздухораспределения включает потолочный воздуховод и монтируемые в него воздухораспределители (решетки, диффузоры и т.п.). При такой системе подачи воздуха появляются так называемые «застойные» зоны у тамбуров, воздух распределяется по вагону крайне неравномерно. Именно поэтому в последние годы применяется одновременная подача воздуха сверху, из потолочного воздуховода, и снизу -на уровне ног пассажира. Такая система используется на скоростных поездах «САПСАН», курсирующих между Москвой и Санкт-Петербургом.
В 2011 году была разработана конструкция воздуховода переменного сечения для пассажирского вагона открытого типа пригородного электропоезда, позволяющая подавать воздух равномерно по длине вагона [17,55,107,108] (рис. 1.6). Система вентиляции работает следующим образом: с помощью двух вентиляционных установок 1, расположенных в потолочном пространстве противоположных тамбуров, подготовленный воздух подается в потолочный воздуховод, выполненный в виде короба, верхняя часть которого является обшивочным листом 2, закрывающим теплоизоляцию 3 крыши 4 вагона, а нижняя часть выполнена в виде обшивочного листа 5 с равномерной перфорацией по длине вагона, либо с щелевыми воздухораспределителями. - разработка многоканальных систем раздачи вентиляционного воздуха для вагонов повышенной комфортности и межобластных с воздушным отоплением. Существенный вклад в обеспечение комфорта в летний период приносит установка охлаждения воздуха. Существующие конструкции кондиционеров для купейных вагонов имеют холодопроизводительность около 28 кВт при номинальных режимах (температура наружного воздуха 40С, относительная влажность 30%) и потребляют около 20 кВт электроэнергии [12]. Исследования известного немецкого специалиста У.Адольфа показали, что в условиях Западной Европы 100% холодопроизводительности кондиционера для обеспечения комфортных условий требуется только 6 дней в году (1,6% ), а 55% холодопроизводительности - 24 дня в году (6,6% времени его работы). Для зоны Центральной Европы требуемая холодопроизводительность составляет для пассажирских вагонов 0,35-0,5 кВт/человека. В России принято 0,7 кВт/человека - то есть в среднем почти в два раза больше [12]. Авторы работы [79] отмечают, что холодопроизводительность в 28 кВт в условиях России реально никогда не требовалась. Исключение составляет только режим предварительного охлаждения вагона, который в соответствии с существующими техническими требованиями реализуется для получения комфортных условий до посадки пассажиров [12]. Другими словами в последнее время идет тенденция в сторону снижения нормативных требований по холодопроизводительности, что открывает большие возможности в уменьшении массо-габаритных характеристик, компоновке установки, а самое главное - уменьшении ее стоимости.
В последнее время ведутся разработки и созданы кондиционеры, где в качестве охлаждающей среды используется углекислый газ С02 (рис. 1.7). Такая система кондиционирования работает в соответствии с принципом испарительного охлаждения, используемым в традиционных кондиционерах, однако, использует натуральный газ С02 в качестве охлаждающей среды, что является очень экологичным и делает проявление парникового эффекта в 1,3 раза менее значительным. Помимо этого, С02 не наносит ущерба озоновому слою Земли и не требует переработки. Отличительной особенностью системы кондиционирования воздуха, работающей на углекислом газе, является то, что она может быть использована в качестве теплового насоса. При использовании для отопления, эта система приносит существенную экономию энергии по сравнению с традиционными системами. В связи с термодинамическими Рис. 1.7. Установка кондиционирования на С02 свойствами углекислого газа и высокой плотностью энергии, при использовании такой системы кондиционирования воздуха, возможно конструирование установки с очень компактными размерами.
В составе РЖД имеется значительный парк вагонов (более 12,5 тысяч), требующих капитально-восстановительного ремонта с продлением срока службы и обеспечением более комфортных условий для пассажиров [28]. Эти вагоны имеют подвагонный генератор с номинальным выходным напряжением 50 В и мощностью 8,5 кВт. Полная замена электрооборудования на современное мощностью 32 кВт и напряжение НОВ, обеспечивающее потребности всех потребителей, для этих вагонов экономически не оправдана. В связи с этим было необходимо разработать СКВ с малым потреблением энергии (не более 4 кВт) с холодопроизводительностью 12-14 кВт (при сохранении всего комплекса электрооборудования вагона). Такие СКВ могут быть созданы только с использованием охлаждения воздуха в процессе его увлажнения, который всегда сопровождается заметным снижением температуры: на испарение влаги частично или полностью расходуется внутренняя энергия воздуха. Очень важно, что этот способ не относится к категории энергозатратных. К сожалению, чрезмерное увлажнение воздуха нарушает его комфортность для человека, а использование чисто испарительных систем оказывается неэффективным в географических зонах с высокой влажностью (более 50%) и температурой ниже 30С. В связи с этим разработаны альтернативные испарительно-рекуперативные и испарительно-компрессионные системы кондиционирования для указанных выше вагонов, потребляющие не более 4 кВт электроэнергии и обеспечивающие холодопроизводительность на уровне 12-13 кВт. Наиболее универсальными оказываются комбинированные СКВ, содержащие в своем составе одновременно испарительный и компрессионный охлаждающие узлы [28]. Возможны разные варианты компоновки испарительного и компрессионного контуров охлаждения воздуха. В частности, воздух, прошедший узел испарения, может подаваться на испаритель или конденсатор компрессионной части установки, а также непосредственно в вагон. Во всех случаях испарительно-компрессионная СКВ потребляет около 10 литров воды в час и в сочетании с другими мерами по снижению теплопритоков в вагон (хорошая теплоизоляция кузова и центрального воздуховода, защитная пленка на окнах, герметизация окон и дверей вагона) обеспечивает комфортные условия для проезда на уровне допустимых.
Постановка задачи, структурная схема и последовательность расчета реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией
Производим расчет tK для принятого диапазона t0. Для этого для принятой /0 задаемся какой-либо tK. Из табл. 2.2 выбираем вф1 и qKj, соответствующие принятым t0 и tK и производим расчет tpKl методом последовательных приближений. Вычисляем относительную погрешность между принятой tK и tt. В случае, если погрешность превышает заданные пределы, уточняем tK и повторяем расчет. По результатам этого расчета строится график зависимости {к=/{(о) в соответствии с массовым расходом хладона и удельной теплопроизводительностью. На рис. 2.7 представлен график зависимости К =/( о) Для установки кондиционирования, работающей в режиме «тепловой насос» с Q0 = 6 кВт и использующей в качестве рабочего тела хладон R407c.
Производим расчет tpHl для принятого диапазона /0. Для этого для принятой /0 задаемся какой-либо tpHi. Из табл. 2.2 выбираем ЄфІ для принятой 0 и соответствующей ей tK, а по / -/gp-диаграмме определяем #0 (, соответствующее принятой /0 и производим расчет tp, методом последовательных приближений. Вычисляем относительную погрешность между принятой tnt и tpHi. В случае, если погрешность превышает заданные пределы, уточняем tpHi и повторяем расчет. По результатам этого расчета строится график зависимости t0 = f(tH) в соответствии с массовым расходом хладона, удельной холодопроизводительностью, площадью поверхности теплообмена и коэффициентом теплопередачи. Определение зависимости теплопроизводительности от температуры наружного воздуха
Теплопроизводительность установки при заданных площади поверхности FK0Hd, расходе воздуха через конденсатор GSKOHd, температуре на входе в конденсатор t"Kmd, расходе хладона Єф , температуре кипения 0 и соответствующей ей температуре конденсации tK определяется по формуле [5]:
В основу расчета цепи инжекции легли исследования, проведенные в 2006 году инженером Saito Macoto фирмы Mitsubishi Electric Corporation и изложенные в [115]. Основной причиной падения теплопроизводительности установки при снижении температуры наружного воздуха является снижение массового расхода газообразного хладона через компрессор. Одновременно с этим явлением происходит увеличение степени повышения давления, в результате чего значительно повышается температура нагнетания. Таким образом, с одной стороны, снижение температуры наружного воздуха tH приводит к снижению давления кипения Р0 с соответствующим снижением давления конденсации Рк (рис. 2.9), с другой стороны снижение массового расхода хладона вф и увеличение степени повышения давления лк приводят к недопустимому увеличению температуры нагнетания tm, что может привести к неисправности компрессора.
Основной отрицательный эффект в работу установки в режиме теплового насоса при снижении температуры наружного воздуха приносит значительное увеличение температуры нагнетания хладона. Это увеличение вызвано снижением плотности газообразного хладона, вследствие чего уменьшается массовый расход через компрессор, а также увеличением степени повышения давления, вследствие снижения давления кипения (рис. 2.12). При росте температуры нагнетания свыше 120С появляется опасность коксования масла, которое может вызвать поломку компрессора, а работа длительное время при температуре 110-И20С значительно сокращает срок службы компрессора [50]. Поэтому одной из основных функций цепи инжекции является снижение температуры нагнетания путем впрыска некоторого количества хладона при промежуточном давлении в промежуточную область сжатия компрессора (рис. 2.10). Снижение температуры нагнетания также приводит к значительному расширению диапазона наружных температур применения режима «тепловой насос». Стандартный реверсивный кондиционер способен работать до температуры наружного воздуха -5С, в основном, за счет ограничений по температуре нагнетания и резкого снижения эффективности режима, в то время, как тепловой насос с инжекцией пара способен работать до температур -20С и ниже, сохраняя приемлемый коэффициент преобразования.
Основной вклад в повышение теплопроизводительности реверсивного кондиционера приносит теплообмен в промежуточном теплообменнике (ПТО) между хладоном впрыска и жидким хладоном после конденсатора. Поскольку теплопроизводительность является совокупностью мощности на Рис. 2.10. Конструкция порта впрыска хладона среднего давления входе компрессора и холодопроизводительности воздухоохладителя [65,75], то увеличение каждой из этих составляющих способствует увеличению и теплопроизводительности реверсивного кондиционера. Процесс теплообмена в ПТО или экономайзере представлен на рис.2.11.
Процесс теплообмена в ПТО Участок 2-3 показывает дополнительное переохлаждение жидкого хладона в ПТО, в результате которого увеличивается удельная холодопроизводительность цикла на величину Aq0. Это увеличение, в свою очередь, способствует увеличению холодопроизводительности воздухоохладителя при любой наружной температуре, что в итоге дает рост теплопроизводительности установки.
Как отмечалось выше, снижение температуры наружного воздуха ведет к снижению давления кипения в воздухоохладителе. Снижение давления кипения, в свою очередь, приводит к уменьшению плотности газообразного хладона, в результате чего снижается массовый расход хладона через компрессор. Конструкция порта впрыска пара, а таїоке диаметр трубопровода инжекции позволяют направить в цепь инжекции определенное количество жидкого хладона после конденсатора, которое почти не меняется при снижении температуры наружного воздуха при равномерной частоте вращения компрессора. Массовое количество хладона, образующееся в воздухоохладителе, имеет тенденцию к уменьшению при падении температуры наружного воздуха, однако в области промежуточного сжатия компрессора происходит смешивание потоков хладона цепи инжекции и линии всасывания, в результате чего массовый расход пара увеличивается. Таким образом, происходит повышение давления конденсации с соответствующим повышением теплопроизводительности.
Отдельно стоит отметить компрессоры, имеющие порт впрыска пара и частотное регулирование. Управление частотой вращения компрессора позволяет контролировать количество хладона в цепи инжекции и еще значительнее повышать теплопроизводительность установки, однако увеличение частоты неизбежно ведет к повышению потребляемой мощности компрессора, что в итоге негативным образом сказывается на коэффициенте преобразования. Кроме этого, подобные компрессоры разработаны и используются только в кондиционерах Zubadan фирмы Mitsubishi Electric
Пример расчета для экспериментальной установки
В блоке 2 происходит задание типа компрессора и выбор хладона. После этого в блоке 3 происходит проверка наличия файлов с данными, соответствующими выбранному компрессору и хладону. Если файлов нет в наличии (блок 4), программа выполняет их поиск (блок 6). Если файлы не найдены, пользователю выдается сообщение и работа программы заканчивается. Если файлы найдены, в блоке 5 происходит формирование массивов данных для расчета. Блок 8 отвечает за ввод и инициализацию массивов, содержащих информацию об удельных характеристиках хладона, а также теплофизических свойствах на линии насыщения.
В блоке 9 производится ввод исходных данных для проведения поверочных расчетов теплообменных аппаратов. Здесь задаются площади поверхности конденсатора и испарителя, расходы воздуха, объемная производительность компрессора, приведенные коэффициенты теплоотдачи со стороны воздуха, степень перегрева и переохлаждения, относительная погрешность расчетов и т.д. Блок 10 отвечает за ввод предварительного значения коэффициента теплопередачи, отнесенного к внутренней поверхности аппарата, которое будет проверятся и уточнятся в процессе расчета. В блоке 11 задается начальная величина температурного напора между температурами конденсации хладона и наружной стенки трубы, а таюке расчетный шаг величины температурного напора. В блоке 12 происходит формирование массива значений температурного перепада согласно величинам, заданным в блоке 11.
Блок 13 отвечает за проверку правильности ввода исходных данных. Если ввод выполнен правильно, то в блоке 15 производится поверочный расчет конденсатора. В блоке 16 происходит проверка погрешности между заданной величиной температурного напора и расчетной. Если погрешность превышает заданные пределы, то в блоках 18, 19 производится перерасчет величины температурного напора и происходит возврат к блоку 11 и выбору нового начального значения. Если погрешность находится в заданных пределах, программа переходит к блоку 20, где производится проверка между предварительным значением коэффициента теплопередачи и расчетным. Если погрешность превышает пределы, заданные в блоке 9, то в блоках 22, 23 производится перерасчет коэффициента теплопередачи и выполняется возврат к блоку 10 и выбору нового предварительного значения.
В блоках 24-38 производится поверочный расчет испарителя аналогично поверочному расчету конденсатора. Блок 39 отвечает за ввод исходных для проведения расчетов по определению зависимостей между энергетическими показателями работы установки, а также погрешность определения температуры конденсации. В блоке 40 задается предварительное значение температуры конденсации, соответствующее температуре кипения -30С, а также расчетный шаг. В блоке 41 производится расчет температур конденсации при принятых температурах кипения, зависимость температуры наружного воздуха от температуры кипения, а также теплопроизводительность установки. Блок 42 отвечает за проверку погрешности между расчетной температурой конденсации и принятой. Если погрешность превышает заданные пределы, то в блоках 44, 45 выполняется перерасчет температуры конденсации и программа делает возврат к блоку 40 с целью выбора нового предварительного значения. Если погрешность находится в заданных пределах, то в блоке 46 выполняется вывод полученных данных. Кроме этого в этом блоке реализуется графическое отображение результатов, которое при необходимости можно сохранить на жесткий диск в формате « .bmp».
Разработанная программа была использована для расчета экспериментальной установки. Согласно п. 3.1 перед использованием программы был проведен расчет цшсла холодильной машины, выполнен конструктивный расчет и подбор компрессора и теплообменных аппаратов, а также определены коэффициенты теплоотдачи со стороны воздуха и коэффициенты теплопередачи испарителя и конденсатора. Эти данные являются исходными для расчета теплопроизводительности установки. В табл. 3.3 представлены результаты расчета цикла холодильной машины и подбора основного оборудования.
Тип хладона R407C Предлагаемая программа работает в диалоговом режиме и имеет три вкладки (рис. 3.6). В первой вкладке задаются исходные данные и принимаемые значения. Во второй вкладке отображаются справочные зависимости, выбор которых зависит от типа заданного компрессора и хладона. В третьей вкладке представлены результаты расчета в виде таблицы. Кроме этого имеется возможность графического отображения результатов расчетов.
Современные транспортные кондиционеры являются массивными и энергоемкими агрегатами. При проектировании реверсивных кондиционеров разработчики, в первую очередь, рассчитывают и подбирают оборудование, ориентированное на работу установки в режиме «охлаждение», а теплопроизводительность в режиме теплового насоса, и тем более ее зависимость от температуры наружного воздуха, в большинстве случаев, не оцениваются вообще. \. Разработана программа расчета характеристик реверсивного кондиционера, позволяющая при задании некоторых исходных данных
Сопоставление результатов экспериментального и теоретического исследования энергетических показателей работы экспериментальной установки
Для включения подрежима «вентиляция» СУ производит следующие операции: — включает приточный вентилятор на номинальную производительность; Подрежим «охлаждение». Условием включения подрежима «охлаждение» являются: — температура наружного воздуха tH -25С — температура воздуха в вагоне tc (t vniox + 2) С. Для включения компрессора СУ производит следующие операции: — включает приточный вентилятор на номинальную производительность; — включает осевые вентиляторы охлаждения конденсаторов. Регулированием холодопроизводительности является поддержание в помещении салона вагона заданной температуры воздуха на уровне t vmox4. Управление работой осевых вентиляторов осуществляется изменением частоты вращения двигателей осевых вентиляторов по сигналу от аналогового датчика высокого давления Рх.
При достижении Р1 8 бар осуществляется включение и пропорциональное регулирование частоты вращения двигателей осевых вентиляторов. При Рх 12 бар частота вращения двигателей вентиляторов максимальна. При i 8 Бар производится отключение двигателей вентиляторов. Подрежим «тепловой насос».
Работа кондиционера в подрежиме «тепловой насос» возможна только в автоматическом режиме. В подрежиме «тепловой насос» температура воздуха в салоне поддерживается на уровне tyvntHa, с возможностью изменения ±2С. Условия включения подрежима «тепловой насос»: - температура наружного воздуха - 2С tu 16С; - температура воздуха в вагоне tc (t}vmiia!- 2)С. Для включения компрессора СУ производит следующие операции: - включает приточный вентилятор на номинальную производительность; - включает осевые вентиляторы; - включает 4-х ходовой клапан. Управление цепью инжекции осуществляется входящим в состав опытного образца кондиционера контроллера по сигналу от датчиков температуры и давления. Условием включения цепи инжекции является tH 0С. Для включения цепи инжекции СУ производит следующие операции: - включает соленоидный вентиль. - включает электронный расширительный вентиль (ЭРВ). Управление цепью инжекции заключается в контроле перегрева после промежуточного теплообменника по сигналам от датчика температуры после промежуточного теплообменника tnnpov и датчика промежуточного давления Рпром. Кроме этого контроль может выполняться по сигналу от датчика температуры нагнетания tH,. При получении двух измеренных значений от датчика давления и датчика температуры контроллер рассчитывает действительный перегрев и сравнивает с заданным. Одновременно с этим контроллер отслеживает изменение tHl. При превышении /и, выше заданной дальнейшее управление ведется только по температуре нагнетания /щ путем открытия ЭРВ и увеличения впрыска хладона среднего давления. Подрежим «оттайка» Переход в подрежим «оттайка» возможен только при работе в режиме «тепловой насос» при следующих условиях: - по истечении времени т (х = 1 час) и tn 8С;
В табл. 4.7.-4.10. представлены результаты проведенных измерений энергетических показателей работы опытного образца установки, полученные в ходе испытаний, с выключенной цепью инжекции и с включенной цепью инжекции. Согласно алгоритму работы экспериментальной установки цепь инжекции включалась при температуре наружного воздуха Н 0С. Полученные данные были использованы для расчета фактической тегоіопроизводительности установки в зависимости от температуры наружного воздуха, а также суммарной потребляемой мощности реверсивного кондиционера.
Для оценки точности разработанной методики расчета теплопроизводительности реверсивного кондиционера в зависимости от температуры наружного воздуха проведем сравнительный анализ расчетов, выполненных с использованием разработанной программы, с результатами .натурного эксперимента. Используя данные таблицы 4.7 определим теплопроизводительность установки с выключенной цепью инжекции по формуле: где ср - удельная теплоемкость воздуха, Дж/кг К; се,конд - расход воздуха через конденсатор, кг/с. Аналогичным образом, используя результаты испытаний из табл. 4.9 определим теплопроизводительность установки с включенной цепью инжекции. На рис. 4.6 представлены сравнительные графики теплопроизводительности в зависимости от температуры наружного воздуха с выключенной цепью инжекции и с включенной цепью инжекции, полученные в результате численных расчетов и в ходе эксперимента. Как видно из представленных графиков расхождение в данных, полученных с помощью программы и в ходе эксперимента, в среднем составляет не более 7... 10%.
Общеизвестно, что применение реверсивных кондиционеров на пассажирских вагонах дает 30-50% экономии электроэнергии на цели отопления по сравнению с прямым электронагревом. В тоже время эксплуатация реверсивных кондиционеров сопряжена с затратами на модернизацию существующих кондиционеров, а также дополнительными расходами из-за увеличивающейся наработки холодильного оборудования, удорожания ремонта и сервисного обслуживания. Применение реверсивных кондиционеров с парожидкостной инжекцией обещает еще большую экономию электроэнергии, вызванную значительным расширением диапазона наружных температур применения указанного режима. Следовательно, окончательное решение о целесообразности использования данных кондиционеров должно приниматься по результатам технико-экономического анализа.
В качестве сравниваемых вариантов рассмотрим пассажирских вагон с обычной СКВ с электроотоплением от генератора или аккумуляторных батарей, пассажирский вагон, оборудованный обычным реверсивным кондиционером и пассажирских вагон, оборудованный реверсивным кондиционером с парожидкостной инжекцией. Для примера был выбран пригородный электропоезд ЭД4М, курсирующий между Санкт-Петербургом и Выборгом. Электропоезд оборудован двумя установками вентиляции и кондиционирования, установленными над тамбурами вагона, суммарной холодопроизводительностыо 36 кВт. Установки могут работать в режиме теплового насоса, кроме этого поезд оборудован системой электрокалориферного отопления. Электропоезд совершает два рейса в обоих направлениях ежедневно в течение года. Среднее время в пути составляет 2 часа 12 минут. Проведем анализ различных вариантов оснащения этого поезда [33].
Похожие диссертации на Повышение эффективности работы реверсивного кондиционера пассажирского вагона в отопительном периоде
-
-
-
-
