Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования
1.1. Современные тенденции совершенствования систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха пассажирских вагонов 10
1.2. Особенности эксплуатации систем отопления и вентиляции с учетом климатических условии России при пассажирских перевозках 22
1.3. Методы расчета параметров систем отопления и вентиляции пассажирских вагонов 25
1.4. Постановка задачи исследования 3 1
Глава 2. Натурное экспериментальное исследование температур и скоростей движения воздуха в пассажирских вагонах различных типов
2.1.Цель, задачи и методика эксперимента 33
2.2.Температурный режим в купейных и плацкартных вагонах в летний период 35
2.3. Температурпый режим в купейных и плацкартных вагонах в переходный и зимний периоды 40
2.4. Особенности движения воздуха в купе железнодорожного вагона 45
2.5. Выводы 48
Глава 3. Теоретические исследования скоростей движения воздуха в купе пассажирского вагона
3.1. Анализ известных теоретических методов исследования 49
3.2. Теоретическая постановка исследования 52
3.3. Предлагаемая методика расчета 56
3.4. Результаты расчетов скоростей движения воздуха в купе при различных способах его подачи 58
3.5. Выводы 62
Глава 4. Физическое моделирование и рекомендации по улучшению воздухообмена
4.1. Экспериментальная установка 63
4.2. Верхняя подача 64
4.3. Боковая подача 65
4.4. Комбинированная подача 67
4.5. Выводы 69
Глава 5. Анализ теплотехнических параметров элементов системы отопления пассажирского вагона
5.1. Сравнительный анализ теплотехнических характеристик оребрения различных типов труб систем отопления купейных вагонов 70
5.2. Рекомендации по изменению оребрения труб 79
5.3. Рекомендации но повышения эффективности теплосъема с оребренных поверхностей в служебном купе проводника 82
5.4. Технико - экономическое обоснование применения рекомендаций по поддержанию комфортной температуры воздуха в купе проводника 90
5.5. Выводы 100
Заключение 101
Список использованных источников
- Особенности эксплуатации систем отопления и вентиляции с учетом климатических условии России при пассажирских перевозках
- Температурпый режим в купейных и плацкартных вагонах в переходный и зимний периоды
- Результаты расчетов скоростей движения воздуха в купе при различных способах его подачи
- Верхняя подача
Введение к работе
Актуальность работы.
Совершенствование систем отопления, вентиляции и
кондиционирования воздуха, входящих в общую систему жизнеобеспечения пассажирских вагонов, является одним из перспективных направлений современных исследований в области модернизации подвижного состава железных дорог и повышения его комфортабельности. Обеспечение максимально комфортных условий для проезда пассажиров, позволяет создавать определенный имидж транспортной компании и повышает конкурентоспособность железнодорожного транспорта.
В настоящее время рядом исследований подтверждено предположение о влиянии температурного режима, влажности и скорости движения воздуха на состояние здоровья человека и его работоспособность (Berner A., Briganti А., Fanger P., Isiki В., Karakos Т., Медиков А.К., Шилькрот Е.О. и др.). В связи с этим многие ученые уделяют большое внимание вопросам разработки систем, обеспечивающих комфортные условия на транспорте (Бушуйкин Ю.Б., Карпис Е.Е., Китае в Б.Н., Сидоров 10.П., Jones W.P., Markus Т.А., Stokes R.W., Hoffman E., Rihter K., Broun J. и др.). Специалистами многих российских предприятий (ЗАО «Остров», ОАО «Лантеп», НПО «Экспресс», НПО «Наука», НПО «Рубин», ЗАО «Юником») и зарубежных фирм (Siemens, Mitsubisi, Bombardier Transportation, General Electric, Normalair Garret, Hagenuk Faiveley, AlstomLHB) постоянно ведутся исследования и разработки систем жизнеобеспечения для подвижного состава 'железных дорог. Особое внимание сосредоточено на исследованиях возможностей модернизации систем жизнеобеспечения для поездов скоростного и высокоскоростного движения: «ICE» в Германии, «TGV» во Франции, «Lirex» в Дании, «Talgo» в Испании, «Сокол-250», «Невский Экспресс» в России.
Как показывает опыт эксплуатации, при проектировании вагонов недостаточно учитываются скорость износа теплоизоляции в зависимости от
климатических условий эксплуатации вагона, снижение теплоотдачи системы отопления вследствие образования налетов ржавчины и запыления теплоотдающих поверхностей, ухудшение вентиляции из-за неправильной организации воздухообмена в вагоне, неправильного технического обслуживания или старения узлов системы вентиляции, невозможность создания индивидуальных условий комфортного проезда. Так же при конструировании систем отопления и вентиляции не всегда уделяется должного внимания удобству эксплуатации и проведения технического обслуживания.
В отличие от европейских стран на железных дорогах России более широко используется труд проводников вагонов. Однако, конструкторами вагонов не учтен ряд факторов, оказывающих влияние на температурный режим в купе проводника. Это близость тамбура, из которого при открытии дверей происходят подсосы холодного воздуха в зимнее время, положение купе при работе систем кондиционирования (первое по пути воздуха) и отопления (последнее по пути движения теплоносителя). Так же не учитываются продолжительность следования поезда и специфика работы поездной бригады.
Целью настоящей работы является научное обоснование и разработка технических решений, направленных на повышение эффективности функционирования систем отопления и вентиляции пассажирских вагонов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Проанализировать современные тенденции совершенствования систем отопления и вентиляции воздуха в пассажирских вагонах с учетом климатических условий РФ;
Экспериментально исследовать процессы формирования температурного режима и особенности движения воздуха в пассажирском вагоне в процессе эксплуатации.
Провести математическое моделирование скоростей движения воздуха в купе пассажирского вагона и изучить механизм его распространения из системы вентиляции в пассажирском купе при помощи физического эксперимента.
Сравнить теплотехнические характеристики различных типов оребрения, применяющихся в купейных вагонах.
Разработать рекомендации по повышению эффективности работы систем отопления и вентиляции и по улучшению температурного режима во время отопительного периода в служебном купе проводника.
Научная новизна исследования.
Разработана методика расчета движения воздушных потоков в купе пассажирского вагона, основанная на численных методах решения задач аэродинамики.
Получены поля скоростей двигающихся воздушных потоков при различных способах подачи вентиляционного воздуха.
Получены уточненные данные по формированию температурного поля воздуха в вагонах в процессе эксплуатации подвижного состава в летний, зимний и переходный периоды года.
Предложены новые способы формирования температурного режима в служебном купе проводника пассажирского вагона.
Практическая значимость исследования.
Предложена и экспериментально проверена более эффективная, по сравнению с использующейся в настоящее время, комбинированная подача вентиляционного воздуха через потолочный мультивент и веерную решетку.
Разработана компьютерная программа, позволяющая при заданных граничных условиях рассчитать и вывести графическую информацию, отображающую движение воздушных потоков в купе пассажирского вагона при различных способах подачи вентиляционного воздуха.
Разработаны рекомендации по улучшению конструкции элементов оребрения труб отопления купейного пассажирского вагона, с целью повышения эффективности отопительной системы.
Апробировано устройство, обеспечивающее локальную тепловентиляцию и позволяющее улучшить температурный режим в служебном купе проводника.
Реализация результатов работы.
Основные положения настоящего исследования: использованы для корректировки технического справочника автоматизированной системы управления парком вагонов линейного предприятия (АСУПВЛП); внесены в технологическую подготовку проведения работ и нормативно -техническую документацию группы надежности Дирекции дальних пассажирских перевозок «Транссервис» Октябрьской ж.д. филиала ОАО «РЖД»; включены в содержание обучения на курсах повышения квалификации начальников поездов и проводников пассажирских вагонов. Апробация работы.
Основное содержание работы, результаты исследования, выводы и рекомендации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Теплотехника и теплосиловые установки» ПГУПС в 2002 - 2005 гг., на научно - технических конференциях студентов, молодых специалистов и ученых «Неделя науки» в 2000 - 2002 г.г., на III и IV Международных научно - технических конференциях «Подвижной состав XXI века: идеи, требования проекты» в 2003 и 2005 г. Публикации.
Основное содержание работы опубликовано в 5 печатных работах. Структура и объем диссертации.
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных литературных источников и содержит 50 рисунков, 11 таблиц и 2 приложения.
Особенности эксплуатации систем отопления и вентиляции с учетом климатических условии России при пассажирских перевозках
Основной парк купейных и плацкартных вагонов, эксплуатируемых на железных дорогах РФ, представлен вагонами постройки ГДР. Вагоны оборудованы системами водяного комбинированного отопления и приточной вентиляции. На купейных вагонах серии 47 к/к дополнительно установлены системы низковольтного электрообогрева и установки охлаждения воздуха [48]. Сравнивая конструкцию кузовов вагонов, необходимо отметить, что разницу между кузовом купейного и плацкартного вагонов составляет не только конструктивное исполнение нижней части: в плацкартном вагоне используется одна продольная (хребтовая) балка, а в купейном две продольные балки по бокам, но и внутренняя планировка вагонов [40, 98]. Что, несомненно, необходимо учитывать при теплотехнических расчетах. Планировка имеет определенное влияние и на качество вентиляции воздуха [43,44].
Система вентиляции в купейном и плацкартном вагонах имеет некоторые отличия. Они заключаются в наличии на купейном вагоне канала рециркуляционного воздуха, в то время как на крыше плацкартного вагона над коридором в каждом купе установлены дефлекторы для удаления отработанного воздуха. В купейном вагоне дефлекторы установлены только над туалетами. Купейный вагон конструктивно создан в расчете на постоянное использование климатической системы. Плацкартные вагоны рассчитаны на естественную вентиляцию [40, 60, 116].
Описанные выше (раздел 1.1) системы отопления, вентиляции и охлаждения воздуха в салоне пассажирского вагона требуют специальной подготовки к эксплуатации, а также характеризуются своеобразием в использовании в разные периоды года.
В жаркий летний период для поддержания заданных параметров температуры в вагоне используется установка охлаждения воздуха. Специфика применения установок охлаждения на вагонах обусловлена их низкой теплоустойчивостью, малым объемом помещения, приходящимся на одного пассажира, и скоростью пересечения разных климатических зон [40].
Подготовка системы охлаждения к работе, заключается в проверке наличия хладагента в ресивере и включении за час до запуска тумблера на щите управления «подогрев масла» в картере компрессорного агрегата. «Холодный» запуск компрессора, как правило, ведет к его заклиниванию. Из-за высокой потребляемой мощности для предотвращения разрядки аккумуляторных батарей автоматика производит отключение системы на остановках и малых скоростях движения вагона, при неработающем генераторе. Вследствие этого, температурный режим в вагоне с установкой охлаждения напрямую связан со скоростью его движения.
При температуре наружного воздуха + 10 С и ниже производится консервация установок охлаждения и вводится в действие система отопления вагона для работы в зимнее время.
Обслуживать систему отопления должен специально обученный персонал, обладающий определенными техническими знаниями и практическими навыками. Неправильная эксплуатация системы отопления приводит к ее частичному или полному выходу из строя, вплоть до исключения вагона из эксплуатации.
Система вентиляции может работать в двух режимах зимнем и летнем, зимний режим работы применяется с началом отопительного сезона, во время которого система вентиляции должна обеспечивать подачу необходимого количества воздуха подогретого до температуры не ниже +20С, летний - во всех остальных случаях. Для обеспечения нормального воздухообмена система вентиляции должна быть правильно отрегулирована. Показателем неправильного воздухообмена является наличие в вагоне запотевших стекол. При высоких наружных температурах (более + 30С), применение принудительной вентиляции малоэффективно [40, 67, 77], и поэтому рекомендуется дополнительно открывать окна.
Таким образом, одной из существенных особенностей эксплуатации систем кондиционирования, вентиляции и отопления в вагоне является их ярко выраженный сезонный характер. Это не позволяет полноценно создавать комфортные условия для проезда пассажиров и работы обслуживающего персонала. Кроме того, в настоящее время, подавляющее большинство вагонов как купейных, так и плацкартных, эксплуатируемых на железных дорогах РФ, имеют возраст более 20 лет. Средняя величина эксплуатационного периода составляет 22 года, вследствие этого теплотехнические качества утеплителей понизились, образовались дополнительные пустоты между обшивками кузова, и как следствие усилилась инфильтрация воздуха через них. Необходимо принять к сведению, что работа ряда агрегатов напрямую зависит от скорости движения поезда и других факторов [126, 131], и то, что возможности эксплуатации отдельных элементов систем оказывающим влияние на микроклимат в вагоне, не соответствуют климатическим и погодным особенностям местности [1, 121] по которой движется вагон.
Температурпый режим в купейных и плацкартных вагонах в переходный и зимний периоды
По результатам эксперимента, полученным в переходный и зимний периоды, были составлены графики, отражающие наиболее характерные особенности формирования температурного режима в пассажирских вагонах открытого и закрытого типов.
На рис.2.5. приведены данные, позволяющие судить о состоянии температурного режима в плацкартном вагоне во время рейса "Санкт-Петербург - Одесса" в переходный период (конец сентября). График показывает, что средняя температура в плацкартном вагоне, как в дневное, так и в ночное время составляет в среднем 15 - 16С, и имеет не очень большие отклонения от температуры по боковым местам, в отличие от купейного вагона (рис.2.6. и 2.7.).
По сравнению с купейными вагонами отмечается некоторая неоднородность температурного режима: температура колеблется днем в пределах 14-17 С, а ночью - 12-16 С. Так же как и в летний период формирование температурного режима в плацкартном вагоне при определенном сходстве с другими типами вагонов имеет свои особенности.
Они обусловлены конструктивными особенностями плацкартного вагона, влияющими на характер циркуляции воздух в относительно замкнутом помещении купе с большим количеством людей, по сравнению со сквозным проходом в районе боковых мест; отсутствием установки низковольтного отопления; более плотной населенностью вагона; наличием подсосов воздуха через неплотности.
Появление неплотностей обусловлено применением в качестве термоизоляционного материала специального пенопласта - мипоры Основным его недостатком является высокая влагоемкость, в результате увлажнения и сушки мипоры в процессе эксплуатации происходит ее усадка и как следствие появление зазоров, через которые происходит инфильтрация наружного воздуха. Данные графика (рис. 2.6.) показывают особенности температурного режима в каждом купе и в коридоре купейного вагона.
Поскольку этот вагон не оснащен установкой низковольтного отопления, ночью производилось протапливание, что позволило поддержать температуру по купе в среднем 10-І8С, а в коридоре от 8 С - ночью, до 13-16С - днем. В среднем температура в вагоне такого типа днем в переходный период поддерживается в пределах 12 - 18С, а ночью (при периодическом протапливании) в пределах 12 - 15С в зависимости от величины временного интервала между протапливаниями. На уровень температуры существенным образом влияет также населенность вагона, которая в данном случае составляла 12%, и подсосы наружного воздуха через неплотности.
Несколько иные данные были получены при измерении температур в вагонах с установками низковольтного отопления (рис.2.7.). Из приведенных данных видно, что наличие системы электроподогрева в переходный период позволяет поддерживать температуру в вагоне днем 16-22 С, и 14-18 С Температура внутри купейного вагона с электроподогревом и установкой охлаждения воздуха в сентябре (днем tIIap=10-14C, ночью t„ap=l-3С).
Несколько ниже температура в коридорах (13-14С), что обусловлено, как правило, подсосами наружного воздуха по ходу поезда через неплотности ограждений кузова вагона (нарушение теплоизоляции, неплотности оконных и дверных проемов).
Установка охлаждения воздуха в этот период законсервирована. Система электроподогрева позволяет поддерживать достаточную температуру воздуха во время движения поезда, но на остановках она выключается автоматически, что не позволяет равномерно поддерживать температуру в вагоне в течение всего пути следования. На длительных остановках (более 20 мин) температура в вагоне снижалась на 3 - 4С.
Предложенные на графиках (рис. 2.6. и 2.7.), результаты замеров, сделанных на купейных вагонах, несмотря на различия полученных данных, позволяют определить некоторые общие тенденции в установлении температурного режима в салонах купейных железнодорожных вагонов осенью и весной.
Результаты расчетов скоростей движения воздуха в купе при различных способах его подачи
Дополнительно приняв допущение, что исследуемая жидкость невязкая, а её движение неравномерное (поскольку жидкость двигается по объёму с переменным сечением) и происходит без вращения частиц жидкости, т.е. является потенциальным, возможно существенно упростить уравнения и получить эффективное решение поставленной задачи. Таким образом, поскольку ранее принято допущение, что исследуемая жидкость несжимаемая, то уравнение (3.4) можно записать в виде: + L + = 0; (15) дх ду dz Потенциал скорости u(x,y,z) для исследуемого движения связан с вектором скорости соотношениями: ди ди ди (3.6) " =Т; " =7"; "--=Т; дх ду dz Из уравнения (3.5) с учетом соотношений (3.6) следует, что потенциал скорости течения воздуха удовлетворяет уравнению Лапласа: д2и д и д2и п —т + —г + —г = О дх2 ду2 dz2 (3.7) Таким образом, задача об отыскании поля скоростей потенциального течения сводиться к решению уравнения Лапласа (3.7) при заданных граничных условиях. Расчетная схема пассажирского куне представлена на рис.3.1.
Среднее сечение выбрано из условия симметрии. На рис.3.1. оно выделено заливкой. Учитывая относительно небольшие габаритные размеры помещения, но скорости и направлению движения воздуха в среднем сечении можно охарактеризовать степень его вентиляции в целом.
Для исследуемого потенциального течения, рассматриваемого в двухмерной постановке, принимались граничные условия 1 - го и 2 -го родов. Для верхней подачи вентиляционного воздуха (рис.3.2.) они имели вид:
При решении подобного рода задач обычно используют метод конечных разностей. Выбор данного метода объясняется относительной простотой математической идеи дискретизации дифференциального уравнения и возможностью реализации численного решения на персональном компьютере. Кроме того, но мнению исследователей, все конечно-разностные и конечно-элементные подходы можно рассматривать как варианты метода конечных областей, так как все эти методы оперируют конечным числом подобластей, на которые разбивается исходная пространственно-временная область [94, 134].
При разбивке исследуемого объекта сеточной областью принималось во внимание следующее: расчет производится в прямоугольных (декартовых) координатах с равномерным точек сетки дифференциальное уравнение (3.7) аппроксимируется разностным шагом сетки по осям ЛЛ = //, = И и, предусматривающим возможность задания различных, но одинаковых значений. При этом для внутренних уравнением вида [59] рис.3.3. Л, г/, + А2и2 + Ayiiy + AAu4 - AQiiQ = 0;
Таким образом, проделав операции замены производных в исходных уравнениях и составив разностные уравнения для каждой точки разностной сетки, получим систему алгебраических уравнений, число которых равно числу узлов сетки.
Предлагаемая методика расчета
Расчетная схема пассажирского купе представлена на рис. 3.2. Поставленная задача решалась методом улучшенных итераций. Блок-схема алгоритма решения задачи представлена на рис.3.4. При разбивке исследуемой области сеткой, принималось во внимание следующее: расчет производится в прямоугольных (декартовых) координатах с равномерным шагом сетки по осям hx =/;,=/? . В качестве исходных данных (рис.3.4.) в блоке 2 использовались геометрические размеры пассажирского купе, расчет количества точек по осям х и у в зависимости от введенных габаритных размеров, значения скоростей воздуха в точках нагнетания и вытяжки и первые приближения скоростей воздуха для формирования поля скоростей первой итерации. Перед началом работы программы следует так же указать величину Е, которая будет являться заданной точностью расчета.
Блоки 7 и 8 отвечают за вывод полученных данных. Блок 7 реализует графическое отображение результатов, которое при желании оператора можно сохранить на жесткий диск в формате « .bmp». Блок 8 записывает полученный массив значений в файл с расширением « .csv», который распознается программой MS Exel.
Верхняя подача
При переключении вентиляторов на скорость 0,4 м/с видимых изменений не происходило в течение 15 минут, и поэтому было принято решение в дальнейшем этот режим работы исключить из эксперимента.
Несмотря на более медленный нагрев воздуха, обслуживающий персонал, принимавший участие в эксперименте, уверенно отмечал, что наиболее подходящим для работы являются варианты расположения указанные на рис. 5.16.а. и 5.16.6., так как в этих случаях теплый воздух направлен в основном на ноги. Хотя для общего прогрева купе подходит и вариант согласно рис.5. Іб.в. Так же отмечалось, что работа тепловентиляторов более комфортна в работе и отдыхе, чем штатная установка низковольтного отопления.
При естественной конвекции тепловой поток отводимый с единицы поверхности ребра был равен 111,56 Вт/м" (см. 5.1.). Рассмотрим на примере (для скорости 1.9 м/с.) зависимость коэффициента теплоотдачи от изменения скорости движения воздуха, нагнетаемого вентиляторами: Число Рейнольдса: Rc = — = 13247 (5.20) Число Нуссельта: №/ = 0.055 Re0-75 Коэффициент теплоотдачи: ( Y"2 .У \h, ; 31.481 (5.21) -a = Nu Kal= 10.453 Вт/м2 С; (5.22) Характеристический параметр ребра: А/= 2 а /,= 1.501 (5.23) Коэффициент эффективности: 1hJ A=Q.m (5.24) Л л Поправочный коэффициент: = 1-0,058 //,,= 0.913 (5.25) Приведенный коэффициент теплоотдачи: апр =а і) г ї= 5.756 Вт/м2 С (5.26) Тепловой поток отводимый с единицы поверхности ребра: q=a, \ = 287.792 Вт/м2. (5.27)
Представленная таблица наглядно показывает, что с увеличением скорости движения воздуха обдувающего оребренпую поверхность происходит значительное увеличение теплового потока, отводимого с поверхности ребра.
В ходе настоящего исследования установлено, что купе для отдыха проводника имеет пониженную, по отношению к пассажирским купе, температуру воздуха. Этот факт обусловлен конструктивными решениями, как системы отопления, так и всего вагона в целом. Поддержапие комфортной температуры в служебном купе приводит к перегреву воздуха и неправильному распределению температурного поля по всему вагону, а также к повышенному расходу энергоносителей.
В настоящее время для нормализации температуры воздуха в купейных вагонах применяется дополнительное низковольтное электроотопление, с помощью ТЭНов установленных в защитном кожухе перед батареей отопления, а так же подогрев подаваемого в вагон воздуха с помощью водяного и (или) электрического калориферов установленных в воздуховодах системы вентиляции.
Однако, низковольтное электроотопление необходимо использовать совместно с системой вентиляции, поскольку использование ТЭМов приводит к эффекту «выжигания» кислорода из воздуха, что приводит к ухудшению самочувствия пассажиров и обслуживающего персонала. Так же не учитываются индивидуальные требования пассажиров, поскольку включается электроподогрев группами по 5 купе. Кроме этого использование одновременно трех источников нагрева увеличивает расход энергоносителей.
Научная новизна предлагаемых в проекте решений.
Среди многих способов решения проблемы, предлагаемая в нашем исследовании конструкция отличается простотой технического решения, отсутствием электронагревательных элементов «выжигающих» кислород из воздуха, малой потребляемой мощностью, не требует вмешательства в электрическую схему и систему отопления вагона, а так же не изменяет внутренний интерьер купе. Кроме этого предлагаемое устройство позволяет индивидуально выбирать направление и скорость конвекции воздуха, что позволяет индивидуально регулировать температуру воздуха в купе.
Обоснование необходимости проведення НИОКР.
На основании проведенных патентного поиска и исследования рынка сделан вывод, что в настоящее время аналогов предлагаемого устройства на рынке не существует. Показано отсутствие на внутреннем и внешнем рынках методов и технических средств для их реализации, сравнимых с предлагаемым.
Контингент покупателей, объём платёжеспособного спроса на первые два года.
Первый этап реализации проекта (3-ий квартал с момента начала реализации проекта) рассчитан на спрос, предъявляемый па конвектор на Октябрьской ж.д. Потребность в конвекторах воздуха оценивается как 2 прибора на каждый пассажирский вагон, исключая вагоны с местами для сидения.
Объём продаж на Октябрьской ж.д. в первые 8 кварталов с момента начала реализации (первые 4 квартала - выход на плановый уровень ежеквартальных продаж, следующие 4 квартала - осуществление продаж на плановом уровне) оценивается приблизительно в 1300 шт. Таким образом, суммарный объём продаж составит 1824 шт. Себестоимость одного изделия с учетом переменных затрат и постоянных издержек составляет 1252 руб.
