629 46	Левенталь Л.Я уч 6
^35	Энергетика рефрижератор
di .?пь2«	пыхи пассажирских Г°К
111111111111111111111111111111111111111111111
1SSP
Министерство путей сообщения Российской Федерации Московский государственный университет путей сообщения (МНИТ)
А ЗГ
Кафедра теплоэнергетики железнодорожного транспорта
Л.Я ЛЕВЕНТАЛЬ, А В КОСТИН
ЭНЕРГЕТИКА
РЕФРИЖЕРАТОРНЫХ И ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ
Учебное пособие для студентов специальности "Промышленная теплоэнергетика'
УЧЕБНА?!
БИБЛИОТЕКА
МНИТ Л ;
Мо< ча
УДК 621.311.629 45:629.463.125
-3-
ВВЕДЕНИЕ
Л:35
Левенталь Л.Я , Костин А В. Энергетика рефрижераторных и пассажирских вагонов Учебное пособие - М : МНИТ, 1998. - 91 с.
Представлено краткое учебное пособие по дисциплине "Энергетика рефрижераторных поездов и пассажирских вагонов", соответствующее примерной программе и учебному плану для специальности 1007.00 "Промышленная теплоэнергетика", специализация 1007 14 "Теплоэнергетика железнодорожного транспорта".
Рассмотрены вопросы назначения и состояния парка рефрижераторных и пассажирских вагонов, их классификация, перспектива и направления развития Сформулированы основные признаки вагона как энергетической системы, приведены соотношения, определяющие тепловлажностный баланс рефрижераторного и пассажирского вагона.
Освещены способы энергоснабжения рефрижераторного и пассажирского подвижного состава Приведены характеристики энергохолодильного оборудования рефрижераторных вагонов, конструктивные и теплотехнические характеристики систем жизнеобеспечения пассажирских вагонов Изложены основные методы теплотехнического расчета показателей работы энергохолодильного оборудования и систем жизнеобеспечения.
Рассмотрены базовые положения теплопередачи через ограждения кузова вагонов, связанные с конструкцией ограждений, теплоизоляционными материалами, применяемыми в вагоностроении, теплоустойчивостью ограждений Приведены методы расчета коэффициентов теплопередачи, освещена технология контроля теплотехнического состояния вагонов
Библиография - 5 назв
Пособие написали:
канд техн.наук, профессор Л.Я.Левенталь - введение; гл.1,2;
канд техн.наук, доцент А В Костин - введение, гл.3,4
Рефрижераторный подвижной состав железнодорожного транспорта служит для перевозки скоропортящихся грузов; пассажирский - обеспечивает перевозку пассажиров в магистральном, межобластном и пригородном сообщении
Рефрижераторный подвижной состав (РПС) представляет собой один из вариантов холодильного транспорта (хладотранспорта); он может быть выполнен в виде многовагонных поездов и секций, а также автономных вагонов, имеющих общую или индивидуальную для каждого грузового вагона энергетическую установку и источник получения искусственного холода - холодильную машину Так как перевозка скоропортящихся грузов - круглогодичный процесс, то энергетика РПС, кроме охлаждения груза в летнее время, предусматривает его обогрев зимой, а также принудительную вентиляцию, обеспечивающую циркуляцию воздуха в грузовом помещении.
В зависимости от числа грузовых вагонов, составляющих хладотранспортную единицу, РПС подразделяют на групповой и автономный К групповому относят многовагонные поезда и все виды секций; автономный РПС составляют одиночные автономные рефрижераторные вагоны (АРВ), которые могут работать в качестве самостоятельной единицы с обслуживающим персоналом или без него. По назначению РПС делят на универсальный и специальный Группа универсального подвижного состава включает все типы рефрижераторов (поезда, секции, АРВ), которые используются для перевозок широкой номенклатуры грузов. Группа специального РПС включает отдельные типы, предназначенные для перевозки грузов узкой номенклатуры, либо грузов строго определенного наименования, например, виноградного вина, живой рыбы и т.п.
К началу 90-х годов соотношение различных типов РПС, эксплуатируемого на сети железных дорог страны, составляло в общем парке рефрижераторных вагонов: 12-вагонные секции - 4%, 5-вагонные секции производства завода в г Дессау (бывшая ГДР) - 14,7%, 5-вагонные секции оте-
чественного производства - 63,3%, АРВ - 18% По данным техникоэкономических исследований перспективный парк РПС на 65% должен состоять из АРВ и на 35% из группового подвижного состава В последнем предпочтение отдается 5-вагонным секциям
Энергетическая установка РПС состоит из силовой части (теплового
двигателя) и нагрузки (электрического генератора переменного тока). Ос-
Рецензенты: заместитель директора ВНИИЖТа канд техн, наук В И Панферов, доцент кафедры "Вагоны и вагонное хозяйство" МИИТа канд техн, наук Г.И Петров
© Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), 1998
-4-
новные требования к тепловым двигателям как первичным источникам энергии топливная экономичность, надежность, простота и технологичность конструкции, обслуживания и ремонта. Этим требованиям в настоящее время в наибольшей степени отвечают четырехтактные дизели
В качестве источника искусственного холода в современном РПС используют установки машинного охлаждения с фреоновыми компрессорными машинами. Несмотря на конструктивное совершенство, энергетическую эффективность и хорошие эксплуатационные показатели таких машин, идет интенсивный поиск новых решений в области холодильной техники для установок РПС, включающий разработку и использование более эффективных и экологически чистых хладагентов, а также создание машин принципиально новых типов
Энерго- и холодоснабжение рефрижераторных вагонов может быть централизованным или индивидуальным В групповом РПС используют централизованное энергоснабжение всех потребителей от дизель-генераторных установок, которые размещают в специальных вагонах-электростанциях поездов или в дизельных отделениях служебнотехнических вагонов секций
Холодоснабжение поездов и 12-вагонных секций централизованное Установки с аммиачными холодильными машинами размещены в специальном машинном отделении Передачу холода в грузовые вагоны осуществляют с помощью холодоносителя - рассола (раствор хлористого кальция) Централизованное энерго- и холодоснабжение позволяет максималь но концентрировать энергохолодильное оборудование в специальных ва гонах, что способствует лучшему его обслуживанию, и сокращает потери хладагента Вместе с тем рассольная система передачи холода ухудшае! условия теплообмена между хладагентом и перевозимым грузом, а также не обеспечивает равномерное распределение температуры как по длине состава, так и по грузовому помещению вагона, что снижает эффектив ность всей рефрижераторной системы.
Холодоснабжение 5-вагонных секций индивидуальное Каждый грузе вой вагон такой секции имеет установку искусственного холода с фреоно выми холодильными машинами, размещенными в машинном отделении Е качестве холодоносителя используют воздух, подаваемый в грузовое по мешение вагона
АРВ имеет индивидуальное энерго- и холодоснабжение от дизель генераторных установок и фреоновых холодильных машин, установлен ных в машинных отделениях вагона, которые расположены в его торцах.
-5-
Пассажирский подвижной состав (111IC) магистрального сообщения (дальнего следования) в большинстве случаев комплектуется спальными вагонами купейного и некупейного типа. Для межобластного и пригородного сообщения используют вагоны салонного типа с местами для сидения Энергетика ППС обеспечивает питание агрегатов системы жизнеобеспечения пассажирских вагонов и их освещение. Конструктивно она может быть выполнена в виде отдельных систем отопления, вентилирования или охлаждения пассажирского помещения, а также в виде многофункциональной системы кондиционирования воздуха.
Энергоснабжение пассажирских вагонов, как и грузовых вагонов РПС может быть централизованным либо индивидуальным При централизованном энергоснабжении питание потребителей осуществляется от дизель-генераторной установки тепловоза или специального дизель-генератора, размещенного в одном из вагонов пассажирского поезда, а также через преобразовательно-распределительное устройство от контактного провода на электрифицированных железных дорогах Индивидуальное энергоснабжение пассажирских вагонов осуществляют подвагонные электрические генераторы с приводом их от колесной пары вагона и аккумуляторные батареи.
-6-
ГЛАВА1 РЕФРИЖЕРАТОРНЫЙ И ПАССАЖИРСКИЙ ВАГОН КАК ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Энергетической системой называют совокупность элементов, объединенных для выполнения определенной функциональной задачи Для рефрижераторных вагонов такой задачей служит обеспечение требуемых условий сохранности при перевозке скоропортящихся грузов, для пассажирских - комфорта при перевозке людей Основные элементы энергетической системы вагонов:
•	источники энергоснабжения (источники питания);
•	агрегаты холодо- или теплоснабжения (потребители энергии).
•	устройства воздухообмена грузовых или пассажирских помещений,
•	пассивная защита границ грузовых или пассажирских помещений за счет теплоизолирующих свойств кузова вагона и его герметичности
-7-
отводимая от груза и тары при их охлаждении в процессе перевозки), Q? -теплоприток от работающего оборудования, размещенного в вагоне
Определим отдельные составляющие уравнения теплового баланса рефрижераторного и пассажирского вагона
Рефрижераторный вагон
Q,=KF.(tH-t.)	(1.2)
где К - расчетный коэффициент теплопередачи кузова вагона, Вт/(м2К), F, - расчетная среднегеометрическая поверхность кузова, м2, t„ - расчетная температура наружного воздуха, °C, t, - температура воздуха внутри вагона, °C (принимается в зависимости от вида перевозимого груза - низкотемпературный груз или неохлажденные плоды и овощи)
Q2=S'*Qi	(1.3)
Особенности системы - наличие взаимной связи энергетических и теп-
ловлажностных потоков между отдельными элементами и их влияние на~ где “Ф ' коэффициент фильтрации, для рефрижераторных вагонов ='ф технико-экономические показатели работы системы в целом	- >	15-
Функционирование энергетической системы вагонов осуществляется ПРИ точных расчетах тепловой поток от фильтрации рассчитывают по поддержанием в них определенного баланса внешних и внутренних пото-количествУ фильтрационного воздуха и разности энтальпий наружного ков теплоты и влаги. Общее выражение уравнения теплового баланса реф В03дУха и воздуха внутри вагона с учетом конструкции кузова, его возрас-рижераторного и пассажирского вагона как энергетической системыта и скорости движения вагона.
IQi=0. С учетом направления тепловых потоков (теплоприток или тепло отвод) ур а в н ен ие теплового баланса вагона можеп	Qa = KF’. (tM-t.)Tp/24	(1.4)
быть представлено в виде
где г в - среднегеометрическая поверхность кузова вагона, подвергаю-IQol + IQil + IQal + Qa + IQ«I + Qs + Qs + Q? = 0	(1 D щаяся солнечному облучению, м2, F’b=(0,34-0,4)Fb; tM - максимальная
температура наружной поверхности кузова, t. = 50°С, т„ - продолжи-
Здесь Qo - поток теплоты или холода, необходимый для компенсаци,гельность солнечного облучения в течение суток ,тр =(12-16) ч утечек теплоты из вагона или теплопритоков в него; Q( - тепловой пото> через ограждения кузова под воздействием разности температур внутр:	Q. = G„ (hH-h.) = GH lcp(t„-t.) + r (d„-d.)|	(1.5)
вагона и снаружи него; Qj - тепловой поток от фильтрации воздуха чере неплотности кузова, Q3 - теплоприток через ограждения кузова под воздей где GH - поступление наружного воздуха в вагон, кг/с; h,„ h, - удельная ствием солнечной радиации; Q. - тепловой поток с наружным воздухо',нта-зьпия воздуха при температуре наружного воздуха и воздуха внутри при вентилировании грузового или пассажирского помещения, Q, - биололагона, Дж/кг; ср - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давле-гическое тепловыделение неохлажденного груза (плодов и овощей) в реф”|и, Дж/(кгК); г - теплота конденсации водяных паров, Дж/кг; d„, d, - аб-рижераторном вагоне и людей в пассажирском вагоне; Q6 - тепловой потой°лютная влажность наружного воздуха и воздуха внутри вагона, кг/кг от груза и тары при перевозке неохлажденных плодов и овощей (теплота
-9-
Поступление наружного воздуха в вагон определяют с учетом требова- Решение уравнения теплового баланса ZQ,= 0 позволяет найти величи-ний по величине кратности вентилирования грузового помещения, те по- ну Qo|, которая определяет энергетические показатели работы холодильно-казателю обновления воздуха в объеме грузового помещения в течение су- отопительной установки рефрижераторного вагона - холодопроизводитель-ток	ность холодильной машины или мощность агрегатов отопления При этом
расчетная холодопроизводительность машины
Qs = m,qr ех”	О -6)
Q,p.e4=Qo24/t^4	(] 9)
где mr - масса груза нетто, кг; qr - удельная биологическая теплота, вы-
деляемая грузом при температуре 0°С, Вт/кг; х " температурный коэффи- где - число часов эффективной работы холодильной машины в су-циент, 1/°С.	тки (обычно = 22ч), связанное с необходимостью периодического вы-
Дпя широкой номенклатуры плодов и овощей значения удельной биоло- ключения машины - ее оттаивания для снятия с наружной поверхности гической теплоты и температурного коэффициента лежат в пределах qr = воздухоохладителей «снеговой шубы» (последнее вызывает дополнительно! 1-ьО,045) Вт/кг; х ~ (0,06.0,13) 1/°С.	ные тепловыделения в рефрижераторном вагоне).
Пассажирский вагон
ЗАПЛ1	(1 7) Составляющие уравнения теплового баланса Qi, Q2 и Q4 с учетом сани-
Q, = (nirC, + mTcT)(tг	_
6	тарно-гигиенических норм и требовании по температуре воздуха внутри
пассажирского вагона - t, определяют по формулам, принятым для рефри-мясса гоуза и тары кг с. с,- удельная теплоемкость груза и жераторных вагонов, те. по (1.2), (1.3); (1.5).
ГДеп "/Гн! t t ” начальная и ’конечная температура груза в про- Значения коэффициента фильтрации при расчете Q, для пассажирских ТГ; еТГохлаждения °C - длительность охлаждения груза, ч (при пе вагонов принимают равным =ф”= 0,25.0,30. Поступление наружного воз-цессе его охлаждспи , v , охл_	духа в вагон qh должно соответствовать числу пассажиров в вагоне - п,
ревозке плодов и овощей тохл-	гпрпыай ппотно-санитарно-гигиенической норме наружного воздуха на одного пассажира -
„X! г-”=.. — р.
гона V_ ь? - mr=0,85prV_ массу тары принимают равной 15% массы	G	(1 10)
груза с тарой
О =105N Et /24	(1 8) 'Для пРиближенного расчета величины Q3 используют формулу (1.4)
При точных расчетах радиационную составляющую теплового баланса где N - мощность электродвигателей вентиляторов. обеспечиваюших°"Рад“’ют п0 интенсивности прямой и рассеянной солнечной радиации эффективной раооты вентилятор у v и и	поверхностей ограждения кузова (крыши вагона боковых и тлпиевы» той
„„.о. и «.««ей	Н-коаффнинеит,	=™^a| Допо1ли^„о p^JXZS^
ягрегатов вентиляционной установки, в той еп>о|» когдаяд..театр	радиацин напрамен(,ой на окна р	способно.
ли вентиляторов установлены в грузовом помещении вагона _	,	3“:ти нар^ного и внутреннего остекления
его пределами (в машинном отделении) - =”=0,8-0,9.	Биологическое тепловыделение в пассажирском вагоне Q5=q„n пред-
ставляет собой теплоту, выделяемую пассажирами конвекцией и излучени-
-10-
ем, а также при испарении влаги с поверхности тела Для одного нормально одетого взрослого человека, находящегося в сидячем положении, удельное биологическое тепловыделение в среднем оценивают величиной q„ 116 Вт/чел
Теплоприток от рабочего оборудования, размещенного в пассажирском вагоне,
Q~-	"* Q«n + Qicnfl
(Hl)
где QMe4 - тепловыделения механического оборудования и его приводных электродвигателей. (}„, - тепловыделения приборов освещения; Q,elu • тепловыделения теплового оборудования
Решение уравнения теплового баланса (1.1) позволяет определить количество теплоты Qo, которое должно быть подведено агрегатами системы жизнеобеспечения в пассажирский вагон в режиме отопления (Qo>O) или отведено из него в режиме охлаждения (Qo<O); режим вентиляции пассажирского вагона соответствует Qo=0.
Вмжностный баланс грузового или пассажирского помещения вагона может быть представлен в виде
= Gjho., + ДСф„л + AG„,„	(112)
где G„, - влажностная нагрузка вагона; Gjllon - биологическое выделение влаги перевозимым грузом или людьми; AG$,t1 - поступление влаги в вагон при фильтрации наружного воздуха через неплотности кузова, AGKHr • поступление влаги в грузовое или пассажирское помещение с вентиляционным воздухом
При определении составляющих влажностного баланса рефрижераторного вагона выделение влаги (кг/ч) в результате жизнедеятельности неох лажденных плодов и овощей при их перевозке при пониженной темпера туре рассчитывают по формуле
G’6uo., = cm,q,	(1 13)
где с - коэффициент пропорциональности, зависящий от температуры [i диапазоне температур от -1 до+4 "С его величина составляет 550-601 кг/(Вт ч)]
Выделение влаги людьми в пассажирском вагоне (кг/ч)
-11-
G 6НОЛ ng
(1.14)
где g - количество влаги, выделяемой одним человеком [в интервале температур воздуха в вагоне +20<-+40°С определяется по эмпирической формуле g = 0,0076t, - 0,12 (кг/челч)].
Поступление влаги в рефрижераторный или пассажирский вагон при фильтрации наружного воздуха (кг/ч)
AG^, = G+(dH-d.)	(115)
Количество воздуха, поступающего в вагон в результате фильтрации Оф, кг/ч зависит от конструкции кузова вагона, его возраста и скорости движения. Для новых рефрижераторных вагонов конструкции типа «сэндвич» при скорости движения 60 км/ч эта величина составляет 3,5 кг/ч, для облегченных стальных конструкций - 14 кг/ч. Для пассажирских вагонов поступление фильтрационного воздуха сопоставимо с расходом воздуха через вентиляционную систему.
Количество влаги, поступающее в рефрижераторный или пассажирский вагон с вентиляционным воздухом,
AG^, = 3600G„(d„ - d.)	(1.16)
Показатели влажностного баланса позволяют определить влажностную нагрузку вагона и при необходимости принять решение об увлажнении или осушении воздуха, подаваемого в вагон
-13-четырехтактном дизеле с естественным наполнением через впускные клапаны, управляемые механизмом газораспределения, в цилиндр поступает атмосферный воздух. Сжимаемый поршнем он нагревается до температуры 500-600 °C, превышающей температуру воспламенения горючей смеси, которая образуется при впрыске в цилиндр в конце процесса сжатия мелкораспыленного топлива. Момент впрыска зависит от характеристик топлива, в частности от его цетанового числа, качества распиливания, типа камеры сгорания и др В результате процесса горения в цилиндре образуются газообразные продукты сгорания с высокой температурой (до 2000 °C) и давлением до 10 МПа Расширяясь, они заставляют поршень перемещаться от «верхней» мертвой точки к «нижней» Кривошипно-шатунный механизм двигателя преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращение вала, передавая вращательный момент, а следовательно, и эффективную мощность потребителю нагрузки, в частности генератору электрического тока В дизелях с наддувом в цилиндр поступает воздух, предварительно сжатый в нагнетателе. Привод последнего осуществляют либо от вала двигателя, либо от турбины, работающей на газах, выходящих из цилиндра (газотурбинный наддув)
Дизели РПС представляют собой многоцилиндровые конструкции, в которых шатунно-поршневые группы отдельных цилиндров связаны общим коленчатым валом Основные энергетические показатели работы дизеля эффективная мощность, вращающий момент на валу, абсолютный КПД по эффективной мощности (эффективный КПД), либо удельный эффективный расход топлива
Эффективная мощность, те. мощность на валу двигателя
Nc = Е (p,V,)knr|Mex =p,Vlzknr|u„ = Скрл,	(2. 2)
-12-ГЛАВА 2. ЭНЕРГЕТИКА РЕФРИЖЕРАТОРНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
2.1. Энергосиловые установки
Энергосиловые (дизель-генераторные) установки РПС состоят из сило вой части - теплового двигателя и нагрузки - электрического генератор; переменного тока. В качестве теплового двигателя в современном РПС используют четырехтактные дизели, которые представляют собой поршневы; двигатели внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием и вое-пламенением горючей смеси от сжатия, работающие преимущественно н; тяжелом жидком топливе по термодинамическому циклу со смешанных подводом теплоты Рабочий цикл такого двигателя, т е. совокупность ре альных процессов, обеспечивающих преобразование термохимическо; энергии топлива в механическую работу, проходит в цилиндрической камере, образованной стенками цилиндра, его головкой (крышкой) и пере мещающемся в цилиндре поршнем.
Основным параметром поршневого двигателя, определяющим как геометрию цилиндра, так и эффективность термодинамического цикла, служит степень сжатия
в = VJVc = (Vc+V,)/Vc = l+(VyVc)	(2.1)
где V„ - полный объем цилиндра, т е максимальный объем пространст ва над поршнем в его крайнем «нижнем» положении в цилиндре; Vc - объ ем камеры сжатия (камеры сгорания), т е. минимальный объем простран ства над поршнем в его крайнем «верхнем» положении в цилиндре; V,
объем, описываемый днищем поршня при его перемещении от одногс крайнего положения к другому (от одной мертвой точки до другой) - ра бочий объем цилиндра; обычно его выражают в литрах (дм3) и называю'1 литражом
Средние значения степени сжатия современных дизелей е этом минимальную величину s выбирают из условия надежного самовос^ пламенения дизельного топлива, а максимальную - по допустимым проч ностным нагрузкам на детали рабочего механизма.	;
В четырехтактных двигателях рабочий цикл осуществляется за 4 ход;( поршня, что соответствует двум оборотам коленчатого вала При этом так том считают часть рабочего цикла, приходящуюся на один ход поршня В
где pi- среднее индикаторное давление цикла, т е. работа, реализуемая в цилиндре двигателя за один цикл, отнесенная к рабочему объему цилиндра, z - число цилиндров многоцилиндрового двигателя; к - коэффициент = 14-16 Пг>ТаКТН0СТИ’ пРедставляюши” собой отношение числа циклов в единицу времени к числу оборотов за это же время (для 4-тактных двигателей k=l/2); п - частота вращения коленчатого вала двигателя; т|^х -механический КПД, учитывающий потери от трения во всех элементах рабочего механизма, мощность привода вспомогательных агрегатов, мощность насосных потерь; рв=р;Т|мвх- среднее эффективное давление, представ-
. Основные направления повышения технико-экономической эффектив-ляюшее собой работу на валу двигателя, отнесенную к единице рабочего^ современных дизелей связаны е совершенствованием рабочего прообъема его цилиндров, С„ - постоянная мощности конкретного двигателя цесса и конструкции для достижения максимальных показателей исполь-Вращающии момент на валу	зования теплоты сгорания топлива с целью снижения его удельного расхо-
да Существенную роль в этом процессе играет утилизация энергии отра-М„ = N> =N,/(27m) = Стрг,	(2 3) ботавших газов в системе газотурбинного наддува, совершенствование
систем воздухоснабжения, оптимизация процессов смесеобразования и
где со - угловая скорость вращения вала; Сш - постоянная врашаюшепсгорания, снижение механических потерь
момента конкретного двигателя
Эффективный КПД двигателя
По = fV Q„,M = 3600NлB4Qp"),	(2 4)
где Qrem - тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива; В часовой расход топлива. Qp"- низшая рабочая теплота сгорания топлив (для дизельного топлива QPH= 42000-43000 кДж/кг).
Удельный эффективный расход топлива
Ьс =B./N. =3600/ (Qp"n<)	(2.5)
Особое место в улучшении показателей работы двигателей занимает оптимизация условий эксплуатации, которая заключается в приближении режимов работы дизеля к расчетным, соответствующим минимальному удельному расходу топлива. Это направление обычно увязывают с обеспечением рационального уровня установленной мощности дизеля, резервируемой исходя из требований надежной работы оборудования и долговечности двигателя
Дизели РПС работают в составе главных и вспомогательных дизель-генераторных установок. Главные установки обеспечивают питание электрических двигателей холодильных машин и основные энергетические нужды рефрижераторных вагонов, вспомогательные покрывают собственные нужды дизель-генераторной установки и вагонов, а при высоких тем-
пературах наружного воздуха могут принимать на себя часть основной на-
Технико-экономическое и конструктивное совершенство двигателей отгрузки Г1рИ отсутствии на некоторых типах РПС вспомогательных дизель-ражают удельные показатели, отнесенные к номинальной эффективногенераторных установок все нужды вагона обеспечивают главные мощности Nelt, тек мощности, гарантированной заводом-изготовителе» Совокупность показателей работы двигателя, отражающая его состоя-при определенных условиях работы	ние в эксплуатации, называют рабочим режимом. Если за время
• литровая мощность Nv = Nel/V„, характеризующая использсрабочего режима параметры двигателя остаются неизменными, то такой
вание рабочего объема двигателя;	эежим называют установившимся. Различают следующие харак-
габаритная мощность Nr =Nol/Vr, где Vr - габаритный объечгеРнь|е рабочие режимы дизелей, номинальную нагрузку, временную пе-т.е. объем параллелепипеда, грани которого касаются крайних точек наэегРУзкУ’ частичную нагрузку, холостой ход. Режим номинальной нагруз-ружной поверхности двигателя;	ки’ соответствующий расчетной мощности дизеля, отвечает наилучшей
масса пк = М.Ж„, где Мд - масса незаправленно^0"04"™0"" " являетс* основным эксплуатационным режимом Работа дизелем HI1C с перегрузкой (не более чем на 10% номинальной мощности)
.. г,,	должна превышать 10% общего времени эксплуатации под нагрузкой и
м а с с а лк = характеризующая конструктивно	, т	н	и
ограничена 1 часом. Также ограничена по времени работа на холостом хо-
совершенство двигателя.	особенно при прогреве
Значения эффективного КПД современных четырехтактных дизелей дл Каждый рабочий режим	сочетанием мощностных и
номинального режима работы составляют 0,35-0,40 Удельные показатеЧкоростных параметров. В качестве мощностных (нагрузочных) парамет-для дизелей РПС находятся в пределах литровая мощность 8,9-11 Дов для двигателей внутреннего сгорания используют эффективную мощ-кВт/дм3 для дизелей с наддувом и 4,5-6,0 кВт/дм’ для дизелей с естестве>чость, среднее эффективное давление или вращающий момент; скоростным наполнением цилиндров, литровая масса от 100 до 18 кг/дм (большгеым параметром служит частота вращения вала Взаимную связь показате-значения относятся к двигателям с наддувом)
двигателя.
-16'	-17-
лей работы двигателя во время эксплуатации называют характер 11 .аводом_изготовителем при работе на номинальной частоте вращения вала стикой Мощностная (нагрузочная) характеристик г)есколько Превышает экономическую. Для дизелей РПС соотношение ме-предстввляет собой зависимость часового и удельного расхода топлив» ц „ составляет 0,85-0,90 Холостым ходом называют (В.,; Ь„), эффективного и механического КПД (Пе.Пхсх), коэффициента >)ежим работы при отсутствии нагрузки Отношение часового расхода топ-бытка воздуха (а), показателей токсичности двигателя и г д от эффектив1ива на холостом ходу к расходу при номинальной мощности - коэф-ной мощности Nc или среднего эффективного давления (рс) при постоян| ициент ХОлос’того хода, для дизелей РПС он составляет 0,17-ной частоте вращения вала двигателя (n-const)	1,20. На количественные показатели и протекание зависимости bc = AN )
Скоростные характеристики представляют зависимосплняют цикловые и конструктивные показатели двигателя: степень сжатия эффективной мощности двигателя, удельного расхода топлива и т.д. слип СГОраниЯ1 способ смесеобразования, частота вращения вала и" частоты вращения вала при различных, но неизменных для каждой харак ад других Наиболее благоприятной считается такая зависимость, которая теристики положения органа, управляющего подачей топлива Скоростна^пИ1ает „ладному и незначительному изменению удельного расхода топ-характеристика, отвечающая максимальной подаче топлива, называетс!ива в зоне характерных режимов эксплуатации двигателя.
внешней Дизели РПС, обеспечивающие привод электрических генера Совместная работа двигателя и нагрузки (в частности электрического торов переменного тока практически при неизменной частоте вращен1’.ьнератора) путем подбора их характеристик должна обеспечить макси-вала, работают по мощностной характеристике	,альную устойчивость при переходе от одного нагрузочного режима к
Типичная мощностная характеристика четырехтактного дизеля с eciepyr0My в дизелях переход на новый режим осуществляется изменением одачи топлива в цилиндры путем воздействия на рейку топливного насо-3 Для этого двигатель, работающий совместно с генератором, оборудуют ггулятором,^ сблокированным с системой питания дизеля и поддержи-зющим требуемый скоростной режим вала Совершенство регулятора
ственны.м наполнением цилиндров приведена на рис 2.1.
Рис 2.1
(Hnwt " Пгто)/ П,
(2.6)
где n„. nmts, nm,„ - соответственно номинальная, максимальная и мини-альная частота вращения вала
В дизелях РПС используют центробежные регуляторы частоты враще-1Я следующих типов;
однорежимные, поддерживающие только номинальную частоту вращения;	•	1 г
двухрежимные, поддерживающие номинальный скоростной режим и минимально устойчивую частоту вращения на холостом ходу, всережимые, обеспечивающие поддержание любой частоты вращения во всем диапазоне рабочих нагрузок, ограничение максимальной частоты, поддержание минимально устойчивой частоты холостого хода ’ установку частоты, требуемой для синхронизации при включении ди-
в пар“работ* с —
Расчетную эффективную мощность, при которой во время эксплуата ции двигателя обеспечивается минимальный удельный расход топлив (максимальный эффективный КПД) называют экономической Номинальная эффективная мощность, гарантируема»
-18-
Все регуляторы прямодействующие: усилие, необходимое для перем; щения рейки топливного насоса при изменении режима работы (перестановочную силу), обеспечивает сам регулятор Степень неравномерное^ регулирования не превышает 5-7%
Расчетное определение расхода топлива дизель-генераторными уст; новками на измеритель работы - груженый рейс, характеризующего тог дивную экономичность РПС, может быть выполнено по мощностной хг рактеристике дизеля с использованием расчетных или статистических дав ных по показателям длительности нагрузочных режимов и режимов хол< ' стого хода за время, соответствующее измерителю работы.
Расход топлива дизелем в кг за время груженого рейса (без учета неущ тановившихся режимов работы)
-19-
включения или выключения агрегатов холодильного или отопительного ‘оборудования в момент достижения заданной температуры При этом в период включения агрегатов дизель работает с максимальной нагрузкой В период выключения дизели могут быть остановлены, либо могут работать на холостом ходу или частичных нагрузочных режимах, соответствующих реализации требуемой мощности вспомогательного оборудования
Показатели работы на холостом ходу принимают по характеристике холостого хода, которая представляет собой зависимость часового расхода топлива дизелем при его работе без внешней нагрузки на скоростных режимах от минимально устойчивых оборотов до номинальной частоты вращения вала
Эффективная работа (энергия) дизеля за время груженого рейса, кВт ч
В = X Ьс > Nj.j Tj + X
(2.7)
E = ZNe.iti
(2 8)
где N„.i, b«j - эффективная мощность, кВт и удельный расход топлив; [кг/(кВт ч)| на соответствующем установившемся нагрузочном режиме, г, длительность нагрузочного режима, ч, и - число нагрузочных режимо; B,VI - часовой расход топлива на соответствующем установившемся скорс стном режиме холостого хода, кг/ч, - длительность режима холосто; хода, ч, m - число режимов холостого хода
Удельный расход топлива дизелем на измеритель работы, кг/(кВт ч)
bmBq, = В/Е	(2.9)
Эксплуатационный расход топлива дизелями РПС может существенно личаться от расчетного. В первую очередь это связано с изменением
Длительность нагрузочных режимов раооты дизеля зависит от исполц0щНОСТНОд характеристики в процессе эксплуатации - ее смещения вверх зования мощности агрегатами холодильно-отопительных установок pedL расходу топлива за счет износа деталей рабочего механизма и механиз-рижераторных вагонов и их вспомогательного оборудования В груженола газораспределения двигателя, технического состояния деталей и агрега-рейсе в соответствии с видом перевозимого груза и временем года агрег;ов топливной аппаратуры и нарушения ее регулировки Кроме того на ты холодильно-отопительной установки работают в одном из двух хара|0Казатели мощностной характеристики влияет изменение температуры терных режимов охлаждения или подогрева	дружного воздуха. Отличие эксплуатационного расхода топлива от рас-
•	переходном, обеспечивающем достижение требуемого темпер<етного обусловлено также сложностью получения достоверных данных турного уровня перевозки груза, и	то фактической длительности нагрузочных режимов и режимов холостого
•	основном, осуществляющем поддержание требуемого (заданногтода в связи с широкой номенклатурой перевозимого груза, его состояни-температурного уровня	:м. состоянием подвижного состава и т.п. Все это создает значительные
Во время переходного режима охлаждения или подогрева дизели ярудности при разработке обоснованных норм расхода топлива для дизе-прерывно работают с максимальной нагрузкой при эффективной мощнеей РПС.
сти, близкой к номинальной Длительность переходного режима опреде.и Комплексная оценка эффективности дизель-генераторных установок ет тепловой баланс вагона, масса и удельная теплоемкость системы «кузЛ1С, помимо определения их технико-экономических и эксплуатационных - груз - воздух, заполняющий грузовое помещение», а также приведенныоказателей, требует проведения экологической экспертизы отработавших коэффициент тепловой инерции системы.	азов дизеля Вредное воздействие отработавших газов на окружающую
Режим поддержания требуемого температурного уровня перево треду и человека связано с особенностями процессов сгорания жидкого обеспечивает двухпозиционное регулирование путем периодическогоплива и появлением в отработавших газах компонентов, обладающих оксическими свойствами К числу таких компонентов относят оксид ут-
-20-	.21.
лерода, несгоревшие высокомолекулярные углеводороды, альдегиды (apt зуют газы пары, и водные или металлические растворы Особенность тематические углеводороды), оксиды азота, сажу, а также некоторые кани(30вых, в частности, воздушных машин состоит в том, что хладагент в про-рогенные вещества, например, бензпирен	цессе работы не изменяет свое агрегатное состояние В паровых холо-
Общую вредность воздействия отработавших газов дизеля можно ощдильных машинах рабочее тело претерпевает фазовые превращения по нить по формуле токсичности газовой смеси	схеме пар -жидкость - пар; в машинах, работающих на растворах, перио-
°	дически изменяют концентрацию раствора, что приводит к изменению те-
Т=Е(С,/ПДК.)	(2.10) плового взаимодействия - к чередованию поглощения и выделения тепло-
ты.
где п - число токсичных компонентов в газовой смеси, С„ ПДК, - фа| Получение низкой температуры в холодильных машинах обеспечивают тическая и предельно допустимая концентрация токсичного компонента следующими физическими процессами расширением рабочего тела с по-
При работе дизеля по мощностной характеристике изменение количест лучением работы в расширительной машине (детандере) или без нее (вих-ва токсичных компонентов в отработавших газах подчиняется следующщревой эффект); дросселированием рабочего тела; эндотермическими фазо-закономерностям:	выми переходами, термоэлектрическим эффектом (эффект Пельтье).
• содержание оксида углерода возрастает на режимах холостого хода Работу холодильной машины можно осуществить, используя в качестве номинальной мощности;	внешней энергии механическую, тепловую или электрическую Машины
2.2 Холодильное оборудование
количество оксидов азота возрастает с увеличением нагрузки, двух последних типов называют соответственно теплоиспользующими и содержание высокомолекулярных углеводородов снижается с увелич(теРмоэлек"гРическими Одним из основных процессов в непрерывно дейст-нием нагрузки;	вующей холодильной машине с затратой механической или тепловой
дымность (оптическая плотность отработавших газов) резко возрастаеэнеРгии является процесс сжатия рабочего тела. Машины, в которых такой с увеличением нагрузки.	процесс осуществляют механическими агрегатами — компрессорами, на-
зывают компрессорными (компрессионными); при использовании для сжатия струйных аппаратов (эжекторов) - эжекторными; наконец, при использовании термохимических компрессоров, работающих по принципу
Поддержание требуемого температурно-влажностного режима перево!химическон абсорбции - абсорбционными
ки скоропортящихся грузов в рефрижераторных вагонах обеспечивают х( В качестве компрессорных агрегатов в холодильных машинах приме-лодильно-отопительные установки Их основу составляет холодил ьняют компрессоры объемного сжатия - поршневые, роторные, винтовые, а ная машина - агрегат, который служит для понижения температуры также Кнне™ческого сжатия - лопаточные (в большинстве случаев, цен-ограниченном пространстве - в холодильной камере ниже температур(^Р°®ежн°ГС1 типа) В зависимости от числа ступеней повышения давления окружающей среды и поддержания там требуемого температурного уровн'ст-пене'' сжатия) в компрессоре холодильные машины подразделяют на в течение определенного времени В рефрижераторном вагоне роль хап(одн°стУпен',атые и многоступенчатые.
дильной камеры выполняет грузовое помещение вагона	0 темпеРат>РномУ уровню, с которого производят отвод теплоты, хо-
Принципиальная возможность работы холодильной машины, связаннаДОДИЛЬНЬ1е машины всех типов подразделяют на: высокотемпературные с непрерывным переносом теплоты от менее нагретого тела (охлаадаемсд|яаР^зон охлаждения от -10 до +20 С); среднетемпературные (от -30 до го), находящегося в холодильной камере, к более нагретому - окружаюше ’ н|13К0^емпеРатУРНые (ниже -30 С).
среде, согласно второму закону термодинамики может быть реализован 0 тепловой мощности - холодопроизводительности для холодильных путем затраты внешней энергии. Теплоту, передаваемую при температурмашин пРн”ята условная градация малой мощности (до 15 кВт); средней ниже температуры окружающей среды, называют холодом В холСМОрНОСТИ '	к т'- большой мощности (свыше 120 кВт)
дильных машинах передачу холода осуществляют с помощью рабочег равнение паровых холодильных машин по этому показателю проводят тела - холодильного агента (хладагента), в качестве которого испол»П°’’ТЛИЧИНе стандаРтн°й холодопроизводительности, которая соответст-
-22-	.	-23-
вует стандартным температурам кипения и конденсации рабочего тела(холоднльный) цикл Карно Он состоит из обратимых изотермических -15 и +30 °C	процессов передачи теплоты, проходящих при температурах самих источ-
По назначению холодильные машины также условно делят на стацио-ников теплоты (То - температура охлаждаемого объекта, Т, - температура нарные (универсальные), транспортные и специализированные.	окружающей среды) и обратимых изоэнтропииных процессов сжатия и
Наиболее распространенный и технически совершенный тип современ-РасшиРения рабочего тела.
Х-,	z-	Л rj-zX'-izKДттгтттдои-т* ПЛПЗТМЛГА ПЫ1ГПЯ КЯПЫЛ
ных холодильных машин - паровые компрессорные, ини обладают лучшими энергетическими и удельными показателями по габаритам и массе, В диапазоне малой и средней мощности установки с машинами такого ти| па эффективно перекрывают весь требуемый температурный уровень охлаждения. Однако, как и все установки с машинными агрегатами они достаточно сложны, дорогостоящи, подвержены выходу из строя. В холо-
Холодильный коэффициент обратного цикла Карно
e,= Qo/L„- Чс/1ц - q</(Qi ~Чо) - l/[(Ti/To)-l]
(2.13)
Qo + Lu - Qi
где q0 и 1ц - удельные, т е отнесенные к единице массы рабочего тела, значения отведенной теплоты (удельной холодопроизводительности) и дильны^устан^ках^рГтс^пре^тавл^оших” собой'среднетёмпературнь||энеРгии’^П’зченной на совершение цикла
агрегаты малой и средней мощности, в настоящее время используют паре Холодильных коэффициент обратного цикла Карно, также как и терми-вые холодильные машины с поршневыми компрессорами	чес*ии КПД ПРЯМ°Г° (двигательного) цикла Карно не зависит от физиче-
Непрерывное действие холодильной машины обеспечивает круговой0” ^"Р0™ Ра6олего тела’ а определяется только соотношением гра-термодинамический процесс изменения состояния рабочего тела, назь^ничных температур цикла, величина холодильного коэффициента растет с ваемый обратным или холодильным циклом Баланс энерг увеличением этого соотношения При заданнь.х температурных уровнях цикл Карно обеспечивает максимальное значение холодильного коэффициента Однако, как и прямой, обратный цикл Карно отличает низкая ра-
(2 11) ботоспособность Мероприятия по повышению последней, также как и мероприятия по снижению термодинамической необратимости действи-где Qo - теплота отводимая от рабочего тела в процессе охлаждение гельного никла по сравнению с циклом Карно определяют направления холодопроизводительность машины. Lu - внешняя энергия, затрачиваем„«’‘"ического совершенства холодильных машин
и	г г	Принципиальная схема (рис.2.2), положенная в основу работы совре-
на совершение цикла. Qi - теплота, передаваемая окружающей среде ,.ouu.,v	.	„„	тин
_ н	, ,	менных паровых компрессорных машин, включает агрегат сжатия - ком-
Термодинамическую эффективность холодильного цикла оцениваю.	к	_
к	}	" .	прессор к, теплообменный аппарат - конденсатор КС, который обеспечи-
вает процесс передачи теплоты окружающей среде, теплообменный аппарат - испаритель И, осуществляющий отвод теплоты от охлаждаемых объектов для того, чтобы поддерживать в холодильной камере температуру
, ,	ниже температуры окружающей среды, а также дроссельный вентиль Д
Холодильный коэффициент определяет у дельную холоде Работа машины по такой схеме те ески кает следующим об. производительность (работоспособность) машины, т е колич!азом Компрессор	из нспа	ра6^чее тел0 в в'	0
ству теплоты, отводимой в процессе охлаждения на единицу затрачива£асыщенного пара с параметрами ро Х=1 и изоэнлропно сжимает	до
мои энергии Холодильный коэффициент и удельная холодопроизводидавления р< обеспечивающего требуемую температуру конденсации Т, тел ьн ость основные энергетические показатели работы холодильной которой осуществля1аг отвод теплоты в конденсаторе, охлаждаемом шины	_	наружным воздухом или водой Перегретый в процессе сжатия пар рабо-
Эталоном термодинамической эффективности холодильного цикла, печего тела охлаждают в конденсаторе при постоянном давлении превращая зволяющим при заданных температурных уровнях наиболее экономичного в жидкость (х=0) При этом в конденсаторе рабочее тело последова-осуществить в цикле требуемое преобразование энергии, служит обрати. >гельно отдает теплоту перегрева и парообразования
(2 12)
е — Q0/Ll
-24-
В дроссельном вентиле в процессе дросселирования, т е при h=const давление жидкости снижается до давления парообразования, с которым рабочее тело поступает в испаритель
-25-
Площадки, заштрихованные на T-s диаграмме, соответствуют удельной холодопроизводительности машины qo и удельной энергии 1ц, затрачиваемой на совершение цикла. Необратимый процесс дросселирования показан пунктиром Использование диаграммы p-h (или 1g p-h) при анализе и
расчете холодильных машин существенно упрощает определение показателей их работы, так как представляет теплоту изобарных процессов теплообмена и изоэнтропную механическую работу в виде разности координат, т е в виде отрезков, а не площадей, как это имеет место при пользовании T-s диаграммой
Эталонный цикл отличается от обратного цикла Карно наличием необратимых потерь от перегрева паров (величина, пропорциональная площадке 2'-2-3'-2', на которую возрастает удельная энергия) и дросселирования жидкого рабочего тела (последние приводят к снижению удельной холодопроизводительности на величину Aq0 = hj - Ьц). Улучшение показателей эталонного цикла обеспечивают следующие теплотехнические мероприятия, направленные на снижение необратимых потерь:
• перегрев паров в испарителе;
• переохлаждение жидкости перед дроссельным вентилем, которое может быть осуществлено в самом конденсаторе или в специальном теп-
Рис.2.2	лообменно.м аппарате - переохладителе.
Термодинамический цикл паровой холодильной машины с рассмотрен-
В результате подвода теплоты от охлаждаемых объектов, которые на-ными теплотехническими мероприятиями в T-s диаграмме приведен на ходятся в холодильной камере, рабочее тело в испарителе закипает и испа-рис 2 4 Процесс перегрева пара в испарителе на этом рисунке соответст-ряется до состояния сухого насыщенного пара	вует линии Г-1, а переохлаждение жидкости линии 3”-3; с достаточной
Термодинамический цикл, которому соответствует работа подобнойдля практических целей точностью изобарный процесс переохлаждения машины, можно считать эталонным для паровых компрессорных машин заменен отводом теплоты по нижней пограничной кривой его изображение в диаграммах T-s и p-h приведено на рис 2.3
Рис.2.4
Рис 2.3
-27-
”26-	Действительный цикл учитывает влияние потерь, вызван-
Процесс переохлаждения жидкости перед дроссельным вентилем, наных внешней и внутренней необратимостью процессов, обеспечивающих правленный на снижение потерь от дросселирования, можно осуществипработу холодильной машины Холодильный коэффициент действительно-в специальном теплообменном аппарате паром, выходящим из испарителяго цикла в виде его приближения к циклу Карно при заданных значениях Такое теплотехническое мероприятие называют внутренней регенерациейграничных температур То и Т, может быть представлен выражением а теплообменный аппарат - регенератором Схема холодильной машины < регенерацией приведена на рис 2 5, где Р - регенератор	Б = е>По = е^НзИзП-!	(2.14)
Рис 2.5
где г|о - коэффициент относительного совершенства действительного цикла, г),, Т|2, т]3; т]4- коэффициенты влияния необратимых потерь цикла на эффективность холодильной машины
Внешняя необратимость цикла обусловлена тем, что процессы теплообмена в теплообменных аппаратах машины проходят не при температурах самих источников теплоты и даже не при бесконечно малой, а при конечной разности температур между рабочим телом и источником теплоты Кроме того, в реальных условиях протекания процессов теплообмена внешняя необратимость усиливается нестацибнарностъю режима работы, приводящей к изменению температуры источников Потери от внешней необратимости зависят от теплофизических свойств рабочего тела и теплоносителя (воздух, вода, рассол), а также условий теплообмена, связанных с конструкцией теплообменного аппарата Коэффициент относительного влияния внешней необратимости на эффективность действительного цикла может быть представлен в виде
П. = KWTo) - 1]/[(Г/Г«и,Э -1]	(2.15)
Внутренняя регенерация не устраняет необратимость отгде Т.„г - температура окружающей среды; Т™ - температура кипения ния, а лишь приводит к замене одного необратимого процесса друг1 рабочего тела
Эффективность регенерации, как и других теплотехнических меропрш Вну1ренняя необратимость цикла в первую очередь вызвана перегре-тий, а также целесообразность их применения в холодильной маши	зом паров рабочего тела при сжатии и дросселировании жидкости Вели-
висят от теплотехнических свойств раоочего тела, определяющих	4„ну потерь этих процессов определяют теплофизические свойства ра-
тельное влияние необратимых потерь на энергетические показа эочего тела (степень его термодинамического совершенства) и характер удельную холодопроизводительность цикла и величину холодильного Теплотехнических мероприятий по их снижению (перегрев паров в испа-эффициента.	„„..„„г, .,!’нтеле- переохлаждение жидкости перед дроссельным вентилем, внутрен-
Следует отметить, что введение регенератора в схему холодильной регенерация и т д) Относительное влияние этих факторов на эффек-шины с поршневым компрессором помимо улучшения энергетических .1)ВН0СТЬ холодильной машины оценивают коэффициентами п2 и тъ пер-казателей цикла за счет перегрева паров способствует защите компресс Р^д и3 которых отражает термодинамическое совершенство рабочеготеза возникнуть в результате п | второй .	дополнительных потерь, вызванных теплотехнически-
от гидравлического удара, который может
дания в цилиндр жидкого рабочего тела или смазочного масла
-28-
-29-
ми мероприятиями, использованными в цикле Коэффициент термодина. Расчет ведут на установившийся режим работы, те. при постоянной мичсского совершенства	емпературе источников теплоты и неизменном расходе выбранного рабо-
его тела Основные параметры цикла - давление кипения (парообразова-г]> ~ ПпПяг	(2 16ния) и конденсации рабочего тела ро и р, находят для заданной температу-
ы испарения То (температура в холодильной камере) и температуры кон-где т|„ и г| ф - коэффициенты необратимых потерь от перегрева паро|енсации Т, (температура окружающей среды) по таблицам или диаграм-при сжатии и дросселировании жидкости	1ам с учетом особенности теплообмена у внешних источников теплоты
Величину потерь от перегрева в основном определяют значения теплаак, если отвод теплоты в конденсаторе производят воздухом, то разность емкости насыщенного и перегретого пара Снижение этих потерь обеспаемператур в процессе теплообмена ДТ, принимают равной (10-?20)К, при чивают использованием рабочего тела с крутым протеканием верхней неиспользовании для этой цели воды ДТ, = (5ч-8)К; в том случае, когда ох-
граничной кривой Потери от дросселирования зависят от теплоемкоспаждающей средой служит воздух, разность температур в процессе тепло-
жидкости и удельной теплоты ее парообразования Снижение таких потер^мена в испарителе ДТ0= ЮК, при охлаждении жидкого теплоносителя -достигают выбором рабочего тела с крутым протеканием нижней пограассола ДТ0 = (5ч-8)К Для жидкости разность между температурой кипе-ничной кривой Во всех случаях для заданных температурных условий р^ия и конденсации принимают в пределах (5+8)К; для воздуха порядка боты холодильной машины (температур охлаждения и окружающей cpeQK
ды) рабочее тело следует выбирать с таким расчетом, чтобы термодинами. Параметры в характерных точках цикла определяют с учетом рекомен-ческии цикл проходил при температурах, существенно отличающихся Одций по величине переохлаждения жидкости перед дроссельным венти-крнтической температуры	ем и перегрева паров на входе в компрессор в зависимости от теплофизи-
Помимо потерь от перегрева паров и дросселирования жидкости вн.^еских свойств рабочего тела При этом переохлаждение обычно выдер-реннюю необратимость холодильного цикла вызывают потери, обусл кивают в пределах (2-г4)К, а перегрев на уровне (5Я0)К.
ленные трением рабочего тела при его течении в конструктивных элемен Удельная массовая холодопроизводительность машины тах машины (компрессоре, теплообменных аппаратах, магистралях).
также потери от необратимости процессов внутреннего теплообмена, н!	Q0=h,-h4	(2.17)
стационарных режимов работы и т.д Влияние перечисленных факторов я
эффективность цикла учитывают коэффициентом т]4, отражающим отнс где h1 и h., - энтальпия рабочего тела в соответствующих точках цикла сителСйое конструктивное совершенство машины и условия ее эксплуат? Массовый расход рабочего тела, обеспечивающий требуемую холодо-ции. Величину этого коэффициента обычно определяют по эксперимепроизводительность, тальным характеристикам соответствующих элементов холодильной м!
шины	G, =Q(/qo	(2.18)
Тепловой расчет термодинамического ц и к л!
предусматривает определение количества рабочего тела (массового и обЯ Объем паров рабочего тела на входе в компрессор
емного расхода), обеспечивающего требуемую холодопроизводите.и	V, = GA1	(2.19)
ность Qo в соответствии с заданными температурами внешних источники
т е с видом охлаждаемого объекта, режимом работы машины и внешни»’ где Vi - удельный объем паров на входе в компрессор (в т.1 цикла), климатическими условиями Кроме того, в объем расчета входит опрей Удельная объемная холодопроизводительность машины ление количества теплоты, отводимой в цикле ( тепловая нагрузка кондгг сатора и переохладителя), а также основных показателей энергетическС эффективности
Qv = qAi
(220)
л	-30-
Теоретическая удельная работа компрессора, приходящаяся на едини, массы (расхода) рабочего тела,
(2.21)
Теоретическая мощность компрессора
(2 22)
Степень повышения давления рабочего ляющая его тип и конструкцию,
Рк = Рк/ро
Холодильный коэффициент термодинамического цикла
е, = qo/1,, = Q»/N, = (h, - h4)/(h2- h,)
4 . . '31'
Увеличение степени повышения давления рабочего тела в компрессоре ,ри понижении температуры кипения (переход к режиму более глубокого олода) или при повышении температуры конденсации (рост температуры •кружающей среды), вызываемое условиями эксплуатации, приводит к гхудшению энергетической эффективности холодильной машины Основ-1ая причина такого ухудшения обусловлена ростом потерь от внутренней 1еобратимости, а также увеличением цикловой работы за счет ухудшения бъемных и энергетических показателей компрессора. Наибольшее влия-тела в компрессоре, опредуц^ снижение эффективности машины при возрастании степени повы-иения давления оказывает рост потерь от дросселирования В этом случае iap, который образуется при дросселировании, не обеспечивает процесс (2.23 нхлаждения в испарителе, т.к. наличие паровой фазы в начале пароооразо-ания ухудшает теплообмен при кипении и следовательно снижает удель-<ую холодопроизводительность машины.
Теплотехническое совершенствование паровых компрессорных машин, (2 .24рассчитанных на работу с высокой степенью повышения давления, может >ыть обеспечено переходом к многоступенчатому сжатию с промежуточ-Количество теплоты, отводимой от рабочего тела в конденсаторе (yei*blM охлаждением рабочего тела между ступенями и многократному его ловая нагрузка на конденсатор),	[росселированию Повышение холодильного коэффициента в результате
эких схемных мероприятий обеспечивает рост удельной холодопроизво-(2 25)1ительности в результате многократного дросселирования и снижение (икловой работы за счет промежуточного охлаждения.
Количество теплоты, отводимой от рабочего тела при переохлажден^ Для паРовых холодильных машин с поршневыми компрессорами пере-(тепловая нагрузка на переохладитель),	;од к многоступенчатому сжатию обусловлен не только желанием улуч-
цить эффективность машины повышением расходных и энергетических (2 26,оказателей компрессора, но и необходимостью обеспечить нормальные /словия его работы При высоких значениях степени повышения давления Для цикла с регенерацией удельная холодопроизводительность машин’0СТ темпеРатУРы паров может привести к нарушению допустимого тем-,ературного режима работы компрессора и системы его смазки Кроме (./ого, увеличение степени повышения давления приводит к росту перепада (явлений в цилиндре компрессора (Др — рк —р0), в результате чего возрас-Рабочее тело в т Г представляет собой сухой насыщенный пар, лгс'аЮТ динами ,еские нагрузки на детали рабочего механизма (на шатунноперегретый на (2-3)К. Состояние рабочего тела в т.З определяют по тег.' 10РшневУю ГРУППУ и коленчатый вал), снижающие надежность и долго-'н и \	<	г	н "	(ечность машины.
вому балансу регенератора	п
Переход к многоступенчатому сжатию требует технико-, Экономического обоснования, т.к. улучшение энергетической эффективно-гги в этом случае связано с существенным усложнением конструкции, ~ величением ее габаритов, массы и стоимости. В современных паровых Перегрев на всасывании в компрессор для цикла с рсгенерациеи г.р'	оопрсмеппых паровых
нимзктт плпяпкя ТОК	ни	сом прессорных машинах путем подбора подходящих хладагентов или их
нимают порядка zvix.	:месеи, а также создания компрессоров специальной конструкции (в част-
Q, = G, (h2 - h3) = Qo + N, = (QoM (e, +1)
Q„ = G, (h3 - hy)
qop= (hr-ha)
hj-hy = hi -hr
ности, без смазки рабочего механизма) число ступеней ограничивают Д« ак Перспективы совершенствования энергетических, конструктив-мя В среднетемпературных холодильных машинах переход от одност)* эксплуатацнонных показателей холодильных машин в значительной пенчатого сжатия к двухступенчатому имеет место при Р,>8	мере связывают с разработкой и применением новых «чистых» одноком-
Холодильные агенты и холодонос и тел и РабоЧпонентных рабочих тел, а также смесей хладагентов с заранее заданными тело холодильной машины - хол одильный агент (хладаге н
по существу определяет энергетические, технико-экономические и э< Хладагенты имеют унифицированное условное обозначение - буква R плуатационные показатели, а также конструктивные особенности маши^от слова Refrlgerant) В числовом индексе хладагентов, представляющих определенного типа Теплофизические свойства хладагента, такие как 4co6oi--j фтор-хлоргалогенные производные насыщенных углеводородов, пекулярная масса, плотность, вязкость, газовая постоянная, кРитичесмпервая цифра отражает природу углеводородной основы вещества 1 - для параметры, теплота парообразования, теплоемкость жидкости и насыиипроизводных метана. 11 - этана; 21 - пропана; 31 - бутана К этим цифрам ного пара, тепло- и температуропроводность взаимоувязывают комп.теиндекса прибавляют цифру, определяющую число атомов фтора в молеку-вопросов, обеспечивающих работоспособность и эффективность машин ле хладагента При наличии в химической формуле хладагента атомов во-Физико-химические свойства - термохимическая стабильность и вза1|>,ДОрОла к первой цифре производных метана и второй цифре производных действие с водой, неконденсирующимися газами, смазочными масламиэтана пропана и бутана добавляют число, соответствующее числу неза-конструкционными материалами определяют особенность конструкт^ мешенных атомов водорода Таким образом, в условном обозначении фре-эксплуатации отдельных элементов и машины в целом Наконец, выбор0НОВ последняя цифра (число единиц) указывает количество атомов фтора применение хладагента невозможны оез учета его физиологических и эзв молекуле, предшествующая (число десятков) — число атомов водорода, логических свойств, а также стоимости	увеличенное на единицу, третья (число сотен) - число атомов углерода,
Идеальный хладагент должен обеспечить максимальную холодопро)уМеньшенное на единицу Число атомов хлора, входящих в молекулу фре-водительность и эффективность холодильного цикла при соблюдении р«она равно числу атомов, недостающих до его структурной химической необходимых требований он должен быть химически стабильным во во формулы Cn(H,Cl,F)2n»2. При замене атомов фтора атомами брома в услов-рабочем диапазоне температур, доступным и недорогим, иметь высок|ное обозначение хладагента после числового индекса ставят букву В Хла-критическую температуру и низкую температуру замерзания, быть хш1дагентам неорганического происхождения присваивают числовой индекс, чески инертным по отношению к конструкционным материалам и мас.ч1равмь1й их молекулярной массе, увеличенной на 700 (аммиак - R717). невоспламеняемым, малотоксичным Он не должен вызывать вреднй Классификацию хладагентов проводят по давлениям и связанными с воздействия на окружающую среду Хладагенты паровых компрессора ними температурами кипения при давлении 98,1 кПа (735,5 мм.рт ст ), что машин для реализации высокой эффективности цикла должны обеспе< соответствует характерным температурным режимам работы холодильных вать заданные температуры кипения и конденсации невысоким уровН машин Холодильные установки современного РПС были созданы с ис-отношения давлений (малой величиной давления конденсации и давле! пользованием в них R12, R22 и аммиака
ем парообразования, близким к атмосферному), высоким значением от( Хладагент R12 (CF2CI2 - дифтордихлорметан), получивший название шения теплоты парообразования к теплоемкости жидкости Оптимальи хладон, сжиженный под давлением бесцветный газ со слабым запахом неконструктивные и энергетические решения по компрессору и теплообм|тыреххлористого углерода (прелых яблок). Его молекулярная масса 120,9 ным аппаратам могут быть реализованы при невысоком уровне газо!кг/моль; нормальная температура кипения -29,7 °C; теплота парообразова-постоянной, показателя адиабаты и динамической вязкости хладагент!ния 166 кДж/кг При нормальных условиях он не горит и не взрывается, также при таком сочетании его теплофизических свойств, которые поз» однако при температурах выше 400 °C и в присутствии открытого пламени ляют обеспечить высокие значения коэффициентов теплоотдачи разлагается, образуя высокотоксичные вещества, в том числе фосген
В бЬврсменных паровых компрессорных холодильных машинах в Хладагент R22 (CHF,C1 - дифторхлорметан) - бесцветный газ со слабым стве хладагентов используют фреоны - фтор-хлоргалогенные производя запахом хлороформа Его молекулярная масса 86,5 кг/моль; нормальная таких углеводородов, как этан, метан, пропан, бутан и их смеси, а таятемпсратура кипения -40,8 °C, теплота парообразования 229 кДж/кт Так жeкaкиR12, он не горит и не взрывается, однако более токсичен, разла-
-35-
-34-	в настоящее время ведутся работы по созданию и применению альтер-
гаться начинает при температуре свыше 55О°С R22 несколько ДОраативных хладагентов, не обладающих озоноразрушающим действием и R12	парниковым эффектом". Для среднетемпературных холодильных устано-
Аммиак (NH>) - бесцветный газ с резким запахом; он ядовит и взры|01( в качестве заменителя R12 наиболее целесообразно использовать R22, опасен Его молекулярная масса 17 кг/моль, нормальная температура |зоноакт(1вность КОТОрого составляет менее 5% по сравнению с R12, пения-33,3‘’С, теплота парообразования 1360 кДж/к г Аммиак сущестщ)34а практически с нулевой озоноактивностью, а также многокомпо-но дешевле RI2 и R22.	ентные смеси
Основными критериями выбора хладагента, отвечающего характерн| Хладагент R134a (CF3-CFH2) имеет молекулярную массу 102 кг/моль и температурным режимам работы машины, служат его энергетические формальную температуру кипения -26,8°С В цикле холодильной машины раметры, показатели токсичности и стоимость В качестве энергетическ, Ri34a при заданных температурах кипения и конденсации давления ки-параметра принимают удельную холодопроизводительность, токсично|ения и конденсации и их разность будут меньше, чем при работе на R12, хладагентов оценивают их предельно допустимой концентрацией - ПДК отношение давлений несколько выше Из-за большей энергоемкости также коэффициентом токсичной опасности - К,„. показывающим, г 134а удельная объемная холодопроизводительность цикла при одинако-сколько раз может быть превышена предельно допустимая концентрацой степени регенерации будет ниже на 8-12%, а удельная адиабатная ра-хладагента в воздухе при аварийной ситуации	ота - меньше на 30-50%; с увеличением степени регенерации эффектив-
Энергетические параметры и показатели токсичности хладагентов (ость цикла будет повышаться; стоимость R134a существенно выше стои-временного РПС;	гости R12
______Двухкомпонентная смесь R22/R142b с соотношением компонентов 65 и К„, 10'15% по своим энергетическим параметрам и показателям практически не тличается от R12, однако ее озоноактивность в 20 раз меньше Важно, что омпоненты этой смеси давно используются в качестве хладагентов для течественной холодильной техники и выпускаются промышленностью в Iqq ".остаточных количествах
* В холодильных установках с промежуточным рабочим телом, называе-1ым холодоносителем, в качестве последнего используют рассо-—— 1ы - растворы солей натрия и кальция, а также спиртовые растворы и рас-воры этиленгликоля При выборе холодоносителя стараются обеспечить
_	_	_	аиболее благоприятные условия теплообмена и малые потери давления в
При выооре хладагента необходимо учитывать важное экологии, ci -	н
_ н	о	„ еплоооменных аппаратах Так же как и хладагент, холодоноситель дол-
требование по защите озонового слоя Земли и предотвращению парии -
н , .	„ _	, *ен оыть негорючим и малотоксичным, невзрывоопасным, а также дос-
вого эффекта ”. Считается, что, попадая в окружающую среду, и!,,.™ „	□ „„„„„„„	. ПГ1„
.	явным и дешевым о холодильных установках РПС в качестве холодоно-
хлорсодержащие углеводороды вызывают фотохимические реакции, .ителя используют раствор хлористого кальция
зультате которых в верхних слоях атмосферы Земли происходит разр4 Поршневые компрессоры холодильных машин классифи-ние молекул тонкого защитного слоя озона, задерживающего жес41руют по ряду характерных „ризная	4
ультрафиолетовое излучение Солнца, и интенсифицируются проще*	™„и!Ми„т	ж
„	. ,	„	.	л по 8ИДУ сжимаемого хладагента - фреоновые, аммиачные и проч а
спосооствующие Парниковому эффекту Наиболее активным озоной также „реальные, рассчитанные на работу с рядом различна^ хла рушающим воздействием отличается хладон. Международная конфеЛ дагент0Б. чаще всего с фреоноч и аммиаком отРчествеРнных ком ция по озоновому слою Земли (Хельсинки, май 1989г) приняла док) j соров унифицированного ряда вид хладагента отражает первая буква о полном запрете применения в экономически развитых странах к ~ич условного обозначения Ф - фреоны, А - аммиак хладона и ряда других озоноразрушающих веществ в качестве хладачЯ
тов
Хладагент
R12
R22
R7I7
Удельная холодопроизводитель-_____________ность Массовая, КДж/кг НО 160 1100
объемная, кДж/кг 1280 2050 2170
ПДК, мг/м3
300
3000
20
-36-
Рис.2.6
•	по числу ступеней повышения давления (ступеней сжатия) - односту дяшегося в цилиндре, от занимаемого им объема Индикаторная диаграм-пенчатые и многоступенчатые (обычно двухступенчатые); в многосту! ма ступени холодильного поршневого компрессора приведена на рис.2 6, пенчатых конструкциях цилиндры всех ступеней компонуют в обще» где V,=it D2S/4 - рабочий объем цилиндра с диаметром D и ходом поршня блоке или на общей раме;	S; Vo - объем мертвого пространства, образуемого днищем поршня при его
•	по схеме преобразования вращения вала в возвратно-поступательно! крайнем положении в ВМТ и ограничивающими цилиндр деталями движение поршня - бескрейцкопфные с кинематической схемой колен! (крышка и клапаны); V„ - объем всасывания.
чатый вал - шатун - поршень и крейцкопфные, когда движение от туна к поршню передают через ползун (крейцкопф) и шток;
•	пй характеру движения хладагента в цилиндре - непрямоточные, в ко тором хладагент в цилиндре меняет направление движения, а непод вижные клапаны размещены в головке цилиндра, и прямоточные с не изменяемым направлением движения хладагента, когда один из клала нов, установленный в днище поршня, движется вместе с ним,
•	по числу цилиндров - одно-, двух- и многоцилиндровые (обычно числа цилиндров не превышает 8),
•	по расположению цилиндров - вертикальные, угловые (V - образные  веерообразные), оппозитные; расположение и число цилиндров в утло! вых компрессорах унифицированного ряда отражают второй букве! условного обозначения, соответственно для двух-, четырех- и восьми^ цилиндровых компрессоров В, У и УУ;
•	по степени герметизации - сальниковые, приводимые в действие вь! носным двигателем, бессальниковые со встроенным электродвигателе!! и герметичные, заключенные вместе с двигателем в герметичный к( жух; в условное обозначение бессальниковых и герметичных компре< I соров унифицированного ряда вводят буквенный индекс БС или Г;
•	по холодопроизводительности (холодильной мощности) поршневы компрессоры классифицируют также, как и холодильные машины - м; лой (менее 12 кВт), средней (от 12 до 120 кВт) и большой (свыше li I кВт) мощности, величину холодопроизводительности компрессор! унифицированного ряда в Мкал/ч при стандартных температурах й ' пения и конденсации (-15, +30°С) указывают в числовом индексе у I ловного обозначения компрессора
В холодильных машинах малой и средней холодопроизводительност I в том числе в машинах РПС используются одно- и двухступенчатые бе I крейцкопфные многоцилиндровые поршневые компрессоры, при эт< I фреоновые компрессоры выполняют непрямоточными, а аммиачные В прямоточными.
Рабочий процесс ступени компрессора отражает индикаторная ди В грамма, которая представляет зависимость давления рабочего тела, нах< В
При движении поршня от НМТ к ВМТ (прямой ход) компрессор сжимает хладагент, который в виде насыщенного или перегретого пара при давлении кипения ро поступил в цилиндр из испарителя, и подает его в нагнетательную линию, а далее к конденсатору, где в процессе конденсации поддерживается давление рк. Характер процесса сжатия - (линия 1-2) определяют условия теплообмена хладагента со стенками цилиндра, т е. условия охлаждения компрессора В холодильных компрессорах с воздушным охлаждением процесс сжатия близок к адиабатному, а средний показатель политропы сжатия ni® к.
При движении поршня от ВМТ к НМТ (обратный ход) хладагент, оставшийся в объеме мертвого пространства после закрытия выпускного
-38-
(нагнетательного) клапана, расширяется до давления, при котором откры-! 
вается впускной (всасывающий) клапан (т4), после чего в цилиндр начц. панов (в большинстве случаев о = 0,03-0,06); р = (р, + Др,|)/(ро - Дрк) -нает поступать пар из испарителя Процесс обратного расширения рабоче-Нтепень повышения давления в ступени компрессора
го тела в мертвом пространстве (линия 3-4) политропный, при этом пока-! Для большинства холодильных компрессоров значение показателя по-затель политропы п2 всегда меньше показателя политропы сжатия Клапа- читропы процесса обратного расширения близка к единице (для аммиач-ны поршневых холодильных компрессоров самодействующие - они автоЖых компрессоров п2 = 0,95 - 1,1; для фреоновых п2 = 0,9 - 1,05), поэтому матически открываются и закрываются под действием перепада давленщДЯ
с обеих сторон клапана Величину потери давления при дросселировании -I 	Хк « 1 - а(0 - 1)	(2 32)
депрессию на всасывании Дрк = ро-р, и нагнетании Др„= р2-р« определяем В
конструкция клапана, скорость движения хладагента в проходном сечения Коэффициент подачи, полученный расчетом или по данным экспери-и жесткость пружины или замыкающего элемента	мента, позволяет определить холодопроизводительность компрессорного
Производительность поршневого компрессора определяет такое поня- агрегата, либо подобрать компрессор соответствующего типоразмерного тие как холодопроизводительность компрессорного агрегата, показателе ряда на заданную холодопроизводительность по величине "описываемого соответствующий холодопроизводительности машины, компрессор кото-! абъема" рой обеспечивает подачу требуемого массового расхода хладагента. Про 
изводительность компрессора по условиям всасывания рабочего тела i [	Qo = Vq^. = X i Vbq,	(2.33)
машину
где q, - удельная объемная холодопроизводительность хладагента.
V = X i Vji = X iVb	(2.29) || Для каждого компрессора величина "описываемого объема" должна
представлять оптимальное сочетание числа цилиндров, их геометрических где X - коэффициент подачи компрессора; i - число цилиндров первой!дазмеров и частоты вращения вала Связь между диаметром цилиндра и ступени повышения давления; п - частота вращения вала; i Vb = i V,n ходом поршня обеспечивает параметр ц/ = S/D, значение которого выби-"описываемый объем", т е. теоретическая объемная производительностя рают в зависимости от конструктивного типа компрессора Определяя компрессора, использующего для всасывания весь рабочий объем цилинд геометрические пропорции цилиндра, величина связывает их с кинема-ра.	тикой и динамикой рабочего механизма компрессора значением средней
Коэффициент подачи характеризует снижение действительной прока скорости движения поршня. Для бескрейцкопфных холодильных компрес-водительности по сравнению с теоретической	соров принимают ц/ = (0,6-0,8), а среднюю скорость поршня выдерживают
в пределах 2,0-4,5 м/с. Для улучшения показателей по габаритам и массе
Х= ХкХугХлрХ,	(2 30) 1 частоту вращения вала стремятся повышать, усовершенствуя конструкцию
и технологию изготовления компрессоров
где Хю = V„/V, объемный коэффициент цилиндра; Ху^Хл^Х, - коэффия Условия эксплуатации холодильных машин вызывают необходимость циенты утечек, дросселирования и подогрева	изменения их холодопроизводительности Такое изменение обеспечивают
Выражение для объемного коэффициента цилиндра получают из урая плавным или ступенчатым (позиционным) регулированием производи-нения политропы процесса обратного расширения	т£льности компрессора В машинах малой и средней холодопроизводи-
тельности для плавного регулирования чаще всего используют перепуск Хк = 1 - о (Р'"! -1)	(2 31) Хладагента с нагнетания на всасывание, подключение к цилиндрам допол-
нительных объемов мертвого пространства, дросселирование на всасыва-где о = Vo/V, - относительная величина объема мертвого пространства! НИи. а также наиболее экономичный способ - изменение частоты вращения зависящая от типа компрессора и конструктивного расположения его кла| пРиводного двигателя.
-40-
Ступенчатое регулирование (обычно 100, 75 и 50% от номинальна значения производительности) чаше всего осуществляют способом "пуд
-41-
Nlt„T= A. i VhPilnp
(2.38)
останов", а также отключением части цилиндров в многоцилиндровьЯ компрессорах Технически отключение обеспечивают отжатием всасЛ
Связь между энергетическими (мощностными)
и расходными (объем-
вающих клапанов отключаемого цилиндра	udUlli плииъ>л«ии	__
 Г	ными; показателями работы поршневого компрессора может быть поел-
Мощностиые показатели поршневых к о м п р е лена в виде	н и	пред
с о р о в Индикаторная (внутренняя) мощность, затрачиваемая на работ Н компрессора, может быть определена по индикаторной диаграмме Ж
N, p,i Vb p,iV.n	”»|учитывая, что для большинства конструкций р»1, получаем
Среднее индикаторное давление р„ как и для поршневых д в с npejT Эффективная мощность, т е. мощность на валу компрессора
ставляет работу, отнесенную к единице рабочего объема цилиндра СЯМ пень приближения рабочего процесса реального компрессора к идеальнее му, в котором отсутствуют процесс обратного расширения хладагента объеме мертвого пространства и депрессии на всасывании и нагнстан®.» оценивают коэффициентом индикаторного давления
N. = N,+Nm
(2 40)
р = Р/Рсг
где Nm - мощность механических потерь (потери трения и привода вспомогательных агрегатов от вала компрессора, в
мощность частности
где р|Т - среднее индикаторное давление, определяемое по диаграм идеального компрессора (Г-2'-3’-4' по рис 2.6)
Так как величина индикаторной мощности для компрессора выбран! го "описываемого объема” при требуемом значении степени повышен давления зависит от условий теплообмена хладагента, находящегося в с| линдре, с окружающей средой, ее можно определить, используя вырля! ния относительных внутренних КПД - адиабатного или изотермического!
(масляного насоса)
I Механическое совершенство компрессора характеризует механический КПД г]м - Ni/Ne. У бескрейцкопфных компрессоров малой и средней холодопроизводительности т)м= 0,85-0,90.
Экономичность работы поршневых холодильных компрессоров оценивают удельные показатели: удельный расход энергии, затрачиваемой на получение единицы требуемой производительности (холодопроизводительности), или обратная величина - удельная производительность (холо-логфоизводительность)
Удельный расход энергии
Hoi ~ Njeop/Ni
(2 3(
(241)
Е = N«/V = NeCjv/Qo =q,/c,
где N,c<,p - теоретическая индикаторная мощность, соответствующая 4 где _ холодильный коэффициент машины, определяемый по эффек-рактеру охлаждения цилиндра	тивной мощности компрессора.
Величину теоретической индикаторной мощности для компрессору Зависимость основных показателей работы, холодопроизводительно-неохлаждаемыми цилиндрами (N.J и цилиндрами с идеальным охлая*^, потребляемой мощности и холодильного коэффициента машины с нием (NItK,T) при давлении хладагента на входе в компрессор р, опреде данным компрессором от эксплуатационных параметров - температуры в виде	бдения и конденсации хладагента отражают характеристики компрессо-
.. Обычно их представляют в виде функциональной связи соответствую-
Nw= к/(к-1) X i Уьр।[Р ’ ‘ -1]	“^й величины с температурой кипения при постоянном значении темпера-
-42-		-43-
туры конденсации Характеристику по холодопроизводительности аналц, случаев (аммиачные машины) в систему конденсатора включают переох-тически получают из выражения (2 33) с учетом зависимости коэффициеи. чждвние жидкого хладагента перед дроссельным вентилем
та подачи от степени повышения давления ХолодопроизводительносцИ Конденсаторы холодильных машин выполняют с проточным, ороси-поршневого компрессора повышается с ростом температуры кипения хла. -ельным или испарительным водяным охлаждением, либо с воздушным дагента и снижением температуры конденсации Такую же тенденшиЛйхлаждением при свободном или принудительном движении воздуха, соз-' '	даваемом вентилятором Конструктивно конденсаторы представляют со-
бой рекуперативные системы кожухотрубного, трубного, змеевикового
имеет характеристика по холодильному коэффициенту
Теплообменные аппараты играют существенную роль 
обеспечении требуемых энергетических и технико-экономических пока и- либо листотрубного типа.
телей, а также эксплуатационных характеристик холодильных машин. Это I В холодильных машинах транспортных установок используют конден-связано как с местом теплообменных аппаратов в схеме машины, так и со саторы воздушного охлаждения трубного или змеевикового типа с прину-спецификой их работы, определяющей габариты, массу и стоимость В современных паровых холодильных машинах габариты и масса основны»
петельным движением охлаждающего воздуха в межтрубном (межзмееви-___г__________г_________„______ ,	ковом) пространстве Поверхность теплообмена в таких конденсаторах теплообменных аппаратов (конденсатора и испарителя) обычно составлял образуют трубки малого диаметра с развитым наружным оребрением Реб-ют больше половины соответствующих показателей машины в целом, а и» ра круглые или спиральные, а также листовые в виде сплошных прямо-стоимость доходит до 50% стоимости машины	угольных пластин Степень оребрения труб конденсатора, т е отношение
Особенность работы и конструкции теплообменных аппаратов опреде-| величины оребренной поверхности теплоотдачи к поверхности труб, на ляет необходимость снижения потерь от внешней необратимости холо*1воторой выполнено оребрение, при спиральных или плоских ребрах может дильного цикла, что приводит к малым температурным напорам Послед- доходить до 20 нее обуславливает невысокие плотности теплового потока, те. большие»! Материал труб и оребрения - сталь, алюминий, медь, латунь Оребре-теплопередающие поверхности Условия работы теплообменных аппара- ние выполняют накаткой с последующей припайкой. Для уменьшения тов часто усложняются тем, что процесс теплопередачи в них происходипворрозии стальные трубы и их оребрение оцинковывают при переменных температурах На конструкцию теплообменных аппара- Повышение эффективности конденсаторов идет по пути увеличения тов для холодильных установок РПС серьезное влияние оказывает исполь-Нзмпактности теплообменных поверхностей применением труб плоско-зование в качестве теплоносителя воздуха Для повышения эффективности Овальной формы, пластинчатых поверхностей, а также интенсификации теплоотдачи со стороны охлаждающего воздуха аппараты таких установо1|Процесса теплоотдачи турбулизацией потока как со стороны охлаждающе-выполняют с развитым оребрением теплопередающей поверхности го воздуха, так и со стороны хладагента.
Ограничения по габаритам и массе теплообменных аппаратов, особенна! Тепловой расчет конденсатора предусматривает определение, либо важные для транспортных холодильных установок, вызывают необходич проверку величины теплопередающей поверхности, обеспечивающей сня-мость поиска для них наиболее совершенных конструктивных форм и нН- тие тепловой нагрузки конденсатора Q„ тснсификации процессов теплоотдачи Основные направления интенсифи-В  кации - уменьшение проходных сечений с обеспечением оптимальных|Ж	Q, = Q„p + Qr61ll + Q„M	(2 42)
скоростей движения теплоносителей, турбулизация потока При этом ме-1Н роприятия по интенсификации процессов теплоотдачи следует осуществ-1 где Q„tp, Q,0HJ, Q„„ - соответственно теплота охлаждения перегретых лять, исходя из условий повышения эффективности холодильной машшЛгрРов хладагента, его конденсации и переохлаждения жидкости перед в целом	дроссельным вентилем
Конденсаторы паровых холодильных машин обеспечивают оХ’| Величину теплопередающей поверхности в м2 находят по уравнению лаждение перегретых паров хладагента, а затем их конденсацию при да! Вплопередачи лении, соответствующем степени повышения давления в цикле холодил») ной машины В машинах многоступенчатого сжатия в конденсаторе, кром<	Fr= Q,/(Q\|/K)	(2 43)
того, производят промежуточное охлаждение паров хладагента В ряд< И
-44-
где 0 - средний температурный напор конденсатора. К, ц/ - коэффицц ент (индекс противоточности), учитывающий схему движения теплоносц I телей (при противотоке, прямотоке или постоянной температуре одного ц I теплоносителей ц/ = 1); К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м’К)
Средние значения коэффициента теплопередачи для конденсаторсц| I транспортных холодильных установок трубного типа с воздушным охлазД дением лежат в пределах 15-50 Вт/(м2К)
При проектировании холодильной машины на заданные условия рабо! ты по найденной величине F, производят подбор соответствующего кон-1 структивного типа конденсатора В поверочных расчетах величину F, col гласовывают с параметрами, определяющими температурный напор кон* денсатора для наиболее тяжелых условий работы машины в летнее время I Особенность теплового расчета конденсатора состоит в том, что условие теплоотдачи при конденсации зависят от неизвестной разности температур хладагента и стенки теплопередающей поверхности Поэтому при машин! ном способе счета тепловой расчет ведут методом последовательных при* ближений, задаваясь рядом значений разности температур конденсаций хладагента и стенки, при ручном способе используют графоаналитические метод расчета в координатах разность температур конденсации и стенки  плотность теплового потока
Гидромеханический расчет конденсатора включает определение потери давления (сопротивлений), возникающих при движении хладагента и ох лаждающей среды (воздух, вода), а также мощности вентилятора или на coca, обеспечивающего движение охлаждающей среды
Потери давления по хладагенту в Па при его движении в трубах
Дрх = Др,р +Дрм = SX (L/d,„)(pW2/2) + i; (pW2/2)	(2 44)
где Др,р, Лрм - соответственно потери давления от трения и местны 1 сопротивлений при изменении направления движения потока или скор<11 сти, Па, А. и С, - коэффициенты трения и местных сопротивлений, которы I приводятся в справочниках по гидравлическим сопротивлениям, L и d,J I длина и эквивалентный диаметр канала, по которому течет хладагент, м I
Мощность вентилятора в Вт, обеспечивающего движение охлаждаюшв! го воздуха в конденсаторе,
N,= G,(Ap, + Apv)/(p,n.)	(2-Ц
-45-
где G,; р, - расход охлаждающего воздуха, кг/с и его плотность, кг/м3; q, - КПД вентилятора; Др, - потери давления по охлаждающему воздуху, Па: Др, - потери давления во внешней воздушной сети, Па
Выбор вентилятора ведут по расходу охлаждающего воздуха и суммарным потерям его давления в системе охлаждения конденсатора
Испарители - основной элемент паровых холодильных машин, в них жидкий хладагент, получая теплоту от охлаждаемого объекта, кипит и в виде паров отсасывается компрессором Испарители могут быть выполнены в различных теплотехнических и конструктивных вариантах Наибольшее распространение получили испарители непосредственного дейст-зия - воздухоохладители, в которых хладагент обеспечивает отвод теплоты от воздуха, непосредственно подаваемого к охлаждаемому объекту, и рассольные, где хладагент охлаждает промежуточный теплоноситель - рассол В транспортных холодильных установках испарители - воздухоохладители используют в машинах, работающих на R12 и R22, а рассольные - на аммиаке
Испарители - воздухоохладители выполняют в виде рекуперативных аппаратов с трубной или пластинчатой (листовой) поверхностью теплообмена и движением хладагента в трубах или каналах, а охлаждающего воздуха в межтрубном или межлистовом пространстве При трубной конструкции поверхность теплообмена со стороны охлаждающего воздуха выполняют с развитым оребрением (степень оребрения в таких конструкциях может доходить до 25)
Рассольные испарители в большинстве случаев представляют собой кожухотрубную конструкцию с гладкотрубной или змеевиковой поверхностью теплообмена и движением рассола в трубах или змеевиках, а хладагента - в межтрубном пространстве.
Тепловой расчет испарителей, также как и конденсаторов состоит в определении величины теплопередающей поверхности F,„ обеспечивающей снятие тепловой нагрузки испарителя Qo, т е. реализацию холодопроизводительности машины Средние значения коэффициента теплопередачи для испарителей-воздухоохладителей холодильных машин, работающих на R12 или R22 при чистой наружной поверхности, составляют 20-35 Вт/(м‘К) Коэффициент теплопередачи испарителей рассольного типа, работающих на аммиаке, лежит в пределах 450-500 Вт/(м2К)
Гидромеханический расчет испарителей, как и конденсаторов, состоит в определении потерь давления (сопротивлений) при движении хладаген-Та> рассола или охлаждающего воздуха, а также необходимой мощности Рассольных насосов или вентиляторов охлаждающего воздуха
-46-
Охлаждение воздуха в системах рассольного типа обеспечивают рас. сольные батареи. Они представляют собой трубные воздухоохладители с движением рассола по трубам, а охлаждающего воздуха в межтрубном пространстве В большинстве случаев трубы оцинкованные с раз-витым наружным оребрением Процесс теплоотдачи от охлаждающего воздуха к наружной поверхности батарей в транспортных холодильных установках проходит при малых скоростях движения воздуха (порядка 0,05 м/с)., поэтому коэффициент теплопередачи для рассольных батарей составляет 3-6 Вт/(м2К).
Регенераторы, используемые для переохлаждения жидких хладагентов (фреонов) паром, отсасываемым из испарителя, выполняют в виде кожухотрубных или кожухозмеевиковых парожидкостных теплообменных аппаратов Коэффициент теплопередачи хладоновых регенераторов змеевикового типа составляет 250-300 Вт/(м‘К), перегрев паров в процессе регенерации не превышает (20н-30)К
Регулирование, автоматизация работы и защита холодильных машинВ процессе эксплуатации транспортная холодильная машина проводит требуемую тепловую обработку скоропортящегося груза, а затем поддерживает заданный температурный режим охлаждаемого помещения, который изменяется под воздействием внутренних и внешних теплопритоков. Решение этих задач путем согласования характеристик отдельных элементов машины при изменении их холодопроизводительности обеспечивает система регулирования
Характеристики представляют собой зависимости холодопроизводительности, расхода энергии на работу компрессора и охлаждение конден-, сатора от внешних условий, т е от температуры окружающей среды Они позволяют установить взаимную связь параметров компрессора, испарителя и конденсатора Построение характеристик проводят по уравнениям теплового баланса системы "холодильная машина - охлаждаемое помещение" и энергетическим соотношениям, описывающим работу основных элементов машины с учетом изменения по времени параметров хладагента и окружающей среды При этом балансовые и энергетические соотношения представляют в функции температуры охлаждаемого объекта (температуры кипения хладагента) и температуры окружающей среды (температуры конденсации хладагента)
Процесс регулирования машины на требуемый режим охлаждения иля на заданный температурный режим теоретически может быть реализован количественным или качественным способом Первый предусматриваем изменение расхода хладагента через испаритель, второй - изменение eri параметров Однако температура охлаждаемого объекта определяется
гемпературой кипения хладагента, которая самоустанавливается в зависимости от холодопроизводительности компрессора, испарителя и конденсатора Поэтому процесс регулирования определяет не только баланс холодопроизводительности компрессора и испарителя, но и температурный vpoeeHb отвода или подвода теплоты Следовательно, регулирование паровой компрессорной машины представляет собой комбинированный процесс, сочетающий количественный и качественный способы Исполнительным органом системы регулирования - регулятором холодопроизводительности служит дроссельный вентиль с изменяемым проходным сечением
Автоматизация работы холодильной машины позволяет с высокой точностью поддерживать требуемый уровень параметров процесса охлаждения. отвечающий оптимальному технологическому режиму, а также частично или полностью исключить участие обслуживающего персонала в эксплуатации холодильного оборудования. В паровых компрессорных машинах объектами автоматизации являются теплообменные аппараты, в частности, степень заполнения испарителя машины хладагентом и давление процесса конденсации.
Объективным и технически наиболее удобным показателем, отражающим степень заполнения испарителя, служит перегрев пара на выходе из него Действительно, в том случае, когда часть теплопередающей поверхности испарителя обеспечивает перегрев паров хладагента, уменьшение его подачи приводит к снижению степени заполнения, а следовательно к росту перегрева При этом повышение температуры перегрева сверх расчетного уровня ухудшает энергетические показатели машины и надежность ее работы Подача хладагента в испаритель в количестве, превышающем возможности процесса теплопередачи, связана с переполнением испарителя и снижением перегрева Последнее приводит к снижению холодопроизводительности машины, а в ряде случаев к работе компрессора на влажном паре, что может привести к гидравлическому удару
Системы автоматического регулирования степени заполнения испари-теля по перегреву паров хладагента выполняют плавными и позиционными (обычно двухступенчатыми). В качестве автоматического регулятора в плавных системах широко используют терморегулирующие вентили 'ТРВ), в которых величину перегрева паров хладагента получают в виде Разности между температурой пара, выходящего из испарителя, и температурой кипения хладагента ТРВ, обеспечивающие процесс дросселиро-вания хладагента от давления конденсации до давления испарения, устанавливают на линии между конденсатором и испарителем.
-48-
В процессе автоматического регулирования ТРВ должен обеспечить | оптимальный уровень заполнения испарителя и устойчивость системы во I всем требуемом диапазоне изменения холодопроизводительности, что I особенно важно для холодильных машин РПС Практически устойчивая I работа системы с ТРВ начинается при перегреве (Зч-б) К Для расширения I диапазона регулирования и повышения его устойчивости в системе может I быть использовано несколько ТРВ
Процесс автоматического регулирования давления конденсации хлада-1 гента в машинах с конденсаторами воздушного охлаждения осуществляют! изменением скорости или расхода охлаждающего воздуха Технически ere I обеспечивают системой жалюзи или поворотных заслонок, использована-1 ем вентиляторов с изменяемым углом установки направляющих лопаток, I применением двухскоростных электродвигателей, а также периодическим I выклтдчением вентиляторов Изменение скорости или расхода охлаждаю-1 щего воздуха приводит к изменению коэффициента теплопередачи кон-1 денсатора, а следовательно к изменению температуры и давления процесса! конденсации В ряде случаев повышение температуры конденсации доби-1 ваются частичным подтоплением поверхности конденсатора жидким хла-Г да гентом.
Приборы автоматического регулирования помимо контроля параметров I испарителя и конденсатора поддерживают заданную температуру воздуха в охлаждающем помещении, обеспечивают своевременное удаление инея ("снеговой шубы") с поверхности испарителя и т.д. Работу системы регулирования сочетают с автоматической защитой, которая включает ком-] плекс мероприятий по безопасной эксплуатации и предупреждает аварий-] ные режимы путем отключения машины
Система автоматической защиты включает соответствующие датчики -реле защиты и устройства для преобразования импульсов от этих реле в сигнал останова В ряде случаев систему защиты дополняют блокировкой, которая исключает повторный пуск машины без устранения причины, вызвавшей срабатывание зашиты В компрессорных холодильных машинах | датчики системы защиты следят за уровнем максимального давления и | температуры хладагента на нагнетании компрессора, минимального дав-; | ления на всасывании, за давлением и температурой масла в системе смая | ки, за работой электродвигателя, исключающей его перегрузку или корот-,1 кое замыкание В систему автоматической защиты может быть введена I световая или звуковая сигнализация, оповещающая о достижении пр©1 I дельного значения контролируемой величины или приближения к опасней: I му режиму работы машины
-49-
рефрижераторном
машин
и
,,-плового насоса. Несмотря на достаточное конструктивное со-„-ршенство, приемлемые эксплуатационные показатели и высокую энергическую эффективность современных паровых компрессорных холодильных машин, продолжаются поиски принципиально новых решений в власти холодильной техники для РПС Эти поиски в основном ведут в Ljyx направлениях: первое связано с использованием воздуха в качестве мадагента, второе - с переходом к безмашинным вариантам холодильных
,;тановок, в частности, теплоиспользующих и термоэлектрических
Желание использовать в установках РПС воздух в качестве хладагента связано с серьезными конструктивными и технологическими преимущест-дми такого варианта, обусловленными доступностью воздуха, его гигиеничностью, невзрывоопасностью, возможностью непосредственной подари ^охлаждаемое помещение. Воздушную холодильную машину отличает тростота конструкции, малая металлоемкость, повышенная надежность В .чей может быть реализован цикл с тепломассообменом, что способствует сохранению скоропортящихся грузов при их перевозке В настоящее время интерес к воздушным машинам кроме того обусловлен экологическими требованиями, которые ограничивают использование в качестве хладагентов фтор-хлорсодержащих углеводородов, обладающих при попадании в атмосферу озоноразрушающим действием и способствующих "парнико-юму эффекту”.
I .Существенным препятствием на пути использования воздушных холодильных машин в установках РПС оказывается низкая эффективность их аикла, связанная с существенной необратимостью реальных процессов 'акой машины, а также малая теплоемкость воздуха, что требует для полу-тения даже небольшой холодопроизводительности значительных расхода воздуха Величина холодильного коэффициента действительного цик-а воздушной машины простейшей схемы в диапазоне температур, харак-’ерных для условий РПС, оказывается равной 0,75-0,85, что в 2-2,5 раза h''*.e значений холодильного коэффициента цикла паровой компрессор-|';и машины, работающей на R12.
Повышение эффективности воздушной холодильной машины достига-гтвведением дополнительных схемных теплотехнических мероприятий, в '’стности, многоступенчатого повышения давления с промежуточным ох-"3*дением воздуха между ступенями, рециркуляцией охлажденного воз-4'*а, а также использованием регенерации В последнем случае воздух,
-51-
станавливается) до давления конденсации, с которым пар поступает в конденсатор, охлаждаемый наружным воздухом На выходе из конденсата поток жидкого рабочего тела разделяется одна часть его нагнетается щеосом в парогенератор, где превращается в рабочий пар, другая (хлада-|ffrr) - проходит дроссельный вентиль, дросселируется с понижением «Йпературы до требуемого уровня и поступает в испаритель, обеспечивая «вод теплоты от охлаждаемого груза
В качестве рабочего тела в пароэжекторных холодильных машинах мо-*ег быть эффективно использована широкая гамма легкокипящих хладагентов с высоким значением критической температуры, в том числе ряд Ионов Их применение позволяет обеспечить относительно низкие температуры кипения, а следовательно и давления в парогенераторе, избежать икуума в аппаратах, что существенно упрощает схему машины Серьез-А трудности, возникающие в связи с высокой текучестью фреонов, а гаХже с плохой работой сложных по конструкции насосов (возможно
-50-
сжатый в компрессоре и прошедший охладитель, направляют в регенер, тор, где его охлаждают воздухом, выходящим из охлаждаемого помецц ния Характерная положительная особенность регенеративного цикла, I ряду с более высокой эффективностью, состоит в снижении при той удельной холодопроизводительности требуемой степени повышения да* I ления, что упрощает конструкцию компрессора и уменьшает затрату энгр гии на его привод Успешное использование на РПС воздушных хо.то I дильных машин помимо реализации схемных мероприятий требует созм I ния высокоэффективных воздухо-воздушных теплообменных аппарату I малорасходных компрессорных машин и турбодетандеров
Интерес к теплоиспользующим холодильным машинам (пароэжеьто|) ным и абсорбционным), работу которых обеспечивает затрачиваемая те| лота, а роль машинных элементов выполняют смесительные или теплое менные аппараты, в условиях РПС связан с требованиями надежности Ка показывает статистика, на долю машинного энергохолодильного оборуда 'к7таний йладагейта на всасывании насоса ‘и срыв его работы), могут вания РПС приходится свыше 50% номенклатуры отказов Учитывая, чт 6ыть преод0лены использованием инжекторной подачи рабочего пара в надежность работы аппаратов практически на два порядка выше надежд Вогеиератор вместо насосной сти машины, можно ожидать существенного повышения эксплуатаииов	----
ной эффективности при использовании на РПС аппаратных энергохоЯ
дильных систем вместо машинных за счет снижения затрат на обслужив» 7рййекта'в'7этогоГнГпр’авленйя связаны с оптимизашшй режимов работы
5ыть преодолены использованием инжекторной подачи рабочего пара в
В настоящее время возможности использования пароэжекторных холодильных машин по сравнению с компрессорными ограничены Реальные
ние и ремонт
Основным параметром пароэжекторной холодильной машины слуха эжектор представляющий собой струйный аппарат смесительного thij L.cb Термодинамический цикл пароэжекторной машины сочетает прямой пар силовой цикл (парогенератор - эжектор - конденсатор - насос - пароген! ратор) и обратный холодильный (эжектор - конденсатор - дроссельны вентиль - испаритель - эжектор) При этом в прямом цикле эжектор вы полняет роль расширительной машины, а в обратном - компрессора
Рабочее тело прямого цикла в виде пара высокого давления и темпер! туры (рабочий пар), полученного в парогенераторе за счет сжигания то! лива, поступает к соплу эжектора В сопловом канале обеспечивается пи цесс расширения рабочего пара, при котором потенциальная энергия им образуется в кинетическую энергию потока, давление на выходе из сопло11 вого канала устанавливается ниже давления в испарителе В результат* I понижения давления в камеру смешения эжектора подсасывается (эжект* I руется) рабочее тело холодильного цикла - хладагент В процессе смеич I ния потоков давление образовавшегося влажного пара повышается т* уровня, определяемого соотношением расходов и давлениями обоих поч ков В диффузоре эжектора обеспечивается преобразование части кинеЯ ческой энергии потока в потенциальную; давление смеси повышаете!
«.’.шины по уровню термодинамических параметров цикла, подбором со-ОДетствующего хладагента, газодинамическим совершенствованием -^Жтора.
Работу абсорбционных холодильных машин обеспечивает протекание Процессов в бинарных растворах при изменении их концентрации, которое Доходит как с поглощением теплоты, так и с ее выделением. Бинарные чртворы представляют собой смеси двух компонентов, у которых при од-*ом и том же давлении резко отличаются температуры кипения В такой меси легкокипящий компонент выполняет роль хладагента, а компонент ^(Значительно более высокой температурой кипения — поглотителя (аб-’орбента) Уровень температуры кипения каждого компонента зависит от 'в концентрации в растворе; последняя также определяет количество теплоты, выделяемой или поглощаемой в процессе растворения
Термодинамический цикл абсорбционной машины осуществляют путем ,,!зменения концентрации компонентов в теплообменных аппаратах (гене-Раторе и абсорбере) за счет способности раствора поглощать пары хлада--Нта Повышение давления рабочего тела в таком цикле обеспечивает 'Фоцесс химической абсорбции, которая выполняет роль «термохимического» компрессора Наиболее распространенным бинарным раствором,
-52-
используемы.м в абсорбционных машинах, является водоаммиачный, г, аммиак служит хладагентом, а вода - абсорбентом
В условиях РПС существенным препятствием для использования аб сорбционной машины, помимо её низкой экономичности, оказывает^ сложность охлаждения абсорбера наружным воздухом, учитывая низщ температурный уровень отводимой теплоты Интерес к абсорбциончц машинам связан с возможностью использования в генераторе теплоц низкого потенциала, в частности теплоты отработавших газов двигател силовой установки В этом случае существенные преимущества перед дц, Зелем получают газотурбинные двигатели, располагающие благоприятны ми возможностями по утилизации теплоты отработавших газов путем ус тановки на выхлопе котла-утилизатора, который служит генератором аб сорбционной машины Ряд конструктивных вариантов подобной комбики рованной энергохолодильной системы способен обеспечить тепловую эф фективность на уровне современной установки, состоящей из дизель генератора и паровой компрессорной холодильной машины
Интерес к термоэлектрическим холодильным машинам, обеспечиваю щим непосредственное преобразование электрической энергии в тепловук связан с отсутствием в них машинных элементов, использованием воздух! в качестве хладагента, благоприятными показателями по габаритам и мао се Принцип действия термоэлектрического охлаждения (эффект Пельтье) связан с появлением разности температур, а следовательно с поглощение! или выделением теплоты в местах соединения - спаях двух ветвей цега термоэлемента при пропускании по ней постоянного тока Ветви цепи выполняют из разных проводниковых или полупроводниковых материалов место поглощения или выделения теплоты на спаях зависит от направлю ния тока в цепи Эффект Пельтье противоположен по своему действию известному принципу термопары (эффект Зеебека), широко используемому в технике для измерения температур и состоящему в появлении электрического тока в цепи двух проводников (полупроводников), спаи кото рых находятся под действием различных температур Энергетические па раметры и показатели эффективности термоэлектрического охлаждения I основном определяют физические свойства материала ветвей термоэле мента В современных термоэлементах используют полупроводниковый материалы, полученные на основе соединений селена, сурьмы, висмута < теллура в виде твердых растворов и сплавов со специальными присадками
Тепловой поток, называемый теплотой Пельтье, который возникает I цепи полупроводникового термоэлемента, состоящего из двух полупр® водников и источника питания, потребляющего мощность N, вызывав поглощение теплоты Qo (холодопроизводительность термоэлемента) при
-53-температуре «холодного» спая То и выделение теплоты Q, при температуре «горячего» спая Tt. Эффективность термоэлектрической холодильной машины, определяемая холодильным коэффициентом е = Qo/N, имеет экстремальный характер зависимости от величины тока, протекающего в цепи Термоэлемента. Следовательно, для термоэлемента, выполненного из определенных полупроводниковых материалов, существует оптимальное значение тока и напряжения, обеспечивающих максимум холодильного коэффициента Получение в термоэлектрической машине температур, требуемых условиями работы систем охлаждения РПС, и необходимых токов (мощностей) может быть реализовано в многокаскадных полупроводниковых батареях с определенным количеством групп параллельно и последовательно соединенных полупроводниковых термоэлементов
В настоящее время для обеспечения малой холодопроизводительности масса термоэлектрической машины оказывается в 2-3 раза, а объем в 3-4 раза меньше, чем у соответствующей фреоновой Однако экономичность термоэлектрических машин практически вдвое ниже (холодильный коэффициент современных термоэлектрических машин находится на уровне абсорбционных) Кроме того эти машины существенно дороже фреоновых, что связано с высокой стоимостью полупроводниковых материалов Поэтому перспективы применения термоэлектрических машин в холодильных установках РПС зависят от прогресса в технологии получения и использования полупроводниковых материалов, способных повысить энергетическую эффективность и существенно снизить стоимость
I Весьма привлекательным свойством термоэлектрической холодильной машины в условиях РПС служит обратимость, позволяющая использовать ее в качестве теплового насоса для обогрева холодочувствительного груза в холодное время года Тепловым насосом называют термотрансформатор, т е тепловую машину, работающую по обратному холодильному циклу, полезным эффектом которого служит теплота высокого потенциала Q, при температуре Ть используемая на нужды обогрева В Цикле теплового насоса за счет затраты механической энергии L„ происходит перенос теплоты от источника низкого потенциала (в условиях РПС от окружающей среды при температуре То) к «горячему» источнику - воздуху при температуре Т|>Т0, подаваемому в грузовое помещение вагона для обогрева
Эффективность цикла теплового насоса оценивают коэффициентом преобразования
Ч> = Qi/U = Qi/(Qi - Qo) = 1/[1- (Тс/Г,)]
(246)
-54-
Формула коэффициента преобразования показывает, что использова ние теплового насоса для целей обогрева оказывается более эффективным чем прямой электронагрев, при котором Q, = L„. Коэффициент преобразо вания связан с холодильным коэффициентом обратного цикла очевидны, соотношением (р = е + 1.
В термоэлектрической холодильной машине переход на работу в режи ме теплового насоса осуществляют переменой направления тока в нет термоэлемента Паровая компрессорная машина также может быть эффег тивно использована для нужд обогрева Однако в этом случае процесс об ращения требует внесения ряда схемных или конструктивных дополнений обеспечивающих либо перемену направления движения хладагента в теп лообменных аппаратах, либо теплоносителя - атмосферного воздуха Е первом случае меняется функциональное назначение аппаратов конденса тор выполняет роль испарителя - воздухонагревателя и наоборот, во втором - атмосферный воздух подают к испарителю, а воздух, нагретый i процессе охлаждения конденсатора, в грузовое помещение вагона
Оптимизация параметров паровой компрессорной машины при кругло годичном ее использовании (летом в режиме холодильной машины, зимо; - теплового насоса) может быть решена выбором наиболее благоприятно, конструктивной схемы и соответствующего хладагента, а также комбини рованным вариантом работы в режиме обогрева В последнем случае оптимальные параметры обратимой машины должны отвечать требованиям режима охлаждения и наиболее вероятного распределения температур на ружного воздуха для режима обогрева: снятие пиков отопительной на грузки обеспечит электронагрев
2.3 Конструкция основных типов рефрижераторного подвижного состава и их энергохолодильное оборудование
Рефрижераторный подвижной состав, эксплуатируемый в настоящее время на дорогах страны, состоит из 5-вагонных секций отечественного производства (Брянский машиностроительнй завод - БМЗ), а также • вагонных секций и автономных рефрижераторных вагонов (АРВ) производства завода в г Дессау(бывшая ГДР) Секции формируются из четырех грузовых и одного служебно-технического вагона, помещаемого в середине состава АРВ представлены двумя модификациями: со служебным отделением и без него.
Пятивагонные секции БМЗ. Некоторые технические хз-рактеристики и конструктивные особенности секций БМЗ типа РС-4:
-55-
Длина состава по осям сцепки вагонов, м - 106,8
Длина кузова грузового вагона, м	- 22
Грузоподъемность секции, т	-184
Полезная площадь грузовых помещений, м2 - 185,6
Полезный объем грузовых помещений, м3 - 447,2.
I Грузовые вагоны секций БМЗ состоят из грузового и машинного отделения Оборудование вагона включает холодильно-отопительные установки устройства приточно-вытяжной системы вентиляции, датчики контроле температуры в грузовом отделении Кузов вагона цельнометаллический, сварной с несущими стенами из низколегированной листовой стали Наружная обшивка стен и крыши имеет продольные гофры Внутренняя обшивка стен и потолка изготовлена из листов алюминия с накладкой на стены вертикальных гофр На пату грузового отделения установлены нагольные решетки из алюминия. Погрузочные двери прислоннозадвижного типа с резиновым уплотнением, обеспечивающим плотное прилегание к дверному проему
 В машинном отделении вагона размещены два компрессорно-конденсаторных агрегата холодильных машин; в грузовом отделении (со (Стороны машинного) размещен воздухоохладитель (испаритель холодильной машины) и электронагреватель Охлажденный или подогретый воздух двумя вентиляторами с электроприводом подается в грузовое отделение по специальному вентиляционному коробу, закрепленному под потолком вагона Для вентиляции грузового отделения эти же вентиляторы засасывают наружный воздух через специальный воздухозаборник в боковой стене вагона и выбрасывают его через дефлектор, установленный на крыше Окна для входа и выхода воздуха перекрыты регулируемыми заслонками  Служебно-технический вагон (вагон-электростанция) включает дизельное аппаратное (щитовое) и аккумуляторное отделения, котельную, кух-Кю-салон, туалет-душевую и купе для отдыха обслуживающего персонала В дизельном отделении размещены две дизель-генераторные установки, а также охладители воды системы охлаждения дизелей и масла системы смазки Охладители воздушные, забор наружного воздуха производят через-регулируемые жалюзи в боковой стене вагона, выброс - через жалюзи на противоположной стене Воздух для питания дизелей проходит через специальный фильтр, размещенный в боковой стене вагона В дизельном отделении размещены два расходных бака дизельного топлива и установлены насосы (ручной и с электроприводом) для заполнения этих баков
-57-
-56-
Над дизель-генераторами размешены глушители шума отработавших газов
В аппаратном отделении смонтирован распределительный щит с при-борами контроля и управления работой дизель-генераторных и холодильно-отопительных установок, приборы сигнализации В котельном отделении установлен котел водяного отопления с ручным насосом для прокачки системы отопления вагона и заправки ее водой
Кузов служебно-технического вагона цельнометаллический, сварной конструкции Внутренняя обшивка стен и крыши дизельного, аппаратного и аккумуляторного отделений, а также котельной и кухни-салона выполнена из листовой стали Стены бытовых и служебных отделений отделаны огнестойким слоистым пластиком, а потолки - повинолом В боковых стенах расположены двери и опускные окна; в торцовой стене предусмотрены отверстия для вентиляторов На кузове вагона имеются штепсельные разъемы для присоединения оборудования секции к внешнему источнику электроснабжения
Дизель-генераторные установки секций БМЗ состоят из дизеля типе- I
Рис.2.7
размерного ряда 6ЧН12/14 и электрического генератора переменного тока 1 Дизели этого ряда (К-461М2 вихрекамерные и К-771 с камерой в поршне) I со степенью сжатия 13,5 выполнены на единой конструктивной основе,] отвечающей принципам создания современных быстроходных четырех-1 тактных дизелей с вертикальным рядным расположением цилиндров и турбонаддувом Номинальная эффективная мощность дизеля К-461М.-| 84,6 кВт. дизеля К-77] 110 кВт (увеличение мощности достигнуто установкой турбонагнетателя более высокого размерного ряда), номинальная | частота вращения коленчатого вала 1500 мин', удельный эффективный] расход топлива 252 г/(кВт ч) Дизели оборудованы системами контроля I работы, предупредительной сигнализации и автоматической защиты Ком-] плект оборудования дизель-генераторных установок включает аппаратуру] автоматического регулирования и электрораспределительный щит
Грузовые вагоны секций БМЗ оснащены холодильно-отопительными] установками типа ВР. На серийных секциях используют установки ВР-) М] и ВР-18, состоящие из двух фреоновых холодильных машин и блока элек-] тронагревателей, которые работают одновременно или поочередно При I этом каждая из машин обеспечивает 75% максимальной нагрузки вагона по холоду Холодильные машины установок типа ВР выполнены с одно-| ступенчатым повышением давления и регенерацией
Принципиальная тепловая схема машины приведена на рис.2 7
При работе в режимах охлаждения компрессор 1 сжимает пары хлада-Ата и нагнетает их в конденсатор 13 с принудительным воздушным ох-аждением, которое обеспечивает осевой вентилятор 14 Из конденсатора •идкий хладагент поступает в ресивер 15, а далее в регенеративный теп-Вбменник 10, где переохлаждается парами, отсасываемыми из испарите-Ьоздухоохла. ителя 9 На линии жидкого хладагента установлен комби-ованный фильтр-осушитель 11 сетчатого типа После регенеративного юобменника хладагент поступает к терморегулирующему вентилю 6, а злее через распределитель («паук») 8 к испарителю Осевыми вентилято-змй 7 охлажденный в испарителе воздух подается в грузовое помещение згона.
Контроль за работой компрессора и его защиту обеспечивают маномет-4'4, реле давления смазки 16, реле минимального давления хладагента на Эсывании 2 и максимального давления на нагнетании 17, автоматиче-Чш регулятор давления 3, объемный расходомер 12, обратный клапан 18  всасывающей и нагнетательной линиях компрессора установлены за-фные вентили, разгрузку компрессора при пуске производят включени-||6а Опасного вентиля 19.
Снятие с поверхности испарителя «снеговой шубы» выполняют пода-В горячих паров хладагента по линии оттаивания от компрессора к ис-
-58-парителю через соленоидный вентиль 5. Управление процессом оттаива, ния дистанционное.
Компрессорно-конденсаторный агрегат машины, все элементы KoropJ го смонтированы на общей раме, включает поршневой компрессор, кош денсатор. вентилятор конденсатора с его приводным электродвигателем, ресивер, фильтр-осушитель, регенеративный теплообменник, соедини! тельные трубопроводы с запорной арматурой, контрольные и измеритель ные приборы В машинном отделении вагона компрессорно конденсаторные агрегаты обеих машин установки ВР размещены один на; другим
Поршневой компрессор блок-картерной конструкции, полутермети| ный, бессальниковый, непрямоточный с веерным расположением цилина ров. охлаждаемых воздухом, и встроенным электродвигателем с фреоне вым охлаждением Холодопроизводительность компрессора март 2ФУУБС-18 20,9 кВт, частота вращения вала 1000 мин ', мощность при! водного электродвигателя 11 кВт
Теплообменные аппараты холодильных машин в установках ВР (конденсатор и испаритель) трубные секционного типа Их теплопер* дающая поверхность образована горизонтальными медными трубками * развитым наружным оребрением в виде латунных ребер Конденсатор а бран из восьми трубных секций, смонтированных в батарею Теплопер( дающая поверхность конденсатора 90 м2, подача охлаждающего воздух 8500 м’7ч; мощность электродвигателя вентилятора 0,4 кВт.
Испаритель-воздухоохладитель представляет блочную конструкции обслуживающую обе холодильные машины установки ВР Трубки тепле передающей поверхности объединены в змеевики и образуют секии! скомпонованные в два вертикальных ряда, параллельно работающих соответствующую машину Общая теплопередающая поверхность испари теля 185 м2; подача охлаждающего воздуха двумя осевыми вентиляторам! 16000 м7ч
Напзыходе из испарителя размещен блок электронагревателей Блок оя разован девятью параллельно соединенными группами по шесть эле.мей тов в каждом Общая мощность нагревателей 16,2 кВт
Регенеративный теплообменник змеевикового типа с поверхностью ” плообмена 0,9 м2
Пят и вагонные секции завода в г. Дессау. Техни* ские характеристики секций типа ZB-5 практически совпадают с харак* ристинами секций БМЗ типа РС-4 Их вагоны выполнены в виде облегче* ной цельнометаллической стальной конструкции Наружная обшивка грЯ зовых вагонов представляет собой листы с горизонтальными гофрами >
-59-
тренней обшивки грузовых помещений применен оцинкованный гальной лист, пол покрыт резиновым настилом Двери грузового поме-1(1иия поворотные с уплотнением разъемов Система циркуляции воздуха фузовыхдагонах направляет струю воздуха по стенам, обеспечивая рав-Биерное температурное поле по объему грузового помещения как при (Лаждении, так и при отоплении
Служебно-технический вагон (вагон-электростанция) имеет дизельное Веление, кабину управления с распределительными щитами, отсек для Яла водяного отопления и служебное отделение, в котором размещены игня-салон, туалет с душевой, спальное купе, а также салон с диваном, влом и стульями В дизельном отделении смонтированы две главные Всль-генераторные установки с дизелями типа 4VD-21/15 и вспомога-:.тьная установка с дизелем 4NVD-12.5 Топливные баки размешены в Бельном отделении, а также под вагоном На кузове вагона имеются Лепсельные разъемы для присоединения к внешнему источнику электро-фбжения
[Дизели 4VD-21/15 предкамерные с естественным наполнением цилинд-В; степень сжатия 18 Номинальная эффективная мощность 88,2 кВт, зминальная частота вращения коленчатого вала 1000 мин '; удельный [фективный расход топлива 237 г/(кВт ч)
[Дизели 4NVD-12.5 вихрекамерные с естественным наполнением и воз-|1Ш1ым охлаждением цилиндров; степень сжатия 18 Номинальная эф-[ктивная мощность 18,8 кВт; номинальная частота вращения коленчато-|₽ала 1500 мин ', удельный эффективный расход топлива 265 г/(кВт ч).
Секции ZB-5 оборудованы холодильно-отопительными установками та ФАЛ-056 с фреоновыми машинами различных модификаций Холо-шьные машины установок ФАЛ-056 выполнены по однотипной схеме с йхступенчатым повышением давления без промежуточного охлаждения (нструктивно машины представляют собой сочетание двух жестко свя-анных агрегатных блоков компрессорно-конденсаторного, устанавли-аемого в машинном отделении, и испарителя-воздухоохладителя, размечаемого в грузовом помещении вагбна
Работа машины осутцествляется по следующей схеме В режиме охлаждения компрессор отсасывает пары хладагента из испарителя-Ьухоохладителя, последовательно сжимает их в цилиндрах первой и »ой ступеней до требуемого давления и нагнетает в конденсатор Ох-Кдение паров хладагента и их конденсацию производят наружным воз-<ом, движение которого обеспечивают два вентилятора. На выходе из аденсатора жидкий хладагент очищают в фильтре и осушают, после че-пройдя электромагнитный клапагуон поступает к терморегулирующему
аппараты (конденсатор
-60-
вентилю, а далее через распределитель («паук») - к испарителю воздухоохладителю Поток охлажденного в испарителе воздуха подается । грузовое помещение вентилятором Для снятия с поверхности испарите^ «снеговой шубы» предусмотрена линия оттаивания На выходе из испари теля размещают электронагреватель для подогрева воздуха, направляемой в грузовое помещение вагона в холодное время года
Холодопроизводительность установки типа ФАЛ-056 4,3 кВт. мощ ность электронагревателей 6 кВт. максимальная потребляемая мошносп при охлаждении 12,5 кВт, при отоплении 8 кВт.
Компрессорно-конденсаторный агрегатный блок в машинах ФАЛ-051 включает компрессор, конденсатор, вспомогательное оборудование, тру бопроводы с запорной арматурой, контрольные и регулирующие приборы электроаппаратные комплексы Компрессоры холодильных машин ФАЛ 056 полугерметичные со встроенным электродвигателем, непрямоточные четырехцилиндровые с V-образным расположением цилиндров, три из ко торых работают параллельно в качестве первой ступени повышения да» ления, а четвертый - второй Мощность приводного электродвигателя 7,5 кВт
Теплообменные
воздухоохладитель) представляют собой батарею алюминиевых труб < наружными ребрами, состоящую из секций Общая теплопередающая поверхность конденсатора 72 м2; поверхность испарителя-воздухоохладите.-м 64 м2. Автоматический контроль работы машины и заполнение ее испарителя хладагентом обеспечивают тер.морегулирующие вентили
Автономные рефрижераторные вагоны. Некоторые технические характеристики и конструктивные особенности АРВ без служебного отделения длиной 21м:
Грузоподъемность, т	- 42,4.
Полезная площадь грузового помещения, м2 - 45.
Полезный объем грузового помещения, м3 - 100.
АРВ имеет грузовое помещение и два машинных отделения (отсека), рас1 положенных в торцах вагона и отгороженных от грузового помещения перегородками В каждом машинном отделении установлен дизели генератор с дизелем 4NVD-12,5, над которым размещена холодильная м3' шина и электронагреватели установки типа ФАЛ-056 Для грузового помещения в вагонах последней модификации применена «душируюшаЯ! система циркуляции воздуха Охлажденный в испарителе холодильное машины или подогретый воздух подается вдоль боковых стен, чем обеЧ печивается его свободная циркуляция по всему объему помещения ДЧ вентиляции грузового помещения предусмотрен забор наружного воздуха
-61-
иерез специальные отверстия в торцовых стенах вагона; вентиляционный *>здух отводится из помещения через дефлекторы, установленные на фыше вагона. Вентиляционные каналы оснащены регулируемыми запонками
 Кузов АРВ цельнометаллический облегченной сварной конструкции. Наружная обшивка выполнена из стального листа с горизонтальными гофрами Внутренние боковые стены грузового помещения изготовлены из инкованных панелей с вертикальными гофрами; потолок облицован ердоволокнистыми плитами Пол грузового помещения имеет деревян-й настил, на который наклеена листовая резина На пол установлены таллические оцинкованные напольные решетки Двери грузового пометил вагона одностворчатые прислонно-задвижного типа На кузове АРВ :еются штепсельные разъемы для питания оборудования вагона от 1ешнего источника электроснабжения
-62-
ГЛАВА 3 ЭНЕРГЕТИКА ПАССАЖИРСКОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
3.1.	Система воздухоподготовки
В соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями при пере-, возке пассажиров внутри вагона необходимо создать и поддерживать ком-' фортные условия дня находящихся в нем людей Эти условия предполагают наиболее благоприятное сочетание температуры, влажности и подвиж-1 ности воздуха в зоне нахождения пассажиров независимо от состояния окружающей среды. Создание и поддержание комфортных условий обес-. печивает система воздухоподготовки, включающая агрегаты систем отопления, вентиляции, охлаждения и увлажнения воздуха, а также устройства автоматического регулирования Комплексная воздухоподготовка получила название система кондиционирования воздуха (С К В) Входящие в СКВ пассажирских вагонов отдельные системы тесно связаны между собой и имеют общие агрегаты Так, например, калорифер системы отопления одновременно является воздухоподогревателем системы вентиляции, испаритель холодильной машины, входящей в систему охлаждения, - воздухоохладителем системы вентиляции и т.д.
Общепринятой классификации СКВ не существует Для пассажирских вагонов такие системы можно отнести к комфортным, предназначенным для создания и автоматического поддержания температуры, относительной влажности, чистоты и скорости движения воздуха, отвечающих оптимальным санитарно-гигиеническим требованиям При проектировании СКВ необходим обоснованный выбор расчетных параметров наружного воздуха, подаваемого в вагон, и параметров воздуха в помещениях вагона Известно, что комфортное тепловое ощущение человека может быть соз-1 дано различным сочетанием температуры воздуха, его влажности и под-] вижности, а также теплового излучения внутренних поверхностей ограж-1 дения помещения. Для оптимального выбора этих параметров при расчете СКВ пассажирских вагонов используется интегральный метод, в соответ-] ствии с которым влияние параметров на процесс теплообмена отражается] интегральными значениями условной величины, выраженной в градусах результирующей температуры, °РТ, учитывающей воздействие того иля иного параметра на организм человека
Расчет СКВ производится для умеренного климатического района, исходя из тепловых ощущений человека, одетого в обычную для комнатных условий одежду и выполняющего легкую работу. Для летних условий, температура наружного воздуха принимается равной 22,8 °РТ, для зимних J
-63-
	18,3 °РТ. Отдельные параметры микроклимата в вагоне должны нахо-диться в следующих пределах:
•	Относительная влажность воздуха 50+20%;
I Подвижность воздуха в местах нахождения пассажиров не более 0,2 I м/с зимой и 0,25 м/с летом при работе холодильной установки СКВ;
•	Алгебраическая разность между средневзвешенной температурой I внутренних поверхностей ограждения и температурой воздуха в ваго-I не не более ±4°С;
•	Разность температур воздуха по высоте и длине вагона не более 3°С;
	Устройства автоматического регулирования параметров микроклимата
	должны обеспечивать автоматическое поддержание средней темпера-
	туры воздуха в вагоне в пределах ±2 °C от её расчетных значений для
	соответствующего периода года
I При определении теплового излучения внутренних поверхностей ограждения вагона в качестве расчетной принимают их средневзвешенную Вемпературу
RUn, = Z t,Fi/Z F.
(3.1)
I где t; и F; - соответственно, температура и поверхность отдельного эле-Мента ограждения (пола, потолка, окон, стен, перегородок, приборов отопления)
I Расчет СКВ производится с помощью номограммы, состоящей из четырех шкал, отражающих влияние рассмотренных параметров микроклимата на тепловое ощущение человека
I Более подробно с выбором параметров микроклимата в вагоне можно «знакомиться в инструктивных указаниях "Санитарные нормы параметров Микроклимата в пассажирских вагонах с установками кондиционирования воздуха", №ЦУВСС-5, Москва, 1988 г
I В пассажирских вагонах российских железных дорог применяют только круглогодичные СКВ с централизованным получением холода и смешан-воздуха летом, нагре-
рым получением теплоты (охлаждение и осушение 1ание и увлажнение воздуха зимой)
В настоящее время на российских железных
дорогах используются СКВ:
Одноканальная с рециркуляцией воздуха;
Одноканальная многозональная с местными системами регулирования в каждом купе;
-64-
• Двухканальная с камерой смешивания
В одноканальной схеме с рециркуляцией наружный воздух поступает в смесительную камеру, где смешивается в определенной пропорции с воз-1 духом, выходящим из вагона, очищается, проходит через калорифер и воз-1 духоохладитель и через нагнетательный воздуховод подается в купе За-] тем через решетки в боковых внутренних перегородках воздух подается в коридор, откуда через решетки в его потолке частично возвращается в смесительную камеру, а остальная часть через дефлекторы в туалетах удаляется из вагона Вентилятор в соответствии с конструктивным исполнением системы может располагаться как перед калорифером и воздухоохладителем, так и непосредственно за ними Для регулирования расходов наружного и рециркуляционного воздуха используют заслонки. Для более гибкого регулирования температуры воздуха в обход калорифера и возду-1 хоохладителя может устанавливаться байпасная линия
В одноканальной многозональной схеме имеется возможность регули-1 рования температуры воздуха в каждом купе пассажирами
При двухканальной схеме воздух после смесительной камеры направляется в два нагнетательных воздуховода, в одном из которых установлен калорифер, а в другом воздухоохладитель В купе воздух подается через решетки с индивидуальным регулированием расхода Такая схема позволяет более гибко регулировать температуру воздуха в вагоне
Во всех рассмотренных схемах СКВ применяется рециркуляция воздуха - использование части воздуха, удаляемого из вагона, для подмешивания к свежему воздуху, поступающему в вагон Рециркуляция позволяет снизить холодопроизводительность холодильной установки СКВ в летнее время и мощность системы отопления в зимнее время. С другой стороны применение рециркуляции снижает содержание кислорода в воздухе, по- i даваемом в помещения вагона Исходя из вышесказанного, определено целесообразное соотношение расходов наружного и рециркуляционного воздуха в пределах
Общее количество воздуха, подаваемого в вагон, определяют из расчета холодопроизводительности холодильной установки СКВ с учетом санитарно-гигиенических требований В соответствии с ГОСТ 12406-79 в летних условиях на одного пассажира необходима подача не менее 25 м’/ч наружного воздуха, а в зимнее время не менее 20 м'/ч..
Холодопроизводительность СКВ считают ее важнейшей характеристикой при работе в летних условиях. В первом приближении холодопронз- I водительность можно оценить как Qo из формулы 1 1, Для более точного ее I определения необходимо учитывать влажностный баланс пассажирского I
-65-
помещения вагона Для расчета холодопроизводительности используем h-{диаграмму влажного воздуха (рис. 3.1)
Рис 3.1

«Точка А на диаграмме определяет параметры наружного воздуха, точка - параметры воздуха в вагоне Для поддержания требуемого микроклина в вагон подают смесь наружного и рециркуляционного воздуха. Точ-| М, отражающая состояние этой смеси, делит прямую АВ в отношении, t-ветствующем количествам наружного и рециркуляционного воздуха
альпию смеси воздуха hcu (кДж/кг) и ее влагосодержание dc„ находят из отношений:
htw = (G"Ji„+ Gc,ph,)/ G“„ + G“ )	(3.2)
<U = (G'U, + G“pd,)/( G“„ + G“ )	(3 3)
[где GC“H и G‘np - соответственно, поступления в вагон сухого наружного Icyxoro рециркуляционного воздуха, кг/с, h„ и h, = hp - их энтальпии, Ьж/кг; d„ и d, = dp - их влагосодержания, кг/кг.
| Расход наружного сухого воздуха определяют из соотношения
G“H = G,/(l+dJ
(3 4)
-66-
где G„ - поступление влажного наружного воздуха в вагон в соответствии с формулой 110
Точка N (или N') на диаграмме отражает состояние воздуха, поступающего после воздухоохладителя холодильной машины Положение точки М определяется лучом процесса изменения состояния воздуха в вагоне NB,1 наклон и длина которого находятся из соотношений
-67-
При расположении вентилятора перед воздухоохладителем
QMx=G“.(hM-hN)	(3 12)
3.2.	Система отопления
Система отопления пассажирских вагонов должна:
•	поддерживать в купе и служебных помешениях температуру воздуха, соответствутощую требованиям санитарных норм независимо от изменения температуры окружающего воздуха;
•	создавать равномерное температурное поле по объему вагона.
•	быть пожаро- и электробезопасной,
•	обеспечивать возможность автоматического регулирования параметров;
•	обеспечивать травмобезопасную температуру внутренних поверхностей ограждения;
•	быть экологически безопасной,
•	быть простой, надежной и экономичной в эксплуатации
По способу получения теплоты системы отопления можно разделить следующие основные группы
•	водяные с подогревом воды в индивидуальных котлах,
•	водяные с централизованным нагревом в локомотивах или вагонах-котельных,
•	воздушные электрические;
•	воздушные термоэлектрические;
•	воздушные теплонасосные;
'	• паровые с централизованным нагревом на локомотивах или в ваго-нах-парокотельных;
• комбинированные
| Наиболее широкое применение в пассажирских вагонах получили в о-яные системы отопления Они просты по конструкции и >лностью отвечают санитарно-гигиеническим требованиям К их недос-ткам можно отнести низкий КПД сложности, связанные с автоматиза-Ией процесса отопления, достаточно большие затраты на транспортировки хранение топлива, а также на содержание экипировочных устройств  На рис 3.2 приведена схема наиболее часто применяемой в пассажир-|сих вагонах российских железных дорог водяной системы отопления с Индивидуальным котлом и верхней разводкой труб. Циркуляция воды в
>й системе, как правило, естественная. Горячая вода после котла I и
(hB-hN)/( dB-dN) = (Qo - Q’„J/ GM	(3 5),
hB-hN = (Qo - Q’^)/GC‘CB	(3 6)
dB-dx = G^G"CU	(3 7)
G“M = G“H + G”	(3 8)
где Qo - тепловая нагрузка на СКВ в соответствии с формулой 1.1; Q'„ - тепловыделение вентилятора системы вентиляции; G„, - влажностная нагрузка на СКВ в соответствии с формулой 1.12
Луч процесса охлаждения воздуха в воздухоохладителе MN’ или М'М, в зависимости от взаимного расположения вентилятора и воздухоохладителя находят соединением точек М или М’ с точкой С на линии насыщения, определяемой по температуре поверхности воздухоохладителя V При расположении вентилятора до воздухоохладителя температура воздуха повышается до охлаждения (отрезок ММ’) При расположении вентилятора за воздухоохладителем состояние воздуха после охлаждения определяется точкой N*.
Отрезки ММ’ и NN’ находят по изменению температуры и энтальпии воздуха в результате тепловыделения вентилятора
At = Q’Mex/crGCM	(3 9)
Ah=Q’MM/G"f.	(ЗЮ) ।
где cp - массовая удельная теплоемкость воздуха при постоянном даИ лении, Дж/(кгК)
Требуемую холодопроизводительность СКВ при расположении венти лятора за воздухоохладителем находят из соотношения
Q\=G"M(hM-hN)	(ЗП)
-68-
расширителя 2 подается к калориферу 3 (воздухонагревателю системы вентиляции), затем по соединительным трубам, расположенным над под, весным потолком купейной части вагона вода направляется к стоякам 13 и далее к отопительным приборам купейной 4 и коридорной 11 части вагона После отопительных приборов и калорифера вода снова подается в котел Для подкачки воды из запасного бака 8, побудительной циркуляции и усиления циркуляции воды в период работы системы в ней устанавливается ручной насос 6 Для усиления циркуляции может также устанавли-ваться циркуляционный центробежный насос с электроприводом (на схеме не показан) Залив системы водой производят с помощью трубы 7, для слива воды используют трубы 9 Удаление воздуха из системы осуществляют через воздушный кран 10 Грязевики 5 предназначены для сбора и удаления из воды механических примесей
Рис.3.2
В некоторых типах вагонов применяются системы отопления с нижней разводкой труб Принципиальная схема одной из таких систем приведена на рис 3 3.
Здесь горячая вода после расширителя по стояку опускается к отопительным приборам, расположенным в купейной части вагона, и далее через соединительную трубу 13 к отопительным приборам коридорной части Соединительной трубе придана П-образная форма для обхода коридорного прохода с некотловой стороны вагона Так как нижняя разводка труб обуславливает меньший по сравнению с верхней статический напор, I циркуляцияю воды в этом случае обеспечивает циркуляционный насос 12
-69-
Рис. 3.3
Индивидуальные водогрейные котлы водяной системы отопления могут ютать на твердом или жидком топливе, а также иметь комбинирован-й электроугольный подогрев воды.
1
Рис.3 4
-70-
Котлы, как правило, дымогарной конструкции с внутренней металлиле, ской топочной камерой и дымогарной трубой 5 (рис.3 4). Вода циркули-рует по внешней рубашке 4. При комбинированном нагреве водяную ру,1 башку увеличивают за счет установки в нее электрических трубчатых на-гревательных элементов 3 В нижней части котла находится колосниковая решетка 1. Уголь загружают на решетку через отверстие 7 Воздух для го-1 рения топлива подают под колосниковую решетку через окно 8 ГорячаЛ вода в систему отопления отводится из котла через трубу 6, а обратна! вода из системы отопления возвращается в котел по трубе 2
Основной характеристикой котла служит его поверхность нагрева, обеспечивающая компенсацию утечек теплоты из вагона Qo в зимних yd ловиях (формула 1.1),
/доем о к монтаж отопительного оборудования, имеется возможность гоматизации процесса отопления. К недостаткам таких систем можно зести повышенную опасность поражения пассажиров и обслуживающе-персонала электрическим током высокого напряжения, повышенные вбования к эксплуатации и обслуживанию Электроснабжение систем Ьжет быть индивидуальным от подвагонного генератора или централизо-IHHMM от контактной сети на электрифицированных участках, либо от |зель-генератора, расположенного в одном из вагонов поезда, на неэлек-ифицированных участках, а также от электрических аккумуляторов на >янке
В качестве нагревательных устройств в электрических системах ото-ения используют электропечи и электрокалориферы, оборудованные
F = ipQo/q
(3 13)
/бчатыми электронагревательными элементами различного размера и ыовой мощности Как правило, эти элементы состоят из стальной тон-
;тенной трубки, внутри которой находится нихромовая или фехралевая зральная проволока Внутренняя полость трубки заполнена периклазом гнеупорным материалом на основе оксида магния) или кварцевым пес-•м. Торцы трубки герметизируют стеклоэмалью
В вагонах отечественной постройки с централизованным электроснаб-|нием применяют электрическое отопление постоянным током напря-|нием 3000 В и переменным током напряжением 25000 В через транс-ьрматор при питании от контактной сети, а также переменным током на-[яжением 380/220 В при питании от вагона-электростанции Индивиду-|ьное электроснабжение вследствие его недостаточной мощности ис-взьзуют только для питания дополнительного (к основному водяному) Ектрокалорифера В вагонах зарубежной постройки для питания систе-ы электрического отопления используют переменный ток напряжением too В и частотой 16,67 Гц или соответственно 1500 В и 50 Гц и постоян-ий ток напряжением 1500 В и 3000 В
К перспективным системам электрического отопления относят системы радиационными панелями, которые можно располагать как на стенах ва-Она. так и на потолке и в полу По требованиям техники безопасности таре системы должны иметь определенные температуры поверхностей и Роектируются только на питание током низкого напряжения.
I Паровые системы отопления на российских железных дорогах не при-няются. Воздушные теплонасосные и воздушные термоэлектрические Встемы отопления достаточно перспективны особенно в сочетании с во-1ными или электрическими системами Однако, в настоящее время они [ходится в стадии опытных образцов
где <р - доля потерь теплоты котла в окружающую среду (<р = 1,05-1,1), q - плотность теплового потока, Вт/м2 Для эксплуатируемых в настоящей время котлов F = 3,5м2
В качестве отопительных приборов применяют гладкие или оребренный трубы с квадратными, круглыми или спиральными ребрами. В совремем ных вагонах как в купейной, так и в коридорной ветвях системы отопления располагают по две отопительных трубы (одна над другой). Для защж ты труб от механических повреждений и от загрязнения трубы закрыть» защитными устройствами. Максимальную температуру воды на входе ч отопительные трубы принимают равной 95°С, температуру обратной воли - 70°С
Расширительный бак, используемый как резервуар для запаса воды i системе отопления, служит также для компенсации расхода воды в систв ме при повышении её температуры. В вагонных системах отопления ис пользуют расширительные баки как совмещенные с котлами, так и отд® ленные от них Форма расширительного бака определяется технологично стью его эксплуатации в конкретной системе отопления Емкость расип* рительного бака составляет 0,05-0,1 емкости котла по воде (0,006-0,01' м3).
Калорифер представляет собой рекуперативный трубный теплообмен' ный аппарат с пластинчатым оребрением с одним, двумя или четырьь* проходами по воде и поперечным обтеканием труб воздухом
Воздушные электрические системы отопления более прогрессивны по сравнению с водяными Их коэффициент полезн»1 го действия близок к 100%, значительно уменьшается масса вагона, мсиеЧ
-72-
3.3. Система вентиляции
Система вентиляции пассажирского вагона, входящая в СКВ, предназначена для подачи в вагон определенного количества очищенного от пы-ли свежего воздуха, удаления отработанного воздуха и паров влаги ц обеспечения в зоне пребывания пассажиров необходимой подвижности воздуха.
В соответствии с ГОСТ при проектировании новых пассажирских ваге-нов в них должна быть предусмотрена приточная вентиляция, рассчитан, ная на режим круглогодичной непрерывной работы при перевозке пассажиров Приточная вентиляция, создавая избыточное давление внутри вагона, препятствует попаданию в него через неплотности в ограждении кузова пыли, а также необработанного воздуха Непрерывность работы системы вентиляции позволяет избежать дискомфорта пассажиров во время рейса Кроме того, в зимнее время исключена возможность насыщения воздуха в вагоне ларами влаги, конденсирование которых на внутренних поверхностях ограждения может вызвать коррозию металлических и гниение деревянных элементов последних.
Воздуховоды системы вентиляции разделяются на всасывающую и нагнетательную части. Всасывающая часть воздуховодов предназначена для забора свежего и рециркуляционного воздуха, а нагнетательная - для подачи смеси свежего и рециркуляционного воздуха в вагон и равномерного распределения ее по объему Размеры воздуховодов и их гидравлические сопротивления определяют гидравлическим расчетом по выбранной скорости и расходу воздуха
Площадь сечения воздуховода, м2 -
-73-
юрмуле 2.45.
I Для очистки поступающего в вагон воздуха используют заборные ре-етки и механические фильтры. Заборные решетки представляют собой рройства для прохода наружного воздуха, включающие регулировочную юлонку и лабиринт, в котором задерживаются крупные частицы пыли, вханические включения и атмосферные осадки Более высокую степень истки воздуха обеспечивают фильтры, основными характеристиками •орых служат коэффициент очистки Коч, гидравлическое сопротивление [ылеемкость (масса удерживаемых фильтром твердых частиц, содержался в воздухе).
Коч “ (Qh~ ЧхУЧк	(3 15)
где q„ и qt - соответственно, содержание в воздухе твердых частиц до и еле очистки, мг/м3.
Дзя вагонных фильтров с сетчатой покрытой маслом фильтрующей ложностью коэффициент очистки составляет 0,96-0,98, гидравлическое тротивление находится в пределах 50-100 Па, пылеемкость - 0,5-0,6 кг Для равномерной подачи воздуха в купе раздаточные отверстия нагне-?ельных воздуховодов оборудованы мультивентами - перфорированны-панелями с отверстиями диаметром 2-6 мм
Удаление воздуха из вагона осуществляется через дефлекторы, установ-1ные в купейной и коридорной частях вагона и в туалетных помещени-а также за счет фильтрации.
3.4. Система охлаждения
F, = G/(pW)
(3.14)
Система охлаждения воздуха в пассажирских вагонах состоит из холо-пьной машины и устройств автоматического регулирования и защиты. В поящее время на российских железных дорогах в системах охлаждения Шуха пассажирских вагонов применяются только паровые компрессор-
где G - расход воздуха через воздуховод, кг/с; р - его плотность, кг/м ;
W - скорость воздуха в рассчитываемом сечении, м/с (W = 2 -7 м/с)	----------г---------------г.„.„____________
Потери давления воздуха в воздуховодах, соответственно, полные, от е холодильные машины. Общим для всех этих систем является распо-трения и местных сопротивлений находят по формуле 2.44.	z
По результатам гидравлического расчета выбирают вентилятор Для «буре, а компрессорного и конденсаторного агрегатов -подачи воздуха обычно используют центробежные вентиляторы специального изготовления Промышленные серийные вентиляторы для вагонов не подходят вследствие специфики соотношения габаритов, напора и произ-1 водительности вентилятора. Мощность вентилятора определяют по I
кение испарителя в пространстве между крышей и потолком вагона в ...	.	.	.	,.	.. - под рамой ваго-
с подвеской на резиновых амортизаторах. В последнее время ведутся юты по применению систем охлаждения с термоэлектрическими холо-Цльными машинами
И Большинство вагонов пассажирского подвижного состава, эксплуати-[Уемого в настоящее время, оборудовано системами охлаждения с холо-[Ььными установками МАВ II производства завода г. Шкойдиц
-74-
(бывшая ГДР) В установке используется одноступенчатый поршневой компрессор типа "V" Компрессор блок-картерной конструкции четырех-цилиндровый с V-образным расположением цилиндров, сальниковый Холодопроизводительность компрессора 31,5 кВт, частота вращения вала 1450 мин , потребляемая мощность приводного электродвигателя 13 кВт Регулирование производительности компрессора осуществляют автоматическим отжатием всасывающих клапанов
Испаритель и конденсатор холодильной установки змеевиковые секционные Теплопередающая поверхность образована оребренными медными трубками; ее величина у конденсатора составляет 185 м2, у испарителя -100 м2
В установке отсутствует переохладитель, так как внутренняя регенерация, в результате которой переохлаждение жидкого фреона перед дроссельным вентилем (см рис 2.4) происходит в удачно взаимно расположенных трубопроводах, по одному из которых из конденсатора к дроссельному вентилю движется жидкий теплый фреон, а по друтому из испарителя к компрессору - парообразный холодный фреон
-75-
ГЛАВА 4 ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ОГРАЖДЕНИЯ КУЗОВА ВАГОНА
4.1. Теплопритоки от солнечной радиации
Теплопритоки через ограждения кузова под воздействием солнечной диации (Q3) являются одной из важнейших составляющих теплового панса пассажирского вагона Они складываются из теплопритоков бедствие прямого облучения ограждений Солнцем (прямая солнечная диация) и теплопритоков вследствие облучения со стороны атмосферы, ссеивающей солнечные лучи (рассеянная радиация) Часть лучистой ергии при этом поглощается ограждениями кузова, а часть пропускается гагон через окна:
Qj= Qjor + Qsoi	(4.1)
Лучистую энергию, поглощенную ограждениями кузова, определяют из отношения
Q^IAJiFiK/cti	(4.2)
где А, - коэффициент поглощательной способности соответствующих верхностей ограждения (крыши, пола, боковых стен без учета окон и рцевых стен), 1,- суммарная интегральная интенсивность прямой и рас-янной солнечной радиации, падающей на соответствующие ограждения, /м2 (для боковых стен, пола и торцевых стен учитывается только рассе-ная солнечная радиация), F; - площади соответствующих поверхностей >аждения, м2, К; - коэффициент теплопередачи через соответствующие верхности ограждения, Вт/(м2К), а, - коэффициент теплоотдачи от на-жного воздуха к поверхности ограждения, Вт/(м2К)
Теплопритоками за счет поглощения солнечной радиации окнами Вычно пренебрегают Теплопритоки за счет пропускания солнечной ра-мации через окна с двойным остеклением определяют из соотношения
Q3o, = D,D2[J„F„ + ^.(F., - F„,)J	(4.3)
[где D1 и D; - коэффициенты пропускательнбй способности наружного и «утреннего стекол, J„, и J,», - суммарная интегральная интенсивность [ямой и рассеянной солнечной радиации, падающей на окна, и инте-ильная интенсивность рассеянной солнечной радиации, Вт/м2;
-76-
F01t и F01.i - площади суммарной поверхности окон и поверхности окон с I При расчете теплопритоков за счет поглощения солнечной радиации солнечной стороны, м2.	дружными поверхностями ограждения кузова вагона учитывается погло-
Коэффициенты поглощательной способности поверхностей ограждения ение от прямого и рассеянного солнечного излучения При этом прини-вагона и коэффициенты пропускательной способности окон можно при- ается, что прямому солнечному облучению подвергается крыша и одна нять по данным таблиц 4.1 и 4.2.	эковая поверхность вагона
Таблица 4 I
Интегральную интенсивность излучения прямой солнечной радиации
				0 поверхность, перпендикулярную направлению лучей, определяют по ормуле Кастрова-Савинова J,„ = AD.sinh/[D.(l-sinh)]	(4 4) где А - 1360,7 Вт/м2 - солнечная постоянная, D, - коэффициент преданности атмосферы (принимается равным 0,7-0,8); h - угловая высота олнца над горизонтом h = arcsin (sin \|/ sin 8 + cos \|/ cos 8 cos у)	(4.5) где Ц/ - географическая широта места пребывания вагона в градусах; - склонение Солнца в градусах, принимаемое в зависимости от времени да (на 22.03 и 22 09 склонение равно 0°, на 22 04 и 22.08 - 11,5°, на 22.05 22 07 - 20°, на 22 06 - 23,4°); у - ВТ - часовой угол в градусах (В - 15 -зворот Земли за один час в градусах; Т - местное время в часах, отсчиты-|емое от полудня) , Интегральная интенсивность прямой солнечной радиации на верти-ьпьную плоскую поверхность (боковая стенка) J’,, = J,, cos h sin (Ос - х)	(4.6) I где х - угол между положением вертикальной поверхности стенки и рридианом (принимается равным 30°); ОС - азимут Солнца, который мо-кт быть вычислен по формуле arcsin (cos 8 sin y/cos h). I Интегральная интенсивность прямой солнечной радиации на горизон-альную плоскую поверхность (крыша) 1%= J, sinh	(4.7)
Материал поверхности	Коэффициент поглощательной способности			
	Новая Поверхность		Поверхность после дли- 11 тельной эксплуатации	
Краска эмаль либо масляная белая или светло-желтая	0,24-0,45		0,90	
Краска эмаль либо масляная темно-красная или темно-зеленая	0,81-0,90		0,97	
Краска эмаль либо масляная черная	0,98		0,98	
Алюминиевый лак	0,42		до 0,90	
Оцинкованная сталь	0,76		0,89	
Полированная сталь	0,45		0,74	
Полированный алюминий	0,26		““	
Таблица 4.2				
Вид и состояние остекления		Коэффициент пропускательной способности		
Обычное загрязнение стекла		0,80		
Сильное загрязнение стекла		0,70		
Забеливание стекла		0,60		
Теплопоглошаюшее стекло		0,45		
Зашторивание окон		0,25		
				
-78-
Интегральная интенсивность рассеянной солнечной радиации на верти, кальную поверхность
= 0,5 J'.
(4 8)
где Jrp - интегральная интенсивность рассеянной солнечной радиации на горизонтальную поверхность, Вт/м2, значения которой, полученные по опытным данным в зависимости от высоты Солнца при оезоблачном небе >лтами крепятся деревянные бруски обрешетки, в ячейки которой укла-
приведены в таблице 4 3
Таблица 4.3
Интегральная интенсивность рассеянной солнечной радиации, Вт/м;
Высота Солнца над горизонтом, град
7,5
22,2
52,3
62,8
67,5
Суммарная интегральная интенсивность прямой и рассеянной солнечной радиации для горизонтальной поверхности
(4 9)
Суммарная интегральная интенсивность прямой и рассеянной солнечной радиации для вертикальной поверхности
(4 10)
J “ 7бОК ~ JoK ~ J
4.2 Определение коэффициента теплопередачи через ограждения кузова рефрижераторного и пассажирского вагона
На процесс теплопередачи через ограждения кузова вагона влияют: « пористой структурой Для теплоизоляционных материалов ограждаю-
Jlllv	Л/1Ч1Г1 вПТ-АОЛП HT JAlT АТГ Т» ГТ ГТХЧЯ-Х »»	я ЯЛ V Л *• ГЯ ТА -11 IА 140 A A, f А Л Т
конструкция ограждения, физические параметры конструкционных и теп-лоизоляционных материалов, тепловой и влажностный режимы огражде" НИЙ
-79-
Ограждения кузова вагона представляют собой достаточ-р сложные многослойные конструкции, выполненные из различных по рлотехническим и прочностным характеристикам материалов Ограждена пассажирских вагонов состоят из наружной стальной обшивки, уси-знной изнутри металлическими элементами каркаса К этим элементам
явается теплоизоляция, обернутая гидро- и пароизоляционными мате-илами Поверх изоляции к брускам обрешетки шурупами крепится 1утренняя обшивка (деревянная, из древесноволокнистых или древесно-ружечных плит) В крыше поверх изоляции изнутри кузова нашиваются шнкованные стальные листы. Внутренняя поверхность стен пассажирах вагонов покрывается трудносгораемым бумажно-слоистым пласти->м, а пол вагона и стены тамбура покрываются линолеумом
В слое изоляции как пассажирских, так и рефрижераторных вагонов [сположен металлический каркас, обеспечивающий прочность конструк-ш ограждения, но ухудшающий ее теплоизоляционные свойства Для Иеньшения влияния элементов каркаса на теплопередачу через огражде-|я вагона создана принципиально новая конструкция ограждения «сэн-|ич», в которой пространство между внутренней и наружной обшивками полнено адгезионно связанным с ними твердым пенополиуретаном раз-иных марок Образующаяся однородная теплоизоляционная конструк-|я без стыков и полостей позволяет уменьшить расход металла и снизить эффициент теплопередачи по сравнению с обычными конструкциями Теплоизоляционные материалы, применяемые в вагоностроении, поми-> низкого коэффициента теплопроводности [Х=0,035-0,07 Вт/(мК)], лжны обладать малой гигроскопичностью и влагопроницаемостью, вы-кой прочностью, невоспламеняемостью, химической инертностью, мо-зостойкостью, технологичностью Теплоизоляционные материалы лжны быть устойчивы к вибрации, противостоять гниению и не иметь паха Низкий коэффициент теплопроводности изоляции обеспечивается
«их конструкций вагонов значения пористости находятся в диапазоне 0,7-19 Это обстоятельство способствует попаданию в изоляцию влаги, потому в конструкциях кузова вагона используют различные гидро- и паро-(золяционные материалы (рубероид, перфоль, битум).
1 Среди теплоизоляционных материалов в вагонном парке еще очень часто Етречается м и п о р а - мелкопористый органический искусственный материал, вырабатываемый из мочевино-формальдегидных полимеров с йрбавкой уксуснокислого натрия и пенообразующего материала бутила.
-80-
Мипора имеет вид белой твердой пены Её коэффициент теплопроводности составляет 0,032-0,042 Вт/(мК) Мипора морозоустойчива, не гниет, имеет малую объемную массу (15-25 кг/м3). К её недостаткам можно отнести низкую механическую прочность, высокую гигроскопичность и вла-гопроницаемость Кроме того, при низкой влажности мипора усыхает, а затем разрушается от вибрации и тряски вагона Поэтому в настоящее время при создании новых вагонов мипору не используют
Вспененные фенопласты вырабатываются на основе фенолформальдегидных смол Они представляют собой плиты от розового до коричневого цвета с прочной поверхностью, препятствующей проникновению влаги в глубину слоя Фенопласты имеют низкую воспламеняемость и высокую химическую инертность Коэффициент теплопроводности фенопластов 0,038-0,042 Вт/(мК), объемная масса 40 - 60 кг/м3.
В настоящее время все большее применение в качестве изоляции находит пенополистирол, получаемый вспениванием гранулированного полистирола при температуре 95°С Пенополистирол устойчив к вибрации, имеет высокую механическую прочность, влаго- и морозостойкость Он химически инертен, обладает низкой паропроницаемостью, обусловленной его мелкопористой структурой из замкнутых полых ячеек Коэффициент теплопроводности пенополистирола 0,032 - 0,041 Вт/(мК), объемная масса 20 - 60 кг/м3
Достаточно прогрессивным теплоизоляционным материалом служит пенополиуретан - органический искусственный материал, получаемый из полиуретановых смол, насыщаемых воздухом или диоксидом углерода при высоком давлении. Большим преимуществом этого материала является его высокая технологичность, даюшая возможность нанесения его непосредственно на изолируемую поверхность слоем любой толщины При этом изоляция прочно связывается с обшивкой и деталями каркаса, образуя монолитную структуру (конструкция «сэндвич») Пенополиуретан имеет низкую гигроскопичность и водопроницаемость, высокую механическую прочность Его коэффициент теплопроводности 0,035 - 0,041 Вт/(мК), объемная масса 40 - 60 кг/м’
При эксплуатации вагонов на режим работы оборудования, сохранность грузов в рефрижераторных вагонах, а также на условия перевозки пассажиров определенное влияние оказывает влажностный режим ограждений. Теплотехнические характеристики конструкций ограждения, расположение тепло-, гидро- и пароизоляционных материалов не должно вызывать образование зон конденсации водяного пара как внутри конструкции ограждения, так и на ее поверхностях Увлажнение тепловой изоляции приводит к увеличению теплопритоков через ограж-
д-
ающие констр, кции в летнем режиме и теплопотерь в зимнем режиме, конденсация влаги на их внутренних поверхностях создает опасность худшения состояния грузов, размещенных вблизи ограждений Чтобы збежать этих нежелательных явлений необходимо поддерживать темпе-атуру внутренних поверхностей конструкций ограждения выше темпера-уры точки росы При этом пароизоляционные материалы ограждения должны располагаться с теплой стороны, так как водяной пар диффунди-ует через изоляцию в направлении понижения температуры. В пассажирки* вагонах система вентиляции должна обеспечивать удаление водяных аров, выделяемых пассажирами
Коэффициент теплопередачи конструкции о г-аждения кузова вагона для стационарных усов и й как на стоянке, так и при движении вагона определяют в виде
К = 1/(1/а„+ R + 1/а,)	(4 11)
где а„ - коэффициент теплоотдачи от наружного воздуха к наружной бшивке вагона, Вт/(м’К), а, - коэффициент теплоотдачи от внутренней бшивки вагона к воздуху в вагоне, Вт/(м2К); R - термическое сопротив-ение теплопроводности ограждающей конструкции кузова вагона
Ч K/Вт Считая в первом приближении ограждения вагона плоской много-пойной конструкцией, имеем R=S5i/Xj, [6, - толщина отдельного слоя ог-аждения, м; Z, - коэффициент теплопроводности отдельного слоя отражения, Вт/(мК)];
Коэффициент теплоотдачи от наружного воздуха к наружной обшивке агона можно определить в виде
ОСн ~~ СС.тн 4" ОС и,	(4.12)
где a.™ -лучистая составляющая коэффициента теплоотдачи, учиты-ающая лучистый теплообмен поверхности ограждения с окружающими бъектами; (Х„,- коэффициент теплоотдачи конвекцией.
Приближенно СС.,„ можно оценить по формуле
бХ.п, — 4СЛТК	(4.13)
где Сл - коэффициент излучения ограждающей поверхности, Вт/(м21С);
и - ее температура, К.
-82-
Для определения коэффициента теплоотдачи от наружных поверхностей ограждения при движении вагона можно использовать критериальные зависимости теплообмена для вынужденной конвекции, например,
Nu = 0,037 Re'”Pr04	(4 14)
где Re = wx/v- критерий Рейнольдса; Pr = v/a - критерий Прандтля, Nu = а„,х/Х - критерий Нуссельта; х - определяющий размер, м; X - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(мК); w - скорость движения воздуха вдоль наружной поверхности.ограждения, определяемая как геометрическая сумма скоростей относительного движения вагона и ветра, м/с; v -кинематическая вязкость воздуха, м2/с, а - коэффициент температуропроводности воздуха, м2/с.
Для ограждающих конструкций вагона трудно выбрать определяющий размер, входящий в критерии Re и Nu, часто этот размер принимают равным 0,8-1,0 м. С достаточной степенью точности для определения коэффициента теплоотдачи можно использовать обычные эмпирические соотношения, например, соотношение Франка
ак„ = 7,34wM’6 + 3,78 exp (-l,91w)	(4 15)
В зарубежной практике пользуются соотношением
а„, = 9 + 3,5 w066	(4.16)
Коэффициент теплоотдачи от наружных поверхностей ограждения при стоянке вагона и отсутствии ветра, также как и коэффициент теплоотдачи от внутренних поверхностей ограждения к воздуху в вагоне (при выключенных вентиляторах), определяют в виде
а. = а,. + а„	(4.17)
Лучистую составляющую коэффициента теплоотдачи находят по формуле 4.13; конвективную составляющую получают из соотношения
a„=Nuk/x	'	(4.18)
где Nu = c(Gr Рг)”; Gr = x’gpAT/v2 - критерий Грасгофа; сип постоянные, зависящие от режима движения воздуха и ориентации ограждения;
-83-
' - ускорение силы тяжести, м/с2; р - температурный коэффициент объемного расширения, 1/К, ДТ - разность температур внутреннего ограждения вагона и температуры воздуха в вагоне, К.
Постоянные сип для вертикально расположенного ограждения составляют:
• при ламинарном режиме движения воздуха (10‘3<GrPr<5 103) с=1,18 i ип=1/8;
> при переходном режиме (5 105<GrPr<2 102) с=0,54 и п=1/4;
» при турбулентном режиме (2-10’<GrPr<lО13) с=0,135 и п=1/3.
Для горизонтально расположенного ограждения с = 0,31; п = 0,29.
Определяющей температурой при вычислении критериев подобия, вхо-зящих в формулу 4.18, является температура воздуха в вагоне, опреде-гяющим размером х - высота ограждения
Для определения конвективной составляющей коэффициента теплоот-гачи при перепаде температур между внутренними поверхностями ограждения и воздухом в вагоне меньше 5К часто используют эмпирическое со-хгношение Нуссельта
a„ = 3,49 + 0,09|t,n-t,|,	(4.19)
Если перепад температур превышает 5К, пользуются эмпирическим ^отношением Пекле,
a„=B|tin4,|
(4.20)
Значения коэффициента в принимают в пределах 2,67-3,25 в зависимости от подвижности воздуха и разности температур jt.n -1 ,|.
Наличие теплопроводных включений в теплоизоляционную конструк-1ию ограждений кузовов пассажирских и рефрижераторных вагонов, на-ример, металлических элементов каркаса приводит к усложнению расче-а коэффициента теплопередачи через эти конструкции Для упрощения еплотехнических расчетов обычно используют приближенные методы, зятые из строительной теплотехники. К таким методам можно отнести 1етод элементарных сечений, графический метод, метод круговых пото-1ко= метод элементарных тепловых балансов и т.д. Учитывая развитие :редств вычислительной техники, при расчете коэффициентов теплопере-1ачи через огра.кдения кузова вагона с учетом теплопроводных включе-1ий целесообразно применять различные численные методы Рассмотрим летод элементарных тепловых балансов В соответствии с ним дифферен-щальное уравнение стационарного температурного поля At = 0 за-
-84-
меняется системой обыкновенных линейных уравнений, неизвестными в которых являются температуры в точках пересечения прямых, образующих решетку из кубиков с ребрами размером L Решетка накладывается на исследуемое температурное поле таким образом, чтобы ее узлы находились в местах, где необходимо определить температуру, а прямые, образующие решетку, располагались параллельно или перпендикулярно вектору основного теплового потока.
Для примера возьмем конструкцию с вставленным кубическим элементом каркаса (рис.3.5).
Рис.3.5
Для стационарного температурного поля сумма тепловых потоков, входящих в узел из соседних с ним узлов, равна 0 Так для узла 0 с координатами х,у z и температурой twтепловой баланс будет иметь вид
-85-
решетки При решении системы определяются искомые температу-
Во время эксплуатации ограждения кузовов вагонов подвергаются пе-одическим тепловым воздействиям в результате суточных и более ко-гких по продолжительности температурных колебаний, а также измене-я интенсивности солнечной радиации. Такая нестационарность тепло-х воздействий значительно усложняет теплотехнические расчеты ваго-Неоднородность материалов, из которых изготовлен вагон, приводит к му, что ограждения кузова по разному реагируют на колебания темпера-ры на их поверхностях. Поэтому изменение температуры наружного здуха передается воздуху в помещениях вагона через отдельные элемен-। ограждения с различной скоростью, что связано с их теплоус->йчивостью - свойством ограждения сохранять относительное по-оянство температуры при периодических изменениях тепловых воздей-вий на его поверхностях. Теплоустойчивость сквозному проникновению ипературных колебаний характеризуется затуханием амплитуды коле-ний U и запаздыванием фазы этих колебаний z. Приближенная формула я расчета затухания амплитуды колебания температуры ограждений ку-ва вагона имеет вид
U = A,/A.S2H (0,83 +3,5 ZR,/H)PC,P„	(4.22)
где А„ и А, - соответственно, амплитуды колебания температуры намного воздуха и воздуха в вагоне; Н - тепловая инерция ограждения, R,-
противление теплопередаче; Рсл - поправочный коэффициент, учиты-ющий последовательность расположения слоев ограждения по ходу мпературной волны; Р^, - поправочный коэффициент, учитывающий дичие в конструкции ограждения воздушной прослойки.
Тепловую инерцию ограждения определяют из соотношения
l^x-l.y.?(tx-l.>.z*tx.y.z) + к,-|.y,z(t\.t.y.z“tx.>.z)	^X.y-I.z(tx>y-U"t\.y.7j + kx.y-tl.z(tx,y« 1,2-tx.y z) +
+ ^x.>.z-l(^x>y,z-rtx.>.z)+^x,yz-l(tx,y.z-rtx.y.z)	0
(4.21)
H = Z R,Si
(4.23)
где kijk - коэффициенты теплопередачи к узлу 0 от соседних с ним уз- "/(м2К) лов, Вт/(м2К), tijk - температуры в этих узлах, °C
Составляя аналогичные уравнения для каждого узла решетки, получаем систему из п - линейных уравнений с п - неизвестными температурами в
где Si - коэффициент теплоусвоения отдельных слоев ограждения,
S; = ^27Гс,рЛ/Т
(4.24)
-89-
Q = (Sm,c,) dt/dT
(4.32)
-88-
характеристиками: средним и локальными коэффициентами теплоперед; чи конструкций ограждения кузова и его относительной герметичность) проводятся испытания, во Время которых определяют значение среднег коэффициента теплопередачи В соответствии с нормативными данным средний коэффициент теплопередачи кузова нового рефрижераторног вагона в зависимости от вида укладки или нанесения теплоизоляци (плиты, маты, напыление, заливка) в стационарных условиях не долже превышать 0,27-0,30 Вт/(м2К). После десяти лет эксплуатации этот показ, тель не должен увеличиваться более чем на 25% у рефрижераторных в. гонов и более чем на 10% у пассажирских При движении значение ере; него коэффициента теплопередачи кузова увеличивается до 0,3-0,3 Вт/(м2К) для рефрижераторного вагона (при скорости движения 140 м/с) до 1,7-1,9 Вт/(м2К) для пассажирского (при скорости движения 160 м/с Для оценки теплотехнических характеристик необходимо знать количес ty потока теплоты, аккумулируемого ограждениями вагона Определение во воздуха, циркулирующего в вагоне Поэтому предварительно провод) (оэффициента теплопередачи в нестационарном режиме менее точно, чем испытания системы вентиляции При этих испытаниях все двери и окн в стационарном режиме, однако в этом случае требуется меньше времени вагона должны быть плотно закрыты, а заслонки и дефлекторы систем! на проведение испытаний поставлены в положения, определяемые соответствующей инструкцией “
Определение среднего по р у к ци й
где Q - тепловой поток, подводимый к вагону при его нагреве, или от-юдимый от него при охлаждении; т, и с;- соответственно, массы и удельные теплоемкости отдельных элементов конструкций ограждения, Т - время нагрева или охлаждения При стационарном режиме
•	Q = К F (t„ -1,) - при нагреве вагона;
•	Q = К F (t, -t„) - при охлаждении вагона.
При нестационарном режиме необходимо оценить величину производ-юй dt/dT по экспериментальной кривой нагрева Для этого существует ряд графических и численных методов Кроме того, необходимо знать величи-
При отсутствии климатических камер испытания следует проводить в всех коне - )акрытых помещениях, где нет резких колебаний температуры наружного теплоперед. воздуха (свыше +/- 3°С) или вне помещений в местах, защищенных от по-ч и осуществляется как при нагреве, так и при охлаждении вагона. Дг задания на кузов вагонов прямой солнечной радиации, и при отсутствии рефрижераторных вагонов желательно проводить испытания при охлая везких колебаний температуры наружного воздуха Испытания в этом ________________„____......	”	:лучае проводят в установившемся режиме (изменение температур наруж-
коэффициента
дении вагона охлаждающей жидкостью, циркулирующей в теплообменн) у
ке, или при испарении хладагента в воздухоохладителе холодильной уст: того и внутреннего воздуха не должно превышать +/- 1°С) при продолжи-новки, так как получаемый температурный градиент имеет ту же напра) гельности расчетного периода не менее 18 часов Средний коэффициент ленность, что и в эксплуатационных условиях По той же причине пасс: теплопередачи определяется по тем же формулам, что и в случае примене-жирские вагоны целесообразно испытывать методом внутреннего нагре: кия климатических камер. Однако если при испытаниях разность между при циркуляции горячей жидкости через расположенный внутри взгое температурой наружного воздуха и средней по наружной поверхности ог-теплообменник или с помощью электрических печей Преимущество м< (аждения температурой этой поверхности превысит 1 °C, то в формулы для года нагрева заключается в упрощении проведения испытаний и быстро .пределения коэффициента теплопередачи вместо температуры наружного выходе на режим испытаний. Однако при этом могут быть получены н< юздуха следует подставлять среднюю температуру наружной поверхно-сколько завышенные значения коэффициентов теплопередачи
Испытания по определению среднего коэффициента теплопередачи ж< лательно проводить в специальных климатических камерах, исключаюши нестационарные тепловые воздействия на ограждения кузова вагона И< пользование климатических камер позволяет испытывать вагон как пр достижении стационарного режима, так и до него по изменению темпер: туры воздуха в вагоне в функции времени (наружная температура пр этом остается неизменной). Коэффициент теплопередачи определяют з ограждения используют пиранометры системы Янишевского, позволяю-- уравнения теплового баланса
Определение локальных коэффициентов теплопередачи в отдельных зонах конструкций ограждения производят кон-актным методом с помощью тепломеров - измерителей теплового потока |ли бесконтактным методом с помощью инфракрасных пирометров
Для определения коэффициентов отражения, пропукания и поглощения солнечной радиации поверхностями
цие измерять интенсивность солнечной радиации.
-90-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
I Энергетика и технология хладотранспорта Учебное пособие для вузов железнодорожного транспорта/ Л Я Левенталь, Н Е Лысенко, Д И Сучков, А Хенач Подред Л Я Левенталя М Транспорт, 1993 228 с
2	. Левенталь ЛЯ, Сучков ДИ Дизели рефрижераторных вагонов Учебное пособие для вузов железнодорожного транспорта М Транспорт, 1987. 165 с
3	Хладотранспорт (с примерами решения задач)/ М Н Тертеров, Н Е Лысенко, В А Панферов и др. М : Транспорт, 1985 135 с
4	. Сидоров Ю П Основы кондиционирования воздуха на предприятиях железнодорожного транспорта м в подвижном составе Учебник для вузов железнодорожного транспорта. М Транспорт, 1984 208 с
5	. Китаев Б. Н Теплообменные процессы при эксплуатации вагонов М Транспорт, 1984 184 с
-91-
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ.......................................... 3
ГЛАВА 1 РЕФРИЖЕРАТОРНЫЙ И ПАССАЖИРСКИЙ ВАГОН
КАК ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА................ 6
ГЛАВА 2 ЭНЕРГЕТИКА РЕФРИЖЕРАТОРНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ............................. 12
2.1.	Энергосиловые установки................. 12
2.2.	Холодильное оборудование	. ............. 20
2.3.	Конструкция основных типов рефрижераторного подвижного состава и их энергохолодильное оборудование............................... 54
ГЛАВА 3. ЭНЕРГЕТИКА ПАССАЖИРСКОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА.............................. 62
3.1	Система воздухоподготовки.................62
3.2	. Система отопления..................... 67
3.3	. Система вентиляции..................... 72
3.4	Система охлаждения...................... 73
ГЛАВА 4. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ОГРАЖДЕНИЯ КУЗОВА ВАГОНА.................................... 75
4.1. Теплопритоки от солнечной радиации...... 75
4 2 Определение коэффициента теплопередачи через ограждения кузова рефрижераторного и пассажирского вагона.................. 78
4.3. Теплотехнический контроль состояния рефрижераторных и пассажирских вагонов . 87
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................ 90
Св план 1998г , поз 3
Учебно-методическое издание
Левенталь Леонид Яковлевич, Костин Александр Владимирович
Энергетика рефрижераторных и пассажирских вагонов
Учебное пособие для студентов специальности "Промышленная тепл энергетика"
Подписано в печать 30 /0.98.	Формат 00*84//£ Тираж /00
Усл. печ. л. 3 73.	Заказ У$9.	Изд№37-5й, Цена-Z^J,-/по CeSeervtMro
101475, Москва, ул Образцова, 15, Типография МИИТ'а