Автор: Жариков В.А.
Теги: рельсовый транспорт железнодорожное движение железнодорожный транспорт кондиционирование
ISBN: 5-93647-016-4
Год: 2006
Текст
В.А. ЖАРИКОВ
КЛИМАТИЧЕСКИЕ
СИСТЕМЫ
ПАССАЖИРСКИХ
ВАГОНОВ
ТРАНСИНФО
УДК 656.2
ББК 39.24
Е 30
Жариков В. А.
Климатические системы пассажирских вагонов. М.: ТРАНСИНФО,
2006. 135 с.
Изложены материалы по новому климатическому оборудованию
пассажирских вагонов локомотивной тяги отечественного произ-
водства. Приведены технические характеристики работы систем, на-
мечены пути их совершенствования в отношении повышения на-
дежности, безопасности, обеспечения комфорта в помещениях ва-
гонов, экономии энергии и обеспечения экологической чистоты.
Для разработчиков и конструкторов, работников эксплуатации,
учащихся высших и средних заведений железнодорожного транс-
порта.
Ил. 38, табл. 27, библиогр. 42 назв.
ISBN 5-93647-016-4
© Жариков Вячеслав Алексеевич;
© ЗАО «ЛАНТЕП»
Все права защищены. Воспроизведение в
любом виде полностью или частями, без
разрешения ЗАО «ЛАНТЕП», запрещено.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.....................................................5
1. ТРЕБОВАНИЯ К ПАРАМЕТРАМ МИКРОКЛИМАТА......................7
2. ТЕПЛООГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ КУЗОВОВ
ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ......................................10
2.1. Теплоизоляционные материалы............................10
2.2. Теплоизоляционный материал для новых
пассажирских вагонов......................................20
2.3. Альтернативная конструкция кузова......................21
2.4. Окна пассажирских вагонов..............................23
2.4.1. Технические требования к окнам...................23
2.4.2. Характеристики окон отечественного производства..26
2.4.3. Теплотехнические испытания окон..................33
2.5. Теплотехнические качества кузовов пассажирских вагонов.36
2.5.1. Коэффициенты теплопередачи кузовов...............36
2.5.2. Методы испытаний.................................37
3. СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ.......................................39
3.1. Состояние вопроса......................................39
3.2. Экологические требования...............................39
3.3. Воздушные фильтры......................................40
3.4. Инерционные фильтры ЗАО «ЛАНТЕП».......................42
3.5. Перспективные воздушные фильтры........................45
4. СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ........................................45
4.1. Технические требования.................................45
4.2. Мощность отопительных систем...........................46
4.3. Системы водяного отопления.............................46
4.3.1. Теплоотдача отопительных труб....................47
4.3.2. Теплоотдача водяного калорифера..................50
4.4. Автоматическое управление системами водяного отопления.52
4.4.1. Система водяного отопления с принудительной циркуляцией
теплоносителя...........................................52
4.4.2. Алгоритм управления системой с принудительной
циркуляцией теплоносителя...............................55
4.4.3. Система водяного отопления с плавным регулированием
мощности котла с электрообогревом.......................56
4.4.4. Система водяного отопления с плавным регулированием
теплопроизводительности при комбинированном обогреве котла. . .57
4.5. Отопительные котлы.....................................58
3
4.5.1. Котлы на твердом топливе.........................58
4.5.2. Котлы с обогревом жидким топливом................59
4.6. Системы отопления с незамерзающим теплоносителем.......62
4.7. Системы воздушного отопления...........................68
4.8. Экономия энергии на отопление..........................71
5. СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ......................................73
5.1. Общие положения........................................73
5.2. Парокомпрессионные кондиционеры........................76
5.2.1. Кондиционеры ЗАО «ЛАНТЕП»........................76
5.2.1.1. Кондиционер с турбокомпрессором...............77
5.2.1.2. Кондиционеры со спиральными компрессорами.....82
5.2.1.3. Кондиционер УКВ ПВ (Т) с теплонасосным режимом
отопления..............................................86
5.2.2. Альтернативные кондиционеры отечественного
производства............................................98
5.2.2.1. Кондиционеры ЗАО «Остров».....................98
5.2.2.2. Парокомпрессионные кондиционеры других
отечественных фирм....................................100
5.3. Кондиционеры на базе воздушной холодильной машины.....101
5.3.1. Воздушные кондиционеры НПО «Наука»..............101
5.3.2. Воздушный кондиционер с закрытым циклом.........107
5.4. Термоэлектрические кондиционеры.......................109
5.4.1. Двухступенчатый термоэлектрический кондиционер..109
5.4.2. Комбинированный кондиционер с испарительным блоком. . .111
6. ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ УКВ ПАССАЖИРСКИХ
ВАГОНОВ ЭКСПЛУАТИРУЕМОГО ПАРКА.............................113
6.1. Две проблемы эксплуатации пассажирских вагонов........113
6.2. Ремонтные комплекты для восстановления УКВ МАБ-2......114
6.2.1. Запчасти для компрессоров.......................114
6.2.2. Ремкомплект РУОВ-12А фирмы ОАО «Теплообменник» ... 114
6.2.3. Установка УКР-1 фирмы ЗАО «ЛАНТЕП»..............115
6.2.4. Основной недостаток ремкомплектов...............119
6.3. Альтернативный хладагент для замены R12 в УКВ МАБ-2.....120
7. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ...................123
7.1. Индивидуальное регулирование температуры воздуха в купе.123
7.2. Косвенный способ плавного регулирования холодопроизводительности
на малых нагрузках (ЗАО «ЛАНТЕП»)......................130
7.3. Регулирование влажности воздуха в салоне..............130
Литер-тура.................................................132
4
ВВЕДЕНИЕ
Конец прошлого столетия явился началом коренного изменения техни-
ческой политики в отношении создания и производства пассажирских ваго-
нов локомотивной тяги отечественного производства.
Концептуальные приоритеты технической политики — существенное
повышение качества, использование отечественных комплектующих, рас-
ширение типажа и классности, введение института сертификации продук-
ции железнодорожной техники.
Учитывая новые требования, флагман отечественного пассажирского
вагоностроения ОАО «Тверской вагоностроительный завод» сумел в ко-
роткие сроки разработать и организовать серийное производство ряда мо-
делей купейных пассажирских вагонов с отечественными системами элек-
трооборудования и климатическими установками, не уступающими по
комфортабельности, дизайну немецким вагонам, которые в течение мно-
гих лет поставлялись для российских железных дорог. Особенно показа-
тельны в отношении использования новейших достижений и получения
требуемых качеств являются созданные на заводе скоростные пассажир-
ские вагоны нового поколения модели 61-4170, предназначенные для экс-
плуатации на полигоне Москва—С.-Петербург со скоростью 200 км/ч, по
дизайну и комфорту не уступающие современным вагонам ведущих евро-
пейских стран.
Вслед за ОАО «ТВЗ» хорошие результаты в деле создания новых ваго-
нов получены на заводах ЗАО «Вагонмаш» им. Егорова, вагоностроитель-
ном заводе им. Войтовича и других.
Примечательным для настоящего времени является создание неболь-
ших частных производственных фирм, работающих по кооперации с ваго-
ностроительными заводами, специализирующимися на выпуске малых
партий пассажирских вагонов повышенной комфортности. Так фирма
Циркон-Сервис (г. Москва) построила ряд вагонов-салонов специального
назначения, отличающихся высококомфортабельными салонами, внутрен-
ним дизайном, отделочными материалами, оригинальным климатическим
оборудованием с использованием сплит-систем. Оригинальные техниче-
ские решения по энергетическому оборудованию воплощены в опытных
вагонах, построенных по проектам ПКБ В «Магистраль». На опытных ва-
гонах применены экологически чистые моноблочные кондиционеры на
базе воздушной холодильной машины, эффективные двухканальные сис-
темы раздачи вентиляционного воздуха. Впервые в мире Миасским маши-
ностроительным заводом под патронажем Южно-Уральской ж. д. построен
и эксплуатируется комфортабельный вагон на базе купейного вагона 47 К/к
с термоэлектрической системой кондиционирования воздуха, обеспечи-
вающей не только охлаждение помещений вагона в летнее время, но и
обогрев в холодные периоды года.
Достигнутому качественному скачку в области повышения комфортно-
сти отечественных пассажирских вагонов способствовал поворот отечест-
венной промышленности к нуждам вагоностроителей, а также появление
5
и целенаправленная работа ряда фирм, специализирующихся на производ-
стве отечественных вагонных кондиционеров, узлов и аппаратов энергети-
ческого, электрического оборудования, новых типов аккумуляторных бата-
рей и другой техники. Среди них можно назвать такие фирмы как ЗАО
«ЛАНТЕП», ЗАО «Остров» (г. Москва), ЗАО «БСК» и ЗАО «КМТ» (г. С.-
Петербург), «Сибкриотехника» (г. Омск), концерн «Вагонсистем» (г. Тверь),
объединяющий фирмы по производству приборов и узлов систем автоном-
ного электроснабжения кондиционеров, экологически чистых туалетов.
Не утрачено и продолжается плодотворное сотрудничество отечествен-
ного вагоностроения с давнишним партнером АО «ЛАТВО», поставляю-
щим высококачественное электрооборудование.
Лаборатория климатических установок и электрооборудования пасса-
жирских вагонов, как подразделение Всероссийского научно-исследова-
тельского института железнодорожного транспорта принимала посильное
участие в деле создания нового энергетического оборудования пассажир-
ских вагонов, обеспечивая разработку технических требований на новые
вагоны, методические, регламентирующие, сертификационные докумен-
ты, проведение стендовых, лабораторных испытаний практически всех но-
вых узлов энергетического оборудования, натурных испытаний опытных
вагонов. Обладая значительной информацией в области энергетического
оборудования пассажирских вагонов нового поколения, считаем целесооб-
разным в целом виде довести её до специалистов, так или иначе связанных
с проектированием, производством, эксплуатацией пассажирских вагонов,
а так же осветить технические решения, которые, по нашему мнению, бу-
дут способствовать созданию перспективного климатического оборудова-
ния пассажирских вагонов, обеспечивающих высокий уровень комфорта,
повышение теплотехнических качеств, энергосбережение, надежность,
экологическую чистоту.
6
1. ТРЕБОВАНИЯ К ПАРАМЕТРАМ МИКРОКЛИМАТА
Энергетическое оборудование пассажирских вагонов, включающее
климатические системы и комплекс электрооборудования, необходимо для
обеспечения комфортных условий проезда пассажиров, работы поездных
бригад как в движении, так и в пунктах оборота на стоянках. Эффектив-
ность работы энергетического оборудования и уровень обеспечения ком-
форта в значительной степени определяются теплотехническими качества-
ми пассажирских вагонов.
Комфорт в общем виде включает многие факторы, определяющие ус-
ловия жизни и деятельности людей, например, в пассажирских вагонах
это: освещенность; эргономика, тип диванов и сидений, качество белья,
различные виды услуг, туалетные системы и т. д. Но в данном случае рас-
сматривается основная составляющая комфорта — гигиенические условия
(параметры) микроклимата, при которых терморегуляторная система чело-
века находится в состоянии наименьшего напряжения.
В пассажирском вагоне гигиенические нормативы предусматривают
регламентирование нескольких параметров, определяющих микроклимат.
К ним относятся температура и влажность в помещениях постоянного
(купе, салон) и временного (туалет, тамбур) пребывания людей, количе-
ство подаваемого воздуха, скорость движения воздуха в помещениях в
зимнее и летнее время, запыленность воздуха, а также температуры огра-
ждающих поверхностей и пола.
Параметры микроклимата для пассажирских вагонов регламентиро-
ваны и содержатся в основном документе: «Санитарные правила по ор-
ганизации пассажирских перевозок на железнодорожном транспорте.
Санитарно-эпидемиологические правила» СП 2.5.1198-03 Л. [I]. Извест-
но, что микроклимат в вагоне может неблагоприятным образом сказы-
ваться на здоровье пассажиров и, следовательно, его показатели отно-
сятся к категории показателей, определяющих не только комфортность,
но и безопасность, а значит должны быть обязательными для всех видов
подвижного состава и их выполнение является обязательным для всех
юридических и физических лиц, связанных с обеспечением пассажир-
ских перевозок.
Согласно [ 1 ] в зимнее время в купе и служебных помещениях вагонов
должна поддерживаться температура воздуха в пределах плюс 22 + 2 °C, в
умывальных (душевых) спальных вагонов 2 и 3 классов допускается сни-
жение температуры до плюс 16 °C. Допускаются колебания температуры
воздуха в помещениях вагона по вертикальному градиенту до 3 °C. Темпе-
ратура поверхностей внутренних ограждений не должна быть ниже плюс
15 °C. Скорость движения воздуха в местах нахождения пассажиров не
должна превышать 0,2 м/с. В летнее время климатическая система должна
обеспечивать равномерное охлаждение помещений вагона и обеспечивать
температуру воздуха в пределах плюс 24 ± 2 °C. В вагонах типа «Люкс» и
1-го класса, с дополнительными устройствами индивидуального регулиро-
вания, температура воздуха может изменяться по желанию пассажиров в
7
пределах от плюс 18 °C до плюс 28 °C с шагом не более 1 °C. Температура
подаваемого в вагон воздуха при охлаждении не должна быть ниже плюс
16 °C. Скорость движения воздуха в местах пребывания пассажиров долж-
на быть не выше 0,25 м/с.
Системой вентиляции вагона, рассчитанной на непрерывную работу,
должно подаваться определенное количество свежего воздуха в расчете на
каждое место в зависимости от наружной температуры воздуха:
10 м3/ч ПРИ температуре наружного воздуха ниже минус 20 °C;
15 м3/ч при температуре наружного воздуха от минус 20 °C
до минус 5 °C;
20 м3/ч пРи температуре наружного воздуха от минус 5 °C
до плюс 26 °C;
15м3/ч при температуре наружного воздуха выше плюс 26 °C.
В вагонах без кондиционирования (без системы охлаждения) допуска-
ется увеличение расхода воздуха, а скорость движения воздуха в местах
пребывания пассажиров может быть на уровне 0,4 м/с. Подаваемый в ва-
гоны воздух должен быть очищен от пыли, а допускаемая запыленность
воздуха внутри помещений вагона не должна превышать 0,5 мг/м3. Объем
рециркуляционного воздуха должен составлять величину не более 30 % от
общей подачи. При этом кроме очистки должно производиться обеззара-
живание воздуха.
Относительная влажность воздуха в вагонах 1-го класса должна состав-
лять 40 + 60 %, в вагонах 2-го и 3-го класса — 30 + 70 %, а концентрация
двуокиси углерода в помещениях не должна превышать 0,1 об. %.
Предъявляемые санитарно-гигиенические требования к параметрам
микроклимата в пассажирских вагонах в основном выполняются за счет
работы энергетических систем в автоматическом режиме.
Однако довольно часто влажность воздуха в помещениях вагона не со-
ответствует норме. Так в зимнее время при работе системы отопления от-
носительная влажность воздуха может снижаться до 15 %, и даже ниже
при низкой населённости вагона и низких температурах наружного воз-
духа, когда абсолютное содержание влаги в наружном воздухе значитель-
но снижается.
В летнее время влажность воздуха в вагоне наоборот может увеличи-
ваться до 90 % и более во влажных климатических зонах страны. Столь
значительные колебания влажности и нарушение норм вызывает опреде-
ленный дискомфорт у пассажиров, а происходит это вследствие того, что
в климатических системах современных пассажирских вагонов отсутству-
ют устройства регулировки влажности, хотя известны и применяются та-
кие устройства, обеспечивающие автоматическое поддержание заданной
влажности воздуха в помещениях в любое время года.
В новых санитарно-гигиенических правилах [1] введено требование
по количеству рециркуляционного воздуха на уровне 30 % вместо нор-
мируемого ранее значения 70 %. Снижение нормы рециркуляционного
воздуха до 30 % продиктовано стремлением снизить распространение
(перенос) вредных запахов, инфекций из одного купе по всему вагону.
Но эта мера, по всей видимости, является полиативной и не решает су-
8
щества вопроса. Радикальной мерой был бы отказ полностью от рецир-
куляции. Но вагоностроительная промышленность в данный момент не
может выполнить даже новое требование по снижению количества ре-
циркуляционного воздуха до 30 %. Дело в том, что выполнение этого, на
первый взгляд простого требования, повлекло бы значительные конст-
руктивные изменения теплообменных приборов климатического обору-
дования, а кроме того отрицательно повлияло бы на изменение на
5 4- 7 °C температурных пределов подаваемого вентиляционного воздуха.
Для обеспечения энергетического баланса вагона при снижении количе-
ства подаваемого вентиляционного воздуха зимой температура его долж-
на увеличиться на 5 + 7 °C, а летом снизиться на 5 + 7 °C и достигнет ве-
личины 10 °C, что является недопустимым и может привести к простуд-
ным заболеваниям из-за резкого перепада температур. Поэтому в
дальнейшем целесообразно полностью отказаться от централизованной
рециркуляции, а сделать её «местной» по каждому купе в отдельности.
Такая идея более плодотворна, технически проще осуществима, а, кроме
того, позволит легко реализовать возможность индивидуального регули-
рования температуры воздуха по купе и даже организовать дополнитель-
ную подачу вентиляционного воздуха на каждое пассажирское место с
возможностью регулирования температуры.
В новых нормах [1] не нашло отражение требование по управлению
температурой воздуха внутри купе в зависимости от температуры наружно-
го воздуха. Особенно это важно при работе систем охлаждения воздуха в
летнее время. Перепад температур наружного воздуха и внутри вагона не
должен превышать 10 4- 12 °C [2]. Эти величины являются допустимыми,
хотя и не оптимальными. Отслеживание и регулирование температурных
перепадов в оптимальных пределах — задача легко технически решаемая с
учетом того, что системы управления современных вагонов выполнены с
использованием микропроцессорной техники.
Таким образом, в настоящее время в связи с созданием вагонов нового
поколения и повышением требований по комфортности и безопасности
вопросы пересмотра гигиенических нормативов являются актуальными в
части:
— нормирования параметров микроклимата в зависимости от наруж-
ных температур;
— определения параметров микроклимата в аварийных ситуациях;
— определения наиболее эффективных и безопасных способов раздачи
вентиляционного воздуха;
— определения состояния свежего и рециркуляционного воздуха или
полный отказ от рециркуляционной системы;
— нормирования параметров микроклимата в вагонах открытого типа;
— установления более комфортных параметров микроклимата в туале-
тах и тамбурах.
Совершенно очевидно, что обеспечение комфорта требует определен-
ных материальных, энергетических и других затрат.
Эффективность работы систем обеспечения комфорта определяется
уровнем энергооснащенности, техническим совершенством и рациональ-
ным использованием оборудования, теплотехническими качествами кузо-
вов пассажирских вагонов.
9
2. ТЕПЛООГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ КУЗОВОВ
ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ
Типовой кузов современных пассажирских вагонов представляет собой
цельнометаллическую сварную конструкцию, состоящую из набора про-
дольных и поперечных элементов, обтянутых снаружи силовой обшивой
из конструкционных сталей. В специальные проемы кузова укрепляются
окна и двери. На внутреннюю поверхность силовой обшивы, после специ-
альной обработки, включающей антикоррозионное покрытие, накладыва-
ется теплоизоляция в виде матов, панелей или герметизированных пакетов.
Теплоизоляция боковых стен и пола, в свою очередь, закрывается декора-
тивными панелями из трудногорючих материалов. Планировка осуществ-
ляется внутри кузова в соответствии с типом вагона (купейный, открытый,
межобластной и т. д.), причем крепление оборудования жёстко связано с
силовой конструкцией кузова с использованием различных металлических
и деревянных профилей. Крыша вагона после укладки теплоизоляции об-
тягивается изнутри тонколистовой оцинкованной сталью. Наружная по-
верхность кузова типового вагона составляет величину порядка 290 +
+ 300 м2. Из них 10-5- 15 % приходится на поверхность окон. Таким обра-
зом, теплотехнические качества вагона, характеризуемые величиной инте-
грального коэффициента теплопередачи кузова, в статических условиях не
должна превышать К„ < 1,0 Вт/м2 • К, как это определено ГОСТ на пасса-
жирские вагоны [2].
2.1. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Качество теплоизоляции пассажирских вагонов является одним из
главных факторов обеспечения требуемых санитарно-гигиенических норм
в помещениях вагона в процессе эксплуатации, а также сбережения энер-
горесурса при работе систем отопления и охлаждения.
Качество теплоизоляции зависит от многих свойств используемых ма-
териалов. Например, величина водопоглощения теплоизоляционных ма-
териалов (гидрофильность) значительно влияет на теплопроводность ма-
териалов и теплотехнические качества кузова вследствие того, что при
эксплуатации вагона влага за счет процессов диффузии проникает и ска-
пливается в виде конденсата в изоляционном слое. Чем выше гидрофиль-
ность материала, тем больше скапливается влаги и тем хуже становятся
его теплотехнические качества вследствие возрастания коэффициента те-
плопередачи. В таблице 1 представлены результаты теплотехнических ис-
пытаний вагонов различных сроков службы с двумя типами изоляции.
Как видно из данных, приведенных в таблице 1, наиболее значитель-
ные изменения коэффициента теплопередачи происходят в первые годы
эксплуатации вагона. Кроме того, накопленная влага оказывает отрица-
тельное воздействие на коррозионную стойкость металла кузова, на его
долговечность.
10
Таблица 1. Коэффициент теплопередачи кузовов пассажирских вагонов
Срок эксплуатации вагонов Кузов с гидрофиль- ными материалами Кузов с гидрофоб- ным материалом
Новый вагон 0,95 0,95
5 лет 1,21 1,03
28—30 лет (весь срок службы) 1,35 1,15
Теплоизоляция является одним из важнейших элементов конструкции
кузова. Поэтому к теплоизоляционным материалам, используемым для
теплоизоляции кузовов пассажирских вагонов при их строительстве и ка-
питально-восстановительных ремонтах предъявляются жёсткие требова-
ния, регламентированные нормами ОСЖД (Памятка О Р538/1), которые
перечислены ниже:
— негорючесть;
— виброустойчивость и механическая прочность;
— нетоксичность (вещества, выделяемые изоляцией в воздушную среду
вагона, не должны превышать установленных значений ПДК);
— стабильность физикотехнических качеств в условиях эксплуатации;
— устойчивость формы при колебаниях температуры окружающей сре-
ды в диапазоне от минус 65 °C до плюс 75 °C;
— однородность структуры материала;
— технологичность при укладке в ограждающие конструкции кузова
вагона;
— обеспечение устойчивости к коррозии металла, соприкасающегося с
теплоизоляцией;
— объемная масса не более 50 кг/м3;
— коэффициент теплопроводности при температуре 20 °C не более
0,040 Вт/(м • К);
— максимальное сорбционное увлажнение не более 5 % по массе;
— изолированный теплоизоляцией кузов пассажирского вагона должен
иметь средний коэффициент теплопередачи в стационарных условиях не
более 1,0 Вт/(м2- К) и эта величина после 6 лет эксплуатации не должна
увеличиваться более, чем на 10 %.
Показатели водопоглощения, прочности и сохранности линейных раз-
меров всегда дополнительно согласовываются с заказчиком.
Срок службы теплоизоляции должен соответствовать сроку службы ва-
гона, т. е. 28 лет.
На протяжении более чем 25 лет в пассажирском вагоностроении при-
менялся довольно технологичный, гидрофобный материал в виде плит из
пенополистирола марок ПСБ и ПСБ-С-30, 40 (ГОСТ 15588), который по
физико-техническим свойствам соответствует основным эксплуатационным
требованиям вагоностроения: имеет малый объемный вес — 30 + 40 кг/м3,
хорошие теплоизоляционные свойства (коэффициент теплопроводности
при температуре 25 °C не более 0,035 Вт/м- К), имеет однородную струк-
туру, достаточную прочность, сохраняет устойчивость формы при колеба-
ниях температуры окружающей среды в диапазоне от минус 65 °C до плюс
11
75 °C и стабильность физико-технических качеств в условиях эксплуата-
ции. Водные вытяжки пенополистирола не увеличивают скорость корро-
зии металла. Вагоны с пенополистирольной изоляцией имеют довольно
хорошие коэффициенты теплопередачи в пределах 0,95 ч-1,0 Вт/м2 • К. Од-
нако в конце прошлого столетия использование пенополистирола для те-
плоизоляции пассажирских вагонов было запрещено вследствие того, что
при высокой температуре (при возникновении пожарных ситуаций) он
поддерживает горение и при этом выделяет высокотоксичные продукты
горения [3], которые в значительных количествах проникали через неплот-
ности в салон и вызывали отравления пассажиров.
Вместо пенополистирола для теплоизоляции вагонов начали применять
материалы из супертонкого стекловолокна торговых марок «ИСОВЕР» или
«УРСА». Материалы эти не горят и не выделяют токсичных веществ, но
плавятся при высоких температурах. К основным недостаткам этих мате-
риалов относятся их высокая гидрофильность (в 5 -5- 6 раз водопоглощение
выше, чем у ПБС-С), недостаточная механическая прочность, высокая
сжимаемость.
Опыт эксплуатации первых опытных вагонов, теплоизолированных
материалами типа «УРСА» и «ИСОВЕР», показал, что они полностью ут-
рачивают свои первоначальные теплотехнические качества в течение го-
да эксплуатации, что произошло вследствие значительного увлажнения.
Для повышения стабильности теплоизоляции с использованием мате-
риалов «УРСА» и «ИСОВЕР» были применены различные оберточные
влагонепроницаемые пленки. Была разработана и применена на практи-
ке на ОАО ТВЗ довольно эффективная технология пакетирования мате-
риалов в различные виды парогидроизоляционной пленки: ТАФ-2, ТАФ-3,
ПТГ, полиэтилен и др. В отличие от пленок ПТГ, пленки типа ТАФ-2 и
ТАФ-3, выполненные из фторированного стекловолокна, не горят, но
имеют высокую стоимость. Учитывая, что масса пленок, используемых
для пакетирования относительно незначительна и не вызовет значитель-
ных выбросов токсичных газов в салон вагона, особенно при очаговом
возникновении возможных возгораний, ОАО «ТВЗ» стал использовать и
выпускать серийные вагоны с применением «УРСЫ», предварительно
герметично пакетированной в пленку ПТГ. При этом предусмотрено из-
готовление пакетов различной конфигурации и толщины с учетом гео-
метрии изолируемой поверхности кузова вагона. Технология укладки па-
кетов осталась примерно той же, что и при использовании ПСБ-С. Од-
нако благодаря «мягкости» новая изоляция укладывается с «поджатием»
и «перекрышей». В результате, как показали испытания многих образ-
цов, вагоны с такой изоляцией имеют довольно хороший коэффициент
теплопередачи на уровне К = 0,85 Вт/м2 • К и даже ниже. Следует, одна-
ко, учесть, что при этом завод провел определенные работы по увеличе-
нию плотности (герметичности) кузова и стал серийно применять алю-
мопластмассовые окна с двухкамерными стеклопакетами, отличающи-
мися более высокими теплотехническими качествами по сравнению с
окнами с деревянными рамами. Выборочная проверка с проведением те-
плотехнических испытаний вагонов, после различных сроков эксплуата-
ции (1, 2, 3 года) показала, что коэффициент теплопередачи кузовов
практически не изменился.
12
Однако существуют опасения, что вследствие недолговечности поли-
этиленовой пленки, подверженной влиянию многих факторов, приводя-
щих её к «старению», возможна утрата первоначальных свойств, разгер-
метизация пакетов и разрушение теплоизоляции вагонов. Поэтому поиск
новых видов высокоэффективных теплоизоляционных материалов для ва-
гонов остается актуальной задачей.
В связи с этим рассматривались предложения по реанимированию пе-
нополистирольных плит, защищённых различными огнестойкими мате-
риалами. Сущность предложений заключалась в защите пенополистироль-
ных плит тонкостенными огнестойкими материалами с использованием
различных технологий их нанесения (пакетирование, автоматизированная
наклейка специальными клеями и т. д.).
В качестве защитных материалов был предложен и исследован ряд отече-
ственных материалов, основные показатели которых приведены в таблице 2.
Как видно из рассмотрения данных, представленных в таблице 2, огне-
защитные материалы отличаются по физическим свойствам и стоимости,
размерам и структуре выпускаемых материалов.
Так пенополиэтилен, представляющий собой сшитые листы толщиной
10-5-30 мм, не плавится и не разлагается до 400 °C. Закрытоячеистая струк-
тура пенополиэтилена обеспечивает хорошие теплоизоляционные свойст-
ва и низкую величину водопоглощения.
Слоистый материал типа А-30, представляющий собой пеноасбест
«Ритм» толщиной 30 мм с тремя слоями алюминиевой фольги толщиной
0,01 мм, имеет самый низкий коэффициент теплопроводности.
Пеноизол можно использовать методом напыления или заливки, что
обеспечит высокую технологичность использования и повышенную плот-
ность теплоизолирующих конструкций вагона.
Материалы типа ATM, изготавливающиеся на основе супертонких
стеклянных или кремнеземных волокон и неорганических связующих тол-
щиной от 3,5 до 20 мм, обладают высокой температурной стойкостью.
Базальто-волокнистый картон БВТМ, выпускаемый толщиной до 5 мм,
отличается низким водопоглощением и стоимостью, технологичен, огне-
устойчив.
Картон из керамического каолинового волокна ТКА толщиной до
5 мм, также как и БВТМ, огнестоек и технологичен, но стоимость его вы-
ше почти в 4 раза.
Все рассматриваемые материалы для многослойной теплоизоляции хо-
рошо обрабатываются механическим путем, эластичны, легко укладывают-
ся в ограждающие конструкции кузова вагона и не требуют изменений су-
ществующей организации технологического процесса при изготовлении
термоизоляции пассажирских вагонов.
Для проверки эффективности предложений по использованию ПСБ-С
с защитными пленками для испытаний на огнестойкость московской фир-
мой «Гента», специализирующейся на изготовлении изоляции ПСБ-С в
сочетании с защитными пленками, был подобран негорючий клей и изго-
товлены следующие образцы.
* ПСБ-С, оклеенный базальтовым картоном и поверх него рулонным
стеклопластиком.
* ПСБ-С, оклеенный рулонным стеклопластиком.
13
Таблица 2. Материалы, предлагаемые в качестве огнезащиты
Наименование материала Плот- ность, кг/м3 Коэффи- циент те- плопро- водности, Вт/м • К Водопо- глошение (по весу) % (за 1 сутки) Температу- ра исполь- зования, “С Стои- мость С НДС, руб./м2
Пенополиэти- лен-50 50 0,030 до 4,0 макс. 400 200
Пенополиэти- лен- 100 100 0,034 до 4,0 400 120
Минеральная вата —50, —75 35-75 0,041- 0,042 45-47 400 500— 600*
Иглопробивное полотно, пропи- танное латексом 0,99 (кг/м2) 50 200 60
Пеноасбест с тремя слоями алюминиевой фольги марки А-30 1 (кг/м2) 0,025 до 5,0 500
Пеноизол 8-25 0,030- 0,044 115 —5-5- +120 100*
АТМ-6 140 0,062 (260 ”С) 84 макс. 300
АТМ-9 200— 500 0,067— 0,069 (260 °C) 40 макс. 300
Базальтовый картон — БВТМ 45 0,038 16 —269-5- -5-+700 27
Керамическое волокно каоли- нового состава — ТКА 25 0,09 (400 °C) 12 ми- нус 250 + -5- плюс 1260 100
Пленка ТАФ-3 0,13 (кг/м2) влагоне- проницае- мая трудного- рючая 86
Рулонный стек- лопластик — РСТ 0,25 (кг/м2) влагоне- проницае- мая 400 25
14
* ПСБ-С, оклеенный керамическим волокном ТКА.
* ПСБ-С, оклеенный базальтовым картоном БВТМ.
* ПСБ-С, оклеенный пленкой ТАФ-3.
Испытания проводились Тверским институтом вагоностроения (ЗАО
НО «ТИВ»), аккредитованным для проведения испытаний по оценке огне-
защитной способности материалов, по утвержденной ЦЛ и ЦУО МПС РФ
«методике оценки эффективности защитной прослойки в ограждающих
конструкциях пассажирских вагонов».
Следует отметить, что расчеты теплопередачи через плоскую много-
слойную плиту [4] показывают, что вследствие незначительной теплоёмко-
сти пористого теплоизоляционного материала температура его будет воз-
растать с большой скоростью. Например, при скачкообразном повышении
температуры у поверхности плиты неограниченной толщины от начальной
/, = 20 °C до Гк= 800 °C температура на глубине 0,1 м (при коэффициенте
теплопроводности X = 0,04 ВтДг • К) будет равна 460 °C через 5 минут, на
поверхности t„= 753 °C, на наружной поверхности t„= 53 °C.
Распределение температур в термоизоляционном слое при стационар-
ном режиме теплопередачи будет линейное, причем температура почти по-
ловины термоизоляции, примыкающей к наружной поверхности, в начале
пожара не достигнет температуры самовоспламенения пенополистирола
(ПСБ-С), которая составляет примерно 400 °C. Такое повышение темпе-
ратуры в этой части конструкции возможно по мере испарения и разруше-
ния термоизоляции, примыкающей к помещению, где происходит пожар.
Огнезащитные негорючие пленки и другие негорючие покрытия тол-
щиной в несколько мкм не создают значительного термического сопро-
тивления, то есть не могут препятствовать процессу нагрева теплоизоля-
ции в результате их малой теплопроводности, но, несмотря на это их при-
менение представляется эффективным по следующим причинам. Горение
термоизоляционного материала (например, ПСБ-С) будет происходить в
замкнутом пространстве между огнезащитной пленкой и металлической
ограждающей конструкцией за счёт кислорода, содержащегося в порах ма-
териала, практически без притока его извне. Ограждающая конструкция
будет заполняться продуктами сгорания, что препятствует развитию про-
цесса горения.
В результате испытаний было выявлено, что все испытанные материалы —
рулонный стеклопластик РСТ, базальто-волокнистый теплоизоляционный
материал БВТМ, керамическое каолиновое волокно ТКА, ТАФ-3 облада-
ют достаточной поверхностной плотностью, обеспечивающей невоспла-
меняемость теплоизоляции ПСБ-С при огневом воздействии по темпера-
турному режиму реального пожара, то есть, предложенные сочетания ма-
териалов отвечают требованиям пожарной безопасности по огнестойкости.
В этом случае при выборе вида огнезащитного материала следует исхо-
дить из технологической, экономической и эксплуатационной целесооб-
разности.
Учитывая, что толщина огнезащитного слоя по отношению к толщине
слоя ПСБ-С составляет всего около 10 %, а также то, что материал ПСБ-С
является маловлагоёмким и то, что огнезащитный слой должен прилегать к
теплой (внутренней) стене вагона и, следовательно, при эксплуатации вагона
будет сухим, можно рекомендовать не ставить гидрозащитную прокладку.
15
Исходя из данных таблицы 2, следует, что наиболее дешёвым является
базальтовый картон, к тому же он выпускается серийно и в достаточном
количестве, легко поддается раскрою, имеет небольшую плотность и ма-
лую влагоёмкость, высокие пожарозашитные свойства. Поэтому предлага-
ется в качестве теплоизоляции использовать композицию из двух материа-
лов, а именно, к наружной (холодной) стене располагать слой ПСБ-С, а к
внутренней стене располагать слой БВТМ, который, будучи приклеен к
поверхности плиты ПСБ-С, защищает её от воздействия мощного источ-
ника тепла, что приведет не только к замедлению расплавления материала,
но и, самое главное, предотвратит его возгорание.
Полученные расчетные и экспериментальные данные по исследова-
нию влияния защитных свойств огнезащитных материалов, наклеенных
на поверхность изоляционной плиты из ПСБ-С, позволяют заключить,
что эти материалы не защищают от разрушения (оплавления) слоя изоля-
ции пассажирского вагона при воздействии на внешние поверхности ку-
зова мощного высокотемпературного теплового потока, например, в слу-
чае, когда происходит пожар в аналогичном вагоне, стоящем напротив на
соседнем пути.
В результате такого воздействия, вагон в короткий отрезок времени
полностью «потеряет» теплоизоляционный слой из ПСБ-С за счет его оп-
лавления. При этом первоначальная поверхность изоляции резко сокра-
тится и её полное сгорание в дальнейшем зависит от условий подведения
тепла к массе жидкой фазы ПСБ-С со значительно меньшей поверхно-
стью. Поэтому для защиты наружной поверхности стен вагона от воздей-
ствия повышенных температур от соседнего, стоящего параллельно вагона,
целесообразно плиту ПСБ-С оклеивать с двух сторон, что удорожит изо-
ляцию незначительно, но её надежность с точки зрения защиты от пожа-
роопасной ситуации увеличится.
Следует отметить, что такие теплоизоляционные материалы, как «УРСА»
или «ИСОВЕР», упакованные в полиэтиленовую пленку, также оплавля-
ются при воздействии мощного теплового потока и вагон также теряет
свои теплозащитные качества. Не оплавиться и сохранить свои объемные
показатели могут только такие материалы, как пороволокнит, пенобазальт,
минеральная вата, но только при непродолжительном воздействии тепло-
вого потока, при этом отдельные физико-химические показатели могут из-
мениться.
Поэтому целесообразно изготовление теплоизоляции кузовов вагонов
при выполнении КВР из плит ПСБ-С с оклейкой на внутренней поверх-
ности огнезащитного материала БВТМ. Для повышения надежности огне-
защиты возможно применить дополнительное покрытие второй стороны
теплоизоляционного слоя тем же материалом БВТМ. Для сохранения теп-
лоизоляционного слоя от воздействия влаги возможно использовать в ка-
честве третьего слоя материал РСТ.
Предложенный композиционный материал одобрен специалистами ва-
гоностроительного (ОАО «ТВЗ») и вагоноремонтных заводов. По данным
ВНИИЖГ токсичность защищённых материалов типа ПСБ-С при воздей-
ствии на них повышенных температур не превышает допустимых норм и
даже ниже, чем дают некоторые другие материалы, используемые в ваго-
ностроении, например, пенополиуретан.
16
Если возможность использования защищённого ПСБ-С и определена
вышеприведенными испытаниями, то целесообразность зависит от эконо-
мической эффективности, учитывающей стоимости материалов.
В таблице 3 приведены данные необходимых объёмов (из расчета на
1 вагон) тепло-, гидро- и огнеизоляционных материалов, а также их стои-
мости. Величины взяты по данным Воронежского вагоноремонтного заво-
да им. Тельмана и фирмы «Гента».
Таблица 3. Необходимое количество материалов и их стоимость
при различных видах ремонта
Показатель Цена 1 ед. измерения КВР КР-2 КР-1
1-й р. 2-й р.
Планируемое количест- во вагонов (ВРЗ им. Тельмана) на 2000 г., шт. — 100 55 50 115
Минеральная вата, м3 Стоимость на 1 ва- гон, руб. 660 руб./м3 21 7 о,з 2
— 13860 4620 198 1320
«УРСА», м3 Стоимость на 1 ва- гон, руб. 1300 руб./м3 21 7 0,3 2
— 27300 9100 390 2600
Пленка ПТГ, м2 Стоимость на 1 ва- гон, руб. 13,5 руб./м2 1100 708 13 88
— 14850 4158 176 1188
Пленка ТАФ-3, м2 Стоимость на 1 ва- гон, руб. 86 руб./м2 1100 708 13 88
— 94600 60888 1119 7568
Клей 88, кг 52 руб./кг 130 80,5 1,5 10
Стоимость на 1 ва- гон, руб. — 6760 1820 78 520
Трудозатраты: нормо-часы руб.
4,42 руб. 549 93 13
— 2427 411 57,5
ПСБ-С, м3 980 руб./м3 21 7 0,3 2
17
Продолжение табл. 3
Показатель Стоимость на 1 ва- гон, руб. Цена 1 ед. измерения КВР КР-2 КР-1
1-й р. 2-й р.
— 20580 6860 294 1960
БВТМ, м2 1 сторона покр./ 2 стороны покр. Стоимость на 1 вагон, руб. 27 руб./м2
— 270/540 173/346 6/12 22/44
— 7290/ 14580 4671/ 9342 162/ 324 594/ 1188
Клей, кг 1 сторона покр./ 2 стороны покр. Стоимость на 1 вагон, руб. 94 руб./кг
— 54/108 35/70 1,2/ 2,4 4,4/8,8
— 5076/ 10152 3290/ 6580 113/ 226 414/828
Трудозатраты на 1 вагон, руб. 9,5 руб./м2
1 сторона покр./ 2 стороны покр. — 2565/ 5130 1644/ 3288 57/114 209/418
Правилами ремонта предусмотрено в качестве гидроизоляции исполь-
зовать негорючую плёнку ТАФ-3, которая весьма дорога, поэтому вагоно-
ремонтные заводы, как временную меру, получили разрешение на исполь-
зование для этой цели плёнку ПТГ, хотя эта пленка является горючей.
В таблице 4 представлены сравнительные величины стоимости тепло-
изоляции (из расчёта на 1 вагон) при использовании минеральной ваты
или «УРСЫ» в комплексе с плёнками ТАФ-3 и ПТГ (т. е. материалами, ко-
торые ставятся или должны ставиться по правилам ремонта на вагон) и за-
щищённой теплоизоляции, состоящей из ПСБ-С с приклеенным к нему
БВТМ при проведении различных видов ремонта.
В стоимости теплоизоляции не учтены трудозатраты вследствие того,
что их величины при существующем и предлагаемом видах теплоизоляции
примерно равны (см. табл. 3).
Из рассмотрения данных таблицы 4 следует, что стоимость существую-
щего вида изоляции (вариант 1) несколько выше, чем предлагаемого (ва-
риант 5), при котором предполагается одностороннее оклеивание ПСБ-С
материалом БВТМ. В случае если вагон должен отвечать особо повышен-
ным требованиям безопасности, возможен вариант двустороннего оклеи-
вания слоя ПСБ-С с целью сохранения от оплавления слоя теплоизоляции
18
Таблица 4. Стоимость ремонта теплоизоляции вагона
№ п/п Материал теплоизоляции Стоимость, руб.
КВР КР-2 КР-1
1-й р. 2-й р.
1 Мин. вата + ПТГ + Клей 88 35500 10600 450 3000
2 Мин. вата + ТАФ-3 + Клей 88 115200 67300 1400 9400
3 «УРСА» + ПТГ + Клей 88 48900 15100 640 4300
4 «УРСА» + ТАФ-3 + Клей 88 128700 71800 1600 10700
5 ПСБ-С + БВТМ + Клей (одно- стороннее покрытие) 33000 9800 400 2800
6 ПСБ-С + БВТМ + Клей (дву- стороннее покрытие) 66000 19600 800 5600
при возможном нахождении вагона на путях, параллельных тем, где распо-
ложен горящий объект. В этом случае стоимость предлагаемого вида тепло-
изоляции удвоится и всё же она будет значительно ниже, чем стоимость ми-
неральной ваты или «УРСЫ», обернутых негорючей пленкой ТАФ-3.
В таблице 5 приведены стоимости теплоизоляции при проведении КВР
при сравнении вариантов теплоизоляции, используемой в настоящее вре-
мя, и предлагаемого вида теплоизоляции с одно- и двусторонним покры-
тием ПСБ-С материалом БВТМ.
Если для сравнения взять за основу варианты № I и № 5, то за 1 год
экономическая эффективность от внедрения предлагаемого вида тепло-
изоляции только на ВРЗ им. Тельмана составит (см. табл. 3):
Таблица 5. Экономическая эффективность при проведении КВР
Сравниваемые варианты табл.4 Стоимость (см. табл. 4), руб. Экономическая эф- фективность, руб.
№ 1 и № 5 35500-33000 2500
№ 1 и № 6 35500-66000 -30500
№ 2 и № 5 115200-33000 82200
№ 2 и № 6 115200-66000 49200
№ 3 и № 5 48900-33000 15900
№ 3 и № 6 48900-66000 -17100
№ 4 и № 5 128700-33000 95700
№ 4 и № 6 128700-66000 62700
19
KBP — 100 ваг. x 2500 руб. =25000 руб.
КР-2 — 55 ваг. х 800 руб. = 44000 руб.
КР-1 - 50 ваг. х 50 руб. = 2500 руб.
КР-1 — 115 ваг. х 200 руб. = 23000 руб.
ИТОГО: 94500 руб.
То есть, если сравнивать с нарушенной технологией укладки теплоизо-
ляции (с применением плёнки ПТГ) и использованием в качестве тепло-
изоляционного слоя не дорогую «УРСУ», а дешёвую минеральную вату, то
в этом случае только на одном вагоноремонтном заводе затраты сократятся
на 94500 рублей. Но если сравнивать с технологией, которая предусмотре-
на правилами ремонта (с применением плёнки ТАФ-3), то использование
композиционного вида теплоизоляции (ПСБ-С + клей фирмы «Гента» +
+ БВТМ) приведет к сокращению расхода на теплоизоляцию 1 вагона
примерно на 200 %.
Кроме того, будет иметь место социальный эффект за счёт улучшения
условий работы при производстве теплоизоляционных работ, а также об-
легчения условий работы проводников при отоплении вагонов и улучше-
ния условий перевозки пассажиров.
Таким образом, экономический эффект от внедрения предлагаемого
композиционного вида теплоизоляции будет складываться из экономии
энергии при эксплуатации пассажирских вагонов (около 500 тыс. рублей в
год на 320 отремонтированных вагонов) и экономии при ремонтах и соста-
вит суммарный экономический’эффект около 594500 рублей в год.
2.2. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
ДЛЯ НОВЫХ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ
Отечественной промышленностью выпускается большое количество
различных теплоизоляционных материалов. По виду используемого исход-
ного сырья их можно разделить на два класса: органические и неоргани-
ческие. Существует ещё группа материалов, изготавливаемых из смеси ор-
ганического и неорганического сырья. Их не выделяют в отдельный класс,
а условно относят к органическим или неорганическим в зависимости от
превалирующего материала. Как отмечалось выше, в вагоностроении при-
меняли или применяют как органические материалы (древесные плиты,
пробковое дерево, различные пластмассы), так и неорганические материа-
лы (минераловатные, стекловолокнистые, асбест). Если по функциональ-
ным свойствам (теплопроводность, температура эксплуатации, пористость)
для теплоизоляции вагонов подходит значительное количество выпускае-
мых материалов, то по эксплуатационным свойствам (прочность, водопо-
глощение, горючесть, химическая агрессия и ряд других) практически ни
один из выпускаемых материалов как отечественной, так и зарубежной
промышленностью не удовлетворяет в полной мере.
Основная ставка в деле создания теплоизоляционного материала для
теплоизоляции кузовов пассажирских вагонов делается промышленностью
на использование неорганического сырья. Так в 90-х годах прошлого века
рядом московских фирм была предпринята попытка создания на основе
асбеста теплоизоляционного материала, который впоследствии получил
название «Пороволокнит». В результате проведенного цикла испытаний
20
было установлено, что «Пороволокнит», несмотря на ряд положительных
качеств, не отвечает эксплуатационным требованиям, особенно в отноше-
нии водопоглощения и прочности.
В 2002 году фирма «Изотерм» (г. С.-Петербург) начала серийное про-
изводство теплоизоляционного материала «Изотерм» по Техническим ус-
ловиям ТУ 5766-001-56227282—2002 на основе пенобазальта, изготовлен-
ного методом вспенивания из минерального природного волокна, повех-
ностноактивного вещества (ПАВ) и гидрофобизатора.
«Изотерм» выпускается в виде плит двух типов: тип А — «Изотерм»
обычного исполнения, т. е. без специального покрытия; тип Б — «Изотерм-Г»
гидрофобизированный с односторонним покрытием стеклотканью.
Материал выпускается в виде плит толщиной от 10 мм до 40 мм, ши-
риной 115 см, длиной 100 см (длина может быть различной — ленточное
производство). Плотность материала тип А — 25 кг/м3, тип Б — 30 кг/м3.
«Изотерм» одобрен «Российским Морским Регистром судоходства», от-
носится к негорючим и экологически безопасным материалам.
Опытные партии материалов прошли испытания на гражданских и во-
енных судах, авиационной и космической технике, в строительстве и спе-
циальных изделиях ВПК, везде получены положительные результаты.
ВНИИЖТ’ом от совместно с ВНИИЖГ в 2003 году были проведены ла-
бораторные испытания образцов «Изотерма» с определением водопогло-
щения, коррозионной агрессивности водных вытяжек на конструкцион-
ные стали, а также проведена оценка горючести и санитарно-гигиениче-
ских показателей.
Проведенные работы показали, что по водопоглощению «Изотерм»
имеет показатель в 20 раз лучший, чем «УРСА» и в 10 раз лучше, чем ми-
нераловатная плита. Он не горюч, температурные пределы эксплуатации
от минус 50 °C до плюс 1000 °C, экологически безопасен, коэффициент те-
плопроводности находится в пределах от 0,029 до 0,037 Вт/м • К, предел
прочности от 0,012 МПа до 0,160 МПа, сжимаемость — 13 + 15 %, коэффи-
циент паропроницаемосги — 0,45/0,40 кг/м • ч • Па, коэффициент звукопо-
глощения при 1000 Гц — не менее 0,8 4- 0,7. По шкале коррозионной стой-
кости материал «Изотерм» относится к относительно стойким материалам.
По результатам испытаний, с согласия Департамента пассажирских пере-
возок МПС, материал «Изотерм» был рекомендован для теплоизоляции двух
опытных пассажирских вагонов на ЗАО «Вагонмаш» (г. С.-Петербург) с це-
лью завершения цикла испытаний (проверки технологичности изготовления
теплоизоляции, определения коэффициента теплопередачи кузова) и приня-
тия решения о серийном использовании в пассажирском вагоностроении.
В силу ряда обстоятельств цикл испытаний «Изотерма» не был завершён.
Вопрос о подходящем материале для теплоизоляции кузовов пассажир-
ских вагонов остаётся открытым.
2.3. АЛЬТЕРНАТИВНАЯ КОНСТРУКЦИЯ КУЗОВА
Теплотехнические и эксплуатационные качества кузовов пассажирских
вагонов недостаточно высоки не только из-за отсутствия высокоэффектив-
ных теплоизоляционных материалов, удовлетворяющих всем жёстким тре-
21
бованиям применения на транспортных средствах, но и из-за несовершен-
ства металлической конструкции кузова, изобилующей тепловыми мости-
ками и не способной обеспечить необходимую плотность (герметичность)
изделия. Кроме того используемой конструкции кузова в сочетании с ра-
ботой климатических систем вагона свойственна органическая способ-
ность конденсации и накопления влаги на внутренних поверхностях сило-
вой обшивы, приводящей её к интенсивной коррозии. Это обусловлено
наличием значительных перепадов температур и в результате процессов те-
пломассообмена на внутренней холодной поверхности силовой обшивы
происходит конденсация влаги, равно как и увлажнение материала тепло-
изоляции. Процесс накопления влаги, превалирующий вследствие того,
что по условиям эксплуатации вагонов в России большая часть времени
приходится на холодный период года, когда температура металлической
обшивы значительно ниже температур внутренних поверхностей вагона.
Процесс накопления влаги в теплоизоляции и на внутренних поверхностях
металлической обшивы усугубляется непосредственным проникновением
влаги через различные неплотности как изнутри, так и снаружи вагона. В
результате увлажнения происходит увеличение коэффициента теплопере-
дачи и снижение срока службы кузова на 8 10 лет из-за коррозии.
Отмеченные недостатки могут быть устранены и кроме того приобре-
тены новые положительные качества при реализации альтернативной кон-
струкции кузова с наружной пассивной и внутренней активной теплоизо-
ляцией [5, 6].
Отличие альтернативной конструкции состоит в том, что кузов, выпол-
ненный так же в виде сварной металлической конструкции, состоящей из
набора продольных и поперечных элементов (шпангоутов), обтянут сило-
вой обшивой изнутри, а не снаружи. Сама обшива является теплообмен-
ной поверхностью и функционально связана с климатическим оборудова-
нием вагона. Снаружи кольцевая шпангоутная система закрывается тонко-
стенными листами из нержавеющей стали или других коррозионностойких
материалов, например, пластмасс. Зазор между наружными листами и си-
ловой обшивой заполняется пенопластами (на основе полистирола или
фенолоформальдегидных полимеров) методом заливки. Использование
пенопластмасс возможно вследствие того, что силовая обшива располага-
ется изнутри каркаса кузова, она будет обладать достаточной герметично-
стью, и при возможных пожарах токсичные выделения от теплоизоляции
не будут проникать во внутренние помещения вагона.
Силовая обшива, обустроенная коллекторами, по которым циркулиру-
ет теплоноситель, становится теплоотдающей поверхностью с коэффици-
ентом неравномерности температурного поля не превышающим 20 %.
Средний температурный потенциал поверхности при этом будет в интер-
вале 20 4- 26 °C, как для режимов отопления, так и охлаждения в диапазоне
наружных температур воздуха от плюс 40 °C до минус 40 °C. Поддержание
низкого температурного потенциала поверхности возможно благодаря зна-
чительной её величине, более чем в 5 раз большей существующих поверх-
ностей отопительных или охлаждающих приборов пассажирского вагона,
т. е. она будет являться активной теплоизолирующей поверхностью, отде-
ляющей внутреннее пространство вагона от внешнего. Нанесенный на си-
ловую обшиву теплоизоляционный материал будет являться пассивной изо-
22
ляцией, необходимой для значительного снижения тепловых потерь через
ограждение конструкции кузова.
Альтернативная конструкция кузова исключит конденсацию влаги на
поверхности силовой обшивы; обеспечит: увеличение срока службы кузова
в 2,5 -ь 3 раза, повышение теплотехнических качеств вагона за счет увеличе-
ния герметичности в 1,3—1,5 раза; снижение энергозатрат на отопление и
кондиционирование за счет снижения температурного потенциала теплоот-
водящей поверхности.
Следует отметить, что аналогичные конструкции кузовов используются
за рубежом (рефрижераторные вагоны типа «Сэндвич»), построен и прохо-
дит испытания опытный пассажирский вагон модели ICD-AO.
Таким образом, альтернативная конструкция кузова, обладающая целым
рядом преимуществ, реализует возможность использования хорошо зареко-
мендовавших себя пластмасс для изоляции вагонов, с применением автома-
тизированной высокоэффективной и экологически чистой технологии.
2.4. ОКНА ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ
Окна в пассажирских вагонах необходимы для обеспечения естественной
освещенности помещений в дневное время, обзора пересекаемой местности
с функциями предохранения пассажиров от воздействия внешних факторов.
Конструкция применяемых окон в последнее время претерпела значитель-
ные изменения, что позволило повысить их качество и надежность. Вместо
дерева для изготовления оконных рам отечественные производители стали
применять алюмопластмассовые конструкции с терморазвязками, армиро-
ванные оцинкованным стальным профилем поливинилхлоридной (ПВХ) за-
ливкой, а также резину из этиленпропиленовых каучуков. Для окон стали
изготавливаться и применяться одно-, двухкамерные стеклопакеты с ис-
пользованием различных типов стекол, в зависимости от назначения и усло-
вий эксплуатации подвижного состава.
2.4.1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОКНАМ
В соответствии с назначением к окнам пассажирских вагонов предъявля-
ются довольно жёсткие требования: по конструктивному исполнению, надеж-
ности, безопасности, стойкости к внешним воздействующим факторам. Ос-
новные требования к окнам пассажирских вагонов приведены в таблице 6.
Поскольку процесс совершенствования окон идет непрерывно, то, как
правило, на новые изделия разрабатываются новые ТТ и согласовываются
с заказчиком.
Для пассажирских вагонов требуются окна различных типов: широкие
(Ш) и узкие (У); глухие (Г), с форточкой (Ф); аварийный выход (АВ); туа-
летное с форточкой (ФТ) и туалетное глухое (ГТ).
Габаритные, установочные и присоединительные размеры, масса окон
должны соответствовать требованиям утвержденной конструкторской до-
кументации.
Конструкция окон должна быть ремонтопригодной, обеспечивать удоб-
ство монтажа, эксплуатации, технического обслуживания. При эксплуата-
23
Таблица 6. Основные технические требования к окнам пассажирских вагонов
№ п/п Наименование требований Параметр
1 Параметры и характеристики
1.1 Светопропускание в видимой области спектра (X = 0,4...0,75 мкм), без плёнки/с защитной пленкой, % не менее 75/50
1.2 Пропускание в инфракрасной области спектра (X = 0,75...2,5 мкм), без пленки/с защитной плёнкой, % не более 50/35
1.3 Отражение в видимой и ближней инфракрасной областях спектра (X = 0,4...2,5 мкм), без плёнки/с защитной плёнкой, % 20—25/15—18
1.4 Коэффициент теплопроводности материала ра- мы окна, Вт/м • К, не более о,з
1.5 Коэффициент теплопередачи окна для стоящего поезда, Вт/м2'К
— для однокамерного стеклопакета, не более 2,5
— для двухкамерного стеклопакета, не более 2,0
2 Стойкость к воздействию внешних факторов
2.1 Синусоидальная вибрация в диапазоне частот от 0,5 до 100 Гц с амплитудой 50 м • с-2 должны выдерживать
2.2 Механические удары одиночного действия с пи- ковым ударным ускорением до 50 м • с-2 при длительности ударного ускорения от 2 до 20 мс (в горизонтальном направлении) должны выдерживать
2.3 Линейное ускорение до 50 м • с-2 должны выдерживать
2.4 Должны выдерживать воздействие давления при возникновении ударной волны при встречном движении вагонов поездов, Па ± 2000
2.5 Рабочая температура окружающего воздуха, °C -50 +45
2.6 Рабочая относительная влажность воздуха при температуре 25 °C, % до 98
2.7 Рабочие пределы атмосферного давления, кПа 84,0 ч- 106,7
24
Продолжение табл. 6
№ п/п Наименование требований Параметр
3 Надёжность
3.1 Назначенный срок службы окон, кроме стекло- пакетов и уплотнителей, срок службы которых регламентируется соответствующими норматив- ными документами, лет 28,0
3.2 Назначенные сроки службы до ремонтов опреде- ляются сроками ремонтов вагонов —
3.3 Минимальная безотказная наработка окна с форточкой, тысячи циклов, не менее 75,0
3.4 Минимальная безотказная наработка окна «ава- рийный выход», количество циклов сбрасывания установок, тысячи циклов 100,0
ции на внутренних поверхностях окон не должно образовываться обледе-
нения и выделение конденсата при относительной влажности воздуха в по-
мещениях до 89 %.
Окно «аварийный выход» должно обеспечивать быстрое освобождение
оконного проёма усилием одного человека. При этом стеклопакет должен
удерживаться в висячем или другом фиксированном положении, в сохран-
ном состоянии с тем, чтобы после аварийного использования с помощью
встроенного механизма подъёма вернуть его в исходное положение с фик-
сацией в окне.
Форточка окна должна свободно открываться на угол 25 + 30° и фикси-
роваться в крайних положениях. В верхнем закрытом положении форточка
должна запираться замками под торцовый ключ.
Окна должны исключать проникновение внутрь вагона воды, пыли,
снега и надёжно защищены от атмосферной коррозии и воздействия мою-
щих средств.
Окна должны оборудоваться герметичными одно- или двухкамерными
стеклопакетами и соответствовать требованиям ГОСТ 24866. Конструкция и
технология изготовления стеклопакетов должны исключать наличие и об-
разование загрязнений и запотеваний внутренних поверхностей стёкол в
процессе эксплуатации.
Стеклопакеты должны изготавливаться из травмобезопасного стекла,
соответствующего требованиям ГОСТ 5727. При этом должно быть ис-
пользовано полированное стекло, соответствующее требованиям ГОСТ
13454. Стеклопакеты должны изготавливаться по утвержденной техниче-
ской документации и соответствовать типу выпускаемых окон. Толщина
стеклопакетов как однокамерных, так и двухкамерных не должна превы-
шать 26+0,8 мм, что связано с минимизацией тепловых потерь.
Особое внимание в требованиях к стеклопакетам обращается к типу и ка-
честву применяемых стёкол по показателям внешнего вида (порокам), раз-
25
личным включениям, пузырькам, свилям, царапинам, выколкам, матовым
пятнам и другим. В настоящее время Саратовский институт стекла разраба-
тывает новый ГОСТ на стеклопакеты, в котором должны быть отражены все
современные требования к ним в соответствии с достижениями науки и тех-
ники в этой области.
Естественно, что фирмы производители окон и стеклопакетов постоян-
но совершенствуют свои изделия, добиваясь повышения надёжности, ка-
чества, эксплуатационных показателей.
2.4.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОКОН ОТЕЧЕСТВЕННОГО
ПРОИЗВОДСТВА
В конце 90-х годов прошлого века фирма КМТ (г. С.-Петербург) одна
из первых разработала и освоила серийное производство и поставку окон
для пассажирских вагонов с алюмопластмассовыми рамами и стеклопаке-
тами различных типов.
На рис. 1 приведен общий вид и габаритные размеры некоторых типов
окон для пассажирских вагонов. Следует отметить, что фирма КМТ сразу
Рис. 1. Общий вид и габаритные размеры некоторых типов окон
окно "аварийный Выход"
Исполнение окна Габаритные размеры, мм R. ММ
а 6
глухое широкое 1050 905 145
глухое узкое 650 905 145
форточное широкое 1050 905 145
форточное узкое 650 905 145
аварийный Выход 1076 931 157
26
стала поставлять на ОАО «ТВЗ» для постройки новых вагонов весь необ-
ходимый комплект окон. Окна всех типов были выполнены с учётом при-
нятых геометрических размеров оконных проёмов серийных пассажирских
вагонов, выпускаемых ОАО «ТВЗ». Окна КМТ нашли также применение
при производстве капитально-восстановительных ремонтов вагонов на ва-
гоноремонтных заводах.
На рис. 2—4 представлены конструкции трёх типов окон, оборудован-
ных двухкамерными стеклопакетами.
Окно глухое широкое (рис. 2) состоит из: каркаса 7, собранного из двух
полурам, изготовленных из алюминиевого профиля с пластмассовой тер-
моразвязкой; двухкамерного стеклопакета 2; резиновых уплотнителей 3,
уплотняющих стеклопакет относительно каркаса и каркас относительно
кузовных элементов вагона.
Окно с форточкой (рис. 3) состоит из: каркаса 7, аналогичного каркасу
окна глухого; подфорточной перемычки 8, выполняющей функции поворот-
но-опорного устройства; форточки 9 с замками 1(3, стеклопакетов 2 и рези-
новых уплотнителей 3 и 7. Для фиксации форточки в открытом положении
с целью устранения её вибрации во время движения поезда, а также для
Рис. 2. Окно глухое широкое
27
Рис. 3. Окно форточное
уменьшения усилия закрытия форточки между подфорточной перемычкой
и форточкой установлены Z-образные пружины 11. Для слива воды, про-
никшей в подфорточную полость через уплотнения 12 и 13, имеется
отверстие С. В закрытом положении форточка фиксируется ручками-зам-
ками. В этом же положении форточка блокируется запорным устройством,
расположенным в корпусе ручки-замка. Блокировка производится поворо-
том блокирующего устройства торцевым трёхгранным ключом. В открытое
положение форточка переводится поворотом её внутрь вагона с помощью
ручек-замков после снятия блокировки. При этом опорная поверхность
форточки упирается в опорную поверхность подфорточной перемычки,
препятствуя дальнейшему её открытию.
Окно «аварийный выход» (рис. 4) состоит из: основного каркаса 1, изго-
товленного из алюминиевого профиля с терморазвязкой; выдвижного
оконного стеклопакета 2, который вставляется в основной каркас и кре-
28
пится в нем, выдёргиваемым в аварийных ситуациях резиновым уплотните-
лем 7 с ручкой 8; подъёмного механизма 9, резиновых уплотнителей 3 и 10.
Выдвижной оконный пакет 2, состоящий из разборного каркаса, стекло-
пакета и резиновых уплотнителей, соединен тросиком 11 с подъёмным ме-
ханизмом 9, закреплённым на основном каркасе окна 1. Подъёмный меха-
низм состоит из: корпуса, в котором находится барабан с храповиком
подъёмного устройства; тросика, соединённого с оконным пакетом; демп-
фирующего устройства и ручки. Демпфирующее устройство представляет
собой пружину, расположенную в корпусе основного каркаса, через кото-
рую проходит тросик с ограничителем. Ручка является съёмной и устанав-
ливается на ось подъёмного механизма при его использовании. В исход-
29
ном положении выдвижной оконный пакет фиксируется относительно ос-
новного каркаса окна съёмным резиновым уплотнителем с ручкой.
В аварийной ситуации необходимо выдернуть за ручку съёмный резино-
вый уплотнитель и выдавить выдвижной оконный пакет наружу вагона.
При этом оконный пакет повисает на удерживающем тросике, обеспечи-
вая выход пассажиров через образовавшийся оконный проём. Приведение
окна в исходное состояние осуществляется с помощью подъёмного меха-
низма. Для этого необходимо вставить ручку подъёмного механизма в его
корпус и, поворачивая её по часовой стрелке, поднять выдвижной окон-
ный пакет до уровня оконного проёма. Вставить оконный пакет в основ-
ной каркас и зафиксировать его в этом состоянии, заправив удерживаю-
щий резиновый профиль в паз каркаса оконного пакета.
Монтаж окон на пассажирском вагоне производится по несложной и
отлаженной технологии. Окно в сборе устанавливается изнутри вагона на
опорные регулировочные болты 4 (рис. 2—4), с помощью которых каркас
рамы выставляется относительно оконного проёма кузова с зазором 0,6
4-1,5 мм. Затем устанавливаются прижимные планки 5 и окно закрепляется
к корпусу вагона затягиванием болтового соединения 6. В зазор между кор-
пусом вагона и каркасом окна вводится герметик 7 и устанавливается ре-
зиновый уплотнитель 3.
Совершенно очевидно, что главными составляющими окон являются
рама и стеклопакет, причём последний в основном определяет потреби-
тельские качества изделия.
С одной стороны, стеклопакеты должны быть как можно более прозрач-
ными и пропускать больше света без оптических искажений, а с другой —
обладать хорошими теплосберегающими качествами, снижающими потреб-
ление энергии на отопление зимой и летом на работу кондиционеров. Дос-
тигнутый уровень техники позволяет изготовить стеклопакеты, удовлетво-
ряющие самым высоким требованиям в отношении оптических и энерго-
сберегающих качеств. Однако это сопряжено со значительным увеличением
стоимости. Поэтому первостепенной задачей фирм-изготовителей является
повышение потребительских качеств окон при минимуме затрат.
Первые окна КМТ были оборудованы простыми однокамерными стек-
лопакетами. На рис. 5 приведена конструктивная схема однокамерного
стеклопакета. Наружное и внутреннее стёкла разделены по периферии
перфорированной дистанционной рамкой и с помощью клея-герметика
соединены в объёмную однокамерную конструкцию. Полость дистанци-
онных рамок заполнена селикогелем, а объём между стёклами — осушен-
ным воздухом, для предотвращения запотевания и замерзания влаги на
поверхностях стёкол. В прозрачных ограждающих конструкциях, каким
является пакет, теплопередача осуществляется двумя основными процес-
сами: теплопроводностью газов, включая конвекцию, и тепловым излуче-
нием. Расчёты показывают, что доля теплопередачи теплопроводностью
между стёкол примерно в 2 раза ниже, чем теплоизлучением. За счёт те-
плопередачи излучением можно на 60 4- 70 % уменьшить теплопотери че-
рез окна. Поэтому однокамерные стеклопакеты окон КМТ были оснаще-
ны стёклами со специальным плёночным солнцезащитным (теплозащит-
ным) покрытием, а расстояние между стёклами сведено до оптимальной
величины, равной 28 мм.
30
Рис. 5. Конструктивная
схема однокамерного
стеклопакета
рамка
В 1995 году фирмой
ОАО «Квадропак» [7]
разработан материал,
представляющий собой
ПЭТ — плёнку, толщи-
ной 35 + 50 мкм с мно-
гослойным покрытием.
Нанесение многослой-
ного покрытия осущест-
вляется в вакуумной ус-
тановке рулонного типа
методом магнетронного
распыления по ориги-
нальной технологии,
разработанной и реали-
зуемой фирмой. Тепло-
отражающие плёнки
имеют светопропуска-
ние в видимой области
спектра от 70 % до 80 %, а отражение — до 90 % инфракрасного (теплового)
излучения. Теплозащитные свойства стеклопакетов с теплоотражающими
пленками приведены в таблице 7.
Применение плёночного покрытия позволяет сэкономить от 5 до
10 % энергии, используемой на нагрев или кондиционирование поме-
щения. Кроме того, наличие плёночного материала в оконной раме су-
щественно повышает звуко- и электромагнитную изоляцию помещения
вагона.
Фирма ОАО «Квадропарк» предлагает два варианта плёночных покры-
тий. Наиболее очевидный — это напыление фильтра непосредственно на
Таблица 7. Теплозащитные свойства стеклопакетов с теплоотражающими
плёнками
Тип стеклопакета Коэффициент тепло- передачи, Вт/м2 •'С
Однокамерный стеклопакет 3,12
Двухкамерный стеклопакет 2,08
Однокамерный стеклопакет с теплоотражающей плёнкой 1,79
Однокамерный стеклопакет с двумя теплоотра- жающими плёнками 1,61
31
поверхности стёкол. Второй вариант основан на формировании нужных
покрытий на оптически прозрачной полимерной плёнке типа ПЭТФ (ос-
нова плёнки — полиэтилентерефталат). Второй вариант в 5 + 10 раз де-
шевле. Кроме того, плёнка ПЭТФ с нанесённым фильтром может быть ис-
пользована для изготовления двухкамерного стеклопакета с расположени-
ем её между двух стёкол. При этом существенно низкий коэффициент
теплопередачи стеклопакета получается с промежутками между стеклом —
плёнкой — стеклом 12 и 8 мм (для воздуха и аргона) по условиям передачи
тепла теплопроводностью и конвекцией.
Высокие теплофизические свойства стеклопакетов могут быть получены
использованием специальных стёкол как солнцезащитных, так и теплоза-
щитных, получаемых на стекольных заводах путём внесения определённых
химических добавок. Но этот вариант не нашел пока применения при из-
готовлении окон пассажирских вагонов вследствие высокой стоимости.
Довольно быстро было установлено, что окна пассажирских вагонов с
однокамерными стеклопакетами не удовлетворяют техническим требова-
ниям. При низких отрицательных температурах наружного воздуха, на
поверхностях стёкол со стороны помещений вагона выпадала влага (за-
потевание), а затем и её замерзание. Поэтому в дальнейшем стали ис-
пользоваться двухкамерные стеклопакеты, образованные тремя стёклами
(рис. 2—4). Плёночное солнце- и теплозащитное покрытие (металлизиро-
ванные пленки типа ПЭТФ) применяется по отдельным требованиям за-
казчика. В различных комбинациях использования плёнок может быть
получена широкая гамма изделий с эмиссионной способностью покрытия
от 0,2 % до 0,05 % (при X > 3 мк) и термическим сопротивлением от
0,18 до 1,04 м2-°С/Вт [7].
Основными производителями окон для пассажирских вагонов являют-
ся фирмы: ИФ «КМТ» (г. С.-Петербург); ЗАО «Сокол-350» (г. Тихвин);
ЗАО «Раунд» (г. Дубна); ИЧП «Фирма ДИК.» (г. Москва).
Первые две фирмы выпускают окна для пассажирских вагонов (вагоно-
комплект) с алюмопластмассовыми рамами (рис. 1—4), фирма «Раунд» вы-
пускает окна с резиновой рамой (на основе этиленпропиленовых каучу-
Таблица 8. Коэффициенты теплопередачи окон
Фирма- призводи- тель Тип окна Коэффициент тепло- передачи К, Вт/м2 • К
ИФ «КМТ» однокамерное с форточкой 2,87
двухкамерное с форточкой 2,16
однокамерное глухое 2,98
двухкамерное глухое 2,29
ЗАО «Сокол-350» однокамерное с форточкой 2,98
ЗАО «Раунд» однокамерное глухое 2,26
ИЧП «Фирма ДИК» однокамерное с форточкой 2,6
32
ков), а фирма ИЧП «Фирма Дик» выпускает окна, рамы которых выпол-
нены из армированного оцинкованным стальным П-образным профилем
поливинилхлорида (ПВХ). Окна ИЧП «Фирма Дик» предназначены для
использования в электропоездах. В таблице 8 приведены коэффициенты
теплопередачи окон производства указанных фирм, полученные при про-
ведении теплотехнических испытаний.
Из данных, приведенных в таблице 8, видно, что теплотехнические каче-
ства двухкамерных окон лучше однокамерных. При испытаниях окон с од-
нокамерными стеклопакетами на поверхностях стёкол, обращенных в поме-
щение, происходила конденсация влаги и её замерзание при наружных тем-
пературах начиная с минус 35 + 40 °C.
Таким образом, для условий России в пассажирских вагонах целесооб-
разно устанавливать окна с двухкамерными стеклопакетами. Рамы окон
могут быть как алюмопластмассовые, так и резиновые (на основе этилен-
пропиленового каучука). Стоимостные показатели и эксплуатация долж-
ны выявить преимущество конструкций оконных рам по совокупным по-
казателям.
2.4.3. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ОКОН
Все типы изготовленных окон должны быть испытаны на специальном
стенде. Испытаниям подвергаются специально отобранные из партии об-
разцы окон.
Цель испытаний окон состоит в экспериментальном определении теп-
лотехнических характеристик на соответствие нормативным требованиям,
содержащимся в ТУ. В теплотехнических испытаниях* определяются:
— коэффициент теплопередачи (К, Вт/м2’ К) для условий естественной
и вынужденной конвекции;
— стойкость к промерзанию межоконного пространства, рамы;
— стойкость к повышенной влажности;
— стойкость к низкой температуре;
— плотность конструкции.
Теплотехнические испытания окон проводятся в климатической каме-
ре, схема которой приведена на рис. 6. Климатическая камера состоит из
двух теплоизолированных частей — холодной и тёплой, разделённых теп-
лоизолированной перегородкой с проёмом, рассчитанным под установку
щита, представляющего собой фрагмент боковой стенки кузова вагона, в
который вставляется окно. Щит оборудован типовыми приспособлениями
для крепления в нём окна. Щит вместе с испытуемым окном плотно встав-
ляется в проём перегородки и надёжно закрепляется прижимным устрой-
ством. Плотность установки щита с окном должна быть проверена избы-
точным давлением 30 Па, создаваемым в тёплой части камеры, равно как
и плотность обеих частей камеры по отношению к окружающему про-
странству. Обе части камеры должны быть оборудованы герметично за-
крываемыми дверями. Ограждающие конструкции камеры, перегородка и
двери должны быть хорошо теплоизолированы и влагозащищены изнутри.
* Примечание: Кроме теплотехнических, окна подвергаются и другим
видам испытаний: ударным, на вибропрочность и т. д.
33
Рис. 6. Схема климатической камеры
I — холодная часть камеры; II — теплая часть камеры; ХА — холодильный агрегат с
вентилятором; В — вентилятор с насадкой; У — увлажнитель; НА — нагревательный
аппарат с вентилятором; / — фрагмент кузова вагона с посадочным местом для ок-
на (два типа: для широкого и узкого окон); 2 — окно испытуемое; 3 — прижимное
устройство; 4 — перегородка; /х, гт — термодатчики, соответственно в «холодной»
и «теплой» частях камеры
Холодная часть камеры должна быть оборудована холодильным агрегатом
(ХА), соединённым с холодильным контуром холодильной машины, а так-
же вентилятором (В) с плоским насадком, обеспечивающим принудитель-
ный обдув всей поверхности окна со скоростью 60 км/ч. Теплая часть ка-
меры должна быть оборудована нагревательным агрегатом (НА) с увлаж-
нителем воздуха. Нагревательный агрегат (НА) и холодильный агрегат
(ХА) должны быть оборудованы встроенными вентиляторами для интен-
сификации теплообмена и создания равномерных температурных полей в
обеих частях камеры. Оборудование камеры должно обеспечивать в холод-
ной части температуру минус 50 °C, а в теплой — плюс 50 °C. В теплой час-
ти увлажнитель должен обеспечивать влажность, регулируемую в пределах
от 10 % до 98 %. Климатическая камера должна быть оборудована светиль-
никами и устройствами сбора и удаления конденсата.
Испытания окна в камере начинаются с проверки герметичности поме-
щений при установленном в проёме объекте. Для этого при закрытых две-
рях камеры в тёплой части нагнетателем создаётся избыточное давление в
30 Па при равенстве температур воздуха в обеих частях камеры и окружаю-
34
щей среды. Камера считается «плотной», если величина избыточного дав-
ления не изменяется в течение 0,5 часа после выключения нагнетателя.
Для определения коэффициента теплопередачи на окне устанавливают-
ся термодатчики и тепломер согласно схеме, приведенной на рис. 7. При
испытаниях окна с форточкой дополнительно устанавливаются два термо-
датчика на перекладине форточки. При закрытых дверях включаются при-
боры регистрации измеряемых параметров, а также установки охлаждения и
обогрева. Достигается стационарный режим с параметрами: температура воз-
духа в холодной части tx= —40 °C, в теплой части /т = +22 °C при относитель-
ной влажности <р = 15 %. Фиксируются значения температур и показания те-
пломера. Коэффициент теплопередачи окна определяется по формуле
К„ = 1/(4 - 4) Вт/м2 • К
где: q = аЕ — удельный тепловой поток, Вт/м2;
а — тарировочный коэффициент, Вт/м ,
Е — показания тепломера, (деления);
/т — температура воздуха в тёплой части камеры, °C;
tx — температура воздуха в холодной части камеры, °C.
При тех же параметрах воздуха в камере включается вентилятор обдува окна
в холодной части. Устанавливается скорость обдува окна V= 60 км/ч и при дос-
тижении стационарного режима регистрируются температуры в обеих частях ка-
меры, показания тепломера. Определяется коэффициент теплопередачи окна
Лд = 9д/(4 “ 4) Вт/м2 • К.
Результаты считаются положительными, если А'ст < К„ по ТУ и Ка <
< Ад по ТУ.
Определение стойкости к промерзанию межоконного пространства
(внутри стеклопакета), рамы и стекла, обращённых в тёплую часть камеры,
производится визуально после 2-часовой выдержки окна в условиях стацио-
нарного режима при параметрах воздуха t = —40 °C, /т = +22 °C и <р = 50 %.
Результаты считаются положительными, если:
— температуры на поверхностях окна выше, чем температура точки росы;
— внутренние поверхности стёкол стеклопакетов остаются прозрачными,
поверхности стекла и рамы (со стороны тёплой части камеры) — без признаков
конденсации влаги и, тем более, без обледенений.
Определение стойкости окна к повышенной влажности производится в
тёплой части камеры с выдержкой объекта в течение 5 часов при темпера-
туре воздуха плюс 50 °C и относительной влажностью <р = 98 % с последую-
щей нормализацией в течение 5 часов при нормальных условиях. После
этого производится визуальный осмотр. Результаты считаются положитель-
ными, если отсутствуют следы запотеваний на внутренних поверхностях
стеклопакета, признаки коррозии и повреждения на раме.
Определение стойкости окна к низкой температуре производится в холодной
части камеры с выдержкой обзлкта в течение 5 часов при температуре воздуха
минус 50 °C с последующей нормализацией при температуре t = +20 °C и отно-
сительной влажности воздуха <р = 30 -г- 50 %.
Результаты считаются положительными, если не обнаружено следов кон-
денсации влаги, запотеваний на окне при выдержке в холодной части каме-
ры и признаков повреждений после нормализации.
35
Окно считается выдержавшим теплотехнические испытания, если по
всем позициям получены положительные результаты.
Теплотехнические испытания должны проводиться в аттестованной кли-
матической камере. На все средства измерения и испытательное оборудование
должны быть акты или свидетельства о проверке.
2.5. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ КАЧЕСТВА КУЗОВОВ
ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ
2.5.1. КОЭФФИЦИЕНТЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ КУЗОВОВ
Теплотехнические качества кузовов пассажирских вагонов в основном
определяются конструкцией окон, дверей, теплоизоляционными свойства-
ми применяемых материалов, относительной плотностью (герметично-
стью) конструкции. Нормируемым показателем теплотехнических качеств
является коэффициент теплопередачи кузова пассажирского вагона, вели-
чина которого относится к стационарным условиям тепломассообмена че-
рез теплоограждающую поверхность кузова с внешней средой при опреде-
лённой разности температур на стоянке.
Величина коэффициента теплопередачи кузова на стоянке Кс для новых
пассажирских вагонов не должна превышать значение Кс < 0,95 Вт/м2 • К [2].
Нормируемая величина Кс лишь частично характеризует теплотехнические ка-
чества кузова. На практике, например, для определения необходимой мощно-
сти климатических систем используется динамический коэффициент теплопе-
редачи кузова Кд, который учитывает влияние относительной скорости движе-
ния на интенсификацию процессов тепломассообмена через кузов вагона,
происходящую за счёт увеличения конвективной составляющей и воздухооб-
мена через неплотности кузова. Причём, если за счёт конвективной состав-
ляющей Кс увеличивается на 2—3 %, то за счёт воздухообмена Кс может воз-
расти на 50 + 80 % и более. Поэтому конструкция кузова вагона, его гер-
метичность, играет значительную роль, особенно в скоростном движении.
Динамический коэффициент теплопередачи кузова Кд обычно определяется
экспериментально, по специально разработанным методикам [8] на готовом
вагоне. Существуют также инженерные методики расчёта Кд [9, 10], которые
базируются всё-таки на предварительном получении экспериментальных дан-
ных для определённого типа вагонов. На основании обобщения результатов
испытаний пассажирских вагонов типа 47 К/к производства Германии была
получена зависимость Кд от скорости движения в виде [13]
Кд = Ко = 0,05 УЙ + 0,0015 V, Вт/м2 • К
где: V — среднеучастковая скорость движения вагона, км/ч.
Располагать данными по Хси Кд необходимо для решения многих при-
кладных задач как при строительстве вагонов, так и в процессе их эксплуа-
тации. Это, например, необходимо для определения мощностей климати-
ческого оборудования, энергозатрат на работу оборудования в различных
климатических зонах на полигонах РЖД- Отсюда следует, что Кси Кд явля-
ются важными теплотехническими показателями вагона и добиваться их
снижения является одной из первостепенных задач вагоностроения.
36
В конце 90-х годов Германия изготовила опытный комфортабельный
вагон по заданию МПС РФ, партия которых планировалась для эксплуа-
тации в скоростном движении (200 км/ч) на РЖД. Теплоизоляция кузова
вагона была выполнена из жидких компонентов пенополистирола методом
заливки. Испытания вагона показали, что Кс— 0,95 Вт/м2 • К, а К =
= 1,46 Вт/м2 • К при скорости движения V = 200 км/ч. Тверским заводом
несколько ранее также был построен межобластной вагон для скоростного
движения (И = 200 км/ч) с аналогичной теплоизоляцией, выполненной
методом заливки. Но его теплотехнические показатели были несколько ху-
же из-за недостаточно качественной отработки технологии заливки, при-
ведшей к значительной анизотропии в слое изоляции.
Переход ОАО «ТВЗ» на изготовление теплоизоляции вагонов с исполь-
зованием пакетированных материалов типа «УРСА» привёл к повышению
теплотехнических качеств кузовов вагонов, выпускаемых заводом. Коэф-
фициенты теплопередачи Кс, по данным проведенных испытаний, оказа-
лись на уровне 0,9 Вт/м2 • К и даже в некоторых случаях ниже. Это воз-
можно объясняется тем, что материал типа «УРСА» более мягкий и пла-
стичный по сравнению с ПСБ-С, а технологией предусмотрена его укладка
с «поджатием» и «внахлёст». Данные же по динамическим коэффициентам Ка
с этой изоляцией отсутствуют из-за того, что испытания по определению Ка
не проводились, очевидно, по причинам сложности и дороговизны их про-
ведения в отсутствии в России специальной испытательной климатиче-
ской камеры, подобной «Вена-Арсенал» в Австрии.
Важно, чтобы первоначальные теплотехнические качества кузова со-
хранились на протяжении всего срока службы вагонов. В связи с приме-
нением нового типа изоляции ОАО «ТВЗ» наметил и осуществляет про-
грамму выборочной проверки состояния кузовов вагонов находящихся в
эксплуатации после одного, двух и более лет. В ходе реализации програм-
мы пока установлено, что изоляция не теряет своих первоначальных ка-
честв по характеристике Кс. Опасения в отношении стойкости теплоизоля-
ции связаны со значительным водопоглощением материала типа «УРСА» и
недостаточной механической прочностью плёнки ПТГ, подверженной
разрушительному воздействию климатических факторов, а в условиях по-
ездной работы ещё и вибрациям. Опытные вагоны, прошедшие КВР на
ВРЗ, кузов которых был теплоизолирован материалом типа «УРСА» без
применения паронепроницаемых плёнок, полностью утратили теплоизо-
ляционные качества в первый год эксплуатации. Произойдёт ли утрата те-
плотехнических качеств вагонов, кузов которых теплоизолирован пакети-
рованным в плёнку ПТГ материалом типа «УРСА», предсказать трудно,
покажет эксплуатация. Поэтому вопрос о материале для теплоизоляции
следует считать весьма актуальным, требующим скорейшего решения, а
целесообразность создания и использования нового кузова с внутренним
обустройством силовой обшивы не вызывает сомнения.
2.5.2. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ
Определение коэффициента теплопередачи кузова Кс выполнятся на
стоянке в помещении депо (цехе) по методике СТ ССФЖТ ЦЛ 01—98. Ос-
новная идея методики определения Кс состоит в создании перепада темпе-
ратур внутри и снаружи вагона (в пределах от 25 до 40 °C), регистрации:
37
количества тепла, расходуемого на внутренний обогрев вагона; температур
воздуха внутри и снаружи вагона. При достижении равновесного режима
(с момента включения обогрева вагона) фиксируются регистрируемые па-
раметры и определяется коэффициент теплопередачи по формуле:
F и t ..кВт-ч/м2-°C
где: Q — количество тепла, расходуемого на внутренний обогрев вагона в
единицу времени, кВт/ч;
F — среднегеометрическая поверхность ограждающих конструкций
кузова, м2;
/в — средняя температура воздуха внутри вагона, °C;
— температура наружного воздуха, °C.
При проведении испытаний важно, чтобы температура воздуха в цехе
была как можно более стабильной, объект был защищен от воздействия
прямой солнечной радиации.
Определение коэффициента теплопередачи кузова Ка в движении мож-
но проводить на экспериментальном полигоне, например Эксперимен-
тальном Кольце ВНИИЖТ. При этом должны соблюдаться условия, как и
при определении Кс Испытания проводятся при нескольких значениях
скоростей движения с обеспечением максимально возможной равновесно-
сти процесса теплопередачи. Такие испытания позволяют получить зави-
симость Ад от скорости движения- в виде функции
Лд= Кс +/|(П + /2( И) кВт • ч/м2 • °C,
где: /j( Р)—влияние конвективной составляющей;
f2( Г)—влияние инфильтрации воздуха (неплотности кузова).
Естественно, что полученные таким образом результаты испытаний,
могут иметь значительную погрешность, требуют многократных повторе-
ний и поэтому слишком дороги.
Вся Западная Европа, Канада и даже США проводили испытания желез-
нодорожного подвижного состава в многофункциональной климатической
камере «Вена-Арсенал» в Австрии. Климатическая камера позволяла опре-
делять не только коэффициенты теплопередачи кузова Кс и Кд, но и прово-
дить испытания климатического оборудования вагонов: установок конди-
ционирования, отопительных систем в условиях от минус 40 °C до плюс
40 °C, переменной влажности, дождевания, инсоляции, имитации снежных
бурь при относительных скоростях потока воздуха от 0 до 200 км/ч. В начале
21 века в Вене построена и введена в эксплуатацию новая многофункцио-
нальная климатическая камера RTA, содержащая два испытательных клима-
тических канала: для поезда целиком и для одного вагона, помещения для
подготовки вагонов к испытаниям, генераторы тепла и холода. Камера обо-
рудована современным комплексом контроля и регистрации всех необходи-
мых параметров [11].
Наличие подобной камеры в Росси позволило бы в гораздо более ко-
роткие сроки, оперативно, независимо от времени года, получать необхо-
димые данные о новом транспортном средстве с большей точностью и, не-
сомненно, дешевле, чем проведение трудоёмких и дорогих испытаний на
полигонах РЖД.
38
3. СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ
3.1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
Основные технические требования к системам вентиляции практически
не претерпели изменений за последние 20 •*- 30 лет, равно как и их конструк-
тивное исполнение. Нововведения носят превентивный характер и касаются
модернизации отдельных узлов, разработки и производства отечественных
аналогов взамен иностранного оборудования для эксплуатируемого парка ва-
гонов и для новых. На ОАО «ТВЗ» проводится постоянная работа по совер-
шенствованию устройств раздачи вентиляционного воздуха для наиболее
полного удовлетворения требований комфорта, обеспечения пожарной безо-
пасности с обустройством воздуховодов противопожарными клапанами. Су-
щественное улучшение работы систем вентиляции в отношении обеспечения
комфорта и энергообеспечения связано с применением на всех типах вагонов
кондиционеров, оборудованных автоматическими устройствами подачи на-
ружного воздуха, кассетными фильтрами со сменными фильтрующими эле-
ментами взамен сетчатых масляных фильтров очистки воздуха от пыли. По-
прежнему как серийные вагоны ОАО «ТВЗ», так и восстанавливаемые по
программе КВР, выпускаются с одноканальной системой приточно-вытяж-
ной вентиляции, хотя давно известны преимущества двухканальных систем в
обеспечении высокого уровня комфорта, экономии энергии. Об этом свиде-
тельствует опыт эксплуатации комфортабельных вагонов, построенных на За-
паде, а также результаты испытаний [12] опытного вагона, построенного на
Воронежском вагоноремонтном заводе им. Тельмана, на котором реализова-
на двухканальная система раздачи вентиляционного воздуха по техническому
предложению ВНИИЖТ с принудительной конвекцией отопительных труб
[13, 14]. Пассажирские вагоны с двухканальной системой раздачи вентиляци-
онного воздуха в наиболее полной степени обеспечат выполнение санитарно-
гигиенических требований (СП 2.5. 1198—03) в суровых условиях эксплуата-
ции на полигоне РЖД.
3.2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Одной из самых важных для вагоностроителей в настоящее время стала
проблема подготовки вентиляционного воздуха, подаваемого в вагон. Ок-
ружающий воздух всё в больших количествах насыщается выбросами про-
мышленных предприятий, тепловых электростанций, автомобилей, пылью
различного происхождения. В зимний период в воздухе увеличивается
концентрация окиси углерода, окислов азота, сажистых частиц — носите-
лей канцерогенных веществ, в частности бензопирена. В районах промыш-
ленных городов, крупных станций, пунктов формирования поездов уро-
вень загрязнений окружающей среды по отдельным видам превышает пре-
дельно допустимые концентрации (ПДК) в 10—15 раз. В весенне-летний
период атмосфера наполняется аллергенами растительного происхождения —
39
пыльцой растений, тополиным пухом и т. д. Сам пассажир в процессе
жизнедеятельности ежечасно выдыхает через лёгкие около 18 литров оки-
си углерода. Приточно-вытяжные системы вентиляции пассажирских ва-
гонов оборудуются фильтрами только для очистки приточного воздуха от
пыли. Все другие вредные загрязнители (дымы, аллергены, окислы, угле-
рода, азота и т. п.) свободно проникают в помещения вагона. Болезнетвор-
ные бактерии и различные загрязнители быстро распространяются по все-
му объёму вагонов открытого типа и купейных с установками кондицио-
нирования воздуха и рециркуляцией воздуха. Следует отметить, что
предусмотренное новыми правилами СП 2.5. 1198—03 снижение нормы
рециркуляции с 70 % до 30 % ни в коей мере не снизит количественный
перенос бактерий и скорость их распространения, а также других вредных
веществ и запахов по вагону, но повлияет на увеличение (в 1,5 + 2 раза)
габаритов и массы теплообменных приборов и кондиционеров.
3.3. ВОЗДУШНЫЕ ФИЛЬТРЫ
Для очистки приточного воздуха от пыли в пассажирских вагонах в ос-
новном применяются сетчатые масляные фильтры многоразового исполь-
зования. В новых вагонах производства ОАО «ТВЗ» начали применять кас-
сетные фильтры со сменными фильтрующими элементами. Основные по-
казатели используемых фильтрующих материалов приведены в таблице 9.
Как следует из рассмотрения данных, приведенных в табл. 9 все фильт-
рующие материалы поддерживают горение, а тканевые — плавятся при
температуре свыше 300 “С. Сетчатые фильтры рассчитаны на многократ-
ное использование при соответствующей очистке и регенерации по извест-
Таблица 9. Показатели фильтрующих материалов
Фильтрующий ма- териал Показатели
Степень очистки Пылеём- кость, кг Горю- честь Крат- ность очистки Цена 2003 г. руб./м2
Сетчатый с масля- ной пропиткой 0,95 0,15 Поддер- живает горение много- кратная —
Полотно нетканое ТУ 83-97-126-00- 32-2318-97 0,9-0,95 0,15 трудно- горючее однора- зовая 18,8
Химволокно ФМ 4Х 0,9-0,95 0,15 трудно- горючее однора- зовая 52,0
Комбинирован- ный: стекловолок- но + химволокно 0,95 0,15 ♦ ♦ 178,0
40
Таблица 10. Периодичность замены фильтров
Параметры запылённости Запылённость (железнодорожная пыль)
малая повышенная большая
Концентрация в воздухе, мг/м3 0,2...0,6 2,0...3,0 100 и выше
Средний размер частиц, мм 2 • КГ3 2- КГ' 1,0 и выше
Периодичность восстановле- ния т, сутки 15 1...2 0,05
ной технологии, остальные фильтры подлежат после загрязнения замене
на новые. Периодичность очистки или замены фильтрующего материала
зависит от полигона эксплуатации, характеризующегося уровнем запылен-
ности окружающего воздуха. В табл. 10 приведены данные по периодично-
сти замены фильтров в зависимости от параметров пыли.
Для большей части полигона эксплуатации РЖД характерна «малая»
запылённость воздуха. Поэтому в инструкциях рекомендуется замена
фильтров через 15 дней эксплуатации. Однако имеются значительные по
протяжённости зоны с повышенной запылённостью воздуха (Урал, Куз-
басс, некоторые территории европейской части). Большая запылённость
воздуха характерна для среднеазиатских стран СНГ. В этих районах экс-
плуатации фильтры необходимо менять чаще (табл. 10).
На загрязнение фильтров значительное влияние оказывает скорость
движения. Воздушные фильтры на поезде ЭР-200 приходится менять после
каждого рейса С.-Петербург—Москва—С.-Петербург.
Довольно часто заборные решётки систем вентиляции пассажирских ва-
гонов оказываются в зоне большой задымлённости, где в воздухе присутст-
вуют значительные концентрации частиц кокса, сажевые частицы. Если их
источник находится на небольшом расстоянии (соседний путь), то на воз-
душные фильтры могут попасть раскалённые частицы сажи и кокса, имею-
щие высокую температуру. Такое случается на практике и приводит к воз-
никновению возгораний. Поток высокотемпературных частиц инициирует
возгорание пропитки и накопившейся органики в сетчатых фильтрах с
дальнейшим распространением пламени по воздуховоду. В других типах
фильтров возможно возгорание накопившейся органики и проникновение
высокотемпературных частиц через прогары в воздуховод.
Таким образом, применяемые воздушные фильтры систем вентиляции
пассажирских вагонов очищают приточный воздух только от пыли, допус-
кают возможность возникновения пожаров, требуют регенерации или заме-
ны, связанной с затратами (примерно 300 руб. на один вагон в месяц).
Фильтры не защищают пассажиров от воздействий вредных газообразных
веществ, дымов, бактерий.
Существенное повышение качества воздуха в помещениях вагонов с це-
лью обеспечения безопасности проезда пассажиров может быть достигнуто
комплексным применением известных методов очистки и обеззараживания
воздуха, таких как инерционный, адсорбционный, ионизационный, фото-
41
каталитический, термофорез, мокрой очистки. Например, последователь-
ное соединение инерционных, адсорбционных и фотокаталитических
фильтров приведёт к качественной очистке воздуха от пыли токсичных
примесей, летучих органических и неорганических соединений.
3.4. ИНЕРЦИОННЫЕ ФИЛЬТРЫ ЗАО «ЛАНТЕП»
Значительный эффект в подготовке вентиляционного воздуха может
быть достигнут применением устройств, последовательно включённых по
схеме, предложенной ЗАО «ЛАНТЕП». В качестве первичных на первой
ступени используются инерционные, затем пористые и фотокаталитиче-
ские фильтры. Важным является то, что отмеченная цепочка устройств об-
ладает незначительным гидравлическим сопротивлением и поэтому легко
сопрягается с низконапорной системой вентиляции пассажирских ваго-
нов. Новым элементом в этой цепочке является инерционный фильтр,
конструкция которого была разработана ЗАО «ЛАНТЕП» [15]. Назначение
инерционного фильтра состоит в первичной очистке потока воздуха от
крупных частиц и удалении их во внешнюю среду. Тем самым предотвра-
щается возможность попадания крупных частиц, энергетически активных
при высокой температуре, на пористый фильтр, что приводит к защите по-
следнего от возгорания и значительному снижению его пылевой нагрузки.
На рис. 7 приведена схема инерционного фильтра, состоящего из воз-
духозаборной решётки 7, корпуса 2, внутри которого расположена фильт-
рующая система, состоящая из ряда конфузоров 3 и ряда пылеулавливаю-
щих трубок 4, нижняя часть которых соединена с пылесборником 5, по-
лость которого в свою очередь соединяется трубкой 6 с аэродинамическим
очистителем 7. Принцип действия фильтра основан на аэродинамическом
разделении двухфазного потока (воздух — пыль), улавливании и эжектор-
ном удалении частиц пыли обратно в окружающую среду в зону, исклю-
чающую возможность рециркуляции.
Фильтр работает следующим образом. Наружный воздух, содержащий
частицы пыли различной дисперсности, засасывается вентилятором через
заборную решётку, ускоряется в конфузоре. Частицы пыли, увлекаемые
воздушным потоком, по инерции пролетают в пылеулавливающие трубки.
В результате совместного действия инерционных, гравитационных сил и
отсасывающего эффекта аэродинамического очистителя частицы пыли
проходят по пылеулавливающим трубкам в пылесборник, а затем через
трубку выбрасываются аэродинамическим очистителем в окружающую
среду. Очищенный воздух огибает пылеулавливающие трубки и, последо-
вательно проходя по каналу пористый и фотокаталитический фильтры,
вентилятором подаётся в приточный вентиляционный канал вагона. Инер-
ционные фильтры устанавливаются по обе стороны вагона над входными
дверями рабочего тамбура вместо заборных решёток.
Опытные образцы инерционных фильтров были испытаны на пылевом
стенде по типовой методике ВНИИЖТ ТМ 11-08—04 [16]. Цель испыта-
ний состояла в определении степени пожарной защиты (т]п), степени очи-
стки от пыли (т]ст), расходных характеристик по воздуху, гидравлического
сопротивления на соответствие требованиям нормативной документации.
42
В результате испытаний получено, что степень очистки т]ст, (на тесто-
вой пыли с удельной поверхностью S = 5600 см2/г) колеблется в пределах
от 0,78 до 0,86 и несколько зависит от режима работы вентилятора и ско-
рости движения вагона. Причина состоит во взаимодействии характери-
стик гидравлического сопротивления фильтрующего элемента от расхода
воздуха через фильтр и эффективности аэродинамического очистителя
Рис. 7. Схема инерцион-
ного фильтра
43
Рис. 8. Зависимость ко-
эффициента сопротив-
ления фильтра от скоро-
сти воздуха на входе
(эжектора) от относи-
тельной скорости движе-
ния воздуха и при высо-
кой дисперсности час-
тичек пыли. Степень
пожарной защиты т]п
(то же, что и степень
очистки, но полученная
на тестовой пыли со средним размером Jcp= 200 мкм) приближается
к 1,0 независимо от режимов.
На рис. 8 и рис. 9 приведены экспериментальные зависимости коэф-
фициента сопротивления фильтра (Q от скорости воздуха на входе (Р) и
аэродинамического сопротивления (АН) от расхода воздуха через фильтр.
Как следует из рассмотрения данных, приведенных на рис. 8 и рис. 9, по-
лученные зависимости для инерционного фильтра практически полностью
совпадают с известными аналогичными характеристиками для чистого сет-
чатого фильтра. Поэтому инерционные фильтры могут быть использованы
в вентиляционной сети пассажирских вагонов эксплуатируемого парка без
замены вентагрегата.
В настоящее время ведется подготовка производства инерционных
фильтров, монтаж на вагонах и проведение эксплуатационной проверки.
Планируется установка
аналогичных конструкций
инерционных фильтров в
системы вентиляции пас-
сажирских вагонов про-
изводства ОАО «ТВЗ».
Рис. 9. Зависимость аэ-
родинамического сопро-
тивления фильтра от
расхода воздуха
44
3.5. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ВОЗДУШНЫЕ ФИЛЬТРЫ
В мире вопросам очистки и обеззараживания воздуха придаётся серьёз-
ное значение. Над этой проблемой работает множество крупных фирм, как
за рубежом (Air Filters, Air Care, Air Clear Products, Trox Austria GMBH и
др.), так и в России («Аэролайф», «Супер-Плюс» и др.).
Созданы и широко применяются довольно совершенные и эффектив-
ные стационарные воздухоочистительные комплексы, работающие в сис-
темах вентиляции зданий, промышленных сооружений, специальных
«чистых комнат». Для пассажирских вагонов с гораздо большей плотно-
стью населённости, а для России ещё и с учетом протяжённости маршру-
тов, очистка и обеззараживание воздуха необходимы в большей степени.
Для решения проблемы комплексной очистки и обеззараживания вен-
тиляционного воздуха пассажирских вагонов необходимо разработать от-
раслевые нормы безопасности, регламентирующие требования по подго-
товке воздуха для локомотивов и пассажирского подвижного состава желез-
нодорожного транспорта. Перед машиностроительной промышленностью
необходимо поставить задачу разработки и создания устройств комплекс-
ной подготовки вентиляционного воздуха для транспортных средств под-
вижного состава железнодорожного транспорта.
4. СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ
4.1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Технические требования к системам отопления пассажирских вагонов
практически не менялись на протяжении многих лет. Как и прежде систе-
мы отопления должны обеспечивать равномерный обогрев помещений в
зимний и переходные периоды года. Некоторые изменения в ТТ связаны
с введением новых Санитарных Правил [1]. Так системы отопления долж-
ны обеспечивать в отопительный период температуру воздуха в помещени-
ях вагонов на уровне Гв = 22 ± 2 °C с допускаемым снижением до плюс
16 °C в туалетах. Температура поверхностей отопительных приборов не
должна превышать плюс 60 °C, электронагревателей — не более плюс
200 °C. Отопительные приборы должны иметь защитные кожухи, темпера-
тура поверхностей которых не должна превышать плюс 55 °C. В вагонах
«Люкс» и 1-го класса должно устанавливаться дополнительное оборудова-
ние, обеспечивающее индивидуальное регулирование температуры воздуха в
каждом купе в диапазоне от плюс 18 °C до плюс 28 °C с шагом не более 1 °C.
Вместе с тем за последние 15 + 20 лет произошли существенные изме-
нения в совершенствовании отопительных систем, применении новых уз-
лов, элементов, приборов автоматического управления тепловыми про-
цессами.
45
4.2. МОЩНОСТЬ ОТОПИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Системы отопления всех новых вагонов и восстанавливаемых по про-
грамме КВР, предназначенных для эксплуатации на полигонах РЖД РФ,
должны обеспечивать требуемые параметры микроклимата в помещениях
при температурах наружного воздуха до минус 40 °C и скоростях движения
до 160 км/ч.
Необходимая теплопроизводительность систем отопления вагонов, для
этих условий, определяется из уравнения теплового баланса в режиме ото-
пления [21].
Ог= Q'm + Ql+ Or" Ол- 0д =
= Лц ’ Л) ‘ Он — + Рн ' срОв — U + Ог — Ол — 0д>
где Q*m — потери тепла через ограждающие конструкции кузова;
Ql — тепло, расходуемое на нагрев вентиляционного воздуха;
Ог — тепло, расходуемое на горячее водоснабжение;
Од — тепло, вносимое приточным вентилятором;
Ад — коэффициент теплопередачи кузова в движении;
Fo — среднегеометрическая поверхность кузова;
/в — температура воздуха в вагоне;
/„ — температура наружного воздуха;
Кн — объём наружного воздуха, подаваемого в вагон;
Рн> ср — плотность и теплоёмкость наружного воздуха.
Расчёты, выполненные с использованием уравнения теплового баланса
для различных типов вагонов, практика эксплуатации вагонов на полигонах
РЖД, показывают, что мощность отопительной системы должна быть не ме-
нее 48,0 кВт. При этом важно, чтобы генератор тепла, в качестве которого на
пассажирских вагонах в основном используется комбинированный электро-
угольный отопительный котёл, имел номинальную мощность 48,0 кВт, а ото-
пительные приборы могли реализовать эту мощность для обогрева вагона.
4.3. СИСТЕМЫ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ
Как известно, на большинстве выпускаемых и эксплуатируемых пасса-
жирских вагонов в качестве основной используется водяная система отопле-
ния, принципиальная схема которой приведена на рис. 10. Водяной система
называется потому, что теплоносителем служит вода. В комбинированном
котле (1), оборудованном высоковольтными электронагревателями (ТЭН'ы)
и топочным устройством, нагрев воды осуществляется за счет тепла, выде-
ляемого ТЕН'ами при питании их электроэнергией или за счёт выделения
скрытой химической энергии при сжигании твёрдого топлива (угля). За счёт
естественной конвекции нагретая вода из расширителя (7) поступает в кон-
тур отопительных труб (3) и контур калорифера (6), из которых возвращает-
ся в котёл, передав определённое количество тепла в вагон. Основным ре-
жимом работы систем отопления вагонов производства ОАО «ТВЗ» является
режим с естественной циркуляцией воды [17]. Циркуляционный насос (2)
периодически включают для прокачки воды в системе при низких темпера-
46
7
6
5
4
Рис. 10. Схема водяного отопления
1 — комбинированный котел; 2 — циркуляционный насос; 3 — отопительные тру-
бы; 4 — воздушка; 5 — подающая труба; 6 — калорифер; 7 — расширитель; 8 — труба
перелива; 9 — сливная пробка
турах наружного воздуха. На некоторых типах комфортабельных пассажир-
ских вагонов производства Германии, эксплуатируемых в России, циркуля-
ционные насосы, встроенные в системы отопления, от одного до несколь-
ких, работают по мере необходимости в автоматическом режиме.
Конструкторская мысль вагоностроителей направлена на то, чтобы
системы отопления обладали наименьшим гидравлическим сопротивлени-
ем; обеспечивали равномерный обогрев помещений вагона; переходные
режимы, связанные с включением и выключением электронагревателей
котла, не вызывали значительных колебаний температуры воздуха в поме-
щениях вагона и, самое главное, теплоотдающая способность приборов
отопления соответствовала мощности котла.
4.3.1. ТЕПЛООТДАЧА ОТОПИТЕЛЬНЫХ ТРУБ
Анализ рассмотрения вопросов, связанных с интенсификацией теплоот-
дачи отопительных труб [8], приводит к выводу о том, что для повышения
эффективности системы отопления необходимо одновременно развивать те-
плопередающую поверхность отопительных труб и увеличивать скорость
циркуляции теплоносителя. Теплопередающую поверхность труб увеличива-
ют за счёт их оребрения тем или иным способом, важным моментом которо-
го является обеспечение плотного контакта оребрения с трубой, если они вы-
полнены не из одного монолита. Конструкция оребрения, его шаг, напрямую
связаны с равномерностью теплоотдачи отопительных труб по длине вагона.
47
Теплоотдача в единицу времени (тепловая мощность) отопительной
трубы может быть определена по формуле:
q = nDlaHKv(i - tB),
или по формуле:
Q = рсН'о -
где: / — длина трубы;
ан — коэффициент теплоотдачи;
t — средняя температура теплоносителя в трубе;
tB — температура воздуха в вагоне;
d — внутренний диаметр трубы;
р — плотность теплоносителя;
w — скорость теплоносителя в трубе;
to и tK — температура теплоносителя в начале и в конце трубы.
Для получения одинаковой температуры воздуха вдоль вагона должны
обеспечиваться одинаковые теплопоступления от каждого элемента трубы,
что возможно при изменяющемся коэффициенте оребрения трубы вдоль
вагона, поскольку температура теплоносителя уменьшается в направлении
его движения. То есть, на равных участках отопительной трубы должно
соблюдаться условие:
9. = 2 = nDlaHKpi(Ii -tj = nD± Kpi(i, + гв),
где: Qj — тепловая мощность участка;
lj — длина участка трубы;
Kpi — коэффициент оребренности*;
/, — средняя температура теплоносителя на участке.
Равномерность теплоотдачи трубы можно получить изменением ореб-
рённости Kpi, возрастающей по длине соответственно снижению темпера-
туры теплоносителя, т. е.
К. = Ч,_ = 2 _ = Q
Р‘ -Гв) nDnlp^t -rB) nDl(t -tB)
Расчёт коэффициентов оребрения отопительной трубы на различных
участках вдоль вагона производится путём подбора, исходя из условий
обеспечения одинаковых теплопоступлений от отдельных участков трубы
(9, = const) и требуемой тепловой мощности трубы q = у При этом
/ = 1
* Коэффициентом оребрённости называется отношение оребрённой по-
верхности трубы, включающей поверхность рёбер и промежутков меду ни-
ми к соответствующему значению гладкой поверхности на участке оребре-
ния, если бы рёбер не было.
48
расчёты температуры теплоносителя в различных точках вдоль трубы про-
изводятся по формуле: t = tB+ (t„ — te) exp (~al),
где: to — температура теплоносителя на входе в трубу;
4D- ан • К
а — коэффициент, определяемый по формуле: а =-----------1:.
рс - w - az
В связи с тем, что изготовить трубу с непрерывно изменяющимся ко-
эффициентом оребрения довольно трудно, можно использовать техноло-
гию, включающую набор элементарных модулей с одинаковым коэффици-
ентом оребрения, количество которых на участке определяется необходи-
мой теплоотдачей.
В качестве иллюстрации на рис. 11 приведены расчётные графики из-
менения температуры воды в отопительной трубе в зависимости от ореб-
рения и скорости циркуляции теплоносителя.
Рис. 11. Графики изменения температуры воды подлине отопительной
трубы в зависимости от оребрения и скорости циркуляции теплоносителя
1 и 2 — температура воды в гладко и оребренной трубе (К = 4,7) при циркуляции
и» = 1,5 м/мин; 3 и 4 — температура воды в гладко и оребренной трубе (Кр — 4,7)
при циркуляции и> = 6 м/мин; 5, 6, 7,8,9 — температура воды в трубах с различным
коэффициентом оребренности соответственно: 3,8 (75 %); 2,1 (30 %); 2,9 (52,5 %);
3,35 (63,8 %) и 3,15 (58,1 %) при циркуляции w= 1,5 м/мин
49
Как следует из рассмотрения графиков, приведенных на рис. 11, ореб-
рение позволяет существенно повысить теплоотдачу труб, при этом эф-
фективность использования циркуляционного насоса в 1,3 -s-1,5 раза вы-
ше, чем для гладких труб.
4.3.2. ТЕПЛООТДАЧА ВОДЯНОГО КАЛОРИФЕРА
Водяной калорифер, встроенный в систему приточной вентиляции, слу-
жащий для нагрева вентиляционного воздуха, должен иметь тепловую мощ-
ность на уровне 40 % от мощности водяной системы отопления. Поэтому
важным моментом в конструкции калорифера, всего водяного калориферно-
го контура с подключением к отопительному котлу, должно быть обеспече-
ние необходимой циркуляции теплоносителя во всём диапазоне тепловых на-
грузок. Существует много схем [9, 18] подключения калориферов к водяной
системе отопления, но наиболее рациональной следует всё-таки считать схе-
му подключения калорифера к отопительному котлу через отдельный контур.
На рис. 12 приведены экспериментальные графики изменения темпера-
тур в автоматическом режиме отопления вагона, водяная система которого
работала в условиях естественной циркуляции теплоносителя. Автоматиче-
ское управление в данном случае сводилось к включению и выключению
высоковольтных ТЭН'ов с использованием следующих зависимостей:
при температуре воды на входе в котёл /®х = 22 + 8(/вз — /в) - 1,5/,,
происходило включение электронагревателей котла;
при температуре воды на выходе из котла t®х = 42 + 8(/вз — гв) — 1,5/н
происходило отключение электронагревателей котла.
Здесь: /вз — заданная температура воздуха в вагоне;
tB — температура воздуха в вагоне;
— температура наружного воздуха.
Как следует из рассмотрения данных, приведенных на рис. 12 обогрев
приточного вентиляционного воздуха, поступающего в вагон, происходит
со значительными колебаниями температуры (5). Температура воздуха в
вагоне (6) в результате действия отопительных труб и калорифера выходит
за пределы регламентированной tB = 22 ± 2 °C также с большими отклоне-
ниями. Температурный дискомфорт в вагоне является результатом исполь-
зования отопительной системы с естественной циркуляцией и дискретным
двухступенчатым подводом тепла большой мощности (2 группы по 24 кВт)
к теплоносителю в отопительном котле. Для того чтобы обеспечить требуе-
мую теплоотдачу отопительных приборов, необходимо обеспечить опреде-
лённую скорость циркуляции теплоносителя, которая при естественных
условиях зависит от разницы средних температур теплоносителя в котле и
отопительных приборах и определяет действующий напор в системе.
В результате действия этих факторов процесс автоматического управле-
ния обогревом вагона происходит со значительными колебаниями темпера-
тур теплоносителя и, как следствие, с нарушением комфорта по температу-
рам воздуха в помещениях вагона. Процесс обогрева вагона при этой сис-
теме будет стабильным только в одной точке, когда постоянно работают две
группы ТЭН'ов при соответствующей внешней тепловой нагрузке на вагон.
Непрерывная работа одной группы ТЭН'ов Р= 24 кВт при равновесной на-
грузке исключена введением в алгоритм управления условия на включение
50
Рис. 12. Графики температур воды и воздуха до и после калорифера
1 и 2; 3 и 4 — температура поверхности трубы на выходе, соответственно, котла и
калорифера; 5 и 6— средняя температура воздуха, соответственно, подаваемого вен-
тиляцией и в вагоне; 7 — температура наружного воздуха
51
2-ой группы ТЭН’ов при наружных температурах воздуха —10 °C. Таким
образом во всём диапазоне тепловых нагрузок использование системы ото-
пления с естественной циркуляцией теплоносителя приведет к резким ко-
лебаниям температур воздуха в вагоне, к нарушению комфортных условий
проезда пассажиров.
4.4. АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМАМИ
ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ
Основная проблема автоматического управления системами водяного
отопления в обеспечении комфортных условий в вагоне связана с дис-
кретным подводом тепла к теплоносителю в комбинированном электро-
угольном отопительном котле. Современный уровень развития науки и
техники позволяет создать высоковольтный блок электроснабжения кот-
ла, обеспечивающий плавное регулирование тепловыделения от «О» до
«номинала», и даже разработать устройства автоматического управления
теплопроизводительностью котла при работе на твёрдом топливе от «хо-
лостого хода» до «номинала». Однако цена этих решений соизмерима со
стоимостью вагона. Тем не менее, для решения задачи плавного регули-
рования и поддержания заданной температуры воздуха в вагоне можно
предложить более простые эффективные варианты.
4.4.1. СИСТЕМА ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ
ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
Существенное повышение теплоотдачи отопительных приборов, плав-
ности регулирования и поддержания заданной температуры воздуха в ва-
гоне можно достичь, перейдя с естественной циркуляции теплоносителя
на принудительную, включив циркуляционный насос в автоматический
режим работы.
Количество тепла, отдаваемое отопительными приборами, определяет-
ся по формулам:
Сто = • Pw ° * Ок ~ 'вх) или Сто = Аг •
7 - 'I
. 2 в> ’
где: tK и /вх — температура воды соответственно на выходе и на входе в котёл;
Bw — расход воды;
pw — плотность воды;
с„ — теплоёмкость воды;
— коэффициент теплопередачи отопительных приборов;
F — поверхность отопительных приборов;
1В — температура воздуха в вагоне.
Совместное решение уравнений позволяет получить:
q = KtFbw9wcw
^ТО К F w*
2 + BvfivFw
Из уравнения видно, что с увеличением скорости циркуляции теплоот-
дача возрастает. В пределе, когда Bw -э ~, теплоотдача будет определяться
по формуле
52
^TO,„aX Zb)’
В интервале изменения режимов циркуляции воды, имеющих место в ото-
пительных приборах, величина коэффициента Ц, равного
II = ' Ply '
Ц K F п
2 + ’ Р w ’
реально может принимать значения от 0,1 до 0,95. (Увеличение произ-
водительности циркуляционного насоса свыше 8 м3/ч становится мало-
эффективным, слабо влияющим на увеличение коэффициента Ц.) От-
сюда и теплоотдача отопительных приборов может изменяться от
0,1 до 0,95 Сто .
Для осуществления автоматического регулирования системы водяного
отопления с принудительной циркуляцией теплоносителя в качестве
управляемого параметра принимается температура теплоносителя на выхо-
де из котла (/к), а управляющими являются температуры наружного воздуха
и внутри вагона. Зависимость t=f (/,„ tB) можно определить, решая совме-
стно систему уравнений для стационарного процесса с поддержанием за-
данной температуры воздуха (/вз) внутри вагона при небольших отклонени-
ях по AQ„ и Д0Т. Решая совместно уравнения для Сн и Ст в виде:
<?н = И + GB • рв • св) • (/вз - /н) + ДО,,;
0т = Ц ’ ‘ - ZB3) + AQT>
где: — тепло, необходимое на компенсацию потерь и затрачиваемое на
нагрев вентиляционного воздуха;
К — коэффициент теплопередачи кузова;
Ув — объёмный расход наружного воздуха;
рв, св — плотность и теплоёмкость наружного воздуха;
fB3 — заданная температура воздуха в вагоне;
/н — температура наружного воздуха;
1К — температура теплоносителя на выходе из котла;
А Он- А От ~ количества тепла, необходимые для подогрева воздуха
внутри вагона от /вз до tB, получаем формулу для определения температуры
теплоносителя на выходе из котла в виде:
К = (а + 1) • (2/вз - /„) - at„,
где а =
ц-^-г
Коэффициент «а» для различных типов вагонов будет различным, но
путём введения его в алгоритм, можно использовать один и тот же блок
БАУО для всех типов вагонов.
Численные значения коэффициентов а и Ц могут быть получены рас-
чётным или экспериментальным путём при условиях обеспечения необхо-
димой теплопроизводительности системы отопления при расчётных тем-
53
Таблица 11. Величины температур теплоносителя на выходе из котла
для различных зависимостей управления
°C 'н. °с
10 5 0 -5 -10 -15 -20 -40
«ГОША» - /к = (1 + а)[/вз + 9(ГВЗ - Гв)] - at„
15 140 145 150 155 160 165 170 190
18 86 91 96 101 106 111 116 136
19 68 73 78 83 88 93 98 118
22 14 19 24 29 34 39 44 64
ВНИИЖТ - tK = (1 + а) • (2гвз - Гв)] - at„
15 44 49 54 59 64 69 74 94
18 38 43 48 53 58 63 68 88
19 36 41 46 50 56 61 66 86
22 30 35 40 45 50 55 60 80
ГОСНИИВ - /к = 42 + 8(/ - /„)] - at..
15 75 82,5 90 97,5 105 112,5 120 150
18 51 58,5 66 73,5 81 88,5 96 123
19 43 50,5 58 65,5 73 80,5 88 118
22 19 26,5 34 41,5 49 56,5 64 94
пературах наружного воздуха с принудительной циркуляцией теплоносите-
ля. При этом циркуляционный насос будет работать в автоматическом
режиме, включаться тогда, когда разница температур теплоносителя на
входе и выходе будет превышать установленную величину А/.
В таблице 11 приведены значения температур теплоносителя на выходе
из котла, рассчитанные по вышеприведенной формуле, в сравнении с дан-
ными, рассчитанными по формулам, используемым для регулирования те-
пловых процессов: «ГОША» — купейные вагоны производства Югославии;
«ГОСНИИВ» — вагоны производства ОАО «ТВЗ». (В расчётах принято:
а = 1, /пз = 21 °C). Из рассмотрения данных таблицы 11 следует, что везде,
где табличные значения tK выше 100 °C необходимо включить вручную
циркуляционный насос; значения температур tK ниже для систем с автома-
тической работой циркуляционного насоса, при прочих равных условиях,
благодаря принудительной циркуляции.
54
4.4.2. АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ ОТОПЛЕНИЯ
С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ
Разрешающий сигнал на включение высоковольтного отопления выдаётся
при температуре наружного воздуха /нар< 10 °C. Включение высоковольтных
групп I (24 кВт) и II (24 кВт) возможно поочерёдно и совместное. Условие
включения 2-х групп — температура наружного воздуха /„< —10 °C. Должно
соблюдаться условие по равной наработке каждой из двух групп. Автомати-
ческое управление высоковольтным отоплением (ВВО) производится по тем-
пературе теплоносителя на выходе из котла по следующей формуле:
t=(a+ 1) -(2Г, - /ф) - at„,
где: а — коэффициент, определяемый теплотехническими качествами ва-
гона, величиной подачи наружного воздуха, скоростью циркуляции тепло-
носителя в системе отопления;
t3 — заданная температура воздуха внутри вагона;
/ф — фактическая температура воздуха внутри вагона;
— температура наружного воздуха.
Для вагонов, например модели 61-4179, при управлении температурой
теплоносителя на выходе из котла, можно принять а = 1, при условии цик-
лического включения циркуляционного насоса без регулирования его про-
изводительности. Значение коэффициента а должно быть уточнено при
испытаниях системы отопления с предлагаемым алгоритмом управления:
* Разрешающий сигнал на включение ВВО: /н< 10 °C;
* Разрешение на включение двух групп: /„< —10 °C;
* Первая группа работает в интервале наружных температур:
-10 °C < < 10 °C;
* Условия включения 1 группы (по факту):
'ф< 'зЭД- 1,5 °C;
/фк < 'к - 5 °C;
* Условия включения циркуляционного насоса (одновременно с вклю-
чением электроклапанов):
'фк<'к-1,5’С;
/фвхк<Гк-10°С;
* Условия включения групп ВВО:
Гф > t3 + 1,5 °C;
'фк > ^ + 2 °C;
* Условия перехода на естественную циркуляцию (выключение цирку-
ляционного насоса и электроклапанов):
Д'< 4ьк- 'фПхк = 5°С.
Здесь: /ф к — фактическая температура теплоносителя на выходе из
котла;
/ф вх к — фактическая температура теплоносителя на входе в
котёл.
При температуре наружного воздуха меньше /нар < —10 °C включаются
одновременно 1 и II группы ВВО (если одна группа уже работала, то вторая
подключается к ней). Условия выключения аналогичны вышеприведенным.
55
Таким образом, система водяного отопления с принудительной цирку-
ляцией теплоносителя, управляемая по вышеприведенному алгоритму, по-
зволяет повысить теплоотдачу отопительных приборов, обеспечить плав-
ность регулирования и поддержания заданной температуры воздуха в ваго-
не при меньших температурных потенциалах теплоносителя на выходе из
котла и дифференциале управления, что снижает потери тепла.
4.4.3. СИСТЕМА ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ С ПЛАВНЫМ
РЕГУЛИРОВАНИЕМ МОЩНОСТИ КОТЛА С ЭЛЕКТРООБОГРЕВОМ
С 2004 года все типы вагонов, выпускаемых ОАО «ТВЗ», оснащаются
установками кондиционирования воздуха и системами автономного элек-
троснабжения с генератором мощностью 32 кВт. Основным потребителем
электроэнергии в летний период является кондиционер, потребляющий на
расчётных режимах 22,0—24,0 кВт, причём на двигатель компрессора рас-
ходуется от 12,0 до 17,0 кВт (в зависимости от типа кондиционера). Сред-
няя наработка кондиционера составляет около 630 часов/год. В зимний
период и переходные периоды года основной нагрузкой на генератор яв-
ляется аккумуляторная батарея (около 7,0 кВт), освещение, переходное
низковольтное отопление (12,0 кВт), иногда в экстремальных случаях
включаемое и зимой. Канал преобразователя, питающий двигатель ком-
прессора, остаётся незадействованным более 8000 часов в год. Это не со-
всем правильно.
В связи с отмеченным, можно предложить систему водяного отопления
с плавным регулированием теплопроизводительности котла в диапазоне
нагрузок от «О» до 48,0 кВт. Для этого котёл оборудуется тремя группами
электроотопления: I группа — 24,0 кВт, 3 кВ, 11 группа — 12,0 кВт, 3 кВ,
III группа — 12,0 кВт, 380 В. Третья группа котла подключается к каналу
преобразователя, через соответствующие коммутирующие приборы, пи-
тающего электродвигатель компрессора. В преобразователе предусмотрено
плавное регулирование выходной мощности от «0» до Рноы (12 + 17 кВт).
Поэтому III группа котла будет иметь плавное регулирование мощности от
«0» до Р,= 12 кВт. В результате весь диапазон теплопроизводительности
котла будет перекрыт плавным регулированием по схеме табл. 12.
Управление температурой на выходе из котла можно осуществлять по
формуле ГОСНИИВ:
Гк = 42 + 8(Г - L) - 1,5ф,
и использовать системы с естественной циркуляцией теплоносителя. Но
лучше использовать систему с принудительной циркуляцией теплоносителя
Таблица 12. Регулирование теплопроизводительности котла
Внешняя нагрузка на вагон, кВт 0 < 12 12 < 24 24 < 36 36 < 48
Действующие группы III II + III I + III I + 11 + III
Диапазон регулирования, кВт 0-12 12-24 24-36 36-48
56
(4.4.1) и соответственно управление температурой теплоносителя на выходе
из котла осуществлять по формуле ВНИИЖТ:
/к = (1 + fl)(2/B3 - tB) - afH.
Если осуществить частотное регулирование производительности цир-
куляционного насоса, то можно получить практически гладкую функцию
теплопроизводительности котла и, соответственно, практически постоян-
ные температуры воздуха в помещениях вагона во всём диапазоне внешних
тепловых нагрузок.
Интеграция предлагаемой системы в существующие не представляется
технически сложной.
К недостатку предложенной системы и изложенной в п. 4.4.1 следует
отнести то, что системы качественно могут работать при обогреве котла
только электроэнергией.
4.4.4. СИСТЕМА ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ С ПЛАВНЫМ
РЕГУЛИРОВАНИЕМ ТЕПЛОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
ПРИ КОМБИНИРОВАННОМ ОБОГРЕВЕ КОТЛА
Система предназначена для плавного регулирования и стабилизации
температуры теплоносителя на входе в отопительные приборы соответст-
венно на переходных и установившихся режимах, стабилизации темпера-
Рис. 13. Схема водяного отопления с разделением потоков
1 — котел; 2 — делитель; 3 — циркуляционный насос; 4 — отопительные трубы; 5 —
воздушка; 6 — подающая труба; 7— калорифер; 8 — смеситель; 9 — обводная труба;
10 — расширитель; 11 — труба перелива; 12 — сливная пробка
57
тур приточного вентиляционного воздуха и воздуха внутри вагона при
циклическом включении высоковольтных групп обогрева котла, а также
при работе котла на твёрдом топливе. По уровню стабилизации температур
теплоносителя на входе в отопительные приборы на установившихся ре-
жимах система равнозначна приведенной в п. 4.4.3, но превосходство её
состоит в том, что происходит это не только при электрообогреве котла,
но и при работе котла на твёрдом топливе, в ручном режиме.
Принцип работы системы, схема которой приведена на рис. 13, состоит
в разделении потока теплоносителя на входе в котёл на две регулируемые
части делителем (2) с электроприводом. Одна часть потока возвращается в
котёл (1), а вторая по обводной трубе (9), минуя котёл, направляется в сме-
ситель (8). Движение теплоносителя по системе осуществляется циркуля-
ционным насосом (3) с частотным регулированием производительности. В
зависимости от требуемой теплопроизводительности системы в отопитель-
ные приборы через смеситель (8) подаётся теплоноситель с требуемой тем-
пературой /к, определяемой по формуле:
= (1 + о)(2/вз ~ О - а/„.
За счёт регулирования массовых потоков теплоносителя, поступающего
из котла и по обводной трубе в смеситель, всегда можно получать на вы-
ходе из него требуемый суммарный массовый поток теплоносителя необ-
ходимой температуры, оперируя,производительностью циркуляционного
насоса, управляемым делителем и обогревом теплоносителя в котле. При
этом нет необходимости в строгом поддержании какого-либо значения
температуры теплоносителя на выходе из котла, достаточно иметь темпе-
ратурную вилку с пределами даже большими, чем характерные для систем
водяного отопления с естественной циркуляцией и угольным обогревом
теплоносителя в котле.
4.5. ОТОПИТЕЛЬНЫЕ КОТЛЫ
4.5.1. КОТЛЫ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ
Принципиально конструкция отопительного котла для пассажирских
вагонов не изменилась со времени его создания в начале прошлого века.
Прямоточный водогрейный котёл с топочной камерой, плавно переходя-
щей в огневую коробку и дымовую трубу, образующих газовоздушный
тракт, снаружи обрамлённый так называемой рубашкой, пространство ме-
жду которыми заполняется водой. В низшей части топочной камеры рас-
положена колосниковая решётка, под которую подаётся воздух. В котле
практически отсутствуют специальные конвективные поверхности, поэто-
му он обладает низким сопротивлением по газовоздушному тракту, что
обеспечивает довольно качественное сжигание топлива при естественной
тяге. Котёл рассчитан на сжигание качественных углей марки антрацитов
высокой калорийности в виде кусков или брикетов с получением КПД
котла на уровне 50 %. Использование в котле низкосортных топлив мелких
фракций с большим содержанием пыли приводит к резкому снижению
КПД за счёт возрастания механических потерь с уносом отработавшими
58
газами, провалами на колосниковой решётке, снижением топочного те-
плообмена. Попытки модернизации с целью повышения теплотехниче-
ских качеств котла введением конвективных поверхностей в газовоз-
душный тракт, применения колосниковых решёток различной конфигу-
рации, в том числе конических, ряд других механических устройств,
стабилизации тяги в движении не привело к желаемому результату, зна-
чительно усложнило эксплуатацию. Иными словами, использование
достижений «большой энергетики», по всей видимости, неприемлемо
для котла пассажирских вагонов. Поэтому при угольном обогреве ото-
пительных котлов необходимо использовать регламентированные сорта
(марки) топлив или осуществить промышленное производство и повсе-
местное снабжение вагонов поездов брикетами, изготовленными по тех-
нологии с органическим связующим, неподверженными воздействию
влаги. Единственная модернизация должна быть проведена в части за-
мены существующей флюгарки дымовой трубы на аэродинамический
стабилизатор тяги (патент Германии), простота конструкции и эффек-
тивность работы которого установлена в процессе испытаний кухонных
плит вагонов-ресторанов производства ГДР.
Угольное отопление вагонов, являясь самым дешёвым, является и са-
мым трудоёмким и тяжёлым для проводников. Поэтому в 70-х годах про-
шлого века создан и внедрён на пассажирских вагонах комбинированный
отопительный котёл с высоковольтным электрообогревом теплоносителя
(воды). Это резко повысило комфорт в вагонах (температурный, гигиени-
ческий), облегчило работу проводников. В стоимостном отношении элек-
трообогрев и угольный обогрев практически были одинаковы. Расширение
полигона эксплуатации ограничивалось электрификацией дорог. Велись да-
же работы по оснащению тепловозов отопительными трансформаторами.
За сорок лет эксплуатации комбинированный котёл постоянно усовершен-
ствовался, принимая современные эстетичные формы и, особенно, повы-
силась надёжность, электробезопасность. Созданы надёжные высоковольт-
ные электронагреватели отечественного производства. При нынешней
конъюнктуре цен электрообогрев примерно в 3 + 5 раз дороже, чем уголь-
ный. (Не так давно это было на порядок дороже.) Определить тенденцию
пока довольно сложно. Вместе с тем комбинированный котёл обеспечивает
высокий уровень комфорта при электрообогреве и высокую надёжность в
случаях перерыва в электроснабжении, а вагон делает вездеходным.
4.5.2. КОТЛЫ С ОБОГРЕВОМ ЖИДКИМ ТОПЛИВОМ
Использованию высокотехнологичного жидкого топлива, каким явля-
ется дизельное, для обогрева отопительных котлов пассажирских вагонов
в советское время препятствовал жёсткий лимит на поставки его предпри-
ятиям МПС, а также большие опасения в отношении пожароопасности.
Солярка широко использовалась в ряде стран не только в коммунальном
хозяйстве для обогрева домов, коттеджей, но и для обогрева пассажирских
вагонов. Стоимость солярки, с учётом её высокой теплотворной способно-
сти, была практически соизмерима со стоимостью высокосортных углей.
Учитывая технологичность солярки все кухонные плиты вагонов-рестора-
нов, были переведены с угля на солярку. Это, несомненно, способствовало
59
значительному улучшению труда рейсовых бригад, повышению качества
приготовления пищи. Солярка использовалась для обогрева отопительных
котлов служебных вагонов рефрижераторных секций производства как
бывшей ГДР, так и «БМЗ». Во всех случаях для сжигания солярки исполь-
зовались горелки испарительного типа, размещаемые в топках кухонных
плит, отопительных котлов вместо колосниковых решёток. Использова-
лись различные конструкции горелок. В кухонных плитах применялась
шведская горелка типа «Q-Термо» и её модификации с производством в
ГДР, в отопительных котлах наибольшее распространение получила горел-
ка «Депо Уссурийск». Положительным качеством горелок была возмож-
ность регулирования их производительности от 0,2 до QHOM, а существен-
ным недостатком — пожароопасность и ненадёжность работы. Указанные
недостатки горелок связаны с процессом фракционного испарения топли-
ва в испарительных камерах, постоянном их «зарастании» коксом, коксо-
вании паровых сопел и катализаторов, особенно при использовании лет-
ней солярки (которой в основном снабжался ж. д. транспорт) с большим
содержанием парафинистых соединений и высокой коксуемостью. Из-
вестно, что коксуемости подвержены все сорта жидких углеводородных то-
плив. Известно также, что скорость коксообразования, его количество и
дисперсность зависят не только от сорта, но и от условий перевода топлива
в паровую фазу. При определённых условиях коксообразование при нагре-
ве и переводе в паровую фазу можно свести к минимуму, позволяющему
создать конструкцию испарительной горелки, которая будет надёжно и
безопасно работать довольно длительный период времени. Однако пред-
принятые рядом организаций работы в СССР и за рубежом по созданию
надежных горелок испарительного типа не были доведены до конца, в том
числе и по причине утраты актуальности.
Идея обогрева отопительного котла пассажирских вагонов жидким то-
пливом возродилась благодаря инициативной деятельности С.-Петер-
бургской фирмы НВФ «Альтереэн». Фирма совместно с АО «Вагонмаш»
(С.-Петербург) в 1996 году выполнили модернизацию пассажирского ваго-
на 47 К/к под использование жидкого топлива (дизельного арктического) в
качестве альтернативного источника энергии для отопительного котла. Мо-
дернизация была выполнена в соответствии с разработанной и утверждён-
ной конструкторской документацией. Конструкция модернизированной
системы отопления выбрана из условия максимального использования за-
имствованных сборочных единиц и деталей, применяемых на выпускаемых
вагонах и отвечающих действующим требованиям. Модернизированная сис-
тема отопления включает следующие позиции.
1. Подсистему, обеспечивающую сжигание жидкого топлива в топке
типового отопительного котла, в состав которой входят: горелка «Юниор
LF2» с фланцем герметизации, закрепленным на топочной арматуре (вме-
сто дверцы топки); фланец герметизации зольника котла; топливные баки
с заливочными горловинами; топливные фильтры грубой и тонкой очист-
ки; заслонка на дымоходе; циркуляционный насос водяной системы с гря-
зевым фильтром и муфтовыми задвижками, запорная топливная арматура.
2. Подсистему автоматического управления работой водяного отопле-
ния вагона, в состав которой входят эквитерм «Саутер», преобразователь —
110 В/220 В, 50 Гц, термостат комплект автоматики (блок контроля и за-
60
щиты, датчик температуры наружного воздуха и воды, подающейся в ото-
пительную систему вагона). Эквитерм «Саутер» с жидкокристаллическим
экраном отображения необходимых параметров работы системы располо-
жен в купе проводника. Схема и конструкция модернизированной систе-
мы отопления выбраны из условия безопасности работы котла с обеспече-
нием защиты от закипания воды. Конструкция обеспечивает также герме-
тичность топки и зольника котла (от помещений вагона), всасывающих
трубопроводов, заливных горловин топливных баков. Ёмкость топливных
баков рассчитана на непрерывную работу горелки в течение 60 часов.
Положительные результаты испытаний позволили АО «Вагонмаш» со-
вместно с фирмой «Альтерэн» выпустить партию вагонов с системой жид-
костного отопления.
С 2000 года московская фирма «Циркон-Сервис», специализирующая-
ся на выпуске эксклюзивных вагонов повышенной комфортности, стала
применять на них, в качестве дублирующей, систему жидкостного отопле-
ния вместо угольного обогрева.
По результатам проведенных испытаний вагонов с жидкостной систе-
мой отопления в стационарных и поездных условиях, отдельно горелки на
лабораторных стендах, получена довольно полная характеристика системы.
Основным узлом системы является горелка «Юниор» (изготовитель:
A/О ОЙЛОН, Финляндия).
Мощностной ряд выпускаемых горелок представлен в таблице 13.
Как видно из данных, представленных в таблице 13, каждый тип горе-
лок допускает корректировку расхода топлива в небольшом интервале, ко-
торый уже в процессе эксплуатации не меняется и горелка работает в цик-
лическом режиме на установленном расходе топлива. Для отопительных
котлов вагонов по мощности подходит горелка ЮНИОР LF 3 мощностью
до 44 кВт. Работа горелки полностью автоматизирована. При включении
кнопки на блоке управления с учётом параметров автоматики управления
тепловыми процессами котла и вагона в целом, происходит последователь-
ная цепочка операций по вводу горелки в действие с воспламенением и го-
рением топлива (длительность пуска около 60 секунд). Предусмотрены
продувки газовоздушного тракта котла после ложного пуска, предвари-
тельный подогрев топлива по необходимости, отключение подачи топлива
Таблица 13. Мощностной ряд горелок фирмы A/О ОЙЛОН
Тип горелки Диапазон мощности
кг/ч литр/ч кВт
Юниор LF 0,5 1,1 + 1,7 1,3* 2,0 13*20
Юниор LE 0,5 1,6* 2,0 1,9 * 2,4 19*24
Юниор LF 1 1,4 *2,4 1,7 *2,9 16 * 28
Юниор LF 2 2,3 * 3,0 2,8 * 3,6 27* 35
Юниор LF 3 2,8 + 3,7 3,3 * 4,4 33*44
61
при погасании факела и другие функциональные защиты. При достижении
заданной температуры воды на выходе из котла горелка отключается.
Обогрев котла горелкой происходит в циклическом режиме, подобно ра-
боте высоковольтных групп. Циркуляционный насос с нерегулируемой
производительностью работает постоянно.
В горелке применена механическая форсунка для распыла топлива с
давлением до 16 кг/см2 от встроенного насоса и принудительная подача
воздуха в завихритель горелочного устройства от дутьевого вентилятора.
Как показали испытания, проведенные ВНИИЖТ'ом, горелка обеспе-
чивает качественное сжигание топлива с полнотой сгорания, близкой к 1,
при коэффициенте избытка воздуха а = 1,5. Коксования сопла горелки не
наблюдалось в процессе проведения всех испытаний (стационарных и по-
ездных) при работе горелки на качественной солярке «Арктика». В отрабо-
тавших газах на выходе из котла отсутствует высокодисперсная сажа (дыма
нет), содержание СО составляет величину около 1,0 %. В рабочем тамбуре,
котельном отсеке и салоне вагона повышения концентрации СО2 при ра-
боте системы на жидкостном отоплении не наблюдалось.
В испытаниях было отмечено, что одновременное включение в работу
горелки и циркуляционного насоса (без регулирования подачи массы теп-
лоносителя), приводят к несоответствию распределения выделенного в
котле и отопительных приборах тепла, снижению уровня комфорта. За
цикл включения на частичных нагрузках насос успевает «прогнать» нагре-
тый теплоноситель через систему обратно в котёл. Недостаток легко уст-
раним изменением алгоритма включения циркуляционного насоса (п.п.
4.4.1, 4.4.2) или введением регулирования производительности насоса.
Существенным недостатком разработанной системы жидкостного ото-
пления является её низкий КПД, не превышающий 40 %. Для эффектив-
ного использования горелок типа «Юниор» необходимо проведение кон-
структивной доработки котла пассажирского вагона, а лучше — замена его
на новый, в конструкции которого будут учтены вопросы вписываемости
факела горелки в топочный объём, увеличение степени заполнения топки
факелом, а также наличие развитой конвективной поверхности. При ре-
ально достижимом КПД котла на уровне 80-5-85 % горелка типа «Юниор»
обеспечит требуемую теплопроизводительность системы, соответственно,
в значительной степени снизятся расходы на топливо.
Не исключено, что система жидкостного отопления, обладающая всеми
необходимыми требованиями по пожароопасности, экологии и автономно-
стью, обеспечивающая необходимый комфорт при значительно улучшен-
ных условиях работы обслуживающего персонала по сравнению с угольным
обогревом, найдёт более широкое применение не только в эксклюзивных
вагонах, но и в вагонах фирменных поездов дальнего следования.
4.6. СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ С НЕЗАМЕРЗАЮЩИМ
ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ
Системы отопления пассажирских вагонов с использованием в качест-
ве теплоносителя воды имеют один существенный недостаток, связанный
со значительным изменением плотности при фазовом переходе из жидкого
62
в твёрдое состояние, происходящем при довольно высоком температурном
уровне (273 К). Результатом этого являлись довольно частые в эксплуата-
ции случаи размораживания системы, особенно подпольной трубы и дру-
гих элементов.
Аварийные ситуации, нарушение инструкций приводило к необходи-
мости замены лопнувших труб и элементов системы отопления, а вид этих
ремонтов не относится к дешёвым и простым. Поэтому всегда возникал
вопрос об использовании в системах отопления пассажирских вагонов не-
замерзающего низкотемпературного теплоносителя. Успешное использо-
вание в автомобилях для охлаждения двигателей низкотемпературных
жидкостей на основе этиленгликоля способствовало постановке работ по
оценке возможности применения таких же или подобных жидкостей в ка-
честве теплоносителей в системах отопления пассажирских вагонов.
В конце прошлого века ВНИИЖТ'ом при участии ВНИИВ'а и ВНИ-
ИЖГ был проведен комплекс работ, охватывающий весь спектр проблемы,
начиная от баз снабжения, экипировки, особенностей эксплуатации, ути-
лизации. Первоначально был сделан выбор на использование в качестве
теплоносителя этиленгликолевых тосолов марок А 40 М и А 65 М. В лабо-
раторных условиях были определены низшие допустимые пределы кон-
центраций этиленгликоля в водных растворах по температуре замерзания
и механическому воздействию на элементы систем отопления пассажир-
ских вагонов. На опытных вагонах были проведены теплотехнические ис-
пытания систем отопления с низкотемпературными теплоносителями во
всём диапазоне тепловых нагрузок, проведены эксперименты по «холодно-
му» пуску системы при температурах наружного воздуха и внутри вагона
минус 25 °C. В испытаниях было установлено, что некоторые физические
особенности ТОСОЛ’ов (плотность, теплоёмкость, вязкость) практически
не оказали влияния на работу системы отопления вагона в качественном
и количественном отношении, а реализация «холодных» пусков системы
является важным эксплуатационным преимуществом систем с незамер-
зающим теплоносителем. Естественно, что никаких повреждений системы
отопления выявлено не было после длительной выдержки вагона без обог-
рева при температурах наружного воздуха до минус 25 °C. Не было выяв-
лено утечек тосола по всем соединениям системы (вагон был взят для ис-
пытаний после выполнения КР-1). В итоге разработан проект модерниза-
ции систем отопления пассажирских вагонов под использование в качестве
теплоносителя низкотемпературных незамерзающих жидкостей марки
А 40 М и А 65 М, а также поступивших на рынок новых марок ОЖ-Лена 40
и ОЖ-Лена 65, также на основе этиленгликоля, но отличающихся более
широким «букетом» стабилизирующих, антикоррозионных и других доба-
вок. Главным содержанием проекта было полное гидравлическое отделе-
ние систем отопления от систем холодного и горячего водоснабжения ва-
гонов. Особое внимание было уделено исключению попадания теплоноси-
теля в систему водоснабжения через бойлер, конструкция которого
допускала смешение жидкостей в результате размораживания греющей
трубы при постановке вагона в отстой с нарушением инструкции по сливу
воды из системы. Обследование партии вагонов эксплуатируемого парка
показало, что более 30 % из них имеют приобретённый дефект обогреваю-
щей трубы и котловая вода могла легко смешиваться с питьевой.
63
В финале работа не была рекомендована к внедрению по категориче-
скому запрету ВНИИЖГ и ГлавСанУпр'а, с мотивацией, что этиленгли-
коль вещество ядовитое, полностью нельзя исключить вероятность кон-
такта с пассажирами, а при возможных крушениях произойдёт заражение
местности.
Продолжение работ по использованию низкотемпературных незамер-
зающих теплоносителей в системах отопления пассажирских вагонов было
связано с появлением на рынке солевых антифризов марок АСОЛ-К,
АСОЛ-КЕ, Арктика-45, производимых предприятиями Химпрома в Ро-
шальске, Ярославле, Череповце, специализированными фирмами, такими
как ТОО «Экодор», ТОО «Юпитер», «Агрохимбезопасность» и другими.
Антифризы указанных марок представляют собой водные растворы мине-
ральных солей на пределе насыщения с различными стабилизирующими,
антикоррозионными и другими химическими добавками, изготовляемые
по специальной технологии, с температурой замерзания от минус 30 °C до
минус 50 °C. Солевые антифризы являются экологически чистыми жидко-
стями, по степени воздействия на человека относятся к веществам мало-
опасным — 4 класс по ГОСТ 12.1.007, при попадании антифризов на кожу
необходимо и достаточно смыть их водой. Антифризы не горючи, пожаров-
зрывобезопасны, плотность их в зависимости от марок колеблется от 1,3 т/м3
до 1,45 т/м3 при 20 °C. ВНИИЖТом были проведены всесторонние испы-
тания образцов антифризов на лабораторных стендах, в климатической ка-
мере, в системе отопления экспериментального вагона. Основные недос-
татки опытных антифризов заключались в нестабильности жидкости, про-
являвшейся в поверхностной кристаллизации солей на стенках сосудов и
образовании плавающих агломератов, а также в высокой коррозионной аг-
рессии к алюминию, олову и их сплавам, некоторым сортам резины. После
внесения разработчиками определенных корректив в производство, опыт-
ные антифризы были опробованы в системе отопления экспериментально-
го вагона ВНИИЖТ. В испытаниях была получена воспроизводимость те-
плотехнических характеристик системы при работе на антифризе АСОЛ-К
и достигнута возможность холодных пусков при отрицательных темпера-
турах наружного воздуха. Уменьшение объема теплоносителя и увеличение
его плотности в небольших пределах являлись следствием испарения воды
и компенсировались её добавками в систему. При этом использовалась
дистиллированная вода. Отмечены недостатки: небольшие протечки по
резьбовым и фланцевым соединениям, высокая агрессия по отношению к
окрашенным поверхностям системы при попадании на них антифриза.
Выявлены положительные свойства: специальные вставки в систему из
старых отопительных труб вагонов с явными отложениями накипи очисти-
лись от них почти до металлического блеска, внутри новых стандартных
труб следов коррозии обнаружено не было.
Испытания антифризов были продолжены в системах отопления двух
пассажирских вагонов, модернизированных по проекту Ml499 Новорос-
сийским ВРЗ с использованием специальных смазок для резьбовых со-
единений, предложенных разработчиком. Испытания проводились в зим-
ний период в условиях эксплуатации, с пассажирами, на северных направ-
лениях от Москвы и обратно. В систему отопления вагонов был заправлен
антифриз марки АСОЛ-КЕ, имеющий температуру замерзания минус 30 °C.
64
В пунктах оборота и перестоя вагоны отапливались. Наблюдения показа-
ли, что системы отопления функционировали нормально, плотность анти-
фризов оставалась практически на одном уровне при небольшом добавле-
нии воды из системы водоснабжения. К концу сезона опытная эксплуата-
ция была прекращена из-за несанкционированного слива антифриза из
систем.
По нормативным требованиям пассажирские вагоны должны устойчи-
во эксплуатироваться при наружных температурах от минус 40 °C до плюс
40 °C. Поэтому антифризы должны иметь температуру замерзания не вы-
ше минус 50 °C с запасом для обеспечения надёжности. Поставленная
пред разработчиками задача, была решена ими созданием антифризов ма-
рок АСОЛ-К и Арктика с температурой замерзания минус 50 °C. Однако
эти сорта солевых антифризов отличались нестабильностью, характери-
зующейся обратными процессами кристаллизации, образованием агломе-
ратов, особенно в условиях хранения, температура замерзания жидкой фа-
зы при этом повышалась.
Последний известный эксперимент с использованием солевых анти-
фризов был проведен на скоростных вагонах модели 61-4170, система ото-
пления которых была спроектирована ОАО «ТВЗ» с участием ГОСНИИВ.
Отличительная особенность системы состоит в применении электрокотла
с высоковольтным обогревом теплоносителя без резервного (угольного
или жидкостного) обогрева с использованием в качестве теплоносителя
антифриза с температурой замерзания не ниже минус 40 °C. Проведенные
испытания вагонов, в системах отопления которых использовался АСОЛ-
К, показали неудовлетворительную работу жидкостных калориферов, вы-
ражавшуюся в значительных колебаниях температур приточного воздуха и
неравномерности теплоотдачи теплоотдающих труб по длине вагона на ре-
жимах с естественной циркуляцией теплоносителя, которые являются ос-
новными для вагонов производства ОАО «ТВЗ». В резервных бочках, служа-
щих для пополнения системы, наблюдалось образование плавающих соле-
вых «глыб». В местах трубных соединений наблюдались подтёки антифриза,
разъедавшие окрашенную поверхность. В результате АСОЛ-К был слит,
системы вагонов были промыты, заправлены водой. Вагоны 61-4170 экс-
плуатировались на полигоне С.-Петербург — Москва в составах скорост-
ных поездов. Но поиск подходящего низкотемпературного теплоносителя
продолжался постоянно. Рассматривается использование теплоносителей
на основе более дорогого, но экологически чистого пропиленгликоля, та-
кого как, например, «Пекасол-50», выпускаемый в Германии, с температу-
рой замерзания минус 50 °C. Есть предложения и отечественных произво-
дителей пропиленгликолевых антифризов.
Интересен факт эксплуатации пассажирских вагонов ВЛАБ-РИЦ с
использованием в системе отопления теплоносителя «Фрикофен», на ос-
нове этиленгликоля производства Германии. В 90-х годах МПС закупил
партию таких вагонов специально для поездов Москва-Берлин, система
отопления которых оборудована высоковольтным электрокотлом без ре-
зервного обогрева от альтернативного источника и, соответственно, рас-
считана на использование «Фрикофена» — аналог отечественного тосола
марки А 40 М. Иначе, как позицией двойных стандартов, это назвать
трудно. Вагоны находятся в эксплуатации до сих пор. Однозначного ре-
65
шения по использованию антифризов в системах отопления пассажир-
ских вагонов пока нет, но есть реальные преимущества их использования
по сравнению с водой, заключающиеся в следующем.
• Защищенность системы от механических разрушений и коррозии.
• Стабильность теплотехнических качеств отопительных приборов в
процессе эксплуатации.
• Возможность холодных пусков системы при отрицательных темпе-
ратурах окружающего воздуха.
• Экономия энергии при неотапливаемых отстоях.
Последний тезис подтверждается расчётами, выполненными на ЭВМ с
использованием дифференциальных уравнений [19], отражающих процес-
сы остывания и нагрева вагонов с системой отопления с антифризом.
н---------------------------------------н
Рис. 14. Характеристики циклического и постоянного режимов отопления
вагонов в перестое
tB — температура воздуха внутри вагона; Этп, ЭТц — энергия, расходуемая на обо-
грев вагона, соответственно при постоянном и циклическом режимах отопления в
перестрое
66
Рис. 15. Зависимость эк-
вивалентного периода от
температуры наружного
воздуха
На основе выполнен-
ных расчётов определён
эквивалентный период и
расход энергии, затра-
чиваемый на нагрев ва-
гона при различных тем-
пературах наружного
воздуха.
На рис. 14 указан эк-
вивалентный период для
вагона, находящегося в
отстое при температуре наружного воздуха минус 20 °C. Этот период со-
стоит из двух частей: остывания, который равен 12 часам, и нагрева —
6,3 часа. Эквивалентный период характеризуется равенством энергий при
циклическом и постоянном отоплении в период отстоя (Этп= Этц), что
представлено на рисунке заштрихованными площадями. На рис. 15 дан
график зависимости эквивалентного периода от температуры наружного
воздуха для вагонов, находящихся в отстое.
Определение эквивалентных периодов предоставляет возможность рас-
считать экономию энергии, полученную в результате неотапливаемого от-
стоя вагонов, эксплуатируемых в районах с низкими температурами воз-
духа. К таким районам относятся зоны с очень холодным и холодным
климатом, где в первую очередь будут эксплуатироваться вагоны с неза-
мерзающим теплоносителем. В очень холодной зоне среднемесячная темпе-
ратура воздуха в январе изменяется от минус 50 °C до минус 30 °C, в хо-
лодной зоне — от минус 30 °C до минус 15 °C. При этом число дней в году
с температурой воздуха ниже минус 45 °C в очень холодной зоне колеблет-
ся от 100 до 10; а в холодной — от 10 до 1. К очень холодной зоне отно-
сится часть Транссибирской магистрали, БАМ; к холодной — направление
Сыктывкар-Лабытнанги и др.
Время отстоя в пунктах формирования и оборота различно и согласно
действующему расписанию на дорогах северного и восточного направлений
составляет от нескольких часов до нескольких суток. Экономия энергии
при отоплении вагона в условиях отстоя определяется с использованием
данных [13] по формуле:
а = N • т _____
/де? '-'норм '-'нагр 1 ’норм 7п <7нагр»
где: Энорм — расход энергии, затрачиваемый на поддержание постоянной
температуры воздуха в вагоне tB= 20 °C;
Энагр — расход энергии, затрачиваемой на нагрев вагона от определён-
ной начальной температуры до 20 °C;
67
Рис. 16. Экономия энер-
гии в зависимости от
времени неотапливаемо-
го перестоя и температу-
ры наружного воздуха
/, 2,3,4— при температурах
наружного воздуха соот-
ветственно —40 °C, —30 °C,
-20 °C, -10 'С
Л^норм — необходи-
мая мощность, системы
отопления для поддер-
жания в вагоне темпера-
туры tB = 20 °C;
Т„ — период отстоя.
На рис. 16 графиками
представлены результаты
расчётов возможной экономии энергии ДЭ при отоплении вагонов с неза-
мерзающим теплоносителем в циклическом режиме в условиях отстоя [20].
Энергетическая эффективность циклического отопления возрастает с уве-
личением времени отстоя и снижением температуры наружного воздуха, что
подтверждает предложение об использовании незамерзающей жидкости в
системах отопления вагонов в первую очередь в условиях холодного климата.
4.7. СИСТЕМЫ ВОЗДУШНОГО ОТОПЛЕНИЯ
Пассажирские вагоны с системой водяного отопления можно считать
«классикой» для климатических условий и протяжённости маршрутов дви-
жения России. Однако с развитием скоростного движения в межрегио-
нальном сообщении протяженностью до 700 км в качестве подходящего
рассматривается пассажирский вагон с воздушной системой отопления
как более простой в эксплуатации, малоинерционной, обладающей мень-
шей массой.
В 1999 г. МВРЗ им. Войтовича по разработке ОАО ПКБВ «Магистраль»
построил опытный скоростной вагон межобластного назначения модели
9510. Вагоны этой модели предназначались для перевозки пассажиров в
поездах с централизованным электроснабжением со скоростями движения
до 200 км/ч. Вагон имел 2-х салонную компоновку на 64 места, оснащен
экологически чистыми туалетами замкнутого типа, расположенными в не-
рабочем конце вагона. Наружные двери вагона с электропневмоприводом,
боковые одностворчатые прислонно-раздвижные; торцевые-двухстворча-
тые раздвижные. Окна вагона оснащены двухкамерными герметичными
стеклопакетами и тройным остеклением, между вторым и третьим стеклом
размещены регулируемые жалюзи. Опытный вагон был изолирован паке-
тированной теплоизоляцией типа «Урса».
68
Вагон был оборудован воздушной системой обеспечения климата
(СОК), включавшую в себя:
• климатическую установку (для охлаждения и обогрева) типа КУ
7175, на базе воздушной холодильной машины;
• частотный преобразователь;
• высоковольтный электрокалорифер (3 кВ) номинальной мощностью
30 кВт;
• воздушные каналы забора, раздачи и рециркуляции воздуха;
• цифровой блок автоматического управления СОК.
Особенностью системы отопления является наличие двухканальной
системы раздачи обработанного воздуха в салон, схема которой приведена
на рис. 17. Наружный и рециркуляционный воздух, смешиваясь и проходя
через климатическую установку 1, высоковольтный электрокалорифер 2,
распределительный узел 3, направляется или в потолочный воздуховод 4
(на режимах вентиляции и охлаждения), или через опускные воздуховоды 5
в напольные бортовые воздуховоды 7 (на режиме отопления). Через разда-
точные отверстия воздуховодов приточный воздух подаётся в салон. При
вентиляции и охлаждении — сверху, при отоплении — снизу под окна.
Из салона воздух поступает через решетку в рециркуляционный канал 8 и
частично выбрасывается наружу через потолочные клапана туалетов. Вспо-
могательные вентиляторы 6 служат для преодоления гидравлического со-
противления воздуховодов и подачи подогретого воздуха в салон вагона.
Система управляется цифровым блоком 9 — работает в нормальном со-
стоянии в автоматическом режиме.
При работе системы в режиме отопления наружный воздух предвари-
тельно нагревается в КУ, работающей в теплонасосном режиме, затем,
смешиваясь с рециркуляционным воздухом, после окончательного нагрева
Рис. 17. Схема воздушной системы отопления вагона модели 9510
I — климатическая установка КУ 7175; 2— высоковольтный электрокалорифер; 3 —
распределительный узел; 4 — вход в потолочный воздуховод; 5 — опускные воздухо-
воды; 6 — вспомогательные вентиляторы: 7 — вход в напольные бортовые воздухо-
воды; 8 — решетка рециркуляционного канала; 9 — блок управления системой
69
в высоковольтном электрокалорифере поступает в разделительный узел и
через нижние раздаточные воздуховоды — в пассажирский салон вагона.
Предусмотрено автоматическое регулирование теплопроизводительности
электрокомпрессора КУ за счёт ступенчатого изменения частоты враще-
ния, а также ступенчатого регулирования мощности высоковольтного
электрокалорифера (шесть ступеней) посредством переключения групп
высоковольтными контакторами.
При работе системы в режиме охлаждения наружный воздух охлаждал-
ся в КУ и, смешиваясь с рециркуляционным, подавался в салон вагона че-
рез потолочный воздуховод. Режим вентиляции отличался от режима ох-
лаждения тем, что свежий воздух подавался в салон не компрессорами КУ,
а дополнительными вентиляторами, минуя цикл воздушной холодильной
машины.
Все электропотребители вагона были запитаны от многоканального вы-
соковольтного преобразователя с общей выходной мощностью 65 кВт.
Проведенные испытания опытного вагона выявили ряд существенных
недостатков в работе оборудования климатической системы, потребовавших
её коренной модернизации. В первую очередь климатическая установка КУ
7175 была заменена на кондиционер УКВ-31 фирмы «Остров»; установлено
два высоковольтных электрокалорифера мощностью по 20 кВт каждый; рас-
пределительный узел с ручными заслонками «зима—лето» устанавливается
непосредственно после УКВ, обеспечив прохождение воздуха через высоко-
вольтные электрокалориферы только в режиме отопления; установлены по-
доконные панели со встроенными каналами вентиляции, через которые воз-
дух подаётся в оконную зону и нижнюю часть салона.
Испытания вагона с модернизированной системой СОК показали её
работоспособность, подтвердили высокие динамические качества воздуш-
ной системы отопления и равномерность распределения температур возду-
ха по салону с нижней раздачей.
Требуемая температура воздуха в салоне устанавливалась через 20 +
+ 30 минут с момента пуска системы отопления холодного вагона при от-
рицательных температурах наружного воздуха. Падение температуры воз-
духа в салоне от плюс 20 °C до плюс 10 °C прогретого вагона происходило
в течение 6 + 10 часов с момента отключения системы отопления при от-
рицательных наружных температурах воздуха. То есть, исключение из сис-
темы отопления инерционного элемента, каким является водяная система
с отопительным котлом, приводит к ускорению процессов предваритель-
ного нагрева и охлаждению вагона. В межобластном сообщении система
воздушного отопления может быть более предпочтительной с точки зрения
обслуживания и экономии энергии.
Явный недостаток модернизированной системы воздушного отопления
вагона модели 9510, который был подтверждён испытаниями, заключался
в ступенчатом регулировании теплопроизводительности и выбранном ал-
горитме автоматического управления, что приводило к значительным коле-
баниям температур поступающего в салон воздуха. Учитывая это обстоятель-
ство, ЗАО «ЛАНТЕП» разработало систему воздушного отопления на базе
серийного кондиционера УКВ ПВ и высоковольтного электрокалорифера
(по ТУ СВИ 02.000) мощностью 32 кВт с двухканальной системой раздачи
приточного воздуха по типу вагона модели 9510. Существенное отличие
70
разработанной системы состоит в выборе трёх групп электрокалориферов
равной единичной мощности, позволяющей осуществить плавное регули-
рование теплопроизводительности от 0 до 48 кВт. Первая группа состоит из
двух секций низковольтных электрокалориферов мощностью по 8 кВт ка-
ждый, расположенных в УКВ ПВ, получающих питание от канала статиче-
ского преобразователя (летом питающего двигатель компрессора). Высо-
ковольтный калорифер, состоящий из 2-х секций по 16 кВт, получает
энергию от поездной высоковольтной магистрали. Первая группа низко-
вольтных электрокалориферов УКВ позволяет осуществлять плавное регули-
рование теплопроизводительности от 0 до 16 кВт. С увеличением тепловой
нагрузки последовательно включаются в работу секции высоковольтных
электрокалориферов, обеспечивая плавное регулирование теплопроизво-
дительности системы от 16 кВт до 32 кВт, а затем от 32 кВт до 48 кВт. При
возможности плавного регулирования теплопроизводительности системы
воздушного отопления целесообразно управлять температурой приточного
воздуха, поддерживая её на требуемом уровне в зависимости от действую-
щих факторов, тем самым обеспечивать высокую стабильность температур
воздуха внутри вагона в соответствии с требованиями комфорта.
Система воздушного отопления, разработанная ЗАО «ЛАНТЕП», при-
менима на вагонах локомотивной тяги с автономным и централизованным
электроснабжением, а также на электропоездах.
4.8. ЭКОНОМИЯ ЭНЕРГИИ НА ОТОПЛЕНИЕ
Обеспечение экономии энергии на отопление пассажирских вагонов
складывается из выполнения следующих основных факторов:
• постоянное совершенствование энергетического и теплотехническо-
го оборудования пассажирских вагонов, снижение удельных затрат
энергии;
• разработка и повсеместное введение автоматизированной системы
нормирования, учёта и контроля расхода энергии;
• выполнение нормативов по текущему содержанию и ремонту сис-
тем отопления.
Реализация в конструкциях вагонов уже имеющихся на сегодняшний
день технических предложений и решений позволило бы сократить в
1,8 ч- 2 раза расход энергии на отопление. Наиболее полное воплощение
технических новшеств содержится в предложении по созданию альтерна-
тивной конструкции кузова. Предложение, как отмечалось в п. 2.3, на-
правлено не только на повышение теплотехнических качеств и увеличение
долговечности кузова, но и на значительное повышение эффективности
работы энергетического оборудования за счёт применения климатической
установки с теплонасосным режимом отопления и использования внут-
ренней силовой обшивы в качестве теплоотдающей поверхности.
Большое значение в деле экономии энергии придается надёжной и эф-
фективной работе системы управления тепловыми процессами вагонов,
функциями которой является не только обеспечение требуемого уровня
комфорта при использовании оптимального управления (особенно на пе-
реходных режимах), но и недопущение неоправданных перерасходов энер-
71
гии с вмешательством человеческого фактора сверх нормируемых величин.
Действие последнего фактора весьма ощутимо в эксплуатации пассажир-
ских вагонов из-за ненадёжности работы устаревших систем термоавтома-
тики, возможности работы на ручных режимах управления климатическим
оборудованием, отсутствия современных методик и бортовых устройств,
позволяющих автоматически определять и фиксировать норму расхода
энергии на отопление.
Существующие методики определения расхода энергии на отопление
пассажирских вагонов [10], позволяют определить нормы для всех условий
эксплуатации на любой период времени. Однако для оперативного их ис-
пользования как планирующими и контролирующими организациями, так
и в бортовых системах вагонов, необходимо провести определённую рабо-
ту по их компьютеризации. Современные вагонные системы управления
тепловыми процессами построены на микропроцессорной технике, в ос-
нове программирования которых использованы алгоритмы, включающие
все необходимые теплотехнические показатели вагонов и их систем, а так-
же внешние и внутренние текущие факторы эксплуатации. По сути, вагон-
ные системы управления постоянно определяют норму расхода энергии
энергетическим оборудованием. Представляется довольно несложной зада-
чей фиксировать и воспроизводить эту величину за любой промежуток вре-
мени и сравнивать с фактическим значением. При работе вагона (состава) на
угольном обогреве решение поставленной задачи получается несколько
сложнее, чем при централизованном высоковольтном обогреве. ЗАО «ЭЛСИ-
ЭЛ» совсем недавно разработал (по совместному техническому решению с
ВНИИЖТ) и освоил серийное производство электронных счётчиков энер-
гии, потребляемой отопительными котлами пассажирских вагонов с высо-
ковольтным электрообогревом. Счётчик обладает достаточной точностью,
регистрирует расход электроэнергии на отопление в электронной памяти
и позволяет воспроизводить показания за любой промежуток времени.
Имея небольшие массу и габариты, счётчик свободно размещается в штат-
ном вагонном пульте. Сведение данных по уровню комфорта, норме и
фактическому расходу энергии на отопление в единую систему управления
и диагностики (СУИД) позволяет оперативно выявить причины перерас-
хода энергии, в том числе, и влияние технического состояния системы
отопления. Так, например, загрязнение наружных теплообменных поверх-
ностей, образование отложений и накипи на внутренних поверхностях ото-
пительных труб, протечки теплоносителя, увеличение инфильтрации из-за
нарушения уплотнений окон, дверей и др. ведут к перерасходу энергии, ко-
торый является признаком некачественного или несвоевременного выпол-
нения регламентных работ по ремонту и техническому обслуживанию.
72
5. СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
5.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Системы охлаждения пассажирских вагонов предназначены для обес-
печения комфортных условий проезда пассажиров в соответствии с требо-
ваниями Санитарных Правил [1] в летний и переходные периоды года.
В общем виде система охлаждения должна включать установку кондицио-
нирования воздуха (УКВ) и органически связанное с ней приточно-вытяж-
ное вентиляционное устройство. Систему охлаждения, включающую УКВ
и устройство вентиляции называют системой полного кондиционирова-
ния, без УКВ — системой неполного кондиционирования, состоящую
только из системы приточно-вытяжной вентиляции. На полигонах РЖД в
настоящее время эксплуатируются вагоны как с системами полного кон-
диционирования, так и с системами только приточно-вытяжной вентиля-
ции. Естественно, что в вагонах с приточно-вытяжной вентиляцией нельзя
обеспечить, особенно в летний период, уровень комфорта по температуре
и влажности воздуха, предусмотренный современными Санитарными
Правилами [1]. Поэтому было принято решение, что все типы вагонов но-
вой постройки отечественного производства должны оборудоваться систе-
мами полного кондиционирования.
Первые серийные вагоны с кондиционированием воздуха начали по-
ступать на железные дороги страны из Венгрии в 1958 году. Производство
отечественных УКВ марки КЖ-25 и КЖ-25П началось в начале 60-х годов
и в количестве около 900 штук эксплуатировались на железных дорогах.
Технические характеристики первых кондиционеров, установленных
на пассажирских вагонах, приведены в таблице 14.
С середины 60-х годов в эксплуатацию стали поступать вагоны с заво-
дов Германии (Аммендорф и Гёрлиц) с УКВ, которые нашли широкое рас-
пространение на отечественных железных дорогах и эксплуатируются до
сих пор, благодаря созданной системе ремонта и поддержания агрегатов
УКВ в рабочем состоянии. В таблице 15 представлены основные техниче-
ские характеристики кондиционеров, поступивших на железные дороги стра-
ны в составе оборудования пассажирских вагонов производства Германии в
1965—1995 годах.
Во всех кондиционерах пассажирских вагонов как зарубежной, так и
отечественной постройки в основном использовались 4-х цилиндровые
поршневые компрессора открытого типа. Все кондиционеры, за исключе-
нием поздней постройки «ХАГЕНУК» с винтовым компрессором, состоя-
ли из двух блоков и располагались на вагонах в двух уровнях. Под вагоном
на специальной раме располагался компрессорно-конденсаторный блок с
ресивером. В крышевом пространстве вагона между выходным каналом
вентагрегата и входным патрубком центрального потолочного канала при-
точного воздуха располагался блок обработки воздуха, включавший испа-
ритель, водяной калорифер и низковольтный электрокалорифер переход-
ного отопления мощностью 6 кВт. Испаритель соединялся теплоизолиро-
73
Таблица 14. Технические характеристики первых кондиционеров
Тип ва- гона Тип ком- прессора Род тока Напря- жение пита- ния, В Заводы-изго- товители Вагон Тип хладагента Годы выпус- ка
Система элек- троснабжения
УКВ УКВ
МИКС Поршне- вой, от- крытого типа Постоянный ПО Венгрия R12 1958- 1965
5Ф-40 автономная «Стоун» Анг- лия
Вагон КВЗ Поршне- вой, гер- метич- ный Переменный 380/220 завод КВЗ R12 1963— 1970
КЖ-25 централизо- ванная г. Одесса
Вагон КВЗ Поршне- вой, от- крытого типа Постоянный ПО завод им. Егорова R12 1963— 1970
КЖ-25П автономная г. Одесса
ванными трубами через запорйо-регулирующую арматуру и фильтр-
осушитель с компрессорно-конденсаторным блоком. Схемы, конструкции
кондиционеров и их эксплуатация подробно приведены в литературе
[9, 21, 22]. Во всех кондиционерах до 1995 года использовался хладагент R12.
Кондиционеры имели 4-х ступенчатую систему автоматического управле-
ния холодопроизводительностью и работали в режиме повторно-повре-
менного включения ступеней компрессора.
Основной недостаток кондиционеров с компрессорами открытого типа
был связан со значительными утечками хладагента по сальниковому уп-
лотнению приводного вала компрессора, который начинал проявляться
примерно через 2 года эксплуатации. Ремонтный сальник не выдерживал
года эксплуатации вследствие несовершенства технологии ремонта.
Кондиционеры обеспечивали требуемый уровень комфорта в вагонах
во всём диапазоне тепловых нагрузок, но ступенчатое регулирование холо-
допроизводительности сопровождалось значительными колебаниями тем-
ператур приточного воздуха, что вызывало определенный дискомфорт и
отрицательно отражалось на здоровье пассажиров.
Большой опыт эксплуатации и новые мировые тенденции позволили
сформулировать требования к перспективным системам охлаждения пас-
сажирских вагонов отечественного производства. Основные из них заклю-
чались в следующем.
• Кондиционер должен быть моноблочного типа.
• Свободно размещаться в крышевом пространстве над рабочим там-
буром.
• Обладать приемлемой массой, не более 750 кг.
• Легко интегрироваться с существующими климатическими система-
ми вагона.
74
Таблица 15. Технические характеристики кондиционеров эксплуатируемо-
го парка вагонов
Характеристики Наименование кондиционера
МАБ-2 МАБ-2/36 (модерни- зирован.) УКВ УКВ-876С
Типы вагонов, в которых использу- ется кондиционер, наименование фирмы и страны изготовителя 47 К/к Габа- рита РИЦ З-д «Гёрлиц», «Аммен- дорф», Гер- мания 47 К/к «ХА- ГЕНУК» Германия Габарита РИЦ, з-д «Гёрлиц», Германия 61-820К, 6141-70, «ХАГЕ- НУК» Гер- мания
Тип компрессора Открытый, поршневой, типа V Открытый, поршневой, 4Н-2У Полугерме- тичный, поршневой Винтовой
Вид хладагента Озоно-опас- ный R12 Озоно-безо- пасный R134 Озоно- безопас- ный R134a Озоно- безопас- ный R134a
Величина электро- потребления ком- прессора при но- минальной нагруз- ке, кВт 13 13 17
Номинальная хо- лодопроизводи- тельность, кВт 31 34 30 28
Масса, кг 1450 1450 950 750
Схема размещения кондиционера на вагоне В надпото- лочном про- странстве и под рамой ва- гона В надпото- лочном про- странстве и под рамой вагона В надпото- лочном пространст- ве и под ра- мой вагона Моноблок в надпото- лочном простран- стве
• Кондиционер должен работать на экологически чистом теплоноси-
теле, иметь плавное регулирование холодопроизводительности во
всём диапазоне тепловых нагрузок.
• Обладать высокой степенью надёжности и ремонтопригодности.
• Работать от автономной типовой системы электроснабжения с мощ-
ностью генератора 32 кВт.
• Потребляемая мощность УКВ не должна превышать 22 кВт.
• В УКВ должен использоваться герметичный компрессор.
75
• Кондиционер должен состоять из узлов и комплектующих отечест-
венного производства, выпускаться отечественными предприятиями.
• Холодопроизводительность УКВ должна быть не менее 28 кВт на
расчётных режимах.
• Теплопроизводительность УКВ должна быть не менее 25 кВт, вклю-
чая переходное электроотопление.
К работе по созданию отечественного кондиционера для пассажирских
вагонов производства ОАО «ТВЗ» подключились как известные предпри-
ятия-производители кондиционеров и холодильного оборудования, так и
вновь образованные специализированные фирмы.
Характерным и очень полезным в период создания вагонного конди-
ционера оказалось участие предприятий и организаций, специализация
которых позволила разработать и воспроизвести на уровне опытных образ-
цов практически всю гамму известных способов получения холода. Опыт
создания этих установок в России в узкий промежуток времени специаль-
но для железнодорожного транспорта весьма уникален и несомненно по-
лезен, несмотря на то, что ряд из них пока не получил серийного внедре-
ния, не нашел своей ниши. Так были созданы и испытаны в составе пас-
сажирских вагонов следующие типы кондиционеров:
• парокомпрессионные различных модификаций;
• на базе воздушной холодильной машины;
• термоэлектрический;
• косвенно-испарительный; •
• кондиционеры с теплонасосным режимом отопления.
Были также рассмотрены уникальные технические предложения раз-
личных фирм, в том числе и воздушные вихревые охладители, по различ-
ным причинам не доведенные до изготовления опытных образцов вагон-
ных кондиционеров.
Ниже в хронологическом порядке появления приведены технические
характеристики всех испытанных типов кондиционеров, как опытных об-
разцов, так и серийной продукции.
5.2. ПАРОКОМПРЕССИОННЫЕ КОНДИЦИОНЕРЫ
5.2.1. КОНДИЦИОНЕРЫ ЗАО «ЛАНТЕП»
Московская фирма ЗАО «ЛАНТЕП» одной из первых в России присту-
пила к созданию отечественных кондиционеров для пассажирских вагонов
и первой в 1998 г. освоила серийное производство и поставки УКВ моно-
блочного типа для серийных пассажирских вагонов производства ОАО
«ТВЗ». Фирма постоянно проводит работы по совершенствованию выпус-
каемых кондиционеров, повышению надёжности и энергетической эф-
фективности, снижению массогабаритных показателей, повышению экс-
плуатационных качеств и ремонтопригодности изделий; за последние
шесть лет освоила серийное производство новых типов кондиционеров,
разработала высокоэффективный кондиционер с теплонасосным режимом
отопления, внедрение которых на пассажирских вагонах обеспечит значи-
тельную экономию энергии; разработала и освоила серийное производство
ремонтного блока для восстановления работоспособности установок типа
76
МАБ-2. Фирма также проводит поисковые работы по совершенствованию
и повышению эксплуатационных качеств сопутствующих узлов по систе-
мам вентиляции, отопления, автоматического управления тепловыми про-
цессами. Много внимания фирма уделяет вопросам развития производст-
венной базы, расширению выпуска продукции.
5.2.1.1. Кондиционер с турбокомпрессором
В 1994 году ЗАО «ЛАНТЕП» совместно с НПЦ «Экспресс» и ВНИИЖТ
в тесном контакте с ОАО «ТВЗ» приступили к разработке и созданию оте-
чественного кондиционера моноблочного типа, а с 1998 года было начато
его серийное внедрение на пассажирских купейных вагонах производства
ОАО «ТВЗ».
Выполняя Указания МПС РФ, разработчики создали кондиционер,
изготавливаемый на производственных площадях ЗАО «ЛАНТЕП», пол-
ностью состоящий из отечественных комплектующих. Моноблочный кон-
диционер был рассчитан на установку в крышевом пространстве над там-
буром котлового конца вагона. Следует отметить, что все последующие мо-
дели кондиционеров ЗАО «ЛАНТЕП» и других отечественных фирм были
выполнены в едином габарите, с едиными присоединительными устройст-
вами и расположением на вагоне.
Кондиционер ЗАО «ЛАНТЕП» первого исполнения, схема которого
приведена на рис. 18, включал в себя:
• Двухступенчатый турбокомпрессор ТК со встроенным высокочас-
тотным трёхфазным электродвигателем ЭД1 с номинальным напря-
жением U„= -380 В, частотой /н = 400 Гц (пн = 24 тыс. об/мин);
• Конденсаторный блок, состоящий из двух теплообменников КТ1 и
КТ2, вентилятора ВК с электродвигателем трехфазного переменного
тока с номинальным напряжением 1/н = 380 В, /н = 400 Гц, мощно-
стью 1,5 кВт;
• Промежуточный сосуд ПС;
• Теплообменник ТО;
• Испарительный блок, состоящий из трехфазного электродвигателя
ЭД-3 (UH = 380 В,/, = 400 Гц, Рн = 1,5 кВт), приточного вентилято-
ра ВП, испарителей (UTj и UT2), электрокалориферов (ЭК! и ЭК2с
= 110 В, Рн = 1,6 кВт), водяного калорифера (ВК( и ВК2, Q =
= 20 кВт);
• Воздушные заслонки наружного воздуха (ВЗ] и В32) с электропри-
водом;
• Воздушные фильтры очистки воздуха (ВФ, и ВФ2);
• Терморегулирующие вентили (ТРВ! и ТРВ2);
• Реле давления на всасе и нагнетании (РД| и РД2);
• Вентили и соленоидные вентили (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7).
В кондиционере в качестве теплоносителя использовался экологически
чистый высокомолекулярный хладон PC 318 отечественного производства.
Основным агрегатом кондиционера является полугерметичный двух-
ступенчатый турбокомпрессор со встроенным электродвигателем с прину-
дительным охлаждением теплоносителем. Компрессор является отечест-
венной разработкой. Двухступенчатая конструкция компрессора, выбран-
77
оо
Рис. 18. Схема УКВ ПВ с турбокомпрессором
ная геометрия колёс ступеней, укреплённых на противоположных концах
вала электродвигателя, обеспечили разгрузку вала в осевом направлении и
позволили использовать обычные двухрядные шариковые подшипники с
консистентной смазкой. Другой смазки компрессор не требует из-за отсут-
ствия фрикционных пар, присущих поршневой машине. Благодаря высо-
кой рабочей частоте вращения вала (400 Гц), турбокомпрессор по массе и
габаритам выгодно отличается от компрессоров другого типа, что облегча-
ет сборку и ремонт кондиционера.
Питание кондиционера осуществляется от специально разработанного
и изготовленного московской фирмой ЗАО «ЭЛСИЭЛ» статического пре-
образователя ПТК-1, размещенного под вагоном. ПТК-1 имел на выходе
три канала: первый канал с управляемой частотой и напряжением по за-
кону у = Const обеспечивал питание двигателя компрессора, второй ка-
нал — питание двигателя вентилятора кондиционера, третий канал — пи-
тание двигателя приточного вентилятора. Электроснабжение ПТК-
1 осуществлялось от бортовой автономной системы вагона напряжением
ПО В постоянного тока.
Существенной особенностью кондиционера является возможность
плавного регулирования холодопроизводительности во всём диапазоне те-
пловых нагрузок за счёт изменения частоты вращения вала компрессора,
как показано на рис. 19.
Для управления тепловыми процессами вагона был разработан единый
блок управления (БАУ), позволяющий в автоматическом режиме обеспе-
Рис. 19. Зависимость холодопроизводительности от температуры наружно-
го воздуха и частоты питающего напряжения
7 — теоретическая характеристика [Q = А- (Г)3]; 2 — фактическая характеристика
[Q= /0)]; 3— зависимость Сот температуры наружного воздуха [С = К2 • (Тн - 19)3]
79
чивать заданную температуру воздуха внутри помещений в диапазоне из-
менения наружных температур воздуха от минус 50 °C до плюс 40 °C.
Алгоритм управления климатической установкой вагона, включающей
кондиционер и комбинированную систему отопления, был разработан, ис-
ходя из возможности плавного регулирования холодопроизводительности
и ступенчатого регулирования теплопроизводительности. При этом управ-
ление агрегатами климатической установки осуществлялось в зависимости
от температуры наружного воздуха и заданной температуры воздуха в по-
мещении вагона. Выбор режима работы климатической установки осуще-
ствлялся вручную с помощью переключателя режимов (ПР) на лицевой
панели пульта управления вагона. Предусмотрено два основных режима
работы климатической установки:
• режим кондиционирования, при котором могут работать либо кон-
диционер, либо электрокалорифер и электропечи (переходное ото-
пление) в зависимости от температуры наружного воздуха в интер-
вале от плюс 10 °C до плюс 40 °C;
• режим отопления, при котором могут работать электрокалорифер,
электропечи и комбинированная система с жидким теплоносителем
(две секции электронагревателей котла, водяной калорифер, отопи-
тельные трубы) в зависимости от температуры наружного воздуха в
интервале от минус 50 °C до плюс 10 °C.
На обоих режимах климатическая установка может работать как с авто-
матическим, так и с ручным (аварийным) управлением, при этом приточ-
ный вентилятор работает постоянно на номинальных оборотах. Подача
свежего воздуха в вагон регулируется автоматическими заслонками конди-
ционера в зависимости от температуры наружного воздуха. Предусмотрена
возможность изменения базисного значения температуры воздуха в поме-
щениях вагона на величину ±2 °C с шагом 1 °C, а также автоматический
подъём базисного значения заданной температуры при кондиционирова-
нии с использованием зависимости:
Т3 = 24 + 0,25(7;в - 19), °C.
Управление холодопроизводительностью кондиционера выполнялось
по разнице значений фактической и заданной температур воздуха в поме-
щении вагона с использованием зависимости
Т* — 71 — Т
л упр 1 ф Л 3-
Первоначально порог управления был выбран на уровне ДГ =
= ±0,5 °C, знак величины определял подъем или снижение холодопроиз-
водительности.
Управление теплопроизводительностью комбинированного котла
(включение групп высоковольтных ТЭН'ов) выполнялось по температуре
теплоносителя на выходе из котла с использованием зависимостей:
= 35 + 2,5(Г3 - 22) + 8(Г3 - Тф) - 1,5ГНВ;
Готкл = 55 + 2,5(Г3 - 22) + 8(Г3 - Гф) - 1,5ГНВ.
Управление работой электрокалориферов выполнялось по двум условиям:
80
1. По температуре приточного воздуха
1-ая секция: 7^ < 22 °C — условие включения;
Т^р > 27 °C — условие выключения.
2-ая секция: Гпр < 21 °C — условие включения;
Грр > 25 °C — условие выключения.
2. По температуре воздуха в помещении вагона
1-ая секция: Тф — Т3 < —0,5 °C — условие включения;
7°ф — Т3 > +1 °C — условие выключения.
2-ая секция: Тф — Т3 < — 1 °C — условие включения;
Тф — Т3 > +0,5 °C — условие выключения.
Управление двумя группами дополнительного отопления (печи по ку-
пе) выполнялось по значениям температуры воздуха в помещении с ис-
пользованием зависимостей:
Тф~ Т3 < —1,5 °C — условие включения;
Тф — Т3 > +0,5 °C — условие выключения.
Проведенный цикл испытаний пассажирских вагонов модели 61-4179 с
УКВ ПВ показал, что климатическая система обеспечивает требуемые па-
раметры микроклимата в помещениях вагона во все периоды года. Систе-
ма устойчиво работает на переменных режимах, связанных с изменением
внешних климатических факторов и скорости движения, с питанием от ге-
нератора и батареи по регламенту, обеспечивает режимы предварительного
обогрева или охлаждения вагона перед посадкой пассажиров. В работе
климатической системы проявился недостаток, связанный с довольно зна-
чительными колебаниями температуры приточного воздуха при регулиро-
вании, особенно при отоплении, с дискретным изменением мощности
отопительного котла и естественной циркуляцией теплоносителя. Мень-
шие по амплитуде колебания температуры приточного воздуха наблюдают-
ся и на режимах охлаждения. Несмотря на то, что компрессор кондицио-
нера обеспечивает возможность плавного регулирования холодопроизво-
дительности во всем диапазоне нагрузок от «0» до номинального значения,
принятая единая система автоматического управления по температуре воз-
духа в помещениях вагона (из-за дискретного двухступенчатого регулиро-
вания мощности котла), повлияла на колебательный характер температуры
приточного воздуха при охлаждении. Частичным решением устранения
колебаний температуры приточного воздуха при охлаждении является
функциональное разделение БАУ на управление кондиционером и котлом,
а радикальным средством — обеспечение плавности регулирования тепло-
производительности отопительных устройств и управление температурой
приточного воздуха.
Эксплуатация вагонов с УКВ ПВ с ТК показала, что климатическая
система работает вполне нормально и надёжно при условии выполнения
довольно сложного технического обслуживания турбокомпрессора, требую-
щего квалифицированного персонала. Выяснилось также, что несмотря на
принятые различные меры, стоимость турбокомпрессора при производстве
малых партий, оказалась существенно выше, чем импортных аналогов. Эти
два момента: повышенные эксплуатационные расходы и высокая стои-
мость турбокомпрессора, заставили специалистов ЗАО «ЛАНТЕП» приме-
нить в УКВ ПВ альтернативные компрессоры импортного производства,
поскольку подходящие аналоги отечественного производства отсутствуют.
81
5.2.1.2. Ковдиционеры со спиральными компрессорами
Анализ показал, что в зарубежных кондиционерах для рельсового под-
вижного состава применяются герметичные поршневые и ротационные
компрессоры, но большее предпочтение постепенно отдается последним.
Так немецкая фирма Хагенук выпускает транспортные кондиционеры с
винтовыми компрессорами из нижнего граничного диапазона их примени-
мости. Широким фронтом идёт разработка и выпуск спиральных компрес-
соров в транспортном исполнении в диапазоне мощностного ряда, позво-
ляющем использовать в кондиционере от одного до нескольких компрес-
соров. Спиральные компрессоры, отличающиеся наиболее высоким КПД,
низкой стоимостью и приемлемой надежностью, определяемых массовым
производством при использовании автоматизированной технологии пре-
цизионного изготовления и сборки в условиях реального спроса (до
5 миллионов штук в год), обусловили их выбор для модифицирования в
кондиционерах УКВ ПВ ЗАО «ЛАНТЕП».
Фирма разработала и изготовила несколько модификаций УКВ ПВ с
использованием импортных спиральных компрессоров типа ZR и SM в из-
начально принятых габаритах с присоединительными размерами, соответ-
ствующими базовой модели (рис. 20), позволяющими их установку на ти-
повые серийные вагоны ОАО «ТВЗ».
Основные параметры модифицированных кондиционеров типа УКВ
ПВ приведены в таблице 16.
82
Таблица 16. Основные параметры УКВ ПВ
Значения
Наименование параметров Исполне- ние 1, 2 Исполне- ние 3, 4 Исполнение 5, 6, 7
1. Конструктивное исполнение моноблок
2. Холодопроизводительность, кВт при следующих расчетных параметрах: — температура наружного воздуха, °C при относительной влажно- сти, % — температура наружного воздуха, °C при относительной влажно- сти, % — расход воздуха через испа- ритель, м3/ч, из них наружного, м3/ч — избыточное давление возду- ха на выходе из УКВ ПВ, Па 28 ± 3 % +40 30 +32 70 4ООО+800 от 0 до 1400 300 ± 30
3. Тип компрессора — максимальная частота враще- ния вала компрессора, об/мин турбоком- прессор 24000 спираль- ный 3600 спиральный 4200
4. Холодильный агент хладон С 318 или его аналоги хладон 22 или его аналоги хладон 22 или его аналоги
Масса хладона, необходимого на заправку УКВ ПВ, кг 16 ± 1 17 ± 1 16 ± 1
5. Мощность, потребляемая в номинальном режиме работы УКВ ПВ: — двигателем компрессора, кВт, не более — двигателем вентилятора конденсаторов, кВт, не более — двигателем вентилятора ис- парителей, кВт, не более 15,0 3,0 3,0 11,0 з,о 3,0 п,о 3,0 3,0
6. Род тока переменный
83
Продолжение табл. 16
Наименование параметров Значения
Исполне- ние 1, 2 Исполне- ние 3, 4 Исполнение 5, 6, 7
7. Напряжение питающей сети, В 380 ± 2 % 380 ± 2 % 220 ± 2 %
Коэффициент нелинейных ис- кажений, %, не более 10
8. Частота тока, Гц
— питания двигателя ком- прессора при работе от подва- гонного генератора при дви- жении вагона — питания двигателя ком- прессора при работе от акку- муляторной батареи во время стоянки 400 ± 1 % 280 ± 1 % 50 ± 1 % 40 ± 1 % 45+70 45 ± 1 %
— питания двигателя венти- лятора конденсаторов — питания двигателя венти- лятора испарителей 50 ± 1 % 50 ± 1 % 50 ± 1 % 25+50
9. Двигатели воздушных заслонок: — мощность, потребляемая в номинальном режиме, Вт 54 (2 х 27) 12 (2 х 6) 12 (2 х 6)
— род тока — напряжение сети, В постоянный 24 ± 5 %
10. Способ регулирования про- изводительности : Изменением частоты тока питания (f) при U/f = cost
— компрессора от 200 до 400 Гц 45 + 70 Гц 45 + 70 Гц
— вентилятора испарителей — — — Исп. 6, 7 25+50 Гц
— вентилятора конденсаторов — — — Исп. 7 45+70 Гц
11. Масса УКВ ПВ в заправлен- ном состоянии, кг 800
12. Общая теплопроизводитель- ность жидкостных калорифе- ров, кВт 20
84
Окончание табл. 16
Наименование параметров Значения
Исполне- ние 1, 2 Исполне- ние 3, 4 Исполнение 5, 6, 7
13. Электрокалориферы:
— общая теплопроизводитель- ность, кВт 6 (2 х 3) ± 12 %
— напряжение питания, В Исп. 1 ПО ± 5 % 127 ± 12 % Исп. 5 127 ± 12 %
Исп. 2 127 ± 12 % Исп. 6 127 ± 12 %
Исп. 7 3 фазы -220 + 5 %, 50 Гц
— род тока постоянный переменный
Питание и управление работой модифицированных УКВ ПВ осущест-
вляется от статических преобразователей и пультов управления с контрол-
лером, которые обеспечивают работу климатической установки в автома-
тическом и ручном (аварийном) режимах с выполнением функциональных
защит и ограничений, с выдачей на дисплей информации о параметрах
микроклимата в вагоне и рабочем состоянии УКВ.
Техническими условиями на модифицированные УКВ ПВ «ТУ 4862-
002—11644806—98» регламентированы следующие показатели надёжности:
• вероятность безотказной работы УКВ ПВ за год не менее 0,95;
• среднее время восстановления работоспособного состояния не бо-
лее одного часа;
• срок службы УКВ ПВ должен быть не менее 28 лет;
• средний ресурс УКВ ПВ до капитального ремонта должен быть не
менее 10 тыс. часов;
• гарантийный срок эксплуатации УКВ ПВ должен быть не менее двух
лет со дня ввода в эксплуатацию, но не более трёх лет со дня постав-
ки потребителю;
• гарантийный срок хранения — 1 год.
К критериям отказов относится также невыполнение требований по
регламентированным климатическим и механическим факторам эксплуа-
тации.
Опыт эксплуатации пассажирских вагонов, оборудованных образцами
модифицированных УКВ ПВ, свидетельствует о соответствии фактических
показателей надёжности и определённых в ТУ. Одновременно было отме-
чено существенное снижение объемов и квалификационного уровня рег-
ламентных работ по техническому обслуживанию спиральных компрессо-
85
ров и УКВ ПВ в целом. Вместе со снижением эксплуатационных расходов
более высокая надежность и низкая стоимость спиральных компрессоров
привели к повышению экономической эффективности модифицирован-
ных УКВ ПВ.
Вместе с тем опыт эксплуатации УКВ ПВ со спиральными компрессо-
рами подтвердил известный недостаток ротационных машин, связанный
с высоким уровнем ограничения рабочей частоты по нижнему пределу
(см. табл. 16), исключающим возможность плавного регулирования холо-
допроизводительности в диапазоне малых тепловых нагрузок от «О» до
3(k-45 %. Для ликвидации этого недостатка ЗАО «ЛАНТЕП» применило
известные способы байпасирования в цикле, а также разработало эффек-
тивное техническое решение (приведенное в п. 7.2), обеспечивающее
плавное регулирование холодопроизводительности во всем диапазоне те-
пловых нагрузок от «0» до номинального значения, внедрение которого
должно быть выполнено на стадиях доработки конструкций в соответст-
вии с плановыми мероприятиями по совершенствованию выпускаемых
кондиционеров. Известно также, что фирмы-производители работают
над проблемой расширения диапазона плавного регулирования холодо-
производительности спиральных компрессоров от «0» до номинального
значения. Несомненно, что все новые достижения будут применены в но-
вых УКВ ПВ ЗАО «ЛАНТЕП», серийное производство которых осущест-
вляется на специально созданном, современно оснащенном предприятии
«Транспортный кондиционер» («Транскон»), расположенном в городе
Тверь, являющимся партнером флагмана российского вагоностроения
ОАО «ТВЗ».
5.2.1.3. Кондиционер УКВ ПВ (Т) с теплонасосным режимом отопления
Со времён создания кондиционеров известно, что любой из них, рабо-
тающий по обратному циклу Карно, испарителем отнимает тепло от окру-
жающей среды, а на конденсаторе происходит сброс тепла в окружающую
среду. Если кондиционер работает в режиме охлаждения, то полезным бу-
дет тепло, передаваемое окружающей средой изолированного пространст-
ва испарителю с понижением её температуры. Если кондиционер работает
в режиме обогрева, то полезным будет тепло, предаваемое конденсатором
окружающей среде изолированного пространства с повышением её темпе-
ратуры. Кондиционер в режиме обогрева работает как тепловой насос, пе-
рекачивающий тепло от источника с низкой температурой к источнику с
более высокой температурой. Коэффициент преобразования теплового на-
соса представляет отношение теплоты Qh переданной источнику высокого
потенциала, к затраченной работе L:
Так как холодильный коэффициент равен отношению
Qi
£ ~j~ , ТО
86
Qt = Qt + Lh
соотношение между e и ф будет равно:
Ф = е + 1.
Следовательно, коэффициент преобразования теплового насоса должен
быть больше 1. Отсюда очевидно преимущество теплонасосного обогрева
по сравнению с прямым преобразованием электрической энергии в тепло-
вую, эффективность которого не может быть больше 1. Естественно, что
эффективность теплонасосного обогрева зависит от внешних и внутренних
условий эксплуатации (температурных потенциалов сред), а также от со-
вершенства кондиционера по степени приближения реального цикла к
идеальному обратному циклу Карно. В странах, где широко используются
бытовые кондиционеры с теплонасосным режимом (США, Япония и мно-
гие другие), величина коэффициента преобразования может быть на уров-
не ф > 3, тем самым обеспечивая значительную экономию энергии на ото-
пление.
В условиях России для климатических установок пассажирских ваго-
нов основным режимом по продолжительности и энергопотреблению яв-
ляется режим отопления. Средняя наработка кондиционеров в режиме
охлаждения не превышает 630 часов в год. В связи с тем, что все новые
пассажирские вагоны теперь выпускаются с кондиционерами, было бы
целесообразным использовать их круглогодично, предусмотрев теплона-
сосный режим отопления.
В 80-х годах во ВНИИЖ'те был проведен цикл работ по прямому ре-
версированию кондиционера МАБ-2 [23, 24] для обогрева и охлаждения
пассажирского вагона, показавших возможность и эффективность работы
УКВ в теплонасосном режиме и позволивших определить круг практиче-
ских вопросов для решения поставленной задачи.
Результаты испытаний реверсивного МАБ-2 [25] показали, что величи-
на эффективного коэффициента преобразования снижается от 2,15 при
гн = +2 °C до 1,56 при /н = —10 °C, а экономия энергии снижается соответ-
ственно с 54 % до 36 % и стремится к нулю при /н = —18 -г-—20 °C. Столь
значительное снижение эффективности работы реверсированного конди-
ционера МАБ-2 при понижении температуры наружного воздуха является
следствием того, что он не предназначен для работы в теплонасосном ре-
жиме. Например, правильное для режима охлаждения соотношение по-
верхностей теплообмена конденсатора и испарителя (1,85/1) не оптимально
для режима TH, так как при этом меньший по поверхности теплообмена ап-
парат несёт большую тепловую нагрузку. Это же относится и к производи-
тельности вентиляторов конденсатора и испарителя (3,2/1) при охлаждении.
При температуре наружного воздуха /н = —15 °C температура испарения
хладагента в режиме TH составит /„ = —25 °C, а необходимая температура
конденсации /к = +40 °C, следовательно, в этом режиме степень сжатия
поршневого компрессора МАБ-2 должна быть на уровне Пк = 10,5, тогда
как в режиме охлаждения Пк = 3 -*• 3,7. Столь высокая степень сжатия
поршневого компрессора приводит к снижению его объемного КПД (ко-
эффициента подачи) до величины X = 0,4 при одновременном, столь же
87
значительном снижении его индикаторного КПД, что сильно сказывается
на общей эффективности работы кондиционера.
Основные выводы выполненной во ВНИИЖТ'е работы были исполь-
зованы ЗАО «ЛАНТЕП» при создании кондиционера моноблочной конст-
рукции с теплонасосным режимом.
1. Теплонасосный режим отопления должен стать основным проект-
ным режимом УКВ ПВ (Т). Параметры компрессора, вентиляторов и теп-
лообменных аппаратов должны определяться их работой в этом режиме.
Режим охлаждения (летний) должен стать для УКВ дополнительным.
2. При выборе типа компрессора одними из основных параметров
должны быть максимально высокие объёмные и индикаторные КПД, сла-
бо меняющиеся при повышении степени сжатия.
3. Производительность приточного вентилятора должна быть увеличена
до 5500...6000 м3/ч.
4. Поверхность теплообменника подготовки приточного воздуха долж-
на быть увеличена в 1,5 + 2 раза.
5. Для повышения эффективности УКВ в теплонасосном режиме необ-
ходимо учесть неизотермический и низкотемпературный характер переда-
чи тепла на нагрев наружного (свежего) воздуха.
6. В качестве теплоносителя должен быть применён экологически чис-
тый хладон с более низкой температурой кипения, чем хладон R12.
Особое внимание при создании кондиционера с TH режимом должно быть
уделено выбору компрессора (ов). Из всех типов выпускаемых в настоящее
время компрессоров наиболее подходящим для УКВ с TH является спираль-
ный компрессор, относящийся к разряду ротационных объёмных машин.
Основные преимущества спиральных компрессоров состоят в сле-
дующем:
• высокие надежность и срок службы;
• устойчивость к перегрузкам;
• крайне низкий уровень шума;
• крайне малая вибрация;
• высокий коэффициент подачи;
• высокая энергетическая эффективность;
• стабильность работы при попадании в зону сжатия механических
примесей или жидкого хладагента;
• малый пусковой момент;
• компактность и малая масса;
• возможность работы при низких температурах.
Спиральные компрессоры в больших масштабах серийно выпускаются
рядом зарубежных фирм и широко используются в холодильной технике,
кондиционерах, как правило, с теплонасосным режимом. В России произ-
водство спиральных компрессоров осваивается на заводе «Точмаш».
В соответствии с принятыми параметрами работы УКВ ПВ (Т) в режи-
ме теплового насоса (/н = —15 °C, /о = —23,5 °C, /к — +40 °C), был выбран
спиральный компрессор подходящей модели (табл. 17). По энергетической
эффективности и массогабаритным показателям оптимальным оказался
«тандем» из двух компрессоров ZR81 КС-ТЕД, основные параметры кото-
рого (холодопроизводительность, потребляемая мощность, тепловая на-
грузка конденсатора, холодильный коэффициент) в зависимости от темпе-
88
Таблица 17. Типы компрессоров, показатели
Компрессор Холодопро- изводитель- ность Потребляе- мая мощ- ность Холодиль- ный коэф- фициент Теплоотдача в конденса- торе
ZR18K4-PFJ 1,39 1,06 1,32 2,25
ZR22K3-PFJ 1,64 1,33 1,23 2,73
ZR22K3-TFD 1,70 1,29 1,32 2,74
ZR28K3-PFJ 2,15 1,61 1,34 3,45
ZR34K3-PFJ 2,25 1,92 1,17 3,83
ZR28K3-TFD 2,34 1,61 1,46 3,62
ZR49KC-TFD 2,71 2,61 1,04 4,90
ZR34K3-TFD 2,79 1,90 1,47 4,30
ZR40K3-PFJ 3,28 2,27 1,45 5,09
ZR40K3-TFD 3,32 2,23 1,49 5,08
ZR48K3-TFD 3,79 2,84 1,34 6,08
ZR48K3-PFJ 3,96 2,78 1,43 6,18
ZR61KC-TFD 4,57 2,96 1,54 6,89
ZR72KC-TFD 6,02 3,91 1,54 9,08
ZR90K3-TWD 6,47 4,75 1,36 10,28
ZR81KC-TFD 6,79 4,05 1,67 9,91
ZR11M3-TWD 8,43 5,70 1,48 12,94
ZR12M3-TWD 9,77 6,54 1,49 14,94
ZR16M3-TWD 11,63 7,98 1,46 17,96
ZR19M3-TWD 15,46 9,86 1,57 23,17
ратур кипения и конденсации представлены в таблицах 18—21, а также на
рис. 21 и 22 (при перегреве на всасе 5,0 К, переохлаждении 14,0 К, частоте
вращения вала компрессора/= 50 Гц).
На рис. 23 приведена принципиальная схема, а в табл. 22 даны основ-
ные параметры разработанного кондиционера УКВ ПВ (Т) с теплонасос-
ным режимом
В состав кондиционера (рис. 23) входят:
• хладоновые компрессора К| и К2;
• вентилятор приточного воздуха В,;
89
Таблица 18. Холодопроизводительность компрессора ZR81KC-TFD
Темпера- тура кон- денса- ции, °C Холодопроизводительность, кВт
-23,5 -20,0 Температура кипения, °C 10,0 12,5
-15,0 -10,0 -5,0 0,0 5,0
27,0 7,67 9,08 11,43 14,15 17,18 20,49 24,03 27,75 29,67
30,0 7,44 8,80 11,12 13,81 16,83 20,14 23,71 27,48 29,43
32,0 7,25 8,57 10,84 13,50 16,51 19,82 23,40 27,19 29,16
35,0 7,08 8,35 10,56 13,18 16,16 19,47 23,05 26,87 28,85
37,5 6,93 8,14 10,28 12,86 15,80 19,09 22,67 26,50 28,49
40,0 42,5 45,0 R22 47,5 50,0 52,5 55,0 57,5 60,0 62,5 65,0 6,79 7,93 7,74 10,00 9,73 9,45 9,18 12,52 12,18 11,82 11,47 11,11 10,75 10,39 15,43 15,04 14,62 14,20 13,77 13,33 12,87 12,42 11,96 18,69 18,26 17,81 17,34 16,85 16,34 15,81 15,28 14,73 14,16 13,60 22,26 21,82 21,33 20,83 20,30 19,74 19,15 18,55 17,93 17,29 16,63 26,09 25,65 25,16 24,63 24,08 23,49 22,86 22,21 21,54 20,83 20,11 28,09 27,66 27,17 26,64 26,08 25,48 24,83 24,17 23,48 22,75 21,99
Таблица 19. Потребляемая мощность компрессора ZR81KC-TFD
Темпера- тура кон- денса- ции, °C Потребляемая мощность, кВт
Температура кипения, °C
-23,5 -20,0 -15,0 -10,0 -5,0 0,0 5,0 10,0 12,5
R22 27,0 30,0 32,0 35,0 37,5 40,0 42,5 45,0 47,5 50,0 52,5 55,0 57,5 60,0 62,5 65,0 3,07 3,27 3,45 3,64 3,84 4,05 3,10 3,31 3,49 3,68 3,88 4,09 4,32 3,14 3,35 3,53 3,73 3,93 4,14 4,37 4,61 4,86 3,18 3,39 3,57 3,77 3,97 4,18 4,41 4,65 4,90 5,17 5,46 5,76 3,22 3,43 3,61 3,81 4,01 4,22 4,45 4,69 4,94 5,21 5,50 5,80 6,12 6,45 3,27 3,48 3,66 3,85 4,05 4,27 4,49 4,73 4,98 5,25 5,54 5,84 6,15 6,49 6,85 7,22 3,34 3,54 3,72 3,91 4,11 4,32 4,54 4,78 5,03 5,30 5,58 5,88 6,19 6,53 6,88 7,26 3,42 3,62 3,80 3,98 4,18 4,39 4,61 4,84 5,09 5,35 5,63 5,93 6,24 6,57 6,93 7,30 3,47 3,67 3,84 4,03 4,22 4,43 4,64 4,88 5,12 5,38 5,66 5,96 6,27 6,60 6,95 7,32
90
Таблица 20. Холодильный коэффициент компрессора ZR81KC-TFD
Температу- ра конден- сации, °C Холодильный коэффициент
Температура кипения, °C
-23,5 -20,0 -15,0 -10,0 -5,0 0,0 5,0 10,0 12,5
R22 27,0 30,0 32,0 35,0 37,5 40,0 42,5 45,0 47,5 50,0 52,5 55,0 57,5 60,0 62,5 65,0 2,50 2,27 2,10 1,94 1,80 1,67 2,93 2,66 2,46 2,27 2,10 1,94 1,79 3,64 3,32 3,07 2,84 2,62 2,42 2,23 2,05 1,89 4,45 4,07 3,78 3,50 3,24 2,99 2,76 2,54 2,34 2,15 1,97 1,80 5,33 4,91 4,57 4,25 3,94 3,65 3,38 3,12 2,87 2,64 2,42 2,22 2,03 1,85 6,26 5,79 5,41 5,05 4,71 4,38 4,07 3,76 3,48 3,21 2,95 2,71 2,48 2,27 2,07 1,88 7,20 6,70 6,29 5,90 5,52 5,15 4,80 4,46 4,14 3,83 3,54 3,26 3,00 2,75 2,51 2,29 8,11 7,59 7,16 6,75 6,34 5,95 5,57 5,20 4,84 4,50 4,17 3,86 3,56 3,28 3,01 2,75 8,55 8,02 7,59 7,17 6,75 6,35 5,96 5,57 5,20 4,84 4,50 4,17 3,86 3,56 3,27 3,00
Таблица 21. Теплоотдача в конденсаторе компрессора ZR81KC-TFD
Температу- Теплоотдача в конденсаторе, кВт
ра кондеи- Температура кипения, ° С
сации, С -23,5 -20,0 -15,0 -10,0 -5,0 0,0 5,0 10,0 12,5
27,0 9,86 11,18 13,37 15,88 18,69 21,77 25,08 28,58 30,38
30,0 9,83 11,10 13,24 15,73 18,53 21,60 24,92 28,45 30,27
32,0 9,82 11,05 13,15 15,60 18,37 21,44 24,76 28,30 30,14
35,0 9,82 11,01 13,05 15,46 18,21 21,26 24,57 28,12 29,97
37,5 9,85 10,99 12,97 15,33 18,04 21,06 24,36 27,91 29,76
40,0 9,91 10,98 12,89 15,19 17,86 20,85 24,13 27,67 29,52
42,5 11,00 12,82 15,06 17,68 20,62 23,88 27,40 29,26
R22 45,0 12,77 14,94 17,49 20,39 23,61 27,12 28,96
47,5 12,74 14,83 17,31 20,16 23,33 26,81 28,64
50,0 14,73 17,13 19,92 23,04 26,48 28,30
52,5 14,64 16,96 19,68 22,75 26,14 27,95
55,0 14,57 16,80 19,44 22,44 25,78 27,57
57,5 16,65 19,20 22,14 25,42 27,18
60,0 16,52 18,97 21,83 25,04 26,78
62,5 18,75 21,52 24,66 26,37
65,0 18,54 21.22 24,28 25,95
91
• вентилятор продувочного воздуха В2;
• воздушные заслонки наружного воздуха ВЗЛ, ВЗП;
• соленоидлные вентили цикла СВ1, СВ2, СВЗ, СВ4, СВ5;
• теплообменники наружного воздуха ТНВ-1, ТНВ-2;
• блок подготовки воздуха БПВ-1, БПВ-2;
• электронагреватели поддонов Hl, Н2;
Рис. 21. Холодопроизводительность компрессора ZR81KC —
Рис. 22. Холодильный коэффициент компрессора ZR81KC — TFD
IIIIIIMI ° IIIIIHII
92
ВОЗДУХ В АТМОСФЕРУ
БПВ
ПРИТОЧНЫЙ ВОЗДУХ
Рис. 23. Принципи-
альная схема конди-
ционера с теплона-
сосным режимом
<— РЕЖИМ ТЕПЛОВОГО НАСОСА
—► РЕЖИМ КОНДИЦИОНЕРА
• электронагреватели дренажных труб и ТРВ НЗ и Н4;
• электронагреватели картеров компрессоров Н5 и Н6;
• электрокалориферы ЭК1, ЭК2;
• воздушные фильтры.
УКВ ПВ (Т) должна обеспечивать требуемые параметры микроклимата
внутри пассажирского вагона в интервалах температур наружного воздуха:
• от +20 "С до +40 ’С — в режиме охлаждения;
• от +18 °C до +20 °C — в режиме вентиляции;
• от —15 °C до +18 °C — в теплонасосном режиме отопления
и переход при температурах ниже —15 °C на режим жидкостного отопления.
Для электроснабжения УКВ ПВ (Т) фирма ЗАО «ЭЛСИЭЛ» разработа-
ла статический четырёхканальный преобразователь ПТК-2М2, первый и
второй каналы которого предназначены для раздельного питания компрес-
соров К( и К2; третий — для питания двигателя вентилятора БПВ; четвер-
тый — для питания двигателя вентилятора ТНВ.
Для УКВ ПВ (Т) был разработан новый блок автоматического управле-
ния тепловыми процессами (БУК) и новый алгоритм, отличительная осо-
бенность которых по сравнению с серийной продукцией состоит в управ-
лении реверсом кондиционера (переход с режима охлаждения на теплона-
сосный режим) и автоматическом выполнении оттайки БПВ. Организация
выполнения режима оттайки БПВ явилась одним из важных моментов в
создании УКВ с теплонасосным режимом и потребовала дополнительных
исследований на стадии испытаний опытной установки в составе вагона.
93
Таблица 22. Параметры УКВ П В (Т)
Наименование параметров Значения
I 2
1. Конструктивное исполнение Реверсивная моноблочная уста- новка кондиционирования воз- духа пассажирских вагонов с воздушным охлаждением ТНВ
2. Холодопроизводительность по блоку подготовки воздуха, не менее, кВт При следующих расчетных параметрах: — температура наружного воздуха, °C — относительная влажность, % — температура наружного воздуха, °C — относительная влажность, % 28 +40 30 +32 70
3. Теплопроизводительность — в режиме теплового насоса, не ме- нее, кВт — в интервале температур, °C 25 -15 ++15
4. Параметры воздуха: — расход воздуха через БПВ, м3/ч из них наружного, м3/ч — в режиме охлаждения, не менее — в режиме отопления — избыточное давление воздуха на выходе из УКВ ПВ (Т), не менее, Па 4500 + 500 1300 650 300
5. Обозначение компрессора Z
6. Холодильный агент — масса хладона необходимого на за- правку УКВ ПВ (Т), кг — масса заправляемого в компрессор- ный агрегат масла, кг R22 или его аналоги 16 3,4
7. Мощность, потребляемая в номи- нальном режиме работы УКВ ПВ (Т) — двигателем компрессора, кВт — в режиме охлаждения, не более — в режиме теплонасосного ото- пления, не более — двигателем вентилятора TH В, не более, кВт — двигателем вентилятора БПВ, не более, кВт 15 12 2,2 2
94
Продолжение табл. 22
1 2
8. Род тока переменный
9. Номинальное напряжение питаю- щей сети, В — компрессора (возможны два вари- анта питания двигателя компрессора и двигателей вентиляторов от источ- ника переменного трехфазного тока напряжением) — вентиляторов а) 300+490 (±5 %) б) I55+-248 (±5 %) а) -380 + 5 % б) -220 ± 5 %
Коэффициент нелинейных искажений, не более 8 %
10. Номинальная частота тока, Гц: — питание двигателя компрессора — питание двигателей вентиляторов ТНВ и БПВ 40+65 (+1 %) 50 + 1 %
11. Способ регулирования производи- тельности компрессора Изменением частоты тока пи- тания (/) от 40 до 65 Гц при (///= const
12. Двигатели воздушных заслонок: — мощность, потребляемая в номи- нальном режиме, Вт — род тока — напряжение сети, В 27 постоянный 27 ± 5 %
13. Электронагреватели поддонов 2 х 1,5 кВт - НО В
14. Подогреватели масла 2 х 0,15 кВт -220 В 50 Гц
15. Соленоидные клапаны 2 х 0,2 кВт -220 В 50 ± 1 %Гц
16. Общая теплопроизводительность водяных калориферов, кВт 20
При температуре воды на входе, °C +90 + +95
17. Масса УКВ ПВ (Т), не более, кг 800 ± 10 %
При работе кондиционера в режиме теплового насоса происходит охла-
ждение наружного воздуха, и теплообменные поверхности БПВ начинают
постепенно зарастать «шубой» — результат процессов конденсации и фа-
зового перехода влаги воздуха в твердое состояние. Скорость «зарастания»
95
зависит от температурного режима БПВ, влажности продувочного воздуха
и оказывается наибольшей вблизи О °C при 100 % влажности, что вполне
объяснимо. При снижении температуры воздуха резко падает абсолютное
содержание влаги в нем, а при положительных температурах происходит
только конденсация влаги без фазового перехода. Образование «шубы» на
поверхностях БПВ снижает теплопередачу, ухудшая тепловые характери-
стики кондиционера, и в пределе может привести к механическим повре-
ждениям.
Известен ряд способов индикации начала и окончания процесса оттай-
ки, например, по перепаду давления продувочного воздуха на БПВ по раз-
ности температур между наружным воздухом и кипящим хладоном и т. п.
В эксплуатации, когда вагон стоит или находится в движении, харак-
терным и непредсказуемым является изменение параметров окружаю-
щей среды, и, как следствие, изменение режимов и параметров работы
УКВ, поэтому для режима оттайки в алгоритме управления был выбран
временной фактор наработки УКВ с дополнительными разрешающими и
ограничительными условиями, регламентирующими процесс. Режим от-
тайки УКВ ПВ (Т) выполняется через 6 часов работы в теплонасосном
режиме, путем ее реверсирования с принятием дополнительных мер по
стабилизации сбора, удаления воды и сохранения параметров микрокли-
мата в вагоне.
ЗАО «ЛАНТЕП» изготовил два экземпляра УКВ ПВ (Т), которые про-
шли заводские, стендовые испытания. Один из них был установлен на ва-
гон модели 61-4179 Э производства ОАО «ТВЗ», прошел необходимый
комплекс испытаний в составе вагона на экспериментальном кольце
ВНИИЖТ, в поездных условиях в летний и зимний периоды года.
Испытания показали стабильность и надежность работы теплотехниче-
ского оборудования УКВ ПВ (Т) как в летнее, так и в зимнее время с обес-
печением поддержания требуемых санитарно-гигиенических параметров
воздуха в вагоне в интервале наружных температур до минус 15 °C в зимнее
время, а в летнее — до плюс 40 °C. В зимних режимах средний удельный
расход энергии УКВ составил 0,5 кВт на 1,0 кВт выработанного тепла на
отопление (эквивалент фактического коэффициента преобразования). Хо-
лодопроизводительность УКВ и холодильный коэффициент определены
на уровне = +32,0 кВт и е = 2,5 на расчётном режиме при температуре
наружного воздуха t = 32 °C и относительной влажности 70 %.
После завершения программы испытаний, вагон № 062 12450 с УКВ
ПВ (Т) приписки ЛВЧД-15 ст. Волгоград с сентября 2002 года по настоя-
щее время находится в эксплуатации в составе поезда Волгоград—Моск-
ва—Волгоград. Эксплуатация вагона, работа УКВ ПВ (Т) находится под
наблюдением специалистов Депо, ОАО «ТВЗ» и ЗАО «ЛАНТЕП».
Как показывает эксплуатация УКВ ПВ (Т) вагона работает круглого-
дично, в зимний период обогрев вагона осуществляется кондиционером
в теплонасосном режиме, практически без использования жидкостного
отопления. Отказов в работе УКВ ПВ (Т) не было.
В соответствии с ГОСТ 16350—80 и строительными нормами более
70 % времени эксплуатации вагонов приходится на период с температур-
ным интервалом наружного воздуха от +10 °C до —15 °C, т. е. в рабочем
диапазоне УКВ ПВ (Т). Поэтому полигоном эксплуатации вагонов с УКВ
96
ПВ (Т) с теплонасосным режимом могут быть различные зоны с умерен-
ным или умеренно-теплым климатом.
Годовой расход энергии на отопление пассажирских вагонов с различ-
ными системами отопления для полигона эксплуатации (с умеренным
климатом) С.-Петербург—Москва—С.-Петербург приведен в табл. 23.
На состав из 15 вагонов годовой экономический эффект на отопление
составит: для вагонов с автономным электроснабжением — 128700 рублей,
а для вагонов с централизованным электроснабжением — 174300 рублей.
Основные недостатки, выявленные при эксплуатации климатической
системы вагона с УКВ ПВ (Т), связаны с конструктивными недоработка-
ми. Так в зимний период в туалетах температура воздуха ниже нормы
вследствие того, что в них не предусмотрена подача вентиляционного воз-
духа; определенный дискомфорт в купе проявляется за счет верхней разда-
чи подогретого воздуха; неравномерность температур во времени происхо-
дит вследствие принятого алгоритма управления по заданной величине
температуры воздуха в купе, а также из-за того, что при малых тепловых
нагрузках обогрев воздуха осуществляется периодическим включением
компрессора УКВ ПВ (Т).
Если подачу воздуха в помещения туалетов легко осуществить, то ре-
шение вопроса о возможности плавного регулирования теплопроизводи-
тельности, равно как и холодопроизводительности УКВ в диапазоне от ну-
ля до номинальных значений является более сложным, но вполне выпол-
нимым (см. п. 7.2).
Анализ располагаемых данных показывает, что оптимальным является
применение теплонасосного режима, до температур наружного воздуха
минус 20 °C. Расширение рабочего диапазона до температур наружного
воздуха минус 40 °C связано со значительным усложнением конструкции
УКВ, с использованием многоступенчатого сжатия, применением хладо-
новых смесей с различной температурой кипения с автоматическим пере-
ходом на нужный компонент и т. д. Это увеличит стоимость УКВ, понизит
надежность и значительно усложнит эксплуатацию.
Наиболее предпочтительным является использование УКВ ПВ (Т) на
данный момент в вагонах с воздушным отоплением, с двухканальной раз-
дачей воздуха и использованием компактных высоковольтных электрока-
лориферов для покрытия пиковых нагрузок.
Таблица 23. Потребление энергии на отопление
Системы отопления Расход энер- гии, кВт’ч Стои- мость*, руб. Экономия, руб.
Серийная система 3,0 кВ 36 600 22 800 —
УКВ ПВ (Т) с автономной сис- темой электроснабжения 22 570 14 220 8 580
УКВ ПВ (Т) с системой центра- лизованного электроснабжения 18 000 11 180 11 620
* — Стоимость электроэнергии по ценам конца 2002 г.
97
Эффективным будет использование УКВ ПВ (Т) в пассажирских ва-
гонах новой конструкции (см. п. 7.2.3), когда в качестве теплоотдающей
поверхности будет использована расположенная изнутри силовая обши-
ва. Такая система будет более эффективной по сравнению с существую-
щей жидкостной системой отопления по эксергетическим показателям и
по коэффициенту преобразования УКВ, вследствие снижения верхнего
температурного предела цикла.
5.2.2. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ КОНДИЦИОНЕРЫ ОТЕЧЕСТВЕННОГО
ПРОИЗВОДСТВА
К созданию и производству кондиционеров для пассажирского под-
вижного состава железнодорожного транспорта проявили интерес многие
известные отечественные производители климатической техники, среди
которых ОАО «Сибкриотехника», Домодедовский машиностроительный
завод «Кондиционер» (АО «ДоКоН»), ИЭМЗ «Купол», ООО «Балтийские
системы кондиционирования» (ООО «БСК»), ОАО завод «Теплообмен-
ник», ЗАО «Остров» (Московская область) и др. Естественный интерес
предприятий, связанный с расширением номенклатуры изделий, подогре-
вался позицией Заказчика (МПС РФ) и вагоностроителей (ОАО «ТВЗ»), ра-
зумно считавшими необходимым иметь несколько поставщиков продук-
ции на конкурсной основе с целью достижения лучших показателей изде-
лий по качеству, цене, своевременности поставок.
5.2.2.1. Кондиционеры ЗАО «Остров»
Вслед за ЗАО «ЛАНТЕП» фирма «нового типа», ЗАО «Остров», специа-
лизирующаяся на выпуске холодильной техники различного назначения
на базе импортных комплектующих, завершила в конце 1999 года разра-
ботку кондиционера УКВ-31-ТП для пассажирских вагонов локомотивной
тяги. Серийное внедрение УКВ-31-ТП началось с 2000 года на пассажир-
ские купейные (мод. 61-4179) и скоростные вагоны (мод. 61-4170) произ-
водства ОАО «ТВЗ», а также вагоны модели 9510 разработки ПКБВ «Ма-
гистраль». Кондиционер УКВ-31-ТП выполнен в виде моноблочной кон-
струкции с типовыми монтажными и присоединительными размерами,
предназначен для установки в надтамбурном пространстве котлового кон-
ца вагона по типовой схеме.
Моноблочный кондиционер совместно с традиционными климатиче-
скими системами вагона (комбинированным высоковольтным отоплением,
вентиляцией) предназначен для обеспечения требуемых параметров микро-
климата в помещениях вагона в интервале наружных температур от минус
40 °C до плюс 40 °C в автоматическом и ручном (аварийном) режимах. В со-
став УКВ входят блок автоматического управления, низковольтные устрой-
ства защиты и регулирования, размещенные в пульте управления вагона.
В моноблоке размещено основное оборудование, включающее: герме-
тичный компрессор; кондиционер, состоящий из двух теплообменников и
продувочного вентилятора; блок подачи вентиляционного воздуха, состоя-
щий из центробежного вентилятора, фильтров очистки воздуха и регули-
руемых заслонок подачи наружного воздуха; блок обработки приточного
воздуха, состоящий из двух секций испарителей, двух секций электрокало-
98
риферов (низковольтное отопление), двух секций водяных калориферов;
элементы арматуры и линейной холодильной автоматики.
В кондиционере применен винтовой компрессор, производительность
которого плавно регулируется частотой вращения вала электродвигателя в
диапазоне от 30 Гц до 65 Гц, а также периодическим включением и вы-
ключением компрессора в диапазоне малых тепловых нагрузок. Регулиро-
вание частоты питающего напряжения электродвигателя компрессора осу-
ществляется от статического преобразователя через цифровой выход БАУ.
Электродвигатель вентилятора конденсатора имеет постоянную частоту
вращения, однако на малых тепловых нагрузках он периодически может
отключаться посредством реле давления.
Электродвигатель приточного вентилятора также имеет постоянную
частоту вращения, но в кондиционере предусмотрено автоматическое от-
ключение одной из секций испарителя при малых тепловых нагрузках.
Заслонки подачи наружного воздуха с электроприводом имеют четыре
положения и регулируют подачу свежего воздуха в вагон в зависимости от
температуры наружного воздуха в соответствии с действующими нормами.
Электрокалорифер и низковольтные печи, распределенные по купе,
осуществляют необходимый подогрев приточного воздуха и воздуха в купе
в диапазоне наружной температуры от плюс 12 °C до плюс 18 °C. При тем-
пературах наружного воздуха ниже плюс 12 °C электрокалорифер и низко-
вольтные печи работают совместно с высоковольтным отоплением в соот-
ветствии с принятым алгоритмом управления. Необходимая тепловая про-
изводительность низковольтного отопления обеспечивается путем
периодического включения и выключения приборов и управляется БАУ.
УКВ-31-ТП может работать в следующих режимах:
• вентиляция;
• предварительное охлаждение;
• охлаждение;
• отопление.
Режим работы выбирается вручную оператором путем установки мно-
гопозиционного переключателя режима (ПР) в необходимое положение.
При отказе БАУ возможно включение приточного вентилятора, кондицио-
нера, низковольтного и высоковольтного отопления вручную (операто-
ром), при этом сохраняются все функции защиты, но утрачиваются функ-
ции автоматического регулирования тепловыми режимами.
Основной функцией системы автоматического управления УКВ-31-ТП
является поддержание в помещениях вагона заданной температуры воздуха
(Гзад), которая зависит от наружной температуры воздуха (Гнв) и для режи-
мов кондиционирования определяется по формуле:
Тзт = 24 + 0,19(Гнв - 19).
При этом выходным управляющим сигналом БАУ является разница ме-
жду заданной и фактическими температурами воздуха в помещениях вагона:
т = т — т
* упр л к л зад°
По величине Тупр, значения которой могут быть от —2,0 °C до +1 °C,
регламентирована частота вращения компрессора и соответственно холо-
допроизводительность УКВ.
99
Управление низковольтным отоплением выполняется по температурам
воздуха в купе Тк и температурам приточного воздуха (Тпр).
Управление электрокалориферами по температуре приточного воздуха:
1-ая секция: Тпр < 22 °C — условие включения;
7j,p > 27 °C — условие выключения.
2-ая секция: Тпр < 21 °C — условие включения;
Тпр > 25 °C — условие выключения.
Управление электрокалориферами по температуре воздуха в купе:
1-ая секция: Тк — Тзза < —0,5 °C — условие включения;
7°к — Тззд > +1 °C — условие выключения.
2-ая секция: Тк — < — 1 °C — условие включения;
7^ — Тзяд > +0,5 °C — условие выключения.
Управление электропечами в купе
Т* ~ Ткщ < —1>5 °C — условие включения;
7К - Тзяа > +0,5 °C — условие выключения.
Управление высоковольтным отоплением выполняется по температу-
рам теплоносителя (7) на выходе из отопительного котла, связанным с
температурами наружного воздуха (Тнв), заданной температурой (Тзад) и
температурой воздуха в купе (Тк) по следующим эмпирическим зависимо-
стям, определяющих включение и выключение котла:
7’- = 35 + 2,5(7'зад - 22) + 8(ТЗЗД - Тк) - 1,5Т„В,
Гвь,кл = 35 + 2>5(Гзэд - 22) + 8(7;ад - Тк) - 1,57;в.
В БАУ предусмотрена возможность изменения с пульта управления ва-
гона базисного значения температуры воздуха Тззд на величину ±2 °C с ша-
гом в 1 °C.
Комплекс проведенных испытаний подтвердил заявленные в ТУ техни-
ческие параметры кондиционера типа УКВ-31-ТП. Он обладает необходи-
мой холодопроизводительностью = 28,0 кВт и совместно с климатиче-
скими системами вагона обеспечивает требуемые параметры микроклима-
та в помещениях вагона во все периоды года.
S.2.2.2. Парокомпрессионные кондиционеры других отечественных фирм
В разработку и производство кондиционеров д ля пассажирских вагонов
вскоре подключились известные в стране профильные фирмы. Расчет
фирм состоял в завоевании рынка путем создания и производства более
эффективных изделий на основе использования собственного опыта и пе-
редовых концепций. Такой подход устраивал вагоностроителей и способ-
ствовал прогрессу в создании наиболее современного кондиционера. Рабо-
та последователей облегчалась заимствованием опыта создания кондицио-
неров ЗАО «ЛАНТЕП» и ЗАО «Остров», а также уже имевшимся опытом
эксплуатации пассажирских вагонов, оборудованных кондиционерами
этих фирм. Все вновь создаваемые кондиционеры представляли собой мо-
ноблочную конструкцию с унификацией, позволяющей вагоностроителям
без проблем использовать любую из них.
Первые опытные образцы кондиционеров ООО «БСК» и ИЭМЗ «Ку-
пол» не носили принципиального отличия от прототипов. Но теоретиче-
100
ские проработки и научное предвидение свойств, которыми должны обла-
дать перспективные вагонные кондиционеры, позволили ООО «БСК» соз-
дать базовую модель с использованием промежуточного теплоносителя, так
называемый чиллер, осуществляющий распределённую раздачу тепла или
холода через купейные фанкойлы. Преимущества системы состоят в воз-
можности индивидуального регулирования температуры воздуха в купе (по
желанию пассажиров) и ликвидации централизованной рециркуляции воз-
духа, являющейся разносчиком вредных запахов и бактерий по всему вагону.
Образец созданного кондиционера на данный период проходит заводские
наладочные испытания в составе опытного вагона.
ОАО «ДоКоН» разработало и изготовило образцы моноблочных конди-
ционеров с использованием двух компрессоров спирального типа, образую-
щих два независимых параллельно работающих холодильных контура. Пре-
имущество такой схемы заключается в повышении надежности кондиционера,
снижении нижнего предела по плавности регулирования холодопроизводи-
тельности. Кондиционер прошел заводские испытания и установлен на вагон
открытого типа для проведения эксплуатационных испытаний.
Апологетом создания кондиционеров полностью отечественного про-
изводства является коллектив известной фирмы ОАО «Сибкриотехника».
Фирмой были разработаны и изготовлены опытные образцы кондиционе-
ров по техническому заданию ОАО «ТВЗ» с использованием отечествен-
ных агрегатов, теплообменной аппаратуры и арматуры [26]. Последние об-
разцы кондиционеров спроектированы под использование российского го-
ризонтального спирального компрессора, специально разработанного
применительно к условиям эксплуатации на подвижном составе железно-
дорожного транспорта. В кондиционерах для вагонов скоростного элек-
тропоезда «Сокол» реализован режим обогрева с помощью цикла тепло-
вого насоса, применены высоконапорные центробежные и осевые стекло-
пластиковые вентиляторы с повышенным числом лопастей для снижения
шума, разработаны блоки автоматического управления.
5.3. КОНДИЦИОНЕРЫ НА БАЗЕ ВОЗДУШНОЙ
ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ
5.3.1. ВОЗДУШНЫЕ КОНДИЦИОНЕРЫ НПО «НАУКА»
Системы кондиционирования на базе воздушной холодильной машины
широко применяются на пассажирских, транспортных и военных самоле-
тах как в России, так и за рубежом вследствие их малой массы и низких
эксплуатационных расходов [27]. Высокая эффективность систем конди-
ционирования на базе воздушной холодильной машины характерна для са-
молетов с турбовинтовыми и турбореактивными/турбовентиляторными
двигателями, когда в холодильном цикле используется сжатый воздух от
промежуточных ступеней компрессора (ов) силовой установки. Автоном-
ный кондиционер с воздушным циклом, например, для пассажирского ва-
гона должен быть снабжен собственным компрессором для генерации сжа-
того воздуха. И в этом случае климатическая установка с воздушным цик-
лом будет отличаться от хладоновых меньшей массой и экологической
чистотой. Однако энергетическая эффективность кондиционеров с воз-
101
душным циклом в 2—3 раза хуже парокомпрессионных, что, в конечном
счете, связано с величиной электропотребления климатической установки.
Это является результатом того, что в парокомпрессионных кондиционерах в
качестве теплоносителя используются хладоны, отличающиеся значительно
более высокими показателями объемной холодопроизводительности, чем
воздух. Тем не менее, кондиционеры с воздушным циклом находят приме-
нение за рубежом в наземном железнодорожном транспорте, особенно в
скоростном пассажирском движении [28].
Разрабатывая концепцию скоростного пассажирского вагона для поли-
гона Москва—С.-Петербург, ПКБ (В) «Магистраль» стремилось к созда-
нию облегченной конструкции, используя новые технические решения и,
в том числе, применив воздушную систему обеспечения микроклимата с
использованием на базе воздушной холодильной машины с генерацией
как тепла, так и холода. В связи с этим известной фирме НПО «Наука» бы-
ла поручена разработка и создание кондиционера на базе воздушной холо-
дильной машины, работающей как в режиме охлаждения, так и отопления.
НПО «Наука», проведя предварительные теоретические изыскания,
обосновала свой выбор на создании кондиционера с открытым воздушным
холодильным циклом, схема которого приведена на рис. 24. Воздух из ат-
мосферы проходит через фильтр Ф1 и поступает на первую ступень элек-
троприводного компрессора-нагнетателя КН1, а затем и на вторую ступень
КН2. Оба компрессора управляются своими регуляторами напряжения
РН1 и РН2. Эти регуляторы обеспечивают изменение режимов работы
компрессоров в соответствии с изменением требуемой холодопроизводи-
тельности системы в зависимости от изменения условий эксплуатации. Да-
лее сжатый воздух поступает в компрессор турбохолодильника КТХ, где
дополнительно поджимается и его кинетическая энергия еще более увели-
чивается. При увеличении кинетической энергии в процессах сжатия уве-
личивается и температура воздуха.
Сжатый воздух охлаждается в воздухо-воздушных теплообменниках ВТ1 и
ВТ2. В процессе охлаждения из сжатого воздуха конденсируется большая
часть содержащейся в нем влаги. В свою очередь до 90 % конденсата отделя-
ется от потока сжатого воздуха во влагоотделителе ВО и используется для до-
полнительного охлаждения атмосферного воздуха, поступающего в теплооб-
менник ВТ1, а следовательно и для повышения эффективности охлаждения
в теплообменнике. Таким образом, осуществляется утилизация тепла, затра-
ченного на конденсацию влаги. Воздух в теплообменник ВТ1 подается вен-
тилятором ЭВ1. Теплообменник ВТ2 охлаждается воздухом с выхода установ-
ки охлаждения, который затем поступает в камеру смешения. Циркуляция
охлаждающего воздуха в теплообменнике ВТ2 обеспечивается вентилятором
ЭВ2. Окончательное охлаждение воздуха производится в турбине турбохоло-
дильника ТТХ. При расширении сжатого воздуха его кинетическая энергия
изменяется на величину механической работы, переданной турбине, а, следо-
вательно, уменьшается и его температура. Вся эта работа за исключением по-
терь в опоре ТХ тратится на дополнительное сжатие в компрессоре ТХ.
Далее холодный воздух поступает в камеру смешения, где смешивается
с воздухом рециркуляции, подаваемым вентилятором ЭВЗ через фильтр
Ф2, и воздухом, подаваемым вентилятором ЭВ2. Смешанный воздух по-
ступает в пассажирский вагон. Для обеспечения раздачи воздуха по вагону
102
и комфортных условий во всех помещениях вагона эвакуация воздуха из
вагона осуществляется организованно вентилятором ЭВ4. Управление ра-
ботой системы и эксплуатационный контроль ее функциональных элемен-
тов осуществляется блоком управления БУС по сигналам датчиков, разме-
щенных в трубопроводах и помещениях вагона (на схеме не показаны). В
Рис. 24. Принципиальная схема кондиционера с открытым воздушным
циклом
PH — регулятор напряжения; КН — компрессор нагнетатель; Ф — фильтр; ВТ —
воздушный теплообменник; ЭВ — электроприводной вентилятор; ВО — влагоотде-
литель; РУ — регулирующее устройство; ТХ — турбохолодильник; КТХ — компрес-
сор турбохолодильника; ТТХ — турбина турбохолодильника; ЭН — электронагрева-
тель; БУС — блок управления системой
103
зависимости от сигналов датчиков блок управления БУС вырабатывает
управляющие команды для регуляторов напряжения РН1 и РН2 и регули-
рующих заслонок РУ1 и РУ2. При изменении режима работы компрессо-
ров КН 1 и КН2 меняется давление сжатого воздуха, а следовательно и рас-
ход сжатого воздуха через турбину турбохолодильника ТТХ и весь охлаж-
дающий контур. Для обеспечения подачи заданного расхода свежего
воздуха дается команда на открытие обводной заслонки РУ1, которая и пе-
репускает часть сжатого воздуха мимо контура воздушного цикла охлажде-
ния непосредственно в камеру смешения. Если при этом режиме работы
компрессоров-нагнетателей КН 1 и КН2 температура подаваемого в вагон
воздуха ниже заданной блоком управления БУС, то она корректируется ра-
ботой регулирующей заслонки РУ2 на закрытие. Поскольку заслонка
РУ2 установлена в трубопроводе между влагоотделителем ВО и турбиной
ТТХ, это позволяет разделить процессы регулирования параметров пода-
ваемого в вагон воздуха по температуре и влажности. Если же температура
подаваемого воздуха выше заданной блоком управления БУС и при пол-
ностью открытой заслонке РУ2, то в блоке формируется команда на регу-
ляторы РН1 и РН2 на увеличение напряжения на входы приводов ком-
прессоров-нагнетателей КН1 и КН2. При этом вырабатываются корректи-
рующие команды на положения исполнительных механизмов РУ1 и РУ2.
Если внешние условия требуют не охлаждения кондиционируемого
воздуха, а его обогрева, заслонки РУ2 закрываются, а сжатый и нагретый
в компрессорах воздух с нужным расходом поступает через заслонку РУ1.
Для подогрева воздуха рециркуляции служит электронагреватель ЭН.
Разработчиками был также рассмотрен вариант кондиционера с закры-
тым воздушным циклом (рис. 25), в котором подобно парокомпрессион-
ным кондиционерам в замкнутом контуре циркулирует теплоноситель (в
данном случае воздух), а охлаждение или нагрев вентиляционного воздуха,
подаваемого в вагон, осуществляется через теплообменные приборы.
Сравнительный анализ двух схем с открытым и закрытым циклами,
проведенный авторами, выявил по комплексной оценке преимущества
схемы кондиционера с открытым циклом.
В таблице 24 приведены расчетные данные по холодопроизводительно-
сти и электропотреблению систем с открытым и закрытым циклами, из
рассмотрения которых следует, что энергетическая эффективность откры-
того цикла выше, чем закрытого.
Эти данные не следует рассматривать в принципиальном плане, т. к. из-
вестно, что эффективность воздушных холодильных установок с закрытым
циклом выше, чем с открытым при прочих равных условиях. Их следует рас-
сматривать как частное решение. Тем не менее, основываясь на полученных
Таблица 24. Сравнительные характеристики открытого и закрытого воз-
душных циклов
Параметры (номинальный режим) Открытый цикл Закрытый цикл
Электропотребление, кВт/ч 45,14 45,54
Холодопроизводительность, кВт 33,7 24,88
104
Рис. 25. Принципиальная схема кондиционера с закрытым воздушным
циклом
PH — регулятор напряжения; КН — компрессор нагнетатель; Ф — фильтр; ВТ —
воздушный теплообменник; ЭВ — электроприводной вентилятор; ВО — влагоотде-
литель; Э — эжектор; ТХ — турбохолодильник; КТХ — компрессор турбохолодиль-
ника; ТТХ — турбина турбохолодильника; ЭН — электронагреватель; БУС — блок
управления системой
105
результатах, НПО «Наука» спроектировала и изготовила несколько опытных
образцов кондиционеров (на базе воздушной холодильной машины с откры-
тым циклом), под кодовым названием КУ7175, которые были установлены
на опытные пассажирские вагоны моделей 9502 и 9510, изготовленных на
Московском заводе им. Войтовича по проектам ПКБ (В) «Магистраль».
В соответствии с установленным порядком были проведены стендовые
и заводские испытания КУ7175, затем стационарные и полигонные испы-
тания (в условиях эксплуатации) в составе опытных вагонов в летний и
зимний периоды года.
Вагоны типа 9502 и 9510 были оснащены централизованной системой
электроснабжения (от поездной магистрали 3000 В переменного и постоян-
ного тока). Электродвигатели электрокомпрессоров установки КУ7175, наря-
ду с другими традиционными электропотребителями, питались через много-
канальный статический преобразователь (мощностью 55 кВт — вагон 9502 и
мощностью 65 кВт — вагон 9510). Одним из основных низковольтных узлов
статического преобразователя являются вторичные вентильные трехфазные
регулируемые преобразователи частоты и напряжения с выходным напря-
жением 380/220 В высокой частоты, мощностью 2 х 20,0 кВт, питающие
электродвигатели компрессоров. При этом входное напряжение этих пре-
образователей, как и всех остальных вторичных (низковольтных) преобра-
зователей, стабилизировано общим первичным преобразовательным узлом
на уровне 650 В. Для привода компрессоров использованы вентильные
электродвигатели с подмагничиванием, которое автоматически осуществ-
ляется специальными блоками «Сапфир» в частотном диапазоне нагрузок.
В результате всех проведенных испытаний КУ7175 было установлено
следующее.
I. Климатическая установка с открытым воздушным циклом типа
КУ7175 работоспособна.
2. Максимально достигнутая холодопроизводительность установки не
превышает 21,5 кВт при 45,0 кВт потребления энергии (40,0 кВт потребле-
ние энергии компрессорами, 5,0 кВт потребление энергии вентиляторами).
3. По энергопотреблению в режиме охлаждения КУ7175 значительно
уступает парокомпрессионному кондиционеру УКВ ПВ (1), о чем свиде-
тельствуют, например, сравнительные данные, полученные в стационар-
ных испытаниях вагонов 9502 и 61-4179 в равных условиях на путях депо
Адлер. За 4-х часовой период работы в режиме охлаждения при одинако-
вых температурах воздуха в салонах вагонов (/в = 24 °C) и наружных усло-
виях (температура, влажность, солнечная радиация) расход электроэнер-
гии КУ7175 на вагоне 9502 составил величину 160 кВт-ч, а фреоновой
УКВ ПВ (1) на вагоне 61-4179 составил величину 26 кВт-ч [29].
4. В режиме отопления (в режиме теплового насоса) КУ7175 способна
обеспечить требуемые параметры микроклимата в вагоне при температурах
наружного воздуха не ниже минус 30 °C с интегральным КПД (включая
КПД преобразователя) не выше 70 % [30].
5. Работающая на номинальном режиме установка КУ7175 создает шум,
превышающий в 1,3 + 1,5 раза регламентированные уровни, как в помеще-
ниях вагона, так и снаружи [31].
К существенным недостаткам работы КУ7175 следует отнести ненадеж-
ность работы, спонтанные сбои и отключения, отсутствие отработанной
106
системы плавного регулирования холодо- и теплопроизводительности и
ряд других. В результате было принято решение о замене на вагонах моде-
ли 9510 КУ7175 на хладоновую УКВ-31 МС, серийное производство кото-
рых к этому времени было освоено ЗАО «Остров». Следует отметить, что
вагоны модели 9510, имеющие двухканальную воздушную систему отопле-
ния, целесообразнее было бы оборудовать установками кондиционирова-
ния УКВ ПВ (Т) производства ЗАО «ЛАНТЕП», имеющих теплонасосный
режим отопления и высокую эффективность. Предложение по использо-
ванию УКВ ПВ (Т) на вагонах модели 9510 было отклонено хозяевами
проекта — ПКБ (В) «Магистраль».
Неудачный финиш КУ7175 в отечественном кондиционировании следу-
ет рассматривать как первый этап. Причины неудачи можно усматривать в
жестких финансово-временных рамках, в рваном режиме работы над созда-
нием первой в таком роде конструкции, в не лучшем для НПО «Наука» пе-
риоде существования фирмы.
Положительные моменты в конструкции КУ7175 действительно были
реализованы — это в два раза меньшая масса (по сравнению с хладоновы-
ми) и экологическая чистота в сравнении с парокомпрессионными конди-
ционерами.
5.3.2. ВОЗДУШНЫЙ КОНДИЦИОНЕР С ЗАКРЫТЫМ ЦИКЛОМ
Подтверждением того, что мир не отказался от применения воздушных
кондиционеров для рельсового подвижного состава, являются созданные
и эксплуатируемые в Германии установки для вагонов скоростных поездов
ICE. На рис. 26 приведена принципиальная схема такой установки.
В этом исполнении была реализована установка, которая была введена
в постоянную эксплуатацию, начиная с середины 1995 года. К 2000 году
Рис. 26. Принципиальная схема кондиционера с закрытым воздушным
циклом для скоростных поездов ICE
1 — наружный воздух; 2 — вентилятор наружного воздуха; 3 — компрессорный узел
холодного воздуха; 4 — компрессор с двигателем; 5 — двигатель; 6 — турбинный
блок холодного воздуха; 7 — электронагреватель; 8 — приточный воздух; 9 — теп-
лообменник наружного воздуха
107
уже было оборудовано 44 поезда более чем 400 установками кондициони-
рования воздуха [28].
Сжатие технологического воздуха разделено на две ступени без проме-
жуточного охлаждения. Компрессор всасывает воздух из теплообменника
внутреннего воздуха, сжимает его на первой ступени до промежуточного
давления и подает на всасывающий патрубок компрессора второй ступе-
ни. Затем в результате сжатия нагретый воздух попадает в теплообменник
наружного воздуха, в котором он снова охлаждается до температуры, не-
много превышающей температуру окружающей среды. В таком состоянии
он попадает во входное отверстие турбины. В турбине воздух политропно
расширяется, вследствие чего температура на входе в теплообменник сни-
жается до требуемого уровня. При максимальной мощности устанавлива-
ется минимально допустимая температура —3 °C. В теплообменнике внут-
реннего воздуха воздух, благодаря восприятию тепловой нагрузки вагона,
нагревается до уровня, соответствующего уровню температуры на входе
первой компрессионной ступени, после чего технологический цикл по-
вторяется. Может быть целесообразным промежуточное охлаждение меж-
ду обеими ступенями сжатия, хотя термодинамически процесс сжатия мо-
жет рассматриваться как одноступенчатый.
Конденсирующаяся в теплообменнике внутреннего воздуха вода пере-
носится к теплообменнику наружного воздуха и распыляется в потоке на-
ружного воздуха. Благодаря этому удается понизить температуру на входе
в турбину и соответственно в результате возрастет эффективность процес-
са. На теплообменник внутреннего воздуха подается поток приточного
воздуха с расходом 2 800 м3/ч, в том числе 1 300 м3/ч наружного воздуха,
а на теплообменник наружного воздуха подается 5 600 м3/ч. Мощность ох-
лаждения составляет 32 кВт, а потребная мощность привода 40 кВт.
Блок компрессора с двигателем как первая ступень представляет собой
центробежный компрессор (с реактивным электродвигателем SPD). Этот
привод постоянного тока характеризуется хорошей регулировкой скорости
и характеризуется на всем рабочем участке высоким коэффициентом по-
лезного действия. В качестве входного напряжения используется 670 В по-
стоянного тока общей шины поезда, а для управления двигателя исполь-
зуется преобразователь частоты главного привода установки кондициони-
рования воздуха. Это приводит к значительному снижению веса и
сокращению площади в подвагонном пространстве.
Рабочий диапазон частот компрессора с бесступенчатым двигателем со-
ставляет 24 000 об/мин. Обеспечение требуемой частоты вращения осуще-
ствляется по команде регулятора кондиционера в зависимости от конкрет-
ного потребления мощности. Центробежный компрессор второй ступени
устанавливается на общем валу с центробежной турбиной в общем корпусе,
снаружи герметически закрытом. Число оборотов этих агрегатов автомати-
чески устанавливается в зависимости от числа оборотов компрессора пер-
вой ступени таким образом, чтобы эффективная мощность турбины и по-
требляемая мощность компрессора в каждом эксплуатационном случае бы-
ли согласованы при максимальном числе оборотов 32 000 об/мин.
Воздухо-воздушный теплообменник внутреннего воздуха выполнен в
виде пластинчато-ребристого теплообменника с хорошими показателями
теплопередачи.
108
При вводе в эксплуатацию холодильной установки заполнение осуществ-
ляется при давлении всасывания первой ступени (избыточное давление
1,8 бар). Эта операция выполняется имеющимся в составе установки конди-
ционирования воздуха заполняющим компрессором. Данный компрессор ра-
ботает непродолжительно, поэтому на валу двигателя отсутствует сальниковое
уплотнение. Через полученный таким образом зазор в технологический кон-
тур попадает некоторое количество конденсатной воды, которая выходит че-
рез неуплотненное отверстие на нижней стороне теплообменника наружного
воздуха и затем струйным насосом распыляется перед теплообменником.
Преимущества этой схемы кондиционера состоят в следующем:
— годовое потребление энергии холодильной установки кондициони-
рования воздуха приблизительно на 20 % выше, чем у сопоставимого с ней
кондиционера на R134a, однако это уравновешивается такими несомнен-
ными преимуществами данной установки, как естественный хладагент —
воздух, который из-за неплотностей оборудования попадает в окружаю-
щую среду, но не приносит ей вреда. Показатель TEW1 меньше, чем у кон-
диционера с R134a на 34 %, причем при этом сравнении учитывается дей-
ствительная неплотность системы кондиционирования ICE 1, что было
улучшено в системе ICE 2;
— не требуется какого-либо специального обслуживания и повторной за-
правки хладагента, как это требуется в отношении хладонов и рефрижератор-
ного масла обычной установки при техобслуживании и ремонтных работах;
— непродолжительность периодов техобслуживания, длительные про-
межутки времени между сроками техобслуживания, малые расходы, свя-
занные с долговечностью (расходы LCC);
— простая система энергоснабжения, благодаря использованию напря-
жения общей шины поезда для главного привода, а в будущем также и для
других приводов компактной установки кондиционирования воздуха;
— высокий срок службы при реальном эксплуатационном коэффици-
енте нагрузки;
— высокий показатель коэффициента полезного действия приводного
оборудования SRD (переключаемого реактивного электродвигателя) и оп-
тимальные параметры турбомашины.
Недостаток установки состоит в том, что в ней не предусмотрен тепло-
насосный режим, который обеспечил бы отопление вагонов и увеличил
полезную годовую наработку с большей эффективностью, чем прямой
электрообогрев.
Не исключено, что молодое подрастающее поколение российских биз-
несменов создаст отечественные высокоскоростные поезда, вагоны которых
будут оснащаться высокоэффективными воздушными кондиционерами.
5.4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНДИЦИОНЕРЫ
5.4.1. ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
КОНДИЦИОНЕР
По инициативе Южно-Уральской ж. д. на Миасском машинострои-
тельном заводе в 1997 году был изготовлен и установлен на вагоне модели
47 К/к термоэлектрический кондиционер с использованием эффекта
109
Пельтье. Система была разработана с использованием модульных элемен-
тов, установленных в виде блоков в распредкоробах каждого купе, на вы-
ходе из центрального потолочного воздуховода. В каждом купе имелся
пульт управления, позволяющий пассажирам устанавливать несколько
температурных режимов, как по охлаждению, так и по подогреву вентиля-
ционного воздуха, подаваемого в купе. Питание термоэлектрических бло-
ков — ТЭБ'ов (мощностью 2,0 кВт каждый) осуществлялось от бортовой
сети вагона напряжением 110 В постоянного тока.
Проведенный ВНИИЖТ'ом в 1997 г. цикл испытаний вагона с термо-
электрической системой кондиционирования в тепловой камере ОАО
«ТВЗ», в пробежных и стационарных условиях депо Адлер, показали ее ра-
ботоспособность, но вместе с тем был выявлен ряд недостатков, не позво-
ливших направить вагон в опытную эксплуатацию с пассажирами. В де-
кабре 1999 года ММ3 представил для испытаний в тепловой камере ОАО
«ТВЗ» усовершенствованный вариант вагона с термоэлектрической систе-
мой кондиционирования. По предложению ВНИИЖТ ММ3 изготовил и
установил на вагон центральный термоэлектрический блок ЦТЭБ предва-
Рис. 27. Схема модернизированной термоэлектрической системы конди-
ционирования
ТЭБ1...ТЭБ10 — термоэлектрические батареи, размещенные в купе вагона; АТ1.1,
АТ 1.2 — аппарат теплообменный для охлаждения жидкости; ВНТ1, ВНТ2 — венти-
ляторы обдува теплообменников АТ1.1 и АТ1.2; НЛ1, НЛ2 — циркуляционный на-
сос; РД — регулятор давления жидкости; ВНТЗ — приточный вентилятор; АТ2 — ап-
парат теплообменный для охлаждения приточного воздуха; ЦТЭБ — центральный
термоэлектрический блок воздух/жидкость
ПО
рительной обработки (охлаждения или обогрева) приточного воздуха с по-
следующим доведением его параметров до требуемых (по желанию пасса-
жиров), за счет действия распределенных по купе ТЭБ'ов, так называемых
доводчиков. Схема модернизированной термоэлектрической системы при-
ведена на рис. 27.
Испытания термоэлектрической системы с ЦТЭБ на вагоне 47 К/к дали
улучшенные результаты по сравнению с первым вариантом. Так, например,
отделение влаги происходило в основном на ЦТЭБ, а не на распределенных
по купе ТЭБ'ах, температурный напор по воздуху на которых также оказался
ниже. Но холодопроизводительность системы все же оказалась ниже требуе-
мой и была ограничена мощностью системы автономного электроснабже-
ния. Холодильный коэффициент оказался ниже I, и поэтому больше
18 кВт по холоду получить было нельзя. К тому же, учитывая высокую стои-
мость термоэлектрических блоков, система получилась неконкурентоспособ-
ной по сравнению с парокомпрессионными кондиционерами.
5.4.2. КОМБИНИРОВАННЫЙ КОНДИЦИОНЕР
С ИСПАРИТЕЛЬНЫМ БЛОКОМ
Стремясь повысить эффективность системы, ММ3 совместно с ЗАО
«ЭЛСОКС» (г. Пермь) создали оригинальную комбинированную систему
Рис. 28. Схема комбинированной системы кондиционирования
с испарительным блоком
ТЭБ1...ТЭБ10 — термоэлектрические батареи, размещенные в купе вагона; АТ1.1,
АТ1.2 — аппарат теплообменный для охлаждения жидкости; ВНТ1, ВНТ2 — венти-
ляторы обдува теплообменников АТ1.1 и ATI.2; РД — регулятор давления жидкости;
НЛ1 — циркуляционный насос; ВНТЗ — приточный вентилятор; БКИО — блок
косвенно-испарительного охлаждения
111
кондиционирования воздуха для пассажирских вагонов, которая сочетает
в себе специально разработанные центральный блок косвенно-испари-
тельного охлаждения (БКИО) и термоэлектрические доводчики, располо-
женные в каждом купе. Это позволило решить на первый взгляд противо-
положные проблемы, а именно: поднять эффективность охлаждения до
уровня парокомпрессионных систем кондиционирования и сохранить все
преимущества термоэлектрических при значительно более низких стоимости
и энергозатратах. Схема комбинированной системы кондиционирования,
представленная на рис. 28, отличается от чисто термоэлектрической системы
(рис. 27) тем, что ЦТЭБ заменен БКИО. Таким образом, первая ступень
предварительного охлаждения воздуха осуществляется в блоке БКИО с ис-
пользованием косвен но-испарительного эффекта. Вторая ступень, способ-
ная как охлаждать, так и нагревать приточный вентиляционный воздух, вы-
полнена в виде термоэлектрических блоков, распределенных по купе. В
каждом купе имеется пульт управления, позволяющий пассажирам уста-
навливать несколько температурных режимов охлаждения или нагрева-
ния, соответственно в периоды охлаждения или обогрева вагона.
Вся система в целом управляется общим электронным пультом управ-
ления, позволяющим в наиболее рациональном (энергосберегающем) ре-
жиме поддерживать требуемые нормативные температурные параметры
микроклимата в вагоне в зависимости от параметров внешней среды, при
этом наиболее оптимальным образом поддерживать соотношение между
приточным и рециркуляционным воздухом вагона.
Основным элементом первой ступени охлаждения является блок косвен-
ного испарения, работа которого основана на снижении температуры обраба-
тываемого воздуха, путем тепломассообмена с поверхностью пластин оребре-
ния, приобретающих более низкую температуру. Это происходит за счет ис-
парения воды, подаваемой в блок, с использованием капиллярного эффекта
в материале, из которого выполнены пластины. При этом влагосодержание
обрабатываемого воздуха не увеличивается. Авторы работы [32] утверждают,
что, используя такой способ охлаждения, можно обрабатывать воздух с дос-
таточно высоким влагосодержанием, хотя и с меньшей эффективностью.
Основным элементом второй ступени являются термоэлектрические
доводчики, выполняющие одновременно роль воздухораздаточных уст-
ройств. Каждый из доводчиков работает по схеме воздух/жидкость. При
этом отвод тепла осуществляется циркуляционной водяной системой,
связанной с доработанным штатным теплообменником (от МАБ-2), рас-
положенным под вагоном.
Холодильный коэффициент комбинированной системы находится на
уровне парокомпрессионных систем, суммарное энергопотребление систе-
мы составляет в среднем не более 12 + 14 кВт. При этом основное потреб-
ление электроэнергии (9-5-11 кВт) приходится на термоэлектрические до-
водчики, которые питаются от бортовой сети постоянного тока и не тре-
буют дополнительных устройств преобразования электроэнергии. Расход
воды для предварительного охлаждения воздуха в БКИО составляет
15-5-20 литров в час, подача которой в блок осуществляется небольшим во-
дяным насосом мощностью 50 Вт.
Комбинированная система была изготовлена и испытана на вагоне мо-
дели 47 К/к, в стационаре в тепловой камере ОАО «ТВЗ» и в пробежных
112
испытаниях в летне-осенний периоды года. Полученные в испытаниях ре-
зультаты позволили направить вагон с комбинированной системой в опыт-
ную эксплуатацию в составе фирменного поезда «Южный Урал» Челя-
бинск-Москва. Специалистами ПКБ ЦЛ ведется подготовка конструктор-
ской документации на серийное тиражирование системы. Разработка,
совершенствование и привязка комбинированной системы ведется в тес-
ном сотрудничестве со специалистами ВНИИЖТ.
Косвенно-испарительные кондиционеры весьма эффективны в услови-
ях жаркого и сухого климата и могут иметь полигон эксплуатации в России
по южной границе городов от Ростова до Астрахани и далее на восток —
Иркутск, район Байкала, Читы, Хабаровска, до Владивостока.
Тем не менее, остается много вопросов в части надежности, стабильно-
сти, ремонтопригодности, эксплуатационных свойств косвенно-испари-
тельных систем, требований к используемой воде и т. д., которые наряду с
ограниченным по климатическим условиям полигоном эксплуатации, не
позволяют их использовать для широкого внедрения на пассажирском
подвижном составе. Решению этих вопросов должны способствовать даль-
нейшие исследования и опытная эксплуатация. Вместе с тем косвенно-ис-
парительные системы могут найти применение в стационарных устройст-
вах для предприятий железнодорожного транспорта.
6. ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ УКВ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ
ЭКСПЛУАТИРУЕМОГО ПАРКА
6.1. ДВЕ ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ
ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ
В настоящее время существуют две различные по технической сути, но
тесно взаимосвязанные проблемы, относящиеся к парку пассажирских ва-
гонов с установками кондиционирования воздуха МАБ-2, находящихся в
эксплуатации. Одна из них — капитально-восстановительный ремонт, вто-
рая — перевод УКВ на озонобезопасные теплоносители [33].
На полигонах РЖД эксплуатируется около 10 000 пассажирских ваго-
нов (производства Германии) с установками кондиционирования воздуха
МАБ-2, оборудованных компрессорами типа Y, работающих на хладоне
R12, а также около 1000 пассажирских вагонов с модернизированными
УКВ МАБ-2, оборудованных компрессорами типа 4H-2-Y, работающих на
озонобезопасном хладоне R134a.
Основной проблемой капитально-восстановительного ремонта КВР яв-
ляется текущее содержание и ремонт компрессоров. В России существует
база по ремонту компрессоров типа Y, но практически отсутствует по ком-
прессорам типа 4H-2-Y. Кроме того, значительная часть компрессоров ти-
па Y выработала свой ресурс, не подлежит восстановлению, а требует за-
113
мены. Вскоре, если не уже, потребуется замена и компрессоров типа
4H-2-Y, использование которых в МАБ-2 началось с 1992 года.
Одновременно с ремонтно-восстановительными работами должна быть
решена задача перевода УКВ МАБ-2 на экологически допустимые хлада-
генты взамен R12, признанного запрещенным к производству и исполь-
зованию Международным соглашением (Монреальский протокол 1987 г.)
6.2. РЕМОНТНЫЕ КОМПЛЕКТЫ
ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ УКВ МАБ-2
6.2.1. ЗАПЧАСТИ ДЛЯ КОМПРЕССОРОВ
Фирма ОАО «Сибкриотехника» одной из первых разработала и освоила
серийное производство запасных частей к компрессорам типа Y. В их чис-
ле самый важный узел — сальниковый уплотнитель, который довольно бы-
стро изнашивается в эксплуатации, приводит к снижению холодопроизво-
дительности УКВ из-за утечек хладагента, требует дополнительных затрат
на дозаправку системы. Разработан также ремкомплект для восстановле-
ния цилиндропоршневой группы, шатунов, коленчатых валов и других де-
талей. Фирмой ведутся также работы по созданию отечественных компрес-
соров, регулирующей и запорной аппаратуры.
Учитывая специфику дифференциального ресурса составляющих узлов
УКВ МАБ-2, ряд отечественных фирм разработали и организовали серийное
производство ремкомплектов, включающих новый герметичный компрессор
с электроприводом переменного тока и статический преобразователь, пред-
назначенных для агрегатной замены компрессоров типа Y или 4H-2-Y с
электроприводом постоянного тока. Ремонтные комплекты фирм отличают-
ся типом применяемых компрессоров и статических преобразователей.
6.2.2. РЕМКОМПЛЕКТ РУОВ-12А
ФИРМЫ ОАО «ТЕПЛООБМЕННИК»
В начале 1997 г. фирма ОАО «Теплообменник» по заданию Горьковской
Ж. Д. приступила к разработке ремонтного комплекта для агрегатной замены
изношенных компрессоров в УКВ МАБ-2. В процессе выполнения задания
фирмой было проработано несколько вариантов ремкомплектов. В итоге был
выбран оптимальный вариант, отвечающий требованиям надежности, обес-
печения параметров работы УКВ, экологии, экономической эффективности.
Таким образом, был создан ремкомплект РУОВ-12А, включающий герметич-
ный поршневой компрессор ХГВ-28,0-А-1 с электродвигателем трехфазного
переменного тока, статический преобразователь (НОВ постоянного тока/
220 В трехфазного тока). Модернизированная УКВ МАБ-2 с использованием
РУОВ-12А, рассчитана на использование альтернативного хладагента С10М1,
смазочного масла ХФ-12-16. Диапазон плавного регулирования холодопроиз-
водительности от 16 кВт до 30 кВт (соответственно частота выходного питаю-
щего напряжения преобразователя от 40 Гц до 63 Гц). Алгоритм работы, ор-
ганы управления и контроля кондиционером сохранены.
Система МАБ-2 с РУОВ-12А прошла все необходимые испытания в со-
ставе вагона и была принята для серийного внедрения с 2001 года.
114
6.2.3. УСТАНОВКА УКР-1 ФИРМЫ ЗАО «ЛАНТЕП»
В 2003 г. фирма ЗАО «ЛАНТЕП» в инициативном порядке разработала
и приступила к серийному производству Установки климатической ре-
монтной УКР-1 по ТУ 4862-005-11644806—03 в соответствии с конструк-
торской документацией согласно спецификации ШНЕК 01.00.00.000. УКР-
1 предназначена для модернизации МАБ-2 пассажирских вагонов путем
замены отработавшего ресурс компрессора с двигателем постоянного тока.
В состав УКР-1 входят: агрегат компрессорный (герметичный типа ХГВ-
28,0-А-1 с электродвигателем переменного тока) и статический преобразо-
ватель частоты ПЧ-Т. УКР-1 размещается на подвагонной раме и подклю-
чается к штатной системе МАБ-2 (рис. 29), включающей внешний и внут-
ренние теплообменники, приточный вентилятор, вентилятор внешнего те-
плообменника, ресивер, блок управления. УКР-1 предназначена только
для кондиционирования воздуха в режиме охлаждения, как и МАБ-2. Ос-
новные параметры УКР-1, определенные в ТУ, приведены в таблице 25.
При создании УКР-1 фирма уделила особое внимание проведению её
всесторонних испытаний (теплотехнические, прочностные, шумовые
и т. д.).
Цель испытаний состояла в проверке работоспособности УКР-1, опре-
делении параметров ее работы, соответствии их требованиям технических
условий, сравнительной оценки работы УКР-1 и МАБ-2 в штатном вари-
анте.
Теплотехнические испытания УКР-1 проводились в условиях экспери-
ментального цеха ЗАО «ЛАНТЕП» на специально созданном стенде, кон-
фигурация и использованное оборудование которого соответствовали
Рис. 29. УКР-1. Общий вид в составе вагона
115
Таблица 25. Основные параметры УКР-1
Наименование параметров Значения
1. Холодопроизводительность, кВт при следующих пара- метрах: — температура наружного воздуха, °C — относительная влажность, % — расход воздуха через воздухоохладитель, м3/ч — номинальный расход воздуха через конденсатор, м3/ч 28 ± 5 % 40 32 30 70 5000 17120
2. Холодильный агент — масса хладона, необходимого на заправку, кг — масса заправляемого в компрессорный агрегат масла, кг С10М1 или его аналоги 36,0 3,9
3 Максимальная потребляемая мощность, кВт 11,5
4 Номинальное напряжение питающей сети постоянного тока, В 120 ± 30
5 Масса, кг 250, не более
Примечание. Способ регулирования холодопроизводительности — измене-
ние частоты тока питания двигателя компрессора (/) от 40 до 60 Гц при U/f = const.
штатной системе МАБ-2. Параметры работы УКР-1 определялись на уста-
новившихся режимах при различных частотах питающего напряжения, по-
даваемого на двигатель компрессора.
В качестве иллюстрации в табл. 26 приведены основные характеристи-
ки работы УКР-1 при различных частотах вращения вала компрессора в
диапазоне температур приточного воздуха от +13 °C до +22 °C, при внеш-
них условиях: температура окружающего воздуха /нар = +40 °C, относитель-
ная влажность <р = 30 %.
Как следует из рассмотрения данных, приведенных в табл. 26, при тем-
пературе приточного воздуха /пр = +16 °C и частоте вращения вала ком-
прессора /= 60 Гц холодопроизводительность УКР-1 составила величину
28 кВт при электропотреблении N- 12 кВт (включая все потребители)
с холодильным коэффициентом = 2,4. На этом же режиме холодопроиз-
водительность УКВ МАБ-2 со штатным компрессором типа Y, по паспорт-
ным данным, составляет величину Qx = 28 кВт при электропотреблении
А = 16,7 кВт.
Из представленных на рис. 30 и рис. 31 зависимостей холодильных ко-
эффициентов и потребляемой мощности компрессора в диапазоне рабочих
нагрузок следует, что примененный в УКР-1 герметичный компрессор с
использованием в цикле смеси С10М1 более эффективны, чем штатные в
МАБ-2 (компрессор тип Y и R12), примерно в 1,3 1,4 раза (с учетом КПД
ПЧ-Т, равного Г) = 0,93). На рис. 32 приведены регулировочные характери-
стики холодопроизводительности УКР-1, полученные на стенде, причем пер-
116
Таблица 26. Основные характеристики работы УКР-1
/, Гц ^прит» С 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
60 Qx, кВт 20,35216 22,97216 25,59216 28,21216 30,83216 33,45216 36,07216 3869216 41,31216 43,93216
N, кВт 11,189 11,417 11,645 11,873 12,101 12,329 12,557 12,785 13,013 13,241
£х 1,818944 2,012101 2,197695 2,376161 2,547902 2,713291 2,872673 3,026372 3,174684 3,317888
50 Qx, кВт 17,87348 20,50348 23,13348 25,76348 28,39348 31,02348 33,65348 36,28348 38,91348 41,54348
N, кВт 9,556 9,786 10,016 10,246 10,476 10,706 10,936 11,166 11,396 11,626
£х 1,870393 2,095185 2,309653 2,514492 2,710336 2,897766 3,077312 3,249461 3,414661 3,573325
40 Qx, кВт 12,96036 15,18036 17,40036 19,62036 21,84036 24,06036 26,28036 28,50036 30,72036 32,94036
N, кВт 7,41 7,61 7,81 8,01 8,21 8,41 8,61 8,81 9,01 9,21
ех 1,749036 1,994791 2,227959 2,449483 2,660214 2,860923 3,052307 3,235001 3,409585 3,576586
35 Qx, кВт 10,76 12,76 14,76 16,76 18,76 20,76 22,76 24,76 26,76 28,76
N, кВт 6,522 6,692 6,862 7,032 7,202 7,372 7,542 7,712 7,882 8,052
Сх 1,649801 1,906754 2,150976 2,38339 2,604832 2,816061 3,017767 3,210581 3,395077 3,571783
Рис. 30. Зависимости холодильных коэффициентов от температуры при-
точного воздуха и частоты вращения вала компрессора
л; кВт
□ ГГЗ
.scjji— □
35 Ги^.
X
74 15 16 17 18 19 20 21
Рис. 31. Зависимость потребляемой мощности компрессора УКР-1 от тем-
пературы приточного воздуха
118
Рис. 32. Регулировочные
характеристики УКР-1
воначально наблюдав-
шийся «завал» характе-
ристик в диапазоне 50
4-60 Гц в дальнейшем
был устранен регулиров-
кой клапанов компрес-
сора с увеличением по-
дачи хладагента на час-
тоте 60 Гц.
Таким образом, стен-
довые испытания пока-
зали работоспособность
УКР-1, соответствие па-
раметров ее работы тре-
бованиям ТУ, выявили
ее эффективность в час-
ти расхода электроэнер-
гии (в 1,3 4- 1,4 раза) по
сравнению с МАБ-2 и
большую надежность в
отношении герметично-
сти системы по хладоно-
вому контуру.
Установка УКР-1 прошла испытания в составе вагона типа 47 К/к
(стационарные и полигонные) и была принята к серийному внедрению
в 2003 году.
6.2.4. ОСНОВНОЙ НЕДОСТАТОК РЕМКОМПЛЕКТОВ
Разработанные ремкомплекты РУОВ-12А и УКР-1 для капитального
восстановления УКВ МАБ-2 вагонов эксплуатируемого парка несомненно
обладают преимуществами по стоимостным показателям (по отношению к
импортным), имеют меньшую массу, работают на отечественном экологи-
чески допустимом хладоне С10М1 и смазочных маслах, более надежны и
менее затратны по эксплуатационным расходам по сравнению с МАБ-2.
Но, как и все вновь разработанные и выпускаемые отечественные конди-
ционеры (за исключением УКВ ПВ с турбокомпрессором) имеют один су-
щественный недостаток — высокий нижний предел по плавности регули-
рования холодопроизводительности (35 4-40 %), что снижает уровень ком-
форта в вагонах при малых тепловых нагрузках. Повторно-повременный
режим включения компрессора УКВ приводит к значительным колебани-
119
ям температуры приточного воздуха, что вызывает дискомфорт и неблаго-
приятно влияет на здоровье пассажиров, если не предусмотрены какие-ли-
бо меры. Ограничение по нижнему пределу связано в первую очередь с во-
просами смазки компрессоров и пока в этом ожидать положительного
решения не приходится. Но возрастающие требования к уровню обеспече-
ния комфорта, параметрам микроклимата в помещениях пассажирских ва-
гонов, непременно должны привести к положительному решению задачи.
6.3. АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ХЛАДАГЕНТ
ДЛЯ ЗАМЕНЫ R12 В УКВ МАБ-2
Согласно требованиям Международного соглашения (Монреальский
протокол 1987 г.) производство и использование хладона R12 должно быть
прекращено в Европе, начиная 1995 года (в России с 2000 г.). Уже с
1992 года Германия перешла на использование в модернизированных УКВ
МАБ-2 новых компрессоров типа 4Н-2-У с применением озонобезопасного
хладона R134a. В Россию таких вагонов поступило около 1000 штук. Во-
прос о переводе УКВ эксплуатируемого парка вагонов на R134a оказался
чрезвычайно экономически не эффективным. Во-первых, производство
R134a и совместимых с ним смазочных масел в России не развито, а самое
главное, подготовка МАБ-2 для перевода на R134а требует тщательной про-
мывки системы (очень дорогостоящая операция), замены некоторых эле-
ментов (резиновые детали, ТРВ^ фильтры и т. д.). К тому же при переводе
на R134a холодопроизводительность системы снижается на 10 4-15 %. По-
этому ВНИИЖТ, проводя исследования по замене озоноразрушающего
хладона R12 в УКВ МАБ-2 на альтернативный теплоноситель, поставил
выполнение следующих условий:
• теплоноситель, равно как и смазочные масла, должны быть отечест-
венного производства, иметь широкое распространение, недефи-
цитны и недороги;
• технология замены теплоносителя и масел не должна требовать ка-
ких-либо существенных изменений в конструкции МАБ-2 и при-
ближаться к технологии простой заправки УКВ после ремонта;
• должны быть сохранены при новом теплоносителе термодинамиче-
ские параметры работы УКВ, удельное потребление энергии на вы-
работку единицы холода, пожаробезопасность;
• альтернативный теплоноситель должен отвечать требованиям Мон-
реальского протокола.
Из рассмотрения данных, представленных в таблице 27 по применяе-
мым и альтернативным хладагентам, только хладон R22 по экологическим
показателям имеет право на применение со сроком использования до
2040 года. Поэтому он перенесен в графу альтернативных.
Из альтернативных хладагентов наиболее близок к R12 по термодинами-
ческим характеристикам (не только температуре кипения, но и другим [34])
хладон R134a, и, как отмечалось выше, начал использоваться в кондиционе-
рах новой постройки, но не имеет перспективы использования в УКВ типа
МАБ-2 эксплуатируемого парка.
Из литературных источников известно значительное количество работ,
посвященных созданию и плодотворному использованию хладоновых сме-
120
Таблица 27. Экологические показатели хладагентов
Применяемые хладагенты Альтернативные хладагенты
Обо- значе- ние Тем-ра кипе- ния, °C Коэфф, озоно- актив- ности Отно- сит. пар- ник. по- тенциал Обо- значе- ние Тем-ра кипе- ния, °C Коэфф, озоно- актив- ности Отно- сит. пар- ник. по- тенциал
R12 -29,8 1,0 1,0 R134a -26,8 0 0,2
R152a -24,7 0 0,1
R22/ R142b -30,0 — —
R22 -40,8 0,05 0,07 R22 -40,8 0,05 0,07
R125 -42,5 0 0,2
R1261 -3,8 3,0 — R142b -9,0 0,05 0,2
R502 -45,6 0,3 0,5-1,5 R143b -47,6 0 —
R13B1 -57,0 10,0 — R32 -51,7 — —
R13 -81,6 0,45 2,4 R23 -82,0 0 —
R503 -87,8 — —
«—» — данные уточняются или отсутствуют.
сей в холодильной технике и тепловых насосах с получением различных
положительных эффектов [35, 36, 37, 38, 39]. Использованием смеси аль-
тернативных хладонов можно получить теплоноситель по термодинамиче-
ским свойствам способный заменить, например, хладон R12. Наиболее
подходящей для замены R12 в МАБ-2 была выбрана смесь хладонов R22 и
R142, имеющих температуры кипения соответственно выше и ниже темпе-
ратуры кипения R12. Следует отметить, что сочетание холодильных аген-
тов может дать или азеотропную смесь с термодинамическими характери-
стиками аналогичными чистому (однокомпонентному) хладагенту, или не-
азеотропную смесь с раздельно кипящими компонентами. Традиционный
способ представления смесей изобарами в координатах Т, % (абсолютная
температура/молярная доля в жидкой фазе наиболее летучего компонента)
позволяет дифференцировать эти два типа смесей. Температура конденса-
ции и испарения неазеотропных смесей в отличие от чистых хладагентов
четко не определены. У таких смесей нет единственной температуры кон-
денсации и испарения, а есть широкий диапазон скользящих температур.
Это обстоятельство благотворно влияет на снижение потребления энергии
на выработку единицы холода.
Из проведенного анализа и выполненных термодинамических расче-
тов [40] был выбран массовый состав смеси из хладонов R22 и R142 для
121
замены R12 в МАБ-2, рабочие характеристики которой представлены на
рис. 33. Допустимая рабочая зона смеси находится в пределах от % =
= 0,35 до % = 0,45, которая обеспечивает устойчивую работу МАБ-2 с пара-
метрами близкими при использовании R12.
Результаты аналитических расчетов были проверены на лабораторном
стенде ВНИИЖТ, конфигурация которого аналогична вагонной УКВ с
МАБ-2. Проверка на стенде показала хорошую сходимость результатов и
позволила в итоге определить номинальный состав бинарной смеси в со-
отношении R22 — 65 % и R142 — 35 % по массе. Верхний предел по
R22 на уровне 65 % по массе (рис. 33) для номинальной смеси был принят
по условиям более высокой текучести компонента и возможности его фрак-
ционной утечки в негерметичной системе. В стендовых испытаниях было
получено увеличение холодильного коэффициента примерно на 5 % при
работе на смеси по сравнению с R12, тогда как расчеты показывают воз-
можность увеличения холодильного коэффициента цикла на 15 % вслед-
ствие ее неазеотропности.
Испытания смеси были продолжены в климатических установках МАБ-2
с компрессором типа «У» на пассажирских вагонах и вагонах-ресторанах.
После получения положительных результатов испытаний была разработана
и утверждена МПС РФ в 1997 году Инструкция по замене R12 на бинарную
смесь хладонов R22/R142 КЖ. В качестве смазочного применено масло
марки ХФ-22С.
Долгосрочные наблюдения- за работой бинарной смеси, проведенные
лабораторией ВНИИЖТ на вагоне модели 47 К/к с модернизированной
МАБ-2 (компрессор типа 4Н-2-У) в рабочих рейсах, показали нормальную
работу УКВ с бинарной смесью без дозаправок в течение 3-х лет.
В дальнейшем би-
нарная смесь R22/R142
КЖ была опробована в
холодильных установках
рефрижераторных ваго-
нов, а затем и рекомен-
дована для замены R12 с
некоторыми фракцион-
ными изменениями со-
става по патенту [41].
Рис. 33. Зависимости
давлений бинарной сме-
си R22 и R142 от темпе-
ратуры и соотношения
компонентов
х — содержание хладона 142
в смеси (х = 0 или х = 1 соот-
ветственно отсутствие в сис-
теме хладона 142 или хла-
дона 22)
122
В России налажено производство бинарной смеси под торговой маркой
С10М1 и тройной смеси R22/R142/R21 (65/30/5 %) под торговой маркой
«Астрон 12», которые стали применяться в холодильной технике взамен
хладона R12.
Важным моментом в этом деле является тот факт, что хладон R134a,
также как и R12, легко заменяется в УКВ без дорогостоящей промывки и
замены каких-либо элементов системы на С10М1 или «Астрон 12». Это
возможно актуально в связи с тем, что смазочные масла для использования
R134a не обладают достаточной стабильностью и производятся за рубежом.
7. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
7.1. ИНДИВИДУАЛЬНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
ВОЗДУХА В КУПЕ
Согласно новому документу «Санитарные правила по организации пас-
сажирских перевозок на железнодорожном транспорте...» «СП 2.5.1198—03»
(п. 5.1. 37) в пассажирских вагонах «Люкс» и 1-го класса должно устанав-
ливаться оборудование, обеспечивающее индивидуальное регулирование
температуры воздуха в каждом купе в диапазоне от плюс 18 °C до плюс
28 °C с шагом не более 1 °C. То есть, пассажирам предоставляется возмож-
ность самим отрегулировать температуру в купе по своему желанию в ука-
занном интервале на различных режимах работы центральной климатиче-
ской системы вагона. Сейчас климатические системы вагонов обеспечива-
ют автоматическое поддержание температуры воздуха в помещениях в
расчете на «среднего человека»: зимой и в переходные периоды года — на
уровне tB = 22 °C ± 2 °C, а летом — /в = 24 °C ± 2 °C. Кроме того автома-
тика позволяет с центрального пульта изменять уставку на ±2 °C с шагом
1 °C так, что зимой и в переходные периоды года в помещениях вагонов
может быть температура воздуха в пределах от плюс 18 °C до плюс 26 °C,
а летом от плюс 20 °C до плюс 28 °C, т. е. диапазон регулирования темпе-
ратур соответствует новым требованиям СП 2.5.1198—03, но он будет един
для всех пассажиров всего вагона. В силу индивидуальных особенностей,
физиологического состояния на данный момент (период) ощущение ком-
форта по температуре у пассажиров различно. Поэтому претенциозным
пассажирам вагонов «Люкс» и 1-го класса предоставляется дополнитель-
ное оплачиваемое удобство.
Вопрос не представляется технически сложным, он давно решён на бы-
товом уровне в жилых зданиях, сооружениях, офисах, кабинетах. Наиболь-
шее распространение в существующих постройках получили компактные
кондиционеры или сплит системы, внутренние блоки которых генерируют
желаемое тепло или холод, передаваемое в помещение бесшумной работой
встроенных вентиляторов.
123
По такому пути пошла фирма Циркон-Сервис, выпускающая малые
партии специальных вагонов салонного типа повышенной комфортности.
Однако основной в России производитель серийных пассажирских ваго-
нов ОАО «ТВЗ» не спешит использовать это решение и, вполне справед-
ливо, по ряду причин, связанных, например, с необходимостью подачи в
вагон свежего воздуха, дополнительным снабжением электроэнергией,
сбором и удалением конденсата, загромождением купе блоком охлажде-
ния. И, наконец, готовые типы бытовых кондиционеров не имеют пока
транспортного исполнения. В общем, это направление требует существен-
ного изменения конструкций вентиляционной системы, электрооборудо-
вания вагона и выпускаемых кондиционеров.
Учитывая актуальность задачи, рядом отечественных фирм, причастных
к вагоностроению, предложен и реализован в опытных образцах ряд техни-
ческих решений по системам индивидуального регулирования температуры
воздуха по купе. Однако ни одна из них не отвечает в полной мере требо-
ваниям энергетической эффективности и эксплуатационным качествам.
ОАО «ТВЗ» принял к реализации на комфортабельных вагонах с цен-
трализованным высоковольтным электроснабжением систему распреде-
ленных по купе электронагревателей для индивидуального регулирования
с прямым воздействием на температуру подаваемого воздуха. На рис. 34
приведена схема системы с расположением электронагревателей (4) в рас-
пределительных коробах (3) воздуховода (2). Единичная мощность элек-
тронагревателя Pj =1,5 кВт, суммарная мощность 15 кВт, с питанием от
низковольтного блока высоковольтного преобразователя. При работе кли-
матической системы вагона на любом режиме: «отопление», «охлаждение»,
«переходное отопление» поворотом ручки регулятора (5), расположенного
в купе, пассажир может активизировать электронагреватель на нагрузку
Рис. 34. Система индивидуального регулирования температуры воздуха
в купе ОАО «ТВЗ»
1 — кондиционер; 2 — воздуховод; 3 — распредкоробка; 4 — ТЕНы; 5 — регулятор;
6 — корректор Ц-регулятора; 7 — блок электропитания; 8 — провода
* Дополнительное оборудование: 4; 5; 6; 7; 8.
Примечание: Кондиционер моноблочный любого типа — «ЛАНТЕП», «Остров»,
«БСК», или «Докон»
124
от «О» до 1,5 кВт, тем самым, поступающий в купе воздух будет нагревать-
ся на некоторую величину А/ *С в зависимости от положения регулятора.
На всех режимах уставка температуры в блоке термоавтоматики должна
находиться в положении низшего значения t3W, тогда регулирование в купе
может производиться с увеличением температуры от /ззд до 28 + 30 °C. Сис-
тема работает круглогодично. Недостатком системы является то, что для её
работы необходим дополнительный источник энергии 15 кВт. Поэтому
она может быть использована только на вагонах с централизованным элек-
троснабжением, доля которых в парке эксплуатации незначительна по
сравнению с вагонами с автономными системами электроснабжения.
ЗАО «БСК» предложила систему индивидуального регулирования тем-
пературы воздуха в купе за счёт изменения массовой подачи рециркуляци-
онного воздуха. Система ЗАО «БСК» в отличие от системы ОАО «ТВЗ» не
требует дополнительного источника энергии. Для этого, как показано на
рис. 35, центральный воздуховод разделяется вдоль вагона перегородкой
(5) для прохода отдельно свежего и рециркуляционного воздуха.
Смешение свежего и рециркуляционного воздуха происходит в рас-
предкоробах (3) непосредственно перед поступлением в купе. В рецирку-
ляционном канале воздуховода на входе воздуха в распредкороба купе ус-
танавливаются воздушные клапаны с электроприводом, регулирующие по-
дачу рециркуляционного воздуха в купе. Пассажир, управляя регулятором
купе (6), меняет положение заслонки воздушного клапана, в зависимости
от которого в купе подаётся больше или меньше рециркуляционного воз-
Рис. 35. Система индивидуального регулирования температуры воздуха
в купе ЗАО БСК
/ — кондиционер; 2— воздуховод; 3 — распредкоробка; 4 — заслонки; 5 — перего-
родка; 6 —регулятор купе; 7 — корректор Ц-регулятора; 8 — блок питания электро-
привода заслонок.
* Дополнительное оборудование: 4; 5; 6; 7; 8
125
духа. При кондиционировании (летний режим) с уменьшением подачи ре-
циркуляционного воздуха температура в купе будет постепенно возрастать
за счёт воздействия факторов внешней среды (температура наружного воз-
духа, относительная скорость движения, солнечная радиация). При ото-
плении (зимой и в переходные периоды года) возрастание температуры
воздуха в купе будет происходить при увеличении подачи рециркуляцион-
ного воздуха.
Преимущество данной системы состоит в том, что она не требует до-
полнительного источника электроэнергии, модернизация воздуховода
довольно проста и дешева. Недостаток системы заключается в сильной
зависимости регулируемой температуры воздуха в купе от внешних ус-
ловий.
Предложенные системы можно отнести к двум основным группам: с
прямым воздействием на температуру воздуха, подаваемого в купе (актив-
ная система) и косвенным воздействием с изменением массы подаваемого
воздуха постоянной температуры (пассивная система).
За рубежом известно применение активных систем с использованием
электронагревателей, как и система ОАО «ТВЗ», питающихся от вагонных
источников централизованного электроснабжения.
Основные характеристики систем могут быть получены на примерах
рассмотрения переходных процессов при регулировании температуры воз-
духа в купе прямым или косвенным способом. Поскольку аналитическое
решение задачи по определению температуры воздуха в отдельном купе
при указанных способах регулирования представляется довольно слож-
ным, то в данном случае можно воспользоваться известными решениями,
относящимися целиком ко всему вагону, полученными на основе матема-
тических моделей с представлением вагона в виде «эквивалентных плит»
или «теплоёмкого ядра с окружающей его нетеплоёмкой оболочкой» [8].
Решения дифференциальных уравнений получаются в виде экспоненци-
альных зависимостей, которые довольно хорошо корреспондируются с
экспериментальными данными.
На рис. 36 представлен график изменения температур воздуха внутри
вагона в режиме кондиционирования (охлаждения) при мгновенном вы-
ключении подачи рециркуляционного воздуха. «Движущей силой» в этом
процессе является располагаемое тепло, равное сумме внешних теплопо-
ступлений и теплу, вносимому пассажирами:
C?n.p = Kf' + &.р + Спас,
где: КР — коэффициент теплопередачи кузова;
F — среднегеометрическая поверхность кузова;
А/ — разница температур воздуха снаружи и внутри вагона;
Сс.р — тепло, поступающее в вагон под действием солнечной радиации;
Спас — тепло, вносимое пассажирами.
Величина располагаемого тепла Qn может изменяться в пределах от
«О» ДО Спах-
Причем Q„ р = Qlliax, когда внешние условия по температуре наруж-
ного воздуха, интенсивности солнечной радиации, количеству пасса-
жиров соответствуют расчетным и Q„ р = 0, когда Д/ = 0, солнца нет,
пассажиров нет.
126
32 -
30 -
28 -
26 -
24 -
22 -
20 -
10 11 12 13 74 15 г (час)
Рис. 36. График изменения температур воздуха в вагоне (пассивная система)
Начальная температура воздуха в купе t„ = 22 °C. Температура наружного воздуха
г = 32 °C. Момент включения регулятора купе т0 = 10 ч
Как видно из рассмотрения данных, приведенных на рис. 36, область ре-
гулирования температуры воздуха в вагоне «П» ограничена кривыми 1 и 2.
Время регулирования составляет 4-5-5 часов при Qn р = Стах (кривая 1) и
регулирования температуры воздуха в вагоне вообще не произойдет при
(2„ р = о (кривая 2).
При переходном процессе активной системы величина вносимого в по-
мещения вагона тепла будет выражаться в виде единичной функции со
значением Qac = Р-т. Область регулирования и характер изменения тем-
ператур воздуха в помещениях вагона представлены на рис. 37.
Как видно из рассмотрения данных, приведенных на рис. 37, время пере-
ходного процесса (время регулирования) составляет 15 минут и соответствует
времени массообмена воздуха в помещениях вагона. Область регулирования
по температуре тем больше, чем больше мощность электронагревателей.
Есть основания утверждать, что рассмотрение переходных процессов,
связанных с регулированием температуры воздуха в отдельном купе ваго-
на, не внесет существенных изменений в качественные и количественные
характеристики процесса, полученные для вагона в целом, но решение
этой задачи имеет большое прикладное значение и, в частности, позволит
составить соответствующий алгоритм и оптимизировать регулирование.
Из вышеприведенного анализа следует, что активная система обладает
очевидными преимуществами в отношении качества и надежности инди-
видуального регулирования температуры воздуха в помещениях вагона по
сравнению с пассивной системой.
127
Рис. 37. Область регулирования и характер изменения температуры
(активная система)
Начальная температура воздуха в купе гн = 22 °C. Конечная температура воздуха в
купе (выбрана пассажиром) t = 26 °C. Момент включения регулятора купе — т0 = 10 ч.
Температура наружного воздуха — t = 32 °C.
I — оптимальное регулирование (автоматическое или ручное с градуированной
шкалой); 2, 3 — ручное регулирование с полным включением на = max и после-
дующим подрегулированием. Область регулированиея температуры воздуха в купе «А»
Преимущество активной системы может быть значительно усилено за-
меной дополнительного источника электроснабжения на альтернативный,
беззатратный. Для этого можно использовать несколько вариантов. Наи-
более простым представляется вариант ЗАО «ЛАНТЕП» с использованием
бросового тепла конденсаторов УКВ ПВ, располагаемая величина которо-
го в 1,5+2 раза превышает величину холодопроизводительности кондицио-
нера. Для этого в воздушном тракте конденсаторного отсека УКВ после те-
плообменников устанавливаются дополнительные теплообменники (8)
воздух — жидкий теплоноситель (рис. 38). В распредкоробах (3) воздухо-
вода (2) устанавливаются теплообменники (4) жидкий теплоноситель —
воздух. По контуру, образованному элементами (4—11) циркулирует жид-
кий теплоноситель, температура которого близка к температуре конден-
сации хладагента. При открытии многопозиционного регулятора (10), го-
рячая жидкость начинает циркулировать через теплообменник (4) и на-
гревает воздух, поступающий в купе. Необходимым в системе является
автоматическое управление циркуляционным насосом (9) в зависимости
от количества включённых регуляторов (10) и их положений, а также бай-
пасом (5), имеющим два положения: «открыт» — холостой ход системы;
«закрыт» — работа системы. В режиме отопления индивидуальное регули-
рование температуры воздуха в купе осуществляется подачей холодного те-
плоносителя из дополнительных теплообменников конденсатора УКВ ПВ
в купейные теплообменники.
128
Рис. 38. Система индивидуального регулирования температуры воздуха
в купе ЗАО «ЛАНТЕП»
/ — кондиционер; 2 — воздуховод; 3 — распредкоробка; 4 — фанкойлы; 5 — байпас;
6 — трубопровод прямой; 7 — расширитель; 8 — теплообменники; 9 — циркуля-
ционный насос; 10 — регуляторы; 11 — ьрубопровод обратный.
Примечание. Фанкойлы — теплообменники жидкость-воздух без собственных вен-
тиляторов.
Модификацией предложенного варианта может служить схема с разда-
чей тепла (холода) воздухом. Для этого воздуховод разделяется перегород-
кой на две части (как у ЗАО «БСК»), а в распредкоробах устанавливаются
по две, регулирующих подачу воздуха, заслонки. Внутри УКВ ПВ устанав-
ливаются симметрично ещё два теплообменника в воздушном тракте ис-
парителей. Причём один из них гидравлически соединяется с котловой
системой отопления, параллельно существующему водяному калориферу,
второй соединяется в контур дополнительных теплообменников конденса-
тора. В результате по одной продольной части воздуховода подаётся подог-
ретый воздух, а по второй — охлажденный с разницей температур в преде-
лах диапазона регулирования. В зависимости от положения заслонок в ку-
пе может подаваться теплый или холодный воздух, или смесь теплого и
холодного, равнодействующая температура которой будет пропорциональ-
на подаваемой массе и температуре каждого из них.
Преимущества первой схемы ЗАО «ЛАНТЕП» или модифицированной
могут быть определены в результате конструкторской проработки вариан-
тов, определения возможностей реальной интеграции в вагонные системы
и проведения технико-экономических расчетов. Но в обоих случаях для
индивидуального регулирования температуры воздуха в купе пассажирских
вагонов можно реализовать по предложенным схемам активную, практиче-
ски безынерционную пожаробезопасную систему, не требующую дополни-
тельного источника электроэнергии, которая может быть применена на
всех вагонах, в том числе на вагонах с автономным электроснабжением.
129
7.2. КОСВЕННЫЙ СПОСОБ ПЛАВНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
ХОЛОДОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ УКВ НА МАЛЫХ НАГРУЗКАХ
(ЗАО «ЛАНТЕП»)
Все разработанные и серийно выпускаемые отечественные пароком-
прессионные кондиционеры (за исключением УКВ ПВ с турбокомпрессо-
ром ЗАО «ЛАНТЕП») позволяют осуществлять плавное регулирование хо-
лодопроизводительности в диапазоне от 40 % до 100 % от номинального
значения. При двухкомпрессорной схеме кондиционера нижний предел по
плавности регулирования может быть снижен до 25 + 30 %. Снижение
нижнего предела может быть достигнуто за счет изменения схемы цирку-
ляции хладона, например, устройством байпасной линии с перепуском
части теплоносителя вновь на всас компрессора, минуя испаритель. Воз-
можны другие способы, связанные с коррекцией термодинамического
цикла. Однако эти мероприятия допускают в лучших случаях снижение
предела до 25:30 %, но не ниже по ограничениям, связанным с устойчи-
востью и надежностью работы кондиционера.
Предлагаемый косвенный способ заключается в трансформации тепла
от конденсатора к блоку охлаждения через промежуточный теплоноситель
для компенсации излишка холодопроизводительности в диапазоне от «0»
до 40 % номинального значения холодопроизводительности . Подача
необходимого количества тепла автоматически регулируется по темпера-
туре приточного вентиляционного воздуха. Возможны различные схемы
реализации этого способа. Например, по схеме, приведенной на рис. 38 с
использованием двух дополнительных теплообменников, расположенных
по ходу воздуха за конденсатором и испарителем, соединенных в контур,
по которому циркулирует жидкий теплоноситель с переменной регули-
руемой массой. При снижении тепловой нагрузки на вагон при конди-
ционировании (охлаждении) ниже 40 % по холодопроизводительности
рабочая частота вращения компрессора остается на низшем пределе регу-
лирования, а необходимый подъем температуры приточного воздуха про-
изводится дополнительным теплом конденсатора. При этом на испарите-
ле происходит переохлаждение приточного воздуха с возможной конден-
сацией и отделением влаги, а затем подогрев его в дополнительном
теплообменнике до необходимого температурного уровня. Этот способ
регулирования — расширение диапазона плавного регулирования холодо-
производительности по приточному воздуху, более эффективен, чем регу-
лируемый электрообогрев воздуха.
7.3. РЕГУЛИРОВАНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА В САЛОНЕ
В отопительный период при отрицательных температурах наружного
воздуха в пассажирских вагонах нередко наблюдается относительная влаж-
ность воздуха ниже 20 %. Летом при охлаждении вагона кондиционером,
обычно не имеющим устройств для регулирования влажности при снижен-
ных теплопоступлениях в вечернее, ночное и утреннее время, наблюдается
высокая относительная влажность в вагоне, достигающая значений более
80 %. Такие показатели относительной влажности воздуха не соответству-
130
ют санитарно-гигиеническим требованиям и крайне неблагоприятно влия-
ют на состояние пассажиров. Относительная влажность воздуха в вагоне
должна быть в пределах 30...60 %. В статье [42] обоснованы причины рез-
ких колебаний влажности воздуха в отопительный и летний сезоны экс-
плуатации вагонов и необходимость коррекции относительной влажности
воздуха: увлажнение зимой в режиме отопления и осушка летом в режиме
охлаждения при работе кондиционера. Приведены различные способы
регулирования влажности воздуха в вагоне. К изложенному в [42] по ис-
течении времени можно добавить, что в качестве оптимального следует
рассматривать способ увлажнения с подачей высокодисперсной воды в
приточный воздуховод, а осушка должна выполняться методом предвари-
тельного переохлаждения с конденсацией влаги и последующим подогре-
вом приточного воздуха в блоке обработки воздуха УКВ. При этом система
поддержания (регулирования) влажности должна быть централизованной,
аппарат приготовления и впрыска высокодисперсной воды должен надеж-
но работать на обычной заправочной воде, а подогрев воздуха при осушке
должен осуществляться от бросового тепла конденсатора кондиционера.
131
ЛИТЕРАТУРА
1. Санитарные правила по организации пассажирских перевозок на желез-
нодорожном транспорте. Санитарно-эпидемиологические правила СП
2.5.1198—03, Москва, 2003 г.
2. ГОСТ Р 51690—2000 Вагоны пассажирские магистральных железных
дорог колеи 1520 мм. Общие технические условия.
3. Баратов А. А. и др. Пожарная опасность строительных материалов.
4. Кутателадзе С. С., Боришанский В. М. Справочник по теплопередаче.
Госэнергоиздат, 1959.
5. Жариков В. А., Закатов С. П. и др. Патент РФ № 2201356, 2001, Кузов
транспортного средства.
6. Жариков В. А., Таранов С. А., Разаренова Л. В. Новый кузов пасса-
жирских вагонов, Вестник ВНИИЖТ, № 6, 2002 г.
7. Рекламный проспект ОАО «Квадропарк», Москва, 1995 г.
8. Китаев Б. Н. Теплообменные процессы при эксплуатации вагонов,
Москва, «Транспорт», 1984 г.
9. Маханько М. Г., Сидоров Ю. П., Хенач А., Шмвдт М. Кондициони-
рование воздуха в пассажирских вагонах и на локомотивах, Москва,
«Транспорт», 1981 г.
10. Жариков В. А., Китаев Б. Н., Разаренова Л. В. Методика определения
расхода энергии на отопление пассажирских вагонов, Москва, «Транс-
порт», 1994 г.
11. Климатическая камера Вена-Арсенал, Magazine of Rail Transport World-
wide, volume 5, № 2/05.
12. Протокол испытаний пассажирского вагона постройки ВРЗ им. Тель-
мана, ВНИИЖТ, 2004 г.
13. Жариков В. А., Гудыма Е. В., Китаев Б. Н. Создание вагона-стенда
для проведения комплексных исследований по модернизации сущест-
вующего и разработке нового теплотехнического оборудования пасса-
жирских вагонов, Отчет ВНИИЖТ, Москва, 1989 г.
14. Жариков В. А., Китаев Б. Н., Гудыма Е. В. Повышение эффективно-
сти отопительно-вентиляционных систем пассажирских вагонов, Вест-
ник ВНИИЖТ, № 1, 1990 г.
15. Инерционный фильтр, Жариков В. А., Закатов С. П., Нагорный В. Г.
Патент RU2254243C1, 2003 г.
16. Вагоны пассажирские, ограждающие конструкции кузова, системы вен-
тиляции, отопления, охлаждения и терморегулирования. Типовая мето-
дика теплотехнических испытаний, ТМ-08-008-98, МПС РФ, Москва
1998 г.
17. Резников А. Г., Шустер А. А. Расчетные и экспериментальные исследо-
вания систем жидкостного отопления пассажирских вагонов. Сборник
докладов под редакцией Буравого С. Е. по системам вентиляции, конди-
ционирования и отопления пассажирских вагонов, С-Петербург, 2001 г.
132
18. Егоров В. П. Устройство и эксплуатация пассажирских вагонов, УМК
МПС России, 1999 г.
19. Китаев Б. Н., Жариков В. А. Повышение эффективности теплообмен-
ных процессов в пассажирских вагонах, Москва, «Транспорт», 1995 г.
20. Жариков В. А., Разаренова Л. В., Лифановский Л. В. Система отопле-
ния пассажирских вагонов с незамерзающим теплоносителем, Вестник
ВНИИЖТ, № 3 1990 г.
21. Осадчук Г. И., Слушаенко А. Н. Холодильное оборудование вагонов и
кондиционирование воздуха, Москва, Трансжелдориздат, 1963 г.
22. Зворыкин М. Л., Черкез В. Н. Кондиционирование воздуха в пасса-
жирских вагонах, Москва, Транспорт, 1977 г.
23. Бартош Е. Т., Панфёров В. И. Перспективы тепловых насосов на же-
лезнодорожном подвижном составе, Вестник ВНИИЖТ, 1980 г., № 7.
24. Бартош Е. Т. Тепловые насосы в энергетике железнодорожного транс-
порта. — М: Транспорт. 1985 г.
25. Жандецкий В. В. Теория и опыт применения теплонасосных установок
для отопления пассажирских вагонов. Автореферат диссертации канд.
техн, наук, ВНИИЖТ. —- М 1991.
26. Грезин А. К., Деньгин В. Г., Мифтахов Р. М. Опыт создания современных
систем кондиционирования воздуха пассажирских вагонов. Сборник док-
ладов под редакцией Буравого С. Е. по системам вентиляции, кондицио-
нирования и отопления в пассажирских вагонах, С.-Петербург, 2001 г.
27. Система кондиционирования воздуха пассажирского вагона с воздуш-
ным холодильным циклом, Пояснительная записка ПКБ (В) Магист-
раль, Москва. 1996 г.
28. Адольф У. Состояние развития и тенденция кондиционирования под-
вижного рельсового состава в ФРГ. Сборник докладов под редакцией
Буравого С. Е. по системам вентиляции, кондиционирования и отопле-
ния в пассажирских вагонах, С.-Петербург, 2001 г.
29. Протокол летних пробежных испытаний вагона модели 9502, ВНИ-
ИЖТ, 1998 г.
30. Протокол зимних испытаний вагона модели 9510, ВНИИЖТ, 2000 г.
31. Протокол акустических испытаний КУ7175 в составе вагона модели
9502, ОАО НПО «Наука», 1998 г.
32. Маркман М. Д., Назарцев А. А. Особенности разработки и оснащения
КСКВ (испарительные блоки + термоэлектрические доводчики, распре-
деленные по купе) пассажирских вагонов повышенной комфортности,
Сборник докладов под редакцией Буравого С. Е., С.-Петербург, 2001 г.
33. Корнев Ю. В., Тамбовский В. В., Тимофеевский А. Л. Восстановление
СКВ пассажирских вагонов в процессе КВР с переходом на озонобе-
зопасные фреоны. Сборник докладов под редакцией Буравого С. Е.,
С.-Петербург, 2001 г.
34. Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ.
Справочник под редакцией С. Н. Богданова, С.-Петербург, 1999 г.
35. Быков А. В., Калпин И. М., Сапронов В. И. Программа перехода на
озонобезопасные хладагенты. Холодильная техника, № 10, 1991 г.
133
36. Перельштейн И. И., Парушин Е. Б. Термодинамические и теплофизи-
ческие свойства рабочих веществ холодильных машин и тепловых на-
сосов. Москва, Легкая и пищевая промышленность, 1984 г.
37. Крюзе X. Анализ циклов с неазеотропными смесями холодильных агре-
гатов на основе математических расчетов и технических измерений.
ВЦП. Пер. с немецкого № КР-72025.
38. Амброзио Ж. Л., Арно Д. Новые холодильные агрегаты, неазеотропные
смеси. ВНИИХолодмаш. Пер. с франц. № 068910200480.
39. Анефельд Г. Использование неазеотропных двухкомпонентных хлада-
гентов в компрессорах тепловых насосов и холодильных установок.
ВЦП. Пер. с немецкого № Е-17928.
40. Технические средства и технология перевода вагонных кондиционеров
на использование экологически чистого теплоносителя. Отчет ВНИ-
ИЖТ, Москва, 1992 г.
41. Панферов В. И., Науменко С. Н., Жариков В. А. Рабочий агент для хо-
лодильной установки, Патент RU2137055.
42. Китаев Б. Н., Жариков В. А. Физическая коррекция температурно-
влажностных параметров воздуха в пассажирских вагонах. Вестник
ВНИИЖТ, № 2, 1993 г.
134