Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы, цели и задачи работы 21
1.1 Общая характеристика состояния разработки и производства транспортных СКВ 21
1.2 СКВ для пассажирских вагонов и вагонов–ресторанов 22
1.3 Системы кондиционирования для кабин управления 28
1.4 Кондиционеры для предполетной подготовки авиационной техники 31
Выводы по первой главе. Цели и задачи исследования 33
Глава 2. Теплообменные процессы в транспортных объектах с системами кондиционирования 36
2.1 Обобщенная математическая модель теплового режима объекта с СКВ (на примере пассажирского вагона) 36
2.2 Анализ установившихся и переходных тепловых процессов для воздушной среды объекта кондиционирования, требования к СКВ и системе управления 45
2.3 Тепловой режим отдельного помещения (купе вагона, каюты корабля) с центральной СКВ 59
2.4 Индивидуальное управление температурой в помещении с центральной системой кондиционирования 63
2.5 Универсальная система индивидуального управления температурой воздуха в купе пассажирского вагона 70
2.6 Упрощенная система индивидуального регулирования температуры воздуха в купе 74
2.7 Тепловой режим транспортного объекта в отопительный период 76
2.8 Подвижность воздуха в замкнутых объемах, пути оптимизации воздухораспределения в транспортных объектах 81
Выводы по второй главе 90
Глава 3. Исследование путей снижения энергопотребления транспортными СКВ 922
3.1 Способы повышения энергетической эффективности транспортных СКВ 92
3.2 Анализ схем компрессионного кондиционера с тепловым насосом, перспективы снижения энергопотребления СКВ транспортного объекта в отопительный период 94
3.2.1 Термодинамические циклы ПКХМ в режимах охлаждения и теплового
насоса и вопросы их реализации 95
3.2.2 Тепловой насос в транспортных СКВ в отопительный период 97
3.3 Повышение холодильного коэффициента ПКХМ за счет интенсификации теплообмена на конденсаторе 107
3.4 Кинетика испарения капель в системах охлаждения 112
3.5 Особенности проектирования высоконапорных транспортных СКВ 118
3.6 Инженерная методика расчета двухфазных термосифонов для систем охлаждения 128
Выводы по третьей главе 131
Глава 4. Характеристики и методики расчета теплообменников для транспортных кондиционеров 132
4.1 Требования к теплообменникам, методам расчета и подбора для транспортных кондиционеров 132
4.2 Экспериментальное исследование коэффициентов теплоотдачи и аэродинамического сопротивления трубчато-пластинчатых теплообменников .. 137
4.3 Оптимизация расчета и конструкций теплообменников для транспортных кондиционеров 148
Выводы по четвертой главе 155
Глава 5. Исследование испарительно – компрессионных транспортных кондиционеров 157
5.1 Использование в СКВ эффекта охлаждения при увлажнении воздуха 157
5.2 Основные схемы комбинированных испарительно–компрессионных кондиционеров 160
5.3 Методика расчета испарительно–компрессионных СКВ
5.3.1 Базовая СКВ ИКСК–3 166
5.3.2 Упрощенная система ИКСК–4 174
5.3.3 Анализ системы кондиционирования ИКСК–5 180
5.3.4 Оценка возможностей упрощенной СКВ ИКСК–6
5.4 Сравнительный анализ характеристик компрессионных, испарительных и комбинированных СКВ 187
5.5 Испарительно–рекуперативные системы кондиционирования 191
Выводы к пятой главе 197
Глава 6. Принципы построения, алгоритм проектирования, унифицированные ряды транспортных кондиционеров и систем кондиционирования воздуха 199
6.1 Алгоритм проектирования транспортных парокомпрессионных кондиционеров 199
6.1.1 Принципы построения кондиционеров для транспорта 199
6.1.2 Структура транспортного кондиционера с ПКХМ, требования к его отдельным составляющим и системе управления 201
6.1.3 Методика и алгоритм проектирования транспортных кондиционеров
2 6.2 Общая характеристика созданных кондиционеров 210
6.3 Оценка эффективности созданных транспортных СКВ 212
6.4 Моноблочные кондиционеры для кабин управления 223
6.5 СКВ с распределенными параметрами для электропоездов и рельсовых автобусов 230
6.6 Кондиционеры средней мощности для мобильных управляющих комплексов и карьерных экскаваторов 233
6.7 Моноблочные парокомпрессионные кондиционеры для пассажирских вагонов и вагонов–ресторанов 236
6.7.1 Варианты исполнения, общее описание конструкции, технические характеристики исполнений 2377
6.7.2Особенности кондиционеров для пассажирских вагонов и вагонов– ресторанов, результаты испытаний 241
6.8 Кондиционеры для моторвагонного подвижного состава 252
6.9 Гибридная испарительно–компрессионная установка 255
6.10 Кондиционеры для предполетной подготовки авиационной техники 258
6.11 Передвижные кондиционеры и установки охлаждения специального назначения 264
6.12 Методики и стенды для теплотехнических испытаний транспортных климатических установок 268
6.12.1Испытания железнодорожных кондиционеров 270
6.12.2Стенд для испытаний аэродромных кондиционеров 275
Выводы по шестой главе 276
Заключение. Основные результаты и выводы 278
Список литературы 282
- СКВ для пассажирских вагонов и вагонов–ресторанов
- Тепловой режим отдельного помещения (купе вагона, каюты корабля) с центральной СКВ
- Тепловой насос в транспортных СКВ в отопительный период
- Экспериментальное исследование коэффициентов теплоотдачи и аэродинамического сопротивления трубчато-пластинчатых теплообменников
Введение к работе
Актуальность работы. Рынок транспортных систем кондиционирования (СКВ) в России в последние 15- 20 лет существенно расширился и в настоящее время формируется с учетом требований по оснащению климатическими установками таких объектов как: пассажирские вагоны, вагоны-рестораны, салоны и кабины управления локомотивов, трамваев, рельсовых автобусов, вагонов метро и электропоездов, карьерных экскаваторов, различных кранов, мобильных пунктов управления и наземных систем подготовки летательных аппаратов к полетам.
Для транспортных СКВ характерно многообразие объектов и технических условий, повышенные требования к массогабаритным параметрам, сочетание высокой функциональной эффективности и надежности с минимальным энергопотреблением в сложных динамических условиях эксплуатации. Уровень комфорта в транспортных объектах существенно влияет на работоспособность персонала и аппаратуры и почти всегда влияет на безопасность эксплуатации транспортного средства.
Актуальность работы определяется необходимостью разработки научно-методических основ создания транспортных систем кондиционирования воздуха на базе современных технических и технологических решений с учетом повышенных требований к энергоэффективности.
Степень разработанности темы диссертации. В Российской Федерации в период с 1995 по 2010 год возникло более 20 коллективов и предприятий, занимающихся разработкой и производством СКВ для транспортных объектов. Как правило, эти работы носят частный характер, направлены на решение конкретной технической задачи, а принимаемые решения зачастую оказываются функционально и экономически неэффективными. Они используют результаты фундаментальных научных исследований, проведенных в Советском Союзе и зарубежными учеными еще в 70 - 80 г. г. XX века. Однако разнообразие и специфика объектов, а также усложнение требований к транспортным СКВ приводят к необходимости разработки новых подходов к решению проблемы проектирования и производства транспортных средств кондиционирования.
Научные исследования в рамках указанной проблемы автором были начаты в конце 80-х гг. XX века под руководством профессора, доктора технических наук О.П. Иванова на кафедре кондиционирования воздуха Ленинградского технологического института холодильной промышленности (ЛТИХП) (ныне Университет ИТМО). Под руководством и при непосредственном участии автора они нашли практическое приложение в ряде промышленных предприятий Санкт-Петербурга. Диссертация обобщает 25-летний теоретический и практический опыт исследований и разработок автора, формирует в комплексе научную концепцию создания транспортных СКВ.
Цель работы: Создание научно-методических основ проектирования транспортных СКВ, методологии и алгоритмов их разработки, а также разработка принципов построения эффективных транспортных СКВ.
4 Достижение поставленной цели связано с решением следующих задач:
Исследование нестационарных тепло-массообменных процессов в транспортных объектах с СКВ.
Анализ путей повышения энергетической эффективности транспортных СКВ.
Исследование тепловых и аэродинамических характеристик современных промышленных трубчато-пластинчатых теплообменников, разработка методик и алгоритмов их расчета.
Исследование и разработка испарительно-компрессионных транспортных кондиционеров.
Разработка алгоритма проектирования и принципов построения эффективных транспортных кондиционеров, удовлетворяющих требованиям энергосбережения и функциональной надежности.
Разработка алгоритмов и систем управления транспортными кондиционерами, эффективно реагирующих на динамично изменяющиеся внешние условия и внутренние требования объекта кондиционирования.
Создание унифицированных рядов эффективных транспортных кондиционеров для различных областей техники, разработка методик и создание стендов для поверки кондиционеров в условиях производства и эксплуатации.
Научная новизна работы:
Предложены и подробно разработаны физическая и математическая модели нестационарного теплового режима воздушной среды замкнутого объекта с системой кондиционирования.
Исследованы переходные процессы в воздушных средах для объектов с системами кондиционирования.
Исследован испарительный эффект охлаждения при взаимодействии дисперсных водо-воздушных потоков с теплоотдающей поверхностью.
Исследованы и обоснованы схемы энергоэкономичных комбинированных испарительно-компрессионных систем кондиционирования.
Исследованы тепловые и аэродинамические характеристики современных воздушных трубчато-пластинчатых теплообменников с гофрированной поверхностью ребер; предложены критериальные соотношения для расчета коэффициентов теплоотдачи и аэродинамического сопротивления теплообменников со стороны воздуха.
Разработана методика, алгоритм проектирования и принципы построения эффективных транспортных СКВ, удовлетворяющих требованиям энергосбережения и функциональной надежности.
Разработаны алгоритмы автоматического управления кондиционерами и СКВ в целом для динамически меняющихся условий эксплуатации и ограничений по используемой мощности, в том числе - с режимом теплового насоса в отопительный период.
Разработаны физические модели для численной оценки подвижности воздуха в зоне нахождения пассажиров. Предложены оптимальные конструкции воздухораспределителей.
Разработаны методики и стенды для испытаний кондиционеров при серийном производстве и при эксплуатации.
Теоретическое значение исследований состоит в разработке основ расчета нестационарных тепловых режимов воздушных сред в замкнутых объемах с системами кондиционирования; обосновании путей повышения энергетической эффективности холодильного контура кондиционера, способов интенсификации теплообмена с поверхности тепловыделяющих элементов; получении новых данных по характеристикам современных теплообменников; создании методик и алгоритмов проектирования, управления и поверки кондиционеров; выборе энергоэффективных циклов работы холодильной машины в режиме теплового насоса.
Методология и методы исследования. При решении сформулированных задач в диссертации использованы физически обоснованные методы обобщения и идеализации объектов в сочетании с экспериментальными исследованиями отдельных структурных элементов и обобщением полученных результатов. При обработке результатов применены статистические методы.
На защиту выносятся следующие основные положения, имеющие новизну, научную и практическую ценность:
Физическая и математическая модели нестационарных тепловых процессов в воздушных средах замкнутых объемов с системами кондиционирования, результаты анализа этих процессов и их практическое использование.
Результаты исследования тепло- и аэродинамических характеристик современных трубчато-пластинчатых теплообменников, обобщенные критериальные соотношения для расчета коэффициентов теплоотдачи и аэродинамического сопротивления для этих теплообменников.
Результаты анализа процессов интенсификации теплообмена при взаимодействии дисперсного водо-воздушного потока влажного воздуха с теп-лоотдающей поверхностью.
Результаты исследования энергоэкономичных комбинированных ис-парительно-компрессионных систем кондиционирования.
Методология и алгоритм проектирования эффективных транспортных систем кондиционирования.
Алгоритмы управления СКВ и кондиционерами в динамических режимах эксплуатации, в том числе с режимом «теплового насоса».
Унифицированные ряды транспортных кондиционеров с широким диапазоном изменения производительности и расхода воздуха, новизна и оригинальность технических решений в которых защищены авторскими свидетельствами и патентами.
Методики и стенды для испытаний кондиционеров при серийном производстве и в процессе эксплуатации.
Достоверность теоретических положений, расчетов, экспериментальных исследований и выводов диссертации подтверждается созданием эффективных систем кондиционирования воздуха для различных транспортных объектов в широком диапазоне изменения расхода и напора воздуха, производительности, параметров внешней среды; соответствием характеристик этих средств техническим заданиям и нормативным документам; положительными результатами Межведомственных (МВК) и Государственных (ГК) испытаний, а также их широким использованием в различных областях техники.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
Разработаны принципы построения, требования к структурным элементам и системам управления эффективных транспортных кондиционеров, в том числе - с режимом теплового насоса.
Обоснованы пути снижения энергопотребления СКВ пассажирского вагона.
Получены соотношения для выбора технических параметров кондиционеров и требований к ним со стороны объекта в установившемся и переходном режимах.
Обоснованы способы и разработаны устройства индивидуального управления микроклиматом в отдельном помещении (купе, каюта), новизна которых защищена патентами и авторскими свидетельствами на изобретения.
Разработаны пути повышения эффективности кондиционеров и СКВ в целом за счет использования дисперсных перенасыщенных водо-воздушных потоков и комбинированных компрессионно-испарительных систем, предложены соответствующие методики расчета.
Создана энергоэффективная система предварительного охлаждения воздушного потока в высоконапорных СКВ с использованием двухфазного термосифона, предложена инженерная методика ее расчета.
Получены новые данные по тепловым и аэродинамическим характеристикам современных промышленных трубчато-пластинчатых теплообменников с гофрированными ребрами.
Разработаны и переданы вагоностроительным и вагоноремонтным предприятиям России, Украины и Белоруссии алгоритмы управления СКВ пассажирских вагонов и вагонов-ресторанов, в том числе - с режимом теплового насоса, индивидуальным управлением в купе и раздельной обработкой воздуха в салоне и кухне ресторана.
Ремонтным предприятиям переданы методики, алгоритмы и установки для поверки работоспособности кондиционеров в процессе эксплуатации.
На основе выполненных научных исследований при непосредственном участии автора и под его руководством создано 5 унифицированных рядов транспортных кондиционеров и СКВ более 50 типов установок для различных транспортных объектов с широким диапазоном производительности, массогабаритных и энергетических параметров. Все кондиционеры
7 прошли Межведомственные или Государственные Комиссии (МВК или ГК), соответствуют техническим заданиям и рекомендованы для установки на соответствующие объекты:
-пять российских предприятий выпускают малыми сериями транспортные кондиционеры, созданные на основе научных разработок автора или под его руководством: ОАО «НТЦ «Завод «Ленинец», ЗАО «Петроклима», ООО «Балтийские системы кондиционирования», ООО «ПроКом», ОАО «До-Кон»;
-на сети железных дорог России, Украины и Белоруссии в эксплуатации находятся около 2500 кондиционеров и систем с режимом теплового насоса; -более 100 кондиционеров установлено на шагающих экскаваторах производства ООО «Картэкс» и АО «Уралмаш», более 50 — на мобильных пунктах управления;
-аэродромные кондиционеры АК 1.0-30-1-1, АК 1,6-20-1-1 и электротепло-агрегат АТА 100-04/30 приняты на вооружение Российской Армии, где по состоянию на 31 декабря 2015 г. находилось 90 кондиционеров этого типа, изготовленных по Оборонному Заказу ОАО «НТЦ «Завод «Ленинец» в 2010 -2015 г.г. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе:
кафедры кондиционирования воздуха Национального исследовательского университета ИТМО в лекционных курсах «Транспортные системы жизнеобеспечения», «Холодоснабжение систем жизнеобеспечения на транспорте», «Тепломассообменные аппараты систем жизнеобеспечения на транспорте» для студентов, бакалавров и магистров, обучающихся по направлению подготовки 141200 «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения» по профилю «Системы жизнеобеспечения и климатическая техника», при курсовом и дипломном проектировании СКВ транспортных объектов в рамках указанного направления подготовки;
кафедры 24 «Криогенная техника, системы кондиционирования и метрологическое обеспечение» Военно-учебного научного центра (ВУНЦ ВВС) Военно-воздушной академии имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина при подготовке методических материалов по дисциплине «Системы динамического охлаждения и отопления», тема 4 «Конструкция аэродромных кондиционеров», в которой рассматриваются общие вопросы проектирования высоконапорных кондиционеров, техническое устройство и особенности эксплуатации аэродромных кондиционеров.
Апробация работы. Основное содержание диссертации отражено в 110 публикациях, в том числе 19 в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 56 в других журналах и сборниках, материалах союзных, российских и международных конференций, семинаров и научных школ, в 35 патентах и авторских свидетельствах на изобретение. По результатам работы были представлены и обсуждены доклады на 36 международных, союзных и российских научно-технических конференциях, а также отраслевых мероприятиях по системам кондиционирования, холодильной технике, транспортным СКВ. Разработанные образцы неоднократно демонстрировались на отече-
8 ственных и международных выставках, в том числе на Международных авиационно-космических салонах МАКС в 2009-2016 г.г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения и 3 приложений, изложена на 289 страницах машинописного текста и дополняется 99 рисунками, 23 таблицами и списком литературы из 245 наименований.
СКВ для пассажирских вагонов и вагонов–ресторанов
Все кондиционеры прошли испытания по программам межведомственных (МВК) или государственных комиссий (ГК), соответствуют техническим заданиям и рекомендованы для установки на соответствующие объекты. 2. Пять российских предприятий выпускают малыми сериями транспортные кондиционеры, созданные на основе научных разработок автора или под его руководством: ОАО НТЦ «Завод Ленинец» , ЗАО «Петроклима»,ООО «Балтийские системы кондиционерования», ООО «ПроКом» ,ОАО «ДоКон». 3. На сети железных дорог России, Украины и Белоруссии в эксплуатации находятся около 2500 кондиционеров и систем с режимом теплового насоса. 4. Более 100 кондиционеров установлено на шагающих экскаваторах производства ООО «ИЗ–КАРТЭКС» (г.Санкт–Петербург) и АО «Уралмаш» (г.Екатеринбург), более 50 на мобильных пунктах управления. 5. Аэродромные кондиционеры АК 1,0–30–1–1, АК 1,6–20–1–1 и АТА–100 приняты на вооружение Российской Армии. На 31 декабря 2015 г. в военно– воздушных силах РФ на вооружении находятся 90 кондиционеров этого типа, изготовленных по Оборонному Заказу в 2010 – 2015 г.г. 6. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе: - кафедры кондиционирования воздуха Университета ИТМО в авторских лекционных курсах «Транспортные системы жизнеобеспечения», «Холодоснабжение систем жизнеобеспечения на транспорте», «Тепломассообменные аппараты систем жизнеобеспечения на транспорте» для студентов, бакалавров и магистров, обучающихся по направлению подготовки 141200 «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения» по профилю «Системы жизнеобеспечения и климатическая техника», при курсовом и дипломном проектировании СКВ транспортных объектов в рамках указанного направления подготовки; - кафедры 24 «Криогенная техника, системы кондиционирования и метрологическое обеспечение» Военно–учебного научного центра (ВУНЦ ВВС) «Военно–воздушная академия имени профессора Н.Е.Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г.Воронеж) при подготовке методических материалов для проведения занятий по дисциплине «Системы динамического охлаждения и отопления», тема 4 «Конструкция аэродромных кондиционеров», в которой рассматриваются общие вопросы проектирования высоконапорных кондиционеров, техническое устройство и особенности эксплуатации аэродромных кондиционеров.
Апробация работы. Основное содержание диссертации отражено в 110 публикациях, в том числе в 19 журналах, входящих в перечень ВАК РФ, в 42 других журналах и сборниках,материалах союзных, российских и международных конференций, семинаров и научных школ, в 30 патентах и авторских свидетельствах на изобретение.
По результатам работы в период с 1987 по 2015 г.г. были представлены и обсуждены доклады на 36 различных международных, союзных и российских научно–технических конференциях, а также отраслевых мероприятиях по системам кондиционирования, холодильной технике, транспортным СКВ, в том числе: на Всесоюзной научно–практической конференции «Искусственный холод в отраслях агропромышленного комплекса», Москва, 1987 г.; V Всесоюзной школе молодых учёных и специалистов «Современныепроблемытеплофизики», Новосибирск, 1988г.; Всесоюзной НТК «Пути интенсификации производства с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, торговле и на транспорте» 1989 г., Одесса; Всесоюзной конференции «Холод– народному хозяйству», Ленинград, 1991 г.; Научно–практическом семинаре «Системы вентиляции, кондиционирования и отопления в пассажирских вагонах», Санкт–Петербург, 2001г.; Международной конференции «Желдормашиностроение–2004», Москва;Сетевой школе «Перспективные системы кондиционирования воздуха пассажирских вагонов», Челябинск, 2005 г.; IV Международной научно–технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», 2009 г., Санкт–Петербург; II–ой Международной научно–практической конференции «Наука в транспортном измерении: пассажирские перевозки», Украина, Киев, 2006 г.; Научно– практической конференции «Энергосбережение в системе
теплоснабжения.Повышение энергетической эффективности», 2010 г., Санкт– Петербург;70–ой Международной научно - практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта», Днепропетровск, 2010г.; Международных выставках «CHILLVENTA 2011» и «CHILLVENTA 2012», Москва; 5–ой и 6–ой Международных научно– технических конференциях «Низкотемпературные и пищевые технологии в 21 веке» 2011г., 2013г., Санкт–Петербург;7–ой Международной теплофизической школе, Тамбов, 2010г.; научной конференции, посвященной 80–летию кафедры Э–4 МГТУ им Н.Э.Баумана, Москва, 2010г.; Научно–технических конференциях профессорско–преподавательского состава и научных семинарах кафедры «Кондиционирование воздуха» СПб ГУНиПТ (ЛТИХП) в период 1988–2015г.г.; расширенном заседании пассажирской секции Научно–технического Совета ОАО «РЖД» Москва, 9.09.2008г.; Научно–технических Советах различных подразделений Минобороны РФ;9–ой Международной научно–практической конференции «Современные проблемы холодильной техники и технологии», Одесса, 112 сентября2013г.; Всероссийской научно–практической конференции «Академические Жуковские чтения», военного Учебно–научного центра военно– воздушных сил «Военно–воздушная академия имени профессора Н.Е.Жуковского и Ю.А.Гагарина» (ВУНЦ ВВС «ВВА»), Воронеж, 20–21 ноября 2013г.; Всероссийской научно–технической конференции «Приоритетные направления и актуальные проблемы развития средств технического обслуживания летательных аппаратов», Воронеж, 4–5 марта 2014 г. и др. Разработанные образцы неоднократно демонстрировались на отечественных и международных выставках, в том числе на Международных авиационно–космических салонах МАКС– Москва в 2009–2014г.г.
Тепловой режим отдельного помещения (купе вагона, каюты корабля) с центральной СКВ
Полученные в предыдущем разделе соотношения позволяют исследовать возможность управления температурой в отдельном помещении при наличии центральной системы кондиционирования. Ниже будет показано, что, как следует из этих решений, управление может быть реализовано достаточно просто без каких либо существенных энергетических затрат.
Ощущение комфорта по температуре и подвижности воздуха у человека зависит от его физиологического состояния, массы, времени года и у каждого субъекта индивидуально. В связи с этим проблема управления температурой воздуха в отдельно взятом помещении производственного здания, офиса, купе пассажирского вагона, каюты корабля или кабины транспортного средства представляется весьма важной. Особенно актуальной эта проблема становится для пассажиров железнодорожного и водного транспорта и машинистов кабин управления, длительное время находящихся в замкнутом объеме.
В общепромышленных, офисных и судовых центральных системах кондиционирования для индивидуального управления применяются одноканальные и двухканальные системы [89,116]. В первом случае воздух после кондиционера подается в помещение, где дополнительно обрабатывается доводчиками: электрическими, водяными, термоэлектрическими или другими с промежуточными теплоносителями. Во втором используются два канала подачи воздухас разными параметрами и смешением его в соответствующем помещении. Конcтруктивные и энергетические особенности применения этих способов не позволяют использовать их напрямую в пассажирских вагонах, а судовые системы оказываются весьма громоздкими.
Впервые применительно к пассажирским вагонам проблема была сформулирована в докладе сотрудников Министерства путей сообщения РФ А.Д.Емельянова и Ю.В.Корнева (Департамент пассажирских сообщений МПС РФ) в 2001году [189,С.11–17]. Санитарные правила СП2.5.1198–03 [183], утвержденные в 2003году, нормируют для купейных вагонов «люкс» и 1–ого класса необходимость индивидуального регулирования температуры в купе в пределах от 18 до 28С во всем возможном диапазоне температур, как в летний и зимний, так и в переходный период. Такой широкий диапазон регулирования в габаритах вагона практически не осуществим, т.к. в летний период при температуре среды 40С необходимо в каждое купе подавать воздух с температурой 16С в объеме не менее 2000 м3/час вместо 400. В зимний период для подогрева воздуха до 28С требуется для каждого купе дополнительно около 1,5 кВт мощности (для всего вагона не менее 15 кВт), что существенно превышает возможности системы электроснабжения вагона.
С физиологической точки зрения для ощущения комфорта вполне достаточно индивидуального регулирования температуры в купе в пределах 4 градусов, т.е. от 18 до 22С зимой, от 20 до 24С и от 24 до 28С летом. По этому пути пошли Европейские железные дороги, в вагонах которых Т2, 2ТS, Bpmz (ФРГ), VU75 и VTU75 (Франция) и других диапазон ручного регулирования температуры воздуха в купе составляет ± 2K от средней номинальной температуры. Причем это регулирование осуществляется с помощью электронагревателей, установленных в каждом купе. Аналогичное решение было реализовано на ОАО «ТВЗ» для вагонов поезда «Красная стрела» в 2005–2006 г.г. Очевидно, что такая схема для летнего периода является энергетически невыгодной, т.к. воздух сначала охлаждается центральным кондиционером, а затем подогревается купейным доводчиком. Причем каждый доводчик в купе имеет номинальную мощность от 600 до 750 Вт. Учитывая актуальность проблемы, отечественные вагоностроители и разработчики СКВ для вагонов уже в 2003–2006г.г., кроме уже упоминавшегося поезда «Красная стрела»,предложили и реализовали ряд вариантов ее решения. Так, ЗАО «Циркон Сервис» стало устанавливать на разрабатываемые вагоны повышенной комфортности бытовые канальные кондиционеры фирмы «Дайкин» с доводчиками–фанкойлами. ОАО «ГосНИИ вагоностроения» совместно с ЗАО «ОСТРОВ» предложило СКВ–26 с промежуточным теплоносителем, аналогичную использованной ранее на вагоне–ресторане модели 61–4189 производства ОАО «ТВЗ». Эта система включает кондиционер, как блок подготовки сред, гидроблок, систему герметичных хладопроводов, десять купейных охладителей воздуха фанкойлов и заполняется антифризом. Система, даже для вагона–ресторана, оказалась весьма сложной в настройке и недостаточно надежной в эксплуатации, существенно увеличивала уровень шума в купе. На ОАО «ТВЗ», естественно, отказались от ее использования в серийных вагонах. Аналогичная по компоновке СКВ с испарительным кондиционером и термоэлектрическими доводчиками в купе была предложена ЗАО «ЭЛСОКС» в 2001 году[189, С.86–89]. Система была установлена на опытном образце вагона, прошла дорожные испытания, но распространения не получила в связи с большим энергопотреблением доводчиков (до 1,2 кВт на купе) и ограниченных возможностях испарительного кондиционера в зонах с повышенной влажностью.
В 2002–2003г.г. автором на основе решения задачи о характере изменения температуры воздуха в отдельном помещении при наличии центральной системы была предложена СКВ пассажирского вагона, направленная на «создание условий для индивидуального управления параметров воздуха» в купе и не требующая дополнительных энергетических затрат [167]. Система предусматриваетразмещение в вагоне дополнительного центрального воздуховода, устройства для частичного смешения потоков наружного и рециркуляционного воздуха и узла индивидуальной подачи и регулирования расхода последнего. В частности предусматривалась возможность использования одного, деленного на две части центрального воздуховода. В 2004–2006г.г. это предложение было дополнено способом индивидуального регулирования температуры в купе и вариантами устройствдля его реализации, которые предусматривали поддержание постоянного давления воздуха в рециркуляционном воздуховоде, клапаны подачи этого воздуха и датчики статического давления, управляемые от задатчика температуры в купе [167]. Позднее эта система была развита для одного воздуховода с соответствующим распределительным устройством для управления расходом и температурой воздуха, входящего в каждое купе, и реализована впервые на поезде «Александр Невский» и ряде фирменных поездов в России и Украины. Анализ возможностей этих систем дан ниже в разделах 2.5 и 2.6.
В статье [86] к.т.н. В.А. Жариков (ВНИИЖТ), рассматривая некоторые СКВ с индивидуальным управлением температуры в купе, отмечает достоинства предложенных в [166,167] систем в отсутствии дополнительного потребления энергии и в простоте модернизации центрального воздуховода. Называя эти системы пассивными, автор статьи [86] отнес их к инерционным, ошибочно связав процесс перестройки температуры воздуха в вагоне только с инерционностью самого вагона, измеряемой часами. Как показано в предыдущем разделе 2.3, инерционность перестройки температурного поля воздуха в купе не превышает нескольких минут и значительно меньше инерционности вагона.
Тепловой насос в транспортных СКВ в отопительный период
Для транспортных кондиционеров проблема инееобразования и режима оттайки в режиме ТН приобретает особое значение, т.к. в них расстояние между ребрами теплообменников не превышает 2,5 мм и время нарастания инея составляет несколько десятков минут.
Существует несколько способов оттаивания испарителей: электронагревателями, орошением водой или пересыщенным водяным паром, горячими парами хладагента и другие. Достаточно подробно особенности этих способов их реализации рассмотрены в обширном справочнике [91]. Сигнал на начало оттаивания обычно подается через определенные временные интервалы, задаваемые программой управления. Такой способ часто не дает нужного эффекта, так как отсутствует определенная зависимость свойств и толщины слоя инея от времени при переменных условиях теплообмена: температуре, влажности, состава и скорости движения воздушной среды.
Наиболее оптимальным с практической точки зрения способом является оттаивание парами хладагента путем перевода кондиционера в режим холодильной машины. Время начала процесса целесообразно определять по температуре или давлению хладагента на входе компрессора, измеряемых с помощью соответствующих датчиков, а управлять алгоритмом работы СКВ (см. раздел 6). Такой подход объясняется тем, что при образовании инея уменьшаются температура и давление хладагента в каналах испарителя (наружного блока в режиме теплового насоса). Действительно, считая процесс установившимся, тепловой поток Q0 в испарителе (наружном блоке) от воздуха c температурой tв определяется соотношением (3.1) Q0 = (tв tи )/ Rи,эфф , где Rи,эфф = 1/(нар Sнар ) + 1/(и Sи ) + Rтр , (3.2) tи температура испарения хладагента, Rи,эфф эффективное тепловое сопротивление теплообменника наружного блока между воздухом и теплоносителем,нар и и коэффициенты теплоотдачи соответственно к наружному воздуху при отсутствии инея и к хладагенту при испарении, Sнар,Sи площади поверхностей теплообмена к наружному воздуху и к хладагенту, Rтр тепловое сопротивление трубок испарителя. Из (3.1) следует, что при образовании инея температура испаряющегося хладагента связана с потоком Q0 и тепловым сопротивлением теплообменника Rи,эфф соотношением t = t D„R фф (3.3) Т.к. при образовании инея изменяются и поток Q0 и эффективное сопротивление Rи,эфф , то выражение (3.3) потребовало дополнительного исследования характера изменения tи. Анализ проведен совместно с аспирантом В.П. Прийминым. Для оценки входящих в (3.3) значений параметра нар и Rи,эфф использовались данные исследований В. Ивановой [97-99]при следующих условиях: относительная влажность воздуха р = 0,88; массовая скорость воздуха (w-p0) = 6,27 кг/( с-м2 ).Опыты проводились при нулевых температурах поступающего воздуха при среднем логарифмическом температурном напоре в = 7 + 8 С . Массовый расход воздуха поддерживали постоянным, регулируя скорость вращения вентилятора. Средняя температура воздуха по аппарату была принята f = -2С, в расчетах использовался теплообменник с площадью теплообменной поверхности по наружной стороне FH = 79 м , начальная холодопроизводительность установки была принята Q0= 17,1 кВт. Результаты расчетов сведены в таблицу 3.1.
Уменьшение температуры tи при образовании инея приводит к снижению давления всасывания, значение которого дает сигнал на включение процесса оттаивания. При создании унифицированных кондиционеров с ТН, описанных в разделе 6, было принято допустимым снижение давления всасывания до значения 0,01 МПа при рабочем (0,24 0,25) МПа, т.е. при снижении давления практически до нуля. При этом частота питающего компрессор напряжения уменьшается до 20 Гц. 7. Следует обратить внимание еще на один аспект использования режима теплового насосав условиях РФ в осенне–весенний и зимний периоды. Как хорошо известно, в этот период большое количество единиц подвижного состава ОАО РЖД находится в отстое на специальных площадках. При этом системы отопления в соответствии с принятыми правилами должны поддерживать температуру в салонах и кабинах подвижного состава на уровне 8С.Как показано в разделе 2.7 (рисунок 2.10), для обогрева вагона при наружной температуре минус 20С необходимо подавать в вагон 12 кВт тепловой мощности, при минус 30С около 15 кВт. Режим теплового насоса оказывается в этом случае в 2–3 раза экономичнее жидкостного отопления при наличии внешнего источника электроснабжения.
В данном разделе рассмотрена возможность повышения холодильного коэффициента ПКХМ при охлаждении конденсатора смесью влажного воздуха и мелких капель воды. Интенсивность охлаждения такой смесью оказывается значительно эффективнее, чем сухим или влажным воздухом. Во–первых, наружный воздух с начальной температурой tс после увлажнения охлаждается до уровня психрометрической температуры «мокрого» термометра tм, поэтому приобретает способность охлаждать тело до более низкой температуры. Во– вторых, находящиеся в воздухе капли воды, сталкиваясь с поверхностью нагретого тела, растекаются по его поверхности в виде тонкой пленки, нагреваются и, интенсивно испаряясь, дополнительно, через прямой контакт охлаждают нагретое тело.
Поэтому теплоотдача в перенасыщенной водо–воздушной среде существенно отличается от теплоотдачи в сухом и даже влажном насыщенном воздухе. Для учета процесса испарения проведен сравнительный анализ закономерностей охлаждения тела сухим, увлажненным насыщенным и перенасыщенным воздухом[68,71]. Пусть нагретое тело имеет температуру tн, наружный сухой воздух – температуру tс, а насыщенный и перенасыщенный влажный воздух температуру tм, причем tн tм tс. При охлаждении тела потоком сухого воздуха с участка F поверхности тела в среду переносится конвекцией тепловой поток Qтc =oiтF(tп — tc), (3-4) где ост - коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м -К). При охлаждении тела потоком увлажненного насыщенного воздуха в среду с участка F его поверхности, соответственно, будет уноситься тепловой поток Qтм =CLтF\tн —tм) (3-5) При охлаждении потоком увлажненной перенасыщенной воздушно-капельной смеси помимо конвективного потока 2тм в среду начинает поступать тепловой поток 2ти, уносимый из тела потоком пара от испаряющихся капель, ?ти = clиS:LмnF {dн — dм) \3v) где:ди - удельная теплота испарения воды, Дж/кг; осм - коэффициент массоотдачи между мокрой поверхностью и средой, кг/(м -с); п -коэффициент заполнения участка F тела испаряющимися каплями; dни dм- влагосодержание насыщенного воздуха при температурах tн и tм, соответственно. Параметры іни dм имеют нулевую размерность, кг влаги/кг сухого воздуха.
Тепловые потоки 2тм и 2ти направлены одинаково от тела к среде, поэтому . при теплообмене с воздушно-капельной смесью участок F поверхности тела охлаждается суммой двух тепловых потоков (Qтм + Qти) При сравнении всех трех способов охлаждения следует учесть, что в пограничном слое«тело - воздушная среда» процессы теплопроводности и диффузии пара имеют общую молекулярную природу и связаны между собой линейно. В частности, согласно i—d - диаграмме влажного воздуха и теории психрометра, коэффициенты ост и осм связаны между собой соотношением и м =2,5-10 К (-3-/) При наличии (5.71) суммарный тепловой поток, уносимый с участка F поверхности тела воздушно-капельным потоком, можно определять с помощью общего выражения Qвк= аті7(/н-/м)+2,5-10 и(й?н-й?м) A v
В соотношениях (3.4), (3.5), (3.8) дополнительно отметим следующее. Во-первых, во всех трех вариантах обдува суммарный расход воздушного потока через теплообменник принимался одним и тем же. Во-вторых, учитывалось, что присутствие в воздухе водяного пара практически не влияет на состояние пограничного слоя у пластин и ребер теплообменника, поэтому в формулах присутствует общий коэффициент теплоотдачи ост. Следовательно, увлажнение воздушного потока практически не влияет на интенсивность теплообмена. Эффективность обдува влажным насыщенным воздухом повышается только за счет снижения температуры воздуха до психрометрической. Во многих случаях этого уже вполне достаточно, чтобы, в частности, резко повысить холодильный коэффициент ПКХМ в автономных системах теплообмена и значительно снизить ее энергопотребление.
Экспериментальное исследование коэффициентов теплоотдачи и аэродинамического сопротивления трубчато-пластинчатых теплообменников
Приведенные результаты исследования коэффициентов теплоотдачи и аэродинамического сопротивления получены для трубчато–пластинчатых медно– алюминиевых теплообменников, изготовленных на оборудовании ОАО «Воздухотехника». Так как теплообменники изготавливались на типовом оборудовании и по общепринятой технологии, то с большой вероятностью результаты исследования можно распространить и на изделия других производителей. Этот вывод подтверждается успешным использованием соотношений (4.3) и (4.4) для расчета аппаратов с теплообменниками производства ООО «Текта», ЗАО «НПП «Купол», ОАО «Изотерм», ЗАО «Ариада», ОАО«Гран», ЗАО «Remak», «Guntner».
Полученные критериальные выражения (4.3) и (4.4) позволяют рассчитать коэффициенты теплоотдачи и аэродинамическое сопротивление теплообменника – калорифера. По известной напорной характеристике для выбранного вентилятора можно адекватно определить объёмный расход воздуха через теплообменник, требуемую площадь теплообмена, его габариты, массу и теплопроизводительность.
Зависимости (4.3) и (4.4) использованы и при расчете конденсаторов и воздухоохладителей холодильных машин, а также при разработке сервисных программ. Особенности расчетов воздухоохладителей при различных режимах образования конденсата рассмотрены Т.А.Лопаткиной и Е.В.Кожевниковой в работе [112], в которой, опираясь на собственные экспериментальные данные, авторы исследовали погрешности, возникающие при расчете воздухоохладителей с интенсифицированной оребренной поверхностью при использовании соотношений (4.3) и (4.4). Испытания проводились на теплообменниках, представленных в таблице 4.2 и на рисунках 4.3 и 4.4 с добавлением шести– и восьмирядных аппаратов (восемь аппаратов с различным шагом и количеством трубок) в режимах охлаждения воздуха при различных условиях образования конденсата на теплообменниках. Температура воздуха на входе в теплообменник назначалась в пределах (2035)С таким образом, чтобы холодопроизводительность не превышала максимального для испытательного комплекса значения 17,6 кВт. Для охлаждения использовалась проточная вода с температурой (58)С. Вода подводилась к теплообменникам снизу, схема движения воды и воздуха – перекрестно–противоточная. Всего было проведено три серии испытаний с различной относительной влажностью воздуха на входе в теплообменник.
В первой серии относительная влажность воздуха составляла от 20% до 50%, что соответствовало режиму слабого образования конденсата при скрытой холодопроизводительности менее 4,7% полной. Во второй серии воспроизводились условия для образования конденсата на части поверхности воздухоохладителя, что характерно для комфортных СКВ на объектах с умеренным климатом, когда основным источником влаги являются люди. Относительную влажность воздуха на входе в теплообменник задавали от 30 % до 70 %, при этом обеспечивались условия для стекания конденсата по пластинам вниз и для его выноса воздушным потоком. В третьей серии воспроизводились условия для образования конденсата на всей поверхности ребер, характерные для влажных технологических процессов и комфортных СКВ в районах с влажным тропическим и морским климатом. Относительная влажность воздуха задавалась от 70 % и более.
Проведенные серии испытаний выявили, что достоверность расчетов воздухоохладителей по известным методикам снижается, если конденсат образуется только на части поверхности теплообмена и если теплообменник имеет развитую наружную поверхность. В результате проведенных испытаний получены исходные данные для разработки алгоритма расчета трубчато– пластинчатых воздухоохладителейс переходной зоной, в начале которой конденсат образуется только на воротниках ребер, а в конце – на всей их поверхности. Более подробная оценка достоинств и недостатков проверенных методик расчета воздухоохладителей, а также рекомендации по их использованию рассмотрены в работе [112].На основе этих данных Инженерами Т.А. Лопаткиной и Е.В. Кожевниковой разработаны алгоритмы и сервисные пошаговые программы для расчета нагревателей, конденсаторов и воздухоохладителей [51,65,72,112,127,128].По материалам этих исследований ниже в разделе 4.3 рассмотрены отдельные вопросы проектирования теплообменников для транспортных кондиционеров.
Для расчета калориферов, воздухоохладителей и конденсаторов на основе трубчато–пластинчатых теплообменников были разработаны специальные методики, алгоритмы и программы, обеспечивающие оптимизацию расчетов при проектировании кондиционеров. Основные положения этих методик, алгоритмов и программ рассмотрены в работах [51,65,72,112,127,128] и состоят в следующем.
Для калорифера с жидкостным теплоносителем главной задачей расчета является определение поверхности теплообмена, необходимой для передачи заданного теплового потока Qот одной среды к другой. Для расчета необходимо знать вид сред и задать два параметра для них из трех: начальная температура, конечная температура, расход. Должны быть предварительно заданы некоторые геометрические размеры и схема течения сред.
Последовательность расчета теплообменного аппарата хорошо известна [20, 48,121,124,191,192]. Результат расчета – группа теплообменников, отличающихся по конструкции и обеспечивающих передачу заданной тепловой мощности. Так как часть операций по предложенным схемам должна выполняться вручную на основании сведений из литературы для аналогичных аппаратов, результирующая выборка теплообменников зависит от опыта и эрудиции инженера и может оказаться либо неполной, либо рассматриваются заведомо непригодные варианты. При этом расчет каждого аппарата выполняется отдельно. В работе [127] предложен алгоритм расчета всех возможных вариантов теплообменников с автоматическим исключением части аппаратов, не удовлетворяющих условиям выборки, не выполняя их тепловой расчет. Исключение непригодных вариантов основано на использовании связи внутренней площади теплообмена с количеством и размерами трубок, уменьшении гидравлического сопротивления при увеличении количества змеевиков (секций), увеличении тепловой мощности при увеличении количества змеевиков (секций) и постоянном количестве рядов трубок, пропорциональной связи шага пластин и передаваемой тепловой мощности при постоянных количествах рядов трубок и змеевиков. Расчет позволяет получить группу теплообменников заданного фронтального сечения, площадь теплообмена Fmo которых отличается от требуемой для переноса заданной тепловой мощности Q не более заранее установленных значений. Для определенности, например, задается отличие требуемой площади теплообмена от имеющейся в диапазоне от минус 10 % до плюс 20 %: 0,8х.Р F(u) LlxF , (4.5) то то где F(u)- внутренняя площадь теплообмена, требуемая для передачи тепловой мощности Q при шаге пластин и.
Кроме упомянутых исходных данных пользователь задает максимальное гидравлическое сопротивление калорифера, максимальную передаваемую мощность, номинальный диаметр трубок, длину оребренной части трубок, число трубок во фронтальном сеченииили высоту пластин, некоторые фиксированные конструктивные параметры (толщина боковин, длина подводящего и отводящего патрубков коллекторов, коэффициенты удельной теплопроводности пластин и трубок и другие). В расчете предусмотрены ограничения параметров сред: максимальной и минимальной температуры воздуха, максимальной и минимальной температуры теплоносителя, максимальных и минимальных значений массовой концентрации растворов теплоносителей, скорости воздуха во фронтальном сечении калорифера, скорости теплоносителя в подводящем и отводящем патрубках коллекторов, скорости теплоносителя в змеевиках.