Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 9
1.1. Анализ нормативной документации на микроклимат в кабинах локомотивов и специального подвижного состава железнодорожного транспорта д
1.2. Анализ систем отопления кабин локомотивов и специального подвижного состава железнодорожного транспорта, эксплуатирующихся на дорогах России 13
1.3. Анализ параметров микроклимата в кабинах различного под вижного состава железнодорожного транспорта 30
1.4. Анализ статистических данных по влиянию температурного режима в кабинах локомотивов на заболеваемость локомотивных бригад ,. 35
1.5. Анализ методов испытаний и расчета систем отопления различного подвижного состава 38
1.6. Анализ результатов расчета теплопроизводительности систем отопления различного подвижного состава $0
Выводы 54
2. Аналитическое исследование эффективности использования мощности систем отопления в кабинах подвижного состава в условиях стоянки и движения 56
2.1. Математическая модель процесса неорганизованного воздухообмена в кабинах локомотивов и специального подвижного состава железнодорожного транспорта в условиях стоянки 56
2.2. Методика расчета количества инфильтрационного воздуха в кабинах локомотивов и специального подвижного состава железнодорожного транспорта в условиях стоянки 62
2.3. Расчет неорганизованного воздухообмена в кабинах локомотивов и специального подвижного состава железнодорожного транспорта в условиях движения 70
2.4. Методика определения эффективности использования установленной мощности системы отопления кабин локомотивов и специального подвижного состава железнодорожного транспорта 74
2.5. Расчет эффективности использования установленной мощности системы отопления кабин локомотивов и специального подвижного состава железнодорожного транспорта 82
Выводы 85
3. Экспериментальное исследование эффективности использования систем отопления кабин локомотивов и путевой техники железнодорожного транспорта 86
3.1. Требования к проведению теплотехнических испытаний систем отопления кабин локомотивов и СПС
3.2. Методика оценки эффективности использования системы отопления кабин локомотивов и специального подвижного состава
3.3. Результаты экспериментальной оценки эффективности использования системы отопления 97
3.4. Определение погрешности результатов испытаний по оценке эффективности использования системы отопления 99
3.5. Оценка эффективности использования системы отопления по данным статистических опросов машинистов кабин локомотивов
Выводы 103
4. Определение и оценка требуемой мощности системы отопления кабин локомотивов и специального подвижного состава по условиям разогрева с учетом коэффициента эффективности использования 104
4.1. Аналитическое определение требуемой мощности системы отопления по условиям начального разогрева
4.2. Расчет требуемой установленной мощности системы отопления с учетом эффективности ее использования по результатам испытаний
4.3. Рекомендации по повышению эффективности использования систем отопления подвижного состава 16
Выводы 121
Заключение 122
Список использованных источников
- Анализ систем отопления кабин локомотивов и специального подвижного состава железнодорожного транспорта, эксплуатирующихся на дорогах России
- Методика расчета количества инфильтрационного воздуха в кабинах локомотивов и специального подвижного состава железнодорожного транспорта в условиях стоянки
- Результаты экспериментальной оценки эффективности использования системы отопления
- Расчет требуемой установленной мощности системы отопления с учетом эффективности ее использования по результатам испытаний
Анализ систем отопления кабин локомотивов и специального подвижного состава железнодорожного транспорта, эксплуатирующихся на дорогах России
В нагревательную секцию 2 подается горячая вода из дизеля, где воздух подогревается. При низких температурах для дополнительного подогрева воздуха, поступающего в секцию, включается электрическая нагревательная батарея 1.
Для дополнительного улучшения комфортных тепловых условий на рабочих местах машиниста и помощника у боковых окон установлены обогреваемые подлокотники, с встроенными трубчатыми электронагревателями суммарной мощностью 1,44кВт.
Преимуществом данной системы является то, что используется и электрическая и водяная система отопления, что позволяет достичь требуемой температуры в кабине при низких температурах наружного воздуха, обеспечивается равномерное распределение температуры по кабине, так как имеется подогрев подлокотников, нагретый воздух подается и на ноги, и на лобовые окна. Недостаток в том, что ОВУ расположена под полом, и часть тепла теряется с тепло-потерями в окружающую среду.
Для отопления тепловоза 2ТЭ136 используется только электрическое отопление. Это связано с тем, что этот тепловоз используется в условиях температур до минус 60С, а в этом случае температура воды падает до 60С, что заметно снижает теплоотдачу в кабину.
Отопление пассажирского тепловоза ТЭП 70, 80 водяное. Позади кресел машиниста и его помощника установлены два водяных калорифера. Теплоносителем является горячая вода, поступающая по трубопроводам из системы охлаждения дизеля. Для рассеивания теплового потока при работе калорифера установлена жалюзийная решётка, обеспечивающая направление теплого воздуха в центральную часть кабины. Мощность одного калорифера 7,5кВт.
Дополнительное отопление - электровоздушное. Все элементы электрокалорифера размещены под полом кабины и закрыты обшивкой, т.е. полностью отделены от её рабочего объёма. Нагретый в электрокалорифере воздух под напором, создаваемым вентилятором, поступает в патрубок, который делит его на два симметричных потока и направляет по воздуховодам для обогрева лобовых стёкол и зоны ног машиниста и помощника. На выходе воздуховодов предусмотрены щелевые насадки, создающие настильные воздушные потоки.
Мощность электрокалорифера 2,5кВт. Суммарная мощность системы отопления 10кВт.
Преимуществом данной системы отопления является то, что воздух равномерно распределяется по кабине. Недостаток - размещение элементов электрообогрева вне рабочего объема помещения, что увеличивает теплопотери, то есть требует увеличения установленной мощности.
Для отопления кабины тепловоза ЗМ62У в столике помощника машиниста установлена отопительно-вентиляционная установка. Свежий воздух забирается через сетчатый фильтр на лобовой части кабины, по каналу поступает в центробежный вентилятор с электроприводом. Из вентилятора воздух через водяную нагревательную секцию и распределительные каналы подается в кабину. Мощность системы отопления 10кВт. Расход воздуха 0,13м /с.
Преимущество системы отопления кабины тепловоза ЗМ62У: имеются распределительные каналы, ОВУ установлена в кабине, что обеспечивает высокую эффективность использования системы отопления. Недостаток заключается в том, что значительно увеличиваются перепады температур по высоте и возможно попадание воздуха нагретого до 60С непосредственно на ноги машиниста.
Кабина магистрального тепловоза 4ТЭ10С /рис. 1.2./ обогревается отопи-тельно-вентиляционным агрегатом, встроенным в пульт машиниста.
В нижней части агрегата установлен вентилятор с мотором, который через дроссель засасывает воздух (из кабины или снаружи) и подает его в нагревательные секции, откуда через патрубки отводится в рабочие зоны машиниста и помощника и на передние окна. еплоносителем является горячая вода, которая по трубопроводам поступает из системы охлаждения дизеля. В качестве нагревательного элемента используется водо-воздушная укороченная секция с пластинчатым оребрением (шаг оребрения равен 2,3мм). Мощность системы отопления 5,6кВт. Нагретый воздух подается на лобовые окна и к ногам машиниста, имеются обогреваемые подножки.
Преимущество системы отопления кабины тепловоза 4ТЭ1 ОС - имеются распределительные каналы, ОВУ установлена в кабине, что обеспечивает высокую эффективность её использования.
Система отопления маневрового тепловоза ТЭМ7А состоит из водяного калорифера и водяных грелок. Забор наружного воздуха в системе отопления отсутствует. Водяной калорифер встроен в стол помощника машиниста. В полу, под каждым рабочим местом, встроены водяные грелки. Два вентилятора на стенках кабины в зимнее время направляют поток теплого воздуха на окна, предохраняя их от запотевания и замерзания. Мощность системы отопления 6,4 -ИОкВт.
Преимущество данной системы отопления в том, что отопитель располагается непосредственно в кабине, при отсутствии забора наружного воздуха требуется меньшая мощность для нагрева воздуха.
Автомотриса АЧ2 /рис.1.3./ оснащена системой неполного кондиционирования, которая осуществляет функцию обогрева и принудительной вентиляции.
Отопление кабин автомотрисы калориферное (водяное) с использованием тепла дизеля. Калориферы и вентиляторы кабин установлены непосредственно в пульте управления. Мощность отопления составляет до 10кВт. Наружный воздух забирается на лобовой части кабины. Нагретый воздух в кабине раздаётся на лобовые окна и в зону ног машиниста.
Методика расчета количества инфильтрационного воздуха в кабинах локомотивов и специального подвижного состава железнодорожного транспорта в условиях стоянки
Однако, известно, что мощность системы отопления, установленная в вагоне этого дизель-поезда составляет 42кВт. Таким образом, расчетное и фактическое значения отличаются как минимум в 1,5 раза. Как было отмечено в разделе 1.3. при испытании вагона дизель-поезда при работе системы отопления на полную мощность перепад температур внутри и снаружи составил 43С, что совершенно не отвечает приведенным расчетным данным. Это объясняется тем, что при расчете мощности не учитывается теплоотдача за счет инфильтрации, то есть не правильно рассчитан полный коэффициент теплопередачи (учитывается только одна его составляющая - теплопередача через ограждения).
Для обоснования мощности систем отопления кабин тепловоза ТГМ4Б и ТЭМ7А заводом (АО "Людиновотепловоз") был представлен расчет, по кото 52 рому величина мощности системы отопления составила 1кВт, в то время как на них установлена отопительная секция Луганского тепловозостроительного завода мощностью 7-ЧОкВт. Как было показано выше, испытания данной отопительной секции показали, что она обеспечивает требуемую температуру в помещении при температуре наружного воздуха минус 30 С, если через нее про-пускать нагреваемый воздух в объеме 1100 -1200м /ч. При этом мощность отопительной системы составляла 12кВт. Таким образом, и в этом случае результаты расчета не совпадают с результатами опытов.
Это объясняется тем, что при расчете не учитывается инфильтрационная составляющая при расчете коэффициента теплопередачи, а используется только истинный коэффициент теплопередачи (теплопотери через ограждения). Кроме этого, не учитывалась эффективность работы принятой отопительной секции системы отопления, которая по условиям работы составляла не выше 30%.
В результате расчета мощности системы отопления кабины машиниста тепловоза ТЭП70 (заводом НПО Тепловозопутьмаш) были получены следующие результаты: теплопроизводительность калорифера составила 2500Вт, а водо-воздушный калорифер вносит в кабину тепловоза 5кВт тепла. Таким образом, суммарная расчетная мощность системы отопления составляет 7500Вт. В то же время, установленная мощность данной системы отопления составляет 10кВт. При этом в расчете учитываются как теплопотери через ограждения, так и теплопотери с инфильтрационным воздухом. В то же время несовпадение объясняется тем, что в расчете не учитывается эффективность работы системы отопления.
Для электровоза ВЛ85 мощность системы отопления, необходимая для поддержания в кабине требуемой ГОСТ 12.2.056-81 температуры воздуха 22±2С при наружной температуре, заданной в ТУ на локомотив минус 60С, полученная расчётным путём, составила 3978 Вт. В то время как установленная мощность системы отопления в кабине составляет 11,32кВт. Расчётной мощности не хватает, чтобы покрыть теплопотери. Таким образом, расчет и факт отличаются в три раза. Это связано с тем, что и в этом случае при расчете мощности не учитывается коэффициент эффективности системы отопления.
ОАО "Коломенский завод" провел расчет мощности системы отопления в кабине электровоза ЭП200 следующим образом. Потери тепла через ограждения кабины рассчитали по уравнению (1.32). Потери тепла кабиной с инфильт-рационным воздухом принимают как 20% от потерь через ограждения кабины на стоянке при температуре наружного воздуха около 20С, а с понижением температуры они возрастают и при tH= -50С составляют уже около 50% от потерь через ограждения. При движении они вновь возрастают пропорционально скорости движения.
Таким образом, суммарные потери тепла кабиной электровоза ЭП200 при температуре наружного воздуха tH = -50С и скорости движения Уі=120км/ч, Уг=160 км/ч и Уз=200 км/ч составляют соответственно, Щ = Q,"50 + Q2f50, где (1.33) і =120, 160 и 200. Щ2о = 3685+5528=9213Вт; Щбо = 3685 + 7370 = 11055Вт;
ZQ20o = 3685 + 9212 = 12897Вт.
Установленная мощность системы отопления составляет 10кВт, что не совпадает с рассчитанной. Это объясняется тем, что при построении электровоза не был учтен ряд факторов: инфильтрационная составляющая теплопотерь, эффективность системы отопления. В дальнейшем при расчете требуемой мощности системы отопления инфильтрационный фактор был учтен. При этом мощность увеличилась на ЗкВт. Как видно из главы 1.3. система отопления с установленной мощностью 10кВт не обеспечивает комфортные условия в кабине при условиях заданных в ТУ. Таким образом, причина несовпадения рассчитанной и установленной мощностей системы отопления в том, что в расчетах учитываются только теп-лопотери через ограждения, а теплопотери с инфильтрационным воздухом не учитываются. А по результатам исследований теплозащитных качеств кабин и вагонов доля инфильтрационной составляющей в значении коэффициента теплопередачи достигает 12 28% на стоянке, а при движении со скоростью 55 65км/ч - 40%, что соответствует такому же (в процентном отношении) количеству мощности, необходимой для компенсации теплопотерь, связанных с негерметичностью вагона. Кроме того, не учитывается коэффициент эффективности систем отопления.
Результаты экспериментальной оценки эффективности использования системы отопления
Между прозрачными и непрозрачными поверхностями ограждений кабины происходит теплообмен излучением. Величина результирующего лучистого потока между поверхностями ограждений зависит от температуры на стенках и окнах, их эмиссионных свойств, а также от удаленности и взаимного расположения поверхностей относительно друг друга. Лучистый теплообмен между поверхностями происходит в условиях ограниченного диапазона температур. Исследования Ю.П. Сидорова /54/, полученные из тепловых балансовых испытаний кабин локомотивов, показали, что температуры на внутренних поверхностях ограждений отличаются друг от друга на 5- 10С. Исключение составляет температура на поверхности окон. Она может отличаться от температуры от температуры на поверхности стенок на 30 Си более в зависимости от темпера-турно-разностных условий в кабине подвижного состава и окружающей среды. В случае, если результирующие лучистые потоки, переносимые между поверхностями непрозрачных ограждений, приводят в основном к выравниванию температурного поля на ограждениях и мало влияют на потери тепла через ограждения, то результирующий лучистый поток между окнами и внутренними поверхностями ограждений практически полностью теряются наружу. Поэтому при составлении теплового баланса кабины транспортного средства потери тепла излучением между внутренним объемом и окнами следует учитывать.
Исследования, проведенные в этой области /54/ показали, что влияние стока тепла излучением в общем тепловом балансе кабины становится наиболее заметным при повышении температуры. Этот факт определяется зависимостью лучистого теплообмена от температур излучающих тел. Таким образом, при составлении теплового баланса кабины долю тепла, теряемого за счет излучения, при низких температурах будем учитывать как добавочный коэффициент к коэффициенту теплопередачи ограждения. Таким образом, полный коэффициент теплопередачи кабины /52/: кПолн = когрту + клту + кинфту, Вт/м2К (2.19) где когрту - средний коэффициент теплопередачи ограждений для условий эксплуатации, заданных по ТУ; кл - добавочный коэффициент, учитывающий потери тепла за счет излучений через окна в условиях эксплуатации, заданных по ТУ. Для кабин его значение (в соответствии с результатами исследований /54/) принимаем 0,04Вт/м2К. кИнфТУ - добавочный коэффициент, учитывающий потери тепла за счет инфильтрации воздуха через неплотности ограждений в условиях эксплуатации, заданных по ТУ (в нашем случае он учитывается в расчете теплопотерь с ин-фильтрационным воздухом).
Тепло от человеческого организма Q4e/ отводится конвекцией, излучением и теплопроводностью (ощутимая теплота Q4M), а также при испарении влаги с поверхности кожи и при дыхании (скрытая теплота испарения Q4t
