МПС РФ
Уральский государственный университет
путей сообщения
Кафедра «Вагоны»
«ПАССАЖИРСКИЙ МЯГКИЙ КУПИРОВАННЫЙ ВАГОН»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе по дисциплине
«Холодильное оборудованиевагонов и кондиционирование воздуха»Екатеринбург, 2001
Введение
Основные задачи транспорта – своевременное, качественное и полноеудовлетворение потребностей народного хозяйства и населения в перевозках,повышение экономической эффективности его работы.
Установки кондиционирования воздуха,применяемые на пассажирских вагонах имеют большую массу. Это связано с тем, чтоодна часть аппаратов расположена под рамой вагона, другая в потолочномпространстве, а это требует большого количества трубопроводов для соединенияэтих частей. Так же все холодильные установки в пассажирских вагонах скондиционированием воздуха обладают недостаточно высокимитехнико-экономическими показателями.
Для совершенствования установоккондиционирования воздуха необходимо работать над путями снижения массы, улучшенияусловий ремонта и содержания, решать задачи по применению плавногорегулирования и автоматического поддержания постоянной температуры воздуха ввагоне, улучшению герметичности системы. Дальнейшее развитие техники, получениенеобходимых температурно-влажностных условий в вагонах направлено на совершенствованиеконструкции холодильных машин, приборов отопления и повышение теплотехническиххарактеристик кузова вагона.
В связи с электрификацией многих участковжелезных дорог созданы условия для широкого применения электрического отопленияпассажирских вагонов и централизованного электроснабжения установоккондиционирования воздуха и других электропотребителей. Это позволяет улучшитьне только комфортные условия для пассажиров, но и уменьшить затраты человеческоготруда на обслуживание оборудования вагонов.
1.Состояние вопроса по системам кондиционирования воздуха
В настоящее время все холодильные установки впассажирских вагонах с кондиционированием воздуха, имеющие подвагоннуюкомпоновку, обладают недостаточно высокими технико-экономическими показателями.
Основные недостатки:
· большие масса и габариты;
· значительный расход электроэнергии;
· недостаточная надежность идолговечность;
· трудность обеспечения полнойгерметизации системы из-за разбросанности агрегатов и длинных трубопроводов сбольшим количеством разъемов.
Снижение массы холодильных установок можноосуществлять за счет интенсификации теплообмена и соответствующего уменьшенияповерхности аппаратов, как наиболее тяжелой части холодильных установок.
Применение плавного регулирования холодопроизводительности и автоматическогоподдержания стабильной температуры воздуха в вагоне можно осуществлять путемпоочередного включения цилиндров компрессора. Такой способ регулирования,несомненно, прогрессивен, так как благодаря этому сводится к минимумуколичество пусков и остановок компрессора и обеспечивается более устойчиваятемпература в вагоне. Примером установки с широким диапазоном регулирования являетсяустановка фирмы «Стоун» холодопроизводительностью – 31.4 кВт.
Весьма целесообразно изменять температурувоздуха по желанию пассажиров отдельно в каждом купе. В вагонах поездов«Рейнгольд» эксплуатируемых с 1962 г. в ФРГ, применены аппараты «Жетэйр»устанавливаемые в каждом купе. В них происходит вторичная тепловая обработкавоздуха, поступившего из нагнетательного воздуховода, и пассажиры могут самиустанавливать в купе желаемую температуру.
Улучшение технико-экономических показателейвагонных холодильных установок может быть достигнуто за счет повышения частотывращения коленчатого вала компрессора, например, до 3000 об/мин.
Улучшение герметичности системы является однимиз наиболее существенных факторов, влияющих на надежность работы холодильной установки.
Первым шагом по улучшению герметичности системы было создание полугерметичныхкомпрессоров, смонтированных в одном корпусе с бесколлекторнымэлектродвигателем переменного тока (например, компрессор ФУБС 15) Полностью жегерметичную систему можно создать только при агрегатировании установки, т.е.применении автономного кондиционера с питанием переменным током.
Автономный кондиционер представляет собой единый агрегат отдельные части которогосоединены с помощью сварки. Это позволяет ликвидировать один из основныхнедостатков подвагонных установок, имеющих фланцевые и резьбовые соединения.
Агрегат удобен в обслуживании, легкомонтируется на вагоне и при необходимости может быть быстро заменен другим нетолько на пунктах оборота поезда, но и во время его стоянок.
Автономные кондиционеры появились на транспортеоколо двадцати лет назад, но уже сейчас находят широкое применение во многихстранах.
Кондиционеры, работающие в цикле тепловогонасоса, весьма экономичны и целесообразныдля применения на железнодорожном транспорте. Они могут обеспечить не толькоохлаждение воздуха, но и подогрев без применения специальных подогревателейпутем реверсирования в холодильной системе направление потока хладагента взависимости от наружных температурных условий.
Применение теплового насоса позволяет значительно расширить возможностииспользования установок кондиционирования воздуха. В южных направлениях сумеренным климатом, где температура воздуха бывает -5 градусов даже в зимнеевремя года, такая установка может обеспечить круглогодичное кондиционированиевоздуха, не нуждаясь в дополнительном применении приборов системы отопления.
При более холодном климате может потребоватьсядобавочный подогрев воздуха приборами отопления. И лишь при сильных морозахтакая установка оказывается экономически невыгодной.
Таблица 1.1 – ТехническаяхарактеристикаХарактеристика установки кондиционирования воздуха Мягкий с двух и четырехместными купе
мягко-жесткий с четырехместными купе
(«Микст») жесткий с четырехместными купе Завод-изготовитель Им. Егорова Им. Вильгельма Пика (ВНР) В г. Аммендорфе (ГДР) Система электроснабжения Индивид. Индивид. Смешанная Ток и номинальное напряжение Постоянный 110В Постоянный 110В
Постоянный 110В
Переменный 300В Мощность генератора, кВт. 26 26 28 Емкость аккумуляторной батареи, А×ч. 400 390 300 Отопление Водяное Смешанное Смешанное Теплопроизводительность котла, кВт (ккал/ч.) 38 (33000) 38 (33000) 46 (40000) Мощность электропечей, кВт – 5 20 (300В) Мощность электрокалориферов, кВт. 16 5 6 (110В)
Количество подаваемого воздуха, м3/ч. 5000/3000/2000 3200 5000/4000 Тип холодильной установки КЖ‑25П «СТОУН-КЭРРИЕР» МАВ-II Холодопроизводительность установки, кВт (ккал/ч.) 29 (25000) 25 (21000) 31 (27000) Тип компрессора ФУ‑15 5F‑40 «5» Число цилиндров, шт. 4 4 4 Диаметр цилиндров, мм. 76 63.3 80 Ход поршня, мм. 40 50 58 Характеристика установки кондиционирования воздуха Мягкий с двух и четырехместными купе
мягко-жесткий с четырехместными купе («Микст») жесткий с четырехместными купе Частота вращения вала компрессора, 1/сек. (об/мин) 20 (1200) 26 (1560) 24 (1410) Количество ступеней и способ регулирования холодопроизводительности Три ступени, изменением частоты вращения вала Четыре ступени, отжатие клапанов Три ступени, отжатие клапанов Установленная суммарная мощность электродвигателя холодильной установки (без вагонного вентилятора), кВт. 13,2 10,6 14,7 Масса холодильной установки, т. 1,43 1,30 1,41 Удельный расход мощности, кВт./1000 ккал/ч. 0,44 0,50 0,60 Удельная масса, кг/1000 ккал/ч. 57,5 62 52,2
2.Разработка конструкции теплоизоляционных ограждений и определение расчетнойплощади и расчетного коэффициента теплопередачи ограждения кузова вагона2.1 Определение расчетной площадиограждения кузова вагона
Расчетная площадь теплопередающей поверхности кузова определяетсяпо формуле
/>, м2 /3,с. 31/
где /> и />соответственно,наружная и внутренняя площади поверхностей ограждения.
Рассчитаем площадь наружной поверхности
1) Площадь пола: />
2) Площадь боковых стен: />
3) Площадь торцовых стен: />
4) Площадь крыши: /> /5,с. 49/
/>
5) Площадь больших окон:
/>,
где />длина окна/4, с. 386/;
/>ширина окна /4,с. 386/;
/>количество окон /4,с. 386/
6) Площадь малых окон:
/>,
где />; />; /> /4, с. 386/
/>
Рассчитаем площадь внутренней поверхности
1)/>;
2)/>;
3)/>;
4)/>;
Тогда />;
/> (безплощади окон).
Общая площадь кузова вагона: />
2.2 Определение расчетного коэффициентатеплопередачи ограждения кузова вагона
Определение приведенного коэффициентатеплопередачи будем вести по формуле:/> , /3, с. 28/
где />коэффициент теплопередачи.
/>, Вт/м2×К /3, с. 24/
где/>коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки кнаружному воздуху (или от наружного воздуха к поверхности стенки), Вт/(м2×К);
/>коэффициенттеплоотдачи от воздуха к внутренней поверхности стенки (или наоборот), Вт/(м2×К).
Таблица 2.1 – Характеристики материаловтеплоизолирующих поверхностей элементов ограждения кузова вагона /3,с. 86/Материал Позиция
Толщина однородного слоя />, м
Коэффициент слоя материала />, Вт/(м2×К)
Площадь />, м2
I. Крыша:
Стальная обшива
Мастика
Мипора
Пленка
Фанерная обшивка
1
2
3
4
5
0,002
0,001
0,074
0,005
0,005
58,0
0,23
0,027
0,35
0,35
/>
/>
II. Боковые и торцовые стены:
Фанера
ДВП
Пенополеуретан
Мастика
Стальная обшива
1
2
3
4
5
0,004
0,02
0,063
0,001
0,002
0,25
0,055
0,035
0,23
58,0
/>
/>
III. Пол:
Линолеум
ДВП
Пенополеуретан
Сталь
1
2
3
4
0,003
0,02
0,088
0,002
0,16
0,055
0,035
58,0
/>
/>
IV. Окна:
Стекло
Воздух
Стекло
1
2
3
0,004
0,08
0,004
0,65
0,02
0,65
/>
/> /> /> /> /> /> /> /> />
I. Ограждение крыши, мм:
/>
II. Боковые и торцовые стены, мм:
/>
III. Пол, мм:
/>
IV. Окна, мм:
/>
Рисунок 2.1¾Сечения теплопередающих поверхностей:
1¾ стальная обшива; 2¾ пластик; 3¾пенополиуретан; 4¾ ДВП; 5¾ павинол; 6¾мастика; 7¾мипора; 8¾ пленка; 9¾фанера; 10¾ линолеум; 11¾ стекло; 12¾воздух.
Найдемкоэффициенты теплопередачи:
I. Крыша:
/>
/> /1, с. 30/;
/> /1, с. 31/.
II. Боковая и торцовая стены:
/>
III. Пол:
/>
IV. Окна:
V.
/>
Определим приведенный коэффициент теплопередачи ограждениякузова вагона
/>
/>,
где />для пассажирских вагонов /6, с. 15/.
Учитывая увеличение коэффициента в процессеэксплуатации из-за «старения» изоляции и увлажнения, получим:
/>,
где />для пассажирских вагонов /6, с. 15/.
/>, /1, с. 34/
/>отвечает требованиямГОСТ12406–66.
3. Теплотехнический расчет вагона в летнее время
Расчет теплопритоков в вагоне в летнее время производится дляопределения производительности системы охлаждения.
Общий теплоприток в вагон /> определяется по следующей формуле /1,с. 47/:
/>,
где />теплоприток в вагонпоступающий через ограждение кузова в следствии перепада температур воздухаснаружи и внутри вагона, кВт;
/>теплоприток отинфильтрации воздуха, кВт;
/>теплоприток от солнечнойрадиации, кВт;
/>теплоприток оттепловыделения пассажиров, кВт;
/>тепловыделение работающегов вагоне оборудования, кВт;
/>приток наружного воздуха,подаваемого в вагон вентиляцией, кВт.
Находим каждый вид теплопритоков:
/>, /1,с. 43/
где />
/>наружнаятемпература воздуха летом (по заданию);
/>температуравоздуха в вагоне.
Принимаем />.
/>
Теплоприток от инфильтрации:
/>, /1,с. 43/
где />числовой коэффициент.
/>
Теплоприток от солнечной радиации через непрозрачные ограждения:
/> /1,с. 44/
Через прозрачные ограждения:
/>,
где А – коэффициент теплопоглащения, зависит отсостояния поверхности, рода материала и цвета.
Акр=0,5 – для крыши; Аст=0,7– для стен /1, с. 44/
Кпр – коэффициент пропускания лучейокнами
Кпр=0,48 /1, с. 44/; Ккр=1,3Вт/(м2×К); Кст=1,4Вт/(м2×К);
I –интенсивность солнечной радиации /1, с. 45/:
· для горизонтальных поверхностей: Iг=950Вт/м2;
· для вертикальных поверхностей: Iв=540Вт/м2.
Теплоприток через крышу:
Qкр=(950×0,5×1,3×81,5)/67=751Вт /1, с. 45/
Через стены:
Qст.=(540×0,7×1,4×46,2)/67=365Вт /1, с. 45/
Через окна:
Qо=540×0,48×9,15=2372Вт /1,с. 45/
Суммарный теплоприток от солнечной радиации:
Q3=Qкр+Qст.+Qо /1, с. 45/
Q3=751+365+2372=3488Вт»3,49кВт
Тепловыделение пассажиров:
Q4=q×n, /1,с. 45/
где q=115Вт – суммарное тепло, выделяемое одним пассажиром
/1, с. 13/;
n=23– число пассажиров.
Q4=115×23=3680Вт=2,65кВт
Тепловыделение работающего в вагоне оборудования равно суммарноймощности постоянных потребителей:
Q5=1,7+0,4=2,1кВт, /1,с. 46/
где 1,7кВт – мощность электродвигателявентилятора;
0,4кВт – мощность регулирующей аппаратуры.
Теплоприток от подаваемого в вагон наружного воздуха:
Q6=G×g×(iн-iв) /1,с. 46/
где g =1,2 кг/м3– плотность воздуха /1, с. 46/;
G=0,4м3/с– объем подаваемого воздуха.
По диаграмме i-d определим /3,с. 10/:
· для /> и j=65% Þiн=71кДж/кг;
· для /> и j=55% Þiв=48кДж/кг.
Q6=0,4×1,2×(71–48)=11,04кВт
Общий теплоприток в вагон, и следовательно,холодопроизводительность холодильной установки составят:
Qобщ.=1,5+0,45+3,49+2,65+2,1+11,04=21,23кВт
Вывод: применяемая на вагоне холодильная установка, с холодопроизводительностью29кВт, КЖ‑25П удовлетворяет условиям.
4. Построение процесса обработки воздуха в системекондиционирования в летний период
Основныепараметры:
т. Н/>;
т. В/>;
т. С. Смесь Н и В/>;
т. М – мультивент/>;
т. П- у поверхности ИВО/>.
Определим тепловлажностные отношения /2, с. 116/:
eтепло.=åQi /åWi, кДж/кг
где åQi– теплоизбытки в салоне вагона,складываются из следующих теплопритоков: теплоприток через ограждение кузова,от солнечной радиации, от инфильтрации, от работающего оборудования,расположенного в вагоне, от пассажиров;
åQi=1,5+0,45+3,49+2,65+2,1=10,19кВт
åWi=Wпасс.+Wинф. – влага итеплопритоки, которые поступают с инфильтрационным воздухом, а также выделяютсяпассажирами.
Wинф.=Gинф.×(dН-dВ)×10-3,
где Gинф=(0,0417¸0,1111) кг/с – количество инфильтрационного воздуха;
dН и dВ – с диаграммы (влагосодержание).
Wинф=0,1×(16,5–10)×10-3=0,65×10-3кг/с
Wпасс.=qпасс.×n,
где n=23 – число пассажиров;
qпасс.=2,7×10-6 – количество влаги выделяемое однимпассажиром летом.
Wпасс.=23×2,7×10-6=0,062×10-3кг/с
Тогда Wi=0,65×10-3+0,062×10-3=0,71×10-3кг/с;
eтепло.=10,19/0,71×10-3=14310кДж/кг.
Мощность испарителя-воздухоохладителяопределяем по следующей формуле:
QИВО=G×(iС — iМ), кВт
где G – общий расход воздуха, кг/с;
iС иiМ –соответственно, энтальпии точек С и М, кДж/кг;
G=25×n=25×23=575м3/ч,
где 25м3/ч – количество наружноговоздуха на одного пассажира
/2, с. 117/;
n=23– количество пассажиров.
QИВО=575×(57–42)=8625 Вт=8,6 кВт
В мягком вагоне с двух- и четырехместными купепостройки завода им. Егорова были осуществлены некоторые новые дляотечественного вагоностроения конструктивные решения. В частности, измененорасположение вентиляционного агрегата, впервые опробована новая холодильнаяустановка типа КЖ‑25П, широко использованы синтетические материалы иалюминиевые сплавы. Вагон длиной 23,6 м рассчитан на перевозку 24пассажиров в четырех двухместных и четырех четырехместных купе. В вагонеимеется два туалета, из которых один оборудован душевым устройством. Основноеосвещение осуществляется люминесцентными лампами на 220 В с питанием черезмашинный преобразователь. В вагоне применено горячее и холодное водоснабжение,предусмотрен электрообогрев головок наливных труб, имеются электрокипятильник иохладитель питьевой воды.
Система кондиционирования воздуха состоит из систем вентиляции,водяного отопления, электрического подогрева вентилирующего воздуха иохлаждения. Управление работой агрегатов автоматизировано.
Система вентиляции этого вагона существенно отличается от подобныхсистем вагонов других типов тем, что вентиляционный агрегат в ней расположен несо стороны служебного помещения, а с противоположной, некотловой сторонывагона. Это обеспечивает ряд преимуществ: удаление наружных жалюзи от дымовойтрубы котла; облегчение доступа к вентилятору, воздухоохладителю, калориферу ифильтрам; возможность увеличения живого сечения рециркуляционного канала;улучшение условий монтажа, эксплуатации и ремонта оборудования. Вентиляторснабжен приводным электродвигателем постоянного тока мощностью 1,5 кВт.
Воздух подается в купе вагона из нагнетательного воздуховода черезщелевые воздухораспределительные решетки, расположенные у потолка купе вдольпоперечных перегородок так, что встречные потоки воздуха, выходя изперфорированных панелей, резко уменьшают свои скорости. Из купе воздух выходитв коридор через решетки в продольной перегородке, расположенные под диванами.Рециркуляционный воздух засасывается из вагона вентилятором через решетку впотолке большого коридора с некотловой стороны вагона, а наружный воздух –через жалюзи на боковой стене вагона со стороны рециркуляционной решетки. Зажалюзи установлена Заслонка, Которой можно регулировать количествозасасываемого наружного воздуха, изменяя живое сечение решетки. Из вагонавоздух удаляется в основном через дефлекторы в туалетах.
Система вентиляции имеет три ступени регулированияпроизводительности, что достигается изменением частоты вращения валаэлектродвигателя вентилятора.
При работе системы кондиционирования воздуха в летнем режимеиспользуются две скорости вращения колеса вентилятора: высокая при работесистемы охлаждения и средняя при работе системы электроподогрева. При работеустановки в зимнем режиме, когда действует водяное отопление, такжеиспользуются две скорости: средняя и низкая.
Количество подаваемого в вагон воздуха при работе системывентиляции на высокой скорости составляет 5000 м3/ч, на средней– 3000 м3/ч и на низкой – 2200 м3/ч. Во времястоянок поезда при питании электродвигателя от аккумуляторной батареиколичество подаваемого воздуха снижается.
Система отопления вагона имеет верхнюю разводку труб от типовогокотла с совмещенным прямоугольным расширителем. С купейной стороны вагонапроложены две гладкие обогревательные трубы, а с коридорной – одна труба сребрами в зоне оконных проемов.
Подогрев воздуха, подаваемого в вагон в зимнее и переходное времягода, производится трубчатым электрокалорифером мощностью 16 кВт, расположеннымв канале системы вентиляции. Электрокалорифер состоит из двух секций, которыемогут включаться при питании от генератора напряжением 145 В обе одновременноили только одна секция мощностью 9,5 кВт. При питании от аккумуляторной батареиможет включаться лишь одна, меньшая по мощности секция.
В более поздней модификации этого вагона для подогрева воздуха,кроме электрокалорифера, применен калорифер водяного отопления мощностью 13кВт. В этом случае использован односекционный электрокалорифер мощностью 4 кВт.
5. Описание конструкции иработы системы охлаждения
Система охлаждения оборудована холодильнойустановкой типа КЖ‑25П с номинальной холодопроизводительностью 29кВт.Установка объединяет три основных агрегата: компрессорный и конденсаторный,расположенные под рамой вагона, и испаритель-воздухоохладитель, вмонтированныйв канал системы вентиляции. Все агрегаты соединены между собой медными трубами,часть труб покрыта изоляцией. На щите приборов контроля за работой установки,мановакууметр и манометр, масляный манометр и реле давления.
Компрессорный агрегат объединяет компрессорФУ15 и электродвигатель постоянного тока мощностью 12,5кВт при напряжении 135В.
Конденсаторный агрегат состоит из:конденсатора, изготовленного из медных труб с насаженными на нихдюраллюминевыми ребрами, ресивера и двух вентиляторов для охлаждениякомпрессора.
Воздухоохладитель представляет собой трубчатуюоребренную батарею. Жидкий хладагент поступает в регулирующее устройство ичерез распределитель расходится по трубам воздухоохладителя. Испарившийсяхладагент отсасывается компрессором из вертикального газового коллектора,объединяющего все трубы.
Теплообменник совмещен с фильтром-осушителем,предназначенным для удаления из жидкого хладагента механических примесей ивлаги.
Регулирование холодопроизводительностиустановки КЖ‑25П осуществляется за счет применениядроссельно-регулирующего устройства.
Сток сжиженного хладагента происходит вресивер. ИВО оборудован дроссельно-регулирущим устройством и терморегулирующимвентилем. На входе в ИВО стоят два электромагнитных вентиля.
Работа при различных частотах вращенияпроисходит следующим образом. На низкой частоте открывается один соленоидныйвентиль перед дроссельно-регулирующим устройством и подача хладагента в ИВО происходитчерез сопло, являющееся частью этого устройства. При работе компрессора насредней или высокой частотах открываются оба соленоидных вентиля и хладагентпоступает в ИВО по объединенному распределительному устройству через соплодроссельно-регулирующего устройства и терморегулирующий вентиль.
Достоинством такого метода регулированияявляется автоматически устанавливающаяся связь между тепловой нагрузкой итемпературой испарения хладагента, что благоприятно сказывается на изменениивлажности воздуха в вагоне.
/>1 – компрессор; 8 – дроссельно-регулирующее устройство; 2 – электродвигатель; 9 – терморегулирующий вентиль; 3 – реле давления; 10 – соленоидные вентили; 4 – масляный манометр; 11 – конденсатор; 5 – мановакууметр; 12 – вентилятор; 6 – теплообменник; 13 – ресивер. 7- ИВО;
Рисунок 6.1 – схема холодильной установки КЖ‑25П1 2
6. Расчет и построение холодильного цикла работы установкивагона
Для искусственного охлаждения воздуха в вагоне применения системыохлаждения, которые являются непременной составной частью вагонной установкикондиционирования воздуха. Сама система охлаждения состоит из холодильнойустановки и устройств для распределения охлажденного воздуха по пассажирскомупомещению.
Порядок построения:
Определение температуры кипения хладагента.
Температура испарения (кипения) хладагента to(oC) определяется по следующей формуле/6, с. 18/:
/>,
где />средняя температуравоздуха отделения пассажирского вагона, продуваемого через испаритель, оС;
/>разность температурвоздуха и испарения хладагента, оС.
Принимаем tВ=23оС.
Dtо=12¸18оС /6,с. 18/. Принимаем Dtо=15оС.
Тогда />.
В области влажного пара изотерма и изобарасовпадают. По изотерме tо проводим изобару Pо, на пересечении изобары pо и кривой паросодержания x=1 получим точку 1.
Определение температуры конденсации.
Температуру конденсации tк(оС) определяем по следующей формуле:
/>,
где />температура наружноговоздуха;
/>приращение температурыконденсации;
/> /6, с. 18/;
/>
По изотерме tк строим изобару Pк соответственноточки 3 и 2¢ получим пересечениеизобары tк с кривойпаросодержания x=0.
Построение точки 1¢.
ti=tвсас.+Dtвсас.
где Dtвсас=(15¸25)оС.
Тогда ti=8+20=28оС
Точка 1¢располагается в области перегретого пара на пересечении изобары Pо и изотермы tвсас..
Построение точки 2.
Точка 2 получается в результате пересеченияадиабаты, проведенной из точки 1¢, сизобарой Pк.
Построение точек 3¢ и 4.
Температуру переохлаждения хладагента на ходимпо формуле:
/>,
где />изотерма конденсации;
/>;
/>.
В области влажного воздуха находим изотерму />. Проводим до пересечения с кривойпаросодержания />. Восстановив перпендикуляр доизобары />, получаем точку 3¢. Если провести из точки 3¢ иизобары /> перпендикуляр на изобару />получим точку 4.
Данные с графика:/> />
i1=555кДж/кг; i1¢ =567кДж/кг;
i2¢=568кДж/кг; i2 =585кДж/кг;
i3=440кДж/кг; i3¢=i4=425кДж/кг.
/>удельный объемвсасываемых компрессором паров;
/>температура перегрева парав точке 2.
Таблица 6.1 – Результаты расчетаОпределяемый параметр Расчетная формула Хладон‑12 Холодопроизводительность 1 кг. хладагента (удельная масса), кДж/кг
qо=i1-i4
qо=555–440=115 Теоретическая работа сжатия хладагента в компрессоре, кДж/кг
l=i2-i1 l=585–555=30
Тепло, отданное 1 кг. Хладагента, кДж:
· в конденсаторе
· в переохладителе
qк=i2-i3
qи=i3-i3¢
qк=585–440=145
qи=440–425=15 Холодильный коэффициент
e=qо/l. e=115/30=3,83
Объемная холодопроизводительность хладагента, кДж/м3
qV =qо/Vуд.
qV=115/0,06=1916,67
Объем паров хладагента, всасываемых компрессором, м3/ч
V=3600×Qо/qV
V=3600×29/1916,67=
=54,47 Масса циркулирующего хладагента, кг/ч
G=3600×Qо/qо
G=3600×29/115=
=907,83
Теоретическая мощность компрессора, кВт:
· в зависимости от холодопроизводительности: Qо
· в зависимости от массы циркулирующего хладагента: G
NТ=Qo /e
NT=G×l/3600
NT=29/3,83=7,57
NT=907,83×30/3600=
=7,57 Тепловая нагрузка на переохладитель, кВт
Qи=G×qи/3600
Qи=907,83×15/3600=
=3,78 Тепловая нагрузка на конденсатор, кВт
Qк=Qо+NT=
=(Qo/e)×(e+1)
Qк=(29/3,83)×4,83=
=36,57
7. Приборы автоматикихолодильной установки вагона
Холодильные установки обычно работают в автоматическом режиме спомощью специальных приборов, обеспечивающих стабильность процессов исохранность оборудования. Назначение автоматического регулирования холодильнойустановки состоит в следующем: обеспечить правильное заполнение испарителяхладагентом; обеспечить включение или отключение соответствующих аппаратов или секцийв зависимости от тепловой нагрузки; защитить линию нагнетания от чрезмерногоповышения давления; защитить линию всасывания от понижения давления; недопускать снижения давления масла ниже заданной величины; защититьэлектродвигатели от чрезмерного перегрева; обеспечить заданную температурувоздуха в вагоне. В системе автоматического регулирования применяются приборы,к которым относятся: регуляторы заполнения испарителя – термо- илибарорегулирующие вентили; защитные приборы–реле давления и температуры;исполнительные приборы – соленоидные вентили; приборы контроля–манометры,сигнальные указатели.
Регуляторы заполнения испарителя предназначены для автоматическогорегулирования подачи хладагента в испаритель и действуют в зависимости или оттемпературы всасываемых паров (терморегулирующие вентили), или от давления этихпаров (барорегулирующие вентили).
Принцип действия терморегулирующего вентиля (ТРВ) заключается визменении размера его проходного отверстия в зависимости от величины перегревавсасываемого пара. При этом происходит дросселирование проходящего через ТРВхладагента от давления конденсации до давления испарения с одновременнымпонижением температуры. Для этого ТРВ имеет специальный термочувствительныйбаллон, который укреплен на отходящей от испарителя трубе и воспринимаеттемпературу поверхности этой трубы. При увеличении перегрева всасываемого параиз-за недостаточного поступления в испаритель хладагента термочувствительныйбаллон подает сигнал исполнительному механизму ТРВ и сечение проходногоотверстия увеличивается, при уменьшении перегрева всасываемого пара – наоборот.Терморегулирующие вентили бывают сильфонные и мембранные. Первые широкоприменяются в холодильной технике, однако конструкция их довольно сложна. Приплохом исполнении и небрежном уходе в эксплуатации сильфонные вентилистановятся ненадежными в работе, а главное недостаточно герметичными.
/>
/>/>
Более простыми по конструкции, компактными и надежными являютсямембранные терморегулирующие вентили (рис. 8.1). Термочувствительныйбаллон 6 этого вентиля частично заполнен легко испаряющейся жидкостью (обычнохладоном-12). Давление со стороны баллона, меняющееся с изменением температурына поверхности трубопровода, действует через капиллярную трубку 5 на мембрану 4сверху, а давление хладагента в системе действует на мембрану снизу. Небольшоеусилие, создаваемое пружиной 1, удерживает клапан 3 вентиля в закрытомположении до тех пор, пока давление на мембрану сверху не преодолевает усилияпружины и давления хладагента в системе (давление кипения). Изменение усилияпружины для настройки вентиля на определенную величину перегрева производятвинтом 2. После регулировки винт закрывают колпачком, который служит ирегулировочным ключом.
В барорегулирующем вентиле (рис. 8.2) корпус 1 внутриразделен на две части: нижняя часть, расположенная под сильфоном 2, заполненахладагентом, верхняя сообщается с атмосферой. Поддержание необходимой величиныдавления в испарителе происходит следующим образом. Хладагент поступает внижнюю часть вентиля и давит на сильфон, стремясь сжать его. Этому препятствуетпружина 3, жесткость которой можно изменять при помощи регулировочного винта 4с гайкой. Если давление испарения будет больше усилия пружины, то сильфонсожмется и тягой 5, ввернутой в его донышко, через палец кривошипа 6 повернетзолотник 7, который прикроет проходное сечение и уменьшит поступлениехладагента. После того как давление в испарителе уменьшится и соответственнопонизится давление в нижней части корпуса, пружина растянет сильфон и золотникоткроет канал поступления хладагента в испаритель. Бывают и несколько иные поконструкции барорегулирующие вентили, но принцип действия их такой же.
Преимуществом барорегулирующего вентиля является надежность егоработы. Однако этот вентиль более грубо осуществляет регулировку подачихладагента в испаритель, что может приводить к неэкономичной работе установкипри частых изменениях тепловой нагрузки.
Реле давления применяется для поддержания необходимого давления всистеме и защиты холодильной установки от аварий. Используются релеминимального давления (прессостат) для автоматического отключения компрессорапри падении давления всасывания ниже допустимого и реле максимального давления(мано-контроллер), которое останавливает компрессор при чрезмерном повышениидавления конденсации. Реле низкого и высокого давления обычно объединяют в одинприбор.
/>/>
Одним из наиболее распространенных приборов этого типа,применяемых в вагонных холодильных установках, является реле давления типа РД(рис. 8.3). При повышении давления хладагента во всасывающей линиикомпрессора сжимается сильфон низкого давления, который отводит рычаг 2 и,преодолевая усилие пружины 3, перемещает тягу 4. Последняя отжимает пластину 5и замыкает электрические контакты 6, благодаря чему компрессор включается. Припонижении давления хладагента во всасывающей линии сильфон под действием пружины3 разжимается, тяга и рычаг перемещаются в исходное положение и контактыразмыкаются, отключая компрессор. Чтобы размыкание происходило без искрения,магнит 7 удерживает пластину 5 до тех пор, пока усилие пружины не будетдостаточным для резкого отрыва пластины от магнита.
Сильфон реле высокого давления по конструкции аналогичен сильфонуреле низкого давления, но меньше его по диаметру. При чрезмерном повышениидавления конденсации сильфон 8 отводит рычаг 9, который с помощью пружины 10 ипланки 11 поднимает пластину 5, размыкая контакты независимо от реле низкогодавления. Во всех случаях при размыкании контактов компрессор отключается. Насрабатывание при соответствующем давлении прибор настраивается с помощьюрегулировочной гайки.
Электромагнитные запорные вентили относятся к исполнительнымприборам и представляют собой соленоидные вентили двухпозиционного(открыт–закрыт) действия. В зависимости от диаметра трубопровода ониизготовляются с различным размером проходного отверстия.
Соленоидный вентиль (рис. 8.4) состоит из клапана 4,помещенного в корпусе /, и электромагнитной катушки (соленоида) 7. Припрохождении электрического тока в катушке возникает магнитное поле и якорь 8,втягиваясь в катушку, полностью открывает клапан для прохода хладагента. Припрекращении электропитания якорь опускается вниз и клапан закрывает проходнойканал вентиля.
/>
Рисунок 8.4 – Соленоидный вентиль:
1 – корпус; 2 – колпачок; 3 – отжимной винт; 4 – клапан; 5 –крышка клеммной коробки; 6 – зажимы; 7 – катушка электромагнита; 8 – якорь
8. Тепловойрасчет холодильной машины
Основными данными для теплового расчета холодильной машины являются:нагрузка на компрессор, температурный режим работы машины (температура кипения,конденсации, перед регулирующим вентилем, переохлаждения, всасывания), видприменяемого хладагента.
Температура: конденсации – 39оС,испарения – 8оС, переохлаждения – 34оС, всасывания – 28оС,перегретого пара – 62оС.
Давление: нагнетания – Pк=1,00МПа, всасывания – Pо=0,38Мпа.
Теплосодержание в точках 3¢ и 4: i3¢ = i4¢ =440кДж.
Удельный объем всасываемого пара: />.
Холодильный цикл изображен на рис. 7.1.
Таблица 8.1¾Результаты расчетовОпределяемый параметр Формула Хладон‑12 Термоэлектрическая мощность компрессора, кВт
/>
/> Действительная мощность компрессора, кВт
/>
/> Эффективная мощность, кВт
/>
/> Тепловой поток в конденсаторе, кВт
/>
/>
Остальные параметры приведены в таблице 7.1.
9. Расчет основных параметров компрессора
Определим основные параметры транспортногохладонового компрессора холодопроизводительностью 29 кВт с описываемым поршнямиобъемом /> /см. табл. 7.1., с. 29/.
Принимаем четырехцилиндровый, с V – образнымрасположением цилиндров, компрессор.
Скорость поршня:
/> /5,с. 110/.
Диаметр цилиндра компрессора:
/>; />
Ход поршня: /> /5,с. 110/;
Частота вращения коленчатого вала:
/> /5,с. 110/
Вывод:по данным расчета принимаем компрессор ФУ15, работающий при 1200 об/мин иимеющий 4 цилиндра диаметром – 76 мм, ход поршня – 40 мм.Холодопроизводительность – 29 кВт /1, с. 122/.
10. Расчет теплообменных аппаратов установки
10.1 Испаритель-воздухоохладитель (ИВО)
Холодильная установка КЖ‑25П имеет ИВО споверхностью испарения 84 м2 /1, с. 167/.
Определим поверхность испарителя:
/> /1,с. 136/
где />холодопроизводительность установки, кВт;
/>коэффициенттеплопередачи испарения с учетом влагоотделения. Принимаем /> /1, с. 136/.
/>разностьмежду температурой испарения хладагента /> и температуройохлажденного воздуха на входе /> и выходе /> испарителя.
/>
В результате расчетов принимаем ИВО споверхностью охлаждения 84 м2 /1, с. 167/.
10.2 Конденсатор
Площадь поверхностей конденсатора:
/> /1,с. 134/
где />холодопроизводительность установки по конденсатору, кВт;
/>;
/> — индикаторная мощность/табл. 7.1., с./;
/>коэффициенттеплопередачи конденсатора /1, с. 136/.
/>разностьтемператур конденсируемого хладагента и охлаждающего воздуха /6, с. 18/.
/>
Количество охлажденного воздуха:
/>, /5,с. 33/
где />удельная теплоемкостьвоздуха;
/>плотность воздуха, /5,с. 33/.
/>
Вывод:в результате расчетов принимаем конденсатор с теплопередающей поверхностью 80 м2,с количеством воздуха, продуваемого через конденсатор 8000 м3/ч
/1, с. 135/
11. Вопросы охраны труда и техники безопасности приэксплуатации холодильных установок
К обслуживанию холодильных установокдопускаются лица не моложе 18 лет, специально обученные и знающие инструкцию пообслуживанию данной установки.
Помещение для ремонта холодильного оборудованиядолжно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией, обеспечивающейдостаточный воздухообмен и исключающий опасную концентрацию хладагента ввоздухе.
Запрещается наполнять хладагентом баллоны, укоторых неисправны вентили, поврежден корпус, окраска и надписи несоответствуют марке данного хладагента. Принимая партию баллонов, необходимопроверить паспорт о проведенных испытаниях, который доложен прилагатьсязаводом-изготовителем.
Запрещается перевозить и хранить хладон-12 вкакой-либо другой таре или баллонах, помещенных у источника тепла, а также безспециального укрытия, защищающего баллоны от солнечных лучей. Вне специальногохранилища не разрешается держать для работы более одного баллона с хладагентом.
Перед заполнением системы необходимо преждевсего убедиться, что в баллоне находится именно хладон-12. Затем проверить незагрязнены ли аппараты, нет ли влаги и воздуха в системе. Открывать колпачковуюгайку на штуцере вентиля баллона следует в очках, при этом выходное отверстиебаллона надо направить в сторону от себя.
В процессе заполнения системы хладагентомзапрещается нагревать баллон любым способом. Нельзя оставлять баллон схладагентом присоединенным к системе холодильной установки больше времени,необходимого для непосредственного ее заполнения или для удаления из неехладагента.
При перекачке в баллон хладагента из системыразрешается использовать лишь те баллоны, срок проверки которых не истек. Нормазаполнения баллона хладоном-12 не должна превышать 1,1 кг/л, фреоном-22 – 1кг/л.
Демонтаж и вскрытие компрессоров и аппаратовхолодильной установки можно производить только после того, как хладагент будетполностью удален из них, а давление понижено до атмосферного и останется такимнекоторое время.
Во время осмотра и ремонта холодильногооборудования и особенно внутренних частей компрессора и аппаратов нельзяпользоваться для освещения открытым огнем, так как под действием пламени хладон-12выделяет ядовитые вещества. Разрешается применять переносные электрическиелампы напряжением не выше 12 В или электрические аккумуляторные фонари.
Следует обращать особое внимание на исправностьманометров и автоматических приборов регулирования. Нельзя эксплуатироватьхолодильные установки, если на манометрах нет пломб, истек срок их проверки илина их шкале не нанесена красная черта предельно допустимого рабочего давления.При повышении давления более допустимого по паспорту установка немедленнодолжна быть выключена.
Запрещается эксплуатировать холодильноеоборудование при снятых или неисправных устройствах, ограждающих приводныеремни, движущиеся и вращающиеся части. Нельзя крепить соединения трубопроводови аппаратов и затягивать болты компрессора во время работы установки, а такжеоставлять запорные вентили компрессора и других аппаратов со снятымиколпачками. Запрещается проверять нагрев внутренних подшипников на ходу, т.е.при работающем двигателе.
Работники, ремонтирующие и обслуживающиехолодильное оборудование, должны работать в специальной хорошо защищеннойодежде и защитных очках.
12. Технико-экономическое обоснование примененияхолодильной установки вагона
На основании технико-экономического сравненияустановок кондиционирования воздуха различных типов можно сделать вывод, чтоотечественные установки КЖ‑25П по основному показателю – удельнойхолодопроизводительности являются лучшими на наших дорогах. Но все применяемыена пассажирских вагонах установки имеют довольно большую массу. Расположениеодной части аппаратов под рамой вагона, а другой в потолочном пространстве,требует большого количества соединительных трубопроводов и этим затрудняетсяобслуживание и ремонт агрегатов.
Совершенствование установок кондиционированиявоздуха должно идти по пути снижения их массы, а также улучшения условийремонта и содержания.
Улучшение герметичности системы является однимиз наиболее существенных факторов, влияющих на работу холодильных установок.
Применение плавного регулированияхолодопроизводительности и автоматического поддержания стабильной температурывоздуха в вагоне можно осуществить путем поочередного включения цилиндровкомпрессора с одновременным использованием безопасной заслонки на линии подачив вагон рециркуляционного воздуха. Улучшение технико-экономических показателейвагонных холодильных установок, в частности увеличение их срока службы, можетбыть достигнуто за счет повышения частоты вращения коленчатого вала компрессорас сохранением или незначительным увеличением средней скорости поршня, а такжеприменение устройств, обеспечивающих автоматизацию работы компрессора иширокого применения термостатических масел.
Также следует применять винтовые компрессорыбесклапанной конструкции, которые отличаются компактностью, высокой надежностьюи возможностью экономического регулирования холодопроизводительностимагистралями питания.
Заключение
В курсовом проекте рассмотрены следующиепункты:
· состояние вопроса по системамкондиционирования воздуха в пассажирских вагонах;
· определена расчетная площадьтеплопередающих поверхностей кузова вагона;
· найден расчетный коэффициенттеплопередачи ограждения помещения вагона;
· произведен теплотехнический расчетвагона для летнего периода;
· построен процесс обработки воздуха всистеме кондиционирования;
· описание конструкции и системыохлаждения вагона;
· приведена схема установки с приборамиавтоматики;
· рассчитан и построен холодильный циклработы установки;
· произведен тепловой расчет холодильноймашины;
· расчет основных параметров компрессора;
· расчет теплообменных аппаратовустановки: испарителя-воздухоохладителя и конденсатора;
· рассмотрены вопросы охраны труда итехники безопасности при эксплуатации холодильной установки.
Список использованных источников
1. Зворыкин М.Л.,Черкез В.М. Кондиционирование воздуха в пассажирских вагонах. – М.:Транспорт, 1977. – 288 с.
2. Осадчук Г.И.,Фарафонов Е.С. Холодильное оборудование вагонов и кондиционированиевоздуха. – М.: Транспорт, 1974. – 304 с.
3. Фаерштейн Ю.О.,Китаев Б.Н. Кондиционирование воздуха в пассажирских вагонах. – М.:Транспорт, 1984. – 272 с.
4. Вгоны. Под редакциейЛ.А. Шадура. – М.: Транспорт, 1973. – 440 с.
5. Постарнак С.Ф., Зуев Ю.Ф.холодильные машины и установки. – М.: Транспорт, 1982. – 335 с.
6. Лунев Б.П., Вишняков Б.И.,Сергеев К.А. Энергохолодильные системы вагонов и их техническоеобслуживание. Задание на курсовой проект с методическими указаниями. – М.:ВЗИИТ, 1991. – 25 с.
7. Орлов М.В.,Сенаторов С.А., Смольянинов А.В. Основные требования ксодержанию и оформлению дипломных проектов. Для специальности 17.10 «Вагоны».Методические указания. – Екатеринбург: УЭМИИТ, 1993. – 30 с.