2. Теплотехнический расчет вагона

Основной целью теплотехнического расчета вагона является определение следующих величин: 1) суммарного количества тепла, поступающего во внутреннее помещение вагона от различных источников при работе энергохолодильного оборудования, либо теряемого при отоплении; 2) потребной холодопроизводительности холодильной машины; 3) тепловой нагрузки основных теплообменных аппаратов энергохолодильного оборудования.

1. Теплотехнический расчет пассажирского вагона

Теплотехнический расчет охватывает тепловой расчет, имеющий целью определение общего количества тепла, отводимого при работе холодильного оборудования, а также установление потребной холодопроизводительности холодильной машины, по которой подбирают компрессор и теплообменные аппараты.

1. Тепловой расчет

Тепловой расчет производится в соответствии с условиями, заданными в исходных данных.

Поддержание в вагоне определенной температуры и влажности воздуха в летний период обеспечивается путем отвода излишних тепла и влаги.

При комфортном кондиционировании воздуха отводится общее избыточное количество тепла, поступающего в пассажирское помещение от различных источников, включая пассажиров, а в случае осушения воздуха и от конденсата, выпадающего на поверхность испарителя из охлаждаемого воздуха.

Расчеты параметров воздуха проводят по условию мокрого охлаждения с использованием «i-d» диаграммы влажного воздуха (Приложение 4).

Уравнение общего теплового баланса имеет вид

Q_{общ.пас}=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆ , Вт (4)

где Q_{общ.пас} – общий теплоприток в пассажирское помещение;

Q₁ – теплоприток через ограждение кузова вследствие разности температур воздуха снаружи и внутри вагона;

Q₂ – теплоприток от воздействия солнечной радиации;

Q₃ – теплоприток вследствие поступления наружного воздуха через

неплотности (инфильтрация);

Q₄ – теплоприток от работающего электрооборудования;

Q₅ – теплоприток вследствие жизнедеятельности пассажиров;

Q₆ – теплоприток вследствие подачи в вагон свежего наружного воздуха через систему вентиляции.

Указанные выше элементарные теплопритоки вычисляются по формулам (5)÷(10).

, Вт (5)

где К_пр – приведенный коэффициент теплопередачи, вычисленный по формуле (3), Вт/м² К;

t_н, t_в – значения температур воздуха снаружи и внутри вагона, ⁰С;

– среднегеометрическое значение площади поверхности кузова, м². Принимают по таблице 3.

Таблица 3

^{Площади поверхности элементов ограждения кузова, м}2

Элемент ограждения кузова	Тип вагона
	Плацкартный 58 чел.	межобластной			Купированный 38чел.	мягкий
		76 чел.	73 чел.	68 чел.		18 чел.	32 чел.
Крыша	77	77	77	77	83,6	83,6	77
Пол	62,7	63,4	62,7	62,7	64,4	59,8	62,7
Боковые стены	79,6	81	80	81,4	82,7	78	84,8
Торцовые стены	16	16	16	16	14,4	14,4	16
Окна	25,1	23,8	24,7	23,4	23,4	23,4	20
Вагон в целом	260,5	261,2	260,4	260,5	268,5	258,2	260,5

, Вт (6)

где t_max=50 ⁰С – максимальная температура поверхности кузова;

Z_со=12÷16– продолжительность солнечного облучения в течение суток летом,час.

Q₃=K'·Q₁, Вт (7)

где K' – безразмерный числовой коэффициент. Для летнего периода, когда пассажиры часто выходят из вагонов, K'=0,3 по данным [1, с.43]

Q₄=n_дв·N_дв+ΔN_аппар, Вт (8)

где n_дв=1,0 – количество электродвигателей;

N_дв – мощность электродвигателя вентилятора. Принимают для мягкоговагона 1500 Вт, для купированного 1700 Вт, для межобластного 2800 Вт, для «МИКСТ» (Венгрия) 700 Вт;

ΔN_аппар=300÷400, Вт – мощность аппаратуры автоматики.

Работа электрокипятильника не учитывается из-за кратковременности (3 часа в сутки).

Q₅=q_пасс·n_пасс, Вт (9)

где n_пасс – населенность вагона;

q_пасс=100÷120, Вт, (расчетное 115 Вт) – тепло, выделяемое одним пассажиром.

, Вт (10)

где V_пасс=25÷36 – объем подаваемого свежего воздуха на одного пассажира летом, м³/час;

=1,17÷1,20 – плотность влажного воздуха, кг/м³;

– удельная энтальпия наружного воздуха, кДж/кг. Определяется по «i-d» диаграмме для заданных в исходных данных значений t_н и φ_н.

– удельная энтальпия воздуха внутри вагона, кДж/кг.

Для определения значения необходимо найти значение температуры подачи t_п и влагосодержания d_п всего воздуха, поступающего в вагон из системы кондиционирования.

Температура подачи t_п определяется с помощью уравнения теплового баланса воздухоохладителя

Q_хм=V_п·ρ_в·C_в(t_в–t_п), Вт (11)

где V_п – объемный расход подаваемого в вагон воздуха. Принимают 1,25÷ 1,38 м³/с;

ρ_в=1,17÷1,2 кг/м³ – плотность подаваемого воздуха;

C_в=1005 Дж/кг – изобарная удельная теплоемкость воздуха.

Холодопроизводительность холодильной машины Q_хм равна сумме всех теплопритоков внутрь вагона. Однако, величину Q₆ в первом приближении следует принять равной нулю, а в последующих приближениях вычислять по формуле (10) после нахождения i_в. Таким образом,

, ⁰С (12)

где – сумма всех теплопритоков внутрь вагона. В последующих приближениях включается и значение Q₆, Вт.

Для нахождения влагосодержания d_п и энтальпии i_в делается предположение, которое в дальнейшем проверяется, о том, что воздух из воздухоохладителя характеризуется относительной влажностью φ_п=100%.

По диаграмме «i-d» для влажного воздуха в точке пересечения линии t_п с кривой φ_п=100% находится влагосодержание d_п. В вагоне температура воздуха повышается от значения t_п до значения t_в благодаря притоку тепла, а влагосодержание не изменяется, т.е. d_в= d_п. Энтальпия i_в находится в точке пересечения прямой d_п и линии i_в.

Проверка предположения о том, что φ_п=100%, состоит в следующем.

Так как воздух перед воздухоохладителем представляет собой смесь наружного воздуха (25% от общего количества) с параметрами t_н, φ_н и воздуха из помещения вагона (75% от общего количества) с влагосодержанием d_вых, то для влагосодержания смеси получаем

d_см=0,25·d_н+0,75·d_вых, г/кг сух.воз,

где d_н – влагосодержание наружного воздуха. Находится на диаграмме «i-d» в точке пересечения линий t_н и φ_н;

d_вых – влагосодержание воздуха в вагоне с учетом влаговыделения пассажиров. Его значение определяется из выражения

, г/кг сух. воз.,

где n – населенность вагона;

g_пасс=0,013÷0,015 г/с – влаговыделение одного пассажира.

Если получается d_см≥d_п, то предположение φ_п=100% справедливо (выпадение росы). При d_см<d_п принимают d_см=d_п и расчет повторяют по «i-d» диаграмме.

После нахождения энтальпии i_в определяется значение Q₆ по формуле (10) и уточняется значение температуры подачи t_п по формуле (12) и так далее до тех пор, пока не получится

,

где ε – допустимая погрешность, например, 0,005.

Обычно достаточно повторить расчет 1-2 раза.

По установленному в результате значению d_п и температуре t_в на диаграмме «i-d» определяется значение относительной влажности воздуха φ_в внутри вагона. Для летнего периода рекомендуется φ_в=40÷60%.

Расчет влажности воздуха в системе кондиционирования вагона «МИКСТ» (Венгрия) отличается от изложенного выше и рассмотрен в лабораторном практикуме.