10. Расчёт и выбор узлов системы отопления

Система отопления должна: иметь достаточную теплопроизводительность; обеспечивать равномерную температуру по длине и высоте пассажирских помещений; давать возможность регулирования отдачи тепла при изменении температуры наружного воздуха в пределах от +10 до -40° С; иметь температуру поверхностей нагревательных при­боров, с которыми могут соприкасаться пассажиры, не выше 65° С; быть безопасной в пожарном отношении; не выделять копоти и за­пахов и не загрязнять вагон; быть простой и удобной в обслуживании.

Основы расчета котлов. При проектировании котлов их основные параметры — величина поверхности нагрева, площадь колосниковой решетки, объем топки (топочного пространства), водяной объем и т. д.—определяются теплотехническими расчетами. Ниже приведе­ны формулы для расчёта поверхности нагрева и расхода топ­лива для котла с водяной рубашкой для пас­сажирского вагона с длиной кузова 23,6 м при максимальной расчет­ной нагрузке.

Значение теплопередающей поверхности (м²) от топки и дымовых газов определяется по формуле:

, (9.8)

где — общие теплопотери вагона при расчетных условиях для зим­него времени года, (формула 4.19), кВт; β – безразмерный коэффициент, учитывающий теплопотери котла в окружающую среду; П_к — поверхностная плотность теплового потока, т.е. количест­во тепловой энергии, переходящей через единицу поверхности в единицу времени при имеющемся перепаде между средней температурой газов в топочном пространстве и средней тем­пературой воды в котле, кВт/м².

Для небольших котлов с водяной рубашкой без обму­ровки (теплоизоляции) коэффициент β принимается 1,05—1,1. Для котлов с небольшим количеством люков (котлы верхнего горения) принимается меньшее значение этого коэф­фициента, для котлов с большим количеством люков (котлы нижнего горения конструкции заводов ГДР) — большее.

Значение П_к для котлов с водяной рубашкой выбирается в преде­лах 9,0—11,5 кВт/м² (8000—10 000 ккал/м²). Расчет ведется для усло­вий максимальной теплоотдачи, при которой достигается температура воды в котле 95° С, и темпе­ратура в топке также макси­мальная.

Расход топлива (кг/с) оп­ределяется по формуле:

_, (9.9)

где G_т — массовый расход топ­лива, кг/с; Т - удельная теплота сгорания топлива (теплотворная спо­собность), кДж/кг, (принимается для используемо­го на железнодорожном транс­порте угля Т=27000кДж/кг); η_к — к. п. д. котла.

Вагоны начинают отапливать при температуре наружного воздуха 10⁰С и ниже. Во время топки котла нужно поддерживать постоянное горение топлива и необходимую температуру воды в котле. Ориентировочная зависимость температуры воды в котле от температуры наружного воздуха приведена в таблице 9.1.

В зависимости от температуры наружного воздуха приказом МПС установлены нормы выдачи топлива на отопление одного пассажирского вагона, которые приведены в таблице 9.2.

Таблица 9.1

Наружная температура воздуха, 0С	Температура воды в котле, 0С	Наружная температура воздуха, 0С	Температура воды в котле, 0С
+5	+40	-20	+90
0	+50	-25	+90
-5	+60	-30	+90
-10	+70	-35	+90
-15	+80	-40	+90

Таблица 9.2

Температура наружного воздуха, 0С	Нормы выдачи угля, кг, на один вагон-сутки
	Донецкие антрациты крупных и средних классов, силезский, кузнецкий, печорский, забайкальский угли	Кизеловский, карагандинский, Черемховский угли	Хакасский, райчихинский, приморские угли
от +10 до +5	21	26	37
от +5 до 0	35	43	63
от 0 до -5	55	68	99
от -5 до -10	76	94	136
от -10 до -15	95	117	171
от -15 до -20	116	143	208
от -20 до -25	136	168	244
от -25 до -30	156	193	280
от -30 до -35	177	219	318
от -35 и ниже	198	245	356
Выдача топлива на растопку
	14	17	25

Расчет калориферов. Калориферы (по «отопительной» терминологии) или воздухоподогреватели (по «вентиляционной» тер­минологии) предназначены для подогрева подаваемого в вагон венти­лирующего воздуха и являются теплообменными аппаратами «жидкость— газ», в данном случае «вода — воздух». В калориферах вода и воз­дух проходят раздельными путями, а разделяющая их поверхность является поверхностью теплообмена.

Расчёты гидравлического и аэродинамического сопротивления калориферов производят по формулам (9.4) и (9.6), причём значения и (вместо ) берут по справочникам. Напор определяют по формуле (29) [7], стр. 81, аналогично тому, как это выполнено для ветвей отопления.

По количествам и температурам воды и воздуха, можно определить теплопроизводительность, к.п.д. и коэффициент теплопередачи калорифера.

Теплопроизводительность по воздуху определяется по формуле (4.18). Теплопроизводительность по воде подсчитывается по этой же формуле, но вместо плотности и теплоёмкости воздуха берутся эти же параметры для воды.

Коэффициент полезного действия η_кал определяется как частное от деления теплопроизводительности по воздуху на теплопроизводитель­ность по воде:

(9.10)

Коэффициент теплопередачи теплообменного калорифера в Вт/(м²*К) определяется по формуле:

(9.11)

где - теплопроизводительность калорифера (всегда берется по воздуху), Вт; F_K — теплобменная поверхность калорифера, м²; — средняя температура соответственно воды и воздуха в калорифере, ⁰С.

Физический коэффициент теплопередачи теплообменной поверхности калориферов зависит от их типа и конструктивного решения и от теплопроводности теплообменной поверхности. Для определения значения этого коэффициента в ходе проектирования используют скорости дви­жения воды и воздуха. Для пластинчатых стальных калориферов при небольших (до 0,6 м/с) скоростях движения воды пользуются формулой:

К_К = 19,4 (υγ)^0,297 ω^0,224, (9.12)

где υ – скорость движения воздуха при проходе через калорифер, м/с; γ — плотность (объемная масса) воздуха, равная 1,2 кг/м³; ω — скорость движения воды, м/с.

Произведение υγ является массовой скоростью воздуха и имеет размерность кг/(м²∙с).

Скорость движения воздуха, определенная по известным значениям производительности вентиляции (G = 0,76 м³/с, или 2660 м³/ч) и жи­вого сечения калорифера (f_в = 0,2 м²) по формуле (9.1), равна 3,7 м/с и в зимнем режиме работы является, как правило, величиной постоянной. Скорость движения воды вследствие разных режимов топки котла и раз­ных температур воздуха на входе в калорифер, которые зависят от температуры наружного воздуха, не является постоянной и изменяется в довольно широком пределе.

Расчёт нагревательных приборов.

Поверхность нагрева отопительных труб F_T в м² подсчитывается по формуле (9.11), преобразованной в удобный вид:

_, (9.13)

где Q_T - тепловая мощность, которую должны иметь трубы, Вт (рассчитанная по формуле 4.19); К_т - коэффициент теплопередачи труб, Вт/(м² ∙К), (принимается 10 Вт/(м²∙К)).