Казахская академия транспорта и коммуникаций

имени М. Тынышпаева

Методические указания

к практическим занятиям по дисциплине

«Кондиционирование воздуха в вагонах»

(для студентов специальности

050713 – Транспорт, транспортная техника и технологии)

Алматы - 2010

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Казахская академия транспорта и коммуникаций

имени М. Тынышпаева

Кафедра «Вагоны»

«Утверждаю»

Проректор по учебной и научной

работе КазАТК

____________ А.Д. Монастырский

____________________

Методические указания

к практическим занятиям по дисциплине

«Кондиционирование воздуха в вагонах»

(для студентов специальности

050713 – Транспорт, транспортная техника и технологии)

Алматы - 2010

УДК 629.45/46 (075)

Методические указания к практическим занятиям составлены в соответствии с рабочей программой элективной дисциплины «Кондиционирование воздуха в вагонах» для студентов специальности бакалавриата 050713 - Транспорт, транспортная техника и технологии.

Рецензенты:

Солоненко В.Г. - д.т.н., профессор АО «КазАТК»,

Кайнарбеков А.К. - д.т.н., профессор «КУПС».

Авторы:

Ивановцева Н.В. – к.т.н., доцент;

Туркебаев М.Ж. – к.т.н., доцент.

В методических указаниях рассмотрены вопросы выбора систем кондиционирования пассажирских вагонов. Изложена методика расчёта параметров кондиционирования воздуха.

Методические указания обсуждены и получили положительное решение на кафедре «Вагоны» (Протокол № 9 от 20 апреля 2010 года).

Методические указания рассмотрены и получили положительное заключение на УМБФ «Транспортная техника» (Протокол № 4а от 26 мая 2010 года).

Методические указания рекомендованы к изданию в открытой печати и использованию в учебном процессе на УМС академии (Протокол № 4а от 27 мая 2010 года).

Практическое занятие №1 тема: «построение цикла работы кондиционера»

Наиболее доступными теплоносителями являются воздух, вода и водные растворы солей. Атмосферный воздух — это смесь различных газов и водяного пара. Ос­новные его параметры: влажность (абсолютная и относительная), влагосодержание, энтальпия (теплосодержание), теплоемкость, теп­лопроводность. В воздухе всегда имеется от нескольких десятых долей процента до 3—4 % водяных паров. Влажный воздух обыч­но рассматривают как смесь двух идеальных газов: сухого воздуха и водяного пара.

Содержание в воздухе водяных паров, в отличие от состава су­хого воздуха, колеблется в довольно больших пределах. Вне поме­щений содержание водяных паров зависит от времени года, пого­ды и местных климатических условий. В помещениях их содержа­ние, кроме того, зависит от конкретных условий и, в первую оче­редь, от относительного (к объему помещения) количества присут­ствующих людей.

Максимальное содержание водяных паров в воздухе определяет­ся пределом насыщения, при котором дальнейшее увеличение содержания паров не происходит, так как они начинают конденсиро­ваться и выпадать в виде капель воды, а при температурах ниже 273К (0°С) — в виде инея. Чем выше температура воздуха, тем больше в нем может содержаться водяных паров и каждой данной температу­ре соответствует свой определенный предел насыщения. Поэтому, если температура влажного воздуха понижается, то при достиже­нии определенного уровня, называемого точкой росы, происходит конденсация находящихся в нем водяных паров с выпадением росы или инея. В этом состоянии воздух называется насыщенным.

Предел насыщения воздуха водяными парами зависит также и от его давления. Однако давление атмосферного воздуха в его ниж­них зонах изменяется в очень незначительных пределах и поэтому в процессах, связанных с кондиционированием воздуха на желез­нодорожном транспорте, им пренебрегают.

Сухой воздух в насыщенном состоянии в пределах температур и давлений, имеющих место в процессах кондиционирования, по своим физическим свойствам близок к идеальным газам и подчи­няется законам идеальных газов.

В кондиционировании воздуха при расчётах, связанных с опре­делением объемов воздуха (например, при расчетах производитель­ности вентиляции и скоростей движения воздуха в воздуховодах), влажностью воздуха обычно пренебрегают. В теплотехнических расчетах, связанных с использованием теплоемкости и теплосодер­жания воздуха, его всегда рассматривают как смесь из двух состав­ляющих: сухого воздуха и водяного пара.

Масса водяных паров, содержащаяся в 1 м³ влажного воздуха, на­зывается его абсолютной влажностью, измеряемой в килограммах.

Отношение количества содержащихся в воздухе водяных паров к их количеству, насыщающему воздух при тех же температуре и давлении, называется относительной влажностью . Относитель­ную влажность воздуха принято выражать в процентах. Для со­вершенно сухого воздуха = 0 %, для насыщенного = 100 %.

Масса водяных паров, содержащаяся в 1 кг сухого воздуха, на­зывается его влагосодержанием и обозначается буквой х (кт/г) Ве­личина х всегда является дробной, что неудобно для расчетов, поэтому влагосодержание, как правило, выражают в размернос­ти г/кг и обозначают буквой d.

Количество тепла, которое содержится в 1 кг воздуха, зависит от его температуры и влагосодержания d. называется удельным теплосодержанием (или удельной энтальпией) и обозначается бук­вой I. При определении теплосодержания воздуха учитывается скрытая теплота парообразования воды, равная 2491,15 кДж/кг.

Удельное теплосодержание влажного воздуха равно сумме удельных теплосодержаний сухого воздуха и содержащегося в нем водяного пара. Оно определяется по формуле (кДж/кг):

I = 1,084* t + d /1000* (2491 +1,926* t)

Приведенные выше понятия — относительная и абсолютная влажность воздуха — по своему значению принципиально различны.

Относительная влажность воздуха имеет большое гигиеничес­кое значение и, наоборот, с точки зрения теплотехнических расче­тов относительная влажность воздуха значения не имеет.

Абсолютная влажность воздуха (в килограммах на кубометр сухого воздуха) или его влагосодержание (в килограммах или грам­мах на килограмм сухого воздуха) сами по себе без учета темпера­туры на организм человека не действуют. При теплотехнических же расчетах, связанных с кондиционированием воздуха, эти пара­метры имеют первостепенное значение.

Для уяснения сказанного следует учитывать, что высокая отно­сительная влажность может соответствовать низкому влагосодержанию и наоборот.

Например, при = 100 % и t =5 °С влагосодержание d = 5,4 г/кг, при = 70 % и t = 20 °С d = 10,5 г/кг, при = 40 % и t = 35 °С d = 14,8 г/кг.

Соотношение основных параметров влажного воздуха — темпе­ратуры, относительной влажности, влагосодержания, удельного теп­лосодержания — можно определять по специальным таблицам или по диаграмме I—d влажного воздуха.

В расчетах процессов кондиционирования воздуха применяют i-d - диаграмму, составленную в 1918 г. проф. Л. К. Рамзиным (рисунок 1.1). Эта диаграмма представляет собой графическую интерпретацию уравнения энтальпии влажного воздуха. Она выражает в графическом виде связь основных параметров влажного воздуха ( ).

Диаграмма составляется для давления воздуха р = 750 мм рт. ст.=10⁵Па.

I - d - диаграмма построена в косоугольной системе координат. Вертикальная ось ординат, на которой отложены значения энтальпий i, проходит под углом 135° к оси абсцисс со значениями влагосодержания d. Для удобства отсчета влагосодержания ось абсцисс на диаграмму не наносится, а вместо нее через начало координат проводится вспомогательная горизонтальная линия, на которой откладываются и значения влагосодержаний. Вертикали, проведенные через полученные точки, представляют линии постоянного влагосодержания . На оси ординат вверх и вниз от точки 0, соответствующей i =0 и d =0, отложены значения энтальпий и проведены линии параллельно оси абсцисс, т. е. под углом 135° к вертикали. На полученной сетке из параллелограммов строятся прямые линии изотерм ( ) и кривые линии постоянной относительной влажности ( ).

Нижняя кривая характеризует состояние насыщённого воздуха (кривая насыщения)

На i-d - диаграмму наносятся также значения парциальных давлений водяного пара .

Точка на i-d - диаграмме обозначает вполне определенное состояние воздуха, положение точки определяет его параметры: температуру, относительную влажность, влагосодержание, энтальпию, парциальное давление. Прямая линия, соединяющая любые две точки, соответствует некоторому термодинамическому процессу перехода из одного состояния в другое. Если параметры начального и конечного состояния воздуха соответственно и , d и i, то отношение

Рисунок 1.1 i-d диаграмма влажного воздуха при давлении 10⁵ Па.

(1.1)

называется угловым коэффициентом луча тепловлажностного процесса, характеризующим изменение состояния воздуха. Угловой коэффициент имеет размерность кдж/кг влаги. Он показывает, какое количество тепла получает или отдает воздух на каждый 1 кг воспринятой или отданной влаги.

Рассмотрим некоторые характерные точки на i-d - диаграмме (рисунок 1.2). Если из произвольной точки А провести луч АБ по вертикали ( ), то процесс будет характеризовать нагревание воздуха без изменения его влагосодержания. Если провести луч АВ до пересечения с кривой насыщения, то этот луч будет представлять процесс охлаждения, а точка В - точку росы (соответствующая ей температура - температура точки росы).

Если воздух в состоянии, определяемом точкой А, увлажнять без подвода или отвода тепла, то процесс, характеризующийся линией АГ, будет происходить без изменения энтальпии ( ). Точка Г на пересечении этой линии с кривой насыщения называется точкой мокрого термометра, а соответствующая ей температура - температурой мокрого термометра (температура влажного воздуха в процессе адиабатического увлажнения при условии полного насыщения). Зная температуры по мокрому и сухому термометрам, можно определить относительную влажность воздуха, что используется в психрометрических методах определения этой величины.

При изотермическом насыщении воздуха водяными парами ( ) его состояние при полном насыщении определится пересечением изотермы, проведенной из точки А до пересечения с пограничной кривой в точке Д, называемой точкой изотермического увлажнения воздуха. В процессе, определяемом линией Ад, влагосодержание и энтальпия увеличиваются.

При кондиционировании воздуха происходят более сложные процессы, чем рассмотренные при постоянных значениях . По линии АЕ происходит охлаждение и осушка, а по АЖ - нагревание и увлажнение воздуха. В различных случаях изменения состояния воздуха угловой коэффициент может изменяться от до .

Если влажный воздух отдает тепло и влагу ( ; ), то это соответствует процессу охлаждения и одновременной осушке воздуха. Угловой коэффициент в этом случае представляется в следующем виде:

. (1.2)

В случае отдачи тепла при неизменном влагосодержании процесс характеризуется лучом, параллельным линии , и направлен вниз:

. (1.3)

Если влажный воздух получает влагу при неизменной энтальпии (адиабатический процесс), то луч процесса направлен по линии и, следовательно, угловой коэффициент

. (1.4)

В случае нагревания влажного воздуха при неизменном влагосодержании процесс будет характеризоваться лучом, параллельным линии и направленным вверх:

. (1.5)

Рисунок 1.2 Некоторые характерные точки и процессы на i-d - диаграмме.

При одновременном поглощении тепла и влаги направление луча процесса будет характеризоваться угловым коэффициентом

. (1.6)

При кондиционировании воздуха в пассажирских вагонах происходит смешивание двух потоков влажного воздуха, наружного и рециркуляционного (из помещения вагона) с последующим охлаждением смеси. Параметры смеси могут быть определены аналитически или по i-d – диаграмме. Если смешивается т₁ кг воздуха с параметрами с т₂ кг воздуха с параметрами , то параметры смеси, имеющей массу т=т₁+ т₂, могут быть рассчитаны по балансу тепла и влаги. Влагосодержание, температура в энтальпия будут соответственно:

; (1.7)

; (1.8)

. (1.9)

Если смешивается масса воздуха т₁ с параметрами, определяемыми на i-d – диаграмме точкой З (смотри рисунок 1.2), и масса воздуха т₂ с параметрами, определяемыми на i-d – диаграмме точкой И, то параметры смеси представляются точкой К, расположенной на отрезке прямой ЗИ, причем должно выполняться отношение

, (1.10)

т. е. точка К делит линию ЗИ на отрезки, обратно пропорциональные массам составных частей.

Для определения всех параметров влажного воздуха по i-d - диаграмме достаточно знать только два параметра.

i-d - диаграмма широко применяется для расчета процессов изменения температурно-влажностного состояния воздуха в системе кондиционирования воздуха пассажирского вагона.