Практическое занятие №4 тема: «расчёт теплопотерь кузова вагона в холодное время года»
Расчет теплопотерь вагона зимой осуществляется для определения производительности системы отопления. В зимнее время года теплопотери происходят: через ограждения, вследствие перепада температур воздуха внутри и снаружи вагона; в результате инфильтрации; от подачи в вагон холодного вентилирующего воздуха.
Зимой в вагон могут поступать и теплопритоки: от солнечной радиации, от тепловыделений пассажиров и от работы внутреннего оборудования. Однако эти теплопритоки принимать в расчет не следует. Солнечная радиация зимой, даже в ясную погоду, кратковременна и очень слаба. Тепловыделения oт пассажиров принимать в расчет нельзя, так как во время какой-то части рейса пассажиров в вагоне может быть мало, а температура и в этом случае не должна быть ниже нормы. Теплопоступления oт работы внутреннего оборудования (вентилятора, кипятильника) в paсчет не принимаются из-за их небольшой относительно зимних теплопотерь величины. Неучет теплопритоков идет как бы «в запас прочности».
Рассмотрим методику расчета теплопотерь с числовым примером для купейного вагона с длиной кузова 23,6 м при населенности 40 чел., т. е. того же вагона, для которого был выполнен расчет теплопритоков в летнее время. В расчете используются нормативный параметр наружного воздуха tn= -400С и другие ранее определенные показатели.
Теплопритоки через ограждения определяются по формуле (3.1, см. ПЗ№3), в которой для получения положительного значения tн и tв меняют местами. В данном примере
Теплопритоки от инфильтрации
рассчитываются по формуле (3.2, см.
ПЗ№3). Но учитывая, что
зимой наружные двери вагонов
открываются реже, чем летом, принимают
коэффициент
:
Теплопотери от подаваемого в вагон наружного воздуха можно было бы определять по формуле (3.6, см. ПЗ№3). Учитывая, что при низких отрицательных температурах влагосодержание воздуха крайне мало и его теплосодержание определяется в основном теплосодержанием сухого воздуха, расчет производят по формуле:
(4.1)
Количество подаваемого в вагон воздуха, в целях всемерной экономии тепловой энергии, берется строго по норме, т. е. 0,0056 м3/с (20 м3,ч) на 1 чел. Всего в вагон подается 0,0056 • 40 = 0,224 м3/с (800 м3/ч). Тогда:
Q3 = 0,224 ∙1,2 ∙1005 (20 +
40) = 16100 Вт
16
кВт.
Следовательно, производительность калорифера должна составлять 16 кВч (14000 ккал/ч).
Общие теплопотери вагона составят:
Q0 = Q1 + Q2 + Q3= 22 700 + 5675+ 16 100 = 44 475 Вт.
С округлением в большую сторону система отопления должна иметь теплопроизводительность 45 кВт (около 39 000 ккал/ч).
Практическое занятие № 5 тема: «расчёт системы вентиляции»
Для нормальной работы системы вентиляции необходимо, чтобы ее собственные параметры отвечали определенным оптимальным величинам. Например, для обеспечения заданной производительности при отсутствии повышенного шума необходимо, чтобы скорости движения воздуха в воздуховодах были невелики, а это, в свою очередь, требует достаточно большого сечения воздуховодов.
При проектировании систем вентиляции ее собственные параметры рассчитываются в такой последовательности: 1 - производительность вентиляторов, 2 - допускаемые скорости движения воздуха, 3 - сечение воздуховодов, 4 - габариты воздуховодов, 5 -аэродинамическое сопротивление системы.
Производительность вентиляторов – расход наружного воздуха, определяют по количеству пассажиров, в соответствии с нормами подачи наружного воздуха на одного пассажира. Общую производительность определяют либо исходя из предварительного расчета холодильной установки, либо задавшись соотношением количеств рециркуляционного и наружного воздуха в пределах не более 3:1. Расход рециркуляционного воздуха подсчитывают как разность между общей производительностью и расходом наружного воздуха. Размерность значения производительности берут в кубических метрах за 1с.
Скорость движения воздуха в воздуховодах принимают по допустимым нормам с последующей корректировкой, учитывающей возможность размещения воздуховодов выбранного сечения и габаритов, нормальная скорость принять в пределах от 6 до 7 м/с, а предльно допустимая – 10-12 м/с.
Площадь поперечного сечения воздуховодов подсчитывают, зная расход воздуха и принятую скорость его движения, по формуле:
где F - площадь сечения
воздуховода, м2; G
- расход воздуха, м3/с;
- скорость движения воздуха, м/с.
Габариты воздуховодов определяют по значениям расчетных сечений в соответствии с возможностью их размещения в местах расположения водяных баков, труб отопления, магистральных электропроводов и т.д.
Аэродинамическое сопротивление системы вентиляции определяется по методам и формулам, разработанных для гидравлических расчетов, так как при очень незначительных изменениях давления, имеющих место в процессе вентиляции, воздух ведет себя так же как жидкость.
Давление
движущегося потока воздуха или
полное давление
рассматривают как состоящее из
статического
и
динамического
давлений (напоров):
(5.1)
Динамическое давление зависит от скорости движения потока в воздуховоде (точнее от квадрата скорости).
Аэродинамическое сопротивление системы вентиляции равно сумме аэродинамических сопротивлений каждого из последовательно соединенных участков. При наличии параллельных участков, например при наличии канала возвратного воздуховода и участка для прохода наружного воздуха, принимают в расчет только одну ветвь, имеющую большее сопротивление (в приведенном далее примере — ветвь возвратного воздуховода).
При экспериментальной проверке определяют аэродинамическоё сопротивление каждого участка (или нескольких последовательных участков) сети вентиляции по разности полных давлений до и после этого участка или иначе по потере давления на данном участке, поэтому аэродинамическое сопротивление системы вентиляции рассматривают и определяют как сумму потерь давления.
По характеру и способу расчета потери
разделяют на потери давления на
преодоление трения
и потери давления в местных сопротивлениях
.
Таким образом,
(5.2)
Потери давления на трение определяют только на прямых участках воздуховода постоянного сечения. Эти потери имеются и на любом другом участке воздуховода независимо от наличия поворотов, сужений или расширений, но тогда они учитываются одновременно с потерями давления в местных сопротивлениях по другой методике.
Потери давления на трение (Па) подсчитывают по формуле:
,
(5.3)
где l - длина воздуховода,
м;
-
коэффициент сопротивления трению; d
- диаметр воздуховода, м;
- скорость движения воздуха, м/с;
-
плотность (объемная масса) воздуха,
принимаемая в расчетах систем вентиляции
1,2 кг/м
.
Коэффициент сопротивления трению, или просто коэффициент трения, зависит от режима движения воздуха, его кинематической вязкости и характера внутренней поверхности воздуховода.
Для удобства пользования в справочниках
часто приводят сразу значения
.
Для размеров сечений, которые могут
применяться в воздуховодах систем
вентиляции пассажирских вагонов, эти
значения приведены в таблице 5.1.
Как правило, в справочниках приводятся данные для круглых воздуховодов, в которых потери от трения минимальны, так как в них отношение периметра сечения к его площади также имеет минимальное значение. Поэтому для промышленных помещений вентиляционные воздуховоды из тонколистовой стали чаще всего выполняют круглыми, что и удобнее, и дешевле.
Таблица 5.1.
Диаметр трубы, мм |
Площадь сечения трубы, м2 |
|
Диаметр трубы, мм |
Площадь сечения трубы, м2 |
|
300 |
0,071 |
0,051 |
410 |
0,132 |
0,035 |
310 |
0,075 |
0,049 |
420 |
0,138 |
0,034 |
320 |
0.080 |
0,047 |
430 |
0,145 |
0,033 |
330 |
0,085 |
0,045 |
440 |
0,152 |
0,032 |
340 |
0,091 |
0,044 |
450 |
0,159 |
0,031 |
350 |
0,096 |
0,042 |
460 |
0,166 |
0,030 |
360 |
0,102 |
0,041 |
470 |
0,173 |
0,030 |
370 |
0,107 |
0,039 |
480 |
0,181 |
0,029 |
380 |
0,113 |
0,038 |
490 |
0,189 |
0,028 |
390 |
0,119 |
0,037 |
500 |
0,196 |
0,027 |
400 |
0,126 |
0,036 |
510 |
0,204 |
0,027 |
Однако в системах вентиляции вагонов круглые воздуховоды не применяются, поэтому при расчетах потерь давления на трение необходимо определять эквивалентный диаметр. В данной методике расчета эквивалентный диаметр прямоугольного воздуховода со сторонами а и b определяется по формуле:
(5.4)
При сложной конфигурации воздуховода
вначале подсчитывают по правилам
геометрии площадь сечения, затем
определяют эквивалентные размеры а и
b и вычисляют
по формуле (5.4).
Потери давления в местных сопротивлениях определяют по формуле:
,
(5.5)
где
—
коэффициент местного сопротивления.
В таблице 5.2 указаны значения для некоторых типовых элементов, часто встречающихся в системах вентиляции пассажирских вагонов.
Из числовых значений коэффициентов местных сопротивлений, приведенных в таблице 5.2, можно видеть, насколько важно не иметь в воздуховодах крутых поворотов и острых углов и аккуратно пригонять прокладки и фланцы. При угле поворота 90° местное сопротивление воздуховода в два с лишним раза больше, чем при угле 30°, и в 4 раза больше, чем при угле 15° (см. № 1 таблица 5.2). Значение для спаренного колена в 2—3 раза выше, чем при утке. Наличие выступающей внутрь прокладки во фланцевом соединении может очень намного увеличить сопротивление узла.
Таблица 5.2
№ п/п |
Наименование элемента |
Форма и сечение |
Значение |
|||||||||||||||||||
1 |
Поворот |
|
При
угле
|
|||||||||||||||||||
|
0,75 |
1,0 |
1,25 |
1,5 |
2,0 |
|||||||||||||||||
|
0,50 |
0,25 |
0,20 |
0,17 |
0,15 |
|||||||||||||||||
При
других значениях угла |
||||||||||||||||||||||
, |
15 |
30 |
45 |
60 |
120 |
|||||||||||||||||
m |
0,25 |
|
0,46 |
0,63 |
0,77 |
|||||||||||||||||
2 |
Поворот |
|
Значение
|
|||||||||||||||||||
|
0,25 |
0,5 |
1,8 |
1,25 |
1,5 |
2,0 |
||||||||||||||||
|
1,80 |
1,50 |
1,17 |
0,8 |
0,67 |
0,46 |
||||||||||||||||
3 |
Колено |
|
При квадратном сечении |
|||||||||||||||||||
|
90 |
120 |
135 |
150 |
||||||||||||||||||
|
1,10 |
0,55 |
0,35 |
0,20 |
||||||||||||||||||
При
прямоугольном сечении
умножать
на
по
№2, т.е.
|
||||||||||||||||||||||
4 |
Утка |
|
При
|
|||||||||||||||||||
|
30 |
45 |
60 |
|||||||||||||||||||
|
0,12 |
0,17 |
0,20 |
|||||||||||||||||||
При
прямоугольном сечении значение
умножать
на
по №2, т.е.
|
||||||||||||||||||||||
5 |
Спаренное колено |
|
При квадратном сечении |
|||||||||||||||||||
|
0,75-1,0 |
1,0-2,0 |
2,0-5,0 |
5 |
||||||||||||||||||
|
0,45 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
||||||||||||||||||
При
прямоугольном сечении
умножать на
по №2, т.е.
|
||||||||||||||||||||||
величину
умножить на m,
т.е.
принимать
по №1 и умножить на
,
т.е.
Продолжение таблицы 5.2
№ п/п |
Наименование элемента |
Форма и сечение |
Значение |
|||||||||
6 |
Диафрагма |
|
При круглом сечении |
|||||||||
|
1,25 |
1,5 |
1,75 |
2,0 |
2,5 |
|||||||
|
2,5 |
7,0 |
15 |
30 |
90 |
|||||||
7 |
Диффузор |
|
|
|||||||||
\ |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
|||||||
1,25 |
0,02 |
0,03 |
0,05 |
0,06 |
0,07 |
|||||||
1,5 |
0,03 |
0,06 |
0,10 |
0,12 |
0,13 |
|||||||
1,5 |
0,03 |
0,06 |
0,10 |
0,12 |
0,13 |
|||||||
2,0 |
0,06 |
0,13 |
0,20 |
0,23 |
0,26 |
|||||||
При
и
Поскольку структура формул (5.3) и (5.5) одинаковая, то общее аэродинамическое сопротивление системы может быть выражено формулой
(5.6)
При расчете системы вентиляции необходимо составить расчетную схему (рисунок 5.1).
1 – решетка забора наружного воздуха, 2 – фильтры, 3 – вентиляционный агрегат, 4 – диффузор, 5-воздуххоохладитель, 6-калорифер, 7 – конфузор, 8 – нагнетательный воздуховод, 9 – выпуск, 10 – решетка отсоса рецеркуляционного воздуха, 11 – возвратный воздуховод, 12 – камера смешения воздуха.
Рисунок 5.1 Расчетная схема сети вентиляции с рециркуляцией воздуха пассажирского вагона: а – расчетный участок конфузора; б – л – расчетные участки нагнетательного воздуховода; м – расчетный участок возвратного воздуховода.
Сопротивления заборных решеток 1 и 10, фильтров 2, воздухоохладителя 5, калорифера 6 и выпусков 9 при определении аэродинамического сопротивления не подсчитывают, так как их значения определяются опытным путем заводами-изготовителями и входят в общее сопротивление системы в виде заранее известных величин. Сопротивление диффузора 4 не учитывается при суммировании общего сопротивления системы согласно указаниям, изложенным в таблице 5.2, так как оно заведомо меньше сопротивления воздухоохладителя. Сопротивление участка наружного воздуха не рассчитывается в связи с тем, что он идет параллельно ветви рециркуляционного воздуховода 11. Внутреннее сопротивление вентиляционного агрегата 3 не определяется и не входит в общее сопротивление системы, так как в характеристиках вентиляторов, с которыми сравнивается результат расчета, указывается значение полезного напора.
Таким образом, расчеты ведутся только для конфузора (участок а), участков б-л нагнетательного воздуховода 8 и обратного рециркуляционного воздуховода м.
Проделаем несколько примеров расчета по исходным данным:
- общая максимальная производительность
—
=1,33
м
/с;
- количество подаваемого наружного
воздуха —
=0,39
м
/с;
- площадь сечения нагнетательного
воздуховода —
=
0,21 м
;
- ширина воздуховода —
=1150
мм;
- площадь сечения рециркуляционного
воздуховода четырехугольной формы с
одной скошенной боковой стенкой —
= 0,1 м
;
- высота воздуховода —
=350
мм;
- площадь сечения калорифера (по фланцу)
—
=0,224
м
(ширина 680 мм, высота 330 мм);
- длина конфузора (участок а) —
= 800 мм;
- длина секций нагнетательного воздуховода
на участках б—л —
=1750
мм;
- длина рециркуляционного воздуховода
(участок м) —
=3250
мм.