Практиеское занятие № 6 тема: «расчёт отопления пассажирского вагона»

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.

Наиболее простая принципиальная схема водяного отопления приведена на рисунке 6.1. Вода нагревается в котле 1, соединенном с расширителем 2, из которого по теплоизолированным трубам 3 и сто­якам 4 поступает в нагре­вательные трубы 5. Отдав в этих трубах тепло вагону и охладившись, вода, за­мыкая кольцо циркуля­ции, возвращается в котел для продолжения нагрева.

На рисунке 6.1 показаны две ветви отопления: левая и правая, часто примени­тельно к купейным ваго­нам называемые купейная и коридорная. Расширитель предназначен для приема избытка воды в системе, образующегося вследствие увеличения ее объема при нагревании, и освобождения от воздуха; с другой стороны, для текущего восполнения потерь воды вследствие выкипа­ния. Конструктивно расширитель может быть отделен от котла.

Рисунок 6.1 Принципиальная схема водяного отопления с верхней разводкой труб

Кроме показанных на рисунке 6.1 основных частей, в системах отопле­ния имеются: калорифер для подогрева вентилирующего воздуха; во­дяной бак с запасом воды для периодического дополнения системы, руч­ной насос для усиления циркуляции воды и для периодической по­дачи воды в систему из запасного бака; ящики для хранения угля и арматура. Кроме того, уста­навливаются насосы для усиления циркуляции воды в обогрева­тельных трубах и калорифере, а также теплообменник подогрева воды для туалетов и мытья посуды.

Системы водяного отопления пассажирских вагонов могут рабо­тать при естественной самопроизвольной циркуляции воды, которая обусловлена разностью между статическим гравитационным давлением воды в трубах 3,4 и 5, находящихся в помещении вагона, и таким же давлением воды в котле.

Разность между давлениями, или иначе статический напор в системе, легко определить, зная геометрические размеры по высоте системы труб и котла и средние температуры воды на характер­ных участках. Применительно к схеме на рисунке 6.1 формула для расчета статического напора в системе отопления (в паскалях) имеет вид:

(6.1)

где h₂, h₃ и h₄ – высоты столбов воды в вагонной ветви системы соответственно на участках трубы 3, стояка 4 и нагреватель­ной трубы 5, м; γ₂, γ₃ и γ₄ – средняя плотность воды на участках соответственно вы­сотой h₂, h₃ и h₄, кг/м³; h₅ – высота столба воды в котле от входа нагревательной трубы до зоны топки, где начинается нагрев, м; h₆ – высота столба воды в котле от топки до выхода в трубу 3 (условно высота рабочей части котла), м; γ₅ и γ₆ – средняя плотность воды в котле на участках соответст­венно высотой h₅ и h₆, кг/м³.

Давление столба воды в расширителе 2 высотой h₁ является составляющей как давления в вагонной сети, так и давления в котле и поэтому при расчете напора (разности давлений) не учитывается.

Для усвоения формулы расчета и определения величины стати­ческого напора системы водяного отопления проведем расчет.

Примем с округлением следующие высоты столбов воды: в помеще­нии вагона h₂=0,1 м; h₃=1,7 м; h₄=0,3 м; в котле h₅=0,5 м; h₆=1,6 м. Плотность воды зависит от температуры.

Примем также с округлением следующие средние температуры во­ды на расчетных участках (индексы соответствуют индексам при h и γ): t₂ = 80° С; t₃ = 75° С; t ₄ = 70° С; t₅ = 65° С; t₆ = 85° С.

Определив значения γ и подставив их и соответствующие величины h в формулу (6.1), получим

Н_ст=9,81(0,1*971,8+1,7*974,8+0,3*977,8-0,5*980,6-1,6*968,7)=73,2 Па

Полученное значение напора Н_ст = 73,2 Па (7,5 мм вод. ст.) очень невелико. Оно на порядок (в 10 раз) меньше значений напоров в венти­ляционных системах пассажирских вагонов. Отметим также, что это значение подсчитано при температурных параметрах, соответ­ствовавших достаточно высокой температуре воды в котле — 85° С. При предельно высокой температуре воды в котле, близкой к 100° С, значение статического напора может увеличиться лишь немного и во всяком случае не превысит 100 Па. При менее высокой температуре воды в котле (55—60° С) статический напор будет несколько меньшим.

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 с примерами расчета 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:

_, (6.2)

где — общие теплопотери вагона при расчетных условиях для зим­него времени года, 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.

Примем значение Q₀=44,5 кВт (39000 ккал/ч). 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) — большее. В нашем примере при­мем β = 1,05.

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, поэтому примем П_к = 11,5 кВт/м².

Подставим исходные дан­ные в формулу (6.2):

Сопоставляя величину площади нагрева наиболее распространённого котла (3,5 м²) с результатами расчёта, видим, что она недостаточна.

Расход топлива (кг/с) оп­ределяется по формуле

(6.3)

где G_т — массовый расход топ­лива, кг/с; Т - удельная теплота сгорания топлива (теплотворная спо­собность), кДж/кг; η_к — к. п. д. котла.

Примем для используемо­го на железнодорожном транс­порте угля Т=27000кДж/кг (6500 ккал/кг).

Кроме того, при этих условиях, как показал предыдущий расчет, величина поверхности нагрева котла не­достаточна, поэтому примем значение его к. п. д. равным 0,35.

Подставив принятые значения Q₀, T и η_к в формулу (6.3), найдем

Полученное значение расхода угля 4,7 г/с (17 кг/ч) сходится с дан­ными эксплуатации. Из этого следует, что принятое значение к. п. д. котла при таких условиях работы не является заниженным.

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 производится по формулам (5.3) и (5.5), причём значения и (вместо ) берут по справочникам. Напор определяют по формуле (6.1) аналогично тому, как это выполнено для ветвей отопления.

Имея экспериментальные данные по количествам и температура воды и воздуха, можно определить теплопроизводительность, к.п.д. и коэффициент теплопередачи калорифера.

Теплопроизводительность по воздуху определяется по формуле (4.1). 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 отделения теплопроизводительности по воздуху на теплопроизводитель­ность по воде:

(6.4)

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

(6.5)

где - теплопроизводительность калорифера (всегда берется по воздуху), Вт; F_K — теплообменная поверхность калорифера, м²; — средняя температура соответственно воды и воздуха в калорифере, ⁰С (определяются как средние арифметические значений начальных и конечных температур, зафиксированных при испытаниях).

Для примера определим зна­чение К_к пластинчатого калори­фера серии КФБ с поверхностью теплообмена 19,5 м² и площадью живо­го сечения для прохода воздуха 0,2 м², исходя из двух разных значений температур теплообменных сред и теплопроизводительности, указанных в таблице 6.1.

Таблица 6.1

Параметры		Значения
		1	2
Температура воды, 0С	На входе	90	73
	На выходе	74	62
Температура воздуха, 0С	На входе	3	8
	На выходе	21	20
Теплопроизводительность, кВт		16,3	10,8

Подсчитав значения средних температур воды и воз­духа и подставив известные значения в формулу (6.5), получим:

в первом случае

во втором случае

Большая производительность в первом случае была достигнута за счет более высокой начальной температуры воды и менее высокой на­чальной температуры воздуха, чем во втором случае. В первом случае соответственно имелись более высокие перепады температур по воде (90—74 = 16° С) и по воздуху (21 — 3 = 18° С), чем во втором — по воде (73—62 = 11° С) и по воздуху (20 — 8 = 12° С).

Для определения значения коэффициента теплопередачи 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, (6.6)

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 , 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 (6.5), преобразованной в удобный вид:

(6.7)

где Q_T — тепловая мощность, которую должны иметь трубы, Вт; К_т — коэффициент теплопередачи труб, Вт/(м² К).

Значение Q_T = 28,5 кВт возьмем из расчета теплопотоков в зимнее время, применительно к экстремальным теплопотерям вагона при температуре наружного воздуха - 40°С. Посколь­ку расчет ведется для экстремальных условий, то предположим, что температура воды в котле должна быть максимальной 90-95°С, но для эксплуатационной надежности будем считать ее равной 85°С. Средняя температура воды в нижних обогревательных трубах ниже, чем в котле, на 15-20° С. Примем ее значение 65°С. Температуру воздуха в вагоне берем расчетную 20°С. Коэффициент теплопередачи для труб отопления принимается 10 Вт/(м²*К), или 8,5 кал/(м²*ч*°С),

Зная площадь поверхности погонного метра обогревательных труб, определяют требуемую суммарную их длину.

Недостатком вагонных нагревательных приборов, состоящих из двух параллельных труб в ветвях отопления, является то, что нижняя из двух труб работает в 3—4 раза хуже верхней. Из-за малой вели­чины статического напора между входами воды в верхнюю и нижнюю трубы (малая разница в высоте и почти абсолютно одинаковая темпе­ратура и плотность воды) большая часть воды из стояка уходит в верхнюю трубу, первую по ходу движения воды.

Расчёты гидравлического сопротивления производятся так же, как и расчёты аэродинамического сопротивления в системах вентиляции: по формуле (5.3) для гладких труб и по формуле (5.5) для местных сопротивлений – поворотов, сужений, расширений, проходных вентилей и т.п. Разница заключается в том, что значения коэффициентов сопротивления трению и коэффициентов местных сопротивлений для воды вследствие её более высокой кинематической вязкости значительно выше, чем для воздуха, а значения скоростей движения воды, наоборот, значительно меньше.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 7

ТЕМА: «ПОСТРОЕНИЕ И РАСЧЁТ ЦИКЛА РАБОТЫ ХОЛОДИЛЬНОЙ

УСТАНОВКИ НА ДИАГРАММЕ lg p-i»

7.1 Физические принципы получения низких температур

Физическая природа тепла и холода одинакова, разница состо­ит только в скорости движения молекул и атомов. Охлаждение — это процесс отвода тепла или отдачи работы, со­провождающийся понижением температуры. Охлаждение осуществ­ляется с участием не менее двух тел: охлаждаемого и охлаждающего. Количество тепла, которое может поглотить охлаждающее тело, оп­ределяет его охлаждающий эффект или холодопроизводительность.

Естественное охлаждение осуществляется теплообменом с ок­ружающей средой, искусственное — холодильной машиной. Её работа осуществляется при дополнитель­ной затрате энергии.

Охлаждающий эффект при низких температурах достигается применением следующих физических процессов:

- фазовых превра­щений, сопровождающихся поглощением тепла (плавление, паро­образование, растворение соли);

- расширения сжатого газа с отда­чей внешней работы;

- расширения газа путем дросселирования (эф­фект Джоуля—Томсона);

- вихревого эффекта охлаждения;

- пропус­кания электрического тока через спай двух металлов или полупро­водников (эффект Пельтье);

- размагничивания твердого тела (маг­нитно-калорический эффект);

- десорбции газов.

Фазовые превращения (плавление, кипение, сублимация) — это процессы, поглощающие относительно большое количество тепла, и поэтому применяются для получения охлаждающего эффекта в холодильных машинах.

Плавление и охлаждение смеси

Плавление водного льда широко ис­пользуется для охлаждения выше 0°. Смешение раздробленного льда или снега с солью понижает температуру таяния смеси. Охлаждающие смеси об­разуются из веществ, которые в про­цессе растворения поглощают тепло. Для охлаждения применяют смеси солей с водой и солей или кислот с измельченным льдом или снегом. Для охлаждения до тем­пературы -21,2 °С используется хлористый натрий со льдом, выше -55 °С — хлористый кальций со льдом.

Кипение и сублимация

Процесс парообразования чистых ве­ществ протекает при постоянных температуре и давлении.

Температура кипения и теплота парообразования каждого ве­щества зависят от давления.

При увеличении давления температура кипения повышается, а теплота парообразования уменьшается.

Теплота парообразования используется для искусственного охлаж­дения в паровых холодильных машинах: компрессионных, пароэжекторных и абсорбционных.

Интенсивное испарение воды для получения охлаждающего эф­фекта наблюдается при низкой относительной влажности воздуха. Испарительное охлаждение водой применяется при относительно высоких температурах. Для испарительного охлаждения при более низких температурах используют вещества с низкой температурой кипения при атмосферном (нормальном) давлении. Фреон R11, хладон R12, аммиак, фреон R22 имеют соответственно следующие нор­мальные температуры кипения: -23,7°С; -29,8 °С; -33,4°С; - 40,8 °С.