Расчет системы кондиционирования воздуха вагона поезда [31]

Точный расчет системы кондиционирования вагона поезда производится итеративным методом — для некоторых неизвестных величин сначала принимаются предполагаемые значения, после чего проверяются в расчете. При несовпадении производятся их коррекция и повторный расчет, после чего процедура повторяется. При совпадении расчет считается оконченным.

Ниже приводится расчет холодопроизводительности системы кондиционирования вагона поезда, в котором по ходу расчета задаются два параметра — влажность воздуха в

купе и расход рециркуляционного потока воздуха. Последний проверяется, исходя

из обеспечения температуры подаваемого в купе воздуха не ниже нормативной

величины (16 °С). Влажность воздуха проверяется следующим образом.

Как известно, при охлаждении воздуха холодной поверхностью на I d-диаграмме

процесс идет по линии, исходящей из точки исходного состояния воздуха и идущей в сторону точки с насыщения (φ = 100%) при температуре холодной поверхности.

Теоретически процесс должен достигнуть конечной точки (с φ = 100%).

Однако на практике воздух «не успевает» дойти до φ = 100% и «останавливается» на точке с φ = 85…95%. Тем не менее очевидно, что все три точки (начальная, конечная теоретическая и конечная практическая) лежат на I d-диаграмме на одной прямой. Именно требование нахождения их на одной прямой и является условием проверки влажности воздуха в купе (в начальной точке).

Исходные данные:

Данные по вагону: Количество человек в вагоне: n_{чел_ваг} = 38. Норма воздуха на человека: G_чел = 15 м³/ч. Площадь крыши: S_крыш = 68 м² . Боковая площадь: S_бок = 111 м². Площадь пола: S_пол = 78 м². Торцевая площадь: S_торц = 15 м². Площадь окон: S_окно = 16 м².

Площадь обшивки:

S_обш = S_крыш + S_бок + S_пол + S_торц  = 272 м².

Параметры окружающей среды (стандартные расчетные условия): Расчетное давление: p_расч = 0,1 Мпа. Температура наружного воздуха: t_нар = 32 °С. Влажность наружного воздуха: φ_нар = 60%. Влагосодержание наружного воздуха (определяется по I d-диаграмме):

d_нар = 18,2 г/кг. Энтальпия наружного воздуха (определяется по I d-диаграмме):

i_нар = 78,9 кДж/кг. Плотность наружного воздуха (определяется по I d-диаграмме):

ρ _нар = 1,14 кг/м³. Солнечная радиация (прямая и рассеянная) на широте г. Сочи (46 градусов):

N_{рад_ср_46ш_прям} = 494 Вт/м²

N_{рад_ср_46ш_расс} = 121 Вт/м².

Параметры внутренней среды: Поддерживаемая в вагоне температура: t_ваг = 24°С. Влажность, поддерживаемая в вагоне (принимается и проверяется далее): φ_ваг=49%. Влагосодержание воздуха в вагоне (определяется по I d диаграмме):

d_ваг = 9,2 г/кг. Энтальпия воздуха в вагоне (определяется по I d-диаграмме):

i_ваг = 47,6 кДж/кг. Плотность воздуха в вагоне (определяется по I d-диаграмме):

ρ _ваг = 1,17 кг/м³. Минимально возможная температура подаваемого в вагон воздуха:

t_{ваг_под} = 16°С. Влажность подаваемого в вагон воздуха: φ_{ваг_под} = 95% . Энтальпия подаваемого воздуха: i_{ваг_под} = 43,7 кДж/кг . Плотность подаваемого воздуха: ρ _{ваг_под}  = 1,20 кг/м³.

Термодинамические данные: Теплоемкость воздуха: c_возд = 1,005 кДж/(кг∙°С). Теплоемкость воздуха, насыщенного водяными парами:

c_{нас_пар} = 1,86 кДж/(кг∙°С). Теплоемкость воды: c_воды = 4,2 кДж/(кг∙°С). Скрытая теплота парообразования:

r_воды = 2,5∙10³ кДж/кг.

Коэффициент теплопередачи обшивки:

K_обш = 0,559 Вт/(м²∙°С).

Расчет необходимой холодопроизводительности

Для определения необходимой холодопроизводительности требуется определить теплопритоки (внутренние и внешние) на вагон. К внутренним относится тепло, выделяемое людьми и оборудованием вагона. При этом ощутимая (явная теплота) от людей отводится конвекцией, излучением и теплопроводностью, а скрытая — при испарении влаги с поверхности кожи, при дыхании. К внешним теплопритокам относятся притоки через ограждающие конструкции (окна, обшивку) и солнечная радиация, проникающая через остекленные поверхности.

Общий влагоприток (с учетом, что влагу выделяют только люди):

P_ваг = P_люди = 2,4 кг/ч.

Скрытый теплоприток от человека:

N_{люди_скр} = r_воды∙P_чел = 43,3 Вт.

Полный теплоприток от человека:

N_{чел_полн}= N_{люди_скр}+ N_{люди_явн}  = 117,7 Вт.

Полный теплоприток от людей:

N_{люди_полн} = n_{чел_ваг} ∙ N_{чел_полн} = 4,5 кВт.

Теплоприток от теплопроводности обшивки:

N_{тпр_обш} = S_обш ∙ (t_нар –t_ваг)∙ K_общ = 1,2 кВт.

Теплоприток через окна:

Принимаем, что в электропоезде двойное остекление из светопоглощающих стекол с коэффициентами поглощения и пропускания, равными:

A_окно = 0,4, D_окно = 0,4.

Коэффициент теплоотдачи снаружи α_н = 57 Вт/(м²∙°С) (что соответствует скорости поезда 72 км/ч), внутри: α_в = 8,7 Вт/(м²∙°С). Термическое сопротивление воздушной прослойки (толщина 10 мм):

R_П = 0,12 м²∙°С/Вт, стекла: R_С = 0,02 м²∙°С/Вт.

Термическое сопротивление на поверхностях:

R_α = 1/α_н + 1/α_в = 0,132 м²∙°С/Вт.

Коэффициент теплопередачи окна:

K_F =1/(R_α + R_П + R_С) = 3,67 Вт/(м²∙°С).

Теплоприток от теплопроводности окон:

N_{тпр_окно} = S_окно (t_нар — t_ваг) k_F = 0,47 Вт.

Поток тепла в виде излучения на всю остекленную поверхность:

N_{все_окна} = N_{рад_ср_46ш_прям} ∙ S_окно/2 + N_{рад_ср_46ш_расс} ∙ S_окно = 5,9 кВт.

Принимаем предполагаемое значение рециркуляции в объеме (так, чтобы рассчитываемая ниже температура подаваемого воздуха не превышала

16 °С):

G_рец = 3730 м³/ч.

Общий расход воздуха, подаваемого в салон:

G_{ваг_вх} = G_{св_возд} + G_рец = 4,3∙10³ м³/ч.

Притоки массы и тепла с наружным воздухом:

Сухой воздух:

M_{св_нар} = ρ_нар ∙ G_{св_возд}/1+d_нар = 639 кг/ч.

Вода в наружном воздухе:

m_{вода_нар} = m_{св_нар} ∙ d_нар = 11,7 кг/ч.

Влажный воздух: m_{вв_нар} = m_{св_нар} + m_{вода_нар} = 651 кг/ч.

Тепло: N_нар = m_{св_нар} ∙ i_нар = 14 кВт.

Параметры смеси наружного и рециркуляционного воздуха:

Энтальпия: i_см= (m_{св_нар} ∙ i_нар + m_{св_рец} ∙ i_ваг)/(m_{св_нар} + +m_{св_рец}) = 51,9 кДж/кг.

Влагосодержание: d_см= (m_{св_нар} ∙ d_нар + m_{св_рец} ∙d_ваг)/(m_{св_нар} + m_{св_рец}) = 10,4 г/кг.

Температура (определяется по I d-диаграмме):

T_см= 25°С.

Влажность (определяется по I d-диаграмме):

Φ_см = 52 %.

Мощность вентилятора: N_{вент_исп}=1,5 кВт.

Параметры смеси после нагрева в вентиляторе испарителя:

Температура: t_см1= t_см + N_{вент_исп}/c_возд ∙ m_{вв_см} = 26°С.

Энтальпия: i_см1 = i_см + N_{вент_исп}/m_{cв_см} = 52,7 кДж/кг.

Влагосодержание: d_см1 = d_см = 10,4 г/кг.

Параметры воздуха, поступающего в салон:

Энтальпия: i_{ваг_вх} = i_ваг -N_ваг/m_{cв_см}  = 38,3 кДж/кг.

Влагосодержание: d_{ваг_вх} = d_ваг -P_ваг/m_{cв_см} = 8,7 г/кг.

Температура: t_{ваг_вх} = t (i_{ваг_вх}, d_{ваг_вх}) = 16,1°С.

Плотность (определяется по I d-диаграмме):

Ρ_{ваг_вх} = 1,20 кг/м³.

Значение t_{ваг_вх} превышает 16°С, значит, выше принят достаточный расход рециркуляционного воздуха G_рец.

Убедимся, что точки, характеризующие состояние воздуха после вентилятора, на поверхности испарителя и воздуха, подаваемого в салон, лежат на одной прямой (температура поверхности испарителя, исходя из опыта, принята t_{пов_исп} = 10°С, а влажность воздуха в непосредственной близости от поверхности испарителя составляет φ_{пов_исп} =100%; по этим параметрам с помощью i d-диаграммы определяется энтальпия поверхностного слоя i_{пов_исп}):

(i_{ваг_вх} — i_{пов_исп})/(i_см1 — i_{ваг_вх}) = 0,613. (t_{ваг_вх} — t _{пов_исп})/(t_см1 — t_{ваг_вх}) = 0,613.

Полученные значения совпадают, а значит, указанные выше три точки лежат на одной прямой, то есть изначально была выбрана правильная влажность воздуха в вагоне.

Необходимая холодопроизводительность системы кондиционирования:

N_конд = m_{вв_см} ∙ (i_см1 — i_{ваг_вх}) = 20 кВт.

Таким образом, с запасом 20% следует принять холодопроизводительность кондиционера, равной:

_N_{конд_расч} = 24 кВт._

При этом в купе вагона поезда будут обеспечены следующие условия:

Температура: t_ваг = 24°С. Влажность: φ_ваг = 47%.