Глава 8. Система отопления и водоснабжения

РЕФРИЖЕРАТОРНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

И ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ 360

8.1. Система вентиляции рефрижераторного подвижного состава 360

1. Рефрижераторная пятивагонная секция типа 2Б-5 360

2. Рефрижераторная пятивагонная секция типа БМЗ 361

8.2. Вентиляция воздуха в пассажирских вагонах 363

1. Особенности системш вентиляции с рециркуляцией воздуха 370

2. Основш расчета и вшбора параметров системш вентиляции 376

8.3. Система отопления РПС и пассажирских вагонов 380

1. Рефрижераторная пятивагонная секция типа 2Б-5 380

2. Рефрижераторная пятивагонная секция типа БМЗ 384

3. Система отопления купейного и некупейного вагонов постройки

Тверского вагоностроительного завода (ТВЗ) 386

8.3.4. Система отопления купейного вагона постройки Германии 391

8.4. Системш водоснабжения РПС и пассажирских вагонов 395

1. Рефрижераторная пятивагонная секция типа 2Б-5 395

2. Рефрижераторная пятивагонная секция типа БМЗ 397

3. Водоснабжение пассажирских вагонов 398

4. Система водоснабжения купейного вагона модели 61-4179

постройки ТВЗ 402

Глава 1. Термодинамические основьі холодильних машин

1.1. Физические принципи получения низких температур

Физическая природа тепла и холода одинакова, разница состо-ит только в скорости движения молекул и атомов. Когда тепло от-водится, движение молекул замедляется и тело охлаждается. Если тепло подводится, движение молекул ускоряется и тело нагревает-ся, т. е. причина тепла и холода — движение молекул, из которьх состоит любое физическое тело.

Охлаждение — зто процесс отвода тепла или отдачи работьі, со-провождающийся понижением температурь . Охлаждение осуществ-ляется с участием не менее двух тел: охлаждаемого и охлаждающего. Количество тепла, которое может поглотить охлаждающее тело, оп-ределяет его охлаждающий зффект или холодопроизводительность.

Естественное охлаждение осуществляется теплообменом с окру-жающей средой, искусственное — холодильной машиной.

Колебания температурь в природньх условиях создают возможность сохранения при аккумуляции естественного холода. Наиболее распрост-раненное тело, сохраняющее естественньй холод, — водньй лед.

В практических условиях для передачи холода применяют спе-циальнье устройства. Их работа осуществляется при дополнитель-ной затрате знергии.

Охлаждающий зффект при низких температурах достигается применением следующих физических процессов: фазовьх превра-щений, сопровождающихся поглощением тепла (плавление, паро-образование, растворение соли); расширения сжатого газа с отда-чей внешней работь ; расширения газа путем дросселирования (зф-фект Джоуля—Томсона); вихревого зффекта охлаждения; пропус-кания злектрического тока через спай двух металлов или полупро-водников (зффект Пельтье); размагничивания твердого тела (маг-нитно-калорический зффект); десорбции газов.

Фазовье превращения (плавление, кипение, сублимация) — зто процессь , поглощающие относительно большое количество тепла, и позтому применяются для получения охлаждающего зффекта.

Плавление и охлаждение смеси.

Плавление водного льда широко ис-пользуется для охлаждения више 0°. Смешение раздробленного льда или снега с солью понижает температуру таяния смеси. Охлаждающие смеси об-разуются из веществ, которие в про-цессе растворения поглощают тепло.

Кривие (рис. 1.1) температур нача­ла кристаллизации: компонента А из жидкого раствора при увеличении ко-личества компонента В; компонента В при добавлении А пересекаются в точ-ке Е. Жидкость состава х_е при темпера-

туре Те насищена одновременно обоими компонентами и находится в равновесии с кристаллами А и В. Ниже температури точки Е распо-ложени две твердие фази кристаллов чистих компонентов А и В. Среди всех сочетаний зтих компонентов раствор состава точки Е имеет наи-более низкую температуру плавления (кристаллизации). Точка Е на-зивается звтектической, или криогидратной, а соответствующий ей раствор — звтектикой («легко плавящийся»).

Для охлаждения применяют смеси солей с водой и солей или кис­лот с измельченним льдом или снегом. Для охлаждения до темпе­ратури -21,2 °С используется хлористий натрий со льдом, више -55 °С — хлористий кальций со льдом.

С понижением температури плавления компонента в растворе умень-шается холодопроизводительность 1 кг охлаждающей смеси (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Кипение и сублимация. Процесс парообразования чистих веществ протекает при постоянньїх температуре и давлении. Полная тепло­та парообразования

г = V"- V + А Р (п"- П ) = Р + і = і"- і', (1.1)

где V" и V , і" и Ґ, V" и V' — соответственно внутренняя знергия, знтальпия, удельнье обьемьі насьщенного пара и жидкости;

Р = V" - V — внутренняя теплота парообразования, затрачива-емая на придание необходимой знергии молекулам при переходе из жидкости в пар;

ф = А Р (V" - V') — внешняя теплота парообразования, расходуе-мая на преодоление внешнего давления.

Температура кипения и теплота парообразования каждого ве-щества зависят от давления.

При увеличении давления температура кипения повьшается, а теплота парообразования уменьшается. Состояние вещества, в кото-ром обе предельнье точки переходной области из жидкости в пар совмещаются в одну с теплотой парообразования, равной 0, назьва-ется критическим. При температурах вьше критических ни при ка-ких условиях невозможен переход газов в жидкость. Приоритет в установлении критического состояния принадлежит Д. И. Менделе-

еву (1861 г.). Соотношение между температурой и давлением в про-

цессе парообразования определя-

ется кривой I (рис. 1.2). Точки на зтой кривой характеризуют со-стояния, при которьх жидкая и газообразная фазь вещества сосу-ществуют, находясь в устойчивом равновесии. Кривая сверху огра-

ничивается критической точкой.

С повьішением давления и пере- Рис. 1.2. Диаграмма равновесия фаз мещением по кривой равновесия углекислотьі; кривше: I— кипения, II— жидкость — пар разница в свой- 11^1^™^ III ^{— сублимации;} 1 ^— ствах соответствующих фаз жидкая фаза; 2 — газообразная; 3 — * *

уменьшается и совсем исчезает в ^{твердая;} 4 ^—_—^ип_у^ени^е_м5^—_и^{плавление;} критической точке. Термодина­мические свойства жидкости и пара в зтой точке тождественни. Теп­лота парообразования используется для искусственного охлажде-ния в парових холодильних машинах: компрессионних, парозжек-торних и абсорбционних.

Интенсивное испарение води для получения охлаждающего зф-фекта наблюдается при низкой относительной влажности воздуха. Испарительное охлаждение водой применяется при относительно високих температурах. Для испарительного охлаждения при более низких температурах используют вещества с низкой температурой кипения при атмосферном (нормальном) давлении. Фреон КЛ1, хла-дон КЛ2, аммиак, фреон К22 имеют соответственно следующие нор­мальний температури кипения: -23,7 °С; -29,8 °С; -33,4 °С; - 40,8 °С.

Температура плавления (затвердевания) зависит от давления и за некоторим исключением изменяется в одном направлении с ним, подобно температуре кипения. Кривие плавления II и кипения I пе-ресекаются в точке, називаемой тройной. Тройная точка характе-ризует состояние, в котором при определенном давлении и темпе-ратуре сосуществуют три фази (твердая, жидкая и газообразная) в любих количественних соотношениях. Ниже тройной точки веще-ство находится либо в твердом, либо в газообразном состоянии. Точки кривой III определяются значениями давлений и темпера­тур, при которих твердая и газообразная фази находятся в равно-весии. Процесс перехода из твердого состояния непосредственно в парообразное називается сублимацией, или возгонкой.

В тройной точке для СО2 температура - 56,6 °С и давление 0,528 МПа. Жидкая углекислота может иметь температуру више - 56,6 °С. Температу­ра сублимации твердой углекислоти при атмосферном давлении - 78 °С. Сублимирующая твердая углекислота називается «сухим льдом».

Сухой лед широко применяют для охлаждения вследствие низ-кой температури сублимации и високой весовой холодопроизво-дительности. В вакууме температура сублимации сухого льда мо-жет бить понижена до -100 °С; при смешении его с серной кисло-той температура звтектической точки достигает -82 °С.

Температура и давление тройной точки води 0,00098 °С и 0,000623 Мпа соответственно; водний лед сублимирует при темпе­ратурах ниже нуля.

Сублимацию

Работа расширения га-зов. Расширение сжатого идеального газа с отдачей внешней работьі сопровож-дается понижением темпе-ратурь. Отношение темпе­ратур в политропическом процессе 1—2_п с показате-лем политропь п (рис. 1.3)

п

_Р2

Т2 Ті

п-і

V

(12)

V

В адиабатическом (изо-знтропическом) процессе расширения 1-2 _а отсутствует теплообмен с внешней средой, показатель п равен показателю адиабатьі к, знтро-пия остается постоянной. В процессе 1—2 '_п с подводом тепла показа­тель политропьі п < к, а 1—2_п с отводом тепла — п > к. Процесс рас­ширения газа в расширительной машине (детандере) протекает с под­водом тепла. Полное преобразование внутренней знергии в механи-ческую работу осуществляется в адиабатическом процессе.

Расширение газов путем дросселирования (зффект Джоуля—Томсо-на). Резкое снижение давления жидкости или газа при прохождении их через суженное отверстие (вентиль, кран) назьвается дросселиро-ванием. В зтом процессе не производится внешней работь и давление

снижается очень бьстро, вследствие зтого теплообмен с внешней сре-

дой не происходит. Знтальпия остается постоянной і₁ = і₂, позтому такой адиабатический процесс не является изознтропическим. Знтро-пия возрастает, и процесс необратим (1—2^, 1—2,, 1—2,, рис. 1.3). Линии постоянньїх температур и знтальпий (изотерма и изознталь-па) идеального газа совпадают, позтому при дросселировании тем­пература не изменяется. При дросселировании реального газа в ре­зультате изменения внутренней знергии совершается работа для преодоления внутренних сил взаимодействия молекул а_и = 0, и по-зтому изменяется температура. При дросселировании идеального газа обьемная знергия не изменяется:

А (Ру) = Р₂у₂ - Р₁у₁ = 0, (1.3)

в процессах реального газа она может возрастать и уменьшаться

А (Ру) = Р₂у₂ - Р₁у₁ < > 0. (1.4)

Взаимодействие между молекулами реального газа и изменение его обьемной знергии в процессе расширения обусловливают при дросселировании два температурних зффекта, которьіе могут скла-дьіваться или взаимно компенсироваться.

Точка, соответствующая состоянию реального газа, в котором зффект Джоуля—Томсона равен нулю, називается точкой инвер-сии, а геометрическое место таких точек — кривой инверсии. В ин-тервалах температур инверсии дросселирование дает охлаждающий зффект, а вьше и ниже происходит нагревание газа.

Зффект Джоуля—Томсона применяется при получении особо низких температур.

Вихревой зффект охлаждения. Французский инженер Ранк пред-ложил использовать для охлаждения вихревой зффект с помощью специальной трубь . Тангенциально по отношению к внутренней по-верхности трубьі установлено сопло (рис. 1.4). Около сопла располо-жена диафрагма с концентрическим отверстием. По одну сторону от диафрагми находится свободний виход (холодний конец), а по дру­гую — дроссельньй вен­тиль (горячий конец). По-ток сжатого воздуха, предварительно охлаж-денного водой, поступает в сопло, завихряется и приобретает кинетичес-кую знергию. Через цент-ральное отверстие диаф-рагмь воздух вьходит ох-лажденньй, а через сво-бодньй вьход — нагре-тьй. В трубе воздух раз-деляется на два потока — холодний и горячий. Ко-личество воздуха и, следо­вательно, температуру потоков можно регулировать ббльшим или меньшим откриванием дроссельного вентиля.

Воздушний поток, вишедший из сопла, образует вихрь, угловая скорость Ж вращения которого велика около оси и уменьшается по мере удаления от нее. При движении к дроссельному вентилю по-ток, вследствие наличия сил трения между слоями газа, приобрета-ет почти одинаковую угловую скорость, так как внутренние слои теряют скорость, а внешние набирают ее.

В начальний момент процесса разделения газа угловая скорость злементарной масси его на некотором расстоянии от оси труби больше, чем в последующий момент. При зтом получается избиток кинетической знергии, которий передается внешним слоям, пови-шая их температуру. Внутренние слои газа, охладившиеся при ис-течении, отдавая свою кинетическую знергию внешним слоям по-средством трения, не получают в поле вихревого разделения газа зквивалентного возврата тепла от них. Температурное расслоение газа в вихревой камере происходит значительно бистрее наступле-ния термического равновесия. Вследствие зтого внешние слои ви-ходят через дроссельний вентиль нагретими, а внутренние — через отверстие в диафрагме — холодними. Термодинамически процес-си вихревой труби мало зффективни. Получение охлаждающего зффекта таким путем связано с перерасходом знергии в 8—10 раз по сравнению с воздушной холодильной машиной.

Можно получить низкие температури и термозлектрическим способом (зффект Пельтье). Термозлектрические явления обуслов-лени наличием связи между тепловими и злектрическими процес-сами. Если к термопаре подвести постоянний ток, один из спаев будет нагреваться, другой охлаждаться. При перемене направления тока изменится и нагрев спаев — нагретий будет охлаждаться, а холодний нагреваться. Зффект Пельтье обусловлен особенностя-ми прохождения потока злектронов через поверхность спая разно-родних металлов. Описанное явление открито еще в 1834 г., но прак-тического значения долгое время не имело.

В последние годи зффект Пельтье применен в домашних злект-рохолодильниках и комнатних кондиционерах с термопарами из различних полупроводников.