Расчет приведенного коэффициента теплопередачи ограждения кузова вагона

 

 

 

 

 

     Основным показателем теплотехнических качеств ограждения кузова пассажирского или изотермического вагона является приведенный коэффициент теплопередачи. Его величина является интегральной характеристикой вагона в целом и зависит от конструкции элементов кузова (крыша, пол, боковые и торцовые стены, окна), свойств изоляционных и строительных материалов, условий эксплуатации. Для тепловой изоляции ограждения кузова вагона следует выбирать высокоэффективные материалы с малыми коэффициентами теплопроводности, плохо впитывающие влагу, стойкие к механическим повреждениям и т.д.

     При вычислении коэффициентов теплопередачи каждый элемент ограждения кузова принимают как многослойную плоскопараллельную стенку и используют соответствующую формулу.

Вначале определяют значения фактических коэффициентов теплопередачи каждого i-го элемента ограждения кузова, характеризующих теплотехническое состояние нового вагона по формуле:

 

           ,        Вт/м²К

 

где α_н – коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности вагона, Вт/м²К;

для пассажирских вагонов принимают α_нпасс=65÷67 Вт/м²К для всех элементов;

δ_ij – толщина j-го слоя i-го элемента ограждения, м. Значения толщин принимают по справочникам, чертежам;

λ_ij – коэффициент теплопроводности материала j-го слоя i-го элемента ограждения, Вт/м К.

n   – количество слоев в конструкции i-го элемента;

α_вi– коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности i-го элемента ограждения, Вт/м² К;

Для пассажирских вагонов принимают α_впасс=10 Вт/м² К для всех элементов.

 

Коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности кузова, зависящий от средней скорости движения поезда, вычисляем по формуле:

 

                                 

 

      а=9 Вт/м²К – коэффициент, учитывающий лучистый теплообмен (лето);

      W – скорость движения вагона, км/ч;

      L₁ – длина огражденной части вагона, м;

 

Значения  округляют до второго знака после запятой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       Кузов вагона внутри имеет продольные и поперечные элементы жесткости, выполненные из металла. В местах их размещения возникают тепловые мостики, увеличивающие коэффициент теплопередачи ограждения. Во время эксплуатации вагона возможно появление зазоров между пакетами теплоизоляции, уплотнение слоев и т.д. Поэтому при выполнении курсовой работы эти обстоятельства следует учитывать увеличением значений коэффициентов до значений расчетных коэффициентов теплопередачи i-го элемента.

 

,       Вт/м² К  – для пассажирских вагонов;

;

;

 

     Значение приведенного коэффициента теплопередачи ограждения кузова вагона определяют по формуле:

 

             ,             Вт/м² К 

 

где  F_i  – площадь поверхности i-го элемента ограждения, м²;

m – количество элементов ограждения.

В соответствии с ГОСТ 12406-79 должны выполнятся условия К_пр≤1,11 Вт/м² К (для пассажирских вагонов).

 

 

2. Теплотехнический расчет вагона

 

2.1 Тепловой расчет

 

     Основной целью теплотехнического расчета вагона является определение следующих величин: 1) суммарного количества тепла, поступающего во внутреннее помещение вагона от различных источников при работе энергохолодильного оборудования, либо теряемого при отоплении; 2) потребной холодопроизводительности холодильной машины; 3) тепловой нагрузки основных теплообменных аппаратов энергохолодильного оборудования.

     Теплотехнический расчет охватывает тепловой расчет, имеющий целью определение общего количества тепла, отводимого при работе холодильного оборудования, а также установление потребной холодопроизводительности холодильной машины, по которой подбирают компрессор и теплообменные аппараты.

     Тепловой расчет производится в соответствии с условиями, заданными в исходных данных.

     Поддержание в вагоне определенной температуры и влажности воздуха в летний период обеспечивается путем отвода излишних тепла и влаги.

     При комфортном кондиционировании воздуха отводится общее избыточное количество тепла, поступающего в пассажирское помещение от различных источников, включая пассажиров, а в случае осушения воздуха и от конденсата, выпадающего на поверхность испарителя из охлаждаемого воздуха.

     Расчеты параметров воздуха проводят по условию мокрого охлаждения с использованием «i-d» диаграммы влажного воздуха.

     Уравнение общего теплового баланса имеет вид:

Q_{общ.пас}=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆ ,       Вт

где  Q_{общ.пас} – общий теплоприток в пассажирское помещение;

Q₁ – теплоприток через ограждение кузова вследствие разности температур воздуха снаружи и внутри вагона;

Q₂ – теплоприток от воздействия солнечной радиации;

Q₃ – теплоприток вследствие поступления наружного воздуха через

неплотности (инфильтрация);

Q₄ – теплоприток от работающего электрооборудования;

Q₅ – теплоприток вследствие жизнедеятельности пассажиров;

Q₆ – теплоприток вследствие подачи в вагон свежего наружного воздуха через систему вентиляции.

 

 

     Указанные выше элементарные теплопритоки вычисляются по формулам:

                              ,      Вт      

где К_пр  – приведенный коэффициент теплопередачи,  Вт/м² К;

t_н, t_в – значения температур воздуха снаружи и внутри вагона, ⁰С;

 – среднегеометрическое значение площади поверхности кузова, м². Для заданного вагона принимаем равным 260,5 м².

 

,       Вт

              

где  t_max=50 ⁰С – максимальная температура поверхности кузова;

Z_со=12÷16– продолжительность солнечного облучения в течение суток летом,час.

 

Q₃=K'·Q₁,       Вт

где K' – безразмерный числовой коэффициент. Для летнего периода, когда пассажиры  часто выходят из вагонов, K'=0,3

 

Q₄=n_дв·N_дв+ΔN_аппар,       Вт

где n_дв=1,0 – количество электродвигателей;

N_дв – мощность электродвигателя вентилятора. Принимают для плацкартного вагона 2800 Вт

ΔN_аппар=300÷400, Вт – мощность аппаратуры автоматики.

Работа  электрокипятильника не учитывается  из-за кратковременности (3 часа в сутки).

 

Q₅=q_пасс·n_пасс,       Вт

где  n_пасс – населенность вагона;

q_пасс=100÷120, Вт, (расчетное 115 Вт) – тепло, выделяемое одним   

         пассажиром:

 

,       Вт

где V_пасс=25÷36 – объем подаваемого свежего воздуха на одного пассажира летом, м³/час;

=1,17÷1,20 – плотность влажного  воздуха, кг/м³;

 – удельная энтальпия наружного  воздуха, кДж/кг. Определяется по «i-d» диаграмме для заданных в исходных данных значений t_н и φ_н.

  – удельная энтальпия  воздуха внутри вагона, кДж/кг.

Для определения значения необходимо найти значение температуры подачи t_п и влагосодержания d_п всего воздуха, поступающего в вагон из системы кондиционирования.

Температура подачи t_п определяется с помощью уравнения теплового баланса воздухоохладителя:

 

Q_хм=V_п·ρ_в·C_в(t_в–t_п),       Вт

 

где  V_п – объемный расход подаваемого в вагон воздуха. Принимают

                1,25÷1,38 м³/с;

ρ_в=1,17÷1,2 кг/м³ – плотность подаваемого воздуха;

C_в=1005 Дж/кг – изобарная удельная теплоемкость воздуха.

 

Холодопроизводительность холодильной  машины Q_хм равна сумме всех теплопритоков внутрь вагона. Однако, величину Q₆ в первом приближении следует принять равной нулю, а в последующих приближениях вычислять после нахождения i_в. Таким образом,

,       ⁰С

 

где – сумма всех теплопритоков внутрь вагона. В последующих приближениях включается и значение Q₆, Вт.

 

 

   

     Для нахождения влагосодержания d_п и энтальпии i_в делается предположение, которое в дальнейшем проверяется, о том, что воздух из воздухоохладителя характеризуется относительной влажностью φ_п=100%.

По диаграмме «i-d» для влажного воздуха в точке пересечения  линии t_п с кривой φ_п=100% находится влагосодержание d_п. В вагоне температура воздуха повышается от значения t_п до значения t_в благодаря притоку тепла, а влагосодержание не изменяется, т.е. d_в= d_п. Энтальпия i_в находится в точке пересечения прямой d_п и линии i_в.

Проверка предположения о том, что φ_п=100%, состоит в следующем.

Так как воздух перед воздухоохладителем представляет собой смесь наружного  воздуха (25% от общего количества) с  параметрами t_н, φ_н и воздуха из помещения вагона (75% от общего количества) с влагосодержанием d_вых, то для влагосодержания смеси получаем:

 

dсм=0,25·d_н+0,75·d_вых,       г/кг сух.воз,

 

где  d_н    – влагосодержание наружного воздуха. Находится на диаграмме «i-d» в точке пересечения линий t_н и φ_н;

d_вых – влагосодержание воздуха в вагоне с учетом влаговыделения пассажиров.

      Его значение определяется из выражения:

 

 

                   

,       г/кг сух. воз.,

где  n – населенность вагона;

g_пасс=0,013÷0,015 г/с – влаговыделение одного пассажира.

 

d_см ≥ d_п, следовательно предположение φ_п=100% справедливо.

 

 

 

 

 

 

 

2.2  Расчет  потребной холодопроизводительности  холодильной машины

 

 

     Общий теплоприток в вагон и, следовательно, потребная холодопроизводительность холодильной машины составит:

,    Вт

 

        

С учетом коэффициента запаса β=1,05÷1,15 можно принять:

 

,       Вт

 

     Полученное значение холодопроизводительности используют при расчете теоретического рабочего холодильного цикла, основных параметров холодильной машины и компрессора установки кондиционирования пассажирского вагона.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет и построение  теоритического рабочего  холодильного цикла на энтальпийной  диаграмме P-i для хладагента

 

     Расчет теоретического рабочего холодильного цикла необходим для определения основных параметров холодильной машины, которая этот цикл осуществляет. Цикл строят по параметрам узловых точек с помощью диаграммы P-i для применяемого хладагента.

     Вначале вычисляют значения температуры кипения хладагента t₀, температуры конденсации хладагента t_к, и при необходимости температуры переохлаждения хладагента t_п (иногда обозначают t_и). Температуру всасывания паров хладагента в компрессор полагают t_вс= t₀.

                                                t₀=t_в–(12÷18)=24-18=6⁰С,

     Для пассажирского вагона   t_к=t_н+(8÷12)=32+12=44⁰С

                                                 t_п=t_к–(3÷5)=45-5=30 ⁰С.

 

     Найденные значения температур дают соответствующие точки цикла на линии насыщенного сухого пара (паросодержание х=1,0) в диаграмме P-i. Спроецировав точки температур t₀, t_к на ось ординат, находят значения давлений P₀, P_к, а на оси абсцисс находят значения энтальпий для соответствующих точек. Кроме того, по диаграмме P-i определяют удельный объем пара в т.1 и т.2.

     Результаты определения параметров узловых точек теоретического рабочего холодильного цикла сводят в таблицу 4.

 

    Таблица 4 - Параметры холодильного агента

№ п/п	Параметр	Номер точек цикла
		1	А	2	3	3'	4	4'
1.	Температура, ᵒС	6	44	49	45	40	6	6
2.	Давление, МПа	0,35	1,1	1,1	1,1	1,1	0,35	0,35
3.	Энтальпия, кДж/кг	555	575	580	445	440	445	440
4.	Удельный объем пара, м3/кг	0,05	0,016	0,017