Система вентиляции и отопления вагонов

1. Вентиляционная система вагона



Вентиляция воздуха предназначена для удаления воздуха из помещений вагона и замены его чистым наружным, а также создания нормальных санитарно-гигиенических условий пребывания пассажиров и обслуживающего персонала. Существует два вида вентиляции: естественная и принудительная. В пассажирских вагонах применяется как естественная, так и принудительная (механическая) вентиляция. По принципу работы вентиляцию разделяют на приточную, вытяжную и приточно-вытяжную.

Система вентиляции и кондиционирования вагонов должна отвечать следующим требованиям:

Система вентиляции должна быть рассчитана на непрерывную работу для обеспечения подачи наружного воздуха летом не менее  и зимой не менее  на каждое место в вагоне.

Скорость движения воздуха в местах нахождения пассажиров не должна превышать в зимний период , а при работе кондиционера в летний период -. В вагонах без кондиционирования воздуха в летний период допускается скорость движения воздуха .

Подаваемый в вагон воздух должен быть очищен с помощью фильтров. Запыленность подаваемого воздуха после его очистки не должна превышать .

Система кондиционирования воздуха должна обеспечивать равномерное охлаждение вагона. Температура подаваемого в вагон воздуха при его охлаждении не должна быть ниже .

Объем рециркуляционного воздуха должен составлять не более , при этом обязательно наличие обеззараживателей воздуха.

Относительная влажность воздуха в вагонах первого класса должна составлять , в вагонах второго и третьего класса -

С учетом данных требований система вентиляции и кондиционирования используется в вагоне для поддержания определенного микроклимата как в теплое время года, так и в холодные периоды.

Система вентиляции вагона включает: заборные жалюзи, инерционные и сетчатый фильтры, вентилятор, диффузор, воздухонагреватель, конфузор, воздуховод, вентиляционные решетки и дефлекторы, противопожарную заслонку.



Принципиальная схема вентиляционной системы



Принципиальная схема вентиляционной системы представлена на рисунке 1





Рис. 1.1 Принципиальна схема вентиляционной системы



1 – жалюзийные решетки для забора наружного воздуха;

2 – воздушные заслонки;

3 – воздушный фильтр;

4 – вентилятор;

5 – приводной электродвигатель;

6 – диффузор;

7 – воздухоохладитель;

8 – воздухонагреватель;

9 – конфузор;

10 – противопожарная заслонка с плавкой вставкой, ручным приводом,

Сигнальным отростком;

11 – нагнетательный воздуховод;

12 – воздухораспределитель;

13 – дефлектор;

14 – вытяжные решетки в дверях туалетов;

15 – вытяжные решетки в дверях перегородки между пассажирскими

Помещениями и малыми коридорами;

16 – вытяжная решетка купе отдыха поездной бригады;

17 – вытяжная решетка служебного отделения;

18 – вентиляционные жалюзи электрораспределительного щита;

19 – электрораспределительный щит;

20 – вентиляционный дефлектор электрораспределительного щита.



1.2 Определение необходимой производительности вентиляционного агрегата, расчет и выбор основных элементов



Определяем необходимое количество наружного воздуха из соотношения:





,



где Vp – количество рециркуляционного воздуха, Vp=2900 м3/час



Определяем общее количество воздуха:



 (1.3)





Определяем свободную площадь жалюзийных решеток по формуле:



 (1.4)



где - допустимая скорость через одну решетку, м/с;

.



Определяем площадь заборного окна:



 (1.6)



где  – коэффициент живого сечения жалюзийной решетки;



,

Определяем размеры жалюзийной решетки (рис 2).






Рис. 1.2 Жалюзийная решетка



Принимаем , сторону определяем с учетом площади жалюзийных решеток :



 (1.7)





Определяем количество ячеек в фильтре по формуле:



 (1.8)



где  – количество воздуха, проходящего через одну ячейку;

.



Принимаем на вагоне 4 ячейки – по две с каждой стороны. Нагнетательный воздуховод выполняют в виде секций из тонкого стального листа по форме крыши.

Определим площадь поперечного сечения воздуховода по формуле:


 (1.9)



где  – допустимая скорость воздуха на входе в воздуховод, м/с;





Определяем размеры воздуховода (рис 3).





Рис. 1.3 Воздуховод



Принимаем , тогда размер определим по формуле:



 (1.10)





Определим размеры дефлектора (рис. 1.4)

Рассчитаем диаметр патрубка на входе в устройство по формуле:




 (1.11)



где  – скорость воздуха в патрубке, м/с;

















Рис. 1.4 Дефлектор



1.3 Аэродинамический расчет вентиляционной сети



Целью расчета является определение давления, которое должен обеспечить вентилятор, чтобы была обеспечена необходимая воздухопроизводительность вентиляционной системы.

Расчет начинаем из составления аэродинамической безмасштабной схемы (рис 1.5).





Рис. 1.5 Аэродинамическая схема



Определяем давление, которое должен развить вентилятор по формуле:



 (1.12)



где  – потери давления в сети, Па;

 – избыточное давление в помещении вагона, Па;



- коэффициент запаса, учитывающий потери, которые невозможно

подсчитать;

.

Потери давления в сети:



 (1.13)



где  – потери давления воздуховода, Па;

- потери давления в аппаратах вентиляционной сети, Па.

Потери давления воздуховода:



 (1.14)



где  – потери на преодоление сил трения на прямолинейных участках воздуховода, Па;

- потери в местных сопротивлениях воздуховода, которые имеют место в узлах воздуховода, где происходит отрыв потоков воздуха от стенок, образованием завихрений в месте отрыва и потерь давления в зоне отрыва воздушного потока.

Потери в местных сопротивлениях воздуховода определяем по формуле:



 (1.15)



где  – коэффициент трения, который зависит от характера движения воздушного потока, состояния внутренней поверхности, шероховатости;

- длина участка воздуховода, м;

;

- эквивалентный диаметр воздуховода, м;

- скорость движения воздуха, м/с;

- плотность воздуха,;

.

Разобьем воздуховод на 10 участков и для каждого участка определим Скорость движения воздуха по формуле:


 (1.16)



Скорость воздуха на десятом участке:



Определяем эквивалентный диаметр воздуховода по формуле:



 (1.17)





Определяем коэффициент трения, который зависит от характера движения воздушного потока, состояния внутренней поверхности, шероховатости по формуле:



 (1.18)



где  – число Рейнольца.

Число Рейнольца определяем по формуле:



 (1.19)



где  – кинематическая вязкость воздуха;

.

Определим число Рейнольца на десятом участке:



Определяем коэффициент трения на десятом участке:



Дальнейший расчет делаем в табличной форме



Таблица 1.1 – таблица конечных результатов

Участки



















,

Па



,

Па

1

0,154

0,7

0,49

11200

0,03

0,294

0,064

-

-

2

0,308

1,4

1,96

22400

0,026

1,176

0,222

-

-

3

0,462

2,1

4,41

33600

0,023

2,646

0,444

-

-

4

0,616

2,8

7,84

44800

0,022

4,704

0,755

-

-

5

0,77

3,5

12,25

56000

0,020

7,35

1,072

-

-

6

0,924

4,2

17,64

67200

0,0196

10,584

1,513

-

-

7

1,078

4,9

24,01

78400

0,019

14,406

1,996

-

-

8

1,232

5,6

31,36

89600

0,018

18,816

2,469

-

-

9

1,386

6,3

39,69

100800

0,0177

23,814

3,073

-

-

10

1,54

7

49

112000

0,017

29,4

3,644

0,2

5,88

Всего













15,252







Определяем местные сопротивления элементов вентиляционной системы.

К ним относятся повороты воздуховода, изменение сечений воздуховода, ответвления.

Коэффициент местного сопротивления при переходе воздушного потока из выпускного окна вентилятора в калорифер определяем по формуле:



 (1.20)


где - площадь сечения выпускного окна вентилятора, ;

;

 – площадь сечения калорифера,;

.







Рис. 1.6 Диффузор



Определяем потери в местных сопротивлениях диффузора:















Определяем коэффициент местного сопротивления в конфузоре по формуле:


 (1.21)



где - большой угол конфузора;

.



Потери в местных сопротивлениях конфузора:



















Рис. 1.7 Конфузор


Потери давления воздуховода:



Потери давления в аппаратах:



 (1.22)



Где - аэродинамическое сопротивление фильтра, Па;

;

- аэродинамическое сопротивление воздухоохладителя, Па;



- аэродинамическое сопротивление калорифера, Па;



- аэродинамическое сопротивление выпусков, Па;



- аэродинамическое сопротивление жалюзи, Па;



Потери давления в аппаратах не рассчитываем, а принимаем по данным завода изготовителя, которые в паспорте указывают аэродинамическое сопротивление при определенном расходе воздуха.



Потери давления в сети:



Определяем давление, которое должен развить вентилятор:






1.4 Расчет основных размеров и построение спирального кожуха радиального вентилятора



Рассчитываем удельную быстроходность по формуле:



 (1.23)



где - производительность вентилятора,;





- давление, развиваемое вентилятором, Па;

;

- частота вращения, об/мин;





Выбираем угол установки лопастей:

– для входных кромок ;

– угол на выходе .



Определяем наружный диаметр по формуле:


 (1.25)





Ширины колеса определяется по формуле:



 (1.26)



где - коэффициент запаса;

.



Определяем число лопастей по формуле:



 (1.27)





Мощность, расходуемая на колесо:



 (1.28)



где- КПД вентилятора с лопастями загнутыми вперед;





Определяем ширину кожуха по формуле:



 (1.29)





Сторона конструкторского квадрата:



 (1.30)





Для построения спирального кожуха радиального вентилятора используем метод конструкторского аппарата, который заключается в следующем.

В центре вентилятора вычеркиваем конструкторский квадрат со стороною . Вычеркиваем наружную окружность ротора диаметром  и намечаем точку скругления горловины – точку К. От точки К по вертикали оси откладываем точку , этой точкой определяем величину раскрытия кожуха, в этом месте стенка кожуха наиболее отдалена от окружности колеса в радиальном направлении.

С каждой вершины квадрата поочередно проводим дугу радиусом , которые определяют контур спирального кожуха. Участок дуги с центром в четвертом углу квадрата  называется «языком» квадрата – это минимальное расстояние от окружности колеса до стенки кожуха. На рисунке 1.8 приведена схема спирального кожуха радиального вентилятора.




Система водяного отопления



Основным видом отопления в вагоне является система водяного отопления открытого типа с естественной циркуляцией воздуха в нормальном режиме работы. Для усиления обогрева вагона при низких наружных температурах, а также для сокращения времени предварительного обогрева включают водяной насос. В вагоне с кондиционированием воздуха существует дополнительная система электрического отопления.



2.1 Необходимая теплопроизводительность системы отопления, расчет теплотехнических параметров котла, нагревательных труб, калорифера, бойлера



Целью расчета является определение теплопроизводительности отопительной системы, теплотехнических параметров котла, нагревательных труб, калорифера.

Необходимая теплопроизводительность отопительной системы:



, (2.1)



где  – теплопотери внутреннего объема вагона, через ограждение вследствие разности температур внутри и снаружи вагона, эти потери включают инфильтрацию, Вт;

 – затраты тепла на подогрев наружного вентиляционного воздуха, Вт;

 – затраты тепла на горячее водоснабжение, Вт;

 – явное тепловыделение людей, Вт.

Теплопотери внутреннего объема вагона определяем по формуле:


 (2.2)



где - коэффициент теплопередачи кузова, ;

 – площадь теплопередающей поверхности ограждения кузова, ;

 – температура внутри вагона,;

 – температура снаружи вагона, .

Принимаем:

;

;

;





Затраты тепла на подогрев наружного вентиляционного воздуха:



 (2.3)



Где - теплоемкость воздуха, ;

 – плотность воздуха, ;

 – объем наружного воздуха, поступающего в вагон, ;

 – температура приточного воздуха, .

Принимаем:

;

;

.

Определяем температуру приточного воздуха по формуле:


 (2.4)







Затраты тепла на горячее водоснабжение:



 (2.5)



где  – теплоемкость воды,;

 – суточной расход воды, ;

 – количество мест в вагоне;

- температура горячей воды, ;

 – начальная температура воды, ;

- суточная длительность потребления воды, ;

3600 – перевод час в сут.

Принимаем:

;

;

;

;

;

.



Явное тепловыделение людей определяем по формуле:


 (2.6)



где 0,5 – коэффициент, учитывающий 50% заселенности вагона;

 – количество мест в вагоне;

 – явное тепловыделение одного человека.

Принимаем:

;

.

.

.

Определяем площадь поверхности нагрева водяного котла по формуле:



 (2.7)



Где  – поверхностная плотность теплового потока, ;

- коэффициент, учитывающий потери тепла котла в окружающую среду.

Принимаем:

;

;

.



Определяем расход угля по формуле:


 (2.8)



Где - теплотворная способность, ;

- КПД котла.

Принимаем:

;

;

.



Определяем поверхность нагревательных труб:



 (2.9)



где  – теплопотери внутреннего объема вагона, через ограждение вследствие разности температур внутри и снаружи вагона, эти потери включают инфильтрацию, Вт;

- коэффициент теплопередачи труб;

- средняя температура горячей воды в трубах, .

Принимаем:

;

;

=70.



Определяем поверхность водяного калорифера:



 (2.10)



где  – затраты тепла на подогрев наружного вентиляционного воздуха, Вт;

- коэффициент теплопередачи калорифера;

- средняя логарифмическая разность между температурами воды в калорифере и продуваемом воздухом.

Принимаем:

;

.

Средняя логарифмическая разность между температурами воды в

калорифере и продуваемом воздухом:



 (2.11)







Принимаем:

;

;

;

.

.



.





2.2 Теплогидравлический расчет системы



Цель расчета – определение фактической проектной мощности нагревательных приборов, для этого необходимо решить несколько задач:

1. Определить температуру остывания воды при естественной циркуляции в кольцах отопительной системы.

2. Определить статическое(гидравлическое) давление в отопительных ветвях, возникающее вследствие разности плотностей горячей воды в котле и остывшей воды в трубах.

3. Гидравлическое сопротивление воды в контуре отопительной системы.

4. Определить скорость движения воды в системе и на основании полученных значений определить расход воды в отопительных кольцах и их тепловую мощность.

Определяем температуру воды на границах участков по формуле:

		

		 (2.12)


где  – внутренняя температура воздуха возле данного участка, ;

 – температура воды в начальном участке,;

l – длина труб, м.

Принимаем:

;

;

;



;

;

.

		

		 (2.13)



где с – теплоемкость воды, ;

 – коэффициент теплоотдачи труб, ;

 – наружный диаметр труб, мм;

 – внутренний диаметр труб, мм;

 – скорость движения воды, ;

 – коэффициент оребрения труб;

 – плотность воды, .

Принимаем:

;

;

;

;

;

;

;



Плотность воды определяем по формуле:

		

		 (2.14)



где  – температура воды в начале каждого участка,;







Определяем температуру воды в конце стояка, то есть в т. 3, за формулой 2.12, только за начальную температуру принимаем температуру .







Определяем температуру воды в конце нагревательных труб, то есть в т. 4, за формулой 2.12, только за начальную температуру принимаем температуру .







Определяем плотность воды на входе в котел:



Определить статический напор в системе по формуле:

		

		 (2.15)



где - номер участка;

 – число трубных участков;

 – расстояния между центрами охлаждения и центром нагрева, м;

- плотность воды в конце і-го участка, ;

- плотность воды в начале і-го участка, .

Принимаем:



 

Определяем гидравлическое сопротивления кожного участка по формуле:

		

		 (2.16)


где – местное сопротивление в элементах.

		

		 (2.17)



где  – коэффициент местного сопротивления, который характеризует

конкретный элемент или участок;

 – среднее арифметическое значения плотности в начале и в конце

соответствующего участка, .

		

		 (2.18)



 – сопротивления вызванное наличием трения:

		

		 (2.19)



где  – коэффициент трения, зависящей от режима движения воды и

качества поверхности.

		

		 (2.20)



где  – число Рейнольдса;

		

		 (2.21)


где  – кинематическая вязкость воды;

		

		 (2.22)



где t – среднее арифметическое температур в начале и в конце соответствующего участка, .

Проведем расчет для первого участка:















Проведем расчет для второго участка:















Проведем расчет для третьего участка:

















Получив значения S и Р, анализируем выполнения условия работоспособности системы:

		

		 (2.23)

		

		

		

Условия выполняются, значит, скорость движения воды считается такой, при которой система работоспособна. Используем значение для определения расчетного фактического значения теплопроизводительности:

		

		 (2.24)

		

		где  – среднее арифметическое значения плотности в системе, ;

		

		 (2.28)

		

		

		

		Определяем тепловую мощность:

		

		 (2.29)

		

		.