СИСТЕМА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА В КУПЕ ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА
SYSTEM OF AIR CONDITIONING IN PASSENGER CAR COMPARTMENT

Изобретение относится к системам кондиционирования воздуха в пассажирском вагоне, которая предусматривает возможность индивидуального управления температурой воздуха в купе в зоне каждого пассажира индивидуально.
Известна система кондиционирования пассажирского вагона на базе одного общего блока кондиционирования, рассчитанного на весь вагон в целом (см. Фаерштейн Ю.О., Китаев Б.Н. Кондиционирование воздуха в пассажирских вагонах. - М. Транспорт. 1984). Кондиционер обеспечивает весь вагон кондиционированным воздухом через длинные воздуховоды с неизбежными потерями расхода и температуры воздуха, что приводит к неравномерному температурному полю в различных по длине вагона помещениях.
Существенным недостатком указанной системы кондиционирования является то, что в случае отказа кондиционера вагон приходится снимать с линии на продолжительный ремонт. Съем вагона с маршрута связан с необходимостью предоставления пассажирам другого вагона для следования или их пересадки на другой поезд. Это в свою очередь вызывает задержки пассажиров в пути и их материальные претензии к железной дороге.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является комбинированная система кондиционирования воздуха пассажирских вагонов с индивидуальным регулированием по купе (СКВ ПВ) устанавливается на пассажирских купейных вагонах 1-го класса и класса "ЛЮКС" и предназначена для создания индивидуально-комфортных условий для пассажиров в каждом отдельно взятом купе вагона. СКВ ПВ работает в режимах, как охлаждения, так и нагрева воздуха в купе с возможностью регулирования температуры самими пассажирами (см. Жариков В.А. Системы индивидуального регулирования температуры воздуха в купе пассажирских вагонов. ВЕСТНИК ВНИИЖТ, 2006. №4).
Комбинированная система кондиционирования воздуха построена по двухступенчатой функциональной схеме: первая ступень - охлаждение с использованием косвенно-испарительного эффекта (испаряемая в качестве рабочего тела - вода); вторая ступень - охлаждение (нагрев) в зоне расположения каждого пассажира в купе. Данная функциональная схема позволяет реализовать возможность индивидуального регулирования температуры воздуха в купе по желанию пассажиров.
Основным элементом первой ступени является теплообменник косвенно-испарительного охлаждения (ТКИО). Вспомогательный поток воздуха из «влажных» каналов ТКИО выбрасывается наружу через специальный дефлектор, а охлажденный воздух из сухих каналов ТКИО поступает в центральный воздуховод, расположенный вдоль вагона.
Основными элементами второй ступени являются термоэлектрические доводчики, выполняющие одновременно роль воздухораздаточных устройств. Воздух, проходя через «холодные» радиаторы доводчика дополнительно охлаждается и поступает в купе. Каждый из термоэлектрических доводчиков выполнен по схеме «воздух-жидкость». При этом горячие спаи термоэлектрических доводчиков охлаждаются водой, прокачиваемой по замкнутому контуру через теплообменник, расположенный под вагоном. Применение в качестве рабочего тела воды обуславливает экологическую чистоту системы.
Существенным недостатком прототипа является то, что его применение основано на использовании воды в качестве рабочего тела. Это требует протяженной магистрали, расположенной под днищем вагона для охлаждения самой воды. Наличие протяженной магистрали и узлов ее сочленения сопряжено с возникновением негерметичностей, особенно под действием вибрации при движении вагона по маршруту, а также усложняет эксплуатацию системы в целом.
Предлагаемая система кондиционирования воздуха в купе пассажирского вагона обеспечивает возможность плавного регулирования холодопроизводительности, повышение надежности работы системы, а также индивидуального регулирования температуры воздуха в зоне нахождения каждого из пассажиров купе по индивидуальному желанию в диапазоне создания наиболее комфортных условий.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое устройство, обеспечивается тем, что система кондиционирования воздуха в вагоне выполнена по двухступенчатой схеме: первая ступень, которая включает центральный воздуховод, расположенный вдоль всего вагона, а также магистраль сброса горячего воздуха с вентилятором, а вторая ступень представляет собой блочные купейные установки кондиционирования, количество которых равно количеству посадочных мест в купе в вагоне, при этом первая ступень дополнительно оснащена вентилятором с воздушным фильтром, блочная купейная установка кондиционирования дополнительно оснащается вентилятором на выходе охлажденного воздуха, а ее теплообменник выполнен в виде термоэлектрического элемента, у которого горячая и холодная пластины разделены перегородкой, при этом поток воздуха от горячей пластины направлен в магистраль сброса горячего воздуха. Термоэлектрические блоки, каждый из которых снабжен вентилятором, выполняют одновременно роль воздухораздаточных устройств.
Сброс горячего воздуха производится также в общую магистраль, проходящую через весь вагон.
Подробнее сущность заявляемой системы кондиционирования пассажирского вагона поясняется чертежами и фотографиями:
- на фиг.1 показано размещение первой ступени заявляемой системы кондиционирования пассажирского вагона;
- на фиг.2 представлена схема подключения термоэлектрических блоков к магистрали первой ступени системы кондиционирования вагона;
- на фиг.3 показан термоэлектрический блок;
- на фиг.4 показана схема термоэлектрического блока;
- на фиг.5 показано размещение термоэлектрических блоков в купе пассажирского вагона.
Заявляемая система кондиционирования воздуха пассажирских вагонов с индивидуальным регулированием по купе предназначена для создания индивидуально-комфортных условий для пассажиров на каждом отдельно взятом посадочном месте в купе вагона. Система кондиционирования воздуха работает в режимах как охлаждения, так и нагрева воздуха в купе с возможностью регулирования температуры самими пассажирами.
Основными элементами системы являются вентилятор приточного воздуха, термоэлектрические блоки (по одному на каждое посадочное место в каждом купе), выполняющие одновременно роль воздухораздаточных устройств, система управления и преобразователь напряжения.
Система кондиционирования воздуха состоит из первой и второй ступени (фиг.1). Основным элементом первой ступени является вентилятор забора воздуха 1 с фильтром 2 и магистраль 3, идущая по всему вагону. Вторая ступень системы кондиционирования воздуха вагона состоит из индивидуальных термоэлектрических блоков 4 (по одному на каждое посадочное место в каждом купе) объединенных компьютерной системой управления на базе современной шины C-BUS и подсоединенных посредством патрубков 5 к магистрали 3 первой ступени (фиг.2).
Термоэлектрический блок выполнен в виде единого сменного модуля (фиг.3).
На входе в корпус 8 термоэлектрического блока 4 установлен дополнительный нагнетательный вентилятор 7, который направляет поток воздуха из магистрали 3 первой ступени (фиг.4). Воздушный поток поступает на термоэлектрический элемент, который представляет собой малогабаритный твердотелый тепловой насос, осуществляющий перекачивание тепловой энергии при прохождении постоянного тока. Конструктивно термоэлектрический элемент состоит из последовательно соединенных пар полупроводниковых элементов (кристаллов теллурида висмута «p» и «n» типов), спаянными между параллельными керамическими пластинами. При подаче постоянного тока требуемой полярности происходит (за счет эффекта Пельтье) нагрев спаев одной пластины 9 и охлаждение спаев другой пластины 10. При отводе тепла с горячей пластины 9 в окружающую среду через отверстие в корпусе 8 температура холодной пластины 10 достигает минусовых значений. На выходе из термоэлектрического блока расположен вентилятор 11, направляющий охлажденный воздух непосредственно в купе (показан стрелками).
Термоэлектрические блоки 4 размещены в купе на стенке 5 в зоне посадочного места пассажира в купе (фиг.5), т.е. в зоне спальных полок 12.
В случае использования заявляемой системы выход из строя одного термоэлектрического блока не приводит к нарушению кондиционирования купе вагона, а срочный ремонт вагона сводится к замене вышедшего из строя блока на исправный за 10-15 минут силами бригады из 2 человек.
Отличие предложенной системы кондиционирования от используемых в настоящее время на железнодорожном транспорте состоит в том, что в существующих системах на вагоне установлен один блок кондиционирования, а в заявляемой системе количество блоков кондиционирования соответствует количеству посадочных мест пассажиров замкнутых помещений (купе).
Заявляемая система кондиционирования была смонтирована в пассажирских купейных вагонах 1-го класса. Система кондиционирования воздуха, построенная на основе термоэлектрических блоков, может состоять из скольких отдельных малогабаритных блоков, находящихся в непосредственной близости от человека и создавать большие возможности в формировании микроклимата обитаемого отсека в зоне размещения каждого пассажира.
Применение данной конструкции системы кондиционирования вагона позволяет улучшить технические, экологические и эксплуатационные характеристики пассажирского вагона в части:
- снижения массы пассажирского вагона на 3,5…4 тонны при его модернизации за счет снятия с вагона поршневого компрессора, электродвигателя, рамы агрегата, конденсатора, вентилятора обдува конденсатора, ресивера, шлангов, флексибиров, крышевого теплообменника, вентиляторов нагнетания воздуха, коробов вентиляции, 40…45 кг газа фреон или бинарного газа, элементов управления старой системой кондиционирования;
- улучшения энергобаланса системы электроснабжения вагона за счет снижения суммарной потребляемой мощности заявляемой системы кондиционирования (10…12 кВт) по отношению к существующей (14…15 кВт), экономии электроэнергии при локомотивной тяге (до 20%);
- значительного уменьшения расходов при проведении технического обслуживания и деповского ремонта систем кондиционирования в подразделениях пассажирских дирекций (до 50%);
- значительного снижения времени обслуживания системы кондиционирования вагона при ТО-1, ТО-2 и ТО-3, уменьшения времени простоя вагонов в местах вагонооборота;
- улучшения комфорта пассажиров за счет плавной регулировки температуры воздуха в жилой зоне пассажира.
Изготовление элементов конструкции заявляемой системы кондиционирования вагона основано на технологиях и оборудовании отечественного производства.