СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения, более конкретно - к пассажирскому вагоностроению, и предназначена для систем отопления железнодорожных, преимущественно пассажирских, вагонов.
Известна система отопления в железнодорожном вагоне (RU, №2259291, B61D 27/00, 27.08.2005), состоящая из взаимосвязанных контуров циркуляции теплоносителя и содержащая водогрейный котел с подающими и возвратными трубопроводами отопления, проложенными вдоль боковых стен вагона, расширительный бак, водонагреватель, калорифер, циркуляционный насос и трубу-перемычку, соединяющую окончания возвратных трубопроводов отопления. Труба-перемычка выполнена в виде трубопровода, поднимающегося вверх возле боковой стены вагона, например в туалетном помещении котловой стороны вагона, проходит над потолком коридора, опускается вниз в котельном отделении вагона и служит дополнительным источником обогрева туалетного помещения котловой стороны вагона.
Невысокий КПД водогрейного котла и необходимость использования автономного циркуляционного насоса приводят к низкому КПД всей системы отопления, что является ее недостатком.
Известна система отопления пассажирского вагона (RU, №78747, B61D 27/00, 19.12.2008), выбранная в качестве прототипа и содержащая теплогенерирующий блок, выход которого соединен через напорные трубы с калорифером и с входом расширителя, выходы которого соединены с отопительными ветвями купейной и коридорной сторон с нагревательными трубами, которые другими своими концами подсоединены к входу тепло-генерирующего блока, теплогенерирующий блок выполнен в виде статора асинхронного двигателя. В пазах магнитопровода статора уложена первичная обмотка переменного тока, а в расточке статора расположена вращающаяся короткозамкнутая вторичная обмотка, представляющая собой полый цилиндр. Вращающаяся короткозамкнутая вторичная обмотка и магнитопровод разделены дополнительным теплоизолирующим элементом из антифрикционного неэлектропроводящего материала, выполняющего функцию радиально-упорного подшипника скольжения и составляющего единое целое с магнитопроводом и первичной обмоткой, на внутренней поверхности вторичной обмотки сформированы и жестко связаны с ней напорные лопасти.
При подаче переменного напряжения на первичную обмотку, последняя создает вращающееся магнитное поле, которое индуцирует вихревые токи во вторичной обмотке, последние обуславливают возникновение вращения вторичной обмотки и ее лопастей, а также нагрев вторичной обмотки. Тепло вторичной обмотки передается теплоносителю.
1
Количество тепла, генерируемого во вторичной обмотке, зависит от значения индуцированных вихревых токов в вторичной обмотке, которое в свою очередь пропорционально значению скольжения s, которое определяется по формуле , где n - скорость вращения вторичной обмотки, n - скорость вращения магнитного поля первичной обмотки (А.И.Важнов. Электрические машины. Л.: Энергия. 1968. С.33). Т.к. при эксплуатационных режимах работы скорость вращения вторичной обмотки близка к скорости вращения магнитного поля, т.е. когда скольжение мало, значение вихревых токов также мало. Это обуславливает незначительный нагрев вторичной обмотки, а, следовательно, и теплоносителя, что обуславливает недостаточно высокий КПД системы отопления.
Перед авторами стояла задача повышения КПД системы отопления пассажирского вагона за счет использования в теплогенерирующем электромеханическом преобразователе неподвижного нагревательного элемента, закрепленного относительно статора.
Технический результат достигается тем, что в системе отопления пассажирского вагона, содержащей теплогенерирующий блок, выход которого соединен через напорные трубы с калорифером и со входом расширителя, выходы которого соединены с отопительными ветвями купейной и коридорной сторон с нагревательными трубами, которые другими своими концами подсоединены к входу теплогенерирующего блока, теплогенерирующий блок выполнен в виде статора асинхронного двигателя, в пазах магнитопровода которого уложена первичная обмотка переменного тока, в расточке статора расположена вращающаяся короткозамкнутая вторичная обмотка, представляющая собой полый цилиндр, вращающаяся коротко-замкнутая вторичная обмотка и магнитопровод разделены дополнительным теплоизолирующим элементом из антифрикционного неэлектропроводящего материала, выполняющего функцию радиально-упорного подшипника скольжения и составляющего единое целое с магнитопроводом и первичной обмоткой, на внутренней поверхности вторичной обмотки сформированы и жестко связаны с ней напорные лопасти, на внутренней поверхности расточки статора жестко закреплен теплогенерирующий элемент, представляющий собой цилиндр, выполненный из электропроводящего немагнитного материала.
Система отопления пассажирского вагона показана на чертеже. Система отопления пассажирского вагона содержит теплогенерирующий блок 1, выполненный в виде статора 2 асинхронного двигателя. В пазах магнитопровода статора 2 уложена первичная обмотка переменного тока 3. В расточке статора 2 расположена вращающаяся короткозамкнутая вторичная обмотка 4, представляющая собой полый цилиндр, внутри которого протекает теплоноситель, например, вода, ТОСОЛ или масло. Вращающаяся короткозамкнутая вторичная обмотка 4 и магнитопровод статора 2 разделены дополнительным теплоизолирующим элементом 5 из антифрикционного неэлектропроводящего материала, например, фторопласта, выполняющего функцию радиально-упорного подшипника скольжения и составляющего единое целое с магнитопроводом статора 2 и первичной обмоткой переменного тока 3. На внутренней поверхности вращающейся короткозамкнутой вторичной обмотки 4 сформированы и жестко связаны с ней напорные лопасти 6.
Между первичной обмоткой переменного тока 3 и вращающейся короткозамкнутой вторичной обмоткой 4 на внутренней поверхности расточки статора 2 жестко закреплен теплогенерирующий элемент 7; изготовленный в виде цилиндра из электропроводящего немагнитного материала, например из медной или алюминиевой фольги. Его наружный диаметр соответствует внутреннему диаметру канавки статора 2. Для обеспечения необходимой величины несущей площади поверхностей скольжения длина неподвижного теплогенерирующего элемента 7 выбирается несколько меньшей длины статора 2. Статор 2, например, выполняется в виде капсулы с внутренней канавкой для установки теплогенерирующего элемента 7. Это позволяет создать в зазоре между статором 2 и вращающейся короткозамкнутой вторичной обмоткой 3 радиально-упорный узел скольжения.
Выход 8 теплогенерирующего блока 1 с помощью напорных труб 9 соединен с калорифером 10 и входом расширителя 11, который предназначен для восприятия увеличивающегося при нагревании объема теплоносителя. Выходы 12 расширителя 11 соединены с отопительными ветвями купейной 13 и коридорной 14 сторон, которые имеют нагревательные трубамы 15, которые другими своими концами подсоединены к входу 16 тепло-генерирующего блока 1.
Работа системы осуществляется следующим образом.
Первичная обмотка переменного тока 3 статора 2 подключается к сети переменного тока. Проходящий при этом по первичной обмотке переменного тока 3 ток создает намагничивающую силу и вращающееся магнитное поле, наводящее на основании закона электромагнитной индукции во вращающейся короткозамкнутой вторичной обмотке 4 электродвижущую силу и обусловленные ей вторичные токи, взаимодействующие с вращающимся магнитным полем статора 2. Сказанное приводит к появлению вращающегося момента, приложенного к вращающейся короткозамкнутой вторичной обмотке 4. Протекание вторичных токов по вращающейся короткозамкнутой вторичной обмотке 4 приводит к нагреву последней, и, в конечном счете, нагреву теплоносителя. Так как между внутренней поверхностью магнитопровода статора 2 и внешней поверхностью вращающейся короткозамкнутой вторичной обмотки 4 расположен теплоизолирующий элемент 5, выполненный из самосмазывающегося материала и представляющий собой подшипник скольжения, вращающаяся коротко-замкнутая вторичная обмотка 4 приходит во вращение со скоростью, определяемой параметрами преобразователя (на чертеже не показан).
Вращающееся магнитное поле статора 2 также индуцирует в тепло-генерирующем элементе 7 вихревые токи как во вторичной обмотке понижающего трансформатора, которые приводят к нагреву теплогенерирующего элемента 7, причем, из-за неподвижности теплогенерирующего элемента 7 относительно вращающегося магнитного поля статора 2, данная тепловая мощность не зависит от скорости вращения вращающейся короткозамкнутой вторичной короткозамкнутой обмотки 4, т.е. от режима работы тепло-генерирующего блока 1.
Теплоноситель по напорным трубам 9 поступает в калорифер 10 и в расширитель 11, в котором происходит компенсация увеличения объема теплоносителя, связанного с его нагревом. В калорифере 10 происходит нагрев воздуха, проходящего через калорифер 10. Из расширителя 11 теплоноситель поступает в отопительные ветви купейной 13 и коридорной 14 сторон, где в нагревательных трубах 15 происходит теплообмен между теплоносителем и воздухом купе и коридоров. Затем теплоноситель возвращается через вход 16 в теплогенерирующий блок 1.
Как можно заметить заявляемая система отопления пассажирского вагона по сравнению с прототипом характеризуется более высоким значением КПД, т.к. в ней генерирование тепла производится и вращающейся короткозамкнутой вторичной обмоткой и генерирующим элементом, жестко установленным между обмоткой переменного тока и вращающейся короткозамкнутой вторичной обмоткой, причем значение тепла, генерируемого теплогенерирующим элементом, не зависит от скорости вращения вращающейся вторичной короткозамкнутой обмотки, т.е. от режима работы системы отопления пассажирского вагона.