СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ ПАССАЖИРСКОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА

Полезная модель относится к области машиностроения, а конкретно, к системам топления транспортных средств, в том числе пассажирских железнодорожных вагонов.
Известна электрическая система водяного отопления пассажирских железнодорожных вагонов, состоящая из электронагревательных приборов, непосредственно подогревающая внутренний и поступающий в вагон наружный воздух (см., например, описание изобретения к патенту РФ №2221935, кл. F04F 5/54, опубл. 27.03.2002 г.).
Однако такая система отопления имеет мощность примерно 40 кВт и может использоваться только на электрифицированных участках железных дорог от контактной сети через электровоз или от специального вагона-электростанции. Эту систему невозможно использовать в составе поездов с другими источниками электроэнергии.
Известна система комбинированного (электроугольного) водяного отопления вагонов, содержащая водогрейный котел с установленными внутри него высоковольтными нагревательными элементами, расширитель, выполненный в виде отдельного бака, водяной пластинчатый калорифер, верхнюю и нижнюю разводку труб и высоковольтный генератор. Верхние разводящие и нижние отопительные трубы образуют замкнутую сеть отопления. Горячая вода из водогрейного котла поступает в верхние разводящие трубы и вертикальные стояки, затем - в нижние обогревательные трубы, где, отдавая тепло в окружающую среду, вода возвращается обратно в котел. Для усиления циркуляции воды при низких температурах наружного воздуха на входе в водогрейный котел установлены циркуляционный насос и ручной насос (Под ред. Л.Д.Кузьмича. Вагоны: проектирование, устройство и методы испытаний, Москва, «Машиностроение», 1978, с.267-268).
Однако данная система имеет с одной стороны низкий кпд, в случае использования угля для отопления вагона, с другой стороны требует особых мер безопасности и автоматических устройств, при эксплуатации потенциально опасных для жизни человека высоковольтных нагревательных элементов. Кроме того, высокий кпд электронагревателей резко падает из-за совместимости электрического отопления с угольным котлом - общая система подогрева воды, единая с конструкцией угольного котла, который сам по себе имеет низкий кпд, определяет и низкий кпд электроугольной системы отопления в целом. Кроме того, угольный вариант отопления требует применения тяжелого ручного труда и постоянного контроля за процессом горения, который плохо управляем, что ведет к дополнительным потерям и снижению теоретического кпд, неэкологичен в принципе, небезопасен и дискомфортен для пассажиров в случае поступления газовых продуктов сгорания в вагон. Он требует постоянно работающей в объеме РАО РЖД системы обеспечения пассажирских вагонов топливом уборки (утилизации) продуктов сгорания.
Наиболее близкой из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранная в качестве прототипа система отопления пассажирского железнодорожного вагона, содержащая замкнутый контур отопления, в котором размещены теплогенератор с подключенным к входу водяным насосом, а к выходу - радиаторами водяного отопления, а также систему электропитания и автоматического управления (см., например, описание изобретения к патенту РФ №2233757, кл. В61D 27/00, опубл. 10.08.2004).
Однако такая система критична к нестабильности электропитания от подвагонного генератора, что приводит к снижению коэффициента преобразования энергии. Создание кавитационной области сопровождается значительными шумами, превышающими санитарные нормы, что требует в свою очередь разработки системы шумо-, вибро- и теплозащиты кавитационного генератора, что в свою очередь удорожает систему отопления и увеличивает габариты теплогенератора, при этом кавитационный генератор имеет существенные массогабариты относительно размеров топливного отсека.
Недостатком данной системы является критичность кавитационного генератора к стабильности источника питания, высокий уровень акустических шумов и вибраций, а также необходимость разработки эффективной системы шумо-, вибро- теплоизоляции генератора.
Технический результат от использования предложенной системы отопления - повышение энергетической и экономической эффективности системы отопления пассажирского вагона за счет снижения энергозатрат на отопление вагона, повышение безопасности обслуживания за счет исключения из системы отопления потенциально опасных для человека высоковольтных нагревательных элементов, исключение элементов, создающих высокий уровень вредных для человека акустических шумов, повышения комфортности системы отопления за счет точности автоматического управления, исключения постоянного контроля и обслуживания техническим персоналом, исключения акустических шумов, исключения поступления в вагон продуктов эксплуатации системы отопления: газов, пыли, вибраций и шумов, а также повышения технической надежности системы отопления.
Указанный технический результат достигается тем, что система отопления пассажирского железнодорожного вагона, содержащая замкнутый контур отопления, в котором размещены теплогенератор с подключенным к входу водяным насосом, а к выходу - радиаторами водяного отопления, а также систему электропитания и автоматического управления, снабжена калорифером, бойлером и магнитным активатором-фильтром воды, в качестве теплогенератора использована трансзвуковая струйная тепловая машина, работающая по принципу формирования однородной парафазной смеси, обладающей трансзвуковыми свойствами, что обеспечивает прямое преобразование кинетической энергии водяного парафазного потока в тепловую энергию ламинарного монофазного потока, при этом калорифер и бойлер подключены в контур отопления параллельно радиаторам водяного отопления, а магнитный активатор-фильтр воды входом подключен к водяному насосу, а выходом - к трансзвуковой струйной тепловой машине.
Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна", так как оно не известно из уровня техники. Предложенное устройство является промышленно применимым существующими техническими средствами.
Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности полезной модели.
На чертеже представлена принципиальная схема заявленной системы отопления.
Предложенная система отопления включает в себя теплогенератор 1, в качестве которого использована трансзвуковая струйная тепловая машина (ТЗТМ), подключенные в замкнутый контур отопления радиаторы 2 водяного отопления, калорифер 3, бойлер 4, струйный водяной насос 5, напорный контур 6 системы трубопроводов, обратный контур 7 системы трубопроводов, магнитный активатор-фильтр 8 воды, расширительный бак 9 закрытого типа, а также систему электропитания и систему автоматического регулирования с контрольно-измерительной аппаратурой (не показаны), при этом калорифер 3 и бойлер 4 подключены в контур отопления к выходу трансзвуковой струйной тепловой машины 1 параллельно радиаторам 2 водяного отопления, а магнитный активатор-фильтр 8 воды входом подключен к водяному насосу, а выходом - к трансзвуковой струйной тепловой машине 1.
Принцип создания тепловой энергии в ТЗТМ заключается в образовании парафазной сжимаемой смеси: воды (фаза 1) и нагретой (относительно фазы 1) воды с равномерно распределенными пузырьками пара (фаза 2), которая, будучи разогнанной струйным водяным насосом 5 до сверхзвуковой скорости, скачкообразно тормозится на выходе камеры смешения, при этом происходит сжатие рабочего тела (среды), пузырьки охлопываются, и происходит скачкообразное повышение температуры и, как следствие этого, давления. Повышение давления приводит к увеличению скорости однородного ламинарного потока на выходе камеры смешения: т.н. «насосный эффект». Реализация этого принципа приводит к тому, что на выходе ТЗТМ температура и скорость воды становятся выше, чем на входе.
Непрерывность процесса обеспечивает постепенный непрерывный нагрев воды в системе до установленных значений в системе автоматического управления, после чего ТЗТМ автоматически отключается до тех пор, пока температура воды в системе отопления не достигнет нижнего установленного предела. Затем цикл нагрева повторяется.
Скачок температуры и давления на выходе камеры смешения, придает ТЗТМ свойства собственно насоса, что позволяет исключить из системы отопления циркуляционный насос, а после выхода системы на стационарный режим - выключить и струйный насос. Струйный водяной насос, таким образом, будет обеспечивать только разгон ТЗТМ в начале каждого цикла. В ТЗТМ устройство нагрева рабочего тела выполняет частную задачу создания начальной разности потенциалов (температурных) двух потоков для формирования парофазной смеси, обладающей трансзвуковыми свойствами в границах сформированного объема водопузырьковой парофазной смеси в камере смешения, что позволяет провести прямое преобразование кинетической энергии водяного парафазного потока в тепловую энергию ламинарного монофазного потока рабочего тела, которая отдается в окружающую среду радиаторами водяного отопления.. В ТЗТМ отсутствуют движущиеся части, что резко повышает его техническую надежность в частности и системы отопления в целом.
Предложенная система отопления работает следующим образом.
При включении струйного водяного насоса 5 и подачи электропитания на нагревательные элементы (не показаны), на вход ТЗТМ подается вода, которой заполнен замкнутый контур системы отопления, поступающая вода разделяется в ТЗТМ на два потока, один из которых нагревается при проходе через электродные электронагреватели (не показаны) и поступает в камеру смешения (не показана) ТЗТМ, а ненагретый поток воды с другого входа также поступает в камеру смешения (не показана), где происходит их перемешивание и создание парафазной среды с резко отличными свойствами от свойств каждого из потоков, при этом образуется водопузырьковая смесь, скорость звука в которой значительно ниже собственно скорости потока в камере смешения. Создается режим сверхзвукового (трансзвукового) движения рабочего
тела - парафазной среды. У выходной стенки камеры смешения смесь резко (скачкообразно) тормозится, кавитационные пузырьки охлопываются, образуется скачок температуры и давления, производится работа, и вода (монофазная ламинарная структура) выбрасывается в замкнутый контур отопления с температурой большей, чем на входе в ТЗТМ и под давлением, большим, чем создал струйный насос. Процесс идет непрерывно, и рабочее тело нагревается до значений, установленных в аппаратуре дистанционного управления, после чего ТЗТМ отключается. При остывании воды в контуре до температуры, установленной в системе автоматического управления, ТЗТМ включается, и начинается новый цикл подогрева воды.
Вода, нагретая в ТЗТМ, подается через систему трубопроводов и запорной аппаратуры 6 к потребителям 2, 3 и 4 тепла, а затем уже охлажденная (так называемая «обратка») - через систему трубопроводов запорной аппаратуры 7 и далее на вход струйного насоса 5, после которого поступает на вход магнитного активатора-фильтра 8 воды и вновь на вход ТЗТМ 1.
Включение в систему отопления на входе ТЗТМ магнитного активатора-фильтра 8 воды позволяет создать упорядоченную структуру потока в обеих фазах и, тем самым, обеспечить формирование равномерно перемешанной парафазной среды в камере смешения, а также постоянно уменьшать известковый налет на внутренних стенках трубопроводов и устройств, что позволяет достичь более высоких значений коэффициента преобразования энергии ТЗТМ.
В предлагаемой системе отопления принципиально исключены источники акустических шумов из-за отсутствия движущихся деталей, ТЗТМ некритична к колебаниям напряжения источника питания переменного тока, что позволяет подключать ее напрямую к штатному подвагонному генератору переменного тока.
Применение предложенной системы отопления обеспечивает повышение эффективности системы отопления за счет снижения энергозатрат, повышение безопасности обслуживания и технической надежности, а также полную экологическую чистоту системы отопления и уменьшение производственных площадей.