УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВОЗДУШНО-ТЕПЛОВОЙ ЗАВЕСЫ ВАГОНА ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА

Заявляемая полезная модель относится к оборудованию транспортного, вагонного машиностроения, преимущественно к системам тепловой защиты в виде воздушно-тепловых завес в дверных проемах вагонов, салонов, тамбуров электротранспорта, вагонов-домов и других аналогичных помещений.
Известны отечественные и зарубежные технические решения конструкций воздушно-тепловых завес (ВТЗ), как стационарно функционирующих, так и передвижных объектов: складов (патенты США на изобретения: №3190207, №3350994; авторские свидетельства СССР: №706659, №737720, №1656294, патент РФ на полезную модель №103896); транспортных ангаров (авторское свидетельство СССР №482360, патент РФ на полезную модель №138810); автомобилей (авторское свидетельство СССР №1549800), автобусов (патент ФРГ №1755898).
Для них характерно наличие следующих закрепленных с помощью опорно-крепящей арматуры элементов: нагревателя или системы нагревателей; заграждающих фильтров; вентагрегата и воздуховодов разнообразной конструкции.
В классификации устройств ВТЗ для данной заявки наибольший интерес представляют боковые ВТЗ, причем различают устройства для односторонних и двусторонних боковых ВТЗ.
Заявляемая полезная модель - для двусторонней ВТЗ.
Двусторонние завесы, используемые в тех случаях, когда конструкция дверей позволяет разместить распределительные воздуховоды с обеих сторон от дверного проема принципиально более эффективны. В них потоки воздуха из расположенных с обеих сторон распределительных воздуховодов защищают от проникновения наружного воздуха меньшую площадь двери, а соответственно, меньше теряют на своем пути скорость потока воздуха и его избыточное давление.
Боковые завесы могут выполняться с одним осевым вентилятором на оба стояка и с вентилятором на каждый стояк [В.Е. Решетников. Расширение области применения осевых вентиляторов, Конспект докладов научно-производственной конференции по промышленной вентиляции, МДНТП им. Дзержинского, 1959].
Известны устройства двусторонних боковых ВТЗ с центробежными вентиляторами на каждом стояке и с разными углами выхода струи [Сборник - Рабочие чертежи, ЦНИИ Промзданий, Москва, 1966].
Наибольший интерес представляют технические решения устройств, относящихся к ВТЗ для тепловой защиты дверного проема электротранспорта:
патент РФ на полезную модель №38318 «Система отопления и вентиляции салонов рельсовых транспортных средств»;
патент РФ на полезную модель №102917 «Воздушно-тепловая завеса транспортного средства», в котором имеется блок вентиляции с воздухо-раздаточным коробом и подогреватель воздуха, представляющий блок трубчатых электронагревателей.
Недостатки аналогов заключаются в инерционности устройств из-за использования в качестве нагревателей блока трубчатых электронагревателей, что не позволяет применять их там, где инерционность в качестве характеристики крайне важна, как, например, для воздушно-тепловых завес вагонов электротранспорта. В этом случае требуется практически мгновенный выход в рабочий тепловой режим при их включении (при открывании дверей вагона) и столь же быстрое их остывание при выключении (при закрытии дверей).
Наиболее близким аналогом является ВТЗ для защиты проема дверей транспортного средства (патент РФ на ИЗ №2047502), содержащая вентагрегат, нагнетательные воздуховоды, воздухораздаточные короба, подогреватель воздуха и фильтр. ВТЗ снабжена отводящим и подводящим коробами, установленными в верхней и нижней частях дверного проема. Отводящие и подводящие короба соединены воздуховодами с фильтром и подогревателем воздуха и далее с вентагрегатом. Устройство работает в двух режимах, которые устанавливаются в зависимости от положения дверей. При закрытых дверях вентагрегат работает на малой частоте вращения, достаточной для обогрева салона транспортного средства. С открытием дверей срабатывает переключатель блока управления, который переводит вентагрегат на работу с повышенной частотой вращения, обеспечивая тем самым форсированный режим.
Недостатками наиболее близкого аналога являются значительные габариты и вес устройства, что затрудняет размещение его в вагонах, где сильно ограничено место в надпотолочном пространстве над дверным проемом (куда считается наиболее рациональным располагать вентагрегат с подогревателем воздуха), поскольку оно частично уже занято верхним механизмом открывания дверей.
Кроме того, во всех описываемых современных транспортных средствах уже имеются автоматически управляемые системы отопления. Использование тепловых завес для дополнительного подогрева воздуха при закрытых дверях снижае т энергоэффективность всей системы в целом.
Задача заявляемого технического решения заключается в получении безынерционности устройства и снижении его веса и габаритов.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в устройстве для создания воздушно-тепловой завесы вагона электротранспорта, включающем входной порт для подачи напряжения, выполненные с возможностью установки над дверным проемом с боковых - левой и правой его сторон: источники воздуха с высоким избыточным давлением, помещенные каждый в свой корпус и имеющий каждый в своем корпусе центробежный вентилятор с кожухом спирального типа и нагреватель; воздуховоды, имеющие формы вертикально ориентированных прямоугольных труб, сужающихся книзу, с выполненными в них воздуховыпускными щелями со стороны, обращенной к дверному проему; средства соединения воздуховодов с вышеназванными источниками, расположенные в зоне верхних углов дверного проема, включающие наклонные участки в стороны дверного проема и криволинейные участки в виде плавно изогнутых колен, каждый из его нагревателей - безынерционный спирального типа и выполнен в виде электрически соединенных последовательно участков спиральных элементов, концы которых закреплены на винтах, стягивающих изоляторы, расположенные на аксиально протяженных опорных пластинах, которые образуют помещенный в обечайку и крепящийся к ней внутренний узел, сформированный из названных выше пластин, уложенных по типу вытянутого многогранника с возможностью образования между ними воздушных окон в месте нахождения центральной части каждого из участков спирального элемента, а каждый из центробежных вентиляторов помещен к выходной стенке корпуса, установлен после нагревателя но ходу воздушного потока и выход его соответствует выходному отверстию своего корпуса, которое выполнено в одной из его стенок, а входное отверстие центробежного вентилятора, являясь конфузором, соответствует выходному отверстию нагревателя, которым служит плотно и непосредственно соединенное с конфузором выходное отверстие обечайки.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в безынерционности устройства, достигаемой за счет использования спиральных нагревательных элементов, за единицы секунды нагревающихся до рабочей температуры при подаче напряжения нагрева и столь же быстро остывающих при его отключении. Причем в силу малости их массы (соответственно и количества накопленной в них тепловой энергии) для их остывания до температуры окружающей среды достаточно остаточного вращения вентилятора (при одновременном отключении напряжения нагрева и напряжения питания двигателя вентилятора).
Для тепловых завес транспортных средств безынерционность особенно важна. При открывании дверей (в городском цикле движения - всего на 30-40 секунд) из воздуховодов тепловых завес, защищающих двери вагона, в течение 1-3 секунд должен начать поступать нагретый до рабочей температуры воздух. А при закрывании дверей нужно иметь возможность одновременно выключить и блок нагрева и вентилятор, чтобы не создавать дискомфортных условий для пассажиров вагона, подавая на них хороню сфокусированный поток уже не подогреваемого холодного воздуха.
При использовании в качестве нагревательных элементов получивших распространение ранее трубчатых электронагревателей (в противовес заявленным в данной заявке спиральных нагревательных элементов) технический эффект в них - безынерционность ВТЗ был принципиально недостижим, поскольку время разогрева и время остывания трубчатых нагревателей существенно больше времени, на которое открываются двери вагона во время остановки электротранспортного средства.
Техническое решение иллюстрируется с помощью чертежей фиг. 1-фиг. 5, на которых представлены:
фиг. 1 - общий вид заявляемого устройства;
фиг. 2 - источник воздуха с высоким избыточным давлением;
фиг. 3 - заявляемое устройство в рабочем объеме вагона;
фиг. 4 - внутренний узел нагревателя;
фиг. 5 - вид со стороны вентилятора - источника воздуха с высоким избыточным давлением.
На всех фиг. позициями 1-34 обозначены:
1 - корпус;
2 - вход воздушного потока;
3 - выход воздушного потока;
4 - защитная сетка;
5 - выходной патрубок;
6 - нагреватель;
7 - вентилятор;
8 - кожух вентилятора;
9 - электродвигатель;
10 - рабочее колесо с лопатками;
11 - конфузор вентилятора;
12 - выходное отверстие вентилятора;
13 - аксиально протяженная опорная пластина;
14 - отверстие;
15 - обечайка;
16 - крепежный элемент по типу «лапки»;
17 - участок спирального элемента;
18 - изолятор;
19 - винт;
20 - держатель;
21 - термопредохранитель;
22 - шпилька (стержень);
23 - опорный каркасный элемент;
24 - диэлектрическая пластина;
25 - входной порт для подачи напряжения;
26 - защитная крышка входного порта;
27 - болт заземления;
28 - фиксатор;
29 - профилированный держатель;
30 - воздуховод;
31 - протяженный стояк;
32 - воздуховыпускная щель;
33 - наклонный участок воздуховода;
34 - соединительное колено.
ВТЗ устанавливается в дверных проемах вагона электротранспорта. Устройство содержит источники воздуха с высоким избыточным давлением, каждый из которых представляют собой по сути блок нагнетания и нагрева воздуха, которые монтируются в припотолочном пространстве дверного проема. Каждый источник помещен в свой корпус 1, имеющий вход 2 с отверстием с защитной сеткой 4 для забора воздуха из помещения вагона и выход 3 воздушного потока через выходной патрубок 5, предназначенный для соединения источника с соединительным коленом 34 изогнутого профиля, арматурные и изолирующие элементы. В каждом источнике воздуха с высоким избыточным давлением основными элементами являются установленные со стороны входа 2 корпуса 1 нагреватель 6 безынерционного типа и со стороны выхода 3 корпуса 1 вентилятор 7, помещенный к выходной стенке корпуса 1. Последний (фиг. 2) выбран центробежного типа и содержит помещенные в спиральный (в форме «улитки») кожух 8 электродвигатель 9 и рабочее колесо с лопатками 10. Вентилятор 7 имеет входное отверстие в виде конфузора 11 - конструкции, обратной диффузору, которая представляет собой часть канала в виде усеченного конуса. В зоне нахождения конфузора 11 динамическое давление в направлении движения воздушного потока увеличивается, статическое - уменьшается, за счет чего осуществляется плавное сужение и ускорение воздушного потока, засасываемого вентилятором 7. В последнем имеется выходное отверстие 12, соответствующее отверстию в стенке - выходу 3 корпуса 1 и сопряженное с ним. Вентилятор 7 расположен после нагревателя 6 на одной оси с ним. При этом конфузор 11 вентилятора 7 соответствует выходному отверстию нагревателя 6.
Формирование воздушного потока происходит вдоль всего пути его следования в корпусе 1 и, в частности, на участках нагревателя 6, особенно внутри зоны, образующейся из аксиально протяженных опорных пластин 13 с отверстиями 14. Внешний элемент для формирования воздушного потока на участке нагревателя 6 представляет собой обечайку 15, выполненную неразъемной, имеющую на внешней стороне крепежные элементы по типу «лапок» 16 с отверстиями 14 для закрепления обечайки 15 внутри корпуса 1 и термопредохранители 21 (фиг. 5), обеспечивающие отключение питания нагревателя 6 в режиме максимального нагрева во избежание перегрева.
Выходным отверстием нагревателя 6 служит выходное отверстие обечайки 15, которое плотно и непосредственно соединено с конфузором 11 вентилятора 7. В обечайку 15 помещена внутренняя часть нагревателя 6, выполненная в виде электрически соединенных последовательно участков спиральных элементов 17, концы которых закреплены на винтах 19, стягивающих изоляторы 18. Изоляторы 18 керамического типа расположены на аксиально протяженных опорных пластинах 13. Практически весь создаваемый вентилятором 7 воздушный поток направляется на съем тепла с участков спиральных элементов 17.
Аксиально протяженные опорные пластины 13 образуют в нагревателе 6 внутренний узел, сформированный в фигуру по типу вытянутого многогранника. При этом аксиально протяженные опорные пластины 13 уложены с возможностью образования между ними воздушных окон в месте нахождения центральной части каждого из участков спирального элемента 17. Крепление внутреннего узла к обечайке 15 нагревателя 6 осуществляется при помощи держателей 20. В частном случае, как представлено на фиг. 4, держатели 20 внутреннего узла представляют толстостенные отходящие от многогранника в стороны металлические прямоугольные пластины, которые могут составлять технологически одно целое с группой аксиально протяженных опорных пластин 13, поскольку так (заодно) с ними технологически изготовлены.
Важным элементом конструкции источника воздуха с высоким избыточным давлением 6 является каркас, состоящий из стенок корпуса 1 и опорного каркасного элемента 23 с отверстием в центральной части, на котором закреплена диэлектрическая пластина 24, расположенная у выходного отверстия обечайки 15 по ходу воздушного потока.
На корпусе 1 с внешней стороны на стенке размещены: входной порт для подачи напряжения 25, защитная крышка для него 26 и болт заземления 27. Для фиксации стенок корпуса 1 по всему периметру имеются фиксаторы 28. В частном случае, на корпусе 1 с внешней стороны верхней стенки могут быть размещены профилированные держатели 29 для крепления внутри вагона в подпотолочной зоне на предусмотренной опоре с возможностью взаимного соответствия форм профилированного держателя 29 и предусмотренной опоры (фиг. 1).
После источников воздуха с высоким избыточным давлением, помещенных каждый в свой корпус 1 и установленных, в данном случае в количестве двух, сверху над дверным проемом слева и справа от него, располагаются воздуховоды 30. Каждый из последних имеет протяженный стояк 31 в форме вертикально ориентированных прямоугольных труб, сужающихся книзу, в которых выполнены воздуховыпускные щели 32 со стороны, обращенной к дверному проему. Средства соединения воздуховодов 30 с вышеназванными источниками представляют собой расположенные в зоне верхних углов дверного проема наклонные участки 34 в стороны дверного проема и криволинейные участки в виде плавно изогнутых колен 34. Последние расположены в месте соединения наклонного участка 33 воздуховода 30 с выходным патрубком 5 корпуса 1 (фиг. 3).
Устройство работает следующим образом:
При включении устройства указанной конструкции в схему электропитания транспортного средства (трамвая, троллейбуса, вагонов электропоезда и т.п.) по сигналу открывания двери через входной порт для подачи напряжения 25 на вводы питания вентилятора 7 подается переменное напряжение 220 или 380 В. В зимнее время (при температурах окружающей среды ниже минус 15°С) напряжение (постоянное, либо переменное для разных типов электротранспорта) подается также на вводы питания нагревателя 6. Воздух на вход устройства попадает из помещения вагона в корпус 1 через отверстие с защитной сеткой 4.
Вращая рабочее колесо с лопатками 10 вентилятора 7, электродвигатель 9 обеспечивает создание разряжения воздуха в нагревателе 6, в связи с чем воздушный поток поступает из зоны с большим давлением вне корпуса 1 в зону с меньшим давлением через вход 2 корпуса 1. Далее воздушный поток, прошедший сквозь участки спирального элемента 17, нагревается и поступает в вентилятор 7 через конфузор 11, после прохождения которого становится более плотным. Под действием рабочего колеса с лопатками 10 вентилятора 7 воздушный поток изменяет направление своего движения на 90° и через выходное отверстие 12 вентилятора 7, сопряженное с выходом 3 в стенке корпуса 1 поступает далее через выходной патрубок 6 в воздуховоды 30 через соединительное колено 34 и их наклонные участки 33 в зонах верхних углов дверного проема. Затем через воздуховыпускные щели 32 в воздуховодах 30 под углом от 0 до 30°С к плоскости дверного проема происходит направленная подача струй воздуха. Расположение воздуховодов 30 симметрично слева и справа от дверного проема обеспечивает перекрытие проема воздушными потоками с обеих сторон, что придает завесе большую устойчивость и препятствует проникновению холодного воздуха в помещение вагона в зимнее время и защищает от пыли и горячего воздуха в летнее.
Воздушные фильтры в этом устройстве не требуются, поскольку воздух в него поступает непосредственно из вагона, уже прошедший через фильтры системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха вагона.
Пример
Предприятие - Заявитель апробирует ряд конструкций ВТЗ, в которых воплощены описанные выше конструктивные признаки. Спиральных нагревателей среди применяемых ранее в устройствах создания ВТЗ не было, поэтому все, что касается этой части заявляемого устройства выполнено для подобных изделий впервые и проходит все этапы НИОКР. Участки спиральных нагревательных элементов, длиной порядка 60 мм, выполнены из суперфехрали GSSY (проволока диаметром 0,8-1,0 мм, навитая на керн диаметром 8-10 мм). Плотность тока в спиральных нагревательных элементах примерно в 15 раз ниже, чем в трубчатых электронагревателях, используемых другими производителями климатического оборудования для электропоездов. В конкретном нагревателе установлено два ряда спиралей с использованием керамических изоляторов, размещенных на аксиально протяженных опорных пластинах. Детали внутреннего узла нагревателя заявляемого устройства изготавливаются из углеродистой конструктивной стали марки 20 с качеством поверхности группы Б. Внутри корпуса на внешней стороне обечайки (в наиболее нагретой области - на верхней ее части вблизи вентилятора) установлен термопредохранитель. Корпус каждого из источников воздуха с высоким избыточным давлением изготовлен из углеродистой стали по ГОСТ 16523-97.
Вертикально ориентированная и наклонная части каждого из воздуховодов выполнены из трубы обыкновенной, неоцинкованной по ГОСТ 3262-75.
За счет использования разработанного нагревателя устройство позволяет повысить экономичность его использования, а также долговечность за счет мгновенного отключения устройства в момент закрывания дверей и последующего его мгновенного включения только в момент открывания дверей.