УСТАНОВКА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА ПАССАЖИРСКОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА
PASSENGER RAILWAY CAR AIR CONDITIONER

Изобретение относится к оборудованию железнодорожного транспорта, обеспечивающему комфортные условия пассажиров в вагонах, в частности к установкам для кондиционирования воздуха.
Известны установки кондиционирования воздуха (УКВ), выполненные в виде моноблока, размещаемого в подкрышевом пространстве вагона, и представляющие собой автоматически регулируемые компрессионные холодильные машины [1].
Недостатком таких УКВ с компрессионными холодильными машинами является их высокое энергопотребление. Например, при номинальной холодопроизводительности 20÷28 кВт общее потребление энергии составляет 15÷20 кВт.
Этого недостатка лишены установки кондиционирования воздуха косвенно-испарительного типа, основанные на эффекте охлаждения воздуха в процессе его увлажнения [2]. Эти установки, размещаемые частично под вагоном, частично под его крышей, имеют гораздо меньшее энергопотребление, определяемое только используемым вентилятором для продува воздуха, и при холодопроизводительности в 20 кВт оно составляет 3-5 кВт. Недостатком таких установок кондиционирования воздуха является невозможность устойчивой работы с номинальной холодопроизводительностью в регионах с относительной влажностью наружного воздуха более 40%, характерной для большинства регионов Российской Федерации.,
Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту изобретения, принятым в качестве прототипа, является установка кондиционирования воздуха пассажирских вагонов, выполненная в виде единого автономного блока, размещаемого в подкрышевом пространстве железнодорожного вагона, и содержащая герметичный теплоизолированный корпус с окнами для входа и выхода воздуха, причем корпус разделен перегородкой на два отсека, в одном из которых установлены вентиляторы, холодильный компрессор и воздушные конденсаторы, а в другом - приточный вентилятор, клапаны наружного воздуха, электрический и водяной калориферы. В отсеке, где размещены холодильный компрессор и воздушные конденсаторы, установлен, по крайней мере, один осевой вентилятор, при этом в упомянутой перегородке, разделяющей теплоизолированный корпус на два отсека, на участках между окнами для входа наружного воздуха и конденсаторами выполнены окна для прохода наружного воздуха с установленными в них регулируемыми клапанами. Осевые вентиляторы выполнены с вентильными электродвигателями постоянного тока [3].
Основным недостатком данной установки является ее высокое энергопотребление, которое при высоких температурах наружного воздуха, в частности при температурах выше 35°С, составляет примерно 20 кВт при холодопроизводительности 28 кВт.
Целью настоящего изобретения является создание такой конструкции установки кондиционирования воздуха пассажирских вагонов, которая обеспечивала бы высокую экономичность рабочего процесса УКВ при всем требуемом и реально существующем в летний период диапазоне параметров наружного воздуха.
Поставленная цель достигается тем, что в заявляемой установке кондиционирования воздуха пассажирских вагонов, выполненной в виде единого автономного блока, размещаемого в подкрышевом пространстве железнодорожного вагона, содержащей теплоизолированный корпус с окнами для входа и выхода воздуха, разделенный перегородкой на два отсека с размещенным в них оборудованием холодильной машины, в первом из которых установлены компрессор, по крайней мере, два осевых вентилятора и конденсаторы, при этом в перегородке, на участках между окном для входа наружного воздуха и конденсаторами выполнены окна с установленными в них клапанами, а во втором отсеке установлен, по крайней мере, один приточный вентилятор, и симметрично относительно него расположены последовательно по направлению поступающего в установку воздуха клапаны наружного воздуха, воздушные фильтры, воздухоохладители, водяные калориферы и электрические калориферы, согласно изобретению, в отсеке УКВ, где размещены холодильный компрессор и воздушные конденсаторы, дополнительно перед конденсаторами по ходу движения воздуха установлены прямоточные устройства испарительного охлаждения воздуха, а в отсеке УКВ, где осуществляется обработка подаваемого в вагон воздуха, между окном для входа наружного воздуха и окном в перегородке размещен теплообменник рекуперативного типа, в днище корпуса установлены сборник конденсата и водяной насос.
Сущность изобретения поясняется описанием со ссылками на чертежи, где:
Фиг.1 - компоновочная схема реализации компрессионно-испарительной установки кондиционирования воздуха.
Фиг.2 - принципиальная пневмогидравлическая схема обработки воздуха в установке кондиционирования воздуха.
Установка кондиционирования воздуха пассажирских вагонов выполнена в виде единого автономного блока, размещаемого в подкрышевом пространстве железнодорожного вагона, содержащая теплоизолированный корпус 1 с окнами для входа и выхода воздуха, разделенный перегородкой 2 на два отсека с размещенным в них оборудованием холодильной машины. В первом отсеке установлены компрессор 3, по крайней мере, два осевых вентилятора 4, конденсаторы 5. При этом в перегородке 2 на участках до конденсаторов 5 выполнены окна с установленными в них клапанами 6. Во втором отсеке установлены приточные вентиляторы 7, а симметрично относительно их расположены последовательно по направлению поступающего в установку воздуха клапаны наружного воздуха 8, воздушные фильтры 9, воздухоохладители 10, водяные калориферы 11 и электрические калориферы 12. Согласно изобретению, в отсеке УКВ, где размещены холодильный компрессор и воздушные конденсаторы, дополнительно перед конденсаторами по ходу движения воздуха установлены прямоточные устройства испарительного охлаждения 13, а во втором отсеке до воздушных фильтров 9 установлены теплообменники рекуперативного типа 14, в днище корпуса выполнен сборник конденсата 15 с возможностью подпитки водой из системы водоснабжения через клапан 16 и водяной насос 17.
Возможны различные конструктивные решения прямоточных устройств испарительного охлаждения и теплообменников рекуперативного типа. Прямоточные устройства испарительного охлаждения 13 могут быть выполнены в виде гребенок с форсунками; кожуха, заполненного гигроскопичным материалом, орошаемого водой и т.д. Теплообменники рекуперативного типа 14 могут быть выполнены в виде пластинчатых или оребренных теплообменников с перекрестным либо противоточным движением воздуха: основного, подаваемого в вагон, и вспомогательного, прошедшего прямоточные устройства испарительного охлаждения 13. Прямоточные устройства испарительного охлаждения и теплообменники рекуперативного типа образуют первый контур охлаждения наружного воздуха.
Работа предлагаемой УКВ осуществляется в следующих режимах:
- охлаждение воздуха;
- вентиляция;
- подогрев воздуха (в режиме теплового насоса либо с помощью
электрического и/или водяного калориферов).
При работе в режиме охлаждения в установке задействованы холодильная машина и вентиляционное оборудование. Охлаждение воздуха осуществляется следующим образом. При включенной холодильной машине под действием разряжения, создаваемого приточным вентилятором 7, в установку кондиционирования воздуха через окна в стенке корпуса поступает рециркуляционный воздух из вагона и наружный воздух, расход которого может регулироваться с помощью клапанов наружного воздуха 8. Потоки рециркуляционного и наружного воздуха перемешиваются, проходят через воздушные фильтры 9, далее, охлаждаясь в воздухоохладителе 10, воздух нагнетается с помощью приточного вентилятора 7 внутрь вагона через окно для выхода обработанного приточного воздуха.
Отличием заявляемой УКВ является то, что наружный воздух до смешивания с рециркуляционным проходит через теплообменник рекуперативного типа 14 и предварительно охлаждается в нем, причем в теплообменник рекуперативного типа с помощью клапана 6 подается часть вспомогательного воздушного потока, ранее прошедшего прямоточное устройство испарительного охлаждения 13 и охлажденного в нем до температуры мокрого термометра. Другая часть этого охлажденного вспомогательного потока подается на конденсаторы 5 и увеличивает эффективность работы холодильной машины за счет снижения давления конденсации хладагента, снижая ее энергопотребление.
Работа УКВ в этом режиме наглядно иллюстрируется схемой на фиг.2. Вентилятор 4 забирает из среды воздушный поток и направляет его в прямоточное устройство испарительного охлаждения 13, где он увлажняется до насыщения и охлаждается до температуры "мокрого термометра". Затем с помощью клапана 6 делится на два потока. Один используется для охлаждения конденсатора 5 и выбрасывается в атмосферу, второй проходит через теплообменник рекуперативного типа 14 и также выбрасывается в атмосферу. При этом температура и давление конденсации холодильного агента будут уменьшаться, что приведет к снижению степени сжатия холодильного агента в компрессоре и снижению потребляемой мощности УКВ [4, 5]. Вентилятор 7 обеспечивает движение наружного воздуха через теплообменник рекуперативного типа 14 в противотоке или перекрестном потоке с охлажденным вспомогательным потоком, наружный воздух охлаждается, сохраняя исходное влагосодержание, и направляется для последующего охлаждения в испаритель 10 компрессионной холодильной машины, а затем и в кондиционируемый объект с требуемой температурой. Термодинамический анализ работы такой комбинированной компрессионно-испарительной УКВ показывает, что ее энергопотребление не превышает 7÷10 кВт, т.е. в сопоставимых условиях оказывается по энергопотреблению в два раза эффективнее чисто компрессионной. [4; 5]
н
н
н
н
в
x
х
x
Для дальнейшего анализа обратимся к конкретному примеру. Примем, что наружный воздух имеет температуру t=40°С, влагосодержание d=13,7 г/кг, относительную влажность φ=30% и удельную энтальпию i=75 кДж/кг. В купейных вагонах при выбранной температуре наружного воздуха комфортной температурой принято считать t=26°С. Чтобы се поддерживать, центральный кондиционер должен удалять из вагона тепловой поток мощностью до 8 кВт. Для этого кондиционер обязан непрерывно нагнетать в вагон свежий воздух, расход G которого будет зависеть от его температуры t. Примем, что температура на входе в вагон поддерживается равной t=12°С. При такой температуре воздух имеет плотность
3
х
x
в
в
в
ρ ≅ 1,2 кг/м, влагосодержание d=8 г/кг и удельную энтальпию i=31 кДж/кг. Удельная энтальпия воздуха в вагоне при температуре t=26°С и влагосодержании d=8 г/кг составляет i=50 кДж/кг, поэтому СКВ должна обеспечивать расход воздуха не менее
x
н
х
3
3
G ≅ 0,4 м/с = 1440 м/час. Следовательно, при относительной влажности наружного воздуха φ=30%, согласно i-d-диаграмме, типовой кондиционер обязан обеспечивать холодопроизводительность Q=21,2 кВт, потребляя электроэнергию не менее 15 кВт.
x
мт
н
т
т
Комбинированная СКВ обязана иметь ту же самую холодопроизводительность (Q=21,2 кВт). Однако часть ее будет генерировать рекуперативный теплообменник РТ. Согласно i-d-диаграмме, в РТ наружный воздух способен охладиться до температуры "мокрого термометра" t, которая в рассматриваемом случае близка к 25°С. Примем, что в испаритель кондиционера охлаждаемый воздух попадает с температурой 27°С, сохранив исходное влагосодержание d=13,7 г/кг, т.е. имея относительную влажность φ=63% и удельную энтальпию i=63 кДж/кг. Следовательно, искомая холодопроизводительность теплообменника РТ составляет
рт
0
х
рт
Q=5,8 кВт, а недостающую часть суммарной холодопроизводительности должен обеспечить компрессионный кондиционер. Имеем Q=(Q - Q)=15,4 кВт.
x
х
0
x
н
д
0
x
Чтобы оценить энергопотребление компрессионного кондиционера, следует знать его холодильный коэффициент k. Он, как показывает опыт, существенно зависит от температуры воздуха, охлаждающего конденсатор КД. Если принять, что для охлаждения конденсатора используется воздух с температурой 40°С (как в типовой компрессионной СКВ), то холодильный коэффициент близок к k ≅ 1,5. В этом случае кондиционер будет потреблять электроэнергию мощностью W=Q/k=10,2 кВт. Но физически это означает, что в комбинированной СКВ весь наружный воздух, охлаждаемый рекуперативным теплообменником, подается только в испаритель. Тогда как в рассматриваемой блок-схеме в конденсатор подается увлажненный воздух, имеющий температуру "мокрого термометра", т.е. с температурой 27°С, которая на 13 К ниже температуры наружного воздуха. Следовательно, даже при t=40°С холодильный коэффициент кондиционера за счет снижения температуры конденсата может достигать значений k ≅ 3. ПКХМ будет потреблять энергию мощностью W=Q/k=5,1 кВт, а суммарное энергопотребление комбинированной СКВ (с учетом дополнительной мощности вентилятора) не превысит 7 кВт.
Получен важный результат - комбинированная СКВ при равных внешних условиях (в примере, близком к предельным) оказалась практически в два раза экономичней типовой компрессионной СКВ.
При работе в режиме вентиляции холодильная машина, водяные калориферы 11, электрические калориферы 12, прямоточные устройства испарительного охлаждения 13 и вентиляторы 4 выключены и задействованы только приточные вентиляторы 7, клапаны наружного воздуха 8, обеспечивающие воздухообмен в вагоне.
При работе в режиме нагревания воздуха могут быть задействованы водяные калориферы 11 и электрические калориферы 12. Регулируемый воздухообмен обеспечивается с помощью клапанов наружного воздуха 8. Воздух нагнетается внутрь вагона с помощью приточного вентилятора 7, как было описано выше.
В режиме теплового насоса установка обеспечивает нагрев приточного воздуха при работе холодильной машины. Потоки холодильного агента при этом реверсируются, и в воздухоохладители 10 подастся горячий пар. Воздух, проходящий через воздухоохладитель, нагревается за счет отвода теплоты от конденсирующихся паров холодильного агента.
Источники информации
1. Системы вентиляции и установки кондиционирования воздуха. Вагоны. / Под ред. Л.Д.Кузьмина. - М. Машиностроение, 1978.
2. Маркман М.Д., Назарцев А.А. / Особенности разработки и оснащения КСКВ пассажирских вагонов повышенной комфортности. / Системы вентиляции, кондиционирования и отопления в пассажирских вагонах. Сборник докладов научно-практического семинара. Под ред. проф. С.Е.Буравого.:
СПбГУНиПТ, ЗАО «БТКиО», ООО «БСК». - СПб. 2001 г.
3. Патент №RU 2223880 C1. Установка кондиционирования воздуха пассажирского железнодорожного вагона. / Емельянов А.Л., Гаранов С.А.
4. Курылев Е.С., Герасимов Н.А. Холодильные установки:
Учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности «Холодильные и компрессорные машины и установки». - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1980. - 662 с., ил.
5. Холодильные машины: Учебник для студентов втузов специальности «Техника и физика низких температур». / А.В.Бараненко, Н.Н.Бухарин, В.И.Пекарев, Л.С.Тимофеевский; Под общ. ред. Л.С.Тимофеевского. - СПб.: Политехника, 2006. - 944 с.: ил.