СИСТЕМА ТЕПЛООБЕСПЕЧЕНИЯ ВАГОНА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО
RAILWAY CAR HEAT SUPPLY SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к системам теплообеспечения транспортных средств, в частности вагонов железнодорожных, в том числе: пассажирских, товарных, цистерн железнодорожных и других вагонов.
Известна электрическая система водяного отопления вагона железнодорожного пассажирского, состоящая из электронагревательных приборов [1]. Однако эта система отопления требует больших затрат электроэнергии, порядка 40 кВт, и может использоваться только на электрифицированных участках железных дорог, получая электроэнергию от контактной сети через электровоз или от специального вагона-электростанции. Эту систему невозможно использовать в составе поездов с другими источниками энергии.
Известна система комбинированного, электроугольного отопления вагонов [2], содержащая водогрейный котел с установленным 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 и ручной насосы. 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 совмещения электрического отопления с угольным котлом - общая система подогрева воды, единая с конструкцией угольного котла, имеющего 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 фактического кпд, экологически не безопасен в принципе и дискомфортен для пассажиров в случае проникновения газовых продуктов горения угля в вагон. Он требует постоянно работающей в масштабе РАО РЖД инфраструктуры по обеспечению пассажирских вагонов запасом угля, а также утилизации продуктов сгорания угля.
Наиболее близкой из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранная в качестве прототипа система отопления вагона железнодорожного пассажирского [3], содержащая замкнутый контур отопления с теплогенератором, подключенным к входу водяным насосом, а к выходу - радиаторами водяного отопления, а также систему электропитания и автоматического управления.
Однако для функционирования такой системы требуется высоковольтный подвагонный электрогенератор, обеспечивающий энергией двигатель электронасоса, и такая система критична к нестабильности электропитания, что приводит к снижению эффективности преобразования энергии в теплогенераторе и надежности функционирования отопления вагона.
Другим, более существенным недостатком рассматриваемой системы отопления является крайне низкая эффективность самого генератора тепловой энергии, то есть теплогенератора и, как следствие, низкая эффективность всей системы отопления вагона железнодорожного.
Эффективность прямого преобразования кинетической энергии жидкости в тепловую в данной конструкции теплогенератора очень мала и повысить ее не представляется возможным даже при значительном увеличении мощности электронасоса, подающего скоростной поток жидкости на вход теплогенератора. Теплогенератор такой конструкции относятся к теплогенераторам эжекторного типа. Тепловая эффективность его не более 23-26%, поэтому практического применения он не находит, в отличие от теплогенераторов вихревого типа, с колесом центробежным для ускорения потока жидкости, обладающих более высокой интенсивностью и эффективностью преобразования энергии жидкости с тепловым кпд порядка 93-95%. Рассматривая физику процесса в теплогенераторе через универсальное дифференциальное уравнение динамики жидкости - уравнение обращения воздействия, следует отметить, что ускорение потока несжимаемой жидкости, коей условно в таких конструкциях является вода, эффективнее реализовывать не через воздействие геометрией канала, в частности эжектором и диффузором, как это выполнено в теплогенераторе системы отопления - прототипа, а через внешнее силовое воздействие, в частности через воздействие на жидкость центробежных сил посредством колеса центробежного, имеющее место в теплогенераторах вихревого типа.
И еще, если для теплогенератора эжекторного типа принципиально необходим электронасос, постоянный шумовой фон от которого является также негативным фактором системы отопления-прототипа, то для теплогенератора вихревого типа такого электронасоса не требуется вообще, ему нужен привод только для вращения вала колеса центробежного, соизмеримый по мощности, но не по шумности, с электродвигателем электронасоса теплогенератора эжекторного типа. При этом теплогенератор вихревого типа сам обладает свойствами собственно насоса, причем одновременно, как всасывающего - на входе в него, так и напорного - на выходе из него, что позволяет исключить из системы теплоснабжения циркуляционный насос.
Основными недостатками данной системы отопления вагона являются:
1. Необходимость наличия мощного источника электроэнергии, в частности, в виде высоковольтного подвагонного электрогенератора.
2. Критичность электронасоса теплогенератора к нестабильности источника электроэнергии и шумность его работы.
3. Низкая эффективность теплогенератора эжекторного типа.
Технический результат от использования предложенной системы теплообеспечения вагона железнодорожного заключается в повышении энергетической и экономической эффективности, а также в повышении безопасности и технической надежности системы теплообеспечения вагона железнодорожного за счет более интенсивной и эффективной работы теплогенератора вихревого типа, используемого в предложенной системе теплообеспечения, снижения энергозатрат на теплообеспечение вагона, а также за счет исключения из системы теплообеспечения дорогостоящих и потенциально опасных для человека элементов:
- высоковольтного подвагонного электрогенератора для обеспечения энергией двигателя электронасоса,
- электронасоса подачи жидкости в теплогенератор,
- высоковольтной линии передачи электроэнергии от подвагонного электрогенератора к электронасосу,
а также байпасного трубопровода с эжектором низкого давления и блока управления электрогенератором и двигателем электронасоса.
Указанный технический результат достигается тем, что система теплообеспечения вагона железнодорожного, содержащая замкнутый контур отопления с теплогенератором, трубопроводом и радиаторами отопления, а также систему автоматического управления, и систему электропитания системы автоматического управления выполнена с теплогенератором вихревого типа, содержащим известное колесо центробежное [4]. При этом теплогенератор выполнен в виде полого цилиндра с входным патрубком и выходными патрубками, расположенным ниже уровня замкнутого контура теплообеспечения, в частности под днищем вагона, с возможностью механического привода вала колеса центробежного, в частности с помощью муфты, или шкива, или вала карданного, от оси колесной пары вагона, и также с возможностью электромеханического привода вала колеса центробежного, с помощью электродвигателя, а выход из теплогенератора выполнен в виде двух тангенциально расположенных навстречу друг другу патрубков с электромагнитными клапанами, подключенных к трубопроводу контура теплообеспечения.
На Фиг.1 представлена принципиальная схема заявленной системы теплообеспечения вагона железнодорожного, а на Фиг.2 изображен теплогенератор вихревого типа системы теплообеспечения, где:
1 - теплогенератор вихревого типа;
2 - трубопровод контура теплообеспечения;;
3 - радиаторы жидкостного отопления;
4 - расширительный резервуар для жидкости;
5 - вал теплогенератора;
6, 7 - электромагнитные муфты вала теплогенератора;
8 - вал карданный;
9 - редуктор оси колесной пары вагона;
10 - входной патрубок теплогенератора;
11 - электромагнитный клапан входного патрубка;
12, 13 - выходные патрубки теплогенератора;
14, 15 - электромагнитные клапаны выходных патрубков.
Система теплообеспечения вагона железнодорожного содержит замкнутый контур отопления, в котором размещены теплогенератор 1 вихревого типа, трубопровод 2 с радиаторами 3 жидкостного отопления, расширительный резервуар 4 для жидкости, а также систему автоматического управления и систему электропитания системы автоматического управления, которые на чертежах показаны неполно.
Теплогенератор 1 вихревого типа закреплен жестко под днищем вагона и имеет полый корпус, выполненный в виде тела вращения с размещенным внутри него колесом центробежным, имеющим вал 5, проходящий через весь корпус, выступающий с обеих его сторон и имеющий на концах электромагнитные муфты 6 и 7. При этом один конец вала 5 с помощью электромагнитной муфты 6 и вала карданного 8 соединен с редуктором 9 оси колесной пары вагона, а другой конец вала 5 с помощью электромагнитной муфты 7 может быть соединен с валом резервного электродвигателя. При этом также в корпусе теплогенератора 1 выполнены входной патрубок 10 с электромагнитным клапаном 11 и тангенциально расположенные навстречу друг другу два выходных патрубка 12 и 13 с электромагнитными клапанами 14 и 15 соответственно, соединенные с трубопроводном 2 контура отопления.
Система теплообеспечения вагона железнодорожного работает следующим образом.
С началом движения вагона электромагнитная муфта 7, соединяющая вал 5 теплогенератора 1 с резервным электродвигателем отключается системой автоматического управления системы теплообеспечения, а электромагнитная муфта 6 включается. При этом вращение вала 5 с колесом центробежным осуществляется только механическим способом, через электромагнитную муфту 6, вал карданный 8, редуктор 9 с помощью вращающейся оси колесной пары вагона.
С началом вращения вала 5 системой автоматического управления подается команда на открытие электромагнитного клапана 11 входного патрубка 10 и жидкость из расширительного резервуара 4 по трубопроводу 2 под действием статического давления столба жидкости и всасывающим действием вращающегося колеса центробежного начинает поступать через входной патрубок 10 в полый корпус теплогенератора 1, попадая в колесо центробежное. С помощью колеса центробежного в теплогенераторе 1 происходит прямое преобразование кинетической энергии жидкости в ее тепловую энергию с высокой эффективностью 93-97%, в зависимости от скорости вращения колеса центробежного. Напорные характеристики колеса центробежного обеспечивают выход подогретой жидкости из теплогенератора 1 и ее циркуляцию по всему замкнутому контуру отопления вагона. При этом подогретая в теплогенераторе 1 жидкость поступает в трубопровод 2 в зависимости от направления вращения колеса центробежного или через выходной патрубок 12 с открытым электромагнитным клапаном 14, тогда электромагнитный клапан 15 закрыт, или через выходной патрубок 13 с открытым электромагнитным клапаном 15, тогда электромагнитный клапан 14 закрыт.
Циркулируя по замкнутому контуру отопления, жидкость нагревается до требуемой температуры, после чего электромагнитная муфта 6 отключается автоматической системой управления, и работа теплогенератора 1 прекращается до следующего момента включения электромагнитной муфты 6 по информации датчиков температуры жидкости в системе теплообеспечения вагона.
При продолжительной стоянке вагона электромагнитная муфта 6 может быть отключена системой автоматического управления системы теплообеспечения, а электромагнитная муфта 7 включена. Тогда резервный электродвигатель, получая необходимую электроэнергию, в частности от электровоза, или от дизельгенератора тепловоза, или вагона электростанции, или от наземного, или другого иного источника электропитания может обеспечить вращение вала 5 с колесом центробежным, заменяя собой механический привод от оси колесной пары вагона. При этом система автоматического управления системой теплообеспечения подает команду, в зависимости от направления вращения колеса центробежного, на закрытие одного из электромагнитных клапанов 14 или 15 выходных патрубков 12 и 13 соответственно.
В этом случае система теплообеспечения вагона покоящегося может работать аналогично, как и при движении вагона.
В случае движения вагона тихим ходом система автоматического управления выбирает вариант привода вала теплогенератора: или от оси колесной пары вагона, или от резервного электродвигателя, или совместный привод - от оси колесной пары вагона и от резервного электродвигателя одновременно.
Рабочие характеристики известного колеса центробежного [4] позволяют теплогенератору вихревого типа с приводом вращения его вала и колеса центробежного от оси колесной пары вагона железнодорожного достаточно эффективно осуществлять подогрев жидкости в системе теплообеспечения вагона железнодорожного при скорости вращения вала и колеса центробежного 750 об/мин и меньше, при этом минимальная скорость движения вагона может составлять порядка 20-30 км/час.
В предлагаемой системе теплообеспечения вагона железнодорожного принципиально исключены: высоковольтный подвагонный электрогенератор, обеспечивающий электроэнергией электродвигатель электронасоса, электронасос подачи жидкости в теплогенератор и байпасный трубопровод с установленным в нем эжектором низкого давления из-за наличия достаточного гидростатического давления в данной системе теплообеспечения, а также исключен электродвигатель для привода вала теплогенератора из-за наличия в данной системе теплообеспечения механического привода вала теплогенератора, осуществляемого, в частности, с помощью муфты, или вала карданного, или шкива от колесной пары вагона железнодорожного. Электродвигатель для вращения вала колеса центробежного теплогенератора упоминается в данном описании и представлен в графических материалах исключительно как резервный вариант и к предложенной системе теплообеспечения вагона железнодорожного он не относится.
Подача жидкости в теплогенератор осуществляется частично за счет статического давления жидкости замкнутого контура системы теплообеспечения, так как теплогенератор размещается под днищем вагона и находится ниже уровня всего замкнутого контура системы теплообеспечения вагона, а также частично и колесом центробежным теплогенератора, работающим по принципу всасывающего насоса на входе в теплогенератор, а на выходе из него по принципу центробежного насоса, обеспечивая в замкнутом контуре системы теплообеспечения требуемые напорные характеристики для циркуляции жидкости.
Работа теплогенератора не критична к колебаниям скорости вращения оси колесной пары вагона в широком диапазоне частот, что позволяет обеспечивать вагон тепловой энергией без использования силовой электроэнергии, в частности от высоковольтного подвагонного электрогенератора, на протяжении всего пути движения вагона. В качестве теплоносителя системы теплообеспечения вагона железнодорожного может быть использована вода, а также другая разрешенная к применению в системах теплообеспечения жидкость, в частности тосол, антифриз, и другие.
Применение предложенной системы теплообеспечения позволяет существенно, в разы, повысить интенсивность и эффективность системы отопления вагона железнодорожного при снижении энергозатрат, повысить экономическую эффективность, техническую надежность и безопасность ее эксплуатации и обслуживания, а также уменьшить производственные площади системы теплообеспечения вагона.
Источники информации
1. Патент РФ RU №2221935, кл. F04F 5/54, опубл. 27.03.2002 г.)
2. «Вагоны: проектирование, устройство и методы испытаний». - М.: Машиностроение, 1978, с 267, 268./ Под ред. Л.Д.Кузьмича.
3. Патент РФ RU №2233757, кл. В61D 27/00, опубл. 10.08.2004. - ПРОТОТИП.
4. Заявка РФ RU №2006142667 А1, кл. F24J 3/00, опубл. 27.05.2008.