Совершенствование функционирования систем отопления пассажирских вагонов

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ТРАНСПОРТУ

УДК 629.4.048.7

Э. В. Белошицкий, С. С. Мямлин

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ

Дата поступления: 16.11.2017 Решение о публикации: 16.03.2018

Аннотация

Цель: Разработать технические решения по повышению эффективности функционирования отопительных установок пассажирских вагонов путем обеспечения равномерной теплоотдачи обогревательных труб в направлении циркуляции теплоносителя. Методы: Применялись методы анализа и синтеза, а также метод численного эксперимента для проведения математического моделирования эксперимента долевого участия конвективного и лучистого теплообмена на поверхности отопительных труб. Результаты: Проведен анализ технической возможности повышения эффективности функционирования отопительных систем пассажирских вагонов и предложены технические решения по повышению теплоотдачи нагревательных элементов водяной системы отопления пассажирских вагонов локомотивной тяги. Научно-техническая задача по обеспечению равномерной теплоотдачи обогревательных труб предлагается к решению наряду с другими мероприятиями путем нанесения специальных покрытий с разной степенью черноты на отдельные участки трубопровода. Разработана оригинальная методика нанесения специальных покрытий на трубные участки системы водяного отопления красками с различной степенью черноты, предложен порядок подбора свойств специальных покрытий для использования при модернизации систем водяного отопления пассажирских вагонов. Практическая значимость: Рассмотренная методика подбора требуемой степени черноты специального покрытия для нанесения на участки обогревательных труб системы отопления по сравнению с использованием труб системы отопления с переменным шагом ребер не только существенно упрощает конструкцию отопительной установки пассажирского вагона, но и повышает ее эффективность. Результаты исследований можно применять не только при постройке новых вагонов, но и при модернизации отопительных установок в пассажирских вагонах эксплуатационного парка в условиях вагоноремонтных депо.

Ключевые слова: Пассажирский вагон, система отопления, лучистый теплообмен, равномерная теплоотдача, степень черноты.

Eduard V. Beloshitskiy, design-engineer, e.beloshickiy@gmail.com; *Sergey S. Myamlyn, research engineer, sergeymyamlin91@gmail.com ("Planning and design production engineering office" Dnepropetrovsk National University of Railway Transport in the name of academician V. Lazaryan) THE IMPROVEMENT OF HEATING SYSTEMS OPERATION IN PASSENGER CARS

Summary

Objective: To develop engineering solutions on efficiency improvement of heating installations in passenger cars by providing even heat transfer of heating pipes in the direction of coolant circulation. Мethods: The methods of analysis and synthesis were applied, as well as the method of numerical study for mathematical modeling conduct of the experiment of convective and radiant heat transfer equity participation at the surface of heating pipes. Results: Technical feasibility analysis of efficiency improvement of heating systems operation in passenger cars was performed and engineering solutions on heat transfer improvement of water heating system elements in passenger cars of locomotive traction were suggested. A research and engineering task on providing uniform heat transfer of heating pipes was suggested to be solved alongside with other measures by means of applying specialized coating with differing emissivity factor on separate pipe sections. A know-how application of specialized coating on pipe sections of the water heating system by means of paints with differing emissivity factor was developed. The procedure of selecting properties of specialized coatings for the purpose of water heating systems modernization in passenger cars was suggested. Practical importance: The suggested procedure of selecting the required emissivity factor of specialized coating for application on pipe sections of the heating system compared to the use of heating pipes with varied fin pitch not only considerably simplifies the heating installation design in a passenger car, but also improves its efficiency. The research results may be used not only in construction of the new cars but also the improvement of heating installations in passenger cars of the maintenance pool in conditions of car-repair depots.

Keywords: Passenger car, heating system, radiant heat exchange, uniform heat transfer, emissivity factor.

Введение

Как известно, на большинстве выпускаемых и эксплуатируемых пассажирских вагонов в качестве основной используется водяная система отопления. Наиболее распространенным ее типом является система с верхней разводкой труб, рассчитанная на естественную циркуляцию воды. Нагретая вода из расширителя поступает в контур отопительных труб, калорифера, бойлера, из которых возвращается в котел, передав определенное количество тепла в вагон. Главное достоинство такой отопительной системы - ее высокая надежность и простота эксплуатации.

Следует отметить, что системы с естественным циркулированием теплоносителя относятся к саморегулирующимся. Чем больше нагрета в котле вода и чем быстрее она охлаждается в разводящих трубах и стояках, тем выше скорость циркуляции. Этот процесс будет замедляться по мере прогревания вагона. Однако, если температура в помещении

начнет снижаться, к примеру, из-за резкого похолодания, интенсивность циркуляции повысится и внутренняя температура будет расти.

В отопительный период в вагоне должна поддерживаться постоянная температура 22 ± 2 °С, перепад температур может составлять не более 3 °С [1]. Вместе с тем в вагонах с отопительной установкой, имеющей верхнюю разводку труб, наблюдается значительная неравномерность теплового режима в вагоне. По результатам натурного исследования температурного режима в поездах в зимний период [2] обнаруживался перепад температур до 8 °С, что свидетельствует о недостаточной скорости циркуляции воды в системе отопления, которая влечет неравномерную теплоотдачу отопительных труб.

Рассмотрим существующие способы обеспечения равномерного прогрева помещений вагона. На рис. 1 показаны схемы отопительных систем с равномерной теплоотдачей и соответствующие им графики температур

О I 2 3 4 5 б 7 8 9 10 И 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Дм

Рис. 1. Схемы отопительных систем вагонов с равномерной теплоотдачей нагревательных труб: а - принудительная циркуляция воды; б - естественная циркуляция воды с нижней разводкой и калорифером; в - нагревательные трубы с переменным шагом ребер

воды и теплоотдачи обогревательных труб систем.

Применение принудительной циркуляции воды в трубах (рис. 1, а) устраняет этот недостаток, но стоит отметить, что требует постоянного использования электрического циркуляционного насоса, снижая надежность такого метода.

В отопительных установках с нижней разводкой труб (рис. 1, б) данный недостаток отсутствует, из графика видно, что средняя температура воды по двум трубам на всех участках будет одинаковая, следовательно, и теплоотдача равномерна по всей длине отопительных труб. Данные системы не получили широкого распространения, так как вагоны с ними прогреваются медленно из-за низкой скорости естественной циркуляции воды.

Вопрос обеспечения равномерности прогрева помещений по длине вагона (рис. 1, в) рассмотрен в теплотехническом расчете оре-брения отопительных труб [3], в котором показано, что для получения одинаковой температуры воздуха вдоль вагона должны обе-

спечиваться одинаковые теплопоступления от каждого элемента трубы, а это возможно при изменяющемся коэффициенте оребрения трубы вдоль вагона. Изготовить трубу с непрерывно изменяющимся коэффициентом оребрения технологически сложно, потому предлагается использовать модули с одинаковым коэффициентом оребрения, количество которых на участке определяется необходимой теплоотдачей. Методы повышения эффективности функционирования систем отопления пассажирских вагонов описаны в работах [4, 5], где рассматривались вопросы повышения теплоотдачи нагревательных труб. Вопросы модернизации отопительных установок в пассажирских вагонах эксплуатационного парка при проведении капитальных ремонтов исследованы в работах [6-9].

Исходя из вышеизложенного, следует, что наряду со сравнительно большими объемами исследований по совершенствованию конструкции отопительных установок пассажирских вагонов задачи обеспечения равномерного прогрева пассажирских помещений

практически не рассматриваются и требуют более эффективного решения. Поэтому работы, связанные с повышением эффективности функционирования отопительных установок для пассажирских вагонов, представляют из себя актуальную научно-прикладную задачу.

Целью статьи является разработка технических решений по обеспечению равномерной теплоотдачи нагревательных труб в направлении циркуляции теплоносителя для повышения эффективности функционирования отопительных установок пассажирских вагонов. Для ее достижения необходимо решить следующие задачи:

1) провести анализ конвективно-лучистого теплообмена на поверхности отопительных труб;

2) разработать методику нанесения покрытия на трубные участки красками с разной степенью черноты;

3) оценить эффективность теплоотдачи отопительных труб, покрашенных разными красками.

Рассмотрим более подробно решение поставленных задач.

Конвективно-лучистый теплообмен на поверхности отопительных труб

На поверхности отопительных труб происходят конвективный теплообмен с внутренним воздухом и лучистый теплообмен с поверхностями стен и внутреннего оборудования вагона. Интенсивность такого теплообмена оценивается коэффициентом теплоотдачи а [10]

а = а + а ,

к л7

где ал, ак - коэффициенты теплоотдачи излучением и конвекцией, Вт/(м 2К).

Для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией используются зависимости критерия Нуссельта N4 от критериев Грисгофа Ог и Прандтля Рг:

Определив N4, находят конвективный коэффициент теплоотдачи

«к =

NuX

здесь X - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(мК); й - определяющий размер, в данном случае диаметр трубы, м.

Коэффициенты с и п, а также произведения Ог и Рг в формуле (1) определяются по данным таблицы, приведенной в [10].

Для разных тел коэффициент излучения различен [11]. Его значение обусловливается природой тела, состоянием его поверхности и температурой. Этот закон устанавливает зависимость плотности Е0 потока интегрального излучения тела от его температуры. Для абсолютно черного тела

где о0 - постоянная Стефана-Больцмана, о0 = 5,6710-8 Вт/(м 2К 4).

В технических расчетах этот закон применяется в более удобной форме:

Ео = co

T Y

100 )

в которой с0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный

с0 = о0 • 10-8 = 5,67 Вт/(м 2К 4).

Следовательно, энергия излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры.

Такой закон может быть использован и к реальным телам. Тогда он принимает вид

Е = c

t y

доо )

Nu = с (Gr Pr)n.

здесь с - коэффициент излучения различных тел. Он меняется от 0 до 5,67.

Сопоставляя плотность потока собственного излучения тела с плотностью потока излуче-

ния абсолютно черного тела при той же температуре, получают другую характеристику тела, которая называется степенью черноты в:

- Е -Е0 С0

Значение в меняется от 0 до 1, что удобно. В данном случае для реального тела имеем

-E — SeEq — sc°

т V

100 )

Поток лучистого теплообмена между двумя серыми поверхностями в замкнутом пространстве, когда одна из поверхностей площадью Р2 обтекает другую площадью определяется по формуле

Q — ^nC0 F1

где выражение

'Г 100

100

s„ —-

1 F

^2 F1

-1

V£i

Чл — ^nc0

100

100

Принимая во внимание, что удельный тепловой поток конвекцией определяется по формуле

а = а (I - I ),

1 к к 4 тр п7

где ¿тр - температура труб, ¿п - температура воздуха, а суммарный поток тепла а конвекцией и излучением равен

Ч = Чк + Я*

учитывая выражение (3), для расчета коэффициента теплопередачи излучением получают

а л — 0, °4snCo

100

называется приведенной степенью черноты тела.

Относительно нагревательных труб отопления Р2 - поверхность окружающего объекта (т. е. поверхность стен и внутреннего оборудования вагона), р - поверхность нагревательных труб.

Если рассматривать формулу (2) применительно к теплообмену на единице поверхности тепловоспринимающей стенки, удельный тепловой поток излучения составит

В формуле (4) Тт = 0,5- (Т1+Т2) - средняя температура тел, обменивающихся лучистым теплом.

Применительно к теплообмену между отопительными трубами и воздухом в вагоне индекс 1 относится к поверхности труб, индекс 2 - к окружающему трубу внутреннему оборудованию вагона.

Методика расчета равномерной теплоотдачи по длине труб

Вначале рассмотрим порядок подбора краски для окрашивания отдельных участков трубы для равномерной теплоотдачи.

Цвет краски определяется методом подбора степени черноты для каждого участка трубы. Для этого необходимо выполнить расчет общего теплопоступления от нагревательных труб отопления, окрашенных краской с единой степенью черноты, т. е. серой краской, по формуле

бх = ар (¿в - а

где Р - расчетная поверхность отопительных труб, м2; I и I - температуры соответственно воды в трубах и воздуха в вагоне, °С.

Для дальнейшего расчета следует рассчитать среднюю мощность а одного участка длиной 1 м:

а - !

1

Полученное значение q будет использоваться как шаблонное в дальнейших расчетах. Вычислим требуемый коэффициент теплоотдачи анг для первого участка трубы по формуле

q

а„ =

F (t вх +1' вых ) • 0,5 - tB'

в которой ¿гвх, ? - температура воды на входе и выходе г-го участка, °С; температура теплоносителя в различных точках вдоль трубы:

¿вых = ¿и + (¿вх - ¿и )е~а!'; - пл°щаць г-го участка, м 2.

Значение коэффициента теплоотдачи конвекцией акг данного участка трубы находим по формуле (1). Нужную степень черноты 8 г для данного участка можно получить следующим образом:

s„ =

«и -«к

01 100

Краску подбирают со степенью черноты, близкой к значению еП [11, табл. 19] для данного участка нагревательной трубы. Производим расчет для всех последующих участков, для ветви нагревательных труб купейной стороны пассажирского вагона открытого типа модели 61-826 постройки Тверского вагоностроительного завода.

Исходные данные для расчета:

- трубы оребреные стальные сдвоенные, длина одной трубы ! = 22 м;

- диаметр наружный Б = 0,076 м;

- диаметр внутренний й = 0,07 м;

- коэффициент оребрения Кр = 2,9;

- площадь трубы ^ = 30,4 м 2;

- температура воды на входе в трубу ¿вх = = 75 °С;

- скорость естественной циркуляции w = = 0,025 м/с;

- коэффициент теплоотдачи трубы ан = = 10,8 Вт/(мК);

- температура воздуха в вагоне ¿п = 22 °С.

Результаты расчетов нагревательной трубы

с равномерной теплоотдачей иллюстрирует рис. 2.

Первый участок длиной 4 м покрашен алюминиевой краской, второй длиной 7 м - бронзовой краской, третий длиной 7 м - белым лаком, четвертый длиной 4 м - черным матовым лаком.

Как следует из рис. 2, б, для трубы с одинаковой степенью черноты мощность участков снижается в направлении циркуляции пропорционально понижению температуры воды (рис. 2, а). Для трубы, окрашенной красками с разной степенью черноты (рис. 2, в), при понижении температуры воды (см. рис. 2, а) на всех участках нагревательной трубы обеспечивается равномерная теплоотдача, мощность колеблется в пределах 40 Вт от шаблонного значения q. Следовательно, изменения степени черноты путем покраски отдельных участков нагревательных труб разными красками позволяет равномерно распределить теплоотдачу нагревательных труб отопления по длине вагона.

Для наглядности график разделен на равные участки длиной 5,5 м и указана средняя мощность каждого участка. Как видно из рис. 2, для трубы с одинаковой степенью черноты мощность значения первого участка больше на 1190 Вт, чем последнего, для труб с разной степенью черноты мощность средних значений между участками не превышает 190 Вт.

Заключение

В работе рассмотрена научно-прикладная задача по усовершенствованию систем отопления пассажирских вагонов с целью повышения их эффективности. Установлено, что в настоящее время для обеспечения равномерной теплоотдачи применяются три способа: принудительная циркуляция воды в трубах; использование систем с нижней разводкой отопительных труб и включение отопительного контура калорифера; применение нагревательных труб с переменным шагом ребер.

Предложено техническое решение по обеспечению равномерной теплоотдачи отопительных труб путем нанесения специальных покрытий на отдельные участки красками с

Рис. 2. Результаты расчетов нагревательных труб: а - изменения температуры теплоносителя; б, в - теплоотдача нагревательных труб, покрашенных краской: б - с одинаковой степенью черноты в = 0,9, в - с разной степенью черноты

разной степенью черноты. Разработана методика нанесения специальных покрытий трубных участков красками с различной степенью черноты, определен порядок подбора таких покрытий.

По сравнению с использованием труб системы отопления с переменным шагом ребер применение отопительных труб с нанесенным специальным покрытием, имеющим разную степень черноты, не только существенно упрощает конструкцию отопительной установки пассажирского вагона, но и повышает ее эффективность. Результаты исследований можно использовать не только при постройке новых вагонов, но и при модернизации отопительных установок в пассажирских вагонах эксплуатационного парка в условиях вагоноремонтных депо.

Библиографический список

1. Санитарные правила устройства, оборудования и эксплуатации пассажирских вагонов даль-

него следования. ЦУВС-19. - М.: МПС СССР, 1984. - 31 с.

2. Кудрин М. Ю. Способы повышения эффективности функционирования систем отопления и вентиляции пассажирских вагонов : дис. ... канд. техн. наук, специальность: подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация: 05.22.07 / М. Ю. Кудрин. - СПб. : ПГУПС, 2006. -114 с.

3. Теплотехнический расчет оребрения отопительных труб пассажирских вагонов 47 к/к и 47 д/к с использованием металлических съемных радиаторов конструкции завода им. Егорова. - СПб. : КВСЗ, 1995. - 12 с.

4. Жариков В. А. Климатические системы пассажирских вагонов / В. А. Жариков. - М. : Хрансинфо, 2006. - 135 с.

5. Китаев Б. Н. Повышение эффективности теп-лообменных процессов в пассажирских вагонах / Б. Н. Китаев, В. А. Жариков. - М. : Транспорт, 1995. -53 с.

6. Кукса Ю. Я. Перспективы модернизации пассажирских вагонов при проведении капитально-восстановительного ремонта / Ю. Я. Кукса, П. М. Му-стафа, И. Ю. Хоменко // Железнодорожный транспорт Украины. - 2010. - № 2. - С. 28-30.

7. Хоменко I. Ю. Удосконалення систем енерге-тичного та холодильного обладнання пасажирсь-ких вагонш при каттальних ремонтах : дис. ... канд. техн. наук, специальность : рухомий склад зал1зниць та тяга по1здш : 05.22.07 / I. Ю. Хоменко. - Дншропетровськ : Нацюнальний унiверситет зал1зного транспорту 1м. акад. В. Лазаряна, 2014. -125 с.

8. Приходько В. И. Научные основы создания пассажирских вагонов для скоростных перевозок : монография / В. И. Приходько, С. В. Мям-лин. - Днепропетровск : Изд-во Маковецкий, 2011. -355 с.

9. Хоменко I. Ю. Розробка розрахунково! тривимрно! модел1 пасажирського вагона для до-слщження нестацюнарних теплових процесш / I. Ю. Хоменко // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта (23.05-24.05.2013) : тез. 73-й Междунар. науч.-практич. конференции. -Днепропетровск : ДНУЖТ, 2013. - С. 75-77.

10. Михеев М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. - М. : Энергия, 1977. - 344 с.

11. Зигель Р. Теплообмен излучением / Р. Зигель, Дж. Хауэл ; пер. с англ. ; под ред. Б. А. Хрусталева. -М. : Мир, 1975. - 935 с.

References

1. Sanitarniye pravila ustroistva, oborudovaniya i ekspluatatsii passazhyrskykh vagonov dalnego sledo-vaniya. TsUVS-19 [Sanitary regulations on the structure, equipment and maintenance of long-distance passenger cars. TsUVS-19

2. Kudrin M. Y. Sposoby povysheniya effektivnosty funktsionirovaniya system otopleniya i ventilyatsii pas-

sazhirskykh vagonov [The ways of efficiency improvement of heating and ventilation systems of passenger cars]: diss. .. .Cand. Eng., railway rolling stock, hauling operations and electrification: 05.22.07. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2006, 114 p.

3. Teplotekhnicheskiy raschet orebreniya otopitel-nykh trub passazhirskykh vagonov 47 k/k i 47 d/k s ispolzovaniyem metallycheskykh syemnykh radiatorov konstruktsii zavoda im. Yegorova [Thermal design of finning of heating pipes for 47 k/k and 47 d/k passenger cars using metal adjustable radiators designed at the industrial plant named after Egorov]. Saint Petersburg, Kryukovsky Railway Car Building Works, 1995, 12 p.

4. Zharikov V. A. Klimatycheskiye ystemy passazhyrskykh vagonov [Climate systems of passanger cars]. Moscow, Transinfo Publ., 2006, 135 p.

5. Kitayev B. N. & Zharykov V. A. Povysheniye effektyvnosty teploobmennykh protsessov v passazhyrskykh vagonakh [Efficiency improvement of heat exchange processes in passenger cars]. Moscow, Transport Publ., 1995, 53 p.

6. Kuksa Y.Y., Mustafa P. M. & Khomenko I.Y. Per-spektyvy modernizatsii passazhyrskykh vagonov pry provedenii kapitalno-vosstanovitelnogo remonta [Modernization prospects of passenger cars in the process of overhaul reconditioning conduct]. Zheleznodorozhniy transport Ukrainy [Railway transport of the Ukraine], 2010, no. 2, pp. 28-30.

7. Khomenko I. Y. Удосконалення систем енер-гетичного та холодильного обладання пасажирських ваготвприкаптальнихремонтах: diss. .Cand. Eng.: рухомий склад залiзниць та тяга noi^iB: 05.22.07. Дншропетровськ, Нацюнальний ушверситет залiзнoгo транспорту iM. акад. В. Лазаряна [Dnepropetrovsk National University of Railway Transport in the name of academician V. Lazaryan], 2014, 125 p.

8. Prikhodko V. I. & Myamlyn S. V. Nauchniye os-novy sozdaniyanpassazhyrskykh vagonov dlya skorost-nykh perevozok: monographiya [Scientific foundations on the design of high-speed operation passenger cars: study]. Dnepropetrovsk, Izd-vo Makovetskiy [Ma-kovetskiy] Publ., 2011, 355 p.

9. Khomenko I. Y. Розробка розрахунково! тривимiрнoi мoделi пасажирського вагона для до^дження нестацюнарних теплових процешв.

Problemy i perspektyvy razvitiya zheleznodorozhnogo transporta

10. Mikheyev M. A. & Mikheyeva I. M. Osnovy teploperedachy [Heat transfer principles]. Moscow, Energiya Publ., 1977, 344 p.

11. Siegel R. & Howell J. Teploobmen izlucheniyem [Thermal radiation heat transfer]. Tr. from Eng.; ed. by B.A. Khrustaleva. Moscow, Mir Publ., 1975, 935 p.

БЕЛОШИЦКИИ Эдуард Васильевич - инженер-конструктор, e.beloshickiy@gmail.com; *МЯМЛИН Сергей Сергеевич - научный сотрудник, sergeymyamlin91@gmail.com («Проектно-конструкторское технологическое бюро» Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна).