Этапы построения цикла работы кондиционера на I-d диаграмме

в установке кондиционирования воздуха с рециркуляцией рециркуляционный воздух (смотри рисунок 1.3) забирается из пассажирского помещения вагона В, проходит по возвратному воздуховоду В_I, смешивается в смесительной камере С с вентиляционным воздухом , подаваемым снаружи Н, и вентилятором подается через диффузор С_I, воздухоохладитель, конфузор П_I, нагнетательный воздуховод и выпуски П в вагон В в количестве . Удаление вентиляционного воздуха из вагона производится путем инфильтрации и через дефлекторы ( ).

Для построения цикла работы кондиционера преподаватель выдаёт график цикла i– d на ксерокопии которой выполняется построение работы кондиционера.

Относительная влажность в вагоне определяется с помощью i– d – диаграммы влажного воздуха (смотри рисунок 1.3.), на которую сначала наносят расчетную точку наружного воздуха Н по двум заданным параметрам ( , ) затем наносят точку В в соответствии с заданием ( , ).

Рассчитываем температуру и принимая влажность находим положение точки П₁. В точке П температура на 1-2⁰С выше поскольку после воздухоохладителя до поступления в купе воздух испытывает трение в неработающих воздухоохладителях (водяном и электрическим), конфузоре, воздуховоде, выпусках и мультивентах. Соединяя прямой точки П и В получаем отрезок цикла соответствующий использованию воздуха в купе.

Рисунок 1.3 Обработка воздуха в кондиционере в летний период

с рециркуляцией.

Температуру в точке В (возвратный воздух на выходе из купе) принимаем в соответствии с заданием ( , ) температуру в точке В₁ на 1-2⁰С выше чем в точке В с учётом нагрева воздуха от трения при обратном движении через коридор, решётки, заслонки и обратные каналы до смесительной камеры. Параметр воздуха в точке С (смесительная камера) определяется следующим образом: соединяем точки В₁ и Н прямой по формуле . Температура в точке С₁ на 1-2 ⁰С выше, чем в точке С поскольку после смесительной камеры воздух испытывает трение, проходя фильтры, вентиляционный агрегат и диффузор.

Практическое занятие № 2 тема: «расчет приведенного коэффициента теплопередачи кузова вагона»

Основным показателем теплотехнических качеств кузова вагона является коэффициент теплопередачи его ограждений.

Коэффициент теплопередачи характеризуется количеством тепла, проходящим в течение 1 с через 1 м² площади ограждений при передачи температур по ее сторонам в 1⁰. Он имеет размерность Вт/(м²К) и обозначается буквой К.

Коэффициент теплопередачи стенки обратно пропорционален ее общему термическому сопротивлению R_о:

(2.1)

Общее термическое сопротивление многослойной однородной стенки вагона равно сумме термических сопротивлений каждого слоя и термических сопротивлений теплопереходу от поверхности стенки к наружному и внутреннему воздуху:

_, (2.2)

где R_i - внутреннее (собственное) термическое сопротивление каждого слоя стенки; R_u - термическое сопротивление теплопереходу летом от наружного воздуха к наружной поверхности стенки, зимой от наружной поверхности стенки к наружному воздуху; R_в - термическое сопротивление теплопереходу летом от внутренней поверхности стенки к воздуху внутри вагона, зимой от воздуха внутри вагона к внутренней поверхности стенки;

(2.3)

где толщина каждого однородного слоя стенки, м; коэффициент теплопроводности материала или воздушной прослойки, соответствующего слоя стенки, Вт/(м² К);

_, (2.4)

где - коэффициент теплоперехода от наружной поверхности стенки к наружному воздуху (или от наружного воздуха к поверхности стенки), Вт/(м²×К).

(2.5)

где - коэффициент теплоперехода от воздуха к внутренней поверхности стенки (или наоборот). Для всех пассажирских вагонов, Вт/(м²К)_.

Подставив значения выражений (2.2) - (2.5) в формулу один, получим общую развернутую формулу:

_, (2.6)

Значения берутся из чертежей значения - из справочников (для основных материалов приведены в таблице 2.1)

Таблица 2.1

Физические свойства изоляционных и строительных материалов, применяемых в ограждениях кузова вагонов

Материал	Коэффициент теплопроводности ккал/м2ч 0С	Объемная масса г/см3	Средняя теплоемкость ккал/кг град	Коэффициент теплостойкости при периоде 24 ч. ккал/мгр.
Мипора	0,03-0,04	15-25	0,37	0,24
Пенополистирол ПСБ-С	0,032	25-30	0,34	-
Пенополиуретан марки ППУ-3Е	0,036	36-42	0,34	-
Стеклянная вата	0,035-0,050	100-200	0,2	0,71
Минеральная вата	0,040-0,045	100-125	0,23	-
Стеклопластик	0,3-0,4	1000-1800	--	-
Шерстяной войлок	0,05-0,08	330	0,45	-
Минеральный войлок	0,06-0,08	150	0,44	0,93
Дерево твердых пород (поперек волокон)	0,29-0,32	600-750	0,62	1,1
Дерево мягких пород (поперек волокон)	0,12-0,15	500-600	0,65	1,0
Древесно-волокнистые плиты	0,19	600-700	0,6	-
Клеевая фанера	0,19-0,30	600-900	0,6	3,74
Линолеум	0,15-0,20	1100-1200	0,3	4,5
Мягкая резина	0,17	920	0,51	-
Оконное стекло	0,65	2500	0,18	9,2
Сталь	30-50	1850	0,11	108,3
Алюминий	123	2800	-	-
Мастика противошумная	0,2	760	0,6	-
Влагозащитная пленка	0,035	100-250	0,30	-
Плитка керамическая (кафельная, метлахская и тюпю)	0,9	2000	0,50	-

Примечание: 1 Вт/(м *К)=0,86 ккал/(м *ч* ⁰С)

Величина зависит от скорости и характера воздушного потока, обдувающего наружную поверхность. Чем больше скорость, тем боль­ше масса воздуха, вступающего в теплообмен с поверхностью стен и, значит, тем больше значение . Характер потока — спокойный (ла­минарный), при котором струи воздуха параллельны, или с завихре­ниями (турбулентный) — зависит от угла его направления к обдувае­мой поверхности, от характера самой поверхности и ее площади. При большом угле направления потока и при неровной (шероховатой и с выступающими частями) поверхности образуются завихрения, боль­шая масса воздуха входит в соприкосновение с поверхностью и значе­ние ан увеличивается. При ровной поверхности чем больше ее пло­щадь (точнее протяженность в направлении потока), тем спокойнее характер потока и тем меньше значение .

Для вагонов направление потока воздуха и обдуваемой поверхно­сти или совпадает, или поток находится под небольшим углом к боль­шей части поверхности — боковым стенам, крыше и полу. Конфигу­рация и характер поверхности пассажирских и изотермических ваго­нов, для которых определяются значения К, в основном, ровные и примерно одинаковые, поэтому для определения значения можно пользоваться эмпирической формулой, в которой переменными вели­чинами являются лишь скорость движения вагона и его длина:

, (2.7)

где u - максимальная скорость движения поезда, м/с, L_н – полная длина кузова, м.

Для пассажирских вагонов среднюю маршрутную скорость сле­дует принимать 33 м/с (120 км/ч), длину кузова вагона — 23,6 м. Тог­да = 67,0 Вт/(м² * К), в старой системе — 58 ккал/(м² • ч • ⁰С).

Из формулы (2.7) следует, что для недвижущегося вагона значение составляет 15 Вт/(м² • К). При этом предполагается, что движение воздуха относительно ограждений все же имеется вследствие подвиж­ности самого наружного воздуха и конвективного его движения, бла­годаря разности температур воздуха и наружной поверхности вагона, отапливаемого в холодное время года или охлаждаемого в теплое.

Величина зависит от тех же показателей и параметров, что и ве­личина . Но скорости движения воздуха внутри вагона от работы вентиляции значительно меньше скоростей атмосферного воздуха, а конвективные скорости в результате теплообмена между внутренними поверхностями и воздухом в вагоне сильно тормозятся внутренним обо­рудованием. Поэтому величина меньше величины даже в сто­ящем вагоне. Для всех пассажирских вагонов следует принимать значение = 10 Вт/(м² • К), или 8,6 ккал/(м² • ч • °С).

Для уяснения метода расчета определим значения К для однород­ной стенки, показанной на рисунке 2.1, а. В целях удобства и стройности рас­чета значения , и приведены в таблице 2.2.

а) б)

Рисунок 2.1

(а) Многослойная однородная стенка (зона сплошной изоляции крыши пассажирского вагона): 1 – стальной лист наружной обшивки; 2 – слой антикоррозионной противошумной мастики; 3 – теплоизоляция; 4 – влагозащитная плёнка; 5 – фанерная внутренняя обшивка.

(б) Многослойная однородная стенка (зона дуги крыши пассажирского вагона): 1 – стальной лист наружной обшивки; 2 - слой антикоррозионной противошумной мастики; 3 - стальной прокатный профиль (дуга); 4 - теплоизоляция; 5 – деревянный брусок; 6 - влагозащитная плёнка; 7 - фанерная внутренняя обшивка А, Б, В, Г - обозначение зон.

Таблица 2.2

Номер слоя	Материал слоя	, м	, Вт/(м*К)	, (м2*К)/Вт
1	Сталь	0,002	58,6000	0,000034
2	Мастика	0,001	0,230	0,00400
3	Мипоры	0,074	0,027	2,740000
4,5	Влагозащитная пленка и фанера	0,005	0,350	0,014300
=2,758334

Учитывая, что значения исходных величин, в частности, значения для таких материалов, как мастика, мипора, фанера, рубероид, яв­ляются средними, и принимая во внимание трудность оперирования с многозначными числами, значения следует округлять до вто­рого знака после запятой.

Исходя из этого, термическое сопротивление всех слоев металла независимо от их толщины (в данном случае слоя стали толщиной 2 мм) и всех тонких (до 1 мм) слоев таких материалов, как влагозащитная пленка, мастика, павинол, пластик и тем более краска или клей (в данном случае слой мастики), можно в расчет не принимать. Тогда получим значение = 2,75.

Подставляя значения , и в основную формулу (2.6), полу­чим

Вт/м²*К.

Значение К всегда округляют до второго знака после запятой. Итак, К =0,35 Вт/(м² • К), или 0,30 ккал/(м² • ч• °С).

При расчетах величины К предполагается, что тепло направлено перпендикулярно плоскости стенки (или радиально при цилиндриче­ских или сферических стенках). Это вполне справедливо для однород­ных стенок. В стенках с неоднородной изоляцией, подобных показан­ной на рисунке 2.1, б, направление теплового потока сложное. Внутри этой стенки основной тепловой поток пойдет по Z-образному металлическо­му элементу, т. е. зигзагом. Кроме того, при наличии металлического элемента тепло проходит не только через сечение самого элемента, но и через его боковые поверхности, вследствие чего через соседние эле­менты — мипору и деревянный опорный брусок — проходит тепла больше, чем могло пройти, если бы этого металлического элемента не было.

Сложность процесса прохождения тепла через стенки с неоднород­ной изоляцией затрудняет получение точных результатов тепловых расчетов. В практике используется много способов приближенного теплового расчета стенок с неоднородной изоляцией. Наиболее точ­ные результаты дает расчет по методу так называемых круговых по­токов, который чаще называют по имени авторов методом Уэльсона — Ниточкина. Этот метод связан с применением интегрального исчис­ления, довольно трудоемок и потому используется в наиболее ответ­ственных случаях (в вагоностроении — при расчете сложных по конфигурации узлов изотермических вагонов).

Довольно точен, но очень трудоемок графический метод Аубери и Шеффильда. Более простыми являются слоевой и зональный мето­ды. При зональном методе делают допущение, что каждая отдельная зона проводит тепло самостоятельно независимо от прохождения теп­ла в соседних зонах. При слоевом методе стенку делят на слои, пер­пендикулярные тепловому потоку (параллельно ее плоскости), опре­деляют термическое сопротивление каждого слоя и, принимая допу­щение о самостоятельности работы каждого слоя, суммируют резуль­таты. При расчетах по зональному и слоевому методам нужно вводить поправочные коэффициенты.

Наиболее простой из перечисленных методов зональный. Он исполь­зуется в вагоностроении как при расчете отдельных узлов, так и при определении средних значений К для стен, пола, потолка и кузова ва­гона в целом.

Проделаем расчет неоднородной стенки, показанной на рисунке 2.1,б, зо­нальным методом. Разделим сечение на зоны А, Б, В и Г. Учитывая отмеченную выше нецелесообразность подсчета теплового сопротив­ления металлических слоев, тонких слоев других материалов, а также замкнутых небольших воздушных прослоек (между металлической дугой 3 и деревянным бруском 5) и мелких крепежных деталей (шу­рупы крепления фанеры 7 к бруску 5, которые на рисунке не показа­ны), проведем расчет значения К для каждой отдельной зоны (таблица 2.3).

Таблица 2.3

Номер слоя (рис.2.1,б)	Материал	, м		, Вт/(м*К)	, (м2*К)/Вт	Вт/(м2*К)
1	2	3		4	5	6
Зона А
4.	Мипора		0,069	0,027	2,55	КА =0,37
6,7	Фанера и влагозащитная пленка	0,005		0,35	0,01
Зона Б
4	Мипора	0,007		0,027	0,259	КБ =2,63
6,7	Фанера и влагозащитная пленка	0,005		0,35	0,014
Зона В
4	Мипора (два слоя)	0,051		0,027	1,890	КВ= 0,47
5.	Древесина	0,018		0,18	0,10
6,7	Фанера и влагозащитная пленка	0,005		0,35	0,014
Зона Г
4	Мипора	0,044		0,027	1,625	КГ= 0,52
5.	Древесина	0,030		0,18	0,167
6,7	Фанера и влагозащитная пленка	0,005		0,35	0,014

Средняя величина К для неоднородной стенки на участке в преде­лах зон А—Г определяется по формуле

_, (2.8)

где К₁, К₂, …, К_n – значение коэффициентов теплопередачи зон; F₁, F₂, …, F_n – площади зон.

В данном случае, зная из чертежей, что в направлении, перпендикулярной плоскости рисунка, длина всех конструктивных элементов узла крыши вагона одинакова, заменим F значениям ширины зон в (40; 5; 40; 50 мм) указанных на рисунке 2.1,б:

(2. 9)

Вт/(м²*К).

Учитывая сделанные допущения о прямолинейности теплового потока, т.е. отсутствие действительных потоков тепла через зоны изоляции из-за включения металлических и деревянных элементов, необходимо увеличить значение К на 10%. Итак,

К_ср = 0,54*1,1=0,59 Вт/(м²*К), или 0,51 ккал/(м²*ч* ⁰С).

Несущие дуги расположены с шагом 800 мм по длине вагона. Зона теплового мостика имеет ширину 135 мм. (смотри рисунок 2.1,б), а зона сплошной изоляции 800-135=665 мм.

По формуле (2.8) определим среднее значение К_ср основной части крыши (не считая дефлекторов, мест крепления со стенками и т.п.)

Вт/(м²*К), или 0,34 ккал/(м²*ч* ⁰С). (2.10)

Зная значение К для отдельных участков ограждения, по формуле (2.8) можно определить среднее значение К для продольных и торцевых стен пола, крыши, а затем всего кузова вагона в целом.

Величина приведенного коэффициента теплопередачи кузова вагона подсчитывается по формуле:

_, (2.11)

где К_i – коэффициент теплопередачи отдельного элемента ограждения; F_i – среднегеометрическая поверхность ограждения, м²

_, (2.12)

где F_н, F_в наружная и внутренняя поверхности ограждения.