2. Теплотехнический расчет и подбор холодильно-энергетического оборудования вагонов

Во втором разделе теплотехнический расчет производится графоаналитическим методом. По оси абсцисс (рис. 2.1) наносится в масштабе схема железнодорожного направления. По оси ординат, вверх от схемы направления, откладывается показатель Q, вниз – показатель – расчетные температурные параметры железнодорожного направления, которые определяются на основании материалов метеостанций для 1ч (ночная температура) и 13 ч (дневная температура). Эти параметры используются для построения расчетной диаграммы температурного режима, которая является неотъемлемой составной частью графоаналитического метода определения теплового баланса. Необходимо помнить, что изотермические вагоны за время груженого рейса находятся не только на участках в пути следования, но и простаивают на станциях, где не прекращается процесс теплообмена. Поэтому для отражения этих явлений на диаграмме время простоя на станциях добавляется к времени следования поезда по одному из участков.

Для каждой станции на соответствующих осях-ординатах, вниз от общей линии направления, откладываются в масштабе данные температурного режима на 1ч – и 13ч ( см. рис. 2.1). Затем найденные точки соединяются и образуются две ( на 1 и 13 ч ) кривые температур, которые используются для дальнейших расчетов.

Под основной линией направления компонуются некоторые подсобные рабочие графы.

Рис. 2.1. График расхода холода

1. Графа £ – наименование станций и расстояний (в км) между ними принимаются согласно схеме железных дорог.

2. Графа Т – время следования поездов между станциями и простоев на станциях.

3. Графа τ_i – время отправления с начальной станции и время проследования других станций.

4. Графа t_i – расчетные температуры с учетом временных и пространственных факторов.

5. Графа Δt – данные о равности температур внутри вагона и наружного воздуха на участке.

6. Графа Q_i – расчетные данные о теплопритоках на каждом участке следования вагона. Методика расчетов теплопритоков приведена ниже, а также в [1]. Определяется количество тепла, поступающего в вагон летом, для условий перевозки мороженного или неохлажденного груза ( по указанию преподавателя ). Необходимо помнить, что в указанной литературе теплоприток определяется за 1 час. В нашем расчете определяется теплоприток за время следования по каждому участку, поэтому необходимо учитывать это время. На основании теплопритоков для условия следования вагонов по одному из «трудных» участков находится рабочая холодопроизводительность установки брутто по формуле, кВт

,

где – холодопроизводительность холодильной установки, полученная на основании расчета;

β – коэффициент, учитывающий неучтенные теплопритоки, принимается в пределах 0,1–0,2.

Полученная величина пересчитывается в стандартную по формуле

,

где – объемная холодопроизводительность хладагента для стандартных условий, кДж/м³;

– то же для рабочих условий;

– коэффициент подачи хладагента для номинальных условий;

– тоже для рабочих условий.

Значения в формуле и приведены в исходных данных. Стандартная и рабочая холодопроизводительности холодильных машин рассчитываются для групп температур, табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Температуры стандартной и рабочей холодопроизводительности паровых одноступчатых машин

Группы температур	Значения температур, °С						Примечание
	кипения	всасывания	конденсации	переохлаждения
Стандартные	-15	-10	+30	+25		4,94	Для аммиачных компрессоров

Продолжение табл. 2.1

Стандартные	-15	-15	+30	+25	4,07	Для фреоновых компрессоров
Рабочие

Здесь t – температура внутри грузового помещения;

t_в – температура наружного воздуха;

– температура воздуха, отходящего от конденсатора (нормально он нагревается на конденсаторе на 5 °С ).

По стандартной холодопроизводительности подбирается компрессор (см. исходные данные). Расчеты теплопередающих поверхностей испарителя и конденсатора аналогичны. Формулы для расчетов их поверхностей приведены в [1, с. 78].

При расчетах принять:

– температуру воздуха в машинном отделении +45 °С.

– площади теплопередающих поверхностей вагона по табл. 2.2.

Таблица 2.2

Теплопередающая поверхность вагонов

РПС	Площадь, м2
	крыши	боковых стен	торцевой стены	перегородок	пола	всего вагона
АРВ	67,5	107,2	–	19,0	59,3	253,0
5- вагонные секции	57,8	107,2	(10,3)	(8,5) 17	59,5	253,6

Данные в скобках – для вагона с одним машинным помещением.

Количество наружного воздуха, поступающего в вагон через неплотности ограждения, 50 м³ /ч; влажность наружно воздуха 35–50 %; влажность внутри вагона определяется условиями перевозок; кратность вентилирования принять 1–2 paзa в час; относительную влажность воздуха, поступающего в вагон и выходящего из него, принять соответственно 45 и 80 %; мощность, потребляемая электродвигателями, вентиляторов АРВ – 4 кВт, вагона 5- вагонной секции – 5 кВт. Продолжительность охлаждения плодов и овощей принятых к перевозкам с температурой +25 °С до температуры +4 °C,составляет 60–70 ч.

После того как в рабочих графах будут указаны расстояния и время движения между станциями, простой на них и зафиксировано время отправления поезда с начальной станции (по заданию руководителя), последовательно определяются моменты прохождения холодного поезда через все пункты направле­ния. Для каждого из этих пунктов в соответствии со време­нем проследования определяется расчетная наружная температура. Делается это следующим образом. Известно, что перемещение изотермической единицы производится во времени и в пространстве. Значит, соответствующим образом изменяется температурный режим. Имеющиеся данные позволяют рассчитывать температуру на данный момент и фиксированную точку . Это можно определить по формулам:

В период от 1 до 13 ч. включительно:

В период от 13 до 1 ч включительно:

,

где τ_i – время, для которого производится расчет;

, – расчетные температуры пунктов, для которых производится расчет.

Понятно, что при следования по участку вагон находится какое-то время под воздействием температур одного пункта, а какое-то время – под воздействием температур другого пункта, ограничивающих этот участок.

Точный расчет требует привлечения сложного математического аппарата, поэтому с достаточной точностью используется значение средней температуры между этими соседними пунктами. Для каждого вида теплопоступлений, для условий следования по каждому участку, делается расчет и строится кривая как функция времени и места. В дальнейшем все значения кривых суммируются и составляется общая кривая теплопоступлений, которая является конечным результатом расчетов в настоящем пункте.

2.1. Методика теплотехнического расчета вагона

Теплотехнический расчет вагона производится отдельно для летнего и зимнего периодов. На его основании определяется количество энергии, поступающей в вагон, которую необходимо компенсировать соответственно холодильной машиной или нагревательными приборами. Методология теплотехнического расчета широко представлена во многих литературных источниках, например [1, с. 164-168]. Согласно этим методикам общий теплоприток составляет, Вт

Q₀= Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆,

где Q₁ – теплоприток в грузовое помещение грузового вагона (или пассажирского вагона) через ограждение кузова;

Q₁= k·F₁·(t_н–t_в)+ k·F₂(t_м–t_в),

где k – коэффициент теплопередачи ограждения кузова, Вт/(м² ·К), принимается на основе технической характеристики вагона;

F₁ – площадь ограждения кузова, находящаяся в контакте с наружным воздухом, м², определятся на основе геометрических размеров вагона;

F₂ – площадь ограждения кузова, контактирующая с машинным отделением или тамбуром пассажирского вагона, м², определяется на основе геометрических размеров вагона;

t_н, t_в, t_м(т) – температуры соответственно наружного воздуха, внутри вагона, в машинном отделении вагона или в тамбуре пассажирского вагона; эти температуры устанавливаются на основании справочных данных исходя из района эксплуатации вагона и температурных режимов перевозимого груза или пассажира. Температура в машинном отделении принимается +45…+50^о С, в тамбуре пассажирского вагона на 5–10 ^оС выше температуры наружного воздуха в летний период или на 5–10 ^оС ниже – в зимний период.

Теплоприток в помещение вагона от воздействия солнечной радиации

Q₂= k·F· ,

где F – наружная поверхность освещаемой солнцем части вагона, м², принимается 30–40 % для грузовых вагонов, для пассажирских вагонов, с учетом наличия окон, – 70 %.

А – коэффициент поглощения солнечной энергии, принимается 0,6–0,8 в зависимости от окраски кузова вагона;

q – среднесуточная интенсивность солнечного облучения, в среднем принимается 100–250 Вт/(м² · ^оК) в зависимости от периода и географических широт эксплуатации вагона;

α – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности, Вт/(м² · ^оК), принимается в пределах 0,25–0,35 в зависимости от чистоты и «зеркальности» кузова вагона.

Теплопритоки через неплотности в дверях, люках и т. п.

Q₃= , Вт

где V – объем воздуха, поступающего через неплотности, м³/ч, принимается 10–20;

ρ – плотность наружного воздуха, кг/м³, принимается по шкале плотности на диаграмме «di». В расчетах принимают 1,19–1,34, в зависимости от температуры наружного воздуха, учитывая, что теплый воздух более легкий, холодный – тяжелый;

i₁, i₂ – теплосодержание воздуха, соответственно наружного и внутри вагона, кДж/кг, принимается по диаграмме «di»;

3,6 – коэффициент перевода кДж/ч в кВт.

В ориентировочных расчетах допускается принимать

Q₂+Q₃= 0,35Q₁ или Q₂= 0,15Q₁, Q₃= 0,2Q₁.

Теплоприток от вентилирования внутреннего помещения вагона, Вт:

Q₄= ,

где n – кратность вентилирования, объем/ч, принимается 3–4;

V_в – объем воздуха, подлежащий замене, м³. Для грузовых вагонов с учетом погрузочного объема кузова и наличия в нем груза принимается 30–50 м³, для пассажирских вагонов этот объем соответствует геометрическому объему салона;

1,3 – теплоемкость воздуха, кДж/кг;

t_н, t_в – температура воздуха соответственно снаружи и внутри вагона, ^оС (К);

r – скрытая теплота парообразования, кДж/кг, принимается 2,55;

φ¹, φ² – относительная влажность воздуха, % или доли ед.;

f¹, f² – максимальная влажность воздуха, соответственно при температуре наружного и внутреннего воздуха, г/кг;

φ·f – абсолютная влажность воздуха d, г/кг.

При расчетах как, правило, φ¹ - принимается в пределах 0,35–0,65 (35–65%) в зависимости о географических условий эксплуатации вагона, φ² – при перевозке груза – 0,8–0,95 и определяется режимом перевозки груза, для пассажирских вагонов – 0,7–0,75.

Теплоприток, выделяемый электродвигателями циркуляторов (вентиляторов) воздуха, Вт:

Q₅ = 1000·N·n·η· ,

где 1000 – коэффициент перевода кВт в Вт;

N – мощность электродвигателя, кВт, принимается в соответствии с технической характеристикой вагона;

n – число электродвигателей, принимается для грузовых вагонов 4, из условия что в вагоне 2 холодильно-отопительных установки, на каждой из которых 2 вентилятора, у пассажирских вагонов – одна холодильно-отопительная установка с двумя вентиляторами. Мощность электродвигателя РПС 1,0 или 1,25 и зависит от типа вагона;

η – КПД электродвигателей 0,8–0,95;

– продолжительность работы вентиляторов за сутки, принимается 5–9 ч;

24 – коэффициент перевода часов в сутки.

Теплоприток от перевозимого груза, тары или пассажиров, Вт:

Q₆ = ,

где Q_гр, Q_т – масса соответственно груза и тары, т или кг. Масса груза – это статическая загрузка вагона, масса тары – 2–4 т.;

С_гр, С_т – теплоемкость соответственно груза и тары, для плодоовощей – 3,25, для деревянной тары 2,5 кДж/кг;

t_н, t_в – температура груза соответственно при погрузке в вагон и установленная режимом перевозки груза, °С или °К;

Z – время, установленное «Правилами перевозки» на охлаждение груза до требуемого режима перевозки, 60÷70 часов;

q_б – биологическое тепло, выделяемое продуктами или пассажиром в результате его жизнедеятельности, Вт/т, Вт/чел., принимаем согласно справочным данным [2, с. 74], [3, с. 117];

Q_гр – масса груза или количество пассажиров в вагоне;

3, 6, 1000 – коэффициенты, которые следует использовать при переводе соответственно кДж в Вт, в зависимости от принятых справочных данных.

При расчете теплопритоков в пассажирский вагон первый член формулы Q₆ – не учитывается.

При выполнении этого раздела целесообразно привести в пояснительной записке принимаемую схему вагона, для которого производится расчет, с указанием вышеприведенных расчетов, например, для грузового вагона 5-ватной секции БМЗ (рис.2.2.)

Рис. 2.2. Принципиальная схема теплопритоков в грузовых помещениях 5- вагонной секции БМЗ

Следует помнить, что произведенный выше расчет не учитывает всевозможных других теплопритоков, а также имеет неточности принятых справочных данных и т. п., поэтому принято считать полученный результат нетто. Для проведения расчетов оборудования необходимо знать максимальные значения теплопритоков – брутто

где β – коэффициент перевода, следует принимать 1,1–1,2.

Дополнительно в этом разделе, используя вышеприведенную методику, производится расчет теплопритоков в зимний период работы вагона и на его основании определяется мощность нагревательной установки.