автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение эффективности работы реверсивного кондиционера пассажирского вагона в отопительном периоде

На правах рукописи

МИХАИЛОВ Артем Вячеславович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ РЕВЕРСИВНОГО КОНДИЦИОНЕРА ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА В ОТОПИТЕЛЬНОМ ПЕРИОДЕ

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга

поездов и электрификация

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г дпр ¿013

Сан кт-Петербург 2013 г.

005057815

005057815

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» на кафедре «Теплотехника и теплосиловые установки»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Киселев Игорь Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ФГБОУ ВПО ПГУПС «Петербургский государственный университет путей сообщения» Чурков Николай Александрович

кандидат технических наук, директор ООО «Инженерный Центр подвижного состава», г. Санкт-Петербург Афанасьев Евгений Владимирович

Ведущая организация: Институт холода и биотехнологий ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

Защита диссертации состоится «26» апреля 2013 года в II часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д218.008.05 на базе ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9, ауд. 5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петербургского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан «26» марта 2013 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять в адрес ученого совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Виктор Александрович Кручек

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Одной из важнейших научно-технических проблем Российской Федерации является проблема энергосбережения. Не случайно, озабоченность этой проблемой вылилась в Федеральный Закон, принятый Государственной Думой 23 ноября 2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности», а на его развитие Распоряжением Правительства Российской Федерации от 27.12.2010 г. утверждена Государственная программа Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года» с разделом «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на транспорте». Соответствующая отраслевая программа была принята ОАО «Российские железные дороги».

Значительные резервы в экономии энергии и повышении эффективности ее использования на железнодорожном транспорте имеются в подвижном составе, в частности в системах отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВиК) пассажирских вагонов. В любом пассажирском вагоне система ОВиК потребляет до 50% и более установленной мощности. С учетом постоянного роста технической оснащенности вагонов проблема эффективного использования предоставляемой мощности и ее экономии для пассажирских вагонов представляется весьма важной. Особенно актуальной она оказывается для подвижного состава Российских железных дорог, работающего в широком диапазоне температур окружающей среды от минус 50°С до плюс 40°С.

Соответствующими нормативными документами как РФ, так и других стран установлены определенные требования к системам ОВиК для пассажирских вагонов. Поэтому в настоящее время практически все ведущие мировые производители железнодорожного транспорта предлагают своим заказчикам подвижной состав, оснащённый различными системами кондиционирования воздуха. Специалистами многих российских предприятий (ОАО «ВНИИЖТ», СПбГУНиПТ, ЗАО «Остров», ЗАО «Лантеп», ЗАО «ТРАНСКОН», ОАО НТЦ «Завод «Ленинец», ЗАО «Петроклима», ООО «Балтийские кондиционеры» и др.) и зарубежных фирм (Siemens, Mitsubishi, Hagenuk Faiveley, Merak, Alstom, Bombardier Transportation) постоянно ведутся исследования и разработки, направленные на повышение энергетической эффективности работы систем ОВиК пассажирских вагонов.

Поскольку одними из самых актуальных стоят вопросы энергосбережения и поддержания комфортных условий в салоне вагона, наиболее целесообразным с этой точки зрения, является использование в отопительный период реверсивных кондиционеров, позволяющих не

только охлаждать помещение в летнее время, но и, реализуя обратный цикл, отапливать его в зимний и переходный периоды.

Однако, при всей перспективности использования реверсивных кондиционеров, их внедрение зачастую тормозится из-за снижения коэффициента преобразования теплоты (рт при температурах наружного воздуха ниже -5°С. Существующие установки ориентированы, главным образом, на работу в режиме «охлаждение». Однако уже на этапе проектирования кондиционера важно знать, как он будет работать в реверсивном режиме при разной температуре наружного воздуха. Знание этого поможет внести оптимальные изменения в конструкцию кондиционера и повысить эффективность работы установки в целом. В последние годы появились способы и технологии повышения эффективности реверсивных кондиционеров, а также расширения диапазона наружных температур применения указанного режима до -25°С, в частности метод парожидкостной инжекции, заключающийся во всасывании дополнительного количества хладона после конденсатора в промежуточную область сжатия компрессора (рис.1), а также использование хладонов с более широким диапазоном температур кипения при более высоких значениях рабочих давлений.

ТРВ - терморегулирующяй вентиль Рисунок 1 — Схема реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией

Настоящая работа представляет собой комплексное исследование работы реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией с использованием более низкокипящего хладона. Проведенные исследования позволили установить взаимосвязь между важнейшими энергетическими показателями работы реверсивного кондиционера и температурой наружного воздуха.

Целью работы является повышение эффективности работы и расширение диапазона наружных температур применения реверсивного кондиционера пассажирского вагона до -25°С посредством использования метода парожидкостной инжекции и низкокиговдих хладонов.

Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведен анализ существующих способов повышения эффективности реверсивных кондиционеров.

2. Предложена методика расчета характеристик реверсивного теплового насоса в зависимости от температуры наружного воздуха при условии сохранения оборудования холодильной машины.

3. На основе предложенной методики разработана программа расчета энергетических показателей работы реверсивного кондиционера.

4. Проанализировано влияние цепи инжекции на повышение эффективности работы установки и разработана методика ее расчета.

5. Проведены экспериментальные исследования эффективности применения метода парожидкостной инжекции.

Объект исследования

Пассажирский вагон, эксплуатируемый в РФ и оборудованный реверсивным кондиционером. Методика исследования

В диссертационной работе использованы методы конструктивных и поверочных расчетов холодильных машин, классические уравнения термодинамики, теория тепло-массообмена, экспериментальные и аналитические исследования. Научная новизна

1. Разработана методика расчета энергетических показателей работы реверсивного кондиционера в зависимости от температуры наружного воздуха при условии сохранения оборудования холодильной машины, наиболее полно учитывающая условия эксплуатации кондиционера.

2. Проанализировано влияние цепи инжекции и использование низкокипящих хладонов на повышение эффективности работы реверсивного теплового насоса.

3. Предложена методика расчета цепи инжекции в зависимости от температуры наружного воздуха.

На защиту выносится:

1. Целесообразность использования метода парожидкостной инжекции и низкокипящих хладонов для расширения диапазона наружных температур применения теплонасосного режима отопления.

2. Методика расчета энергетических показателей работы реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекдией.

3. Результаты экспериментальных исследований применения метода парожидкостной инжекции для повышения эффективности реверсивных кондиционеров и расширения диапазона наружных температур применения теплонасосного режима отопления до -25°С. Практическая значимость

1. Показана эффективность использования метода парожидкостной инжекции при эксплуатации реверсивных кондиционеров пассажирских вагонов в отопительном периоде.

2. Разработана программа расчета энергетических показателей работы реверсивного кондиционера, позволяющая оценить работу установку еще на этапе проектирования и внести необходимые изменения в конструкцию.

3. Разработан алгоритм управления работой реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией, обеспечивающий полностью автономную работу установки при различных условиях эксплуатации.

4. Результаты аналитического расчета технико-экономического анализа показывают, что использование реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией позволяет экономить 56% электроэнергии по сравнению с прямым электронагревом и 25% по сравнению с обычным реверсивным кондиционером. Достоверность полученных результатов обеспечена корректной

постановкой задач исследований, использованием классических уравнений термодинамики и теории теплообмена в сочетании с методами системного анализа и общепризнанным математическим аппаратом. Результаты экспериментального исследования получены с помощью стандартных средств измерений, прошедших государственную поверку, и обработаны в соответствии с традиционными соотношениями математической статистики и теории ошибок.

Реализация результатов исследований

Разработанная программа расчета энергетических показателей работы реверсивного кондиционера была использована для проектирования установки УК ПВ исп. 01Т производства ЗАО «Петроклима». Разработанный алгоритм управления реверсивным кондиционером с парожидкостной инжекцией был использован в опытном образце производства ОАО «НТЦ «Завод Ленинец».

Апробация работы

Основные положения диссертации, результаты исследования, выводы и рекомендации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Теплотехника и теплосиловые установки» ПГУПС в 2009-2012 гг., на научно-технических конференциях студентов, молодых специалистов и ученых «Неделя науки - 2010, 2011» (ПГУПС, Санкт-Петербург), на 70-й Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Днепропетровск, 2010). на 3-й Международной научно-практической конференции «Энергосбережение в системах тепло- и газоснабжения. Повышение энергетической эффективности» (Санкт-Петербург, 2012).

Публикации

Материалы, изложенные в диссертационной работе, нашли отражение в 5 опубликованных печатных работах, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы составляет 129 страниц машинописного текста, содержит 41 рисунок, 18 таблиц. Список литературы включает 115 наименований отечественных и зарубежных авторов.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, ставятся цели и задачи исследования, даётся краткая

характеристика работы.

В первой главе проведен анализ особенностей эксплуатации систем ОВиК с учетом климатических особенностей России, рассмотрены современные тенденции совершенствования систем ОВиК и реверсивных кондиционеров в частности и поставлена задача исследования.

Проведенный анализ показал, что на сегодняшний день средний возраст пассажирских вагонов составляет 18,3 года, а процент износа парка достигает 74,1%. Эксплуатация устаревшего парка поездов влечет за собой повышенные требования к установкам ОВиК пассажирских вагонов. В первую очередь, это вызвано ухудшением теплоизоляции вагона в результате естественного износа и образования дополнительных пустот между обшивками кузова, использованием окон и дверей конструкции 7080-х годов и т.д. Все это приводит к увеличению инфильтрации воздуха, повышенному энергопотреблению вагона, что, в конечном счете, отражается и на требованиях к системам ОВиК. Кроме этого, условия эксплуатации систем ОВиК для поездов дальнего следования связаны с довольно резким изменением температурных и влажностных условий при прохождении поездом разных климатических поясов.

5

Показана перспективность использования реверсивных кондиционеров на пассажирских вагонах в отопительный период. Применяя теплонасосный режим до температур наружного воздуха -25°С можно значительно сократить энергопотребление вагона и сосредоточить функции отопления и кондиционирования в одной установке. В связи с этим были проанализированы имеющиеся данные экспериментальных и теоретических исследований по использованию холодильных и теплонасосных установок на железнодорожном транспорте таких авторов, как: Бартош Е.Т., Буравой С.Е., Егоров В.П., Емельянов А.Л., Таранов С.А., Жариков В.А., Каганов М.А., Карпис Е.Е., Кошкин H.H., Морозюк Т.В., Пигарев В.Е., Резников А.Г., Рубинчик И.М., Сидоров Ю.П., Шустер A.A., Рей Д., Макмайкл Д., Macoto S. и других. На основании проведенного анализа сделан вывод о необходимости разработки методики расчета энергетических показателей работы установки в зависимости от температуры наружного воздуха и повышения эффективности режима посредством применения метода парожидкостной инжекции и использования более низкокипящих хладонов.

Во второй главе представлен анализ теплового режима пассажирского вагона в отопительном периоде, представлены результаты теоретических исследований зависимости теплопроизводительности реверсивного кондиционера от температуры наружного воздуха, а также влияние цепи инжекции и более низкокипящих хладонов на повышение эффективности работы установки.

Анализ теплового режима пассажирского вагона в отопительном периоде в штатных условиях рейса показал, что современный пассажирский вагон, имеющий эффективный средний коэффициент теплопередачи всего наружного ограждения К =0,8-Ю,9 Вт/(м2К), теоретически может отапливаться реверсивным кондиционером до температур наружного воздуха -15+-20°С при любой скорости движения вагона (рис. 2).

На сегодняшний день самыми распространенными хладонами в кондиционерах железнодорожного транспорта являются хладоны R22 и постепенно его заменяющий R134a. Сравнительные характеристики данных хладонов в диапазоне температур от минус 40 до плюс 10°С представлены в табл. 1. Из приведённой таблицы видно, что в диапазоне температур кипения от минус 25 до минус 40°С для R134a применение этого хладона становится нецелесообразным, в основном, из-за постоянного срабатывания реле низкого давления и работы компрессора на самовакуумирование. Кроме этого существует вероятность падения температуры наружного воздуха ниже температуры кипения хладона, что может привести к попаданию во всасывающую магистраль установки частиц жидкости и оказаться губительным для компрессора из-за

6

и^ЩліЩ

на Чел.

.50 -40 -30 -20 -10 0 и °С

Рисунок 2 - График зависимости необходимой теплопроизводителъности системы отопления пассажирского купейного вагона модели 61-4440 от температуры наружного воздуха при различных скоростях движения вагона

VI'=0 км/ч

\и=50 км/ч ■ \\>-100 км/ч \\>=150 км/ч

тсплопроиїводішіельность

реверсивно

о кондиционера

Таблица 1 - Зависимость температуры кипения Я22, К134а, Я41 Оа, И404а и 11507а от

давления

422 I 1Ш4а 1*410а К404а 1{507а

1оч °С Р (избыточное), бар

-40 0,05 -0,48 0,73 0,32 0,39

-35 0.25 -0,32 1.22 0,68 0,77

-30 0.64 -0,15 1.71 1,04 1,15

-25 1,05 -0,06 2,35 1.53 1,67

-20 1,46 0,33 2,98 2,02 2,18

-15 2.01 0,67 3,85 2,67 2,86

-10 2,55 1,01 4,72 3,32 3,54

-5 3,27 1,47 5,85 4.18 4,42

0 3.98 1,93 6,98 5,03 5,29

5 4,89 2,54 8,37 6.11 6,40

10 5,80 3,14 9,76 7.18 7,51

гидравлических ударов. Решить данную проблему позволило бы использование низкокипящих хладонов. необходимых для устойчивой работы кондиционера в режиме теплового насоса до температур наружного воздуха -25°С и ниже. Примерами таких хладонов

7

являются смесовые хладоны 11410а, Я404а, 11507а и др. (табл.1).

На основе проведенного анализа была разработана методика расчета реверсивного теплового насоса при условии сохранения оборудования холодильной машины с использованием метода парожидкостной инжекции, структурная схема которой представлена на рис. 3.

Исходные данные і -го уровня

Исходные данные 2-го уровня

Исходные данные 3-го уровня

Рисунок 3 - Структурная схема методики расчета

Предложенная методика условно разделена на три части, результаты каждой из которых являются исходными данными для расчета последующей части. Используя классические уравнения термодинамики для описания тепловых балансов элементов установки, получены системы уравнений, описывающие характер изменения основных показателей реверсивного кондиционера при снижении температуры наружного воздуха. Система имеет вид:

'„ і — 7 ГГ І Т Іс і

IV

1-е

і... = -

СФі-<1о,

№

1-е

г

где 1о>1к~ температуры кипения и конденсации соответственно, °С;

ґ„ - температура наружного воздуха, °С; 1С - температура в салоне вагона, °С;

1У/ж,\¥т - водяные эквиваленты воздуха, омывающего поверхность конденсатора и испарителя соответственно, Вт/К;

1\шг),Рпсп - площади поверхности конденсатора и испарителя соответственно, м2;

,> Кс„, ~ приведенные коэффициенты теплопередачи конденсатора и испарителя соответственно, Вт/(м2 К);

Чк'Ч о" удельные тепло- и холодопроизводительность соответственно, Дж/кг; Уи - объемная производительность компрессора, м3/с;

Я - коэффициент подачи компрессора; Оф - расход хладона, кг/с;

Vі- удельный объем паров хладона непосредственно перед сжатием, м3/кг.

Входящие в выражение (1) коэффициенты теплопередачи конденсатора и испарителя к%иді,к%п, нуждаются в проверке и уточнении, в связи с чем в методику расчета были включены поверочные расчеты теплообменных аппаратов. Также учтено изменение температуры конденсации /„. при понижении температуры наружного воздуха ?„ и изменение перепада между температурой кипения г0 и температурой воздуха на входе в испаритель (температурой наружного воздуха) г„ .

Кроме этого, в ходе исследований было выявлено, что наиболее

9

целесообразным является использование спиральных компрессоров, имеющих более высокий коэффициент подачи по сравнению с поршневыми и винтовыми компрессорами, который практически не меняется с понижением температуры наружного воздуха.

Особое внимание уделено анализу влияния цепи инжекции на работу установки при низких наружных температурах. Установлено, что основной причиной падения теплопроизводительности является снижение массового расхода газообразного хладона через компрессор. Одновременно с этим явлением происходит увеличение степени повышения давления, в результате чего значительно повышается температура нагнетания, что может привести к неисправности компрессора. На рис. 4 представлен цикл реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией.

Рисунок 4 - Цикл реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией

На основе проведенного анализа сформулированы и обозначены основные функции впрыска пара, заключающиеся в снижении температуры нагнетания, поддержании массового расхода хладона через компрессор и дополнительном переохлаждении основного потока хладона в промежуточном теплообменнике (ПТО).

Ключевым параметром, определяющим типоразмер теплообменника, является температура насыщенной жидкости при промежуточном давлении (Тпро11). Её значение индивидуально для каждого компрессора и определяется по данным завода-изготовителя. После её определения задаются следующие величины: 5К - переохлаждение жидкого хладона в

10

конденсаторе, 5К - разница между температурой основного потока хладона на выходе из ПТО Тоа,вш и температурой Тпром (АТпрш,) и 5К -перегрев паров хладона в цепи инжекции после ПТО (Д(рис. 5).

(Зосн.+От] -О

От] ^

Хіпі вых. — Тиром А

+■ 5К

Тоснлх. ~Тк~ 5К

I

11Ю0М.

^ С 'іоа >.

V

TiX5s.iS.IX. — ТпрРМ.5К

Рисунок 5 - Структурная схема расчета промежуточного теплообменника

Зная эти значения, можно определить производительность необходимого теплообменника и, соответственно, его типоразмер. Используя уравнения тепловых балансов испарителя, компрессора и ПТО было получено выражение для определения теплопроизводительности реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией:

V V?*« V V )

(2)

где - расход хладона в цепи инжекции, кг/с;

/|,г4,г'5,г5,,7и - энтальпии хладона в соответствующих точках цикла, Дж/кг;

Пшх ~ механический КПД, учитывающий потери мощности на трение и т.д.;

¡1 - индикаторный КПД, учитывающий энергетические потери:

где b- коэффициент (для фреоновых компрессоров b = 0,0025).

В третьей главе представлена разработка компьютерной программы расчета характеристик реверсивного кондиционера в отопительном периоде.

Целью разрабатываемой программы являлось определение зависимости теплопроизводительности установки от температуры наружного воздуха при задании некоторых исходных данных. На стадии расчета реверсивного кондиционера предполагалось, что был проведен расчет цикла холодильной машины, конструктивный расчет и подбор основного оборудования. Эти данные являлись исходными для оценки тепловых возможностей реверсивной установки. Для реализации алгоритма программы были составлены и интегрированы таблицы зависимости удельных характеристик цикла от температур кипения, конденсации, а также величин перегрева и переохлаждения для нескольких типов хладона.

Также в исходных данных предусмотрена возможность задать тип компрессора: спиральный, поршневой или винтовой. Алгоритм программы реализован в среде программирования Delphi и позволяет получить максимальную информацию о работе установке при любой температуре наружного воздуха и представить эту информацию численно или графически. В результате расчетов получены зависимости, представленные на рис. 6 а, б.

температуры наружного воздуха; • - температуры конденсации от температуры кипения; б) теплопроизводительности от температуры наружного воздуха: и - без учета цепи инжекции; • - с учетом цепи инжекции

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям работы реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией. Для проверки разработанной методики расчета проводились экспериментальные исследования опытного образца кондиционера, разработанного ЦКО ОАО «НТЦ «Завод Ленинец», в климатической камере. Схема испытательного комплекса представлена на рис. 7.

/ — климатическая камера; 2 — опытный образец; 3 — воздуховод на входе в

конденсатор;

4 - воздуховод на выходе конденсатора; 5 — вход испарителя; б - выход испарителя;

7 - нагревательные позисторы PH 35А4; 8 — потенциометр управления позисторами;

9—устройство контроля температуры ТРМ-138; 10 — персональный компьютер с программным обеспечением Owen Process Manager; tl ..A4- точки установки термопреоразователей сопротивления

Во время испытаний исследовалась работа кондиционера в режиме теплового насоса в диапазоне температур -25-Н-15°С. Проводились измерения температур на входе и выходе кондиционера с определением реальной теплопроизводительности установки и других показателей работы. Вся информация о характере изменения всех основных температур и давлений в процессе работы выводилась на персональный компьютер с применением программного обеспечения Owen Process Manager. Испытания проводились в два этапа: с выключенной цепью инжекции и с включенной цепью инжекции. Время выхода климатической камеры на заданную температуру составляло ~1,5 часа. Время выдержки работы кондиционера на каждой заданной температуре составляло 1 час. Разработанный алгоритм управления установкой обеспечивает полностью

автономную работу кондиционера по сигналам от датчиков температур наружного и салонного воздуха. Управление цепью инжекции осуществляется входящим в состав опытного образца кондиционера контроллера по сигналам от датчиков температуры и давления. Условием включения цепи инжекции являлось гй < 0°С.

Для оценки точности разработанной методики расчета был проведен сравнительный анализ теоретических расчетов с результатами натурного эксперимента (рис. 8), в ходе которого выявлено, что расхождение в данных в среднем составляет не более 1... 10%.

Рисунок 8 — Сравнение результатов численного расчета с экспериментальными данными: я -расчетная кривая (выкл. цепь инжекции); • - экспериментальная кривая (выкл. цепь инжекции); ♦ - расчетная кривая (вкл. цепь инжекции);

А - экспериментальная кривая (вкл. цепь инжекции)

Окончательное решение о целесообразности использования реверсивных кондиционеров с парожидкостной инжекцией получено по результатам технико-экономического анализа. Расчет проводился с целью определения экономии электроэнергии на отопление пассажирского вагона пригородного электропоезда при сравнении электрокалориферного отопления, обычного реверсивного кондиционера и реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией. Данный расчет показал, что использование реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией позволяет экономить 56% электроэнергии по сравнению с прямым

электронагревом и 25% по сравнению с обычным реверсивным кондиционером.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы получены следующие результаты и сформулированы выводы:

1. Проанализирована работа реверсивного кондиционера в зависимости от температуры наружного воздуха. Основной причиной падения теплопроизводительности установки является снижение массового расхода газообразного хладона через компрессор, а также значительное повышение температуры нагнетания, что может привести к неисправности компрессора установки.

2. В результате проведенного анализа выявлено, что применение метода парожидкостной инжекции позволяет расширить диапазон наружных температур применения теплонасосного режима до -20...-25°С, повышает теплопроизводительность реверсивного кондиционера на 1030%, а также способствует поддержанию температуры нагнетания в допустимых пределах.

3. Установлено, что для расширения диапазона наружных температур применения теплонасосного режима отопления до -25°С необходимым является использование хладонов, имеющих более широкий диапазон температур кипения при более высоких значениях рабочих давлений.

4. Разработана методика расчета энергетических показателей работы реверсивного кондиционера в зависимости от температуры наружного воздуха при условии сохранения оборудования холодильной машины.

5. Предложена программа для расчета характеристик работы установки на ЭВМ, позволяющая представить максимальную информацию о работе установки численно или графически уже на этапе проектирования.

6. Разработан алгоритм управления реверсивным кондиционером и цепью инжекции в частности, обеспечивающие полностью автономную работу установки.

7. Проведены экспериментальные испытания опытного образца установки, полностью подтвердившие правильность разработанной методики.

8. Технико-экономический анализ показал, что использование реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией позволяет экономить 56% электроэнергии по сравнению с прямым электронагревом и 25% по сравнению с обычным реверсивным кондиционером, что обосновывает возможность широкого использования таких установок.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

публикации в изданиях, которые входят в перечень, рекол\ендованный

ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации:

1. Емельянов A.JL, Киселев И.Г., Михайлов A.B. Пути снижения энергопотребления в системах отопления и кондиционирования воздуха пассажирских вагонов. // Известия ПГУПС, 2011, вып. 4. - С. 36-42.

2. Киселев И.Г., Михайлов A.B. Методика расчета теплопроизводительности кондиционера пассажирского вагона, работающего в реверсивном режиме. // Известия ПГУПС, 2012, вып. 3. -С. 127-132.

публикации в изданиях, которые не входят в перечень,

рекомендованный ВАК Министерства образования и науки Российской

Федерации:

3. Михайлов A.B. Системы вентиляции и кондиционирования воздуха электропоездов.// Неделя науки-2010 //Шаг в будущее: материалы науч.-техн. конф. студ., аспир. и мол. учен.. - СПб.: ПГУПС, 2010. — С. 28-29.

4. Михайлов A.B., Емельянов A.JI. Перспективы использования систем кондиционирования воздуха в пригородных электропоездах. // Тезисы докладов 70-й Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта». Днепропетровск: ДНУЖТ им. акад. В.Лазаряна, 2010. -С. 251.

5. Емельянов А.Л., Горбатов K.M., Михайлов A.B., Царь В.В. Повышение энергетической эффективности транспортных кондиционеров. // Сборник докладов 3-й Международной научно-практической конференции «Энергосбережение в системах тепло- и газоснабжения. Повышение энергетической эффективности». СПб, 2012. - С. 135-139.

Подписано к печати 21.03.2013 г. Печ.л.-1,0 п.л.

Печать-ризография Бумага для множ. апп. Формат 60x84 1/16

Тираж 100 экз._Заказ № 329._

СР ПГУПС 190031, С-Петербург, Московский пр. 9

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

04201358520 МИХАИЛОВ Артем Вячеславович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ РЕВЕРСИВНОГО КОНДИЦИОНЕРА ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА В ОТОПИТЕЛЬНОМ

ПЕРИОДЕ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.22.07 -Подвижной состав железных дорог, тяга

поездов и электрификация

Научный руководитель

д.т.н. проф. Киселев И.Г.

Санкт-Петербург 2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Условные обозначения............................................................ 4

Введение.............................................................................. 9

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И ТЕНДЕНЦИИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМ ОВИК НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Особенности эксплуатации систем ОВиК с учетом климатических условий России при пассажирских перевозках........................ 14

1.2. Современные тенденции совершенствования систем ОВиК на ж/д транспорте..................................................................... 19

1.3. Способы повышения эффективности работы реверсивных кондиционеров в отопительном периоде............................... 28

1.4. Постановка задачи исследования........................................ 36

Глава 2. АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СИСТЕМ ОВИК ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА С РЕВЕРСИВНЫМ КОНДИЦИОНЕРОМ

2.1. Тепловой режим пассажирского вагона в отопительном периоде.... 38

2.2. Постановка задачи, структурная схема и последовательность расчета реверсивного кондиционера с парожидкостной

инжекцией........................................................................ 44

2.3. Анализ исходных данных и расчет цикла холодильной

машины........................................................................... 46

2.4. Поверочный расчет цикла теплового насоса........................................................49

2.5. Расчет цепи инжекции............................................................................................................58

2.6. Выводы по главе..............................................................................................................................69

Глава 3. КОМПЬЮТЕРНАЯ ПРОГРАММА РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК РЕВЕРСИВНОГО КОНДИЦИОНЕРА

3.1. Физические и математические предпосылки построения

программы............................................................................................................................................70

3.2. Алгоритм программы..................................................................................................................75

3.3. Пример расчета для экспериментальной установки......................................79

3.4. Выводы по главе..............................................................................................................................83

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА РЕВЕРСИВНОГО КОНДИЦИОНЕРА С ПАРОЖИДКОСТНОЙ ИНЖЕКЦИЕЙ

4.1. Описание испытательного стенда, опытного образца и измерительной аппаратуры......................................................................................................85

4.2. Оценка погрешности измерений..........................................................................................90

4.3. Общий алгоритм работы и управления цепью инжекции..........................97

4.4. Результаты испытаний................................................................................................................101

4.5. Сопоставление результатов экспериментального и теоретического исследования энергетических показателей

работы экспериментальной установки........................................................................103

4.6. Технико-экономическое обоснование применения

метода парожидкостной инжекции..............................................................................106

4.7. Выводы по главе............................................................................................................................111

Заключение....................................................................................................................................................112

Список использованной литературы......................................................................................114

Приложение 1................................................................................................................................................124

Приложение 2................................................................................................................................................128

Приложение 3................................................................................................................................................129

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Т0,10 - температура кипения, К, °С; Тк,(к - температура конденсации, К, °С; 1п - температура наружного воздуха, °С; 1С - температура воздуха в салоне вагона, °С; ^ - температура рециркуляционного воздуха, °С; Сопд - температура воздуха на входе в конденсатор, °С; С1нд - температура воздуха на выходе из конденсатора, °С; Ссп - температура воздуха на входе в испаритель, °С;

_ температура воздуха на выходе из испарителя, °С; 1иг - температура нагнетания, °С; /ве - температура всасывания, °С;

1Усшохл - температура уставки в режиме «охлаждение», °С;

(Уст,1аг - температура уставки в режиме «нагрев», °С;

Тоснвх - температура основного потока хладона на входе в ПТО, К;

Тжн въ1х - температура основного потока хладона на выходе из ПТО, К;

Тщ ю - температура хладона в цепи инжекции на входе в ПТО, К;

тщ вых - температура хладона в цепи инжекции на выходе из ПТО, К;

Тпром - температура насыщенной жидкости на пограничной кривой при

промежуточном давлении, К; А^0,ДГ0 - перегрев основного потока хладона в испарителе, К, °С; А^.ДГ, - переохлаждение основного потока хладона в конденсаторе, К, °С; АТЩ - перегрев паров хладона в цепи инжекции после ПТО, К, °С; А- переохлаждение основного потока хладона в ПТО, К, °С;

АТпром - разница температур основного потока хладона на выходе из ПТО и

насыщенной жидкости на пограничной кривой при промежуточном давлении, К, °С; АТ - температурный напор, К, °С; Р0 - абсолютное давление кипения, Па; Рк - абсолютное давление конденсации, Па; Рпрам - промежуточное давление, Па; ()к - теплопроизводительность, Вт; <90 - холодопроизводительность, Вт; <2Т - отопительная нагрузка вагона, Вт; дк - удельная теплопроизводительность, Дж/кг; д0 - удельная холодопроизводительность, Дж/кг; бф&осн ~ расход хладона в основном потоке, кг/с;

- расход хладона в цепи инжекции, кг/с; Сн - расход наружного воздуха, кг/с;

Ср - расход рециркуляционного воздуха, кг/с;

Свмш) - расход воздуха через конденсатор, кг/с;

Св.ис» - расход воздуха через испаритель, кг/с;

м>в - скорость воздуха, м/с;

м>-скорость движения вагона, м/с;

рп - плотность наружного воздуха, кг/м3;

Рр - плотность рециркуляционного воздуха, кг/м3;

р- плотность насыщенной жидкости хладона, кг/м3;

ср - изобарная теплоемкость воздуха, Дж/(кг-К);

¡\опд - площадь поверхности конденсатора, м2;

- площадь поверхности испарителя, м2; ^ - площадь поверхности стен вагона, м2;

- площадь поверхности пола вагона, м2;

площадь поверхности потолка вагона, м2;

- площадь поверхности окон вагона, м2;

- суммарная площадь поверхности стен, пола, потолка и окон вагона, м2; ¥и - объемная производительность компрессора, м3/с;

Я- коэффициент подачи компрессора; як - степень повышения давления; у- удельный объем паров хладона, м3/кг; у - удельный объем паров хладона перед сжатием, м3/кг; ¡¥т - водяной эквивалент воздуха, омывающего поверхность испарителя, Вт/К; 1¥ек - водяной эквивалент воздуха, омывающего поверхность конденсатора, Вт/К;

Коид~ коэффициент теплопередачи конденсатора, Вт/(м2-К);

Ко, ~ коэффициент теплопередачи испарителя, Вт/(м2 -К);

кс - коэффициент теплопередачи стен вагона, Вт/(м2 К);

кп - коэффициент теплопередачи пола вагона, Вт/(м2 -К);

кти - коэффициент теплопередачи потолка вагона, Вт/(м2-К);

коК - коэффициент теплопередачи окон вагона, Вт/(м2 К);

К- эффективный средний коэффициент теплопередачи всего наружного

ограждения вагона, Вт/(м2-К); К^- эффективный средний коэффициент теплопередачи всего наружного

ограждения вагона в движении, Вт/(м2 -К); <1шс - тепловой поток, выделяемый отдельным пассажиром, Вт/чел; ав - коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, Вт/(м2 -К); арт - коэффициент теплоотдачи со стороны рабочего тела, Вт/(м2 К);

г- удельная теплота парообразования, Дж/кг; Лр - теплопроводность, Вт/(м К);

5- толщина стенки, м;

¡й- динамическая вязкость, Па-с;

с1- диаметр, м;

плотность теплового потока, Вт/м2; в- среднелогарифмический температурный напор, К, °С; g- ускорение силы тяжести, м/с2; (р - относительная влажность, %; срт - коэффициент преобразования теплоты; Ыкттр - потребляемая мощность компрессора, Вт; Ыак - потребляемая мощность вентилятора конденсатора, Вт; Мтэн ~ потребляемая мощность системы электрокалориферного отопления, Вт; Щ°нтр - потребляемая мощность реверсивного кондиционера, Вт;

- потребляемая мощность реверсивного кондиционера с парожидкостной

инжекцией, Вт; Тот ~ продолжительность отопительного периода, суток/год; г- время работы системы отопления в сутки, ч/сутки;

Щзч! ~ годовой расход электроэнергии системы электрокалориферного

отопления, кВт • ч/год; Шт - годовой расход электроэнергии реверсивного кондиционера, кВт ■ ч/год; - годовой расход электроэнергии реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией, кВт ■ ч/год; АЖ-экономия электроэнергии, кВт • ч/год;

- расходы на электроэнергию, руб/год; А5Э - экономия расходов на электроэнергию, руб/год.

АББРЕВИАТУРЫ СОКРАЩЕНИЙ

ОВиК отопление, вентиляция и кондиционирование;

ТРВ терморегулирующий вентиль;

СКВ система кондиционирования воздуха;

хм холодильная машина;

тн тепловой насос;

ПТО промежуточный теплообменник;

нсх номинальная статистическая характеристика;

СУ система управления;

нво низковольтное электрическое отопление.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Одной из важнейших научно-технических проблем Российской Федерации является проблема энергосбережения. Известно, что в России потребление энергии на единицу производимой продукции в несколько раз больше, чем в развитых странах. Не случайно озабоченность этой проблемой вылилась в Федеральный Закон, принятый Государственной Думой 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации", а на его развитие Распоряжением Правительства Российской Федерации от 27.12.2010 г. № 2446-р. утверждена Государственная программа Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года» с разделом «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на транспорте». В этих документах указывается, что «энергосбережение и повышение энергетической эффективности следует рассматривать как один из основных источников экономического роста». Соответствующая отраслевая программа «Энергетическая стратегия ОАО «РЖД»» была принята ОАО «Российские железные дороги» распоряжением № 212р от 02.2010 г. Значительные резервы в экономии энергии и повышении эффективности ее использования на железнодорожном транспорте имеются в подвижном составе, в частности в системах отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВиК) пассажирских вагонов.

Потребность каждого человека ездить в поезде, в котором поддерживается благоприятный микроклимат, абсолютно естественна. Соответствующими нормативными документами как РФ, так и других стран установлены определенные требования к системам ОВиК для пассажирских вагонов. Поэтому в настоящее время практически все ведущие мировые производители железнодорожного транспорта предлагают своим заказчикам

подвижной состав, оснащённый различными системами кондиционирования воздуха.

В любом пассажирском вагоне система ОВиК потребляет до 50% и более установленной мощности. С учетом постоянного роста технической оснащенности вагонов проблема эффективного использования предоставляемой мощности и ее экономии для пассажирских вагонов представляется весьма важной. Особенно актуальной она оказывается для подвижного состава Российских железных дорог, работающего в широком диапазоне температур окружающей среды от минус 50°С до плюс 40°С. Специалистами многих российских предприятий (ОАО «ВНИИЖТ», СПбГУНиПТ, ЗАО «Остров», ЗАО «Лантеп», ЗАО «ТРАНСКОН», ОАО НТЦ «Завод «Ленинец», ЗАО «Петроклима», ООО «Балтийские кондиционеры» и др.) и зарубежных фирм (Siemens, Mitsubishi, Hagenuk Faiveley, Merak, Alstom, Bombardier Transportation) постоянно ведутся исследования и разработки, направленные на повышение энергетической эффективности работы систем ОВиК пассажирских вагонов.

Поскольку одними из самых актуальных стоят вопросы энергосбережения и поддержания комфортных условий в салоне вагона, наиболее целесообразным, с этой точки зрения, является использование в отопительный период реверсивных кондиционеров, позволяющих не только охлаждать помещение в летнее время, но и, реализуя обратный цикл, отапливать его в зимний и переходный периоды. Однако, при всей перспективности использования реверсивных кондиционеров, их внедрение зачастую тормозится из-за снижения эффективности режима при температурах наружного воздуха ниже -5°С. Существующие установки ориентированы, главным образом, на работу в режиме «охлаждение». Однако уже на этапе проектирования кондиционера важно знать, как: он будет работать в реверсивном режиме при разной температуре наружного воздуха. Знание этого поможет внести оптимальные изменения в конструкцию кондиционера и повысить эффективность работы установки в целом. В последние годы появились

способы и технологии повышения коэффициента преобразования теплоты реверсивных кондиционеров, а также расширения диапазона наружных температур применения указанного режима до -25°С, в частности метод парожидкостной инжекции, заключающийся во всасывании дополнительного количества хладона после конденсатора в промежуточную область сжатия компрессора, а также использование хладонов с более широким диапазоном температур кипения при более высоких значениях рабочих давлений.

Целыо работы является исследование возможности повышения эффективности работы и расширения диапазона наружных температур применения реверсивного кондиционера пассажирского вагона до -25°С посредством использования метода парожидкостной инжекции и более низкокипящих хладонов.

Для достижения сформулированной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих способов повышения эффективности реверсивных кондиционеров.

2. Разработать методику расчета характеристик реверсивного теплового насоса в зависимости от температуры наружного воздуха при условии сохранения оборудования холодильной машины.

3. На основе предложенной методики разработать программу расчета энергетических показателей работы реверсивного кондиционера.

4. Проанализировать влияние цепи инжекции на повышение эффективности работы установки и разработать методику ее расчета.

5. Провести экспериментальные исследования эффективности применения метода парожидкостной инжекции.

Научная новизна исследования 1. Разработана методика расчета энергетических показателей работы реверсивного кондиционера в зависимости от температуры наружного воздуха при условии сохранения оборудования холодильной машины, наиболее полно учитывающая условия эксплуатации кондиционера.

2. Проанализировано влияние цепи инжекции и использование более низкокипящих хладоиов на повышение эффективности работы реверсивного теплового насоса.

3. Предложена методика расчета цепи инжекции в зависимости от температуры наружного воздуха.

Практическая значимость исследования

1. Показана эффективность использования метода парожидкостной инжекции при эксплуатации реверсивных кондиционеров пассажирских вагонов в отопительном периоде.

2. Разработана программа расчета энергетических показателей работы реверсивного кондиционера, позволяющая оценить работу установку еще на этапе проектирования и внести необходимые изменения в конструкцию.

3. Разработан алгоритм управления работой реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией, обеспечивающий полностью автономную работу установки при различных условиях эксплуатации.

4. Результаты аналитического расчета технико-экономического анализа показывают, что использование реверсивного кондиционера с парожидкостной инжекцией позволяет экономить 56% электроэнергии по сравнению с прямым электронагревом и 25% по сравнению с обычным реверсивным кондиционером.

Реализация результатов работы.

Разработанная программа расчета энергетических показателей работы реверсивного кондиционера была использована для проектирования установки УК ПВ исп. 01Т производства ЗАО «Петроклима» и для проектирования опытного образца производства ОАО «НТЦ «Завод Ленинец». Разработанный алгоритм управления реверсивным кондиционером с парожидкостной инжекцией был использован в опытном образце производства ОАО «НТЦ «Завод Ленинец».

Апробация работы.

Основные положения диссертации, результаты исследования, выводы и рекомендации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Теплотехника и теплосиловые установки» 1ТГУПС в 2009-2013 гг., на научно-технических конференциях студентов, молодых специалистов и ученых «Неделя науки - 2010, 2011» (ПГУПС, Санкт-Петербург), на 70-й Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного