автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Разработка испарительной водо-воздушной системы кондиционирования для железнодорожного транспорта

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

На правах рукописи

Жаров Антон Андреевич

УДК 621.59

РАЗРАБОТКА ИСПАРИТЕЛЬНОЙ ВОДО-ВОЗДУШНОЙ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ Д ЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Специальность 05.04.03. Машины и аппараты, процессы холодильной и

криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2006

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Фролов Ю.Д.

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент Гаранов С.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Буравой С.Е.

доктор технических наук, профессор. Харитонов В.П.

Ведущее предприятие:

ОАО НПО «НАУКА»

Защита диссертации состоится "17 " Мая 2006 г. в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.141.16 при Московском государственном техническом университета им. Н.Э. Баумана по адресу: 107005, г. Москва, Лефортовская набережная, д.1., корпус факультета «Энергомашиностроение».

Ваши отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по адресу: 107005, г. Москва, ул. 2-ая Бауманская, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана

Автореферат разослан " 13 "_^ Ч_2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д212.141.16

кандидат технических наук, доцент

Глухов С. Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время особое внимание уделяется проблеме перехода систем кондиционирования воздуха (СКВ) на экологически безопасные хладагенты и поиску энергоэффективных рабочих циклов. В рамках реализации Венской конвенции об охране озонового слоя атмосферы (1985 г.) и Монреальского протокола о прекращении

потребления веществ, разрушающих озоновый слой (1987 г.) широкое распространение в СКВ уже получили озонобезопасные хладагенты типа 11134а, Я407С и Я410А. Однако в связи с ратификацией большинством промышленно развитых стран, в том числе и Россией, Киотского протокола к «Рамочной конвенции ООН об изменении климата» (1992 г.) актуальной задачей остается переход СКВ на хладагенты, не способствующие глобальному потеплению климата.

Решение данной задачи особенно важно для транспортных СКВ, для которых предъявляются повышенные требования к герметичности рабочих контуров, и, в частности, для железнодорожных СКВ. Это связано с возрастающими требованиями к комфорту проезда пассажиров на железнодорожном транспорте и значительным ростом количества вагонов, оборудованных СКВ.

Одним из перспективных направлений поиска являются СКВ с испарительными водо-воздушными циклами, поскольку в пассажирских вагонах всегда находится расходная емкость с водой, запасы которой регулярно пополняются в процессе движения железнодорожного состава.

Испарительные водо-воздушные системы известны достаточно давно и широко распространены в странах, имеющих засушливый климат. Однако актуальной остается задача разработки эффективной СКВ с испарительным водо-воздушным циклом, работоспособной как в условиях засушливого, так и влажного климата.

Цель работы; разработка и исследование испарительной водо-воздушной СКВ для железнодорожного пассажирского транспорта при эксплуатации в пределах России и ближнего зарубежья.

Основные задачи.

1. Анализ существующих решений испарительных водо-воздушных систем охлаждения. Выбор наиболее рациональных схем СКВ. Определение путей их совершенствования.

2. Разработка методик расчета перспективных СКВ.

3. Расчетно-аналитические исследования характеристик анализируемых СКВ при различных условиях работы; выявление климатических границ использования СКВ; определение наиболее экономичных режимов работы. Предложение перспективной схемы.

4. Оценка влияния основных технических факторов (КПД агрегатов, эффективности увлажнителей, величины барометрического давления, температуры испаряемой воды и величины минимально допустимого температурного напора в теплообменнике) на энергетические и

сос. национальная) библиотека 4 СОстерЛрг О» Щ» и&и ,

массогабаритные характеристики предлагаемой СКВ.

5. Создание экспериментального стенда для исследования основных характеристик косвенно-испарительной системы охлаждения при пониженных давлениях во вспомогательном потоке и проведение испытаний для подтверждения результатов, полученных расчетно-аналитическим путем.

6. Разработка рекомендаций для проектирования рассмотренных СКВ.

7. Адаптация экспериментального стенда к условиям использования его в учебном процессе в качестве лабораторной установки.

Научная новизна.

1. Найдены пути совершенствования СКВ с испарительным водо-воздушным охлаждением для эксплуатации в условиях повышенной влажности. Предложена наиболее эффективная схема СКВ.

2. Определено влияние на характеристики перспективных схем СКВ термодинамических параметров воздуха окружающей среды и в кондиционируемом объеме, а также управляющих параметров СКВ. Определены наиболее экономичные условия работы. Оценены климатические границы использования рассматриваемых систем.

3. Показано, что использование испарительного охлаждения перед детандером позволяет значительно понизить потребляемую мощность СКВ и площадь рекуперативного теплообменника.

4. Получены экспериментальные зависимости температуры охлажденного потока воздуха от соотношения расходов и давления вспомогательного потока для вакуумного косвенно-испарительного цикла.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1. Разработаны инженерные методики расчета перспективных испарительных водо-воздушных схем СКВ, позволяющие оценить характеристики СКВ в различных режимах работы.

2. Получены рекомендации по организации наиболее экономичных режимов работы перспективных СКВ.

3. Установлено влияние на характеристики предложенной СКВ величин барометрического давления, КПД увлажнителей, детандера и компрессора, температуры испаряемой воды, величины минимально допустимого температурного напора в теплообменнике. Даны рекомендации разработчикам СКВ.

4. Определены пути увеличения эффективности и снижения габаритов рассмотренных СКВ за счет использования внутренней рециркуляции в кондиционируемом объеме.

5. Создан экспериментальный стенд, позволяющий исследовать основные процессы косвенно-испарительного охлаждения при пониженном давлении во вспомогательном потоке.

Рекомендации к внедрению. Разработанные методики расчета

рекомендуются для проектирования перспективных экологически чистых

СКВ с испарительными водо-воздушными циклами.

Созданный экспериментальный стенд используется в лабораторной практике кафедры Э-4 МГТУ им. Н.Э. Баумана для изучения методов определения реальных характеристик системы охлаждения с водо-воздушным косвенно-испарительным циклом и отдельных ее элементов.

Достоверность полученных данных обеспечивалась применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения, хорошей повторяемостью полученных результатов измерений, определением и анализом погрешности измерений.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции «Образование через науку», посвященной 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана, 18 мая 2005 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 работ, в том числе 3 патента Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из перечня основных условных обозначений, введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы (108 наименований) и содержит 187 стр. основного текста, 46 рис. и 3 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы. Сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе «Состояние вопроса, постановка цели и задач исследования» анализируются современные требования к СКВ для пассажирского железнодорожного транспорта. Проводится обзор существующих зарубежных и отечественных транспортных установок кондиционирования воздуха. Показано, что эффективность охлаждения (отношение полной холодопроизводительности к затрачиваемой мощности) в существующих железнодорожных СКВ с парокомпрессионными холодильными машинами (ПКХМ) не превышает 2 при работе в номинальном режиме, соответствующем температуре воздуха окружающей среды (ОС), равной 32°С, и относительной влажности - 70%. Отмечаются общая тенденция перехода на экологически безопасные хладагенты и проблема поиска энергоэффективных циклов с их использованием. Показывается, что одним из перспективных направлений разработок СКВ для железнодорожного транспорта являются испарительные водо-воздушные системы. Отмечаются последние разработки фирмы ЭЛСОКС, Россия, имеющей в настоящее время заказ на оборудование 50 пассажирских вагонов климатическими системами с косвенно-испарительным регенеративным охлаждением.

Особое внимание обращается на ряд простых в устройстве водоиспарительных систем, среди которых выделяется атмосферная схема (рис. 1). В основу атмосферной СКВ заложены идеи, предложенные Б.Н.

з

Юрмановым с соавторами. В рассматриваемой системе приточный воздух (7пр„т проходит двухступенчатое охлаждение: сначала при постоянном влагосодержании в рекуперативном теплообменнике ТО, а затем в увлажнителе У1. Эта схема интересна простотой устройства, отсутствием сложных и дорогостоящих агрегатов, рекуперацией холода вытяжного потока, использованием общей рециркуляции и может быть использована в регионах с умеренно влажным и засушливым климатом. При этом литературный обзор показал отсутствие подходящей методики расчета подобной СКВ и неполноту информации о ее характеристиках.

Отмечается недостаточность разработок испарительных водо-воздушных СКВ для эксплуатации в регионах с повышенной влажностью воздуха. Известны решения косвенно-испарительных систем охлаждения с интенсификацией испарения за счет понижения давления вспомогательного потока, предложенные В.В. Игнатовым. В таких системах разряжение во вспомогательном потоке атмосферного воздуха осуществляется в дросселирующих устройствах посредством нагнетателей, выбрасывающих отработавший вспомогательный поток воздуха в атмосферу. Эффективность таких систем незначительна и практически неприемлема для СКВ пассажирских вагонов.

Использование вместо дросселя детандера, отдающего работу расширения нагнетателю, позволяет не только скомпенсировать часть затрат мощности на привод нагнетателя, но и увеличить холодопроизводительностъ. СКВ с подобным принципом действия разработана фирмой ЫЕВНЕИЯ (Австрия) в 2002 г. для пассажирских вагонов высокоскоростных европейских поездов 1СЕЗ (детандерная схема, рис. 2). Указанная СКВ не требует носимого запаса воды, а косвенно-испарительное охлаждение осуществляется при испарении в вытяжном потоке конденсата из охлаждаемого приточного воздуха. В этом случае компенсируется холод, затраченный на конденсацию излишней влаги из приточного воздуха.

Методика расчета такой СКВ в открытой печати отсутствует, а технические характеристики, указанные в рекламных материалах не позволяют в полной мере оценить ее эффективность и границы применения.

На основе проведенного анализа известных струиурных и конструктивных решений для пассажирского железнодорожного транспорта сформулированы цель и задачи настоящей работы.

Во второй главе «Анализ перспективных СКВ с испарительными водо-воздушными циклами» выполнен анализ влияния различных климатических факторов, а также управляющих параметров на рабочие характеристики атмосферной и детандерной схем СКВ. Разработаны соответствующие методики расчета. При этом было исследовано влияние температуры и относительной влажности воздуха ОС (/ос и ф^) и воздуха в кондиционируемом объеме (1шххо и ф>ых,ко), степени общей рециркуляции воздуха (бред), расхода приточного воздуха (Крит), давления воздуха после

детандера (р„).

В расчетах приняты следующие основные допущения: Постоянство явных теплоизбытков в кондиционируемом объеме (КО) во всех условиях работы СКВ; КПД увлажнителей = 100%; коэффициент теплопередачи в рекуперативном теплообменнике одинаков для всех схем СКВ и не зависит от режима теплообмена.

В работе приведены выводы о степени влияния различных факторов на характеристики СКВ и указаны рекомендации разработчикам.

Экономичные условия работы атмосферной схемы СКВ:

В кондиционируемом объеме следует поддерживать максимальную температуру /ВЬ1Х ш (по существующим санитарным нормам 26 °С) и минимальную относительную влажность фвыхко из возможных для данных параметров воздуха ОС. Расход приточного воздуха должен быть минимальным и определяется минимально допустимой температурой воздуха, подаваемого в КО (/прит >16 °С). Степень рециркуляции должна быть максимальной из санитарно допустимых значений, не вызывающих при этом нарушение температурного режима в теплообменнике (должна отсутствовать тепловая «засечка» теплообменника).

В работе отмечено, что выполнение действующего санитарного ограничения (прт > 16 °С не соответствует наиболее экономичным условиям работы СКВ. Например, при г,к= 32 °С, фм= 20 %, /вых к0= 26 °С, фвыхк0= 50 %, бред =0% снижение температуры г1фит с 16 °С до 13,8 °С позволяет снизить расход приточного воздуха на 19% (от 4300 мЗ/ч до 3500 мЗ/ч), что приводит к снижению потребляемой мощности СКВ в 1,9 раза (с 3,8 до 2,0 кВт) и снижению потребляемого расхода воды на увлажнение в 1,3 раза: с 37,6 до 29,5 кг/ч.

Очевидно, что в данном случае целесообразно применить устройства

ОС

веб

81. 2 — вентилятор;

ТО - теплообменник

У1. 2 — ублажнителк

Р31, Z 2 - рвеулирующоя заслонка

РБ — расходной бак

Сприщ вбит, врец — массобыа расход сбежеяь приточное^ битяжноео и рециркуляционного боздухц

КО - кондиционируемой обоек ОС - окружающая среда

вбит

Рис. 1. Атмосферная схема СКВ.

для организации внутренней рециркуляции воздуха, которые позволят обеспечить температуру приточного воздуха, поступающего в КО, 1прт > 16 "С за счет смешения переохлажденного воздуха, подаваемого кондиционером, с воздухом, забираемым из КО. При этом энергопотребление СКВ увеличится не более чем на 450 Вт на вагон за счет установки дополнительных микровентиляторов внутренней рециркуляции. Следует отметить, что внутренняя рециркуляция позволит регулировать температуру в КО и температурный градиент по КО за счет изменения расходов воздуха охлажденного в кондиционере и рециркуляционного.

Расчеты показали, что при существующем санитарном ограничении минимальной температуры воздуха, поступающего в кондиционируемый объем, и предельной пропускной способности приточных воздуховодов (5000 м3/ч) область достижимых комфортных параметров в КО в значительной мере ограничивается; так невозможно получить комфортные температуры ниже 24,5 °С, а относительную влажность воздуха выше 61 %. При использовании внутренней рециркуляции минимальный порог температур понизится до комфортного минимума в 22 °С.

Область параметров ОС, в которой атмосферная СКВ способна обеспечивать комфортные параметры в КО соответствуют условиям умеренного и засушливого климата (например, среднеазиатского). В условиях климата с повышенной влажностью (при влагосодержании больше 10,2 г/кг с.в.) данная схема неспособна обеспечить комфортные параметры воздуха в кондиционируемом объеме.

Экономичные условия работы детандерной схемы СКВ:

Если осушка приточного воздуха не требуется, тогда в кондиционируемом объеме целесообразно поддерживать максимальную температуру воздуха из диапазона комфортных (26 °С). Степень общей рециркуляции в этом случае должна выбираться из диапазона 20 - 30%, давление за детандером - из диапазона 75 - 80 кПа, а расход приточного воздуха должен быть минимальным, исходя из условия отсутствия температурной «засечки» в теплообменнике. Относительная влажность воздуха в КО в этом случае не регулируется, а однозначно определяется сочетанием указанных выше параметров.

При указанных условиях температура приточного воздуха будет порядка 12 °С, что ниже допустимой Гприт > 16 °С. Для соблюдения санитарного требования необходимо либо дополнительно использовать внутреннюю рециркуляцию воздуха в вагоне, либо работать в менее экономичном режиме - с повышенным расходом приточного воздуха (около 4300 мЗ/ч) при давлении за детандером на уровне 80 кПа.

При необходимости конденсации излишков паров воды из приточного воздуха: в кондиционируемом объеме целесообразно поддерживать максимальную комфортную температуру (26 °С) и минимальную из возможных (по условию отсутствия «засечки» теплообменника)

относительную влажность воздуха при давлении за детандером в диапазоне 70 - 75 кПа. При этом степень общей рециркуляции необходимо задавать максимально возможной по условию отсутствия «засечки» в теплообменнике (около 30 %). Температура приточного воздуха в этом случае будет низкой -около 6... 7 "С.

Для соблюдения санитарного требования /пр11Т > 16 °С необходимо использовать внутреннюю рециркуляцию или поддерживать относительную влажность в КО не ниже 56 % и давление за детандером на уровне 80 кПа.

Область достижимых комфортных параметров в КО для детандерной схемы СКВ остается той же, что и для атмосферной схемы.

Анализ показал, что детандерная схема СКВ универсальна по климатическим районам эксплуатации и позволяет обеспечивать комфортные условия в вагоне при влагосодержании воздуха ОС от 5,5 г/кг и выше (вплоть до 100% относительной влажности) без ограничений по температуре.

Проведенные исследования подтвердили высокую эффективность детандерной схемы при высоком влагосодержании воздуха ОС (большом объеме конденсирующейся влаги из приточного воздуха) из-за значительной доли испарительного эффекта охлаждения в холодопроизводительности. Однако в более сухих климатических условиях эффективность ощутимо снижается. Так, если при = 32°С, фос = 70%, £реЦ - 0% и наиболее экономичных условиях /ВЫхи> = 26°С, фВыхко = 57%, и ре = 71 кПа эффективность холодильной системы составляет 3,1 (при доле испарительного эффекта в холодопроизводительности 59%), то при = 32°С, фос = 30% и 8реЦ = 0%, когда наиболее экономичные условия /,шх ко= 26 °С, фвых.и>= 45%, аръ = 80 кПа эффективность холодильной системы в 2,4 раза ниже (1,3), что хуже соответствующего показателя СКВ с ПКХМ.

В связи с этим была предложена комбинированная схема СКВ (рис. 3) представляющая собой детандерную схему с дополнительным увлажнителем

ОС Р31 Y32

—®

91, 2 - дентилвтор; ТО - теплообменник У - убложнитеяь, Р31, 2 - регулирующая заслонка; OB - отделитель благи; ТД - турбодетандер; ТК — турбокомпрессор; ЭД - электродбиготелы Geb, Gnpum, Сбит, Gpeu -моссобаО расход свежего, приточного, батяжного и рециркуляционного баздуха; КО — кондиционируемой обьем; ОС ~ окружающая среда Сбыт

Рис. 2. Детандерная схема СКВ.

перед детандером, вода в который подается из имеющегося расходного бака РБ вагона, предназначенного для санитарных нужд.

В этом случае вода не засоряет теплообменник ТО солями, образующимися при испарении - все соли будут удаляться из поддона увлажнителя У2 в процессе эксплуатации.

Расчеты показали, что дополнительное испарительное охлаждение перед детандером позволяет, увеличить максимально допустимое давление за детандером и увеличить температурный напор в теплообменнике. Что приводит к снижению потребляемой мощности СКВ и габаритов центральной установки за счет уменьшения требуемой площади рекуперативного теплообменника.

Экономичные условия работы предлагаемой комбинированной схемы СКВ: совпадают с экономичными условиями работы детандерной схемы, за исключением режимов работы без осушки приточного воздуха, когда степень общей рециркуляции должна выбираться максимальной из допустимых -30%, а давление за детандером - из диапазона 85 - 89 кПа.

Использование внутренней рециркуляции воздуха также как и для атмосферной и детандерной схем позволит существенно сократить энергопотребление комбинированной системы и позволит расширить диапазон достижимых комфортных значений I и ф в кондиционируемом объеме.

Предлагаемая схема работоспособна в том же диапазоне параметров ОС, что и детандерная и позволяет получить комфортные параметры в том же диапазоне, но при меньших энергозатратах и габаритах теплообменника.

На рис. 4 и 5 приведены сравнительные характеристики рассмотренных схем СКВ, подчеркивающие вывод о том, что

ОС

Ссб

Р31

В1, 2 — вентилятор: ТО - теплообменник У1. 2 - увлажнитель Р31, 2 - регулирующая заслонка РБ ~ расходной бок OBI, 2 — отделитель благц ТД - турбодетондерс *

ТК - турбокомпрессор, ЭД — электродвигатель, Gc6, Сприт, Сват, Срвц -массобиО расход свежего, приточного, ватажного и рециркуляционного воздуха КО - кондииионируемай обьен ОС — окружающая среда

GQam

Рис. 3. Предлагаемая комбинированная схема СКВ.

комбинированная СКВ наилучшим образом подходит для эксплуатации в широком диапазоне климатических регионов, включая приморские и континентальные районы.

В третьей главе «Анализ влияния на характеристики предлагаемой СКВ основных технических факторов» проанализировано влияние на характеристики предлагаемой комбинированной схемы СКВ ряда основных технических факторов: КПД агрегатов, эффективности увлажнителя, величины барометрического давления, температуры испаряемой воды и величины минимально допустимого температурного напора в теплообменнике. Сформулированы рекомендации разработчикам СКВ по учету указанных факторов.

КПД увлажнителя г\у ощутимо влияет на потребление воды и площадь теплообмена. Так при параметрах р6 = 98,071 кПа, toc = 32 °С, фос = 70 %, /вхш = min = 16 "С, /8ЫХко = тах = 26 °С, фвыхш = 56,837, крец = 30 % с увеличением т|у от 40 % до 100 % расход воды увеличивается с 3,7 до 9,5 кг/ч, а площадь теплообмена сокращается со 130 до 84 м2.

КПД детандера r|M в значительной мере влияет на потребляемую мощность и площадь теплообмена. Например, при увеличении г|м от 50 до 90 % потребляемая мощность может сократиться с 32 до 14 кВт, а требуемая площадь теплообмена уменьшиться со 142 до 78 м2.

КПД компрессора r|JK оказывает ощутимое влияние лишь на потребляемую мощность СКВ.

Влияние температурного напора Л/тот,„ в рекуперативных теплообменниках на энергетические и массогабаритные характеристики СКВ весьма ощутимо. Так, при минимальном температурном напоре ДtTomi„ = 1 °С энергопотребление в рассматриваемой СКВ будет порядка 12 кВт, требуемая площадь теплообмена - 160 м2. Если же принять А= 10 °С, тогда энергопотребление возрастет до 30 кВт, а площадь теплообмена снизится до 20 м2. Следовательно, значение минимального температурного напора в рекуперативных теплообменниках следует уточнять в процессе

проектирования с учетом энергетических и массогабаритных ограничений СКВ.

Увеличение барометрического давления способствует снижению потребляемой мощности, потребляемого расхода воды и требуемой площади теплообмена. При этом в пределах реально встречающегося диапазона барометрического давления максимальное изменение касается потребляемой мощности и составляет 15%.

Влияние температуры воды, подаваемой на испарение незначительно.

N&iorp. кВт

25

°w£noTp. "Г/ч 60

ч -1— ! h 1

N

N1 I - Т -

|детандерная схема |

0 20 40 60 80 100

а) Фос.'

Ехс> ЗД 10

-ООО"0" | атмосферная схема!

ч /

\ |пред лагае мая с <ема|

ч й Г 1

i ч Ч

¡детандерная схема |

J---1-1-

F м* топшгм

500

О 20 40 60 80 100

б) Фос. %

400

300

200

100

V

1 /

|атм осфе зная с .хема

пред! larae пая га <ема|

_J ■ J-

О 20 40 60 80 100

. Фос. %

В)

О 20 40 60 00 100

„ч Фос. %

' рециркуляция 0 % —0— рециркуляция 30 %

Рис. 4. Влияние относительной влажности воздуха ОС ф^ на характеристики СКВ с атмосферной, детандерной и прелагаемой схемами, работающими на оптимальных режимах, при условии 1Ж= 32°С, /вх ко = min = 16°С, брец = 0 и 30%: а) на суммарное энергопотребление; б) на суммарный потребляемый расход воды; в) на эффективность холодильной системы; г) на требуемую минимальную площадь теплообменника СКВ.

■ рециркуляция 0 % —рециркуляция 30 % Рис. 5. Влияние температуры воздуха ОС t^ на характеристики СКВ с атмосферной, детандерной и прелагаемой схемами, работающими на оптимальных режимах, при условии фос= 20%, îBxkd = т'п = 16°С, £реЦ = 0 и 30%: а) на суммарное энергопотребление; б) на суммарный потребляемый расход воды; в) на эффективность холодильной системы; г) на требуемую минимальную площадь теплообменника СКВ.

В четвертой главе «Экспериментальное исследование системы с водо-воздушным вакуумным косвенно-испарительным циклом охлаждения» дано описание разработанного экспериментального стенда, необходимого для исследования основных характеристик косвенно-испарительной системы охлаждения при пониженных давлениях во вспомогательном потоке. Целью исследования являлось экспериментальное подтверждение достоверности параметров охлаждаемого потока воздуха, полученных расчетно-аналитическим путем. Схема разработанной экспериментальной установки приведена на рис. 6.

В главе приведена методика экспериментальных исследований. Кроме того, разработаны вспомогательные экспериментальные методики, необходимые для: 1) определения расхода воды, подаваемой в увлажнитель по скорости перемещения воздушной пробки (пузыря) по прозрачной трубке известного поперечного сечения (методика необходима для предварительной настройки расхода воды); 2) определения расходов воздушных потоков с помощью измерения скорости потока в центре поперечного сечения и экспериментального коэффициента перехода от нее к средней скорости по всему сечению (методика применима при скоростях потоков выше 4 м/с, при этом относительная погрешность определения массового расхода воздуха не превышает 10 %).

На Рис. 7 и 8 приведены экспериментальные и расчетно-аналитические данные о температуре общего потока воздуха после охлаждения в косвенно-испарительном теплообменнике для различных соотношений расходов а = Ообщ/С/всп и при различных вакуумметрических давлениях во вспомогательном потоке: а) ртк=2,5 кПа, б) р,ак=10,0 кПа, в) /?ва*=19,7 кПа.

Исследования подтвердили адекватность результатов, полученных экспериментально и с помощью расчетно-аналитического метода определения температуры охлажденного приточного потока воздуха. Количественные расхождения расчетных и экспериментальных значений температуры на расчетных режимах не превысили 1,2°С.

I

__I

"■---^м-п®. » г—1 е

Йг

опружоюифк Среду

Рис. 6. Принципиальная схема экспериментального стенда.

Основные элементы конструкции ЗВ - заборный воздуховод; Ф1, Ф2, ФЗ, Ф4 - воздушные фильтры, КИТМ01 1, КИТМО! 2. - двухсекционный косвенно-нспарительный теплообменник, Ш - шибер, В - вентилятор; СУ1 2 - сетки успокоительные, РВ1, 2 - регулирующие возд>шные вентили, УС2 -смотровые участки воздуховодов, У - увлажнитель, И - иллюминатор; ОВ - отделитель влаги; ОВК — отделитель влаги контрольный, СК -смесительная камера, ФВН - форвакуумный насос; ГЛ - шумоглушитель, РБ ■ расходный бак, МЕВ1 - мерная емкость водяная; УПРБ - уравнительный промежуточный расходный бак, РВЗ - регулирующий вентиль расхода воды, СБ1, 2 - сборные баки, УВ - усилитель вакуума, В1 - вентиль вакуумнрования МЕВ1; В2, 3, 4 - дренажные вентили, В5 вентиль подачи воды из РБ. Обозначения приборов, датчиков и контролируемых величин ТП1, 2, 3 - трубки Пито, В - барометрическое давление, т - время, ТА1, 2, 3 - измерение скорости и температуры потоков термоанемометром, ТВК1, 2, 9 - датчики температуры и относительной влажности воздуха, НС 1, 2, 7 - приемники статического напора, НП1, 2, 3 - полный напор, снимаемый трубками Пито, НД1, 2, 3 - динамические напоры потоков, ЬТП1, 2, 3 - линейные координаты положения приемных участков трубок Пито в мерных сечениях, ¿Ч{\\> 2, 3 - угловые отклонения приемных участков трубок Пито от осей воздуховодов, ¿111 - угол поворота шибера, ¿РВ1, 2, 3 - угловое и» положение маховиков РВ1, 2, 3, N31, 2 - активные потребляемые электрические мощности электродвигателей ФВН и В, Рм, - вакуумметрическое

давление вспомогательного потока; У1, 2, 3 -контролируемые уровни воды, Д\Лл1,2, 3 - объемы воды, Т\у1, 2, 3 - датчики температура воды

Рис. 7. Экспериментальные данные о температуре общего потока, охлажденного в косвенно-испарительном теплообменнике в зависимости от соотношения расходов а = Су,пЩ/ОВС11 и вакуумметрического давления во вспомогательном потоке: а) рвак=2,5 кПа, б) рвж~10,0 кПа, в) рт=19,7 кПа.

t3, °с 18 16 14 12 ю 8 6 4 2 о 10

201 18

16 ■

14

12

10

8

6

4 ■ 2 :

0 •

-8

О о

•г'' о

/

✓

- и/ • t3 экспериме о t3 расчет нт

О 1

1 1 1 1

15 20 25 30 35 40 а)рвак = 2,5кПа

W1

------- --О

О

• ú эксперимент о t3 расчет

1 1 1

10

18 • 16 14 12 10 8 6 4 2 О

45 50 а,ед

в)рвак=19-7кПа

12 а,ед

—в-"Н

Ул

* / У

/

и

t3 расчет -1-

б) РВак = Ю,0 кПа

Рис. 8. охлажденного воздуха, в соотношения

Температура, общего потока зависимости от расходов а =

бобщ/Свсп и вакуумметрического давлениях во вспомогательном потоке: а) рлж=2,5 кПа, б) Рвак=Ю,0 кПа, в) ркпг 19,7 кПа. Данные эксперимента и его расчетного воспроизведения.

Выводы

1. Разработана и исследована комбинированная испарительная водо-воздушная СКВ для железнодорожного транспорта с открытым воздушным циклом пониженного давления во вспомогательном контуре, использующим испарительное охлаждение. Система обеспечивает комфортные условия в кондиционируемом объеме в широком диапазоне изменений климатических параметров воздуха окружающей среды без верхнего ограничения по температуре и с относительной влажностью до 100%.

2. Эффективность охлаждения предложенной системы при температуре окружающей среды 32°С составляет 1,7 ... 3,4 в зависимости от относительной влажности наружного воздуха; с увеличением температуры эффективность системы повышается, что принципиально отличает рассматриваемую систему от СКВ с парокомпрессионным циклом охлаждения.

3. Испарительное охлаждение вытяжного потока перед детандером позволяет значительно снизить энергопотребление комбинированной СКВ, особенно в сухих климатических условиях, уменьшить требуемую поверхность (массу и габариты) рекуперативного теплообменника. Так, на номинальном расчетном режиме (при температуре воздуха окружающей среды 32°С, влажности 19% и температуре воздуха, подаваемого в купе вагона 16°С) при отсутствии рециркуляции снижение энергопотребления составляет 61% (от 18,1 до 7,1 кВт), а поверхность теплообмена сокращается на 29% (от 119,8 до 85,3 м2).

4. Комбинированная СКВ позволяет снизить температуру приточного воздуха, подводимого к кондиционируемому объему (купе вагона). При этом температура воздуха непосредственно на входе в купе (> 16°С) обеспечивается за счет внутренней рециркуляции. Такое решение позволяет расширить диапазон значений достижимых комфортных температур и влажности, снизить энергопотребление и расход воды. Так, при температуре окружающего воздуха 32°С, влажности 30%, температуре воздуха, уходящего из купе, 26°С, давлении воздуха после детандера 70 кПа и 30% общей рециркуляции снижение температуры приточного воздуха с 16,5 до 12,8°С позволяет сократить энергопотребление на 31% (от 21,2 до 14,7 кВт), а расход воды - на 32% (с 12,9 до 8,8 кг/ч); при этом поверхность теплообмена возрастет всего лишь на 3% (от 46,2 до 47,6 м2).

5. Использование блока внутренней рециркуляции позволяет индивидуально регулировать температуру воздуха в купе, его подвижность, организовать дополнительную обработку воздуха (фильтрацию, ионизацию, обеззараживание и т.д.).

6. Наиболее значительное влияние на основные характеристики комбинированной СКВ оказывают такие показатели, как: КПД увлажнителя, детандера, компрессора, минимальный температурный напор в рекуперативном теплообменнике. Так увеличение КПД увлажнителя от 40%

до 95% приведет к увеличению эффективного расхода воды в 2,4 раза, снижению поверхности теплообмена в 1,5 раза; увеличение КПД детандера с 50 до 90% позволяет сократить энергопотребление в 2,3 раза и уменьшить поверхность теплообмена в 1,8 раза; КПД компрессора оказывает соответствующее влияние практически только на энергопотребление системы; изменение минимального температурного напора в теплообменниках с 1 до 10°С приводит к увеличению энергопотребления в 2,5 раза (с 12 до 30 кВт) и снижению поверхности теплообмена в 8 раз (со 160 до 20 м2). Следовательно, величину температурного напора следует выбирать с учетом энергетических и массогабаритных ограничений. Барометрическое давление способствует изменению основных параметров СКВ в пределах 15%. Влияние температуры испаряемой воды несущественно.

7. Разработан и создан экспериментальный стенд для исследования основных характеристик косвенно-испарительной системы охлаждения при пониженных давлениях во вспомогательном потоке. Исследования, проведенные на стенде, подтвердили адекватность экспериментальных и расчетно-аналитических характеристик. Количественные расхождения расчетных и экспериментальных значений температуры на расчетных режимах не превысили 1,2°С.

В работе указаны направления дальнейших разработок энергоэффективных СКВ с испарительными водо-воздушными циклами:

1. СКВ с центральной подготовкой свежего воздуха и кондиционерами-доводчиками внутри КО. Хладоносителем в доводчиках является вода, охлажденная в центральном блоке СКВ. Увеличение температуры воздуха в КО при этом можно осуществлять либо пассивно, за счет отключения доводчиков либо за счет подачи теплого наружного воздуха. Такая система позволит обеспечить автономное регулирование температуры в отдельных зонах кондиционируемого объема.

2. Разрешение проблемы образования водяного камня в косвенно-испарительном теплообменнике при непосредственной подаче в него воды из внешнего носителя за счет организации рециркуляционного водяного контура в теплообменнике, который обеспечит вынос образующихся солей циркулирующим водяным потоком.

3. Разработка конструкций косвенно-испарительных теплообменных аппаратов, выполненных из пластических материалов, которые позволят решить вопрос коррозионной стойкости и снизят массу системы. Проведенные в рамках диссертации расчеты показали, что применение пластмасс в теплообменниках косвенно-испарительного типа приводит к незначительному снижению коэффициента теплопередачи (не более 14%), т.к. определяющим фактором в теплопередаче является теплоотдача со стороны сухого охлаждаемого воздушного потока. Одна из таких конструкций разработана автором и защищена патентом.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Тепловой расчет регенеративного косвенно-испарительного цикла охлаждения воздуха / Ю.Д. Фролов, С,А. Таранов, О.Б. Бионышев, A.A. Жаров // Вестник Международной академии холода (М.). - 2001. - Выпуск 3.-С. 29-32.

2. Жаров A.A., Фролов Ю.Д. Системы кондиционирования воздуха с водо-воздушным косвенно-испарительным циклом для влажного климата // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. - 2004. -Специальный выпуск. - С. 252-266.

3. Фролов Ю.Д., Жаров A.A. Новая конструкция косвенно-испарительного теплообменного аппарата на основе пластических материалов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. - 2004. - Специальный выпуск.-С. 234-251.

4. Жаров A.A., Игнатов В.В., Фролов Ю.Д. Определение технических характеристик кондиционера с водо-воздушным вакуумным косвенно-испарительным циклом: Методические указания к лабораторной работе по курсу «Расчет и проектирование систем кондиционирования воздуха». -М.: Изд-во УНЦ МГТУ им. Н.Э. Баумана «Криоконсул», 2005. - 76 е., ил.

5. Фролов Ю.Д., Жаров A.A. Анализ транспортных систем кондиционирования воздуха с воздушными косвенно-испарительными циклами // Образование через науку.: Тезисы докладов Международной конференции. - Москва, 2005.- С. 486 - 487.

6. Положительное решение от 22.02.2006 по заявке № 2004134394/06

(037406) от 26.11.2004 на патент на изобретение. Теплообменник пластинчатый / Ю.Д. Фролов, A.A. Жаров.

7. Положительное решение от 03.10.2005 по заявке № 2004134395/06

(037407) от 26.11.2004 на патент на изобретение. Кондиционер / Ю.Д. Фролов, A.A. Жаров.

8. Положительное решение от 03.10.2005 по заявке № 2004134396/06

(037408) от 26.11.2004 на патент на изобретение. Кондиционер / Ю.Д. Фролов, A.A. Жаров.

Подписано к печати *<0- ОV РА Зак. 16 0 Объем 1.0 пл. Тир. 100 Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.

»-7875

i

i

Условные обозначения.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Особенности СКВ для пассажирского железнодорожного транспорта и требования, предъявляемые к ним в настоящее время.

1.2. Анализ современных систем кондиционирования пассажирских железнодорожных вагонов.

1.3. Анализ схем СКВ с испарительными водо-воздушными циклом.

1.3.1. Обзор известных решений.

1.3.2. Перспективные схемы для использования на пассажирском железнодорожном транспорте.

1.4. Цель и задачи исследования.

2. АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СКВ С ИСПАРИТЕЛЬНЫМИ ВОДО-ВОЗДУШНЫМИ ЦИКЛАМИ.

2.1. Последовательность анализа. Исходные данные.

2.2. Атмосферная схема СКВ.

2.2.1. Методика расчета.

2.2.2. Характеристики СКВ с атмосферной схемой.

2.2.3. Рекомендации проектировщикам.

2.3. Детандерная схема СКВ.

2.3.1. Методика расчета.

2.3.1.1. Работа без конденсации влаги из приточного воздуха.

2.3.1.2. Работа с конденсацией излишней влаги из приточного воздуха.

2.3.2. Характеристики СКВ детандерной схемой.

2.3.2.1. Работа без конденсации влаги из приточного воздуха

2.3.2.2. Работа с конденсацией излишней влаги из приточного воздуха.

2.3.3. Рекомендации проектировщикам.

2.4. Предлагаемая комбинированная схема СКВ.

2.4.1. Методика расчета.

2.4.1.1. Работа без конденсации влаги из приточного воздуха.

2.4.1.2. Работа с конденсацией излишней влаги из приточного воздуха.

2.4.2. Характеристики СКВ с комбинированной схемой.

2.4.2.1. Работа без конденсации влаги из приточного воздуха.

2.4.2.2. Работа с конденсацией излишней влаги из приточного воздуха.

2.4.3. Рекомендации проектировщикам.

2.5. Сравнительный анализ рассмотренных схем СКВ.

3. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕДЛАГАЕМОЙ СКВ ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ

ФАКТОРОВ.

3.1. Влияние величины барометрического давления.

3.2. Влияние температуры воды, подаваемой на испарение и КПД увлажнителя.

3.3. Влияние КПД турбодетандера и турбокомпрессора.

3.4. Влияние величины минимально допустимого температурного напора в теплообменнике.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ С ВОДО-ВОЗДУШНЫМ ВАКУУМНЫМ КОСВЕННО

ИСПАРИТЕЛЬНЫМ ЦИКЛОМ ОХЛАЖДЕНИЯ.

4.1. Цель и задачи экспериментальных исследований.

4.2. Устройство экспериментальной установки.

4.3. Методика экспериментальных исследований.

4.3 Л. Условия проведения экспериментальных исследований.

4.3.2. Измеряемые экспериментальные параметры.

4.3.3. Средства измерения рабочих параметров.

4.3.4. Методика измерения рабочих параметров.

4.3.5. Обработка экспериментальных данных.

4.3.6. Оценка погрешности измерений.

4.4. Основные результаты экспериментальных исследований и их

Ц' обсуждение.

ВЫВОДЫ.

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

В последнее время особое внимание уделяется проблеме перехода систем кондиционирования воздуха (СКВ) на экологически безопасные хладагенты и поиску энергоэффективных рабочих циклов [20]. В рамках реализации Венской конвенции об охране озонового слоя атмосферы ([74], 1985 г.) и Монреальского протокола о прекращении потребления веществ, разрушающих озоновый слой ([29], 1987 г.) широкое распространение в СКВ уже получили озонобезопасные хладагенты типа R134a, R407C и R410A. Однако в связи с ратификацией большинством промышленно развитых стран, в том числе и Россией, Киотского протокола к «Рамочной конвенции ООН об изменении климата» ([30], 1992 г.) актуальной задачей остается переход СКВ на хладагенты, не способствующие глобальному потеплению климата.

Решение данной задачи особенно важно для транспортных СКВ, для которых предъявляются повышенные требования к герметичности рабочих контуров, и, в частности, для железнодорожных СКВ. Это связано с возрастающими требованиями к комфорту проезда пассажиров на железнодорожном транспорте и значительным ростом количества вагонов, оборудованных СКВ [20].

Одним из перспективных направлений поиска являются СКВ с испарительными водо-воздушными циклами, поскольку в пассажирских вагонах всегда находится расходная емкость с водой, запасы которой регулярно пополняются в процессе следования железнодорожного состава по маршруту.

Испарительные водо-воздушные системы известны достаточно давно и широко распространены в странах, имеющих засушливый климат [105, 106]. Так же известны воздушные системы, рационально использующие водяной конденсат, образующийся в процессе работы [93,

94, 95]. Однако актуальной остается задача разработки СКВ с испарительным водо-воздушным циклом, работоспособной как в условиях засушливого, так и влажного климата, и не уступающей по энергоэффективности традиционным СКВ с парокомпрессионпыми холодильными машинами.

Цель работы: разработка и исследование испарительной водо-воздушной СКВ для железнодорожного пассажирского транспорта при эксплуатации в пределах России и ближнего зарубежья.

Основные задачи:

1. Анализ существующих решений испарительных водо-воздушных систем охлаждения. Выбор наиболее рациональных схем СКВ. Определение путей их совершенствования.

2. Разработка методик расчета перспективных СКВ.

3. Расчетно-аналитические исследования характеристик анализируемых СКВ при различных условиях работы; выявление климатических границ использования СКВ; определение наиболее экономичных режимов работы. Предложение перспективной схемы.

4. Оценка влияния основных технических факторов (КПД агрегатов, эффективности увлажнителей, величины барометрического давления, температуры испаряемой воды и величины минимально допустимого температурного напора в теплообменнике) на энергетические и массогабаритные характеристики предлагаемой СКВ.

5. Создание экспериментального стенда для исследования основных характеристик косвенно-испарительной системы охлаждения при пониженных давлениях во вспомогательном потоке и проведение испытаний для подтверждения результатов, полученных расчетно-аналитическим путем.

6. Разработка рекомендаций для проектирования рассмотренных СКВ.

7. Адаптация экспериментального стенда к условиям использования его в учебном процессе в качестве лабораторной установки для определения реальных теплотехнических характеристик системы с водо-воздушным косвенно-испарительным циклом.

Научная новизна.

1. Найдены пути совершенствования СКВ с испарительным водо-воздушным охлаждением для эксплуатации в условиях повышенной влажности. Предложена наиболее эффективная схема СКВ.

2. Определено влияние на характеристики перспективных схем СКВ термодинамических параметров воздуха окружающей среды и в кондиционируемом объеме, а также управляющих параметров СКВ. Определены наиболее экономичные условия работы. Оценены климатические границы использования рассматриваемых систем.

3. Показано, что использование испарительного охлаждения перед у детандером позволяет значительно понизить потребляемую мощность

СКВ и площадь рекуперативного теплообменника.

4. Получены экспериментальные зависимости температуры охлажденного потока воздуха от соотношения расходов и давления вспомогательного потока для вакуумного косвенно-испарительного цикла.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1. Разработаны инженерные методики расчета перспективных испарительных водо-воздушпых схем СКВ, позволяющие оценить характеристики СКВ в различных режимах работы.

2. Получены рекомендации по организации наиболее экономичных режимов работы перспективных СКВ.

3. Установлено влияние на характеристики предложенной СКВ величин барометрического давления, кпд увлажнителей, турбодетандера и турбокомпрессора, температуры испаряемой воды, величины минимально допустимого температурного напора в теплообменнике. Даны рекомендации разработчикам СКВ.

4. Определены пути увеличения эффективности и снижения габаритов рассмотренных СКВ за счет использования внутренней рециркуляции в кондиционируемом объеме.

5. Создан экспериментальный стенд, позволяющий исследовать основные процессы косвенно-испарительного охлаждения при пониженном давлении во вспомогательном потоке.

Рекомендации к внедрению.

Разработанные методики расчета рекомендуются для проектирования перспективных экологически чистых СКВ с испарительными водо-воздушными циклами.

Созданный экспериментальный стенд используется в лабораторной практике кафедры Э-4 МГТУ им. Н.Э. Баумана для изучения методов определения реальных характеристик кондиционера и отдельных его элементов [79].

Достоверность полученных данных обеспечивалась применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения, хорошей повторяемостью полученных результатов измерений параметров модели кондиционера, определением и анализом погрешности измерений.

Апробация работы: Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции «Образование через науку», посвященной 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана, 18 мая 2005 г [80].

Публикации: по результатам проведенных исследований опубликовано 3 статьи в научных журналах [76.78]. Изданы методические указания по проведению лабораторных работ на созданном экспериментальном стенде [79]. Опубликованы тезисы доклада на научной конференции [80]. Поданы 3 заявки на получение патента на изобретеиие, по которым получены положительные решения [81 .83].

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (108 наименований) и содержит 187 стр. Основного текста, 46 рис. и 3 таблицы.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Разработана и исследована комбинированная испарительная водо-воздушная СКВ для железнодорожного транспорта с открытым воздушным циклом пониженного давления во вспомогательном контуре, использующим испарительное охлаждение. Система обеспечивает комфортные условия в кондиционируемом объеме в широком диапазоне изменений климатических параметров воздуха окружающей среды без верхнего ограничения по температуре и с относительной влажностью до 100%.

2. Эффективность охлаждения предложенной системы при температуре окружающей среды 32°С составляет 1,7 . 3,4 в зависимости от относительной влажности наружного воздуха; с увеличением температуры эффективность системы повышается, что принципиально отличает рассматриваемую систему от СКВ с парокомпрессионным циклом охлаждения.

3. Испарительное охлаждение вытяжного потока перед детандером позволяет значительно снизить энергопотребление комбинированной СКВ, особенно в сухих климатических условиях, уменьшить требуемую поверхность (массу и габариты) рекуперативного теплообменника. Так, на номинальном расчетном режиме (при температуре воздуха окружающей среды 32°С, влажности 19% и температуре воздуха, подаваемого в купе вагона 16°С) при отсутствии рециркуляции снижение энергопотребления составляет 61% (от 18,1 до 7,1 кВт), а поверхность теплообмена сокращается на 29% (от 119,8 до 85,3 м2).

4. Комбинированная СКВ позволяет снизить температуру приточного воздуха, подводимого к кондиционируемому объему (купе вагона). При этом температура воздуха непосредственно на входе в купе (> 16°С) обеспечивается за счет внутренней рециркуляции. Такое решение позволяет расширить диапазон значений достижимых комфортных температур и влажности, снизить энергопотребление и расход воды. Так, при температуре окружающего воздуха 32°С, влажности 30%, температуре воздуха, уходящего из купе, 26°С, давлении воздуха после детандера 70 кПа и 30% общей рециркуляции снижение температуры приточного воздуха с 16,5 до 12,8°С позволяет сократить энергопотребление на 31% (от 21,2 до 14,7 кВт), а расход воды - на 32% (с 12,9 до 8,8 кг/ч); при этом поверхность теплообмена возрастет всего лишь на 3% (от 46,2 до 47,6 м2).

5. Использование блока внутренней рециркуляции позволяет индивидуально регулировать температуру воздуха в купе, его подвижность, организовать дополнительную обработку воздуха (фильтрацию, ионизацию, обеззараживание и т.д.).

6. Наиболее значительное влияние на основные характеристики комбинированной СКВ оказывают такие показатели, как: КПД увлажнителя, детандера, компрессора, минимальный температурный напор в рекуперативном теплообменнике. Так увеличение КПД увлажнителя от 40% до 95% приведет к увеличению эффективного расхода воды в 2,4 раза, снижению поверхности теплообмена в 1,5 раза; увеличение КПД детандера с 50 до 90% позволяет сократить энергопотребление в 2,3 раза и уменьшить поверхность теплообмена в 1,8 раза; КПД компрессора оказывает соответствующее влияние практически только на энергопотребление системы; изменение минимального температурного напора в теплообменниках с 1 до 10°С приводит к увеличению энергопотребления в 2,5 раза (с 12 до 30 кВт) и снижению поверхности теплообмена в 8 раз (со 160 до 20 м ). Следовательно, величину температурного напора следует выбирать с учетом энергетических и массогабаритных ограничений. Барометрическое давление способствует изменению основных параметров СКВ в пределах 15%. Влияние температуры испаряемой воды несущественно.

7. Разработан и создан экспериментальный стенд для исследования основных характеристик косвенно-испарительной системы охлаждения при пониженных давлениях во вспомогательном потоке. Исследования, проведенные на стенде, подтвердили адекватность экспериментальных и расчетно-аналитических характеристик. Количественные расхождения расчетных и экспериментальных значений температуры охлажденного воздуха на расчетных режимах не превысили 1,2°С.

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШИХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

В перспективе рекомендуется вести разработки энергоэффективных СКВ с испарительными водо-воздушными циклами в следующих направлениях:

1. СКВ с центральной подготовкой свежего воздуха и кондиционерами-доводчиками внутри КО. Хладоносителем в доводчиках является вода, охлажденная в центральном блоке СКВ. Увеличение температуры воздуха в КО при этом можно осуществлять либо пассивно, за счет отключения доводчиков либо за счет подачи теплого наружного воздуха. Такая система позволит обеспечить автономное регулирование температуры в отдельных зонах кондиционируемого объема.

2. Разрешение проблемы образования водяного камня в косвенно-испарительном теплообменнике при непосредственной подаче в него воды из внешнего носителя за счет организации рециркуляционного водяного контура в теплообменнике, который обеспечит вынос образующихся солей циркулирующим водяным потоком.

3. Разработка конструкций косвенно-испарительных теплообменных аппаратов, выполненных из пластических материалов, которые позволят решить вопрос коррозионной стойкости и снизят массу системы. Проведенные в рамках диссертации расчеты показали, что применение пластмасс в теплообменниках косвенно-испарительного типа приводит к незначительному снижению коэффициента теплопередачи (не более 14%), т.к. определяющим фактором в теплопередаче является теплоотдача со стороны сухого охлаждаемого воздушного потока. Одна из таких конструкций разработана автором и защищена патентом [81].

1. Ривкин С.Л. Термодинамические свойства газов: Справочник. -4-е изд., перераб. -М.: Энергоатомиздат, 1987. 288 е.: ил.

2. Мааке В., Эккерт Г.-Ю., Кошпен Жан-Луи. Польман. Основы комплектующие расчеты: Учебник.- М.: издательство МГУ, 1998.1142 е., ил.

3. Рекламный проспект фирмы LIEBHERR-VERKEHRSTECHNIK / 09 / 02. http://www.liebherr.com

4. Технические условия. Компактный кондиционер. Прибор тип S93G. HAGENUK FAIVELEY GmbH & Со. М., 1997. - 25 с.

5. Технические условия ТУ 4862-011-34836709-00. Установка кондиционирования воздуха пассажирских вагонов УКВ-31. М., 2000.-30 с.

6. Епифанова В.И. Компрессорные и расширительные турбомашины радиального типа: Учебник для вузов. -2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998. - 624 е., ил.

7. Прохоров В.И. Системы кондиционирования воздуха с воздушными холодильными машинами. -М.: Стройиздат, 1980. 160 е., ил.

8. Прохоров В.И. Теоретические основы, разработка, внедрение и перспективы развития систем кондиционирования воздуха с воздушными холодильными машинами: Дис . докт. техн.наук. -Москва, 1977.- 150 с.

9. Прохоров В.И. i d диаграммы влажного воздуха для переменных давлений. - М.: Книга, 1973. - 32 с.

10. Кириллов И.И. Теория турбомашин. JL: Машиностроение, 1972. -536 е., ил.

11. Игнатов В.В. Разработка кондиционера с вакуумным косвенно-испарительным циклом: Дис. канд.техн.наук. -М, 1987. 177 с.

12. Китаев Б.Н. Теплообменные процессы при эксплуатации вагонов. -М.: Транспорт, 1984. 184 е., ил.

13. Справочное пособие АВОК «Влажный воздух» / М.Г. Тарабанов, В.Д. Коркин, В.Ф. Сергеев. М.: АВОК-ПРЕСС, 2004. - 46 е., ил.

14. Бурцев С.И., Цветков Ю.Н. Влажный воздух. Состав и свойства: Учеб. пособие. СПб.: ГАХПТ, 1998. - 146 е., ил.

15. Санитарные правила по организации пассажирских перевозок на железнодорожном транспорте. СП 2.5. 1198-03 / МПС России / Утверждено и введено в действие указанием МПС России от 03 июня 2003 г. Per. № 4348. 69 с.

16. Изменение №1 НБ ЖТ ЦЛ 01-98 Вагоны пассажирские железнодорожные. Нормы безопасности. Изменение №1. Утверждено и введено в действие указанием МПС России от 25 июня 2003 г. № Р-634 у. 35 с.

17. Рекламный каталог фирмы ЭЛСОКС / http://elsoks.ru

18. Адольф У. Состояние и проблемы кондиционирования воздуха в вагонах на железнодорожном транспорте ФРГ // Системы вентиляции, кондиционирования и отопления в пассажирских вагонах: Тез. докл. науч.-технич. Семинара. СПб., 2001. - С. 36 - 57.

19. Системы вентиляции, кондиционирования и отопления в пассажирских вагонах. Сборник докладов участников научно-практического семинара. / Под ред. д-ра техн. наук, проф. С.Е. Буравого.-СПб.: ГУНиПТ, 2001.-132с.

20. А. с. 2067730 СССР. Кондиционер. / Б.Н.Юрманов, С.Б.Юрманов, А.Б.Юрманов // Открытия. Изобретения. 1996.- № 28

21. Англо-русский терминологический словарь ASHRAE по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха и охлаждению / Пер. с англ. Проф. В.Д. Коркин, доц. М.М. Бродач. М.: АВОК-ПРЕСС, 2002.-240 с.

22. Холодильные машины и аппараты ВНИИХОЛОДМАШ: Каталог-справочник / Составители: А.В. Быков, И.М. Калнинь, Н.В. Романовский и др. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1971. Ч. 2. -167 с.

23. Рекламный каталог фирмы НПО «Наука» / http://npo-nauka.ru/frames/transp.html,

24. Каталог фирмы LIEBHERR-VERKEHRSTECHNIK / 07 / 02. -http://www.liebherr.com

25. Каталог фирмы KONVEKTA / 05 / 02. http://www.konvekta.com

26. Лазутин В.И., Рубан В.Л., Щербаков А.В. Установка охлаждения и система обеспечения климата для пассажирского вагона // Полет. Машиностроение. 2001. - №9. - С. 62-64.

27. Технические условия 7175 ТУ. Установка климатическая комплекса обеспечения микроклимата пассажирских вагонов. ОАО НПО Наука. -М., 1997.-19 с.

28. Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой, Монреаль, 16.09.87, ратиф. 10.11.88, введен в действие с 01.01.89.- http://www.un.org/russian/documen/convents/montreal.pdf

29. Киотский протокол к рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата.http:// www.wwf.ru/about/whatwedo/climate/kyoto/

30. Pat. DE 100 37 467 А 1, В 61 D 27/00. Klimatisierungssystem fur Fahrzeuge, vorzugsweise schienengebundene Fahrzeuge. / Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH. 2002.

31. A. c. 1421952 СССР. Установка двухступенчатого испарительного охлаждения воздуха. / А.Б.Цимерман // Открытия. Изобретения.1988.-№33.

32. А. с. 1781511 СССР. Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха. / И.И Асаулюк, Н.С.Зерцалов, Н.М.Машихин, С.А.Иванюшин, П.В.Волков, С.А.Хорев и К.В.Колыбаев // Открытия. Изобретения. 1992. № 46

33. А. с. 840593 СССР. Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха. / В.С.Майсоценко, А.Б.Цимерман, М.Г.Зексер и М.А.Деркач // Открытия. Изобретения. 1981. - № 23.

34. А. с. 1488672 СССР. Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха. / В.С.Майсоценко // Открытия. Изобретения.1989.-№23.

35. А. с. 1778453 СССР. Способ обработки воздуха в помещении. /В.С.Майсоценко // Открытия. Изобретения. 1992. - № 44.

36. А. с. 1596180 СССР. Установка охлаждения воздуха. / А.Б.Цимерман // Открытия. Изобретения. 1990. - № 36.

37. А. с. 2079058 СССР. Кондиционер. // Открытия. Изобретения. -1997.-№ 13.

38. А. с. 189134 СССР, МКИ3А. Кондиционер со ступенчатым охлаждением. / О.Я.Кокорин // Открытия. Изобретения.- 1966.- № 23.

39. А. с. 2031317 СССР. Споссоб косвенно-испарительного охлаждения воздуха и устройство для его осуществления. / В.А.Морозов, А.И.Макиенко, В.А.Матвеев, П.С.Тан и др. // Открытия. Изобретения. 1995. - № 8.

40. А. с. 2046257 СССР. Установка для косвенно-испарительного охлаждения. / В.С.Майсоценко, И.П.Виреев // Открытия. Изобретения. 1995. - № 29.

41. Шустов В. П., Шаргородский Ф. Н., Семенов В. А. Бесфреоновые экологически чистые кондиционеры широкого применения // Справ.: Инж. ж. 2000. - №1. - С. 36-40.

42. Пат. 2046257 Россия, МКИ6 F 24 F 3/14 / В.С.Майсоценко, Н.П.Видяев, В.Н.Челабчи, Я.А.Максименюк, Г.П.Орлов и др. // Открытия. Изобретения. 1995. - № 29.

43. А. с. 748092 СССР. F 24 F 3/14, F 28 С 3/08. Установка для косвенно-испарительного охлаждения. / B.C. Майсоценко, А.Б. Цимерман, М.Г. Зексер, Е.А. Губарь // Открытия. Изобретения. -1980.

44. А. с. 637593 СССР. Установка кондиционирования воздуха. /В.С.Майсоценко, А.Б.Цимерман // Открытия. Изобретения. 1978. - № 46.

45. А. с. 1691661 СССР А1. Установка ступенчатого испарительного охлаждения воздуха. / А. Рахманов // Открытия. Изобретения. -1991.-№42.

46. А. с. 1781511 СССР А1. Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха. / И.И. Асаулюк, Н.С.Зерцалов, Н.М.Машихин, С.А.Иванюшин, П.В.Волков, С.А.Хорев и К.В.Колыбаев // Открытия. Изобретения. 1992. - № 46.

47. А. с. 866348 СССР. Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха. / B.C. Майсоценко, А.Б. Цимерман, М.Г. Зегсер // Открытия. Изобретения. 1981. - № 35.

48. А. с. 623062 СССР. F 24 F 3/14 Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха / B.C. Майсоценко, А.Б. Цимерман, М.Г. Зегсер // Открытия. Изобретения. 1978.

49. А. с. 1809256 СССР. МКМ5 F 24 F 5/00 Система кондиционирования воздуха / А.Р. Рзаев, О.Я. Кокорин // Открытия. Изобретения. -1993.-№ 14

50. А. с. № 397717 СССР. F 24 f 1/02 Установка кондиционирования воздуха / О .Я. Кокорин // Открытия. Изобретения. 1974.

51. Михайлов В.А. Усовершенствованный воздухоохладитель испарительного типа для кабин тракторов малой и средней мощности // тракторы и сельхозмашины. 1977. - № 11. - С. 9-10

52. Пат. 4380910 США. F25D 17/06 Multi-stage inditect-direct evaporative cooling process and apparatus / L.M. Hood, D.M. West. 1981.

53. Бондарев И.Т., Ярошенко B.M. Влияние влажности воздуха на процессы расширения воздуха в детандерах турбохолодильных машин // Холодильная техника. Машиностроение. 1976. - №9. - С. 14-17.

54. Христян С.В., Матвиенко О.В. Випарювальне охолодження в системах кондищювання повггря у транспортних засобах // Зал1зшч. трансп. аиеп. Укради. -2001. № 1, с. 38-41

55. Сидоров Ю.П. Основы кондиционирования воздуха на предприятиях L железнодорожного транспорта и в подвижном составе: Учебник для вузов ж.-д. Трансп.-2-е изд., перераб. И доп. М.: Транспорт, 1984.208 с.

56. Кондиционирование воздуха в пассажирских вагонах и на локомотивах / М.Г. Маханько, Ю.П. Сидоров, А. Хенач, М.М. Шмидт.-М.: Транспорт, 1981.-254 с.

57. Технические условия ТУ 4862-002-11644806-98. Установка кондиционирования воздуха пассажирских вагонов УКВ ПВ. М., 1998.-20 с.

58. Технические условия ТУ 3184-001 -52203190-2002. Кондиционер КЖ 2-4,5/2,5.-М„ 2002.-27 с.-о

59. СНиП 2.04.05-91* Отопление, вентиляция и кондиционирование. -М., 1996.-40 с.

60. Холодильные компрессоры / А.В.Быков, Э.М. Бежанишвили, И.М. Калнинь и др.; под ред. А.В.Быкова М.: Колос, 1992. -304 с.

61. ГОСТ 12.3.018-79 Системы вентиляционные. Методы аэродинамических испытаний,- М.: Издательство стандартов, 1979. -12 с.

62. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы: Учебник для вузов по специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов».- 3-е изд., перераб. М.: Энергия,i 1978.-704 е., ил.

63. Прикладная аэродинамика: Учеб. пособие для втузов. / Н.Ф. Краснов, В.Н. Кошевой, А.Н. Данилов и др.; Под ред. Краснова Н.Ф. М.: Высш. школа, 1974. - 732 е., ил.

64. Леонов В.П. Определение расхода воздуха в системах вентиляции. Методические указания. М.: Издательство УНЦ МГТУ им. Н.Э. Баумана «Криоконсул», 2001.- 17 с.

65. Нуждин А. С., Ужанский В. С. Измерения в холодильной технике: Справочное руководство.- М.: Агропромиздат, 1986.-368 е., ил.

66. Теория и техника теплофизического эксперимнта: Учеб. пособие для вузов / Ю. Ф. Гортышов, Ф. Н. Дресвянников, Н. С. Идиатуллин и др.; Под ред. В. К. Щукина. М.: Энергоатомиздат, 1985.-360 е., ил.

67. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов / Б. Я. Авдеев, Е. М. Антонюк, Е.М. Душин и др.; Под ред. Е.М. Душина.-6-е изд., перераб. доп. Д.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987.-480 е., ил.

68. Куликовский К. Л., Купер В. Я. Методы и средства измерений: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986.- 448 е., ил.

69. ГОСТ 8.207-76. Государственная система измерений. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. М.: Издательство стандартов, 1976. - 35 с.

70. Бошняк Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях.-Л.: Машиностроение, 1974.-448 с.

71. Электрические измерения / Под ред. Е. Г. Шрамкова. М: Высшая школа, 1982. - 520 с.

72. Тепловой расчет регенеративного косвенно-испарительного цикла охлаждения воздуха / Ю.Д. Фролов, С.А. Таранов, О.Б. Бионышев, А.А. Жаров // Вестник Международной академии холода (М.). 2001. - Выпуск 3.-С. 29-32.У

73. Жаров А.А., Фролов Ю.Д. Системы кондиционирования воздуха с водо-воздушным косвенно-испарительным циклом для влажного климата // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. -2004. Специальный выпуск. - С. 252-266.

74. Фролов Ю.Д., Жаров А.А. Новая конструкция косвенно-испарительного теплообменного аппарата на основе пластических материалов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. -2004. Специальный выпуск. - С. 234-251.

75. Фролов Ю.Д., Жаров А.А. Анализ транспортных систем кондиционирования воздуха с воздушными косвенно-испарительными циклами // Образование через науку.: Тезисы докладов Международной конференции. Москва, 2005.- С. 486 -487.

76. Положительное решение от 22.02.2006 по заявке № 2004134394/06037406) от 26.11.2004 на патент на изобретение. Теплообменник пластинчатый / Ю.Д. Фролов, А.А. Жаров.

77. Положительное решение от 03.10.2005 по заявке № 2004134395/06037407) от 26.11.2004 на патент на изобретение. Кондиционер / Ю.Д. Фролов, А.А. Жаров.

78. Положительное решение от 03.10.2005 по заявке № 2004134396/06 (037408) от 26.11.2004 на патент на изобретение. Кондиционер / Ю.Д. Фролов, А.А. Жаров.

79. А. с. 866349 СССР. Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха. / В.Н.Бочкарев, Л.М.Шибанов и др. // Открытия. Изобретения. 1981. - № 35.

80. А. с. 2071014 СССР. Кондиционер. / О.М.Жестянников и др. // Открытия. Изобретения. 1993. - № 36.

81. А. с. 1262209 СССР. Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха. / А.Б.Цимерман, М.Г.Зегсер, Н.М.Печерская // Открытия. Изобретения. 1986. - № 37.

82. А. с. 985607 СССР Устройство для косвенно-испарительного охлаждения воздуха. / А.Б.Цимерман и А.-А.А.Энан // Открытия. Изобретения. 1982. - № 48.

83. А. с. 2037745 СССР. Споссоб косвенно-испарительного охлаждения воздуха в помещении и устройство для его осуществления. / В.А.Морозов, Ю.И.Краснощеков, А.И.Макиенко, В.А.Матвеев, П.С.Тан // Открытия. Изобретения. 1995. - № 17.

84. А. с. 1315745 СССР. Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха. / В.С.Майсоценко // Открытия. Изобретения. -1987. -№21.

85. Maheshvari G. P., Al-Ragom F., Suri R. К. Energy-saving potential of an indirect evaporative cooler. // Appl. Energy. 2001. - № 1. - P. 69-76.

86. A.c. 1688055 СССР, МКИ5 F 24 F 3/14 Способ работы аппарата испарительного охлаждения воздуха / В.С.Майсоценко, Е.А.Коган, А.Р.Майорский //Открытия. Изобретения. 1991.- № 40.

87. Резников А.Г., Шустер А.А. Проблемы создания ситсем кондиционирования воздуха в пассажирских вагонах локомотивной тяги // Тяжелое машиностроение. Машиностроение.-2003.-№1.-С.21-23.

88. А. с. 222406 СССР. Установка для кондиционирования воздуха / В.И. Прохоров // Бюллетень изобретений 1972.-№ 36.

89. Пат. 2,704,925 (С1. 62-172) Air conditioner having air expansion means /H.J. Wood//опубл. 29.03.1955.

90. Пат. 2,175,162 (CI. 62-172) Method and apparatus for coooling media / R.W. Waterfill // опубл. 03.10.1939.

91. Реферативный обзор литературы по водоиспарительным системам кондиционирования и охлаждения воздуха (1970 2002 годы) // УНЦ МГТУ им. Н.Э. Баумана. А.А. Жаров, И.С. Сердюков, А.Р.

92. Панков, Н.Н. Босик, А.А. Карабут, А.В. Егоров, К.В. Большаков.1. Москва, 2004. 72 с.

93. Adiabate Kuhlung mit Plattenwarmeaustauschern. Teil 2 / Beck Edgar // TAB: Techn. Bau.— 1996.— № 12. C. 47-52.— Нем.

94. Entwicklungsstand der Sorptionsklimatisierung / Zogg Martin // Schweiz. Ing. und Archit.— 1996.— 114, № 50.—C. 21,—Нем.

95. Potenziale di impiego di un sistema di climatizzazione evaporativo / Mazzei P., Palombo A. // Orion.— 1994,— 52, № 265.—C. 259-265.— Ит.

96. Revolutionary cooling system uses Mueller plate heat exchanger / Underwood M. // Heat./Pip./Air Cond. . — 1994 . — 66 , № 6 . — C. A68 .— Англ.

97. Performance of an indirect evaporative cooler in Athens / Klitsikas N., Santamouris M., Argiriou A., Asimakopoulos D. N., Dounis A. I. // Energy and Build. 1994 .— 21 , № 1 .— С 56—63 .— Англ.

98. Пат. 2697323 Франция , МКИ5 F 24 F 1/00, 6/04 Generateur d'air conditionne a energie naturelle / Georges Mireur // Опубл. 29.4.94

99. Principi slobodnog hladenja s rashladnim tornjevima / Posa Z. // Sunceva energ.— 1992 .— 13 , № 1 2 .— С 59—62 .— Серб.-хорв.

100. Alternatives to compressor cooling in residences / Feustel Helmut, De Almeida Anibal, Blumstein Carl // Energy and Build.— 1992 .— 18, № 3 4 .— C. 269—286 .— Англ.

101. Пат. 747796 Австралия, МПК6 F 24 F 013/30, F 24 F 013/32. Evaporative air conditioner: Brivis Australia Pty Ltd / O'Brien Timothy Frank // Опубл. 30.05.2002.

102. Пат. 694262 Австралия, МПК6 F 24 F 013/30. Spaced evaporative wicks within an air cooler: William Allen Trusts Pty. Ltd / Wright Peter Sydney //Опубл. 16.07.1998

103. Пат. 5857350 США, МПК6 F 28 D 5/00 Evaporative cooling device / Robert Edwin Johnson, Janice Ann Johnson // Опубл. 12.01.99