Расчет системы кондиционирования воздуха в пассажирском вагоне. Расчет и выбор параметров системы вентиляции

1. Расчет  системы кондиционирования воздуха в пассажирском вагоне.

1.1 Выбор расчетных параметров воздуха для климатических установок пассажирских вагонов.

При выборе расчетных параметров наружного воздуха для систем кондиционирования в вагонах необходимо учитывать: изменение состояние наружного воздуха по времени и районам, а также изменение притока тепла излучением на ограждающие конструкции вагона в процессе движения.

В качестве расчетной наружной температуры t_н применяется температура

                               t _мах   +   t_ср                 36,8+18,1

                        t_н=  —––––––––  =    ––––––––– =27,45

                                       2                          2

где, t_мах - максимальная наружная температура самого жаркого месяца данного района, ⁰С.

t_ср – средняя  температура наружного воздуха для данного района,  ⁰С.

При выборе расчетных параметров воздуха внутри вагона необходимо учитывать, что вагон будет эксплуатироваться во всех климатических зонах. Комфортная область, выделенная для одной климатической зоны, может не соответствовать другой зоне. Но в определенном интервале температур и относительных влажностей эти области перекрываются. По тому можно определить такую комфортную область, которая пригодна для всех климатических зон.

Параметры узловых точек комфортной области приведем в таблице 1.

                                                                                                                                Таблица№1

Точки на диаграмме	1	2	3	4
Температура t, 0С	23,5	27,5	24	21
Относительная влажность φ, %	30	30	70	70
Энтальпия  i, КДж/кг	37,5	45,5	57,5	48,5
Влагосодержание d,  кг/кг с. в.	5,4*10-3	6,85*10-3	13,1*10-3	10,85*10-3

Параметры точки 1 могут быть положены в основу расчета системы отопления в вагоне, а параметры точки 3 – в основу расчета систем охлаждения.

1.2 Тепловой баланс и определение мощности систем кондиционирования воздуха.

1.2.1. Расчет тепловой нагрузки вагона.

Тепловая нагрузка Q_Σ, Вт складывается из 6 частей:

Q₁ – теплопоступления через ограждения кузова вагона;

Q₂ - теплопоступления за счет инфильтрации воздуха;
Q_{3  -} теплопоступления за счет солнечной радиации;
Q₄ - теплопоступления  за счет солнечного облучения окон;
Q₅ - тепловыделения от пассажиров;

Q₆ - теплопоступления от работающих механизмов и освещения в вагоне.

Теплопоступления через ограждения кузова вагона Q₁, определяем по формуле:

                          Q₁=kF(t_н-t_в) = 0,96* 270*( 27,45 – 24) = 894,2 Вт,

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К)

k = 0,96 – для скорости движения поезда 120 км/ч

F – поверхность ограждающей конструкции

F = 270 м²

t_н – наружная температура

t_в  - внутренняя температура (таблица 1)

Теплоприток за счет инфильтрации воздуха Q₂ в инженерных расчетах рекомендуется принимать в пределах от 10 до 40%  теплопоступления через ограждения.

                       Q₂ = 0,3Q₁ = 0,3*894,2 = 268,3 Вт

Теплоприток за счет солнечной радиации Q₃ без учета окон определяется по формуле:

                                         ρ

                             Q₃ = k –– (I_крF_кр + I_б.ст.F_б.ст. + I^р_пF^р_п) ,

                                         α_н

 

где ρ – коэффициент поглощения солнечных лучей поверхностью ограждения вагона, принимаем ρ = 0,7

α_н  - коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности ограждения, Вт/(м²К). Для движущегося вагона рассчитываем по формуле:

                     α_н  = 3,5*V^0,66 = 3,5*120^0,66 = 82,5  Вт/(м²К)

где V – скорость движения, км/ч.

V = 120 км/ч

I_пр, I_б.ст. – среднесуточное значение интенсивности полной (прямой и рассеянной) солнечной радиации, соответственно на крышу и боковую стену, Вт/м².

I^р_п – среднесуточное значение рассеянной солнечной радиации на пол.

F_кр., F_б.ст., F_п – площадь поверхности, соответственно крыши вагона, боковой стены и пола, м².

F_кр = 80,2 м²

F_б.ст. = 40,9 м²

F_п = 56,14 м²

Интенсивность прямой солнечной радиации на поверхность, перпендикулярную лучей I^пр, Вт/м² найдем по формуле

                                                  p*sinh

                               I = 1360  ––––––––––– ,

                                               1-p*(1-sinh)

p – коэффициент прозрачности атмосферы

р = 0,75

h – высота солнца над горизонтом в градусах.

                         h = arcsin(sinφsinδ + cosφcosδcosγ),

где φ – географическая широта в градусах;

δ – склонение солнца в градусах принимаем на 22 июля – 20^о;

γ – часовой угол в градусах (γ = 15ζ_1);

ζ₁ – истинное местное время в часах, отсчитанное от полудня.

В большинстве случаев в процессе эксплуатации пассажирский вагон находиться в составе поезда, поэтому с достаточной для практике точности можно считать, что прямому солнечному облучению подвергается крыша и одна из его боковых стен. В первом случаи будем рассматривать поверхность как горизонтальную, во втором  - как вертикальную. Соответственно определяется интенсивность прямой солнечной радиации:

                                        I^пр_кр  =I^пр sinh;

                                        I^пр_б.ст. = I^пр*cosh*sin׀α_c  - x׀

Здесь I^пр_кр, I^пр_б.ст.  - интенсивность прямой радиации на крыше и боковой стене;

х – угол в градусах, определяющий положение вертикальной стены вагона относительно меридиана;

Рис. 1. Углы, определяющие положение Солнца и облучаемой вертикальной поверхности относительно меридиана.

α_с  - азимут солнца:

                                                              cosδ*sinγ

                                          α_с = arcsin  –––––––––

                                                                 cosh

Интенсивность рассеянной радиации составляет 7 – 10 % прямой. В качестве расчетного значения для горизонтальной поверхности при безоблачном небе

                                           I^р_п = 71 – 56e^-0,26h

Для вертикальной стены

                                            I^р_б.ст. = 0,5 I^р_п

 

Таким образом полную интенсивность солнечной радиации на крышу и стену вагона на каждый час суток определяем по формулам:

                                  I_кр = 71 + I^пр sinh – 56e^-0,026h

                                  I_б.ст. = 35 + I^пр cosh sin׀ α_c – x׀ – 28e^-0,026h

Воздействие солнечной радиации на вагон учитываем от 6 до 19 часов.

Все расчеты сводим в таблицу 2.

                0,7

  Q₃=0,96 –– (795,186*80,2 + 561,436*40,9 + 16,3556*56,14) = 714 Вт

                82,5

Теплоприток за счет солнечного облучения Q₄ окон определяем по формуле:

               Q₄ = F_ок I_б.ст. D σ = 8,8*561,436*0,25*0,5 = 617,6 Вт

где I_б.ст. – среднесуточное значение интенсивности полной солнечной радиации на боковую стену, Вт/м²

F_ок = 8,8 м² – поверхность окон с одной стороны вагона

D – коэффициент пропускания солнечных лучей

D = 0,25 – для двойного отражающего и прозрачного стекла

σ – коэффициент затемнения

σ = 0,5 для светлых занавесок

Тепловыделения от пассажиров Q₅

                        Q₅ = nq_п = 54*120 + 2*256 = 6992 Вт

где n – количество людей

n = 56 (54 – пассажира и 2 проводника)

q_п – полное тепло, выделяемое человеком, Вт

q_п = 120 Вт - для пассажиров

q_п = 256 Вт - для проводников

Теплопоступления от работающих механизмов и освещения в вагоне Q₆

              Q₆ = ψ₁ ψ₂ ψ₃ ψ₄ N_ном = 0,3*12000 = 3600 Вт

Ψ₁ – коэффициент использования установленной мощности,

Ψ₂ – коэффициент загрузки (отношение среднего потребителя мощности к максимальному)

Ψ₃ – коэффициент одновременности включения оборудования

Ψ₄ – коэффициент, учитывающий поглощение выделяющегося тепла воздухом

С достаточнрй степенью точности можно принять