Выбор расчётных параметров отопительных систем

Исходными данными для расчета систем водяного охлаждения являются геометрические размеры кузова вагона, а также заданный диапазон температур, который необходимо поддерживать внутри вагона. Поэтому расчет состоит из двух частей:

вначале проводят теплотехнический расчет кузова вагона, а затем на основании данных о тепловых потерях рассчитывают необходимую площадь нагрева отопительных приборов, а также требуемую тепло производительность отопительной установки. Поверхность нагревательных приборов водяного отопления F_oт можно определить по формуле:

, (3.2)

где К_от – коэффициент теплопередачи стенок отопительных приборов Вт/м 2 К;

— средняя температура воды, равная , здесь t₂ и t₁начальная и конечная температура воды в отопительной системе, К;

— расчетная температура воздуха в вагоне, К;

Коэффициенты теплопередачи для нагревательных труб приводятся в справочной литературе. Верхние трубы системы отопления изолируются для уменьшения потерь тепла в окружающую среду. Количество тепла, передаваемого 1 погонным метром изолированной трубы, определяется из выражения:

, (3.3)

где t_вод — средняя температура воды, К;

t_воз — средняя температура окружающего воздуха, К;

D_н — наружный диаметр трубы вместе с изоляцией, м;

a_в — коэффициент теплопередачи от наружной поверхности трубы к окружающему воздуху, (Вт/м 2 *К).;

l_и—коэффициент теплопроводности изоляции, (Вт/м 2 *К).;

d_в — внутренний диаметр трубы, м.

Чтобы при заданных наружном диаметре трубы Dн и коэффициенте теплопередачи a_вобеспечить минимальные тепловые потери, необходимо в качестве изоляции выбирать материал, коэффициент теплопроводности которого не превышал отношения:

, (3.4)

Поверхность нагрева водяного котла определяется по формуле, м 2 :

, (3.5)

где Q_o — тепловые потери вагона в кВт;

Q_п.н. — количество тепла, снимаемого в течение 1часа с 1 м 2 поверхности нагрева котла (кВт/час);

b — коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду (b = 1,05¸1,1).

Теплотехнические параметры различных топлив приведены в таблице 9.

Теплотехнические параметры различных топлив

Вид топлива	Теплотворная способность,	Объемный вес, кг/м 3	Температура горения, °С (K)
ккал/кг	кДж/кг
Дрова влажностью 25% .	1000 (1273)
Дрова влажностью 50% .	1 800	800 (1073)
Торф, брикеты .	1 000 (1273)
Торф кусковой .	970 (1243)
Подмосковный уголь .	900 (1173)
Бурый уголь .	1100 (1373)
Каменный уголь .	6 500	1200 (1473)
Кокс .	1200 (1473)
Антрацит .	1300 (1573)
Горючие сланцы .	1000 (1273)
Метан……	0,72	Более 1000 (1273)
Пропан…….	1,96	Более 1000 (1273)

Часовой расход топлива (в кг) определяется по формуле,:

, (3.6)

где h — к. п. д. котла, (h = 0,40—0,65 зависит от качества топлива и разрежения в дымовой трубе);

h — теплотворная способность топлива в ккал/кг (кДж/кг). В качестве нормативного расхода электроэнергии на отопление вагонов принимается часовой расход электроэнергии при номинальной мощности 48 кВт.

Расчет расхода топлива на отопление пассажирского вагона.

Для определения количества электроэнергии расходуемой на отопление движущегося вагона со скоростью V используется следующее выражение:

, (3.7)

где — коэффициент, учитывающий увеличение коэффициента теплопередачи вследствие старения теплоизоляции ( =1,2);

Kg – коэффициент теплопередачи, зависящий от скорости движения вагона, Вт/м 2 К:

, (3.8)

Ко – коэффициент теплопередачи в стационарных условиях;

V – средняя скорость движения вагона.

и Ср – плотность и удельная теплоемкость воздуха;

Vн – объем наружного воздуха поступающего в вагон в течение 1 часа (для купейного – 800 м 3 /ч, для плацкартного — 1200 м 3 /ч);

tв и tн – температура воздуха в вагоне (tв = 20 0 С (293K)) и наружного воздуха в расчетный период года;

Qп – количество тепла, выделяемое пассажирами;

Qв — количество тепла, выделяемое вентиляторами;

Qг — количество тепла, затраченное на нагрев воды в системе горячего водоснабжения.

В стационарных условиях (при V= 0) а также Qп= 0; Qг= 0количество тепла, расходуемое на отопление вагона, составит:

, (3.9)

При водяном отоплении расход условного топлива определяется из выражения:

(3.10)

Коэффициент 11,8 – это часовой расход условного топлива при номинальной мощности котла. При водяном отоплении расход условного топлива определяется из выражения:

(3.11)

Коэффициент 11,8 – это часовой расход условного топлива при номинальной мощности котла.

В таблицах 10 и 11 приведены значения коэффициентов теплопередачи в стационарных условиях (Ко) и для разных скоростей движения вагона (Кg) от температуры наружного воздуха.

Зависимость коэффициента теплопередачи (К_g) от скорости движения вагона

ν, км/ч	kд, Вт/(м 2 ·К)	ν, км/ч	kд, Вт/(м 2 ·К)
1,11	1,72
1,28	1,76
1,36	4,80
1,43	1,84
1,49	1,88
1,54	1,92
1,59	1,95
1,64	1,98

Зависимость коэффициента нагрузки К_н от скорости движения вагона

tН, °С (K)	Коэффициент нагрузки Кн для купейного вагона при скорости движения ν, км/ч
(283)	0,07	0,10	0,11	0,12	0,12	0,13	0,13	0,14
(278)	0,11	0,18	0,19	0,20	0,21	0,21	0,22	0.23
(273)	0,14	0,26	0,27	0,29	0,29	0,30 .	0,31	0,32
-5 (268)	0,18	0,34	0,36	0,37	0,38	0,39	0,41	0,42
-10 (263)	0,21	0,42	0,44	0,46	0,47	0,49	0,50	0,51
-15 (258)	0,24	0,50	0,53	0,55	0,56	0,58	0,59	0,61
-20 (253)	0,28	0,59	0,61	0,65	0,66	0,67	0,69	0,71
-30 (243)	0,35	0,76	0,79	0,152	0,В4	0,86	0,89	0,91
-35 (238)	0,38	0,85	0,88	0,91	0,94	0,96	0,98	1/1,02
-40 (233)	0,41	0,94	0,98	1/1,01	1/1,04	1/1,07	1/1,10	1/1,12

Расход реального топлива В_р определяется из выражения:

, (3.12)

где В – расход условного топлива;

Э – калорийный эквивалент топлива, значения которого приведены в таблице 12.

Отопление и водоснабжение пассажирских вагонов

ОТОПЛЕНИЕ

Система отопления служит для поддержания нормального температурного режима внутри вагона независимо от изменения температуры наружного воздуха. Согласно техническим условиям МПС на проектирование и постройку пассажирских вагонов температура воздуха:

· в вагоне должна быть не менее 18 °С при наружной температуре –40 °С,

· в предтамбурных коридорах и туалетных — не менее 16 °С;

· в вагонах с электрическим отоплением автоматическое управление должно обеспечивать температуру в пределах 20 ± 2 °С, а при скорости движения 160 км/ч отклонение температуры не должно превышать ± 3 °С.

Кроме того, система отопления должна подогревать воздух, подаваемый вентиляционной установкой, обеспечивать подогрев воды в системе горячего водоснабжения, а в вагонах последних лет постройки также обогрев головок водоналивных и сливных труб.

Приборы отопления любой системы должны быть безопасны в пожарном отношении, просты в обслуживании, надежны в работе и экономичны в эксплуатации. Температура поверхности нагревательных приборов не должна превышать 70 °С.

Воздух нагревается в вагоне при работе системы отопления в том случае, если имеется разность температур между нагревательными приборами и воздухом. Тогда тепло передается от приборов отопления, имеющих более высокую температуру, в воздух вагона, т.е. происходит теплообмен.

В зависимости от способа получения тепла для обогрева пассажирских вагонов применяют три системы отопления: угольно-водяную, комбинированную (электроугольную) и электрическую.

В первых двух теплоносителем служит вода, которая подогревается в котле углем (угольно-водяная система), углем или электронагревательными элементами, опущенными в котел (комбинированная система). При электрическом отоплении воздух в вагоне подогревается непосредственно электропечами.

Во всех вагонах с водяным отоплениемпомещения обогреваются с помощью обогревательных труб, в которых циркулирует горячая вода. Устройство и действие водяного отопления основаны на физическом законе, согласно которому при нагревании в котле объем частиц воды увеличивается, а плотность уменьшается, поэтому они как более легкие устремляются вверх. В то же время находящиеся в трубах частицы воды охлаждаются, объем их уменьшается, а плотность увеличивается, вследствие чего они как более тяжелые опускаются вниз. Таким образом, благодаря различию плотности воды в котле и обогревательных трубах, происходит непрерывная циркуляция воды в системе отопления по замкнутому кольцу: котел — обогревательные трубы — котел. Помимо естественной циркуляции применяется искусственная с помощью насосов.

Электрическое отоплениекак основное применяется в межобластных, открытых вагонах и вагонах-ресторанах постройки Польши, Германии.

При электрической системе отопления вагон обогревается с помощью электрических печей, расположенных на полу в пассажирских помещениях, коридорах, служебном отделении и туалетах, а также с помощью электрокалорифера.

В вагоне в зависимости от его типа устанавливают от 30 до 52 печей общей мощностью до 26 кВт, разделенных на три группы и более.

Электрический калорифер, выполняется двухсекционным общей мощностью 22 кВт, несмотря на заниженное напряжение, имеет конструкцию, аналогичную конструкции нагревательных элементов, но увеличенные размеры. Схема включения от предохранителя перегрева воздуха этого калорифера предусматривает разрыв цепи питания калорифера при повышении температуры в зоне калорифера выше 70 °С.

Нагревательные приборы электрического отопления получают питание от подвагонной высоковольтной магистрали, подключаемой через электровоз к контактной сети постоянного тока напряжением 3000 В или переменного однофазного тока напряжением 25000 В. Во втором случае на электровозе устанавливают трансформатор, понижающий напряжение с 25 до 3 кВ.

Комбинированное отопление широко внедряется на электрифицированных участках. С 1975 г. все новые вагоны оборудуют такой системой. Вагоны с комбинированной системой отопления можно эксплуатировать как на электрифицированных участках, так и на неэлектрифицированных. Отопительное оборудование вагонов унифицировано.

Доступ к котлу отопительной установки возможен как со стороны тамбура, так и со стороны коридора через специальную дверь. Водяная рубашка 8 (рис) котла выполнена несколько уширенной; в ней размещены двадцать четыре высоковольтных нагревательных элемента 5, которые укреплены на кольце 7. Высоковольтные нагревательные элементы закрыты защитным кожухом 3. Предусмотрено заземление котла на корпус вагона.

На защитном кожухе смонтировано блокировочное устройство 4, отключающее высокое напряжение с нагревательных элементов при демонтаже кожуха под напряжением. Для осмотра элементов необходимо поднять кожух вверх, предварительно отвернув болты 1 крепления, и закрепить его на предохранительных цепях 2. Уплотнение 6 защитного кожуха предохраняет нагревательные элементы от прикосновения к ним обслуживающего персонала и от механических повреждений.

Наибольшая температура воды в котле допускается 90— 95 °С. При более высокой температуре нижние обогревательные трубы системы отопления будут нагреваться выше 70 °С и осаждающаяся на их поверхности пыль будет подгорать.

Для обеспечения контроля за режимом работы нагревательных элементов в зависимости от температуры и уровня воды в котле имеются предохранительный термостат и специальный прибор. В случае нагрева воды в котле выше 95 °С или снижения уровня ее ниже допустимого нагревательные элементы автоматически выключаются.

ВОДОСНАБЖЕНИЕ

Система водоснабжения пассажирских вагонов удовлетворяет потребности пассажиров в питьевой воде, обеспечивает нормальное функционирование санитарно-технического оборудования туалетов, а также пополнение водой системы отопления вагонов.

Каждый вагон оборудован индивидуальной системой водоснабжения, состоящей из баков, разводящей и подводящей систем трубопроводов.

Вместимость баков системы водоснабжения зависит от типа вагона (пассажирский, почтовый, багажный, ресторан) и числа пассажирских мест.

У пассажирских вагонов она определяется также назначением вагона (предназначен данный вагон для дальнего следования или межобластного сообщения).

Общая вместимость системы водоснабжения в вагонах составляет 1 м 3 .

В период отопительного сезона подогрев воды осуществляется от котла отопления с помощью специального змеевика, а в летнее время — от дымовой трубы плиты.