Повышение энергетической эффективности СКВ пассажирских вагонов

Для Российской Федерации с ее широким полигоном эксплуатации вагонного парка чрезвы¬чайно актуальным является обеспечение оптимального потребления энергии пассажирским вагоном как в зимний период в режиме отопления, так и в летний период в режиме охлаждения [1]. Кар¬динально снизить энергопотребление в обоих режимах позволяет уменьшение коэффициента тепло¬передачи k наружного ограждения и пола вагона, а также повышение герметичности окон и дверей. В этом отношении вагоностроители «Тверского вагоностроительного завода» подошли к своему пределу в k = 0,8—0,9 Вт/(м2 К) при серийном производстве.


В то же время представляется, что добиться значительного сокращения потребления энергии на пассажирских вагонах можно, используя в переходный и зимний периоды (при температуре наружного воздуха ниже +16 °С) реверсивный режим работы кондиционера, т. е. «тепловой насос».


Возможности этого режима для железнодорожного транспорта подробно исследованы в обширной монографии Е. Т. Бартоша [2]. В Японии уже в 1985 г. было оборудовано кондиционерами с указанным режимом более 525 вагонов. В России первые кондиционеры с режимом «теплового насоса» были разработаны В. А. Жариковым в ЗАО «Лантеп» [3] и А. Л. Емельяновым в ООО «БСК» и ЗАО «Петро- клима» [4]. В настоящее время на сети железных дорог России, Украины и Белоруссии эксплуатируется более 600 пассажирских вагонов с теплонасосным режимом отопления. Анализ результатов этой экс¬плуатации в течение 8 лет показал, что кондиционеры работают весьма устойчиво и при температуре наружного воздуха от 0 до +16 0С обеспечивают отопление вагона с эффективностью 2,2...2,5, т. е. на каждый потребляемый кВт мощности в вагон подается около 2,2...2,5 кВт тепловой энергии [3, 4]. При понижении температуры окружающей среды до —10 oС эффективность режима снижается плавно до 1. Это снижение связано с использованием в этих кондиционерах хладагентов, а также теплообменных аппаратов, ориентированных на работу кондиционера в режиме охлаждения. Тем не менее расчеты показывают, что даже в этих условиях годовая экономия электроэнергии на 1000 вагонов в переходный период весны и осени составляет 21600000 кВт-час, что при существующих тарифах дает 64800000 млн. рублей экономии. Обеспечить еще большую экономию электроэнергии позволило бы использование теплонасосного режима отопления до более низкой температуры наружного воздуха.


Эффективность режима «тепловой насос», а также расширение диапазона наружных температур с сохранением комфортных условий для пассажиров могут быть существенно повышены за счет оптими¬зации работы цикла «теплового насоса» при условии сохранения оборудования холодильной машины, использование новых хладагентов, применения в кондиционерах метода парожидкостной инжекции, использования для цикла теплового насоса специальных подогревателей хладагента.


Рассмотрим эти направления более подробно.


В режиме охлаждения поверхность испарителя обычно существенно меньше, чем у конденсаторов, что заметно усложняет вопрос прямого обращения холодильной машины в тепловой насос. Именно по этой причине эффективность «теплового насоса» иногда бывает недостаточно высокой. Поэтому крайне важно уже на этапе проектирования уделить особое внимание расчету и оптимальному подбору оборудования, в т. ч. подбору теплообменных аппаратов, которые позволили бы обеспечить максималь¬ную эффективность как при работе установки в цикле холодильной машины, так и в цикле «теплового насоса».


На сегодняшний день самыми распространенными хладагентами в кондиционерах железнодорож¬ного транспорта являются хладоны R22 и R134a


В диапазоне температур от —20 до —40 0С применение этих хладагентов становится нецелесообраз¬ным, поскольку снижение давления кипения ниже атмосферного является нежелательным для работы компрессора установки. Использование хладагентов, имеющих более широкий диапазон температур кипения при более высоких значениях рабочих давлений, позволяет обеспечить режим «теплового на¬соса» до температур наружного воздуха —25 0С и ниже, в частности, смесовых хладонов R410a, R404a, R507a и др. Данные хладагенты получили широкое распространение в холодильной технике и бытовых кондиционерах, и также могут быть с успехом использованы в установках транспортного исполнения.


Существенный вклад в повышение эффективности режима «тепловой насос», а также расширение диапазона температур наружного воздуха может принести использование метода парожидкостной инжекции. Данный метод впервые был применен в 2007 г. в бытовых и полупромышленных кондиционерах серии «ZUBADAN» фирмы Mitsubishi Electric [5]. Суть метода заключается в использовании в цикле кондиционера дополнительной цепи инжекции, состоящей из терморегулирующего вентиля, трубчатого теплообменника и дополнительного штуцера всасывания на корпусе компрессора


При температуре наружного воздуха от —5 до +16 0С кондиционер работает в режиме простого «теплового насоса», т. е. цепь инжекции не задействована. При снижении температуры наружного воздуха ниже —5 0 С во всасывающей магистрали резко уменьшается количество газообразного хладагента. Поскольку компрессор способен всасывать большее количество паров, его производительность падает, тем самым падает и теплопроизводительность установки в целом. По мере снижения температуры наружного воздуха система управления увеличивает расход хладагента в цепи инжекции, восстанавливая тем самым требуемый расход газа через компрессор.


К несомненным достоинствам данного метода повышения теплопроизводительности установки в режиме отопления является значительное расширение диапазона рабочих температур, приводящее к экономии потребляемой электроэнергии другими установками отопления. Кроме этого, расширение диапазона рабочих температур также способствует снижению количества включений режима оттайки, представляющего собой достаточно продолжительное переключение четырехходового клапана конди¬ционера и перевод установки в цикл холодильной машины, в результате чего в салон вагона поступает то теплый, то холодный воздух.


К недостаткам следует отнести большое количество терморегулирующих вентилей, необходимость их точной настройки, использование компрессоров, имеющих дополнительный штуцер всасывания, а также необходимость установки дорогостоящих средств автоматики и регулирования расхода хладагента в цепи инжекции, что приводит к удорожанию всей установки в целом.


Еще одним вариантом повышения эффективности работы режима «теплового насоса», а также расширения диапазона рабочих температур, может быть использование специальных подогревателей хладагента. Подогреватель может быть выполнен в виде литого алюминиевого цилиндра с замурованны¬ми спиральной теплообменной трубой и электронагревателем. Данный подогреватель устанавливается на отдельном трубопроводе, начало которого ответвляется перед ТРВ, а конец соединяется со всасыва¬ющей магистралью.


При снижении температуры наружного воздуха специальное реле температуры включает электро-нагреватель в алюминиевом цилиндре, через который проходит трубопровод с хладагентом. Нагреваясь, газообразный хладон смешивается с основным потоком во всасывающей магистрали. Температура сме¬си повышается, обеспечивая тем самым непрерывную работу режима «тепловой насос» при низких температурах наружного воздуха.


К несомненным достоинствам данного метода повышения теплопроизводительности установки отопления является непрерывность работы во время оттайки, незначительное изменение конструкции кондиционера, а также расширение диапазона температур наружного воздуха.


К недостаткам следует отнести установку дополнительных приборов автоматики, а также повышенное потребление энергии электронагревателем при очень низких температурах наружного воздуха.


Таким образом, использование для отопления пассажирского вагона реверсивного цикла конди¬ционера с рассмотренными новациями открывает большие возможности в экономии электроэнергии. Проблема повышения эффективности данного режима в зимних условиях, при значительном снижении температуры наружного воздуха, достигается за счет оптимизации подбора теплообменных аппаратов, использования новых хладагентов, а также за счет использования в установке метода парожидкостной инжекции и специальных подогревателей хладагента.


Список литературы


1. СП 2.5.1198-03. Санитарные правила по организации пассажирских перевозок на железнодорож¬ном транспорте. — Введены в 2003 г., п. 3.2.1.


2. Бартош Е. Т. Тепловые насосы в энергетике железнодорожного транспорта / М.: Транспорт, 1985.


3. Жариков В. А. Климатические системы пассажирских вагонов / M.: ТРАНСИНФО, 2006.


4. Буравой С. Е, Емельянов А. Л. Проблемы обеспечения комфорта на железнодорожном транспор¬те. — Деловой журнал «РЖД-Партнер», № 3 (67), 2004.


5. Saito Macoto Packaged air conditioners that improve the heating capacity by flash injection circuit / (Mitsubishi Electric Corporation). — Reito Refrigeration, 2007. № 952. P. 19-22.

Комментарии 0

Комментариев пока нет