Температурные условия в кабине машиниста - Выбор основных исходных параметров и их влияние на теплорассеивающую способность калорифера

Г Л А В А У. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ В КАБИНЕ МАШИНИСТА ТЕПЛОВОЗА 2ТЭ10Л
§ 5.1. Выбор основных исходных параметров и их влияние на теплорассеивающую способность калорифера
Назначение водяной системы дизеля на тепловозах общеизвестно. Заметим, что к главному контуру водяной системы подключается ряд других и, в том числе, для подогрева топлива, отопительная, служащая для обогрева помещения локомотивной бригады и др.
Отопительная система кабины машиниста в большинстве случаев представляет собой систему трубопроводов, по которым горячая вода поступает в калорифер (состоящий из укороченных серийных водяных секций с шагом оребрения, равным 2,3 мм и вентилятора, предназначенного для нагнетания воздуха). Круг циркуляции воды через калорифер замыкается перед всасывающим патрубком главного водяного насоса. При этом поверхности секций калориферов и сечение трубопроводов для различных тепловозов примерно одинаковы.
Схемы отопительного устройства различных тепловозов имеют некоторое отличие по способу подключения калориферов и топливоподогревателей к общей водяной системе (см. рис.  54,55,56,57).

)

В первом случае (рис. 59) подключение топливоподогревателя осуществляется последовательно с секциями калорифера и он установлен сразу за коллектором горячей воды дизеля. Во втором случае (рис. 55) топливоподогреватель включен параллельно калориферу. Здесь выходной трубопровод топливоподогревателя соединяется с трубопроводом, идущим от секций калорифера к водяному насосу. В третьей варианте (рис.  56) топливоподогреватель в схеме трубопроводов отопительной системы кабины тепловоза 2ТЭ10Д отсутствует. В этом случае он включен в главный контур водяной системы дизеля.
Сравнение трех схем отопительной системы кабины тепловоза  2ТЭ10Л между собой дает основание полагать, что наибольшие гидравлические сопротивления будут иметь место в первом варианте, а наименьшие - в третьем, т.к, в последнем случае общие потери напора определяются сопротивлением секций калорифера и системой трубопроводов.
На рис. 57 изображена схема отопительной системы кабины тепловоза 2ТЭ116, которая не имеет принципиального отличия от схемы третьего варианта тепловоза 2ТЭ10Л.
Определение всех необходимых параметров для нахождения общего тепла, отдаваемого калорифером при различных условиях эксплуатации тепловозов, произведем, исходя из следующих соображений. Поскольку система отопления на различных тепловозах состоит из трубопроводов, имеющих, примерно, одинаковые размеры и одной секции калорифера, то, очевидно, и их гидравлическое сопротивление также будет почти одинаково. Однако, если топливоподогреватель включен в схему отопительного устройства последовательно с калорифером (первый   вариант - тепловоз 2ТЭ10Л, то в этом случае расход воды через секцию будет несколько меньше по сравнению с другими схемами (третий вариант).
Учитывая вышеизложенное примем, что на расход воды в системе отопления тепловозов в нашем случае влияет способ подключения топливоподогревателя к водяной системе, а также общее сопротивление трубопроводов.
Из литературы  находим, что общее сопротивление трубопроводов с учетом шероховатостей и зацуглений равносопротивление топливоподогревателя
учетом полученных коэффициентов произведем расчет необходимых параметров отопительной системы.
Для определения часовых расходов воды и воздуха, проходящих через калорифер , воспользуемся общепринятыми выражениями:
где
Массовые скорости воды и воздуха для водяных секций холодильника тепловозов обычно находятся в пределах соответственно 800-1500 кг/м²сек. и 8-16 кг/м² сек.
При работе вентилятора калорифера, имеющего постоянное число оборотов, его производительность будет зависеть только от температуры в кабине машиниста.
Массовая скорость воды зависит от режима работы силовой установки, т.е. от позиции контроллера. Зависимость количества воды, проходящего через калорифер от ПК, представлена на рис.  13, полученная на основании данных из литературы.
Скорость воды через живое сечение секции определим по формуле
, м/сек (45)
где У - объемный расход воды в зависимости от режима работы дизель-генераторной установки, м²/ч.
Массовая скорость воздуха в наиболее узком сечении секции определим из зависимости
кг/м²сек, (4б)
где  ^- производительность вентилятора калорифера, в зависимости от температуры в кабине, кг/м².
Параметры, необходимые для расчета теплорассеивающей способности отопительного устройства (по схеме, рис.  54) с топливоподогревателем в системе отопления сведем в табл. 9

Скорость воды в калорифере, как видно из таблицы, близка к значениям для водовоздушных секций тепловозных холодильников [4.9]. Это, в свою очередь облегчает нахождение коэффициента теплопередачи секции калорифера в зависимости от линейной скорости воды.
Расчет аналогичных параметров (для схемы, рис.  16 , без топливоподогревателя в системе отопления) сведем в табл. 10.
Таблица 10

  Заметим, что определение линейной скорости воды в секции калорифера (табл.  10) производилось при среднеэксплуатационной температуре воды равной 82,5 [19].
Для подсчета количества тепла, отдаваемого калорифером в помещение бригады, необходимо определить массовые скорости воздуха в наиболее узком месте воздушной стороны секции.
Из [57] известно, что производительность вентилятора колеблется в пределах от 400 до 600-800 м²/ч. В расчетах примем величину производительности вентилятора, равной 500 м³/ч с учетом потерь на сопротивление воздуховодов.
Результаты расчетов зависимости производительности вентилятора калорифера от температуры воздуха в кабине машиниста показаны на рис.  5.9, из которой видно, что массовая скорость воздуха в наиболее узком сечении секции изменяется весьма незначительно. Массовая скорость воды (табл. 10) изменяется в довольно широких пределах. Несомненно, что изменение указанных параметров от различных факторов приведет к изменению коэффициента теплопередачи секции калорифера. Поэтому при подсчете общего количества тепла, которое отдает калорифер в помещение бригады будет зависеть от режима работы силовой установки (ПК), температуры воды, охлаждающей дизель  и т.д.
Таким образом, проведенный анализ существующих систем отопления на тепловозах 2ТЭ1СШ и 2ТЭ116 показал, что различные варианты включения топливоподогревателя в систему отопления оказывает некоторое влияние на скорость воды в живом сечении секции. В свази с этим нами для дальнейших расчетов теплопроизводительности отопительной системы были приняты две схемы: первая - топливоподогреватель включен последовательно с секцией калорифера; вторая - без него. При этом установлено, что наличие топливоподогревателя в системе отопления снижает расход воды в секции калорифера примерно на 10-11%.

  При проектировании, а также в процессе поверочного расчета количества выделяемого тепла отопительным устройством (калорифером) на тепловозах, необходимо учитывать потери тепла из кабины в окружающую среду через все поверхности. Мощность калорифера должна быть достаточной для поддержания нормального температурного режима в кабине независимо от режима работы силовой установки и температуры окружающей среды. На теплорассеивающую способность калорифера влияют факторы, вызванные его эксплуатацией, приводящие с течением времени к снижению теплоотдающей способности установки на 20-30%, а иногда и до 50%.
Из многочисленных исследований, проведенных по секциям тепловозных холодильников рядом авторов известно; что теплорассеивающая способность теплообменных аппаратов зависит от многих факторов, а в нашем случае еще и от времени работы калорифера.
В связи с изложенным можно записать, что количество выделяемого калорифером тепла, в общем случае выражается следующей зависимостью где

Из изложенного видно, что изменение любого из параметров в уравнении (7)  при прочих равных условиях, приведет к изменению количества тепла, выделяемого калорифером. В конкретном случае количество поступаемого в кабину тепла можно регулировать за счет продолжительности работы отопительной системы, т.е. . Остальные параметры в уравнении зависят от режима работы силовой установки.
Если коэффициент теплопередачи при его экспериментальном определении относился к среднеарифметическому значению температурного напора Αέ , а перепады температур воды до и после секции калорифера сравнительно невелики, то количестве тепла, рассеиваемое калорифером, можно определить по следующей зависимости
ккал/ч . (4#)
В приведенном уравнении часть параметров нами была определена ранее. Остальные принимаем по справочным данным из литературы.

Для вычисления по уравнению 4% общего количества тепла необходимо знать изменение коэффициента теплопередачи (К) секции калорифера. Для этого воспользуемся известными зависимостями из литературы   для значений Цбз и Ща , полученных в наших расчетах. На основании изложенного была получена зависимость (рис. 67), из которой видно, что в общем случае коэффициент теплопередачи изменяется в пределах 11,75-14 ккал/м²ч°С.
Однако полученную зависимость в расчетах использовать трудно, т.к. в каждом конкретном случае необходимо иметь значения коэффициентов теплопередачи секции, зависящие не только от весовой скорости воздуха, но и скорости воды в живом сечении. Последний параметр зависит от (ПК) и температуры воды.

На основании вышеизложенного переходим к более удобной для наших расчетов зависимости коэффициента теплопередачи от весовой скорости воздуха и режима работы силовой установки (рис.  67,, кривая I - значение (К) с топливоподогревателем; 2 - без него).
При этом нами были учтены следующие условия.
Как известно, большую часть времени (около 90%) тепловозные дизели работают на частичных нагрузках (т.е. на режимах от холостого хода до номинального) и независимо от рода обслуживаемого поезда использование двигателей тепловозов на номинальном режиме составляет всего 3-7% и 30-40% на холостом ходе от общего полезного времени работы [13,63]. Для маневровых тепловозов [74] время работы при максимальной мощности соответственно составляет 3-4%, на холостом ходе - около 70%.
Наиболее длительная работа тепловозных дизелей протекает при мощностях 0,5-0,6 от номинальной.
При этом коэффициент использования мощности дизеля, определяемый отношением фактической (эксплуатационной) работы Аэ к возможной на номинальном режиме Ан находится в пределах 0,2-0,4. Только при однообразном равнинном профиле пути и "жестком" расписании поездов величина указанного коэффициента увеличивается и время работы дизеля на номинальном режиме достигает 20-30%.
Таким образом получаем, что силовая установка тепловоза в среднем работает примерно 5% - на номинальном режиме (1,5 ПК), 60% - на 8-9 позиции контроллера и 35% - на нулевой ПК от общего полезного времени. При этом были приняты следующие температуры воды на выходе из дизеля:

- на 15 ПК.
В соответствии с изложенным и принятыми параметрами для расчетов построена гистограмма распределения тепла в зависимости от режима работы силовой установки и условий движения тепловоза.
При этом были приняты следующие допущения: на площадке поезд движется с ускорением, а дизельгенераторная установка работает на 9ПК; на спуске - на холостом ходу (О,ПК); на подъеме - на номинальном режиме (15ПК).
Как и следовало ожидать, максимальное тепловыделение калорифером имеет место при движении поезда по затяжному подъему (15ПК) и равно 4250 ккал/ч, минимальное - при движении по спуску (О,ПК) и составляет = 3000 ккал/ч.
Подсчет среднего количества тепла с учетом режима работы силовой установки по выражению

выделяемого калорифером, равенккал/ч,
что составляет, примерно, 54% от общего тепла, уходящего через ограждение кабины при температуре окружающей среды равной -50°С.
Возникает вопрос: какое количество тепла поступает в кабину машиниста тепловоза 2ТЭ10Л при различной температуре окружающей среды в зимнее время?

 Приведенная зависимость (рис. 63) показывает, что  наибольшее количество тепла (4300 ккал/ч) выделяет
калорифер при температуре воздуха в кабине равной - 5°С. Из графика видно, что указанного количества тепла явно недостаточно для поддержания температурного режима в кабине на уровне санитарных норм (+17%). Причем, эта норма соблюдается только при температуре окружающей среды -11%. При этом калорифер выделяет приблизительно 3200 ккал/ч.
На графике (рис. 63) знаком (-) отмечена зона, в которой необходимо уменьшить количество тепла, выделяемого калорифером, а знаком (+) - увеличить теплопроизводительность климатической установки.
Кроме того, для подачи требуемого количества тепла калорифером с целью поддержания температурного режима в кабине на уровне +16-1890 , необходимо выполнить следующие условия.

1. Обеспечить максимальную теплопроизводительность калорифера, по крайней  мере, на 20-30% больше максимально возможных потерь тепла ограждением кабины. В этом случае теплорассеивающая способность отопительного устройства должна составлять порядка 7000-8500 ккал/ч. Интенсифицировать теплообмен калорифера, в известной степени, можно за счет увеличения массовой скорости воздуха в узком сечении секции примерно до 2-3 кг/м²сек. Для этого необходимо увеличить производительность вентилятора до 1000-1500 м³/ч или примерно в 2 раза по сравнению с существующей производительностью.
2. Осуществить автоматическое включение и выключение из работы калорифера. При этом его включение должно осуществляться при средней температуре в кабине +16°С, а выключение - при +18°С.

  Для обеспечения устойчивой работы отопительной системы необходимо, чтобы включающее (выключающее) устройство имело бы несколько датчиков, расположенных в характерных точках (в районе рабочих мест обслуживающего персонала) кабины, позволяющие работу калорифера в заданном диапазоне температур. Другим, на наш взгляд, более надежным средством регулировки температурного режима в кабине может явиться устройство, позволяющее регулировать число оборотов вентилятора калорифера в зависимости от температуры в кабине на заданном уровне. Это усложнит конструкцию отопительного устройства, но, в свою очередь, обеспечит более "плавную" работу электродвигателя, а главное - обеспечит более стабильный температурный режим в кабине.
Из практики эксплуатации тепловозов известно, что калорифер "сушит" воздух в кабине машиниста. Для обеспечения нормальной влажности (50-60%) в кабине машиниста необходимо предусмотреть устройство, позволяющее обеспечивать ее в заданных пределах.

1. Предусмотреть на рабочих местах машиниста и его помощника (в нескольких местах, сориентированных в пространстве кабины) местные вентиляторы (резервные отопительные устройства), которые равномерно, по высоте кабины, обдували бы теплым воздухом, идущего от калорифера, со скоростью не более 0,3 м/сек. Этот способ, на наш взгляд, даст возможность обеспечить более стабильное поддержание температуры на рабочих местах обслуживающего персонала за счет лучшего перемешивания слоев воздуха с различной температурой.

Такие установки могут быть включены но желанию локомотивной бригады и поток воздуха, с помощью специального устройства, может быть направлен в желаемом направлении на рабочее место обслуживающего персонала.
Рекомендуемые нами мероприятия но распределению тепла в кабине дает возможность обеспечить комфортные условия для работы локомотивных бригад, повысит их бдительность и т.д.