Температурные условия в кабине машиниста - Потери тепла с воздухообменом в единицу времени

Поступающий в кабину воздух из окружающей среды, проходя через секцию калорифера, нагревается до определенной температуры (35-55°С). Далее из кабины воздух проникает через неплотности в ограждении (проемы периодически открываемых окон и дверей) наружу, имея при этом температуру, равную температуре воздуха внутри кабины. Пренебрегая влажностью воздуха, количество тепла, уносимого из кабины, можно определить по следующей зависимос

и

χ - коэффициент, учитывающий частоту открывания окон (двери) в течение одного часа.
Для подсчета общего количества уходящего тепла, через ограждение кабина, воспользуемся вспомогательными значениями температур в дизельном помещении и под полом в зависимости от температуры окружающей среды, полученные нами в опытных поездках (рис. 69)
При определении потерь тепла ограждением было принято, что через неплотности уходит в окружающую среду примерно 10% от общего количества, вносимого воздухом при соответствующей теплопроизводительности калориферами.
Анализ полученных зависимостей показал, что значительная часть тепла (в среднем от 41 до 43% в зависимости от температуры окружающей среды) рассеивается ограждением (при Кср= 1,788 ккап/м²ч°С) без учета остекленной поверхности  (рис. 70). При тех же условиях через окна теряется 23-26%, а через неплотности - 32,8 -33,6% от общих потерь в окружающую среду.
В случае применения в структуре ограждения пенополистирола (Кер = 0,917 ккад/м²ч°С) при той же толщине стенок потери составляв через стенки .окна и щели соответственно 17-18,5%, 33,3-36,6% и 46,2-48,2% от общих потерь, в зависимости от температуры окружающей среды.
Из сравнения зависимостей (рис.  70,71) видно, что применение материала в ограждении кабины с высокими тепло- шумовзоляционными свойствами снижает потери тепла, примерно, на 41-44%.

Из приведенного анализа видно, что при снижении среднего коэффициента теплопередачи ограждения с до 0,91  ккал/м²ч°С за счет применения высокоэффективного теплоизоляционного материала увеличивается потеря тепла через неплотности в ограждении кабины в 1,53 раза, а через окна - в 1,59 раза. При этом рассеивание тепла через ограждение без учета окон снизилось в 2,18 раза или на 1340 ккал/ч, при -50°С.
Изложенные выше соображения показывают, что с понижением термического сопротивления ограждения за счет применения пенополистирола вызывает необходимость более тщательной герметизации кабины и применения двойного остекления передних и боковых стекол
На наш взгляд существующие площади лобовых и боковых окон необоснованно завышены и имеют довольно высокие коэффициенты теплопередачи (до 5 ккал/м²ч°С). Суммарная площадь передних и боковых окон на тепловозе 2ТЭ10Д составляет немногим более 3 м². На зарубежных тепловозах поверхность окон находится на уровне 1,5-2 м². к примеру, тепловозы США имеют общую площадь передних и боковых окон приблизительно 1,5 м², что в 2 раза меньше поверхности окон отечественных тепловозов. При этом отмечается достаточно хорошая видимость пути и путевых сигналов.
Естественно, что меньшая поверхность окон снизит потери тепла из кабины в окружающую среду при работе в зимних условиях, а в летних - соответственно приток  тепла за счет радиации солнечных лучей. Кроме того, применение двойного остекления существенно понижает коэффициент теплопередачи окон, а вместе с этим и количество рассеиваемого тепла в окружающую среду.
В связи с этим был проведен анализ по определению потерь тепла через окна с различной поверхностью дня одинарного и двойного остекления. При этом были приняты площади окон от 1,5 до 3 м² и для них произведем расчет потерь тепла при различной температуре окружающей среды (-10-50°)
Результаты расчетов, представленные на рис.  72 показывают, что, примерно, одинаковые показатели по снижению тепла, рассеиваемого в окупающую среду, имеют место для одинарного и двойного остекления соответственно площадью 1,5 м² и 2,75 м². Наименьшие потери тепла, как видно из графика, получены при двойном остеклении общей площадью 1,5 м² Применение пакетных стекол площадью 1,5 м² приводит к снижению потерь тепла через них при = -50°С в 3,8 раза по сравнению с одинарными окнами существующих размеров.
Из этого видно, что сокращения потерь тепла, примерно в 2 раза, в окружающую среду можно добиться за счет следующих условий:

1. Уменьшения площади окон (суммарной) с 3 м² до 1,5 м², т.е. в два раза;
2. Применения двойного остекления с воздушной прослойкой порядка 12 мм, при этом потери тепла снизятся примерно в 1,77 раза.

При уменьшении общей площади окон до 2 м² или в 1,5 раза по сравнению с существующей и применение двойного остекления снижает потери тепла примерно в 2,8 раза.

  Уменьшение площади окон в 2 раза уже приводит, как показал анализ, к снижению потерь тепла в окружающую среду. Однако в этом варианте имеется существенный недостаток. Из известно, что одинарное окно "замерзает" при температуре окружающей среды - 25-30°С, а обдувание его сжатым воздухом не устраняет указанный недостаток.
Имеющиеся сведения  о незамерзающих пакетных стеклах в смотровых окнах локомотивов устраняют перечисленные выше недостатки, вплоть до температуры окружающей среды минус 50-55°С. Они могут изготавливаться промышленностью различных размеров (до 6 м²), а их монтаж на локомотиве не вызывает затруднений.
Анализ показал, что значительное снижение потерь тепла из кабины в окружающую среду получено при двойных стеклах площадью порядка 2 м², при этой площади окон видимость пути и путевых сигналов не ухудшается. Кроме того,  отношение площади окон к площади пола должно быть не менее 0,4. При существующих размерах окон эта величина равна 0,605 . Уменьшение площади окон до 2 м² вполне возможно, т.к. при этом отношение указанных выше поверхностей будет равно примерно 0,404.
Изложенные выше соображения позволят снизить нервное напряжение локомотивной бригады, улучшат температурный режим в кабине, а следовательно, повысят безопасность движения подвижного состава.

Однако, тепло из кабины с воздухом уносится не только через щели в ограждении, но и через открытые окна и двери. Известно, что в процессе движения машинист или помощник периодически (кратковременно) открывают окна для осмотра поезда. Кроме того, помощник машиниста в пути следования производит осмотр силовой установки, вспомогательного оборудования и т.д. Следовательно, необходимо учесть частоту открывания дверей и время, в течение которого они остаются открытыми.
Статистические данные, полученные в опытных поездках на участке Печора-Сосногорск-Печора показывают, что в среднем левое, правое боковые окна и дверь открывались соответственно 3,56; 3,96 и 4 раза в час. Причем,каждый раз окна оставались открытыми в течение I минуты, а дверь от 3 до 5 сек. При открытых окнах скорость воздуха в их проемах была равна примерно 0,5 м/сек, а в проеме открытой двери от 0,5 до 1,0 м/сек.
Изложенное выше, при известных площадях оконных и дверных проемов, дает возможность вычислить количество тепла, уносимое в окружающую среду с воздухом.
На рис.  75,74 представлены зависимости изменения количества уносимого тепла из кабины Оун(пр) через полностью открытые окна и дверь при различных скоростях движения воздуха. ТЭк при скорости движения воздуха через левое и правое окна 0,5 м/сек. количество уносимого тепла составляет соответственно 600 и 700 ккад/ч при to = - 50°С.

При открывании двери с частотой в среднем 4 раза в час уходит тепла в дизельное помещение от 62 ккал/ч до 123 ккал/ч, что составляет от 8,7% до 17,6% от тепла, уходящего через правое окно и от 10,3% до 20,5% от тепла, уходящего через левое окно. Следует также отметить, что при температуре окружающей среды равной -10°С незначительная часть тепла (примерно до 18 ккал/ч) "перетекает" из дизельного помещения в кабину, т.н. при указанной выше температуре окружающей среды. Однако, указанная величина притока тепла в кабину весьма незначительна и не оказывает существенного влияния на общие потери тепла в окружающую среду. При подсчете общих потерь тепла в окружающую среду, нами учтено   через открытые окна и дверь для скоростей воздуха, полученных в кабине в опытных поездках. Как видно (рис. 73,79 общая утечка тепла из кабины через открытые окна и дверь составляет 1423 ккал/ч при температуре окружающей среды.
В общем балансе тепла учтена составляющая, выделяемая локомотивной бригадой, которая в среднем равна 193,5 ккал/ч, что составляет примерно 3,42 - 8,0% от общих потерь тепла в зависимости от температуры окружающей среды При этом температура в кабине машиниста была принята на уровне санитарных норм  и средний коэффициент теплопередачи ограждения Kt = 1,778 ккла/м²ч°С. При Кср= = 0,917 ккал/м²ч°С и 17°С аналогичные показатели находятся в пределах 4,48 - 13,7% от общего тепла для принятого интервала температур окружающей среды.

Количество тепла, выделяемое локомотивной бригадой, состоящей из двух  человек, рассчитывалось, исходя из того, что Оц (табл. 11) равно 50 ккал/чм²е Это соответствует графе "спокойное сидение", Однако следует учесть, что в процессе движения тепловоза может находиться должностное лицо (например машинист-инструктор). В этом случае общее количество тепла, выделяемое присутствующими в кабине, возрастет до 435 ккал/ч или в 2,26 раза больше по сравнению с первоначальным значением (193,5 ккал/ч).
Суммарные утечки тепла (рис. 75,76,77) при t>= -50% составляют 6300 ккал/ч при 1,788 ккал/м²ч°С и 4310 ккал/ч при Кер= 0,917 ккал/м²ч°С. Применение пенополистирола позволило снизить общие потери тепла в среднем на 30-31%, а с двойным остеклением и площадью 2 м² - на 37-50%, в зависимости от температуры окружающей среды.
Ранее уже отмечалось преимущество незамерзающих пакетных стекол перед обычными стеклами. Следует добавить, что пакетные стекла при наличии сухой воздушной прослойки и хорошей герметичности прилегания сопрягаемых частей в оконной раме уменьшают звукопроводимость, обеспечивают хорошую видимость при работе тепловозов в условиях с низкими температурами (до - 50%) [27]    .
Пакетные стекла находят большое применение за границей для остекления жилых домов, промышленных и торговых предприятий, а также самолетов гражданского флота.

В настоящее время известно, что одна из фирм США предложила пластмассовую прозрачную пленку толщиной 5=0,025 мм для повышения теплоизолирующих свойств окон. Эта пленка выпускается нескольких цветов и изготавливается на основе полиэфирного пластика, в виде отдельных листов.
Она обладает весьма высокими теплоизолирующими свойствами. ΤΒκ оконные стекла, покрытые такой пленкой, отражают 80% падающих солнечных лучей, что приводит в летний период к экономии электроэнергии для привода установок кондиционирования воздуха до 40%.
В зимних условиях подобное мероприятие способствует экономии топлива для обогрева помещений до 35%. При этом видимость через окна с пленкой не ухудшается.
Однако, неизвестно о степени замерзания окон, покрытых пленкой при низких температурах окружающей среды (до -50°С).
Таким образом, полученные значения общего количества тепла, теряемого в окружающую среду для двух вариантов ограждения показывают, что для поддержания требуемого температурного режима в кабине , необходимо подавать соответствующее количество тепла в зависимости от температуры внешней среды. Для этого необходимо знать количество тепла, выделяемое калорифером в зависимости от режима работы силовой установки тепловоза, скорости его движения и т.д. Причем, собственная мощность отопительной установки должна быть несколько выше потерь тепла через ограждение кабины. Кроме того, работа калорифера должна регулироваться в зависимости от температуры в кабине машиниста.
Вышеизложенное дает основание утверждать, что потери тепла , учитываемые уравнением (57), определяют общее количество тепла, необходимое для поддержания температурного режима в кабине в соответствии с санитарными нормами, а методика расчета позволит задать мощность отопительного устройства для существующих и вновь проектируемых кабин локомотивов.
В случае применения материалов в ограждении кабины машиниста, способных вспениваться на месте производства сокращаются не только потери тепла в окружающую среду, но значительно упрощается технология ее сборки. При этом экономический эффект, выраженный в денежных средствах, составляет не менее 400 - 500 тыс. рублей в год на 1000 условных тепловозов.

ВЫВОДЫ

1. Исследование различных схем отопления кабины машиниста тепловозов 2ТЭ10Л и 2ТЭ116 показало, что наличие топливоподогревателя, включенного последовательно с секцией калорифера, не оказывает существенного влияния на теплопроизводительности климатической установки. Его включение последовательно с секцией калорифера снижает теплопроизводительность последнего на 5-10%.
2. Анализ теплопроизводительности калорифера при различных температурах окружающей среды показал, что климатическая установка не может обеспечить необходимый температурный режим в кабине. Максимальная теплопроизводительность калорифера составляет, примерно, %% от общих потерь в окружающую среду при существующем ограждении (при = -50°С) и почти удовлетворяет требованиям (до 9g,5%) при 0,917 ккал/м²ч°С.
3. Определены зоны работы калорифера, которые показывают, что до температуры окружающей среды, равной -11°С теплопроизводительность климатической установки может создать требуемый температурный уровень в кабине машиниста. При более низкой температуре окружающей среды тепла, выделяемого калорифером, не хватает. Необходимо улучшить теплообмен секции калорифера с окружающей средой, либо за счет увеличения поверхности секции, либо за счет увеличения весовой скорости воздуха в наиболее узком месте воздушной стороны секции. Последнее можно осуществить за счет увеличения производительности вентилятора в два раза, по сравнению с существующей. Предпочтительнее последний способ, т.к. он не вызывает больших конструктивных изменений отопительной системы.
4. Предлагаемое уравнение теплового баланса в кабине машиниста дает возможность учитывать потери (притоки) тепла в окружающую среду при эксплуатации тепловозов в различных климатических условиях.
5. Проведенные исследования показали, что при существующих размерах окон потери тепла в окружающую среду довольно значительны. Применение пакетных стекол общей площадью 2 м² приводит к существенному снижению (на 64%) по сравнению с одинарным остеклением. В связи с этим рекомендуем уменьшить общую поверхность окон в 1,5 раза по сравнению с существующей и применить пакетные стекла с воздушной прослойкой 12 мм.
6. При расчете общего количества тепла, рассеиваемого поверхностью кабины, необходимо учитывать составляющую, выделяемую локомотивной бригадой. Она колеблется в пределах от 3,42% до 8,0% от общих потерь тепла при Кс = 1,778 ккал/м²ч°С от 4,48% до 13,7% при К.р=0,917ккал/м²ч°С в зависимости от температуры окружающей среды. При этом тепло, выделяемое локомотивной бригадой, вычитается из общего количества тепла, поступающего в кабину от калорифер
7. Применение пенополистирола в ограждении кабины (Кер = 0,917 ккал /м²ч°С) позволяет снизить общие потери тепла в окружающую среду в среднем на 43 - 44%, а с двойным остеклением общей площадью 2м² - на 46 - 60%.
8. Рассматриваемые в работе некоторые способы равномерного распределения тепла по кабине машиниста и, в особенности на рабочих местах обслуживающего персонала, потребуют разработки электрических схем для автоматического включения и выключения калорифера, или расположения резервных отопит тельных установок (вентиляторов) индивидуального пользования.
9. Предлагаемые в работе мероприятия по улучшению температурных условий в кабине машиниста позволили выявить экономический эффект в денежных средствах не менее 400 - 500 тыс. рублей в год на 1000 условных тепловозов.