Разработка и производство энергоэффективных транспортных кондиционеров в россии

 

А. Л. Емельянов СПбГУНиПТ, ОАО «НТЦ «Завод Ленинец», ЗАО «Петроклима» (г. Санкт-Петербург)
Производство транспортных кондиционеров для автомобилей, тракторов и специализированно­го автотранспорта существовало в Советском Союзе еще в 80-х годах прошлого века. Кондиционеры проектировались на базе современных лицензионных компрессоров фирмы "Seiko", алюминиевых теп­лообменников на базе плоских труб, отечественных вентиляторов и даже контроллеров [1]. Однако в это время российский рынок еще не был готов к массовому потреблению кондиционеров, и это сдерживало технологическое развитие их производства.

Следует отметить, что именно в эти годы были проведены фундаментальные научные исследования по теплофизическим свойствам различных фреонов, теплообмену и гидродинамике при движении фреонов в плоских каналах, в том числе при кипении и конденсации, по теплообмену со стороны воздуха. Разработаны методики расчета теплообменников для существовавших в то время технологий их изготовления и конструкций, исследования по совместимости озонобезопасных хладагентов и т. д. Именно результаты этих работ на первом этапе стали научной основой при разработке новых типов отечественных кондиционеров. Разрушение производства и связей между предприятиями в конце 80-х годов привело к почти полному исчезновению интереса к транспортным кондиционерам. Интерес к системам кондиционирования для транспортных объектов существенно возрос в 90-х годах в связи с изменением общественно-политической ситуации в стране: люди захотели не только жить и работать, но и путешествовать в условиях климатического комфорта. В конце 90-х годов «Тверской вагоностроительный завод» выдал технические требования к кондиционерам для пассажирских вагонов, а позднее в рамках МПС РФ и ОАО «РЖД» было принято организационное решение об установке кондиционеров на все новые и модернизируемые пассажирские вагоны, а также на кабины управления локомотивов. Таким образом, начал формироваться рынок, а для его заполнения в конце 90-х годов возникло несколько предприятий, взявшихся за производство систем кондиционирования для железнодорожных транспортных объектов. Сложилась конкурентная среда и уже в феврале 2001 года в Петербурге на базе СпбГУНиПТ (тогда ЛТИХП) была проведена первая научно-техническая конференция «Системы вентиляции, кондиционирования и отопления в пассажирских вагонах », в которой приняло участие более 110 человек из 51-одной организации РФ, заслушано 33 доклада [2]. Позднее рынок существенно расширился за счет трамваев, рельсовых автобусов, вагонов метро, электропоездов и дизельпоездов, передвижных пунктов управления, авиационных, аэродромных и прочих движущихся объектов. Были сформулированы нормативные правила и санитарные требования к системам кондиционирования этих объектов. Любое транспортное средство с точки зрения кондиционирования является очень сложным объектом. Возникает комплексная задача, связанная как с самим кондиционером, т. е. устройством для обработки воздуха и его подачи в кондиционируемое помещение, так и с обеспечением комфортных условий в этом помещении. Необходимо учитывать ряд факторов: дефицит электроэнергии и свободной мощности бортовых силовых агрегатов, жесткие требования по ремонтопригодности, массе и габаритам, надежную работу в условиях сильной вибрации, значительные изменения температуры окружающей среды, колебания напряжения питания и др. Например, для пассажирского вагона из мощности подвагонного генератора 32 кВт на системы кондиционирования и вентиляции (СКВ) расходуется от 18 до 20 кВт, бортовое питание — постоянный ток с напряжением 90^142 VDC, требуется раздельная обработка воздуха для салона и кухни вагонов-ресторанов, индивидуальное управление климатом в каждом купе. Свои специфические задачи возникают при создании аэродромных наземных СКВ.

А. СКВ для пассажирских вагонов, вагонов-ресторанов и электропоездов

Учитывая накопленный опыт в области холодильной техники и тепломассообмена, а также мировые тенденции в создании транспортных СКВ к 2001-2003 гг. были определены следующие принципы проектирования при создании таких систем для пассажирского вагона:
1. Использование в кондиционерах режима теплового насоса (ТН);
2. Использование легких коррозионностойких алюминиевых сплавов для корпуса кондиционера;
3. Оптимизация теплового режима вагона;
4. Разработка алгоритма управления СКВ с учетом периода посадки пассажиров, остановок и изменения температуры наружного воздуха;
5. Применение двигателей вентиляторов с возможностью питания от бортовой сети постоянного тока и плавным регулированием частоты;
6. Энергосберегающие методы регулирования и поддержания параметров климата в вагоне;
7. Использование образующегося конденсата для повышения эффективности работы конденсатора;
8. Индивидуальное управление температурой воздуха в купе;
9. Использование специализированных малогабаритных преобразователей напряжения, размещаемых в кондиционере.
10. Использование современных теплообменных аппаратов.
Комплексные научные исследования для решения проблемы создания энергоэффективных транспортных систем кондиционирования включали задачи, относящиеся к собственно кондиционеру, как к устройству для обработки воздуха (внутренние), так и к вагону, как объекту кондиционирования (внешние), в том числе:
1. Разработка математической модели нестационарного теплового режима вагона как объекта кондиционирования.
2. Исследование переходных процессов в воздушных средах объектов с системами кондиционирования.
3. Исследование испарительного эффекта охлаждения при взаимодействии влажных воздушных потоков с теплоотдающей поверхностью.
4. Изучение теплогидродинамических характеристик современных теплообменников.
5. Разработка методик расчета теплообменников, обеспечивающих достаточно высокое соответствие реальному результату.
6. Оптимизация теплообменников для работы транспортного кондиционера, как в режиме охлаждения, так и отопления.
7. Разработка алгоритма управления СКВ в динамически меняющихся условиях эксплуатации и его оптимизация в условиях ограничения по используемой мощности.
8. Исследование подвижности воздуха в замкнутых объемах, разработка оптимальных конструкций воздухораспределителей.
9. Разработка методик испытаний кондиционеров при мелкосерийном производстве.
Для выбора параметров кондиционера пассажирский вагон был рассмотрен как термодинамический объект с сосредоточенными параметрами. Тепловой баланс такого объекта с пассажирами, кондиционером и окружающей средой был описан системой интегральных уравнений, не содержащих пространственных координат. Были получены соотношения, позволившие оценить длительность переходных тепловых режимов на различных этапах эксплуатации вагона, уровень температуры в установившемся режиме, оптимальные соотношения для расхода обработанного (приточного) и свежего (наружного) воздуха, а также требования к холодопроизводительности кондиционера и требуемым энергетическим затратам. Созданная обобщенная теплофизическая макромодель теплового режима пассажирского вагона позволила оценить роль нестационарных переходных температурных состояний вагона, учитывая проявление тепловой инерции вагона, сформулировать требования к тепловой изоляции корпуса, параметрам кондиционера и системе отопления, а также к режиму СКВ на различных этапах поездки. Расчеты по созданной модели показали, что в условиях России комфортные условия в купейном вагоне при эффективной проводимости 1,0 Вт/(м2 К) обеспечивает кондиционер с холодопроизводительностью 15-20 кВт, при общем расходе приточного воздуха около 2500 м3/час и наружного около 1000 м3/час. Для зимних условий необходимо подавать в вагон 25-30 кВт тепла. В летний жаркий период на начальном этапе при посадке пассажиров энергетически гораздо выгоднее обеспечивать эффективный продув вагона воздухом с наружной температурой, а кондиционер включать только с началом движения поезда при работающем генераторе. Такой режим является более комфортным и для пассажиров, так как исключает тепловой удар при резком погружении в среду с гораздо более низкой температурой (на 10-15 град). В переходный период весной и осенью, а в условиях юга России и Украины при наружной температуре от минус 10 ° ^о плюс 16° C целесообразно в кондиционере использовать реверсивный режим «тепловой насос». Термодинамический анализ режима показывает, что при этом экономится до 60 % энергии на отопление. Такие кондиционеры созданы под руководством автора и широко внедрены на подвижном составе ОАО «Российские железные дороги». Применительно к вагонам электропоездов, метро и жесткооткрытым сидячим вагонам проведен численный анализ подвижности воздуха для различных типов и конструкций воздухораспределителей и выбраны оптимальные. За период с 2002 г. было запущено в эксплуатацию в сети ОАО «РЖД», в Украине и в Республике Беларусь более 600 вагонных кондиционеров с тепловым насосом. Причем общие габаритные и посадочные размеры кондиционера не изменились, а стоимость выросла всего на 5 %. Зачастую основным аргументом против использования ТН является сложность обеспечения нормативного перепада температуры по высоте купе при существующей системе воздухораспределения. Однако работа по совершенствованию воздухораспределения в транспортных средствах нами проводится с использованием современных программных продуктов. На примере купе пассажирского вагона и кабины управления локомотива было показано, что в условиях активного кондиционирования реальная инерционность воздуха в помещении с системой кондиционирования исчисляется минутами. Были получены соотношения, позволяющие оценить длительность переходной стадии для среднеобъемной температуры воздуха в купе или кабине при ступенчатом изменении на входе расхода и температуры подаваемого воздуха. Обобщенная теплофизическая модель вагона в целом, анализ алгоритма управления СКВ и системы воздухораспределения позволили сделать ряд важных выводов о возможности достаточно простого индивидуального управления температурой и расходом воздуха в купе пассажирского вагона, снижения общего энергопотребления, оптимизации работы всей климатической установки. Рассмотренные модели и результаты их анализа использованы при проектировании и производстве энергоэффективных систем кондиционирования и вентиляции в пассажирском вагоностроении [3,4]. Использование вентиляторов фирмы Ebm-papst c двигателями вентильного типа позволило отказаться от 2-х каналов подвагонного частотного преобразователя, значительно повысить возможности по энергосбережению за счет плавного регулирования расхода, как приточного воздуха, так и воздуха, охлаждающего конденсаторы. При этом повысилась общая надежность системы за счет использования двух приточных и четырех вентиляторов конденсаторов. И самое главное, появилась возможность создания СКВ для вагонов-ресторанов с раздельной обработкой воздуха в зале и кухне, а для пассажирских вагонов осуществить индивидуальное управление температурой в купе. При этом реализован самый экономичный способ регулирования — количественный, за счет плавного изменения количества приточного воздуха в каждое купе. За счет использования для корпуса алюминиевого профиля кондиционер стал легче аналогов на 300-350 кг, что существенно повысило энергетическую эффективность системы в целом. В кондиционере для пассажирских вагонов используется малорасходный винтовой компрессор компании «Bitzer» с возможностью частотного регулирования от 20 до 70 Гц. К сожалению, спиральные компрессоры вертикального и горизонтального исполнения не имеют такой широкой зоны регулирования. Даже компрессор фирмы «Copland» с электронным регулированием не позволяет получить требуемую плавность регулирования во всем диапазоне. Размещение преобразователя DC/AC мощностью 28 кВт внутри кондиционера позволило уменьшить общую массу комплекта до 540 кг, а самое главное, повысить его надежность. Серьезным недостатком отечественных СКВ на пассажирских вагонах является размещение в подкрышевом пространстве, что значительно усложняет их обслуживание. В то же время разработаны конструкции для электропоездов с установкой на крыше вагона.

Б. СКВ для кабин управления подвижным составом

За прошедший период 2001-2011 гг. было разработано более 40 моделей кабинных кондиционеров с холодопроизводительностью от 2,0 до 5,0 кВт для различных транспортных средств: электровозов и тепловозов, метро, трамваев, вагонов сопровождения, почтово-багажных, рельсовых автобусов, ди- зельпоездов и т. п. В настоящее время в эксплуатации находится более 1500 кабинных кондиционеров отличающихся: холодопроизводительностью и теплопроизводительностью, количеством подаваемого свежего воздуха, габаритами и массой, местом установки (на крыше локомотива, за потолком под крышей, в кабине или тамбуре, под полом), напряжением питания (24 В,50В,80В, 110В постоянного тока, 220 В 1 ф или 3 ф переменного тока), способом забора свежего воздуха и его подачи в кабину и другими параметрами. Для плацкартных вагонов с располагаемой электрической мощностью до 3,5 кВт и бортовым напряжением 50 В, разработана приточно-вытяжная установка холодопроизводительностью 8 кВт, в которой используется образующийся конденсат и принудительно удаляемый воздух для повышения эффективности работы холодильной машины и ТН. В активе сотрудников нашего предприятия разработки и поставки кондиционеров для кабин локомотивов серии ЧС2К и ЧС6, ВЛ80ТК(СК), ранней серии ЭП-1 (эксплуатируется в депо г. Саратова), для кабин трамваев производства ОАО «Петербургский трамвайно-механический завод», для вагонов метро ЗАО «Вагонмаш», для кабин карьерных экскаваторов ООО «ИЗ-КАРТЭКС», 15 электропоездов «Спутник» производства ЗАО «Спецремонт» и ряда других. Кондиционеры хорошо зарекомендовали себя в различных условиях эксплуатации как надежные современные устройства. В кондиционерах используются комплектующие известных иностранных производителей, что позволяет достичь необходимого качества изделий.

 В. Аэродромные кондиционеры

 Одним из направлений, которые реализованы в наших проектах, являются аэродромные кондиционеры для подготовки самолета к полету во время посадки пассажиров. Эти кондиционеры отличаются не только мобильностью, но и более серьезными характеристиками — например, свободный напор воздуха на выходе 10-метрового рукава может составлять от 15 до 35 кПа. В настоящее время запущено серийное производство кондиционеров с расходом воздуха до 6000 м3/ч и до 4000 м3/ч. Готовятся к испытаниям кондиционеры с производительностью до 1000 м3/ч и до 10000 м3/ч [6]. Следует отметить, что в них использованы все технические и конструктивные наработки, которые обкатывались на кондиционерах для железнодорожного транспорта. Можно сказать, что в России в настоящее время создана мощная проектная и производственная база, имеющая возможность разработки и производства любых транспортных СКВ и способная обеспечить любые потребности отечественных потребителей. Пришло время для инвестиций в производство компактных, надежных, современных компрессоров.
Список литературы
1. Емельянов А. Л, Иванов О. П., Терещенко В. И., Зуев В. И., БояркинВ.А. Комплексные исследования транспортных кондиционеров в климатической камере. Материалы Всесоюзной конференции «Холод — народному хозяйству». — Л.: ЛТИХП, 1991. C. 188-190.
2. Системы вентиляции, кондиционирования и отопления в пассажирских вагонах. Сборник докладов участников научно — практического семинара. Под редакцией д. т. н., проф. С. Е. Буравого. — СПб.: СПбГУНиПТ, 2001. 132 с.
3. Буравой С. Е., Емельянов А. Л. Проблемы обеспечения комфорта на железнодорожном транспорте. Деловой журнал «РЖД-Партнер», № 3 (67), 2004. C. 29-31.
4. Емельянов А. Л., Козин В. М, Царь В. В. Энергосберегающие системы кондиционирования и вентиляции пассажирских вагонов. «Транспорт Российской Федерации», № 4 (29), 2010. C. 54-57.
5. Емельянов А. Л., Буравой С. Е, Платунов Е. С. Обобщенная математическая модель нестационарного теплового режима пассажирского вагона с СКВ. Электронный научный журнал «Холодильная техника и кондиционирование», ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский Государственный Университет Низкотемпературных и Пищевых Технологий. — Электронный журнал. — СПб ГУНиПТ, 2007. Выпуск 1, сентябрь.
6. Емельянов А. Л. Аэродромные кондиционеры: из прошлого в будущее. «Новый оборонный заказ. Стратегии» № 4 (16) 2011. C. 78-79.
24 Марта 2013
Комментарии 0

Комментариев пока нет