Воздушное термостатирование в железнодорожных вагонах

Воздушная система термостатирования предназначена для обеспечения ТВР ОТ в контейнере при выполнении условий:

температура воздуха должна находиться в пределах от t_мин до t_макс, а относительная влажность - от φ_мин до φ_макс;

перепады температур по длине и диаметру контейнера не должны превышать допустимых величин:

Δt_L£ (Δt_L)_доп; Δt_D£(Δt_D)_доп;

подвод в вагон воздуха и отвод возможны только через заднюю стенку;

распределительный коллектор воздуха может размещаться только под крышей.

Если в процессе термостатирования воздух должен очищаться от пыли, аэрозольных частиц и других механических примесей до высокой степени чистоты, проходить тонкую фильтрацию, то ВСОТР обеспечивает чистотно-температурно-влажностный режим (ЧТВР).

Для уменьшения отрицательного воздействия инфильтрации на объект термостатирования при разработке ВСОТР предусматривается возможность создания необходимого подпора воздуха, внутри вагона. В этом случае вагон оборудуется не только средствами контроля температуры и относительной влажности, но и запыленности и давления.

Устройство ВСОТР

Основными элементами ВСОТР, размещенными в технологическом вагоне, являются:

два параллельно-включенных холодильных агрегата А1 и А2 (рис. 3.19);

электрокалорифер многосекционный; две пары центробежных вентиляторов B1...B4; влагоотделители ВД1 и ВД2;

всасывающий и напорный воздуховоды.

Воздухораспределительный коллектор 2 и температурные реле находятся в вагоне №1.

Рис. 3.19.Схема ВСОТР в железнодорожном вагоне: 1-вагон №1;

2-коллектор распределительный; 3-вагон №2; 4-напорный воздуховод;

5-всасывающий воздуховод; 6-контейнер с ОТ

Количество холодильных машин (ХМ) определяется потребной холодопроизводительностью ВСОТР и возможностью компоновки технологического оборудования в вагоне.

Каждый холодильный агрегат состоит из двух холодильных машин с общим конденсатором. Работоспособность холодильных машин при низкой температуре охлаждения (ниже 0°С) обеспечивается регуляторами давления «до себя» АДДЗ и «после себя» АДД1 на каждой ХМ (см. рис.3.9). Наличие двух холодильных агрегатов позволяет увеличивать холодопроизводительность ВСОТР, надежность функционирования за счет резервирования ХМ и ресурс ХМ путем их поочередного включения.

Воздух, охлаждающий конденсаторы, нельзя отводить в технологический вагон, чтобы не повышать его температуру в летний период, так как это приведет к снижению холодопроизводительности машин.

Электрокалорифер должен обеспечивать максимальную теплопроизводительность ВСОТР. В случае большой тепловой нагрузки нагревательные элементы должны включаться в сеть параллельно и секционно. Секционное включение позволяет ступенчато увеличивать нагрузку в сети и при выключении технологических операций задействовать в нагреве воздуха только часть нагревательных элементов (секций). Параллельные включения ТЭНов сохраняют работоспособность электрокалорифера при перегорании одного или нескольких ТЭНов. Целесообразно подсоединять в ЭК несколько резервных ТЭНов. Последовательность включения секций должна обеспечивать наиболее благоприятный режим работы ВСОТР.

Центробежные вентиляторы В1...В4 включены попарно параллельно-последовательно для получения необходимых расходов и напоров при работе систем термостатирования в разных режимах. Параллельное включение увеличивает расход воздуха (но не вдвое), а последовательное включение увеличивает напор потока (также не вдвое). Наличие четырёх вентиляторов позволяет резервировать работу одного или двух вентиляторов.

На выходе из вентиляторов установлены обратные клапаны для предотвращения обратного тока воздуха при выключении одного из вентиляторов.

Вентиляторы соединены с воздуховодами через гибкие рукава-амортизаторы, исключающие передачу вибраций от вентиляторов на другие элементы системы термостатирования. Кроме того, гибкие рукава облегчают стыковку воздуховодов с вентиляторами при монтаже СТ.

Датчики реле потока воздуха РПВ служат для дистанционного контроля наличия требуемого потока воздуха в напорном воздуховоде и дают разрешение на включение электрокалорифера. Если температура нагретого воздуха на выходе электрокалорифер достигает предельной величины (например, 50°С), то реле температуры РТ7 выключает ЭК, предохраняя его от перегорания.

Вход в коллектор соединен с напорным воздуховодом. На боковых сторонах коллектора имеются щели, через которые вытекают струи воздуха, обдувающие контейнер в поперечном направлении Они определяют перепад температур по диаметру Δt_D .Кинетическая и тепловая энергия истекающих струй должна быть достаточной для преодоления аэродинамического сопротивления зазора между боковыми стенками вагона и контейнером и достижения при этом пола вагона с минимальной скоростью. При недостаточной скорости истечения из коллектора струя может не доставать до пола вагона, перепад температур Δt_D увеличится и станет больше допустимого. При чрезмерно высокой скорости истечения струя достигнет пола с избыточным запасом энергии, перепад Δt_D станет меньше допустимого, но для этого потребуются дополнительные мощности на приводах вентиляторов.

На выходе из коллектора в его наиболее узком сечении кинетическая и тепловая энергия истекающего потока воздуха формируют продольный перепад температур Δt_L. Правильное соотношение площадей боковых, входного и выходного отверстий в коллекторе с расходом и напором воздуха, создаваемым вентиляторами, позволяет выполнить ограничения по перепадам температур.

Поддержание средней температуры в вагоне в пределах от t_мин до t_макс обеспечивается обоснованным выбором тепло- и холодопроизводительности и надёжной работой электрокалорифера и холодильных машин. Однако следует иметь в виду, что значительные локальные неоднородности температур в вагоне возможны из-за наличия конструкций, которые препятствуют хорошей циркуляции воздуха и создают «теневые» зоны. Тогда локальные градиенты температур могут повышать допустимые значения и вызывать в ОТ значительные напряжения.

Одноколлекторная система подачи и распределения воздуха имеет недостаток: при подаче нагретого воздуха сверху вниз на его частицы в струях действует подъёмная сила Архимеда пропорциональная разности плотностей и для достижения припольной зоны требуются большие затраты энергии.

При использовании двухколлекторной системы подачи один коллектор расположен вдоль пола и через него зимой следует подавать нагретый воздух, а через верхний коллектор - подавать летом холодный воздух.

Площади проходного сечения коллектора должны быть выбраны таким образом, чтобы эпюры скоростей боковых истекающих струй были однородными (рис. 3.19).

Управление режимами работы при термостатировании осуществляется с помощью датчиков и температурных реле.

Реле температур РТ1, РТ2, РТЗ расположены в верхней части вагона на противоположных по диагонали концах и предназначены для подачи сигнала на включение холодильных машин при достижении в летнее время наибольшей температуры воздуха t_δ = t_ном1 +Δt₁= t_макс. Здесь t_ном1 - номинальное значение высокой температуры воздуха в вагоне - «номинал 1»; Δt₁- «дифференциал 1», на которой должна понизиться температура воздуха и поступить сигнал на отключение холодильных машин. Реле РТЗ также настроено на температуру t_δ = t_ном1 +Δt₁. Включение ХМ происходит по сигналу одного из датчиков реле РТ1 или РТЗ, а выключение- по сумме сигналов «номинал 1» от двух реле.

Если температура воздуха продолжает возрастать, несмотря на работу ХМ, и достигает значения (t_δ)_доп > t_δ, то реле РТ2 включает счётчик моточасов СМЧ-1, учитывающий время пребывания контейнера с ОТ при температуре воздуха выше допустимой. При снижении температуры до значения (t_δ)_доп счётчик СМЧ-1 выключается.

Реле РТ4, РТ5 и РТ6 расположены у пола вагона на противоположных по диагонали концах и предназначены для подачи сигнала на включение нагревательной установки при понижении температуры воздуха до t_мин = t_м = t_ном2 - номинального значения низкой температуры в вагоне. Δt₂ - дифференциал, на который должна возрасти температура воздуха и поступить сигнал на отключение электрокалорифера. Реле температуры РТ6 также настроено на минимальную температуру t_м = t_ном2 = t_мин. Включение ЭК производится по сигналу одного из датчиков РТ4 или РТ6, а выключение - по сумме сигналов от двух реле «номинал 2» + Δt₂ («дифференциал 2»).

Если температура понизится до (t_м)_доп < t_ном2, то реле Р5 включит счётчик моточасов СМЧ-2, учитывающий время пребывания контейнера при температуре воздуха ниже допустимой.

Работа ВСОТР

Система термостатирования работает в режимах охлаждения, обогрева, осушки и перемешивания воздуха в вагоне. Регулирование тепловых режимов может выполняться включением и выключением режимов по сигналам реле температур, изменением количества включённых секций электрокалорифера и количества включённых ХМ.

Режим охлаждения

При достижении температуры воздуха в верхней зоне вагона значения «номинал 1» + «дифференциал 1» по сигналу реле РТ1 или РТЗ включаются вентиляторы В1 и В2 (или ВЗ и В4), осевые вентиляторы подачи наружного воздуха на конденсаторы ХМ, один компрессор холодильного агрегата А1 (или А2),,второй компрессор агрегата А2 (или А1) и затем второй компрессор агрегата А1. Таким образом, работают три компрессора. Четвёртый компрессор находится в резерве.

При каждой новой команде на включение режима охлаждения происходит чередование резерва.

Режим охлаждения может включаться после работы СТ в режиме обогрева только через некоторый промежуток времени Δт = 0,4...0,6 часа.

Режим обогрева

При достижении температуры воздуха в зоне пола вагона значения настройки «номинал 2» одного из датчиков реле РТ4 или РТ6 последовательно включаются вентиляторы В1...В4 и затем по разрешению датчиков потока воздуха поочерёдно, с интервалами в 10...25 минут, включаются секции электрокалорифера ЭК1...ЭК4. В отличие от режима охлаждения здесь включаются все вентиляторы, так как тепловые потери зимой примерно вдвое превышают внешний теплоприток летом и соответственно расход воздуха на термостатирование должен быть увеличен.

При повышении температуры воздуха до значения «номинал 2» + «дифференциал 2» по двум реле РТ4 и РТ6 электрокалорифер отключается и только затем отключаются вентиляторы.

Режим осушки

При контроле влажности воздуха в вагоне на сигнализатор влажности с реле РВ (находится в верхней зоне) подаётся напряжение и он включается в работу. Датчик включает в себя хлористо-литиевые чувствительные элементы, активное сопротивление которых зависит от влажности воздуха и его температуры. Если воздух сухой и относительная влажность φ £ 75%, то сопротивление элемента достаточно велико и осушка не требуется. Если влажность выше верхней границы, хлористо-литиевое покрытие адсорбирует влагу, активное сопротивление падает, датчик подаёт сигнал на включение реле РВ и СТ начинает работать в режиме осушки. Включаются вентиляторы В1 и В2 (или ВЗ и В4), одна холодильная машина и одна секция ЭК. Воздух охлаждается, конденсируется, выпадает во влагоотделителе, воздух осушается, а затем нагревается в ЭК. Нагретый и осушенный воздух заменяет в вагоне влажный воздух.

При понижении относительной влажности (φ £ 59% операции по осушке прекращается. Если в процессе осушки температура в вагоне выйдет за допустимые пределы [t_мин, t_макс], то BCOTP переключается соответственно на охлаждение или на обогрев. По окончании охлаждения или обогрева операция осушки продолжается.

Режим перемешивания

Если за достаточно длительный период времени не было запросов на включение режимов охлаждения, обогрева или осушки,| то для устранения неопределённости в тепловом состоянии вагона включается режим перемешивания: вентиляторами В1 и В2 или В3 и В4 воздух подаётся по замкнутому контуру и поле температур в вагоне выравнивается.