Перспективные способы улучшения теплоэнергетических показателей систем кондиционирования воздуха вагонов повышенной комфортности

Актуальность проблемы. В настоящее время на подвижном составе в установках кондиционирования воздуха в основном используют поршневые парокомпрессионные холодильные машины. Однако на данный момент все холодильные установки в пассажирских вагонах с кондиционированием воздуха, имеющие подвагонную компоновку, обладают недостаточно высокими технико-эксплуатационными и теплоэнергетическими показателями. Основные недостатки таких установок: большие масса и габариты, значительный расход электроэнергии, недостаточная надежность и долговечность, трудность обеспечения полной герметизации системы из-за разбросанности агрегатов и длинных трубопроводов с большим количеством разъемов. Кроме того, действующие на железнодорожном транспорте системы кондиционирования воздуха (СКВ) не соответствуют современным требованиям сохранения экологической чистоты, поскольку использование жидких хладагентов приводит к разрушению озонового слоя атмосферы.

Актуальность решения этих проблем подтверждается постановлением Правительства по разработке энергосберегающих технологий, обеспечению экологической чистоты при производстве и эксплуатации систем охлаждения и электротермостатирования.

Поэтому вагоностроителям и работникам смежных отраслей промышленности предстоит решать важные задачи по сохранению экологической чистоты окружающего пространства, снижению массы агрегатов установок кондиционирования воздуха (в частности, холодильного оборудования), применению плавного регулирования и автоматического поддержания стабильной температуры и влажности в вагоне, улучшению технико-экономических и эколого-энергетических показателей оборудования, улучшению герметичности системы и т. п.

К перспективным способам решения указанных выше проблем однозначно следует отнести разработку СКВ с улучшенными теплоэнергетическими и экологическими показателями.

Полупроводниковые термоэлектрические кондиционеры в полной мере удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к установкам кондиционирования воздуха, работающим на железнодорожном транспорте. Они надежны в работе, малоинерционны, легко управляемы и позволяют простым способом осуществить перевод их из режима охлаждения в режим подогрева воздуха. В них нет хладагента и, следовательно, не требуется герметизация системы. У них нет движущихся элементов, поэтому они работают бесшумно и без вибраций. В них нет трубопроводов, ресивера, теплообменника, вентилей, манометров, что значительно повышает надежность их работы. Они малогабаритны, и масса их невелика. Термоэлектрические СКВ сохраняют экологическую чистоту окружающего пространства при работе в широком температурном диапазоне. Однако широкому применению таких систем препятствует их высокая стоимость и низкая энергетическая эффективность. В связи с этим в настоящее время существует настоятельная необходимость разработки новых способов улучшения теплоэнергетических показателей термоэлектрических СКВ.

Определяющей тенденцией развития техники термоэлектрического преобразования в настоящее время является оптимизация используемых материалов и технологии их изготовления, улучшение конструкции термоэлектрических охлаждающих устройств. Перспективным направлением существенного повышения энергетической эффективности термоэлектрических устройств охлаждения является создание нового вида исполнительных элементов — сегнетотермоэлементов. Кроме этого, существует потребность детальной проработки специфических способов улучшения теплоэнергетических показателей термоэлектрических СКВ при установке и эксплуатации их в пассажирских вагонах.

Новый класс сегнетотермоэлектрических охлаждающих устройств обусловливает возможность создания на их основе перспективных, обладающих рядом неоспоримых достоинств сегнетотермоэлектрических СКВ, имеющих повышенную, в сравнении с подобными термоэлектрическими системами, энергетическую эффективность. Таким образом, открывается возможность применения термоэлектрических СКВ, обеспечивающих широкий диапазон регулирования температуры и влажности, для осуществления требуемых режимов обработки воздуха в вагонах повышенной комфортности. Альтернативы разработанному классу сегнетотермоэлектрических исполнительных устройств для решения задачи создания экологически чистых, позволяющих отказаться от использования разрушающих озоновый слой атмосферы жидких хладагентов, энергетически эффективных СКВ, в ближайшие 10 лет не просматривается.

Цель работы. Целью диссертационной работы является улучшение теплоэнергетических показателей термоэлектрических СКВ, осуществляющих требуемые режимы обработки воздуха в вагонах повышенной комфортности на железнодорожном транспорте.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

— выполнена систематизация и классификация данных по современным СКВ и их основным конструктивным звеньям;

— проведены сравнительный анализ и системная оценка эффективности разных видов СКВ;

— разработана теплоэнергетическая модель пассажирского вагона с термоэлектрической СКВ;

— рассмотрен перспективный вариант повышения теплоэнергетической эффективности термоэлектрических СКВ за счет использования нового типа исполнительных устройств на основе сегнетотермоэлементов, а также применения активной системы теплоотвода, обеспечивающей работу системы в энергетически выгодной области;

— предложен комплексный подход к решению задач регулирования тепловых и влажностных режимов обработки воздуха в едином исполнительном блоке без дополнительных затрат энергопотребления;

— разработана обобщенная конструкция сегнетотермоэлектрической системы кондиционирования воздуха с улучшенными теплоэнергетическими показателями для вагонов повышенной комфортности;

— проведен анализ сегнетотермоэлектрической СКВ на основе методов теории автоматического регулирования;

— проведен анализ динамических свойств элементов сегнетотермоэлектрической установки кондиционирования методом частотных характеристик;

— разработана методика имитационного моделирования тепловлажно-стных режимов обработки воздуха в сегнетотермоэлектрической СКВ с улучшенными ТЭП на основе специализированного пакета MATLAB;

— исследовано влияние параметров конструкции и условий воздействия внешних факторов на теплоэнергетическую эффективность работы сегнетотермоэлектрической СКВ;

Методы исследования. В процессе решения поставленных задач использованы методы комплексной оценки эффективности различных видов СКВ с применением методики оптимизации по совокупности показателей качествапринципы теории автоматического регулированияметоды разработки физико-математических моделей и имитационного моделирования с использованием специализированного пакета программ MATLAB.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту. В диссертационной работе решен комплекс представляющих научную новизну задач, позволяющих обеспечить повышение теплоэнергетических показателей термоэлектрических СКВ вагонов повышенной комфортности. При этом получены новые научные результаты, выносимые на защиту:

— системная оценка эффективности разных типов СКВ с использованием методики оптимизации по совокупности показателей качества;

— теплоэнергетическая модель вагона с учетом конструкции системы кондиционирования на основе термомодулей, предназначенной для осуществления требуемых режимов обработки воздуха в вагонах повышенной комфортности;

— обобщенная конструкция сегнетотермоэлектрической системы кондиционирования воздуха с улучшенными ТЭП;

— способ повышения эффективности работы установки увлажнения воздуха без дополнительного энергопотребления;

— методика имитационного моделирования тепловлажностных режимов обработки воздуха, позволяющая на ранних стадиях автоматизированного проектирования обеспечить работу СКВ в энергетически выгодной области без предварительной реализации физической модели.

Достоверность научных положений и выводов подтверждена положительными результатами исследования опытных пленочных образцов сегнетотермоэлементов, результатами имитационного моделирования тепловлажностных режимов обработки воздуха сегнетотермоэлектрических СКВ и оценкой адекватности теоретических и экспериментальных исследований. Практическая ценность:

— результаты работы используются в отчетах НИР кафедры «Автоматика и системы управления» по госбюджетной тематике для разработки методов автоматизации проектирования систем кондиционирования воздуха;

— предложенная методика имитационного моделирования тепловлажностных режимов сегнетотермоэлектрической системы кондиционирования воздуха может быть применена для оценки параметров конструкции системы без реализации физической модели на ранних стадиях проектирования СКВ;

— результаты исследований используются в учебном процессе при изучении курса «Конструирование и технология производства элементов систем управления»;

— использование результатов работы открывает перспективу широкого использования нового вида перспективных сегнетотермоэлектрических СКВ на объектах железнодорожного транспорта.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены при создании опытного образца исполнительного устройства СКВ с улучшенными теплоэнергетическими показателями.

Основные материалы научных исследований внедрены в практику проектирования и учебный процесс МГИЭМ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались:

— на Международной научно-технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (Москва-Сочи, 1999, 2000 и 2001 гг.);

— на Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1999 г.);

— на научно-технической конференции «Университетское образование специалистов — потребность современного производства» (Екатеринбург, 2000 г.);

— на второй научно-практической конференции «Информационные технологии в моделировании и управлении» (Санкт-Петербург, 2000 г.);

— на 25-ой научно-технической конференции ученых ИрИИТа, транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири» (Иркутск, 2000 г.);

— на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2000 (Новосибирск, 2000 г.);

— на второй отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении» (Ростов, 2000 г.);

— на научно-практической конференции «Потенциал железнодорожного образования и науки на рубеже XXI века» по программе инновационного форума «ТрансСибВуз-2000» (Омск, 2000 г.);

— на Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании» (Новосибирск, 2001 г.);

— на научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на предприятиях Западно-Сибирской железной дороги» (Омск, 2001 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 17 печатных работах, из них 5 статей, 12 тезисов докладов на научных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка использованных источников (103 наименования) и приложений. Работа изложена на 165 страницах основного текста, содержит 45 рисунков, 30 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе решения задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие основные результаты:

1. Выполнена систематизация и классификация данных по современным системам кондиционирования воздуха и их основным конструктивным звеньямвыявлены перспективы и тенденции их развития.

2. Проведены сравнительный анализ и системная оценка эффективности разных видов систем кондиционирования воздуха с использованием методики оптимизации по совокупности показателей качества, в результате которой доказана перспективность совершенствования (улучшения теплоэнергетических показателей) существующих термоэлектрических систем кондиционирования воздуха, в частности, для использования их на объектах железнодорожного транспорта.

3. Разработана теплоэнергетическая модель пассажирского вагона с учетом использования для обеспечения требуемых режимов обработки воздуха термоэлектрической системы кондиционирования.

4. С учетом анализа разработанной тепловой схемы замещения предложены перспективные способы улучшения теплоэнергетических показателей традиционной термоэлектрической системы кондиционирования:

— использование в качестве исполнительного устройства системы кондиционирования воздуха принципиально новой конструкции — сегнетотермоэлектрического модуля;

— применение нестандартной системы увлажнения воздуха на основе капиллярных эффектов, реализованной в едином исполнительном блоке, не требующей дополнительных затрат энергопотребления;

— использование перспективной системы теплоотвода, позволяющей эффективно отводить тепло от нагревающихся спаев термобатареи, в результате чего улучшается качество работы термомодуля и СКВ в целом.

5. В ходе решения проблем повышения энергетической эффективности термоэлектрической СКВ проведен анализ теплоэнергетической модели структуры сегнетотермоэлемента как нового вида исполнительных устройств СКВ пассажирских вагонов. Проведены экспериментальные исследования пленочных структур сегнетотермоэлементов.

6. Проведен анализ сегнетотермоэлектрической СКВ на основе методов теории автоматического регулирования, в ходе которого определены динамические свойства элементов сегнетотермоэлектрической установки кондиционирования воздуха методом частотных характеристик.

7. Разработана методика имитационного моделирования температурных и влажностных режимов обработки воздуха в сегнетотермоэлектрической СКВ с улучшенными ТЭП в пакете программ MATLAB, позволяющая характеризовать поведение системы при различных условиях наружного и внутреннего климата, а также провести сравнение качества работы традиционных вариантов систем и систем с использованием оригинальных звеньев, обеспечивающих улучшение теплоэнергетических показателей СКВ.

8. На основе анализа результатов имитационного моделирования подтверждена целесообразность использования предложенных методов улучшения ТЭП исследуемых систем кондиционирования воздуха.

9. Предложена обобщенная конструкция перспективной сегнетотермоэлектрической системы кондиционирования с улучшенными теплоэнергетическими показателями, обеспечивающей экологическую чистоту окружающей среды при работе в широком диапазоне регулирования температуры и влажности, предназначенной для осуществления требуемых режимов обработки воздуха в вагонах повышенной комфортности.