Применение теплового аккумулятора с твердым теплоаккумулирующим материалом как способ охлаждения части системы жизнеобеспечения и грузосохранения вакуумного магнитолевитационного транспорта

Полный текст

Система жизнеобеспечения и грузосохранения (СЖОиГС), в частности система вентиляции и кондиционирования пассажирских транспортных единиц вакуумного магнитолевитационного транспорта [1], учитывая его специфику, является одним из важнейших элементов, обеспечивающих комфорт и безопасность пассажиров.

Система вентиляции пассажирской транспортной единицы, а также методика расчета теплового баланса подробно изложены в [2, 3].

В общем случае бортовая система кондиционирования в герметической кабине при любых атмосферных условиях и для всех режимов транспортировки должна поддерживать заданные давление, температуру, влажность, физико-химический состав воздуха, а также допустимый уровень шума [4, 5].

Невозможность применения систем вентиляции и кондиционирования воздуха, аналогичных системам, используемым на железнодорожном транспорте, обусловлена невозможностью удаления избытков тепловой энергии во внешнюю среду [6]. В такой ситуации целесообразно рассмотреть автономные системы утилизации и накопления избытков тепловой энергии.

Постановка задачи

В качестве основной задачи рассматривается составление методики, позволяющей выбрать как аккумулирующее вещество для удаления избытков тепловой энергии, так и режимы работы и зараядки-разрядки тепловых аккумуляторов автономных бортовых СЖОиГС [7, 8] вакуумного магнитолевитационного транспорта.

Следующей задачей является построение методики теплового расчета с целью определения перепада температур воздуха и панели системы вентиляции и кондиционирования воздуха при выполнении технических требований.

Для поверочного теплового расчета салона с панельным теплообменом необходимы следующие исходные данные:

• крейсерская скорость движения V;
• объем салона V_к;
• обогреваемая поверхность вагона S;
• длина салона l_к;
• высота салона h_к;
• высота одной панели h;
• длина одной панели l_п;
• количество панелей n_п;
• средняя температура воздуха в салоне t_к;
• средняя температура внутренних стенок салона t_в;
• допустимые перепады температур воздуха по высоте и длине салона Δt_кh и Δt_кl;
• допустимый перепад температур поверхности внутренней стенки Δt_в по ее высоте;
• допустимая скорость воздуха в салоне vk;
• количество пассажиров в салоне;
• теплоизоляционные, массовые и механические характеристики тепло-, звукоизоляционных материалов;
• изменение давления в салоне.

Система панельного теплообмена для режима крейсерской скорости при минимально возможной температуре внешнего воздуха рассчитывается методом последовательных приближений. Тепловой и гидравлический расчет проводится для одной панели в предположении, что теплообмен и сопротивление всех панелей одинаковы. Основной задачей теплового расчета является определение перепада температур воздуха и панели при выполнении указанных технических требований.

При расчете системы, работающей по смешанной схеме, последовательно определяют массовый расход воздуха через одну панель; систему панельного теплообмена для режима стабильной скорости движения состава с рабочими показателями внешней среды в вакуумном трубопроводе; тепловой и гидравлический расчет для одной панели в предположении, что теплообмен и сопротивление всех панелей одинаковы.

Упрощенная схема салона с потоками кондиционируемого воздуха представлена на рис. 1.

 

Рис. 1. Упрощенная схема салона с потоками кондиционируемого воздуха

Принятые допущения

Для оценки тепловыделений части СЖОиГС принимаются следующие исходные данные:

P_к, Па – давление в салоне;

V_к, м³ – внутренний объем салона;

t_к, °С – температура воздуха на входе в панель.

Массовый расход воздуха через одну панель

$G_n=\frac{G_{ch}}{nn},$ 

где G_сh – часовое количество воздуха, необходимое одной панели, определяемое из условий вентиляции кабины

 $G_{ch}=n\cdot \rho \cdot VK.$

Коэффициент теплоотдачи от стенки панели к воздуху в салоне

 $ak=\frac{N{u}_{\text{к}}\cdot {\lambda }_{\text{к}}}{h}.$

Количество тепла, передаваемого от панели в салон,

 $Q_{n1}=k_{n1}\cdot F_{n1}\cdot (t_{n\text{cp}}-t_{\text{к}}).$

Средняя скорость движения воздуха в панели, м/с,

 $v_n=\frac{G_n}{F_n\cdot {\rho }_{\text{cp}}\cdot \text{3600}}.$

Число Нуссельта [9]

 $\begin{array}{l}N{u}_n=1,02\cdot {\mathrm{Re}}^{0,38};\\ N{u}_n=1,128\cdot {\mathrm{Re}}^{0,7}.\end{array}$

Тепловой баланс в салоне

 $Q_1+{Q^{\text{'}}}_1+Q_{\text{осв}}+Q_{n1}+Q_{\text{пл}}+Q_{\text{пт}}=G_{ch}\cdot c_p\cdot \Delta t_{\text{к}},$

где  →  Δt_к – изменение температуры воздуха в кабине;

Q₁ – количество теплоты, выделяемое пассажирами;

${Q^{\text{'}}}_1$ – количество теплоты от одной панели;

Q_осв – количество теплоты от электроприборов (освещения, генераторов, аккумуляторов);

Q_п1 – количество теплоты, передаваемой от панели в салон;

Q_пт – количество теплоты, отдаваемого через потолок и боковые стены кабины;

Q_пл – количество теплоты, отдаваемого через пол кабины.

Поскольку в рассматриваемом виде транспорта практически отсутствует конвективный теплообмен, передача тепловой энергии от СЖОиГС во внешнюю среду невозможна. В связи с этим в качестве среды для утилизации избытков тепловой энергии целесообразно рассматривать тепловые аккумуляторы, установленные внутри капсулы.

Общая классификация тепловых аккумуляторов [10] показана на рис. 2.

 

Рис. 2. Классификация аккумуляторов теплоты

 

Для упрощения конструкции в рассматриваемом виде транспорта подходят твердотельные тепловые аккумуляторы (ТА) или аккумулирование тепловой энергии посредством использования теплоты фазового перехода [11]. Применение жидкостных аккумуляторов тепловой энергии требует дополнительного оборудования, обеспечивающего циркуляцию теплоносителя.

При аккумулировании тепла твердыми телами путем увеличения их внутренней энергии аккумулирующей средой служит твердое тело, которое нагревается и охлаждается без фазовых превращений. Тепловая емкость аккумулирования при этом определяется внутренней энергией как составляющей энтальпии (теплосодержания).

Под аккумулированием на основе теплоты фазового перехода понимается аккумулирование теплоты плавления, происходящего обычно с небольшими изменениями объема. Иногда фазовый переход «твердое тело – жидкость» совмещается с фазовым переходом «твердое тело – твердое тело» при температуре несколько ниже точки плавления. Часто в дополнение к теплоте фазового перехода предлагается использовать теплоту нагрева (внутреннюю энергию) жидкости и/или твердой фазы.

Применительно к вакуумному магнитолевитационному транспорту целесообразно рассматривать ТА с твердым теплоаккумулирующим материалом (ТАМ) [12], что упростит конструкцию и облегчит эксплуатацию СЖОиГС транспортной единицы.

Материалы и методы исследования

В данной статье применена методика теплотехнического расчета ТА с твердым ТАМ [13, 14].

При расчете теплового баланса необходимо знать удельную величину теплоемкости, энтальпии, теплоты фазовых или химических превращений [15].

Передача тепла теплопроводностью описывается законом Фурье, согласно которому количество теплоты $d{Q}_{\tau },$ проходящее за время $d\tau$ через поверхность dF, нормальную к направлению теплоперехода, равно

 $d{Q}_{\tau }=-\lambda \frac{dt}{dl}dFd\tau ,$

где  →  λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·°С);

$\frac{dt}{dl}$ – градиент температуры, т. е. изменение температуры на единицу длины в направлении теплопередачи.

При передаче теплоты теплопроводностью через стенку количество передаваемого тепла за 1 час можно подсчитать по уравнению Фурье как количество тепла, проходящего через плоскость бесконечно малой толщины dx внутри стенки:

 $\frac{d{Q}_{\tau }}{d\tau }=Q=-\lambda \frac{dt}{dx}F.$

Проинтегрировав изменение температуры по всей толщине стенки, получим

 $Q=\frac{\lambda }{\delta }F(t_{\text{ст}1}-t_{\text{ст}2}).$

Конвекционная теплопередача – это перенос тепла объемами среды путем их взаимного перемещения в направлении теплопередачи. Переход тепла от среды к стенке или от стенки к среде называется теплоотдачей. Количество передаваемого тепла определяется законом Ньютона:

 $Q=\alpha F(t_1-t_{\text{ст}}).$

где  →  α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·°С).

В подавляющем большинстве случаев температуры сред в процессе теплопередачи будут изменяться в результате происходящего теплообмена, а следовательно, будет изменяться и разность температур (t₁ – t₂) вдоль поверхности теплообмена. Поэтому рассчитывают среднюю разность температур по длине аппарата ∆t_ср, но так как это изменение нелинейно, рассчитывается логарифмическая разность температур:

 $\Delta t_{\text{cp}}=\frac{(t_{1\text{н}}-t_{2\text{н}})-(t_{1\text{к}}-t_{2\text{к}})}{\ln \frac{t_{1\text{н}}-t_{2\text{н}}}{t_{1\text{к}}-t_{2\text{к}}}}=\frac{\Delta t_{\text{н}}-\Delta t_{\text{к}}}{\ln \frac{\Delta t_{\text{н}}}{\Delta t_{\text{к}}}}.$

Для определения того количества теплоты, которое было передано теплоаккумулирующему материалу воздухом СЖОиГС, необходимо вначале определить массу ТАМ:

V_там = V_{там полн} – V_труб, м³,

где  →  V_{там полн} – полный объем теплового аккумулятора, м³;

V_труб  – объем труб теплоносителя и теплоприемника, м³.

Масса ТАМ:

m = ρ_там  ∙ V_там, кг,

где  →  ρ_там – плотность ТАМ.

Количество теплоты, переданное ТАМ,

Q = c ∙ m ∙ Δt, Дж.

Для упрощения расчета ТА условно разделим расчет на две части: заряд ТА и разряд ТА.

Определим массовый секундный расход теплоносителя при работе теплового аккумулятора на заряд на основе уравнения теплового баланса:

Q = G_в ∙ Δi_в,

где    Δi_в – изменение энтальпии теплоносителя (воздуха), Дж/кг;

G_в – массовый расход теплоносителя (воздуха), кг/с;

Q – количество теплоты, переданное ТАМ, Дж;

Δi_в = С_в (t''_в – t'_в); $G_{\text{в}}=\frac{Q}{\Delta i_{\text{в}}}.$

Определим температурные условия работы теплового аккумулятора:

 $\begin{array}{c}{t}_{\text{ср.там}}=\frac{({t^{\text{'}\text{'}}}_{\text{там}}-{t^{\text{'}}}_{\text{там}})}{\text{2}};t_{\text{ср.в}}=(t_{\text{ср.там}}-\Delta t_{\text{ср}});\\ \Delta t_{\text{ср}}=\frac{({t^{\text{'}}}_{\text{в}}-{t^{\text{'}\text{'}}}_{\text{там}})-({t^{\text{'}\text{'}}}_{\text{в}}-{t^{\text{'}}}_{\text{там}})}{\text{In}\frac{{t^{\text{'}}}_{\text{в}}-{t^{\text{'}\text{'}}}_{\text{там}}}{{t^{\text{'}\text{'}}}_{\text{в}}-{t^{\text{'}}}_{\text{там}}}}.\end{array}$

По полученным значениям t_ср.там и t_ср.d определяются необходимые теплофизические характеристики теплоносителей.

Значение действительной скорости теплоносителя (воздуха)

w_г = G/F · r,

где → G – объемный расход теплоносителя (воздуха), м³/с;

F – площадь проходного сечения трубы, м²;

r – внутренний диаметр трубы, м.

Критерий Рейнольдса:

Re = w_г · d · ρ_г /М_г,

где  →  ρ – плотность теплоносителя (воздуха), кг/м³;

w_г – скорость потока, м/с;

d – характерная длина элемента потока, м;

М_г – коэффициент вязкости теплоносителя (воздуха), кг/(м·с).

Значение коэффициента теплоотдачи определяется из уравнения

Nu = α · d / λ,

где  →  α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·°С),

d – характерная длина элемента потока, м;

λ – коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м·°С).

Учитывая также критериальное уравнение (применимое к воздуху и воде)

Nu = 0,021 · Re^0,8 · Pr^0,43 · λ_г,

имеем

α_г = 0,021 · λ_г / d_вн · Re^0,8 · Pr^0,43 · Ψ_г,

где    Ψ_г = 1,05 – коэффициент, учитывающий влияние температурного фактора для охлаждаемого воздуха.

Массовый секундный расход теплоносителя при работе ТА на заряд определяется аналогичным образом.

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле

K = 1 / (d_cр · (1/а_г · d_вн + 1/2 · λ_ст · ln · d_нар / d_вн + 1 / а_г · d_нар) +R_заг).

При вычислении K необходимо соблюдать следующие правила:

если α_г  > α_в, то d_ср = d_нар;

если α_г  = α_в, то d_ср = (d_вн + d_нар) / 2;

если α_г  < α_в, то d_ср = d_вн.

При малой относительной толщине стенки трубки d_нар / d_вн < 1,5 можно воспользоваться соотношением

K = 1/(1/а_г + δ_ст/λ_ст + 1/а_в + R_заг).

Определим длительность полной зарядки:

d = E_ак / N_paз,

где    Е_ак – емкость аккумулятора, кВт·ч;

N_раз – мощность разрядки, кВт.

Результаты

Применительно к вакуумному магнитолевитационному транспорту целесообразно рассматривать ТА с твердым ТАМ, что упростит конструкцию и облегчит эксплуатацию СЖОиГС транспортной единицы.

На рис. 3 приведена укрупненная схема процесса эксплуатации аккумулятора тепловой энергии, позволяющая обеспечить не только утилизацию тепловыделений внутри транспортной единицы, но и использование этой тепловой энергии.

 

Рис. 3. Укрупненная схема процесса эксплуатации аккумулятора тепловой энергии

 

На рис. 4 приведена принципиальная схемы варианта № 2 полезного использования тепловой энергии, высвобожденной в процессе разрядки ТА. Вариант утилизации тепловой энергии (вариант № 1) отличается от предложенного включением в контур «холодной воды» бака охладителя.

 

Рис. 4. Принципиальная схема полезного использования тепловой энергии, высвобождаемой в процессе разрядки ТА

 

Одним из способов решения задачи теплоотвода непосредственно вакуумного трубопровода и предотвращения тепловых деформаций его конструкций может служить использование плавящихся теплоаккумулирующих материалов, помещенных в оболочку вакуумного трубопровода. Данный способ может быть использован как альтернатива теплоизолирующим материалам.

Обсуждение результатов

Рассмотренные в статье вопросы, а также приведенные методики позволяют полностью решить поставленные задачи. Применение тепловых аккумуляторов в качестве узлов автономных систем вентиляции и кондиционирования воздуха не только повышает уровень комфорта пассажиров, но и существенно снижает потребление энергии данными системами. Кроме того, решается вопрос обеспечения экологической безопасности данного вида устройств, так как эти системы не требуют применения фреонов, необходимых в классических системах кондиционирования воздуха.

Заключение

Предлагаемая система позволяет в должной мере обеспечить требуемые параметры микроклимата в объеме пассажирской или грузовой транспортной единицы. В статье приведена методика, позволяющая с высокой степенью точности выбрать как материал теплового аккумулятора, так и режимы его работы в зависимости от условий эксплуатации транспортных единиц вакуумного магнитолевитационного транспорта.

Предлагаемая система обладает рядом существенных преимуществ:

• не требует дополнительных затрат энергии;
• решается проблема отвода тепловой энергии в среде с разреженным воздухом;
• в совокупности со станционными системами разрядки тепловых акуумуляторов позволяет увеличить энергетическую эффективность всей транспортной системы в целом.

Об авторах

Антон Сергеевич Краснов

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Автор, ответственный за переписку.
Email: anton.s.krasnov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8896-5509

старший преподаватель

Россия, 190031, г. Санкт-Петербург, Московский пр., 9

Татьяна Сергеевна Зименкова

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Email: tatyana.zimenkova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-7323-4535

аспирант

Россия, 190031, г. Санкт-Петербург, Московский пр., 9

Сергей Александрович Казначеев

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Email: kaznacheeff.serezha@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8361-546X

инженер

Россия, 190031, г. Санкт-Петербург, Московский пр., 9

Никита Андреевич Аксенов

Научно-производственный центр «Транспортные инновационные технологии»

Email: aksenov1993@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4599-4753

инженер

Россия, г. Санкт-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы