Concept of the minimum energy passenger car with use of unconventional energy sources

ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2014, № 4 (52) РУХОМИЙ СКЛАД ЗАЛІЗНИЦЬ І ТЯГА ПОЇЗДІВ РУХОМИЙ СКЛАД ЗАЛІЗНИЦЬ І ТЯГА ПОЇЗДІВ УДК 629.45.042.5:620.92 В. А. ГАБРИНЕЦ1*, И. В. ТИТАРЕНКО2* 1* Каф. «Теплотехника», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 87, эл. почта , ORCID 0000-0002-6115-7162 2* Каф. «Теплотехника», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 87, эл. почта , ORCID 0000-0002-5692-0135 КОНЦЕПЦИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ПО ЭНЕРГОЗАТРАТАМ ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕТРАДИЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ Цель. В работе необходимо рассмотреть концепцию создания оптимального по энергозатратам пассажирского вагона с использованием нетрадиционных источников энергии и со стенками, имеющими повышенные теплоизоляционные свойства. Методика. Анализируются виды тепловых потерь, а также их величина. Для обогрева рассматриваются альтернативные источники энергии. Анализируется их возможный вклад в общий энергобаланс пассажирского вагона. Количественно оцениваются влияние на конструкцию вагона повышенной теплоизоляции стенок, поступления солнечной энергии через прозрачные окна и энерговыделения самих пассажиров. Результаты. При максимально возможном использовании всех нетрадиционных источников энергии и рациональных схемных решений систем кондиционирования и обогрева затраты энергии на эти нужды для пассажирского вагона могут быть снижены на 40–50 %. Научная новизна. Впервые предложено использовать новые виды энергии для поддержания теплового баланса вагона в зимний период, а также предложены новые схемные решения для системы климатизации вагона как в зимний, так и в летний периоды. Практическая значимость. Введение предложенных схемных решений и подходов к обеспечению комфортных условий для пассажиров могут быть реализованы на уже существующем парке пассажирских вагонов и не требуют существенного переоборудования уже установленных систем. Ключевые слова: пассажирский вагон; климатизация; тепловой режим; солнечная энергия; теплообменник Введение В настоящее время большое внимание уделяется вопросам экономии топливно-энергетических ресурсов на транспорте. Это в первую очередь связано с глобальным энергетическим кризисом, вызванным постепенным истощением традиционных энергоресурсов и в связи с быстрорастущими ценами на традиционные источники энергии: газ, нефть, уголь. С другой стороны, важной проблемой является обеспечение комфортных условий перевозки пассажиров на железнодорожном транспорте [3, 7, 8]. Это требует затрат энергии на обогрев вагона в холодный период года и его кондиционирование в летний период. К этим затратам добавляются затраты энергии на вентиляцию вагонов [4, 5, 9]. Это в свою очередь требует оценки энергоэффективности систем климатизации [1, 2, 6, 11]. © В. А. Габринец, В. И. Титаренко, 2014 111 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2014, № 4 (52) РУХОМИЙ СКЛАД ЗАЛІЗНИЦЬ І ТЯГА ПОЇЗДІВ В работе предлагаются подходы к созданию оптимального по энергозатратам пассажирского вагона с использованием всех возможных в пассажирском вагоне источников энергии совместно с мероприятиями по их энергоэффективному использованию. C этой целью рассмотрены дополнительные источники энергии, которые включают: солнечную энергию; энергию, выделяемую пассажирами; энергию торможения [10, 12–14], вторичную энергию при вентиляции. Наряду с этими мероприятиями предлагается повышение качества теплоизоляции пассажирского вагона. Методика В этой работе анализируются виды тепловых потерь, а также их величина. Для обогрева рассматриваются альтернативные источники энергии. Анализируется их возможный вклад в общий энергобаланс пассажирского вагона. Оценивается количественно влияние на конструкцию вагона повышенной теплоизоляции стенок, поступления солнечной энергии через прозрачные окна и энерговыделения самих пассажиров. Результаты Известно, что при идеальной теплоизоляции мы будем иметь «адиабатическое помещение», в котором потери тепла будут приближаться к нулю. Естественно, затраты на обогрев будут также минимальными. Однако такой вагон для своего создания потребует значительной теплоизоляции, что резко увеличит стоимость такого вагона. Сохранение тепла в вагоне в зимнее время года зависит от состояния термоизоляции, качества ее укладки (объективные причины) и соблюдения режима отопления проводником вагона (субъективные причины). Для термоизоляции в ограждающих конструкциях кузовов вагонов, т. е. в крыше, стенах и полу, между наружной и внутренней обшивками, помещается слой теплоизоляционного материала, отличающегося пористым строением и, следовательно, малой плотностью (20…35 кг/м3), и низким коэффициентом теплопроводности (0,03…0,04) Вт/м⋅К. Величину тепловых потерь пассажирского вагона Qпот можно рассчитать, используя известное выражение: Qпот = F ∆t , δ 1 1 + +∑ i αв αс λi (1) где F – площадь внешней поверхности вагона, м2; ∆t – разность температур между наружным воздухом и воздухом внутри вагона, ºС; α в , α с – коэффициенты теплоотдачи между воздухом и внутренней и внешней поверхностями вагона соответственно, Вт/м2⋅К; δi , λi – толщины и коэффициенты теплопроводности i-го слоя обшивки вагона, м и Вт/м⋅К. Величина тепловых потерь пассажирского вагона при внутренней температуре 18 °C в зависимости от температуры внешней среды для различных значений теплоизоляции представлена на графике рис. 1. влияние теплоизоляции 40000 потери, Вт Цель 2 30000 20000 1 10000 0 -30 -20 -10 0 10 Твоздуха Рис. 1. Величина тепловых потерь стандартного пассажирского вагона в зависимости от температуры внешнего воздуха (1 – 1 Вт/м⋅К; 2 – 0,2 Вт/м⋅К) Fig. 1. Quantity of thermal losses in the standard passenger car depending on the temperature of outside air (1 – 1 W/ m K; 2 – 0.2 W/m⋅K) При этом средняя эффективная теплопроводность стенок вагона составляла 1 Вт/м⋅К град, коэффициенты теплоотдачи внутри и снаружи вагона принимались 5 Вт/м2⋅К и 50 Вт/м2⋅К соответственно. Размеры вагона 23 950×3 058×(4 355–1 070) мм. Если снизить теплопроводность стенок вагона до значения 0,2 Вт/м⋅К, то величина тепловых потерь уменьшится приблизительно в 3 раза для соот© В. А. Габринец, В. И. Титаренко, 2014 112 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту, 2014, № 4 (52) РУХОМИЙ СКЛАД ЗАЛІЗНИЦЬ І ТЯГА ПОЇЗДІВ ветствующих условий. Таким образом, наиболее эффективным мероприятием по снижению тепловых потерь является улучшение теплоизоляционных свойств стенок вагона. В идеальном, «адиабатическом» вагоне (...truncated)