• Nie Znaleziono Wyników

Dynamika wymiany ciepła w wagonie pasażerskim

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Dynamika wymiany ciepła w wagonie pasażerskim"

Copied!
8
0
0

Pełen tekst

(1)

XIII K O NFEREN CJA NAUKOWA

„POJAZDY SZYNOW E ‘98”

ZN POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 1998 Seria: TRAN SPORT z.32, nr kol. 1393

Jacek GRAJNERT Stanisław K W AŚNIOW SKI

d y n a m i k a w y m i a n y c i e p ł a w w a g o n i e p a s a ż e r s k i m

Streszczenie Omówiono istotę dynamiki wymiany ciepła w wagonach pasażerskich, z ogrzewaniem nawiewnym. Do symulacji wykorzystano system MATLAB - SIM ULINK. Przykład obliczeniowy dotyczy wagonu bezprzedziałowego z automatycz­

ną regulacją tem peratury wnętrza.

DYNAM ICS OF HEAT TRANSFER IN RAIL - COACH

Sum m ary. Dynamics o f heat transfer in rail - coach equipped with blow - heating was presented. MATLAB - SIM ULINK - com puter software was employed to make simula­

tion. An example o f calculation was dealing with compartmentles rail - coach with auto­

matic control o f temperature.

1 W STĘP

K onstrukcja układu ogrzewania, wentylacji, a ogólniej rzecz ujmując - klimatyzacji powinna zapewniać w e w nętrzach pojazdów możliwie wysoki komfort cieplny i atmosferyczny [1], Cel ten jest osiągany poprzez właściwy dobór mocy urządzeń ogrzewczych i chłodzących, właści­

we rozwiązania układów rozprowadzania powietrza, dobór układu regulacji. Wymagania kli­

matyczne w e w nętrzu precyzują przepisy UIC [2]; dotyczą one:

• rozkładu temperatury w przestrzeni wagonu,

• tem peratur lokalnych (ściany, klamek, okien),

• wilgotności względnej powietrza,

• prędkości ruchów powietrza we wnętrzu, oraz

• wymiany pow ietrza między wnętrzem i otoczeniem,

• czystości powietrza.

O prócz wym agań właściwego poziomu i rozkładu tem peratury powietrza we wnętrzu w u- stalonych warunkach pracy, przepisy określają również wymagania w stanach nieustalonych Między innymi Karta UIC 553 [ 2 ] określa, aby:

• czas rozgrzew ania w nętrza wagonu od temperatury początkowej 0°C do temperatury 18°C był nie dłuższy niż 60 min,

(2)

8 2 J. Grajnert, S. Kwaśniowski

• dopuszcza się we wnętrzu wahania temperatury ± 1 K,

• zm iana temperatury we w nętrzu w wyniku działań regulacyjnych o 1K powinna zacho­

dzić w czasie nie dłuższym niż 15 min.

Realizacja tego wymaga od układu zapasu mocy. Niewłaściwie dobrana moc grzejna może w yw ołać w ogrzewanym lub klimatyzowanym wnętrzu wahania temperatury o niedopuszczal­

nej amplitudzie. Stąd w skazana jest analiza pracy tego rodzaju obiektów już w fazie ich projek­

towania. Szczególnie przydatne są w takich przypadkach modele symulacyjne. W dalszej czę­

ści pracy zostanie zaprezentow ana metoda modelowania dynamiki wymiany ciepła w zastoso­

waniu do bezprzedziałowego wagonu pasażerskiego z jednokanałowym ogrzewaniem na­

wiewnym.

2. STRU KTURA BA DANEGO WAGONU

Schem at ideowy wagonu przedstawiono na rys 1.

R ys. 1. S c h e m a t id eo w y w n ę trz a w a g o n u p a sa ż ersk ie g o b e z p rze d z ia ło w eg o z. o g rz e w a n ie m n a w iew n y m je d n o ­ k a n ało w y m

F ig . 1. L a u -o u t o f c o m p a rtm c n tle s ra il - c o ac h e q u ip p e d w ith b lo w - h e a tin g

1 - pow ietrze we wnętrzu przedziału, 2 - ściany nadwozia wagonu, 3 - ściana działowa do przedsionka, 4 - ściana działow a ubikacji,

5 - ściana nadw ozia w obrębie przedsionka, 6 - ściana pomiędzy przedsionkiem a WC, 7 - pow ietrze w przedsionku,

8 - pow ietrze w przestrzeni WC,

9 - otoczenie,

10 - czujnik temperatury wnętrza, 11 - kanał nawiewny powietrza, 12 - kanał powietrza obiegowego, 13 - kanał powietrza za kom orą mieszania, 14 - zew nętrzne ściany WC,

15 - masa elementów wyposażenia wnę­

trza (fotele, półki, itp ).

(3)

Dynamika wymiany ciepła. 83

N - nagrzew nica powietrza, KM - kom ora mieszania, W - wentylator, W PZ - w lot powietrza zew nętrznego, PP - przedział pasażerski, P - przedsionek, WC - ubikacja, WW - wyposażenie wnętrza, pP - mikroprocesor.

Przedstaw iony na rys. 1 wagon posiada nadwozie typu X w układzie bezprzedziałowym Pow ietrze tłoczone przez kanał 11 do w nętrza przedziału pasażerskiego wydostaje się na ze­

w nątrz przez wywietrzniki dachowe oraz przepływa do przedsionków wagonu, a stamtąd do kabin WC i dalej na zewnątrz. W rozważaniach przyjęto, że wagon jest wyposażony w dwupo- łożeniow y układ regulacji temperatury. Założono stałe warunki brzegow e pracy układu W modelu symulacyjnym uwzględniono charakterystykę czujnika temperatury w nętrza (10) jako inercyjną II rzędu. Przyjęto również, że układ ogrzewania może pracować w układzie recyrku­

lacyjnym - co ma najczęściej miejsce podczas rozgrzewania wyziębionego wnętrza wagonu

3. M O D EL O BLICZENIO W Y WAGONU

Strukturę m odelow anego wagonu podzielono na 15 elementów. Bilans cieplny nadwozia opisuje następujący układ równań:

Ql = Ql 1,1 — 2 - Ql-7p ~Q|,9p ~Q|,12p ~Qi,2 _ - Q

i

,3 ~-'Q

i

,4 ~Q

i

,

io

- Qi = Qi 2 ~ Q2,9>

$3 = Ql,3 ~~ Q3,7>

Q4 = Q],4 “ Q4,8>

Qs = Q7,5 ~ Q5,9>

Qć = Q7,6 ~ Q6,8>

Ql - Ql,7 + Ql,7p _ Q7,5 “ Q7,9p - Q7,8 “ Q7,8p.

Q8 “ Q4,8 + Qó,8 + Q7,8p _ Qs,14 _ Qs,9p' (0

QlO = Ql,10.

t„ = t!3

Qd

W c p T ,2 = T ,,

T13 = Tl2(1-R) + T9R>

Ql4 = Q8,14 _ Ql4,9»

Ql5 = Ql,15 _ Ql5,2

gdzie:

Qi - strumień ciepła akumulowany w wyróżnionym „i - tym” elemencie, Qij - strumień ciepła wymieniany pomiędzy wyróżnionymi elementami i oraz j, T| - tem peratura w wyróżnionym punkcie instalacji nawiewnej,

R - stopień recyrkulacji powietrza (0,1), Q ci - m oc elektryczna nagrzewnicy, W - wydatek wentylatora powietrza, cp - ciepło właściwe powietrza,

indeks p - oznacza strumień ciepła wymieniany poprzez konwekcję powietrza

(4)

84 J- Grajnert, S. Kwaśniowski

Przedstaw iony bilans cieplny wagonu (1) dotyczy dyskretnego modelu wagonu, którego strukturę podzielono na 12 wyróżnionych elementów oraz 5 wydzielonych przestrzeni po­

wietrznych.

Po przekształceniu w układ równań różniczkowych przyjmuje on postać:

c iTi - c u ip(Tji - T ^ - 2 - C j 7p(T, - T7) - c1 9p(T, - T9) - c , 12p(T, - T 12)- ' c u ( Ti — Tz) “ - ' c i,3(Ti — T ł ) — - ' c i,4(t i - T8) - Ci,io(Ti - T 10) c2T2 = C[ — T2) - c2 9(T2 — T9)

c3T3 = c1 3(T1 - T 3) - c37(T3 - T 7) C4T4 = c, 4(T, - T4) - c48(T4 - T„) c5 ^ 5 = c7,5(T7 “ Ts) - C 5 9(T5 - T9) c6 ^ 6 = C7 6(T~7 - T6) -C 6i8(T6 - Tg)

^7 ^ 7 = c3,7(T[ - T7) + c l 7p(T1 - T 7) - c 75(T7 - T5) - c7 9p(T7 - T 9) +

~ c7,ć(T7 - Tg) - c7 8p(T7 - T8)

c8T8 = c4 8 (T4 - T 8) + c68(T6 - T8) - c7 8p(T7 - T 8) - c 8 1 4(T8 - T 14) +

~ c 8 , 9 p ( T 8 “ T9) cioTio = CijolTi - T10) T „ - T13 +

Qci

W - c n T,2 = T,

T13= T 12( 1 - R ) + T9(R )

C)4Ti4 = c 8 ^(Tg - T 14) -c14 9(T|4 - T 9)

c 1 5 T 15 = c l , 1 5 ( T l - T 15) - C 152(T|5 - T 2)

W modelu obliczeniowym przyjęto następujące wartości współczynników c oraz Cy. War­

tości te oszacow ano na podstawie danych konstrukcyjnych wagonu typu Y.

(2)

Ci = 165 000 J/K, c2 = 2 800 000 J/K, c3 = 58 500 J/K, c4 = 93 750 J/K, c5 = 320 000 J/K, Ci5= 800 000 J/K c u l p = 6 7 0 W/K, Ci,9p = 0,7ci,iip (1 - R), C|,7p = 0,15ci,9p- (1 - R ) , c7.9p = 0,05ci,9p (1 - R ) , C,8p = 0,lCl,9p (1 - R), Ci,i2p= C ,iiP R, C8,9p = c7,8p, c,,2 = 707 W/K,

c6 = 39 000 J/K, c7 = 13 000 J/K, c8 = 5 230 J/K, c,o = 0 ,0 6 J/K, c,4 = 102 700 J/K, C,7 = 15.25W/K, c,,4 = 24 W/K, c4,8 = 24 W/K, c7’5 = 8 2 W/K, C5.9 = 94 W/K, ci,6 = 9 ,7 W/K, c6.8 = 9 ,7 W/K, c8,u = 25,7 W/K, c,4 9 = 30 W/K.

(5)

Rys 2. Schemat blokowy układu równań (2) w systemie MATLAB - SIM ULINK

Fig. 2. Loy-aut o f formules - set in MATLAB-SIM ULINK software systems OO

Dynamikawymianyciepła. .

(6)

86 J. Grajnert, S Kwaśniowski

c, ,3 = 15,25 W/K, c,.i5 = 300 W/K c u o = 0,001 W/K, Ci5.2 = 3 W/K c2 ,9 = 820 W/K.

4. M O D EL N UM ERYCZNY WAGONU

Układ równań (2) zamodelowano w systemie MATLAB - SIMULINK [3,4], Schemat ba­

danego układu przedstawia rys. 2.

W schemacie tym występuje 5 bloków grupowych, które zawierają ukryte substruktury opi­

sujące: przedział pasażerski, dwa przedsionki wagonu z kabinami WC oraz czujnik temperatu­

ry i regulator temperatury. Schemat ten wykorzystano do symulacji rozgrzewania w nętrza wa­

gonu

5. W YNIKI SYMULACJI

N a bazie opisanego modelu symulacyjnego badano przebiegi rozgrzewania wagonu od tem peratury początkowej T = -20°C W rozważaniach założono, że cały wagon jest wychło­

dzony. Niżej przedstawiono wyniki symulacji dla dwóch przypadków. Pierwszy z nich (rys 3) dotyczy rozgrzew ania i pracy układu z pełną recyrkulacją powietrza. W ahania temperatury w nętrza są dość znaczne ATi = 5K. W drugim przypadku po okresie rozgrzania wstępnego

R ys. 3. W y n ik i sy m u lacji te m p e ra tu ry w w ag o n ie p o d c za s p racy u k ła d u o g rz e w an ia p rzy p e łn e j recy rk u lacji R = 1 0 0 %

F ig. 3. R e s u lts o f sim u la tio n o f te m p e ra tu re on rail - c o ac h w h ile h e a tin g sy stem w o rk a t full circ u m sam c s R = 1 0 0 %

(7)

Dynamika wymiany ciepła. 8 7

Rys. 4. W y n ik i sy m u la cji te m p e ra tu ry w w ag o n ie p o d czas p racy u k ład u o g rz e w an ia po w stęp n y m ro z g rz a n iu p rz y R = 5 0 %

Fig. 4. R e s u lts o f s im u la tio n o f te m p e ra tu re o n rail - c o ac h w h ile h e a tin g sy stem w o rk a fte r p re lim in a ry h e atad a t R = 5 0 %

U d z ia ł p ro c e n to w y m o c y g rze jn e j s te ro w a n e j do m o c y z a in s ta lo w a n e j

Rys. 5. W y n ik i a n a liz y w p ły w u m ocy n a g rz ew n ic y stero w an ej im p u lso w o n a w a h a n ia te m p e ra tu ry w e w n ę trz u d la T ol = - 2 0 .- 1 0 . 0 ° C

Fig. 5. A n a ly sis o f effect o f p o w er o f h e a te r co n tro le d by p u lses te m p e ra tu re flu c tu a tio n in s ta le o f coach a t T ot = -2 0 , -1 0 , 0 °C

(8)

88 J. Grajnert, S. Kwaśniowski

zastosow ano recyrkulację powietrza R = 50%, co zwykle ma miejsce w układach ogrzewania w agonów. W tym przypadku (rys.4) nastąpiła wyraźna stabilizacja tem peratury powietrza we wnętrzu.

P rzedstaw ione wyniki obliczeń w tej fazie rozważań ilustrują możliwości obliczeniowe mo­

delu. M odel ten nie została} zweryfikowany doświadczalnie.

N a rys. 5 przedstaw iono wyniki analizy wpływu mocy nagrzewnicy sterowanej impulsowo na w ahania tem peratury we wnętrzu wagonu przy trzech temperaturach otoczenia T„i = -20, -10, 0°C.

6. POD SUM OW A NIE

Celem referatu była prezentacja metody modelowania i możliwości zastosowania systemu M ATLAB - SIM ULINK do badań dynamiki wymiany ciepła w wagonach pasażerskich Sys­

tem ma również możliwość estymacji parametrów modelu na bazie danych doświadczalnych Funkcja ta jest bardzo przydatna przy weryfikacji modelu.

LITERATU RA

1. Kwaśniowski S.: K om fort klimatyczny w pojazdach szynowych. Technika Transportu Szy­

now ego nr 7 / 94.

2. Kodex UIC - Karta nr 553; Ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja wagonów pasażerskich wyd. 5 01.01.1990.

3. MATLAB - U ser’s Guide for Microsoft Windows The Math Works Inc.

4. SIM ULINK - U ser’s Guide, Dynamik System Symulation Software. The Math W orks Inc

Recenzent: P ro f dr hab.inż. Jan Gronowicz

Abstract

The essence o f dynamics o f heat transfer in rail - coach equipped with blow - heating was presented. A mathematical o f it was described too. Com puter system MATLAB - SIMULINK was used to solve this model. Some results o f modeling o f w ork o f heating system in compart- mentless rail - coach with automatic control o f temperature

Cytaty

Powiązane dokumenty

Dodatkowo wydaje się, że siły między- fazowe, takie jak siła oporu (ang. drag force), siła nośna (ang. virtual mass force) oraz inne, jak siła Basseta czy Faxena, działające

Dokonano pomiarów mocy cieplnej traconej przez przenikanie na rurze gładkiej oraz ożebrowanej w funkcji różnicy temperatury wody wlotowej i tempe- ratury otoczenia

Przedstawiono najczęściej występujące uszkodzenia zestawu kołowego, powodujące zdarzenia wypadkowe oraz określone – na podstawie badań – przyczyny uszkodzeń

Rozkład temperatury otrzymany w obliczeniach 3D jest więc w dalszym ciągu niezadowalający ze względu na zbyt dużą rozbieżność pomiędzy temperaturą obliczeniową i zmierzoną

Aby to osiągnąć oraz w pełni wykorzystać możliwości gruntowego wymiennika ciepła, niezbędne jest przeprowadzenie analizy dynamiki procesów zachodzących w nim i jego

trz a górnego OFA. Pociąga to za sobą zwiększenie obciążeń cieplnych i tym sam ym ilości pary generowanej przez parownik.. Modelowanie wpływu technologii spalania

ników przejmowania ciepła konwekcji od spalin do powierzchni zewnętrznej rur opłetwionych omywanych poprzecznym do osi rur strumieniem spalin w za­.

bór maszyn współpracujących zwłaszcza, że przy małej odległości odwozu najczęściej brakuje miejsca na manewr samochodów zarówno przy koparoa Jak i przy wyładunku,