Vytápění systémy součastných vozidel 1. trakční lok. E,D – teplovzdušné vytápění s výměníkem el. topidlo-vzduch 2. motorové vozy E,D – vytápění teplovzdušné využívají odpadní teplo dieselu - energie dieselu -33% na trakci, 33% spaliny a 33% chlazení vodou (teplo pro vytápění) 3. elektrické jednotky E – teplovzdušné vytápění s výměníkem el. topidlo-vzduch - nově mají klimatizaci E471 4. regionální vozy D - teplovzdušné vytápění s výměníkem : voda-vzduch 5. tramvajová vozidla - el. teplovzdušné, odporové (kombinace) , klimatizace 6. metro - bez vytápění, v teplejších oblastech klimatizace 7. osobní vozy - teplovzdušné, jednokanálové nebo dvoukanálové Podmínky pro dosažení tepelné pohody v os. Vozech stanovení vyhláškou UIC 553 – na vytápění, větrání a klimatické zař. . Pro ČD je aplikováno TNŽ 287300 Stanoveno: - průměrná teplota uvnitř oddílu pro cestující musí být +22ºC ± 2ºC - teplota povrchu stěn nesmí být o ní nižší o více než 5ºC - teplota v chodbě nesmí převyšovat teplotu v oddíle a nesmí být od ní nižší než o více 7 ºC - teplota v nástupních prostorech, WC a v ostatních místech vozu musí být min 10ºC - je-li vůz vybaven klimatizací je teplota vháněného čerstvého vzduchu a stupeň jeho vlhkosti dán pro podmínky střední Evropy: vnější teplota [ºC] -20 ÷ +24 +26 +30 +32
vnitřní teplota [ºC] + 22 + 23 +24 +26
rel. vlhkost [%] 35-70 35-65 35-60 35-60
Pro vnější teplotu tvně nad 24ºC jsou vnitřní teplota vypočte tv = 20 + 0.5 ⋅ (t2 − 20) [ºC] Množství vháněného vzduchu do prostoru pro cestující je dáno takto : vnější teplota [ºC] -20 a nižší -20 ÷ -5 nad -5
množ. vzd. na osobu [ m 3 ⋅ h −1 ] 8 10 20
Při teplotách nad 26 ºC lze k dosažení vytápěného efektu zvýšit průtok na 40 m 3 ⋅ h −1 Vnější vzduch pro vytápění musí být filtrován, tak aby neobsahoval více než 0.5ng prachu na m3. Aby se předešlo nepříjemnému průvanu, je oblast omezena rychlostí větrného vzduchu na tyto hodnoty teplota [ºC] 18 20 22 24 26 vánkový efekt −1 0.1 0.15 0.24 0.35 0.5 až 2 rychlost vzduchu [ m ⋅ s ]
Ztráta prostupem tepla za klidu Závisí na :
- tepelně izolačních vlastnostech mat. použitých při stavbě skříně - poměrech ve vzduchové vrstvě bezprostředné blízkosti ploch bočnice - na rychlosti ochlazování povrchu skříně a rozdílu vnější a vnitřní teploty
[
Izolační vlastnosti materiálu vyjadřuje hodnota tepelné vodivosti λ W ⋅ m −1 ⋅ K −1
]
Pro běžné materiály jsou následující hodnoty : materiál
λ [W ⋅ m −1 ⋅ K −1 ]
hliníkový plech ocelový plech itaven, polystyren monyflex vodovzdorná překližka podlahová krytina laminát sklo vzduch guma linoleum korkové desky torophor
230 (204) 45 (58) 0.035 0.0565 0.230 0.160 0.204 0.756 0.024 0.16 0.19 0.062 0.070
Poměry ve vzduchové vrstvě v blízkosti povrchu bočnice – tj. proudění, sálání, vlastnosti povrchu lze praktického vypočtu zahrnout pouze jen přibližně.Charakterizuje je vnější součinitel přestupu α e W ⋅ m −2 ⋅ K −1 a vnitřní součinitel přestupu α i W ⋅ m −2 ⋅ K −1
[
[
]
Jejich hodnoty byly zjištěny experimentně a uvažují se takto :
[ [W ⋅ m
] ]
vnější povrch vozové skříně α e W ⋅ m −2 ⋅ K −1 vnitřní povrch vozové skříně α i
−2
⋅ K −1 bočnice strop okna podlaha čelnice, dveře topnice
23 8.1 8.7 11 6.9 9.2 28.8
]
Tepelná vodivost λ , tloušťka izolační vrstvy S a součinitel přestupu jsou hodnoty pro určení součinitele tepelného prostupu kj W ⋅ m −2 ⋅ K −1 , který má pro jednoduchou rovinnou stěnu tvar:
[
kj =
1
αi
+
1 S
λ
+
1
]
[W ⋅ m
−2
⋅ K −1
]
αe
Pro části vozové skříně (podlahy, bočnice, střechy) složené z více vrstev o různých izolačních vlastnostech jsou dílčí součinitele přestupu. kj =
[
1 1 = W ⋅ m − 2 ⋅ K −1 1 S1 S 2 S3 1 1 ⎛ Si ⎞ 1 + + + + + ⎜⎜ ∑ ⎟⎟ + α i ⎝ i =1 λi ⎠ α e α i λ1 λ2 λ3 α e n
]
vypočtenou hodnotu kj je třeba zvětšit o 5-10% , která respektuje zhoršení izolačních vlastností a tepelné můstky. kj – charakterizuje idol. schopnost jednotlivých částí skříně je předepsána jeho min. hodnota oddílu pro cestující: vnější prostor
bočnice a střechy podloha bočnice a střechy podloha
0.93 1.04 1.86 2.08
Ztráta prostupu tepla za klidu
Qc = ∑ k j ⋅ S j ⋅ (ti − te ) [W ]
k j - součinitel prostupu tepla dílčí plochu skříně S j - dílčí vnější plocha vozové skříně ohraničující
vytápěný prostor SS – plocha okna SB – plocha bočnice
- základní ztráty prostupem za klidu tvoří asi 30% celkových ztrát - u vozu délky 24.5 m je to asi 12kW - snížení je možné použitím jiného izol. mat., dvojitými okny kj =
2 ⋅ k jA + k jB 3
[W ⋅ m
−2
⋅ K −1
]
Tepelné ztráty infiltrací (netěsnostmi) skříně
(
)
(
Qi = ∑Vij ⋅ cL ⋅ ρ L ⋅ ti* − te = 0.335 ⋅ Vi ⋅ ti* − te
) [W ]
Vij – objemový průtok infiltrovaného vzduchu stěnami Vi – celkový objemový průtok infiltrovaného vzduchu cL – měrná tepelná kapacita vzduchu při stálém tlaku ρL – hustota vzduchu n – celkový počet prostorů ve vozidle ti* - průměrná vnitřní teplota tij – vnitřní teplota v jednotlivých prostorech vozu te – vnější teplota yj – vnitní objem jednotlivých prostorách vozidla y – celkový objem vozidla
n
tij ⋅ yi
i =1
y
ti = ∑
Předchozí výpočet je komplikovaný a nedává exaktní výsledky. Proto jej lze počítat jako procentuální část (10-20%) základní ztráty prostupem Qc . Tepelné ztráta větráním
(
QV = 0.335 ⋅ VL ⋅ ti − te
) [W ]
VL – celkový objemový průtok venkovního větracího vzduchu ti – vnitřní teplota te – vnější teplota Celkové tepelné ztráty vozidla QV = QC + Qi + Qv
[W ]
VL = n ⋅ 8
n – počet cestujících 8 m3/h při teplotě 20ºC
Celkový tepelný zisk
[W ]
QZ = QCi + Qm
Qci – produkce tepla osobami ve vozidle 85 ÷ 100 W Qm – produkce teple vnitřními zdroji Celkový příkon vytápění P = Q − QZ
[W ]
pro čtyřnápravové osobní vůz 36 ÷ 40 kW Měrné ztráty vozové skříně Tento parametr slouží pro porovnání tepelně technických vlastností vozové skříně qs =
Q V ⋅ (tvi −t e )
V- celkový objem vnitřního prostoru tvi - průměrná vnitřní teplota te – vnější teplota určuje se pro stojící vozidlo vred=5 km/h
- 1.75 W/m2K1 pro vozy dálkové dopravy - 2.09 W/m2K1 pro vozy místní dopravy
vred – redukovaná rychlost - vzduch proudící okolo stojícího vozu Doba předtápění τ
τ =τn +
qa od qc od
+ ln
Pod qc od ⋅ yod
Pod ⋅ (Tim od − Tem ) qc od ⋅ yod
τ n - doba náběhu vytápěcího zařízení na plný výkon
yod – vnitřní objem vytápěných oddílů [m3] Pod – výkon vytápěcího zařízení příslušného oddílu Tim od – teplota vzduchu v oddílech [18 ºC] Tem – vypočtená vnější teplota, Řecko, Portugalsko -10 ºC ČR,SR a ostatní střední Evropa -20 ºC Finsko, Norsko -30 ºC qa od – měrné akumulované teplo v konstrukci skříně vztažené na 1m3 vytápěného prostoru a na1K teplotního rozdílu vnějšího a vnitřního prostoru [Whm3K-1] qc od – měrná tepelná ztráta oddílů, která vyjadřuje velikost celkové ztráty vztažené na 1m3 vytápěného prostoru a na 1K rozdílu vnější a vnitřní teploty [Whm3K-1]
ČD Beer Základní technické údaje Váha prázdného vozu Délka vozu přes nárazníky Délka skříně Šířka skříně Výška střechy od temene kolejnice Výška bočnice výška skříně Vzdálenost otočných čepů Rozvor podvozku Průměr styčné kružnice kola Nejvyšší dovolená rychlost vozu Brzdící váha Míst k sezení Počet oddílů
41000 kg 24500 mm 24200 mm 2882 mm 4232 mm 2100 mm 2700 mm 17200 mm 2500 mm 920 mm 140 km/h P 42, R 68 t 53+8 6
Podvozek, pojezd: Typ Konstrukční provedení Vzor dvojkolí Vzor ložisek Spodek: Podélníky Hlavní příčníky Čelníky Táhlové ústrojí Narážecí ústroji Osvětlovací zařízení Vytápěcí zařízení Brzda
Dodávky: 1992: prototyp 20-78 101 1993-94: 20-78 102 až 135 v roce 1995 přeznačeny do intervalu 20-38 Typový výkres
bezrozsochový Görlitz V svařovaný ze skříň. nosníků 409.0 a 409.3 74 V válcovaný profil U 260 x 80 x 6 mm svařen z ocelových plechů svařen z ocelových úhelníků neprůběžné trubkové, prst.pružina 320 kN zářivkové, vedlejší a nouzové žárovkové teplovzdušné elektrické DAKO PR, špalíková, 14“
Tepelné požadavky vnitřní teplota [°C] 24 18 20
místo Kupé Chodba WC
Údaje pro výpočet Délka skříně Šířka skříně výška bočnice výška skříně velké okno malé okno
l = 24200 mm š =2882 mm h1= 2100 mm h2= 2700 mm 1270 x 1130mm 564 x 1130mm
Míst k sezení 53+8 Počet oddílů 6
BOČNICE :
Rotaflex
ocelový plech
antivibrační vrstva
Laminátová deska
Moniflex Tepelné izolace - bočnice
PODLAHA :
Linoleum
Dřevěná překližka
Rotaflex
Moniflex
Antivibrační vrstva Tepelné izolace - podlaha
ocelový plech
Volba tloušťky místo materiál Bočnice ocel antivibrační vrstva moniflex rotaflex laminát
tloušťka [mm] 1.5 3 20 30 4
vodivost 45 0.07 0.0565 0.035 0.209
Čelnice
1.5 3 20 30 4 2 3 16 2 30 30 1.5 3 20 40 4 6 1.5 20 3 4
45 0.07 0.0565 0.035 0.209 45 0.07 0.23 0.16 0.035 0.0565 45 0.07 0.0565 0.035 0.209 0.756 45 0.0565 0.07 0.209
ocel antivibrační vrstva moniflex rotaflex laminát Podlaha ocel antivibrační vrstva překližka linoleum rotaflex moniflex Střecha ocel antivibrační vrstva moniflex skelná vata laminát Okno sklo Dveře ocel moniflex antivibrační vrstva laminát antivibrační vrstva- terophon
1. vnější součinitel přestupu αe [W/m2K] 2. vnitřní součinitel přestupu αi [W/m2K] Jejich hodnoty byly zjištěny experimentálně a uvažují se takto : vnější povrch vozové skříně : αe = 23 [W/m2K] vnitřní povrch vozové skříně : bočnice αi = 8,1 [W/m2K] podlaha αi = 6,9 [W/m2K] strop αi = 8,7 [W/m2K] okna αi = 11 [W/m2K] čelnice a dveře αi = 9,2 [W/m2K] topnice αi = 28,8 [W/m2K]
pozn
Obecný vzorec pro prostup tepla rovinou stěnou k j =
1
αi n
okna bočnice čelnice střecha dveře podlaha A podlaha B topnice
αi 11 8,1 9,2 8,7 9,2 6,9 6,9 28,8
+∑ i =1
λi
+
1
[W ⋅ m
−2
⋅ K −1
]
αe
Si
i =1
αe
1 Si
∑λ
Odpor stěny
kbocnice =
n
i
1 = 0,694W / m 2 K 1 0,0015 0,003 0,02 0,03 0,004 1 + + + + + + 8,1 45 0,07 0,0565 0,035 0,209 23 23 ocel 45
sklo lino 0,756 0,16 0,006
překližka laminát moniflex rotoflex antivibr odpor stěny 0,23 0,204 0,0565 0,035 0,07 0,0079 0,004 0,02 0,03 0,003 1,2736 0,004 0,02 0,03 0,003 1,2736 0,004 0,02 0,04 0,003 1,5593 0,004 0,02 0,003 0,4165 0,003 0,016 0,03 0,003 0,9884 0,003 0,016 0,02 0,03 0,003 1,3423 0,0000
0,0015 0,0015 0,0015 0,003 0,002 0,002 0,0015
podlaha
kj 7,03 0,69 0,70 0,58 1,76 0,85 0,65 12,78 0,78
Podlaha : k j =
2 ⋅ k jA + k jB 3
[W ⋅ m
−2
⋅ K −1
]
Ztráty prostupem tepla za klidu určení délky oblouku a =
2 ⋅ r ⋅π ⋅α 360
[mm]
3480 mm
Velikost ploch bočnic je bez dveří a oken a čelnic bez dveří
malé okno okno bočnice čelnice strop dveře podlaha topnice
ks
a[mm]
b[mm]
ti [°C]
te [°C]
S [m2]
ΔT
Qcj [W]
4 20 2 2 1 4 1 1
564 1270 19200 2882 3480 846 2882 24200
1130 1130 2100 2100 24200 2100 24200 100
24 24 18 18 24 18 20 24
-30 -30 -30 -30 -30 -30 -30 -30
2,55 28,70 61,46 8,55 84,22 7,11 69,74 2,42
54 54 48 48 54 48 50 54
11857,25 2047,91 287,88 2647,44 599,81 2278,12 1670,38
Celkové ztráty za klidu QC = ∑ QCi = 21388,79W
Ztráta infiltrací Qi = QC ⋅ 10% = 21388.79 ⋅ 0.1 = 2138.879W Ztráta větráním QV = 0.335 ⋅ VL ⋅ (t i − t e ) = 0.335 ⋅ n ⋅ 8 ⋅ (t i − t e ) = 0.335 ⋅ 61 ⋅ 8 ⋅ (24 − (− 30)) = 8827.92W Tepelný zisk
Qz = n ⋅ 100 = 61 ⋅ 100 = 6100W Celkový příkon vytápění P = QC + Qi + QV − Q z = 21388.79 + 2138.88 + 8827.92 − 6100 = 26255.58W
