Вагон с подогревом

Специалисты ПГУПСа разработали целую серию оригинальных теплогенерирующих устройств с повышенным КПД

НОВОЕ – ВНЕДРЯТЬ!

Пассажиры отечественного железнодорожного транспорта – народ неприхотливый. Они привыкли мерзнуть в салонах вагонов от сквозняков зимой и задыхаться от зноя в летний период. Из двух зол сатирик Михаил Жванецкий отдает предпочтение жаре. Лучше семь раз покрыться потом, чем один раз инеем, утверждает он. Но если серьезно, то согласно действующим в настоящее время на железной дороге техническим регламентам температура внутри пассажирского вагона не должна опускаться ниже 20 градусов тепла даже при сорокаградусном морозе снаружи. К сожалению, не всегда такие условия соблюдаются. Разработчики новой системы обогрева пассажирских вагонов обещают, что в случае ее внедрения климат в салоне будет стабильным. 

В 90% отечественных пассажирских вагонов до сих пор используются водогрейные котлы, снабженные топочной камерой для угля и 24 трубчатыми электронагревательными элементами. Коэффициент полезного действия такого котла не превышает 47%. При использовании такой системы требуется либо отбирать электро-

энергию для ее питания у тянущих поезд локомотивов, либо применять автономные дизель–генераторы. Иногда даже приходится вводить в состав отдельный вагон–электростанцию. Все это требует значительных дополнительных затрат и усложняет работу провод-

ников. 

Ситуацию может исправить создание и внедрение принципиально новой отопительной системы пассажирских вагонов, которую разработали сотрудники Петербургского государственного университета путей сообщения (ПГУПС) совместно с коллегами из Комсомольского–на–Амуре государственного технического университета. Основой ноу–хау служит гидроэлектродинамическое теплогенерирующее устройство, в котором помимо преобразования электрической энергии в тепловую создается высокое давление теплоносителя. 

По словам заведующего кафедрой теоретических основ электротехники ПГУПСа профессора Константина Кима, ученые вуза предложили использовать для этих целей теплогенерирующий электромеханический преобразователь оригинальной конструкции. Он является по своей сути асинхронным двигателем, но тепло, выделяющееся в процессе преобразования электрической энергии в механическую, направляет на нагрев вагона. Тем самым значительно увеличивается коэффициент полезного действия нового отопительного устройства. Столь нестандартный взгляд на проблему обогрева пассажирских вагонов позволил специалистам транспортного вуза создать на базе электромеханических преобразователей целую серию оригинальных эффективных теплогенерирующих устройств и получить патенты на 13 из них.

 Выступая на конкурсе «Молодые ученые транспортной отрасли», прошедшем в рамках «Транспортной недели – 2014», заместитель начальника планово–экономического управления ПГУПСа Надежда Карпова проанализировала недостатки и преимущества старой и новой систем обогрева пассажирских вагонов. По ее мнению, для обеспечения конкурентоспособности российской железнодорожной техники на мировом рынке необходимо соблюдать жесткие требования в отношении загрязнения окружающей среды и эффективности работы технических систем и узлов. Поэтому переход к электронагревательным устройствам нового поколения не только будет обеспечивать режим энергосбережения, но и способен повысить надежность оборудования, существенно облегчить контроль температуры. 

 Существующие электронагреватели на основе трубчатых элементов появились одними из первых. Вплоть до настоящего времени они являются наиболее распространенными в использовании. Такая система представляет собой металлическую трубку, внутри нее находится нагревательная спираль, запрессованная в специальном наполнителе, который имеет высокую теплопроводность и обеспечивает надежную электрическую изоляцию спирали от корпуса. От качества изоляции зависят надежность электронагревательных приборов и безопасность. 

К числу преимуществ трубчатых электронагревателей относятся малая тепловая инерция, простота и дешевизна конструкции, возможность быстрой установки в одном нагревательном приборе нескольких элементов различной формы и мощности, легкость замены элементов. 

Однако, как пояснила Надежда Карпова, есть и недостатки – низкая надежность и недостаточный уровень безопасности при эксплуатации. В частности, при появлении трещин на наружной оболочке нагревательного элемента могут возникнуть опасные для жизни человека токовые утечки. Для обеспечения необходимой степени электробезопасности следует тщательно следить за качеством заземления. Выход из строя нагревательной системы происходит, главным образом, из–за появления на поверхности элементов накипи, затрудняющей теплоотдачу от нагревателя к теплоносителю. Все это уменьшает срок службы нагревательного элемента. Кроме того, при необходимости уменьшения габаритов нагревательных элементов процесс их изготовления усложняется.

Попытки повысить электробезопасность трубчатых электронагревателей привели специалистов к созданию нового вида устройств с неподвижными теплогенерирующими элементами – индукционных нагревателей. Технология индукционного нагрева позволяет обеспечить высокие потребительские характеристики: надежность, долговечность, безопасность и неприхотливость.

Как рассказала Надежда Карпова, по принципу действия индукционные электронагревательные элементы можно разделить на две группы, отличающиеся друг от друга способом передачи тепла от индукционной обмотки в нагреваемую жидкость. Устройства с высокочастотным нагревом жидкости имеют индукционную обмотку, подключаемую к источнику тока высокой частоты. Однако широкому применению этих устройств препятствует ряд серьезных недостатков. Для установок с высокочастотным нагревом требуется специальный источник питания. Нагреваемая жидкость должна проводить электрический ток. Нагреватели с высокочастотным нагревом потребляют значительную реактивную мощность от питающей сети, следовательно, имеют низкий коэффициент мощности.

Индукционный нагреватель состоит из двух контуров: катушки обмотки и теплообменного устройства. Второй контур под воздействием магнитного поля, создаваемого катушками, нагревается и передает тепло теплоносителю. В качестве последнего может быть использована вода, тосол и даже трансформаторное масло. Универсальность в выборе теплоносителя – существенное достоинства теплогенераторов такого типа, подчеркивает Надежда Карпова. 

При этом индукционные нагреватели требуют минимум профилактических работ, не требуют высококвалифицированного персонала для монтажа и обслуживания, являются полностью автономными. Полное автоматическое управление позволяет поддерживать оптимальную температуру теплоносителя в заданных границах, к тому же имеется возможность регулировать работу нагревателя как по температуре воздуха в помещении, так и по температуре носителя. 

Однако относительно низкий коэффициент полезного действия установок с нагревом воды от магнитопровода побудил специалистов ПГУПСа к дальнейшему совершенствованию этого типа нагрева, результатом которого явилось создание электронагревателей трансформаторного типа. Логическим продолжением развития теплогенерирующих устройств, характеризующихся повышенным коэффициентом теплоотдачи и теплопроизводительности, является разработка конструкций с вращающимися теплогенерирующими элементами. В данном случае ротор способен выполнять дополнительную функцию – нагревать теплоноситель. В обычном асинхронном двигателе нагрев ротора играет негативную роль, поясняет Надежда Карпова, здесь же он выполняет полезную работу, повышая КПД устройства. 

Как показали испытания, температура теплоносителя (воды) на выходе из теплогенерирующего электромеханического преобразователя достигает 90–95 градусов. Для обогрева вагона сотрудники ПГУПСа выбрали двухтрубную систему водяного отопления с нижней разводкой. Сравнение полученных результатов с технико–экономическими показателями традиционных систем подтвердило возможность эффективного применения новшества в качестве источника обогрева пассажирских вагонов. 

По словам Константина Кима, изготовленный сотрудниками университета опытный образец нового обогревателя вагонов обладает номинальной мощностью 2 кВт при напряжении 220 В. В качестве теплоносителя можно использовать воду, тосол или трансформаторное масло. Так как территория России располагается в различных климатических поясах и перепады температур достаточно велики, за расчетную зимнюю температуру наружного воздуха принималась максимально низкая, равная 50 градусам Цельсия. 

Сравнение результатов как расчетных, так и экспериментальных исследований с технико–экономическими показателями традиционных систем отопления подтвердило перспективность и конкурентоспособность новой системы по сравнению с существующими. Ученые убеждены, что рассматриваемые системы можно использовать не только на железнодорожном транспорте, но и в авиации, космической технике, морском и речном флоте, а также для индивидуального обогрева офисных и жилых помещений. 

12.12.2014