Холодильные агрегаты для устройств кондиционирования воздуха, использующие воздух в качестве хладагента

Применявшийся ранее в системах кондиционирования воздуха хладагент марки R12, обладающий высокой озоноразрушающей способностью, сейчас заменен на R134a, который не влияет на озоновый слой и обладает в 6 раз более низким тепличным потенциалом. Проблема защиты окружающей среды приобретает все большее значение на железнодорожном транспорте. В связи с этим необходимо отказаться от использования любого, экологически небезопасного хладагента, так как полностью устранить его утечки в контурах кондиционирования невозможно. В системе кондиционирования воздуха, разработанной для поездов нового поколения типа ICE, предлагается использовать воздух как экологически чистый хладагент. Это снижает расходы на обслуживание и увеличивает срок службы, что компенсирует увеличение энергопотребления на тягу высокоскоростного поезда. Так, например, фирма Hagenuk Faiveley (HFG) разработала и испытала прототип, а также подготовила к серийному выпуску холодильный агрегат для установки кондиционирования воздуха, который отвечает требованиям, предъявляемым к этой системе в высокоскоростном поезде ICE 3. На базе опыта, накопленного в области использования холодильных агрегатов в самолетостроении, и с учетом конкретных условий их применения на железнодорожном транспорте было создано компактное холодильное устройство, монтируемое на крыше вагона высокоскоростного поезда. Концепция холодильного агрегата построена на принципе замкнутого циркуляционного процесса (см. рисунок 62.), который практически соответствует обычной, широко применяемой системе с испарителем.

1 – теплообменник нагретого воздуха; 2 – детандер; 3 – теплообменник приточного воздуха; 4,5 – вторая и первая ступень компрессора

Рисунок 62. Схема замкнутого процесса охлаждения воздуха

Процесс сжатия рабочего воздуха для повышения эффективности разделен на две ступени. В первой ступени 5 компрессорного агрегата происходит всасывание воздуха из рабочего теплообменника 1, сжимает его до необходимого промежуточного давления и подает во вторую ступень сжатия 4 где сжимается до давления 2 3 бар (0,2 0,3 МПа). После этого нагревшийся в процессе сжатия рабочий воздух поступает в теплообменник приточного воздуха 3, в котором охлаждается до температуры окружающей среды. В этом состоянии воздух поступает на турбину детандера 2, где политропно расширяется, охлаждаясь при этом до температуры, необходимой для подачи в рабочий теплообменник. При максимальной нагрузке самая низкая допустимая величина охлаждения равна минус 3 °C (270K). В рабочем теплообменнике 3 охлажденный воздух отбирает тепло у свежего и циркуляционного воздуха, подаваемого в вагон, нагреваясь до температуры, необходимой для подачи в компрессор первой ступени. После этого охлажденный воздух через смесительную камеру подается в пассажирский салон, а также в кабину. На этом циркуляционный цикл заканчивается. Конденсат, образовавшийся в рабочем теплообменнике, подводится к вспомогательному теплообменнику 1, где распыляется в потоке воздуха, подаваемого в турбину 2. В результате температура рабочего воздуха дополнительно понижается и эффективность процесса возрастает. Компрессор смонтирован вместе с турбиной на общем валу, частота его вращения (от 0 до 24 тыс. об/мин.) регулируется в зависимости требуемой холодопроизводительности.

В системе кондиционирования с пониженным давлением (см. рисунок 63.) контур циркуляционного воздуха отделен теплообменником от контура приточного воздуха.

1 – турбоагрегат; 2 – теплообменник; 3 – вентилятор приточного воздуха; 4 – нагреватель; 5 – пассажирский вагон; 6 – вентилятор удаляемого воздуха

Рисунок 63. Схема с открытым контуром охлаждения

В контуре охлаждения циркуляционный воздух сначала расширяется в турбоагрегате 1, и в зависимости от условий охлаждения его температура плавно понижается до значения ниже 0 °C (273K). Конденсирующаяся в охлажденном приточном воздухе влага впрыскивается в контур разрежения и испаряется в теплообменнике 2. Благодаря интенсивному испарению воды обеспечивается заметное повышение холодопроизводительности. Нагревшийся в теплообменнике воздух засасывается компрессором 1, сжимается и выбрасывается наружу. Холодильные агрегаты для устройств кондиционирования воздуха, использующие воздух в качестве хладагента, имеют следующие преимущества по сравнению с традиционной техникой:

использование природного хладагента;

экологичность;

отсутствие необходимости в высококвалифицированном обслуживании и пополнении хладагента и охлаждающего масла;

минимальное время для обслуживания, длительные сроки между профилактическими работами, низкие эксплуатационные затраты в расчете на жизненный цикл;

упрощенная система электроснабжения за счет использования напряжения электрической поездной магистрали для непосредственного питания привода компрессора (в будущем также для других приводов установки кондиционирования);

большой срок службы, хорошие качественные характеристики работы, в том числе для турбины в режиме неполной нагрузки.