Bài tập lớn học phần máy và thiết bị lạnh chuyên ngành kĩ thuật lạnh và Điều hòa không khí Đề tài số 9 hệ thống Điều hòa không khí trên tàu Điện

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG CƠ KHÍ KHOA NĂNG LƯỢNG NHIỆT BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN MÁY VÀ THIẾT BỊ LẠNH Chuyên ngành: Kĩ thuật lạnh và điều hòa không khí Đề tài số 9: Hệ thống điều hòa khô

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG CƠ KHÍ KHOA NĂNG LƯỢNG NHIỆT

BÀI TẬP LỚN

HỌC PHẦN MÁY VÀ THIẾT BỊ LẠNH Chuyên ngành: Kĩ thuật lạnh và điều hòa không khí

Đề tài số 9: Hệ thống điều hòa không khí trên tàu điện

NHÓM 5

Mã lớp học: 154550

Hà Nội, 12/2024

MỤC LỤC

1 Tổng quan 3

1.1 Khái niệm 3

1.2 Nguyên lý hoạt động của tàu điện 4

1.3 Ưu nhược điểm của tàu điện 4

1.4 Một số loại tàu điện hiện nay 5

1.5 Hệ thống lắp đặt trên tàu 6

2 Hệ thống HVAC trên tàu điện 6

3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 7

4 Các thiết bị chính trong HVAC 8

4.1 Máy nén 8

4.2 Dàn ngưng tụ 10

4.3 Dàn lạnh 11

4.4 Hệ thống ống phân phối gió cấp và hồi 12

5 Các chế độ vận hành 13

5.1 Chế độ thông gió 13

5.2 Chế độ sưởi 14

5.3 Chế độ “Cool1” 14

5.4 Chế độ “Cool2” 15

5.5 Chế độ khử ẩm 16

5.6 Chế độ thông gió khẩn cấp 16

5.5 Chế độ thông gió sự cố 17

6 Một số hãng sản xuất thiết bị lạnh 19

6.1 Máy nén 19

6.1.1 Máy nén piston 3 xy lanh, 2 cấp nén của hãng Elgi 19

6.1.2 Máy nén xoắn ốc của bitzer 20

6.1.3 Máy nén xoắn ốc của Hitachi 21

1 Tổng quan

1.1 Khái niệm

Hình 1.1 Hệ thống tàu điện Cát Linh Hà Đông

-Hiện nay, tàu điện đang phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới, đặc biệt trong các thành phố lớn để giảm ùn tắc giao thông và ô nhiễm, bên cạnh đó còn mang lại lợi ích kinh tế cho các thành phố Các hệ thống tàu điện ngầm và tàu điện trên cao được nhiều quốc gia đầu tư, với công nghệ tiên tiến, bao gồm cả tàu không người lái Ví dụ, London và Hà Nội đều có các tuyến tàu điện phố phường hiện đại, đóng vai trò quan trọng trong giao thông đô thị Các dự án xây dựng và mở rộng các tuyến tàu điện vẫn đang diễn ra để nâng cao kết nối và giảm tải cho hệ thống giao thông công cộng

-Hệ thống này được thiết kế để vận chuyển một lượng lớn hành khách trong các khu đô thị, cung cấp sự thay thế nhanh chóng và tin cậy cho các phương tiện giao thông khác như xe buýt hoặc xe hơi

-Hệ thống tàu điện có đặc điểm khác với xe buýt hoặc xe điện, các hệ thống metro thường là đường sắt điện, hoạt động trên một lối đi riêng biệt mà không thể tiếp cận bởi người đi bộ hoặc các phương tiện khác Chúng thường được tách biệt theo độ cao (trong đường hầm hoặc trên cao) để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho việc di chuyển

1.2 Nguyên lý hoạt động của tàu điện

-Tàu điện hoạt động nhờ năng lượng thu được từ các đường dây điện trên không truyền qua các bánh xe, sau đó khép kín mạch với cáp nối đất của đường ray

-Tuy nhiên, đối với tàu điện Cát Linh-Hà Đông-Hà Nội hiện nay đang sử dụng

cơ chế hệ thống cung cấp điện từ ray thứ 3 Đây là một thanh ray dẫn điện được đặt bên cạnh ray tàu, cách điện với mặt đường và các thiết bị khác để đảm bảo an toàn -Khi đoàn tàu chạy qua ray dẫn điện thứ ba, máy kéo điện của tàu sẽ tiếp xúc với thanh ray này thông qua một thiết bị gọi là guốc điện Dòng điện từ thanh ray sẽ

đi vào hệ thống điện của tàu, cung cấp năng lượng cho động cơ để vận hành

-Với cơ chế hoạt động như vậy, hệ thống cung cấp điện này mang lợi về 3 ưu điểm vượt trội so với các giải pháp khác:

 An toàn: Thanh ray dẫn điện được cách điện hoàn toàn, loại bỏ nguy cơ rò rỉ

điện và đảm bảo an toàn cho người dân và hành khách

 Ổn định: Dòng điện cung cấp liên tục và ổn định, giúp tàu điện vận hành

mượt mà, tránh tình trạng gián đoạn hoặc mất điện bất ngờ

 Mỹ quan đô thị: Do không sử dụng hệ thống dây điện trên cao, hệ thống

điện từ ray thứ ba góp phần tạo nên mỹ quan đô thị, tránh sự lộn xộn và giảm thiểu tác động đến cảnh quan.

1.3 Ưu nhược điểm của tàu điện

 Ưu điểm:

Tiết kiệm năng lượng: Tàu điện thường sử dụng năng lượng điện, giúp

giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch và hạn chế ô nhiễm môi trường

Thân thiện với môi trường: Việc sử dụng tàu điện góp phần giảm lượng

khí thải carbon và ô nhiễm không khí, làm cho chúng trở thành lựa chọn công cộng bền vững hơn

Hiệu suất cao: Tàu điện có khả năng vận chuyển nhiều hành khách cùng

một lúc, giúp giảm tắc nghẽn giao thông so với các phương tiện cá nhân

Chi phí vận hành thấp: Mặc dù đầu tư ban đầu có thể cao, nhưng chi phí

duy trì và vận hành tàu điện thường thấp hơn so với xe buýt hoặc ô tô, đặc biệt là trong các hệ thống lớn

Độ tin cậy cao: Các hệ thống tàu điện thường được thiết kế với lịch trình cố

định và có ít sự chậm trễ hơn so với giao thông đường bộ, giúp hành khách

có thể tin cậy vào thời gian di chuyển

An toàn: Tàu điện thường có tỷ lệ tai nạn thấp hơn so với tàu hơi nước và

các phương tiện giao thông khác.

 Nhược điểm :

Chi phí đầu tư cao: Đầu tư ban đầu cho hệ thống tàu điện, bao gồm đường

ray, nhà ga và các cơ sở hạ tầng khác, thường rất lớn

Khả năng linh hoạt hạn chế: Tàu điện phải chạy trên các tuyến đường cố

định, nên không thể linh động điều chỉnh lộ trình như xe buýt hoặc taxi

Đông đúc: vào những giờ cao điểm thì số lượng hành khách khá đông dẫn tới

thiếu hụt oxi, gây khó thở,thiếu diện tích

Di chuyển trên đường dài: thay đổi thời tiết, nhiệt độ bên trong và bên ngoài

gây cảm giác không thoải mái cho hành khách

1.4 Một số loại tàu điện hiện nay

Hình 1.2 Tàu điện trên cao và tàu điện ngầm

Các loại tàu điện phổ biến hiện nay:

Tàu điện cao tốc: Tốc độ rất cao, tuyến đường dài giữa các thành phố lớn Hệ

thống điều hòa không khí đáp ứng các yêu cầu khắt khe về hiệu suất và độ tin cậy, đồng thời phải giảm thiểu tiếng ồn và rung động

Tàu điện trên cao (METRO): Đường ray cao, sử dụng ở các thành phố lớn.

Hệ thống điều hòa không khí thường phức tạp hơn các loại tàu khác do chiều dài tàu và số lượng hành khách lớn

Tàu điện ngầm: Dưới lòng đất, tốc độ cao và tần suất hoạt động lớn Hệ thống

điều hòa không khí của tàu điện ngầm cũng tương tự như tàu điện trên cao

Tàu điện nhẹ: Kích thước nhỏ hơn tàu điện trên cao và tàu điện ngầm, tuyến

đường riêng biệt hoặc kết hợp với giao thông đường bộ Hệ thống điều hòa đơn giản hơn

 Một số hệ thống Metro nổi tiếng thế giới:

1 Hệ Thống Subway Thành Phố New York (New York City Subway):

Đây là hệ thống tàu điện ngầm lớn nhất thế giới theo số lượng ga, với tổng cộng 472 ga Tàu chạy chủ yếu dưới lòng đất nhưng cũng có những đoạn trên cao Hệ thống phục vụ hàng triệu hành khách mỗi ngày, đóng vai trò quan trọng trong giao thông đô thị của New York

2 Hệ Thống Metro Đài Bắc (Taipei Metro):

Metro Đài Bắc là một trong những hệ thống giao thông công cộng bận rộn nhất thế giới, phục vụ hàng triệu hành khách mỗi tuần Hệ thống này kết hợp

cả đường ngầm và đường trên cao, thiết kế hiện đại và được quản lý hiệu quả, giúp giảm thiểu ùn tắc giao thông trong thành phố

1.5 Hệ thống lắp đặt trên tàu

 Hệ thống điện: Cung cấp năng lượng cho tàu điện, thường là đường

dây điện trên cao hoặc dưới đất

 Hệ thống tín hiệu: Giúp quản lý và điều phối lưu lượng tàu, đảm bảo

an toàn cho việc di chuyển và tránh va chạm

 Hệ thống điều khiển: Bao gồm các thiết bị và phần mềm để điều khiển

hoạt động của tàu, từ tốc độ đến việc dừng lại tại các ga

 Hệ thống thông tin hành khách: Cung cấp thông tin về lịch trình, thời

gian đến, và các thông báo quan trọng khác cho hành khách

 Hệ thống an ninh: Bao gồm camera giám sát, cảm biến và các thiết bị

an ninh khác để bảo vệ hành khách và tài sản

 Hệ thống thông gió và điều hòa không khí: Đảm bảo môi trường bên

trong tàu luôn thoải mái cho hành khách

 Hệ thống thoát hiểm: Bao gồm các lối thoát hiểm và thiết bị cứu hộ để

đảm bảo an toàn trong trường hợp khẩn cấp

 Hệ thống vệ sinh: Đảm bảo tàu luôn sạch sẽ và vệ sinh cho hành khách.

2 Hệ thống HVAC trên tàu điện

2.1 Vai trò

Với lượng nhu cầu phục vụ hàng triệu hành khách mỗi tuần, hàng nghìn hành khách mỗi chuyến thì việc đảm bảo không gian thoáng mát và chất lượng không khí tốt là rất cần thiết Vì vậy hệ thống HVAC là một hệ thống quan trọng trong việc mang lại nhiều lợi ích cho tàu điện Hệ thống không chỉ kiểm soát nhiệt độ

mà còn đảm bảo thông gió và chất lượng không khí cho cabin tàu

2.2 Sắp xếp, bố trí

Hình 1.3 Vị trí hệ thống HVAC

Hệ thống được lắp đặt trên nóc toa tàu hoạt động bằng cách thu thập, lọc, làm nóng hoặc làm mát không khí và phân phối nó vào bên trong toa tàu Nó sử dụng các quạt

để duy trì luồng không khí và thường được thiết kế để chịu được các điều kiện khắc nghiệt của môi trường bên ngoài Hệ thống này cũng có thể tích hợp các cảm biến

để điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm tự động, đảm bảo sự thoải mái cho hành khách Mỗi toa sẽ được lắp đặt 2 bộ HVAC

3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống

Ảnh trên trình bày tổng quan sơ đồ hệ thống gồm các thiết bị chính như máy nén, dàn ngưng tụ, mắt ga, phin lọc, van tiết lưu, dàn bay hơi ngoài ra còn các thiết bị khác như bộ lọc không khí, van gió, các loại cảm biến, và thiết bị điện bảo vệ

 Nguyên lý hoạt động của sơ đồ:

-Môi chất lạnh đi vào máy nén được nén từ áp suất thấp lên áp suất cao, gia tăng nhiệt độ sau đó đi vào dàn ngưng tụ,tại đây môi chất được giải nhiệt nhờ đối lưu cưỡng bức và chuyển từ hơi sang dạng lỏng Qua dàn ngưng tụ môi chất được đi qua van tiết lưu và làm giảm nhiệt độ, áp suất xuống mức thấp nhất, môi chất tiếp tục được đưa vào dàn bay hơi để làm lạnh Lúc này quạt cấp hoạt động thổi không khí qua dàn bay hơi cung cấp không khí mát cho toa tàu

-Không khí trao đổi nhiệt với dàn bay hơi ngoài không khí được tuần hoàn trong toa còn có sự hòa trộn với không khí tươi bên ngoài, gió tươi và không khí được hòa trộn với nhau tại buồng hòa trộn không những giúp tiết kiệm nguồn năng lượng

nhiệt mà còn bổ sung được khí tươi bên ngoài đảm bảo nồng độ CO2 được duy trì ở mức cho phép

4 Các thiết bị chính trong HVAC

4.1 Máy nén

Vị trí : được lắp đặt trong cùng hệ thống HVAC nằm trên nóc tàu

Máy nén đóng vai trò quan trọng được ví như một trái tim của hệ thống Máy nén hút hơi ở áp suất thấp nhiệt độ thấp sinh ra ở dàn bay hơi nén lên áp suất cao để đẩy vào dàn ngưng tụ, đảm bảo sự tuần hoàn môi chất một cách hợp lý trong hệ thống

 Một số loại máy nén có thể dùng trong hệ thống HVAC:

1 Máy nén xoắn ốc

2 Máy nén piston

3 Máy nén trục vít

 Đối với tàu điện máy nén dạng xoắn ốc được ưu tiên sử dụng, do:

 Hiệu suất năng lượng cao: Chúng hoạt động hiệu quả, giúp tiết kiệm năng

lượng, đặc biệt quan trọng trong các hệ thống cần tiết kiệm chi phí vận hành

 Hoạt động êm ái: Máy nén dạng xoắn hoạt động với độ ồn thấp, tạo nên môi

trường thoải mái cho hành khách trên tàu

 Kích thước nhỏ gọn: Thiết kế nhỏ gọn giúp dễ dàng lắp đặt trong không gian

hạn chế của tàu điện

 Bảo trì đơn giản: Mặc dù khó sửa chữa khi có sự cố, việc bảo trì định kỳ

thường đơn giản và ít tốn thời gian

Hình 1.4 Máy nén xoắn ốc trong tàu điện

 Cấu tạo :

Hình 1.5.Cấu tạo máy nén

 Đây là dạng biến thể mới của máy nén trục vít Gồm 2 đĩa xoắn, một đĩa động

và một đĩa tĩnh

 Hoạt động :

Khi thực hiện quá trình nén, hơi môi chất được đưa vào khoảng trống giữa 2 đĩa xoắn tạo ra Khoảng trống giữa 2 đĩa xoắn hình thành khi 2 đĩa xoắn được đặt ăn khớp vào nhau, hình thành lên các túi dạng hình lưỡi liềm Hai đĩa này khép dần từng nấc và dần đi vào tâm của hình xoắn ốc làm giảm thể tích, tạo áp suất lớn Khi tới tâm thì hơi môi chất đạt được áp suất đẩy và được nén qua cổng đẩy ở tâm của đĩa xoắn cố định Các túi khí được nén đồng thời và liên tiếp, tạo sự liên tục, ổn định, hiệu quả trong quá trình vận hành

4.2 Dàn ngưng tụ

Hình 1.6 Dàn nóng

 Cấu tạo dàn nóng gồm : máy nén, quạt trục, ống đồng dẫn môi chất lạnh, dây điều khiển và dây điện động lực

 Dây điện điều khiển: là dây có tác dụng liên kết, được nối giữa dàn nóng –

lạnh giúp 2 bộ phận của hệ thống hoạt động một cách thống nhất

 Ống dẫn môi chất lạnh: ống chứa dịch lỏng và gas, được đặt giữa 2 dàn nóng

– lạnh

 Máy nén và quạt trục: đây là bộ phận tiêu thụ lớn lượng điện năng dùng để

vận hành máy

 Dây điện động lực: dây nối giữa nguồn điện và máy Tùy vào công suất của

máy cũng như hãng máy, có thể nối nguồn điện 1 pha hoặc 3 pha

 H oạt động của dàn nóng trong tàu điện:

thái hơi được nén lại, làm tăng áp suất và nhiệt độ của nó

- Bộ tản nhiệt: tại đây xảy ra quá trình ngưng tụ, hơi môi chất ở áp suất cao

sau khi được nén sẽ đi vào dàn nóng trao đổi nhiệt với không khí bên ngoài Hơi môi chất sẽ truyền nhiệt cho không khí khiến nó ngưng tụ thành lỏng

- Quạt: Giúp tạo lưu thông không khí, đảm bảo không khí mát đi qua dàn nóng liên tục

 Vai trò, lợi ích:

 Điều hòa không khí: Dàn nóng giúp điều hòa nhiệt độ trong khoang tàu,

tạo môi trường thoải mái cho hành khách

 Tiết kiệm năng lượng: Thiết kế hiệu quả giúp giảm thiểu năng lượng tiêu

thụ, góp phần vào việc tiết kiệm chi phí hoạt động

 An toàn và đáng tin cậy: Các hệ thống hiện đại thường được trang bị cảm

biến và bộ điều khiển tự động để đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn

dàn nóng được thiết kế tích hợp cùng dàn lạnh và nằm trên nóc tàu vị trí cao, thoáng mát

4.3 Dàn lạnh

Hình 1.7 Dàn lạnh

 Cấu tạo dàn lạnh gồm: dàn trao đổi nhiệt ( ống dẫn môi chất lạnh, cánh tản

nhiệt), quạt gió, van tiết lưu, bình ngưng tụ nước, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm,

bộ lọc không khí, cánh tản gió

 Ống dẫn môi chất lạnh: tăng cường hiệu suất trao đổi nhiệt giữa hơi

môi chất và không khí

 Cánh tản nhiệt: giúp mở rộng diện tích tiếp xúc với không khí, tăng

hiệu quả trao đổi nhiệt

 Quạt gió: làm mát không khí và thổi ra các khoang tàu lượng không

khí sau khi được làm mát từ dàn trao đổi nhiệt

 Van tiết lưu: kiểm soát lượng môi chất lạnh ( trạng thái lỏng) đi vào

dàn lạnh, làm giảm áp suất và chuyển thành hơi, quá trình bốc hơi hiệu

quả hơn.

 Bình ngưng tụ nước :Khi không khí ấm đi qua dàn lạnh, độ ẩm trong không khí sẽ ngưng tụ lại thành nước Bình ngưng tụ nước sẽ thu gom nước này và dẫn ra ngoài, giúp duy trì độ ẩm hợp lý trong khoang tàu

 Cảm biển nhiệt độ, độ ẩm: theo dõi nhiệt độ, độ ẩm để luôn giữ cho

không khí trong tàu luôn thoải mái

 Bộ lọc không khí: lọc tạp chất bụi bẩn của không khí.

 Cánh tản gió: điều chỉnh hướng gió phân phối đều cả khoang.

 Hoạt động của dàn lạnh trên tàu điện:

- Không khí được lấy từ luồng không khí ngoài trời qua quạt hút và một lượng gió hồi từ khoang hành khách để hòa trộn thông qua hệ thống thu hồi không khí

- Sau khi hòa trộn, không khí đi qua các bộ lọc để loại bỏ bụi bẩn và tạp chất

- Không khí được làm sạch đi qua dàn trao đổi nhiệt để được làm lạnh, và qua các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm để điều chỉnh chúng

- Cuối cùng không khí đã được xử lý sẽ được hệ thống phân phối khí phân phối qua các ống dẫn tới các khu vực khác nhau trong tàu thông qua các lỗ thông hơi

- Để lượng không khí được phân phối đều cho khoang hành khách dàn lạnh thường có thêm cánh tản gió để điều chỉnh hướng gió, phục vụ hành khách trạng thái tốt nhất

trường, nên trong tàu điện dàn nóng được thiết kế tích hợp cùng dàn lạnh và nằm trên nóc tàu vị trí cao, thoáng mát

4.4 Hệ thống ống phân phối gió

-Để đảm bảo khả năng làm mát cho toàn bộ khu vực toa tàu, hệ thống phân phối gió và hồi đóng vai trò vô cùng quan trọng Đảm bảo sự tiện nghi nhiệt của hành khách đồng thời còn giúp hệ thống tiết kiệm một phần năng lượng nhiệt nhờ các cửa gió hồi

-Không khí lạnh sau khi được xử lý tại dàn bay hơi sẽ được quạt thổi đến các toa nhờ hệ thống ống phân phối xuyên suốt toa mà cụm máy điều hòa này đảm nhận Để đảm bảo sự đồng đều về luân chuyển không khí, hệ thống ống gió cấp gồm