EP0845400A2 - Verfahren zur druckgeschützten Belüftung von Hochgeschwindigkeitszügen - Google Patents

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EP0845400A2
EP0845400A2 EP97118696A EP97118696A EP0845400A2 EP 0845400 A2 EP0845400 A2 EP 0845400A2 EP 97118696 A EP97118696 A EP 97118696A EP 97118696 A EP97118696 A EP 97118696A EP 0845400 A2 EP0845400 A2 EP 0845400A2
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EP
European Patent Office
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pressure
air
fan
speed
throttle
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP97118696A
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English (en)
French (fr)
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EP0845400A3 (de
Inventor
Ulrich Dr. Adolph
Maik Coldewey
Klaus Feuerstack
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Faiveley Transport Leipzig GmbH and Co KG
Original Assignee
HFG Hagenuk Faiveley GmbH
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Publication date
Application filed by HFG Hagenuk Faiveley GmbH filed Critical HFG Hagenuk Faiveley GmbH
Publication of EP0845400A2 publication Critical patent/EP0845400A2/de
Publication of EP0845400A3 publication Critical patent/EP0845400A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61D—BODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • B61D27/00—Heating, cooling, ventilating, or air-conditioning
    • B61D27/0009—Means for controlling or equalizing air pressure shocks in trains, e.g. when passing or crossing in tunnels

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for pressure-protected Ventilation of high-speed trains.
  • the invention includes a combined system consisting of the components connected in series Throttle valve and fan, which are coordinated depending on each other be controlled by external pressure surges so that the internal pressure in the Vehicle does not exceed permissible limits, always sufficient Air supply is guaranteed.
  • the carriages of high-speed trains with their ventilation systems must be designed to be pressurized in order to protect passengers from the pressure surges that are painful to the middle ear. While the manufacture of pressure-tight car bodies, including the doors, windows, transitions, etc., is to be regarded as a static problem and essentially solved, this is not so generally true for the ventilation system and for pressure surges of the dynamic system in operation.
  • the simplest solution for ventilation systems is to close the air intake openings in the event of a pressure surge that exceeds the limit values by means of quick-closing flaps or valves, which are controlled by sensors in the train or wagon or by external train influences.
  • a second so-called high-pressure fan is arranged in connection with an adapted throttle both on the fresh air and on the exhaust air side, which can be used by personnel or by pressure-sensitive routes on demand external signals are switched on (Klingel, R. Printer-ready passenger coaches for new lines "in ZEV-Gls. Ann. 112 (1988), 1, pp. 10-18.)
  • a continuous fresh air supply is advantageously achieved, but with the decisive disadvantage of a high drive power for these additional fans, which can be found under Circumstances may have to be in operation for long periods of time, even if there are only a few short-term pressure surges.
  • a further disadvantage is the fresh air supply to the compartment, which is more or less changed depending on the external pressure event, because at high overpressure or underpressure waves a multiple of the normal amount of air would be penetrated through the interior of the car, whereby the well-being of the passengers is disturbed by sudden drafts.
  • this additional amount of air also has to be cooled or heated, which brings further complications. It is also unknown whether this system has ever been implemented.
  • the pressure changes in the abbey are regulated by actuating flap actuators on both sides (fresh and exhaust air side).
  • the GM 295 10 523.2 shows a solution to all of these avoids disadvantages mentioned so far by using unregulated fans Steeper characteristic curve as a supply fan with supporting circulating fans of any design can be used advantageously.
  • Steeper characteristic curve as a supply fan with supporting circulating fans of any design can be used advantageously.
  • an almost constant air volume regardless of the external pressure events in the and conveyed out of the car, which also ensures constant pressure in the car is secured.
  • the conditions for a steep characteristic with good energetic efficiency fan preferably are the rotary lobe or vane blower, a larger mass than that Have usual radial fans and a lot of effort to reduce noise require.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for pressure-protected Ventilation of high-speed trains to introduce which the disadvantages of the above Avoids solutions and especially the advantages of the two solutions described now, i.e. Compliance with permissible pressure tolerances in the car while guaranteeing the required fresh air supply for any external pressure events.
  • the invention accordingly includes a method for pressure-protected ventilation of high-speed trains, wherein the fresh air is sucked in by a fresh air fan via a fresh air opening and an inlet throttle and is directed into the interior of the car via an air treatment device and the same amount of air as exhaust air from an exhaust fan via an exhaust air throttle to one Exhaust opening is directed.
  • pressure protection i.e.
  • the pressurized ventilation system thus consists of a fresh air side and an exhaust air side, a circulating air delivery system, a pressure detection and evaluation unit, including controller, and usually an air treatment device for cooling, dehumidifying and heating purposes or part of these functions.
  • the fresh air side consists of the fresh air throttle valve and the fresh air fan
  • the exhaust air side consists of the exhaust air fan and the exhaust air throttle valve.
  • Both fans and both throttle valves contain the respective actuators.
  • the circulating air conveyor system consists of the circulating fan with its duct system, which is adapted to the conveying conditions. The inclusion of air circulation in the regulation is generally not necessary.
  • the method according to the invention is implemented by controlling the fans and throttle valves according to values programmed into the controller on the basis of their respective delivery and throttle characteristics, depending on the sign and size of the pressure or the rate of pressure change.
  • the fans can be of a radial or axial type. Their flow rate changes significantly with pressure and speed. Frequency-adjustable three-phase drives or electronically commutated direct-current drives are preferred as drive elements for the fans because of the need to change the speed quickly.
  • the following functions can be implemented in the event of pressure protection:
  • the throttle and speed states should be regulated independently of the external pressure conditions so that a constant air flow is always conveyed through the car.
  • this airflow may deviate from the normal value. Its lower limit is usually derived from the permissible CO 2 level in the car as a measure of air quality.
  • the increased outside pressure must be throttled down by the inlet throttle to the extent that the pressure is available at the fan inlet that is required to deliver the amount of air into the car at normal outside pressure that is intended for pressure protection operation. It is not necessary to change the speed of the fresh fan.
  • the flow equation applies to the required throttle position V ⁇ ⁇ A ( ⁇ p) 0.5 . If a constant value is to be achieved for the flow rate, the ratio of equivalent nozzle area ⁇ A must be changed inversely proportional to the root of the pressure difference ( ⁇ p) 0.5 .
  • the pressure detection and evaluation unit processes this function and triggers the corresponding control command depending on the external pressure and the specified amount of air to the actuator of the throttle body. This ensures that the inflow condition results in a constant internal pressure from the fresh air side.
  • the exhaust air side must be regulated in such a way that the specified flow rate for fresh air is also pumped back into the environment regardless of the external pressure. This can only be achieved by increasing the speed of the exhaust fan.
  • the dependency relationship is the equation of similarity for turbomachines, according to which the delivery pressure changes with the square of the speed, ie p 1 / p 2nd ⁇ (n 1 / n 2nd ) 2nd .
  • the intersection with the system characteristic curve must be sought, which gives the required flow rate.
  • a sensor control can be dispensed with once you have determined the fan map and recorded the pressure-speed characteristic for the flow to be kept constant. Finally, you get a fixed relationship for the entire system between the external pressure throttle position on the inlet side (fresh air side) and the speed of the exhaust air fan.
  • a second solution which is just as energetically favorable, results if two parallel ones Inlet fans are provided in the system, which with cooling capacities, such as They are generally required in railway air conditioning systems because of this associated better loading of the heat exchangers mostly the Case is. Then the single-stage can be switched by switching a flap system Parallel connection can be brought into a two-stage series connection.
  • This solution is advantageous in that under otherwise identical conditions the speed is not increased by a factor of 3, but only by a substantial 2 what has to become has a favorable effect on the sound power level.
  • the fresh or outside air drawn in by the fresh air fan 3 passes through the fresh air opening 1 and the inlet throttle 2 to the fan 3 and from there through the air treatment device 4 into the interior 5 of the vehicle.
  • the exhaust air fan 6 sucks the same amount of air that the fresh fan 3 conveys into the car, and conveys it via the throttle 7 to the outlet opening 8.
  • the circulating air is carried out separately from the fresh and exhaust air conveying by means of the circulating fan 10. Both air flows are combined again in the air handler.
  • the circulating fan sucks the circulating air out of the car via channel 11 and conveys it back into the car via channel 12 and air handler 4.
  • the fresh air volume should be able to be reduced to the value V. 33 , ie the fresh fan 3 must run at point 33 on its characteristic curve 21 with unchanged speed.
  • the inlet throttle 2 In order for an intersection with the system characteristic to occur there, the inlet throttle 2 must be closed to such an extent that the system characteristic 32 is created. Its zero point is shifted downwards by the value of the overpressure wave ⁇ p 34 .
  • the exhaust fan must deliver the same flow rate V. 33 against the excess pressure ⁇ p 43 , which is composed of the system pressure ⁇ p 25 and the pressure of the pressure surge ⁇ p 34 .
  • the fan speed must be increased to such an extent that the fan on the fan characteristic 41 reaches the intersection 43 with the fictitious system characteristic 42.
  • both fans deliver the same air flow both in and out of the car. Deviations will occur within the scope of the technical tolerances, which are generally negligible. With an average car volume of 175m 3 and an extreme pressure surge duration of approx. 10 seconds. For example, a 20% difference in delivery on both sides will result in a maximum deviation of the pressure inside the car of 30% of the permissible deviation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur druckgeschützten Belüftung von Hochgeschwindigkeitszügen. Die Erfindung umfaßt ein kombiniertes System, bestehend aus den in Reihe geschalteten Komponenten Drosselklappe und Lüfter, die abgestimmt aufeinander in Abhängigkeit von äußeren Druckstößen so gesteuert werden, daß der Innendruck im Fahrzeug in zulässigen Grenzen bleibt, wobei immer eine ausreichende Luftzufuhr gewährleistet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur druckgeschützten Belüftung von Hochgeschwindigkeitszügen. Die Erfindung umfaßt ein kombiniertes System, bestehend aus den in Reihe geschalteten Komponenten Drosselklappe und Lüfter, die abgestimmt aufeinander in Abhängigkeit von äußeren Druckstößen so gesteuert werden, daß der Innendruck im Fahrzeug zulässige Grenzen nicht überschreitet, wobei immer eine ausreichende Luftzufuhr gewährleistet ist.
Die Wagen von Hochgeschwindigkeitszügen mit Ihren Lüftungssystemen müssen druckertüchtigt ausgeführt werden, um die Fahrgäste vor den auf das Mittelohr schmerzhaft wirkenden Druckstößen zu schützen. Während die Herstellung druckdichter Wagenkästen einschl. der Türen, Fenster, Übergänge usw. als statisches Problem zu betrachten und im wesentlichen gelöst ist, trifft dies für das Lüftungssystem als auch bei Druckstößen des im Betrieb befindlichem dynamischen System nicht so allgemein zu. Die einfachste Lösung für Lüftungssysteme besteht darin, die Luftansaugöffnungen im Falle eines die Grenzwerte überschreitenden Druckstoßes durch schnellschließende Klappen oder Ventile zu schließen, wobei die Ansteuerung durch Sensoren im Zug oder Wagen bzw. durch äußere Zugbeeinflussung erfolgt. Diese Systeme sind ziemlich perfekt entwickelt und gut funktionsfähig, haben aber den entscheidenen Nachteil, daß in Zeiten der hergestellten Druckstoßdichthalt des Lüftungssystems die Frischluftzufuhr zum Wagen vollständig unterbrochen ist. Bei Hochgeschwindigkeitsstrecken mit vielen Druckstoßereignissen durch Tunnel, Zugbegegnungen o.e. führt dieser Zustand sehr schnell zu einer zu schlechten Luftqualität im Fahrgastraum, zumal Hochgeschwindigkeitszüge meist sehr gut besetzt sind. Deshalb wurde und wird bei Neubauten von solchen Zügen die Aufgabe gestellt, ein Druckschutzsystem zu installieren, welches druckertüchtigt ist, d.h. das die Luftzufuhr nicht unterbricht und trotzdem die negativen Auswirkungen des Druckstoßes auf das Wohlbefinden der Passagiere unterbindet. Zur Bewältigung dieses Problems sind eine Reihe von Lösungen bekannt geworden. Eine Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß in Reihenschaltung zum Lüfter des normalen Lüftungs- bzw. Klimatisierungssystems sowohl auf der Frischluftals auch auf der Fortluftseite jeweils ein zweiter sogenannter Hochdrucklüfter in Verbindung mit einer angepassten Drossel angeordnet ist, der bei Bedarf auf druckstoßgefährdeten Strecken vom Personal oder durch äußere Signale zugeschaltet wird (Klingel, R.
Figure 00020001
Druckertüchtigte Reisezugwagen für Neubaustrecken" in ZEV-Gls. Ann. 112(1988), 1, S.10-18.) Mit dieser Lösung wird vorteilhaft eine kontinuierliche Frischluftzufuhr erreicht, allerdings mit dem entscheidenen Nachteil einer hohen Antriebsleistung für diese Zusatzlüfter, die unter Umständen über lange Zeiträume in Betrieb sein müssen, auch wenn nur wenige kurzzeitige Druckstöße vorkommen. Weitere Nachteile sind die zusätzliche Masse, das große Bauvolumen und der hohe Schalldämmaufwand gegen den hohen Geräuschpegel dieser Hochdrucklüfter. Eine andere Lösung nach DE 3 801 891 vermeidet vorteilhaft die zusätzlichen Hochdrucklüfter, indem die normale Zulüfter mit Hochdruckcharakteristik ausgeführt sind und auf der Frisch- und Fortluftseite so aufeinander abgestimmt drehzahlgesteuert werden, daß die Druckänderung innerhalb des Wagens die zulässigen Werte nicht überschreitet. Dieses System birgt aber die Nachteile des beschriebenen zusätzlichen Hochdrucklüftersystems, wenn auch in etwas abgeminderter Weise in sich. Weiterhin ist in Folge der Trägheit der Lüfterlaufräder zu erwarten, daß die Stellgeschwindigkeit nicht ausreicht, um die im Bruchteil von Sekunden stattfindenden Druckereignisse auszusteuern, d.h. man muß mit einem unvollkommenden Schutz der Fahrgäste vor Druckereignissen rechnen. Ein weiterer Nachteil ist die je nach äußerem Druckereigniss mehr oder weniger veränderte Frischluftzufuhr zum Abteil, denn bei hohen Über- bzw. Unterdruckwellen würde ein vielfaches der normalen Luftmenge durch das Wageninnere durchgesetzt werden, wodurch das Wohlbefinden der Passagiere durch plötzliche Zuglufterscheinungen gestört wird. Bei klimatisierten Wagen, und das ist im Hochgeschwindigkeitsverkehr nicht anders möglich, muß diese zusätzliche Luftmenge auch zusätzlich gekühlt oder geheizt werden, was weitere Komplikationen mit sich bringt. Es ist auch nicht bekannt, ob dieses System jemals verwirklicht worden ist.
In einer weiteren Lösung nach EP 0 579 536 wird die Ausregelung der Druckänderungen im Abtei durch Betätigung von Klappenstellgliedern auf beiden Seiten (Frisch- und Fortluftseite) realisiert. Dadurch werden die Nachteile der beschriebenen Hochdrucklüftersysteme vermieden, jedoch treten bei hohen Druckstößen bis auf null reduzierte Luftdurchsätze auf, was eben meist nicht zulässig ist. Eine diesem nahekommende Lösung ist in japanischen Hochgeschwindigkeitszügen ausgeführt, funktioniert aber nur deshalb, weil die Frisch- und Fortlüfter mit der nachteiligen Hochdrucklüftercharakteristik ausgeführt sind bzw. weil die Luftmengenbegrenzungen nach oben oder unten nicht existieren.
Die Lösung nach EP 0 700 818 mit getrennter Luftversorgung für Normal- bzw. Druckschutzbetrieb vermeidet die wesentlichen Nachteile der oben beschriebenen Ausführungen, wobei der wesentliche Vorteil in der ereigniskonkreten Ansteuerung in Verbindung mit energieeffektiven Lüftern mit steiler Kennlinie besteht. Als Nachteil bleibt der zusätzliche Aufwand für das zusätzliche Lüftungssystem im Druckschutzfall.
Schließlich ist im GM 295 10 523.2 eine Lösung aufgezeigt, die alle diese bisher genannten Nachteile vermeidet, indem ungeregelte Lüfter mit sehr steiler Kennlinie als Zulüfter mit unterstützenden Umlüftern beliebiger Ausführung vorteilhaft angewendet werden. Mit dieser Lösung wird eine nahezu konstante Luftmenge unabhängig von den äußeren Druckereignissen in den und aus dem Wagen gefördert, wodurch auch die Druckkonstanz im Wagen gesichert wird. Als einziger, aber sehr wesentlicher Nachteil hat sich dabei herausgestellt, daß die für die Bedingung einer steilen Kennlinie bei gutem energetischem Wirkungsgrad in Frage kommenden Lüfter, vorzugsweise sind das Drehkolben- bzw. Flügelzellengebläse, eine größere Masse als die üblichen Radiallüfter aufweisen und einen hohen Aufwand zur Schallsenkung erfordern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur druckgeschützten Belüftung von Hochgeschwindigkeitszügen vorzustellen, welches die Nachteile der o.g. Lösungen vermeidet und insbesondere die Vorteile der beiden Ietztbeschriebenen Lösungen beibehält, d.h. Einhaltung der zulässigen Drucktoleranzen im Wagen bei gleichzeitiger Gewährleistung der erforderlichen Frischluftversorgung bei beliebigen äußeren Druckereignissen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Ansprüche 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen enthalten.
Die Erfindung beinhaltet demgemäß ein Verfahren zur druckgeschützten Belüftung von Hochgeschwindigkeitszügen, wobei von einem Frischluftlüfter die Frischluft über eine Frischluftöffnung und eine Eintrittsdrossel angesaugt wird und über ein Luftbehandlungsgerät in das Wageninnere geleitet wird und die gleiche Menge Luft als Fortluft von einem Fortlüfter über eine Fortluftdrossel zu einer Auslaßöffnung geleitet wird. Im Druckschutzfall, d.h. bei Auftreten einer Druckwelle mit Drücken und Druckänderungsgeschwindigkeiten, wird über einen Regler, bestehend aus Drucksensoren und Druckauswerteinheit, in Abhängigkeit vom Außendruck und seiner Änderungsgeschwindigkeit, die Querschnitte der Drosselklappen und die Drehzahlen der Lüfter entsprechend ihrer Charakteristik verstellt, wobei der Wageninnendruck in den vorgegebenen Grenzen bleibt und die erforderliche Luftmenge unabhängig von den jeweils herrschenden Druckbedingungen gleichbleibend gefördert wird. Das druckertüchtigte Lüftungssystem besteht also aus einer Frischluftseite und einer Fortluftseite, einem Umluftfördersystem, einer Druckerkennungs- und auswerteinheit, einschl. Regler sowie zumeist einem Luftbehandlungsgerät für Kühl-, Entfeuchtungs- und Heizzwecke oder einem Teil dieser Funktionen. Die Frischluftseite besteht aus der Frischluftdrosselklappe und dem Frischluftlüfter, die Fortluftseite aus dem Fortluftlüfter und der Fortluftdrosselklappe. Beide Lüfter und beide Drosselklappen beinhalten die jeweiligen Stellglieder. Das Umluftfördersystem besteht aus dem an die Förderbedingungen angepassten Umlüfter mit seinem Kanalsystem. Die Einbeziehung der Umluftförderung in die Regelung ist im Allgemeinen nicht erforderlich. Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die Ansteuerung der Lüfter und Drosselklappen nach fest in den Regler einprogrammierten Werten auf der Basis Ihrer jeweiligen Förder- und Drosselcharakteristik in Abhängigkeit von Vorzeichen und Größe des Druckes oder der Druckänderungsgeschwindigkeit realisiert. Die Lüfter können von radialer oder axialer Bauart sein. Deren Förderstrom ändert sich wesentlich mit Druck und Drehzahl. Als Antriebsorgane für die Lüfter sind wegen der Notwendigkeit der schnellen Veränderung der Drehzahl vorzugsweise frequenzverstellbare Drehstromantriebe oder elektronisch kommutierter Gleichstromantriebe geeignet. Im Druckschutzfall sind folgende Funktionen realisierbar:
1. Überdruckwelle, d.h. Druckstoß mit positivem Vorzeichen
Bei einem äußeren Überdruck am Frischlufteintritt und am Fortluftaustritt, der den zulässigen Grenzwert überschreitet, wird der Betriebszustand des Luftfördersystems gestört, falls keine Vorkehrungen dagegen getroffen werden. Auf der Frischluftseite wirkt der höhere Außendruck unterstützend für den Lüfter und die in den Wagen gelangende Luftmenge nimmt zu, d.h. der Luftinhalt des Wagens und damit der Wageninnendruck steigen an. Dieser Effekt wird noch über die Vorgänge auf der Fortluftseite verstärkt, indem der Fortlüfter gegen einen höheren Druck fördern muß, dadurch seine Fördermenge abnimmt und beim Überschreiten seines maximal möglichen Förderdrucks sogar durch die Fortluftseite zusätzlich Außenluft in den Wagen gedrückt wird. Dadurch würde im Grenzfall der Innendruck bis auf den Spitzenwert des äußeren Druckstoßes ansteigen, was wegen der nachteiligen Auswirkungen auf das Befinden der Reisenden unzulässig ist. Um diesen Zustand zu verhindern, müssen die Effekte einerseits der Durchflußreduzierung auf der Frischlufteintrittsseite durch Drosselung und andererseits der Fördermengensteigerung auf der Fortluftseite durch Drehzahlerhöhung des Lüfters wirksam werden. Dabei sind im angestrebten Idealfall unabhängig von den äußeren Druckzuständen die Drossel- und Drehzahlzustände so einzuregulieren, daR stets ein gleichbleibender Luftstrom durch den Wagen gefördert wird. Dieser Luftstrom darf vom Normalwert allerdings abweichen. Gewöhnlich ist seine untere Grenze aus dem zulässigen CO2-Spiegel im Wagen als Maßstab für die Luftqualität abgeleitet. Der erhöhte Außendruck muß durch die Einlaßdrossel soweit abgedrosselt werden, daß am Lüftereintritt derjenige Druck zur Verfügung steht, der erforderlich ist, um beim normalen Außendruck die Luftmenge in den Wagen zu fördern, die für Druckschutzbetrieb vorgesehen ist. Eine Drehzahländerung des Frischlüfters ist nicht erforderlich. Für die erforderliche Drosselstellung gilt die Durchflußgleichung V ∼ α A (Δp)0,5 . Wenn für die Durchflußmenge ein gleichbleibender Wert erreicht werden soll, muß das Verhältnis von äquivalenter Düsenfläche α A umgekehrt proportional zur Wurzel aus dem Druckunterschied (Δp)0,5 geändert werden. Die Druckerkennungs- und -auswerteinheit verarbeitet diese Funktion und löst den entsprechenden Stellbefehl abhängig vom Außendruck und der vorgegebenen Luftmenge an das Stellglied des Drosselorgans aus. Damit ist gewährleistet, daß von der Frischluftseite aus die Zuströmbedingung einen konstanten Innendruck ergibt.
Die Fortluftseite muß so geregelt werden, daß ebenfalls die festgelegte Fördermenge für die Frischluft unabhängig vom Außendruck wieder in die Umgebung gefördert wird. Das kann nur durch die Drehzahlsteigerung des Fortluftlüfters erreicht werden. Als Abhängigkeitsbeziehung gilt die Ähnlichkeitsgleichung für Strömungsmaschinen, nach der sich der Förderdruck mit dem Quadrat der Drehzahl ändert, d.h. p1/p2 ∼ (n1/n2)2 . Es ist zu jeder Druck-Drehzahl-Kennlinie des Lüfters der Schnittpunkt mit der Anlagenkennlinie zu suchen, der den erforderlichen Förderstrom ergibt. Auf eine Sensorsteuerung kann dabei verzichtet werden, wenn man sich einmal das Lüfterkennfeld ermittelt und die Druck-Drehzahl-Kennlinie für den gleichzuhaltenden Förderstrom aufgenommen hat. Schließlich bekommt man dann für das gesamte System einen festen Zusammenhang zwischen Außendruckdrosselstellung auf der Einlaßseite (Frischluftseite) und Drehzahl des Fortluftlüfters.
2. Unterdruckwelle, d.h. Druckstoß mit negativem Vorzeichen
Im Fall einer Unterdruckwelle muß die gesamte Funktion des Druckschutzsystems reglungstechnisch umgekehrt werden. Auf der Frischluftseite erfolgt die Einregulierung des für den Druckschutzfall vorgeschriebenen Förderstromes mittels Drehzahlsteigerung des Lüfters und für die Fortluftseite mittels Drosselung des Fortluftstromes. Ansonsten gelten prinzipiell die gleichen Bedingungen wie sie für die Überdruckwelle beschrieben wurden.
3. Unter- bzw. Überdruckwelle außerhalb des Regelbereiches
Nach der Druck-, Drehzahl-, Beziehung würde man bei praktisch vorstellbarer Verdreifachung der Nenndrehzahl einen 9 fachen Förderdruck erreichen können. Dies reicht für den überwiegenden Teil der Druckschutzfälle aus. Sollte doch der Wert überschritten werden, muß man die Drosselklappen ganz schließen, was für die Luftqualitätsproblematik zwar prinzipiell nachteilig, wegen der Seltenheit des Auftretens, aber ohne Belang ist. Von größerem Nachteil ist bei diesem Verfahren die ebenfalls mit der zweiten Potenz steigende Leistungsaufnahme der Lüfter, was bei der Dimensionierung des Antriebsystems zu berücksichtigen ist. Die Leistungsaufnahme steigt, wenn die Anlagenkennlinie unverändert bleibt mit der dritten Potenz. Da aber auf gleichbleibende oder reduzierte Luftmengen gedrosselt wird, bleibt die zweite Potenz ggf. verringert um den Absenkungsgrad der Druckschutzluftmenge gegenüber der Normalluftmenge. Wenn die Luftmenge auf den halben Wert reduziert werden darf, was unter Berücksichtigung des Luftqualitätsgrenzwertes allgemein zugestanden wird, ergibt das einen Leistungssteigerungsfaktor von 4,5. Wegen der Kurzzeitigkeit der Wirkung der Druckstöße brauchen dann die Motoren nur geringfügig überdimensioniert zu werden. Wichtiges Auslegungskriterium für die Motoren ist aber die Bedingung des Nichterreichens des Kippmomentes.
Eine zweite energetisch ebenso günstige Lösung ergibt sich, wenn zwei parallele Zulüfter in der Anlage vorgesehen sind, was bei Kälteleistungen, wie sie in Bahnklimaanlagen im Allgemeinen erforderlich sind, wegen der damit verbundenen besseren Beaufschlagung der Wärmeübertrager meistens der Fall ist. Dann kann durch Umschaltung eines Klappensystems die einstufige Parallelschaltung in eine zweistufige Reihenschaltung gebracht werden. Vorteilhaft ist diese Lösung dadurch, daß unter sonst gleichen Bedingungen die Drehzahl nicht um den Faktor 3 sondern nur um reichlich 2 gesteigert werden muß, was sich u.a. auf den Schallleistungspegel günstig auswirkt.
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben werden.
In der Zeichnung zeigen die
Figur 1:
Ein Funktionsschema eines druckertüchtigten Lüftungssystems für die Lösung mit einstufigen Lüftern auf der Frisch- und Fortluftseite.
Figur 2:
Den Kennlinienverlauf für Drossel und Lüfter für verschiedene Druckzustände, dargestellt am Beispiel der Frisch- und Fortluftförderung bei einer Überdruckwelle.
Im Lüftungssystem nach Figur 1 gelangt bei Normalbetrieb ohne Druckstoßereignis die vom Frischluftlüfter 3 angesaugte Frisch- bzw. Außenluft durch die Frischluftöffnung 1 und die Eintrittsdrossel 2 zum Lüfter 3 und von dort durch das Luftbehandlungsgerät 4 in das Wageninnere 5. Auf der Fortluftseite saugt der Fortluftlüfter 6 die gleiche Menge Luft, die der Frischlüfter 3 in den Wagen fördert, wieder ab und fördert diese über die Drossel 7 zur Auslaßöffnung 8. Die Umluftförderung erfolgt getrennt von der Frisch- und Fortluftförderung mittels des Umlüfters 10. Im Luftbehandler werden beide Luftströme wieder vereinigt. Der Umlüfter saugt die Umluft über den Kanal 11 aus dem Wagen ab und fördert sie über den Kanal 12 und den Luftbehandler 4 in den Wagen zurück. Im Druckschutzfall, d.h. bei Auftreten einer Druckwelle mit Drücken und Druckänderungsgeschwindigkeiten, die ohne Schutzmaßnahmen nicht mehr zulässig sind, erkennt dies die Druckerkennungs- und -regelungseinheit 9 und steuert die Drosseln 2 und 7 sowie die Lüfter 3 und 6 entsprechend ihrer Charakteristik, so daß die für den Druckschutzbetrieb vorgesehene Luftmenge V.33 sowohl in den Wagen hinein als auch aus dem Wagen heraus gefördert werden.
In der Kennliniendarstellung nach Figur 2 wird das verdeutlicht. Im Normal-betrieb bestimmt der Schnittpunkt 23 der Lüfterkennlinie 21 mit der Anlagenkennlinie 22 den sich einstellenden Arbeitspunkt. Der Frischluftvolumenstrom V.23 stellt sich beim Förderdruck Δp23 ein. Im Wageninneren herrscht dabei Umgebungsdruck oder ein geringfügiger Überdruck, was aber für die weitere Erläuterung belanglos ist. Für den Fall der Überdruckwelle mit einem Wert Δp34 soll beispielsweise das Frischluftvolumen auf den Wert V.33 reduziert werden können, d.h. der Frischlüfter 3 muß mit unveränderter Drehzahl auf seiner Kennlinie 21 in den Punkt 33 laufen. Damit dort ein Schnittpunkt mit der Anlagenkennlinie entsteht, muß die Eintrittsdrossel 2 soweit geschlossen werden, daß die Anlagenkennlinie 32 entsteht. Deren Null-Punkt ist dabei um den Wert der Überdruckwelle Δp34 nach unten verschoben. Der Fortlüfter muß den gleichen Förderstrom V.33 gegen den Überdruck Δp43 fördern, der sich aus dem Anlagendruck Δp25 und dem Druck des Druckstoßes Δp34 zusammensetzt. Dazu muß die Lüfterdrehzahl soweit gesteigert werden, daß der Fortlüfter auf der Lüfterkennlinie 41 den Schnittpunkt 43 mit der fiktiven Anlagenkennlinie 42 erreicht. Mit diesen Einstellungen fördern beide Lüfter den gleichen Luftstrom sowohl in den Wagen hinein als auch aus dem Wagen heraus. Im Rahmen der technischen Toleranzen werden Abweichungen auftreten, die im Allgemeinen vernachlässigbar sind. Bei einem durchschnittlichen Wagenvolumen von 175m3 und einer extremen Druckstoßdauer von ca. 10 sek. wird z.B. ein Förderunterschied auf beiden Seiten von 20% zu einer höchsten Abweichung des Druckes im Wageninneren von 30% der zulässigen Abweichung führen. Bei einer Unterdruckwelle funktioniert das System bezüglich Frischluft und Fortluft umgekehrt, d.h. die Drehzahl des Frischlüfters muß entsprechend gesteigert werden, um den höheren Förderdruck zu erreichen und die Drossel auf der Fortluftseite muß in Richtung Schließen" verstellt werden, um einen zu großen Luftverlust zu verhindern.

Claims (7)

  1. Verfahren zur druckgeschützten Belüftung von Hochgeschwindigkeitszügen, wobei von einem Frischluftlüfter die Frischluft über eine Frischluftöffnung und eine Eintrittsdrossel angesaugt wird und über ein Luftbehandlungsgerät in das Wageninnere geleitet wird und die gleiche Menge Luft als Fortluft von einem Fortlüfter über eine Fortluftdrossel zu einer Auslaßöffnung gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, daß
    über einen Regler, bestehend aus Drucksensoren und Druckauswerteeinheit, in Abhängigkeit vom Außendruck in seiner Änderungsgeschwindigkeit die Querschnitte der Drosselklappen und die Drehzahlen der Lüfter entsprechend ihrer Charakteristik verstellt werden, wobei der Wageninnendruck in den vorgegebenen Grenzen bleibt und die erforderliche Luftmenge unabhängig von den jeweils herrschenden Druckbedingungen nahezu gleichbleibend gefördert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
    die erforderliche Mindestluftmenge vom Regler in Abhängigkeit von der Luftqualität erkannt und eingeregelt wird.
  3. Verfahren nach einem der o.g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
    die für Normalbetrieb und für Druckschutzbetrieb verschieden festgelegten Werte der Luftqualität vom Regler durch verschiedene Luftmengen eingeregelt werden.
  4. Verfahren nach einem der o.g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
    bei mehreren parallel geschalteten Lüftern für die Frischluftversorgung im Normalbetrieb diese im Druckschutzfall in Reihe geschaltet werden.
  5. Verfahren nach einem der o.g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
    bei sehr hohen Druckstößen, die sich durch Steigerung der Lüfterdrehzahl nicht mehr ausregeln lassen, die Drosselklappen auf beiden Seiten vollkommen geschlossen werden.
  6. Verfahren nach einem der o.g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
    als Antriebsorgan für die drehzahlverstellbaren Lüfter frequenzverstellbare Drehstrommotoren oder elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren eingesetzt werden.
  7. Druckertüchtigtes Lüftungssystem für Hochgeschwindigkeitszüge für Frisch- und Fortluftseite, bestehend aus den auf beiden Seiten in Reihe geschalteten Komponenten Drosselklappe und Lüfter, Drucksensoren und Druckauswerteinheit als Regler, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Drosselklappen (2,7) sowie die Lüfter (3,6) mit ihren Antriebsmotoren im Regelkreis eine Charakteristik mit geringen Zeitkonstanten aufweisen und Drosselklappenstellung und Lüfterdrehzahl entsprechend ihrer Charakteristik aufeinander abgestimmt geregelt werden.
EP97118696A 1996-11-29 1997-10-28 Verfahren zur druckgeschützten Belüftung von Hochgeschwindigkeitszügen Withdrawn EP0845400A3 (de)

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