列車空調(diào)冷凝水為牽引箱散熱應(yīng)用分析

（上海地鐵維護(hù)保障有限公司車輛分公司，上海 200232）

2016年，上海地鐵7號(hào)線統(tǒng)計(jì)，在7、8、9三個(gè)高溫月，在正線列車運(yùn)營(yíng)中，共有29起牽引箱故障，平均幾乎三天一起牽引箱故障，而在1、2、3三個(gè)月中，一共只有5起牽引箱故障。說明溫度的升高是引起牽箱故障的最重要因素。

列車牽引箱是由風(fēng)機(jī)強(qiáng)制排風(fēng)散熱的，在高溫天牽引箱就會(huì)頻發(fā)故障，說明風(fēng)機(jī)為牽引箱散熱并不可靠，散熱能力并達(dá)不到要求。所以我們嘗試論證，使用低溫空調(diào)冷凝水為牽引箱散熱的可行性。

首先從利用空調(diào)冷凝水為列車牽引箱散熱的效果上論證。

1 空調(diào)冷凝水與空氣的散熱對(duì)比

查資料可知，水的換熱明顯強(qiáng)于空氣：空氣比熱容為1005kJ/kg℃，水的比熱容為4187kJ/kg℃。水的比熱容遠(yuǎn)大于空氣，當(dāng)水采用管道循環(huán)進(jìn)行散熱時(shí)，其散熱能力也大于空氣。

1．1 環(huán)境溫度對(duì)散熱的影響

牽引箱在風(fēng)冷的模式下，測(cè)試為：環(huán)境溫度20℃，箱內(nèi)溫度約為50℃，環(huán)境溫度32℃，箱內(nèi)溫度約為65℃。用二組數(shù)據(jù)做參考，其兩者溫差約為30℃。水的散熱能力大于風(fēng)冷散熱，冷凝水溫始終在20℃左右，其溫度不隨外溫改變。用這些條件估算出冷凝水與牽引箱內(nèi)溫度折線圖。

在環(huán)境溫度為32℃時(shí)，用圖1表作對(duì)比。

在圖1中：

T1時(shí)：列車牽引箱工作，冷凝水溫度20℃，牽引箱中的溫度為環(huán)境溫度32℃。

T2時(shí)：冷凝水與其回流水相互混合后溫度約為30℃，列車牽引箱升溫到約50℃。

圖1

T3到T4時(shí)：冷凝水與其回流水相互混合后溫度約為30℃，列車牽引箱溫度約50℃。兩者進(jìn)入穩(wěn)定工況模式。

牽引箱在風(fēng)冷的模式下，環(huán)境溫度32℃，實(shí)測(cè)箱內(nèi)溫度為65℃。

T1時(shí)：列車牽引箱工作，環(huán)境溫度32℃，牽引箱中的溫度也為環(huán)境溫度32℃。

T2時(shí)：空氣溫度32℃，列車牽引箱升溫到約55℃。T3到T4時(shí)：空氣溫度32℃，列車牽引箱內(nèi)溫度約65℃，牽引箱內(nèi)溫度穩(wěn)定在約65度。

小結(jié)：（1）由于是空調(diào)冷凝水，其不隨環(huán)境溫度升高而升高，在外溫越高，其散熱效果表現(xiàn)的越好，所以空調(diào)冷凝水為牽引箱散熱，不受環(huán)境溫度的影響。（2）用排風(fēng)散熱，對(duì)環(huán)境依賴大，在環(huán)境溫度低時(shí)，其表現(xiàn)的散熱效果好，但當(dāng)環(huán)境溫度越高時(shí)，其表現(xiàn)的散熱效果就越差。

1．2 冷凝水與風(fēng)機(jī)散熱對(duì)環(huán)境影響

使用冷凝水為牽引箱散熱，幾乎不會(huì)產(chǎn)生噪音，采用單水冷散熱，可以完全消除牽引箱散熱風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的120分貝噪音。

采用冷凝水與散熱風(fēng)機(jī)的低速模式相結(jié)合為牽引箱散熱，可以將噪音降為70分貝。這兩種模式約可有效減少列車正線運(yùn)營(yíng)時(shí)所產(chǎn)生的噪音。

2 空調(diào)冷凝水為牽引箱散熱的設(shè)計(jì)論證

下面從管道設(shè)計(jì)和電路控制的可行性進(jìn)行論證。

2．1 計(jì)算牽引箱內(nèi)熱量

式中，Qf為強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)所須提供的風(fēng)量（測(cè)量可知）；Q為設(shè)備產(chǎn)生的總熱量,W。1瓦特的功率工作1秒鐘等于1焦?fàn)?；Cp為空氣比熱，1005J/(kg·℃)；ρ為空氣密度，1.11（kg/m3）。△T為進(jìn)、出口處空氣的溫差。測(cè)量溫差約為30℃。

通過式（1）計(jì)算可以得出牽引箱在工作時(shí)產(chǎn)生的熱量Q。

2．2 計(jì)算得出用水量及所需管道尺寸

水在管道內(nèi)的散熱公式：

式中，V為流速，m/s；L為管長(zhǎng)，m；D為內(nèi)徑，m；Tm為管內(nèi)平均溫度，℃；Ti為水的入口溫度，℃；h為水的對(duì)流換熱系數(shù)，4500W/m2℃；a為水的密度，1000kg/m3；Cp為比熱容，4.187kJ/kg℃

已知：管內(nèi)平均溫度Tm=30℃，水的入口溫度Ti=20℃，設(shè)定：流速V=1.2m/s，內(nèi)徑D=0.005m。

通過式（2）用已知和設(shè)定的參數(shù)就可以計(jì)算出所需管道長(zhǎng)度，及用水量。

列車空調(diào)在高溫天，一臺(tái)機(jī)組在環(huán)境溫度32度，濕度45%時(shí)，實(shí)驗(yàn)一小時(shí)可產(chǎn)生5升20度的冷凝水。在實(shí)際管道設(shè)計(jì)中應(yīng)增加儲(chǔ)水箱，可以根據(jù)需要存儲(chǔ)水量。

2．3 管道結(jié)構(gòu)論證

表1

各元件的設(shè)計(jì)功能作用：

溢流管：排除空調(diào)工作時(shí)產(chǎn)生的過多的冷凝水。

過濾器：過濾水中雜質(zhì)，保證管道通暢。

水箱：存儲(chǔ)足夠的冷凝水，保證牽引箱散熱。

液位傳感器：監(jiān)控水箱中水位，給控制單元提供信號(hào)。

水泵：給管道中的水加壓，提高散熱效果。

溫度傳感器：監(jiān)控牽引箱內(nèi)溫度。

電磁閥：排除多余的回流水。

2．4 電路設(shè)計(jì)

根據(jù)管道的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)電路圖，控制冷凝水為牽引箱散熱。

圖3 控制電路圖

工作原理：

當(dāng)空調(diào)啟動(dòng)，x4信號(hào)輸入，PLC準(zhǔn)備工作。當(dāng)檢測(cè)到牽引箱內(nèi)溫度升高（牽引箱開始工作），傳感器合，x0信號(hào)輸入，且x1有信號(hào)輸入（水箱中有水）。只有在必備，水箱有水，空調(diào)工作，牽引箱工作，三個(gè)條件時(shí)，PLC輸出y0信號(hào)，水冷系統(tǒng)開始工作。

當(dāng)x3有信號(hào)輸入，表示水滿，PLC輸出y1信號(hào)，打開電磁閥，排放管道中的回流水，當(dāng)水箱中只1/2水時(shí)，x2信號(hào)輸入斷開，PLC控制排水電磁閥關(guān)閉。

3 結(jié)論總結(jié)

首先，空調(diào)冷凝水的溫度不隨環(huán)境溫度變化，特別在高溫天，冷凝水比空氣溫度低十幾度。水的熱容比是空氣的4倍，其散熱性更是氣體的幾十倍，用冷凝水替換風(fēng)機(jī)為牽引箱散熱降溫，完全可行。同時(shí)可以基本去除風(fēng)機(jī)對(duì)環(huán)境的噪音影響，減少列車運(yùn)行的噪音擾民。

在設(shè)計(jì)上，可通過測(cè)量原有風(fēng)機(jī)散熱系統(tǒng)的進(jìn)、出口溫度，及排風(fēng)量，得到牽引箱工作所產(chǎn)生的總熱量，再用總熱量來計(jì)算出所需的散熱管道大概數(shù)據(jù)及用水量，最后再根據(jù)要達(dá)到的降溫要求，實(shí)際測(cè)試就會(huì)得出準(zhǔn)確的管道直徑、長(zhǎng)度、水量等數(shù)據(jù)。

最后用電路圖驗(yàn)證，通過PLC控制器、溫度傳感器及多個(gè)液位傳感器、水泵、電磁閥等，就可以組成簡(jiǎn)單的控制回路，完成對(duì)冷凝水降溫循環(huán)系統(tǒng)的控制。

結(jié)論：牽引箱散熱，空調(diào)冷凝水比風(fēng)機(jī)排風(fēng)效果好。冷凝水替代風(fēng)機(jī)排風(fēng)為列車牽引箱散熱，在降溫散熱效果上完全可以達(dá)到要求，在電路控制上也完全可以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，減少了列車噪音，節(jié)約能原，循環(huán)利用了空調(diào)冷凝水。