和諧電力機車空調(diào)性能試驗臺設(shè)計研究

余先濤，孫美娟，孟立顯，金其順

(1．武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2．中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430071；3．中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司 科學(xué)技術(shù)研究所，湖北 武漢 430071)

近年來，隨著我國鐵路事業(yè)不斷發(fā)展，空調(diào)設(shè)備已成為鐵路列車中的重要組成部分，為了確?？照{(diào)機組運行狀態(tài)良好，鐵道部頒布“客車空調(diào)三機檢修及運用管理規(guī)程”規(guī)定，大中修期要對機組進(jìn)行全面的分解、檢修，并對檢修后空調(diào)機組的性能進(jìn)行檢驗[1]。目前許多前期投入使用的空調(diào)機組已進(jìn)入檢修期，因此，各鐵路檢修基地需要配備相應(yīng)的列車空調(diào)機組性能試驗設(shè)備來測試檢修后的空調(diào)機組性能。

目前已有一些相關(guān)空調(diào)性能試驗臺的設(shè)計[2-4]，大型空調(diào)器的制冷性能測試方法主要有房間熱平衡法和空氣焓差法。房間熱平衡法的測試過程最接近空調(diào)器的使用狀態(tài)，測試結(jié)果最為精確，但其投資大，達(dá)到試驗所需工況穩(wěn)定時間長，操作維護(hù)不便[5]?？諝忪什罘ɑ诳照{(diào)機組運行過程中實時確定制冷量或加熱量，它響應(yīng)速度更快，更簡單，成本更低，可以滿足生產(chǎn)要求。它是許多領(lǐng)域規(guī)定的常用測試方法之一，可廣泛應(yīng)用于空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)和部分技術(shù)部門[6]?？諝忪什罘y制冷量的過程中需要測量空氣的相關(guān)參數(shù)，包括干球溫度、濕球溫度及風(fēng)量，試驗結(jié)果產(chǎn)生的誤差主要與采用的測量儀表的誤差有關(guān)[7]。目前的檢測設(shè)備存在測試精度低，試驗運行中工況易受干擾，運行能耗大等問題。

筆者基于焓差法設(shè)計的空調(diào)機組性能檢測設(shè)備，測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，設(shè)備工況穩(wěn)定，可對空調(diào)機組的電參數(shù)、溫濕度、空氣壓力及流量等進(jìn)行全程跟蹤采集、記錄和存盤，試驗過程中可隨時打印、分析系統(tǒng)運行狀態(tài)。

1 空調(diào)機組性能檢測試驗原理

1.1 空氣焓差法的數(shù)學(xué)模型

空氣焓差法是一種測試空調(diào)器制冷、制熱能力的試驗方法，它對空調(diào)器的送風(fēng)參數(shù)、回風(fēng)參數(shù)以及循環(huán)風(fēng)量進(jìn)行測量，用測出的風(fēng)量與送風(fēng)、回風(fēng)焓差的乘積確定空調(diào)器的能量[8]。

采用焓差法測量制冷量，需要模擬空調(diào)機組在實際運行中的室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)空氣環(huán)境。在室內(nèi)側(cè)通過測量空調(diào)機組進(jìn)、出口氣流的干、濕球溫度和空氣流量來計算制冷量?？諝忪什罘y量制冷量的數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

式中：Q為機組制冷量；L0為室內(nèi)側(cè)空氣流量測量值；hn為室內(nèi)側(cè)送風(fēng)空氣焓值；hc為室內(nèi)側(cè)回風(fēng)空氣焓值；Vp為噴嘴處空氣比容；Xp為噴嘴處空氣含濕量。

空氣焓差法數(shù)學(xué)模型中的空氣焓值、空氣比容等不能在試驗中直接測量，而由直接測得的室內(nèi)側(cè)送風(fēng)干、濕球溫度，室內(nèi)側(cè)回風(fēng)干、濕球溫度，大氣壓，噴嘴前后壓差等參數(shù)經(jīng)過計算得到。從焓差法數(shù)學(xué)模型分析，影響焓差法測量空調(diào)制冷量誤差的來源主要是試驗過程中直接測得的參數(shù)精度，因此要提高空調(diào)性能試驗臺的測試精度，就得提高測試中溫度及風(fēng)量的相關(guān)測試精度。

1.2 試驗臺布置形式

根據(jù)《GB/T 19842-2005軌道車輛空調(diào)機組》中規(guī)定，試驗臺有3種布置形式，即房間式、風(fēng)洞式、環(huán)路式。這3種布置形式中，風(fēng)洞式布置的設(shè)備工況最穩(wěn)定，受環(huán)境影響最小，但是所需設(shè)備占地面積最大，試驗運行能耗最大；環(huán)路式布置方法相對簡便，工程造價低，試驗過程運行能耗小，房間式布置方式的特性居中[9]。

環(huán)路式空氣焓差法布置原理圖如圖1所示，環(huán)路式具有投資小、能耗低等優(yōu)點，被廣泛使用在鐵路列車檢修部門。筆者對環(huán)路式焓差法試驗臺存在的試驗工況易受到干擾，測量精度低等問題，分析影響焓差法測量制冷量精度的原因，提出優(yōu)化焓差模型各測量參數(shù)的方法，減小測量誤差，提高試驗臺工況的穩(wěn)定性。

圖1 環(huán)路式空氣焓差法布置原理圖

1.3 試驗臺工作原理

空調(diào)機組制冷量檢測采用室內(nèi)側(cè)空氣焓差法，通過測量空調(diào)機組蒸發(fā)器前后進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)的干球溫度與相對濕度和空氣流量來計算制冷量?？照{(diào)機組在試驗時，空氣循環(huán)模擬列車運用狀態(tài)?？照{(diào)機組室內(nèi)側(cè)的蒸發(fā)器從回風(fēng)口吸入空氣，經(jīng)過蒸發(fā)器降溫、去濕或加熱后送入試驗裝置主風(fēng)道測量系統(tǒng)，經(jīng)過空氣流量測量裝置后進(jìn)入室內(nèi)側(cè)風(fēng)路系統(tǒng)，在該風(fēng)路系統(tǒng)中有模擬旅客身體散熱和散濕狀態(tài)進(jìn)行電加熱、電加濕的設(shè)備，將空氣進(jìn)行加濕、升溫，當(dāng)達(dá)到規(guī)定的試驗工況參數(shù)值后，通過回風(fēng)道進(jìn)入到空調(diào)機組回風(fēng)口，形成往復(fù)連續(xù)循環(huán)?？照{(diào)機組室外側(cè)的冷凝風(fēng)機將空氣從冷凝進(jìn)風(fēng)口吸入，經(jīng)過冷凝器升溫后排出空調(diào)機組，排出的熱空氣經(jīng)過室外側(cè)空氣處理后重新被冷凝風(fēng)機吸入，室外側(cè)空氣循環(huán)模擬空調(diào)機組在大氣中的狀態(tài)。

2 空調(diào)機組性能試驗臺設(shè)計

根據(jù)《GB/T 19842-2005軌道車輛空調(diào)機組》、《TB/T 25858-2010精密空調(diào)機組性能試驗方法》規(guī)定的空調(diào)機組性能測試方法和檢測標(biāo)準(zhǔn)，空調(diào)性能檢測設(shè)備的設(shè)計主要包括室內(nèi)、室外試驗間的設(shè)計和設(shè)備的選型、布置。

2.1 室外側(cè)試驗間設(shè)計

室外側(cè)試驗間的主要作用是模擬空調(diào)機組冷凝器系統(tǒng)在夏季的工作條件，作為被試空調(diào)機組的試驗間，放置被試空調(diào)機組，創(chuàng)造出機組試驗時所需要的車廂外溫度條件。

因此在室外側(cè)試驗間內(nèi)安裝冷熱風(fēng)柜，冷熱風(fēng)柜里設(shè)置電加熱器與制冷壓縮機，可以模擬夏季35 ℃以上高溫環(huán)境條件。在外部氣溫較低的季節(jié)使用冷熱風(fēng)柜內(nèi)電加熱器來升高試驗間的環(huán)境溫度，以便于空調(diào)機組啟動。在外部氣溫較高，20 ℃以上時，可直接開啟被測試空調(diào)機組。當(dāng)溫度過高時，需要啟動冷熱風(fēng)柜中相應(yīng)數(shù)量的制冷壓縮機進(jìn)行降溫，進(jìn)行冷熱量平衡，最后使試驗間內(nèi)氣溫始終保持在35 ℃或規(guī)定的某一溫度值。

2.2 室內(nèi)側(cè)試驗間設(shè)計

室內(nèi)側(cè)試驗間的主要作用是放置主風(fēng)道測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)模擬空調(diào)機組蒸發(fā)器系統(tǒng)在夏季的工作條件，創(chuàng)造出機組試驗時所需要的車廂內(nèi)與車廂外空氣相互混合后的溫、濕度條件。在主風(fēng)道內(nèi)安裝溫濕度檢測取樣裝置、風(fēng)量測量裝置和風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置。

(1)干濕球溫度計設(shè)計。分析焓差法的數(shù)學(xué)模型可以看出，影響焓差法空調(diào)制冷量測量誤差的主要因素是由于風(fēng)量、吸入焓值及吐出焓值引起的。因此，要提高焓差法空調(diào)制冷量測量的精度，需要在設(shè)計中減小這3個參數(shù)引起的測量誤差。空氣焓值h由試驗中直接測得的干濕球溫度來計算得出，如式(2)所示。因此為了獲得精確的制冷量，需要提高室內(nèi)側(cè)吸入、吐出干濕球溫度的測量精度。本文采用的是PT100鉑電阻溫度傳感器，測量范圍為-200～600 ℃，可滿足試驗臺的測試需求。

h=1.01td+0.001X(2 500+1.84td)

(2)

(3)

φ=(ps(tw)-0.000 01(65+6.75)

(td-tw)101 325)/ps(td)

(4)

(5)

式中：h為空氣焓值；td為干球溫度；tw為濕球溫度；φ為相對濕度；X為含濕量；ps為水蒸氣飽和壓力；B為大氣壓力。

干濕球溫度計布置簡圖如圖2所示。兩只溫度傳感器放置在同一取樣風(fēng)口，其中一只用濕紗布包裹，測量濕球溫度。濕球溫度相比于干球溫度更難精確測量，紗布的材質(zhì)，浸潤紗布的水質(zhì)以及取樣風(fēng)速等都會影響測量精度。

圖2 干濕球溫度計布置簡圖

為了保證濕球溫度測量準(zhǔn)確，包裹溫度計的紗布要符合標(biāo)準(zhǔn)。濕球紗布選用柔軟、網(wǎng)格整齊的脫脂棉紗布，包裹時避免沾上油脂，油脂會影響紗布吸水[10]。紗布要包裹住溫度計探頭，浸潤紗布的水使用蒸餾水，避免水中雜質(zhì)在鉑電阻溫度計上結(jié)成水垢，增大導(dǎo)熱熱阻，會影響濕球溫度的測量精度。浸濕紗布的水源需要保證充足，為了避免頻繁打開取樣風(fēng)箱，采用自動補水裝置。

為了分析風(fēng)速對空氣濕球溫度的影響，模擬空調(diào)試驗臺風(fēng)速取樣箱，在空氣干球測量溫度分別為35 ℃、30 ℃和25 ℃環(huán)境下，經(jīng)過擬合不同取樣風(fēng)速所對應(yīng)的濕球溫度測試結(jié)果如圖3所示。

取樣風(fēng)速在1 m/s以內(nèi)時濕球溫度的變化幅度較大，測量結(jié)果不穩(wěn)定，因此測試結(jié)果取風(fēng)速在1～8 m/s內(nèi)濕球溫度的測量值來進(jìn)行分析。從圖3可知，風(fēng)速影響濕球紗布的濕熱交換，當(dāng)風(fēng)速過小時交換速率過慢，使測得的溫度值低于實際值，產(chǎn)生很大的誤差。當(dāng)風(fēng)速大于7 m/s時，溫度傳感器上包裹的濕紗布水分蒸發(fā)過快，測量溫度偏高。因此空調(diào)性能試驗過程中風(fēng)速調(diào)節(jié)器應(yīng)控制紗布周圍的風(fēng)速在5 m/s，所測得的濕球溫度比較穩(wěn)定精確。

圖3 風(fēng)速與濕球溫度的關(guān)系

(2)風(fēng)量測量裝置?？諝忪什罘ㄖ?，風(fēng)量的測量原理是通過測量噴嘴前后壓差，出風(fēng)空氣狀態(tài)，大氣壓力等參數(shù)來計算風(fēng)量的大小，計算公式為：

(6)

式中：Vp為噴嘴處空氣比容；ΔHP為噴嘴前空氣壓力差；Ap為噴嘴喉部面積；C為流量系數(shù)。

風(fēng)量測量裝置采用中華人民共和國鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測量方式之一畢托管來測量，通過畢托管可以測量出流過該斷面的空氣動壓，從而計算出空氣流量。風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置采用阻力風(fēng)閥進(jìn)行開度調(diào)節(jié)，達(dá)到風(fēng)量調(diào)節(jié)目的。畢托管前后安裝整流隔板，得氣流平穩(wěn)，使動壓差值測量更準(zhǔn)確。

(3)回風(fēng)管道及空氣處理箱。在回風(fēng)管內(nèi)及空氣處理箱中需要設(shè)置電加熱器、電加濕設(shè)備用于調(diào)節(jié)室內(nèi)側(cè)回風(fēng)的溫度和濕度條件，以便達(dá)到試驗所需要標(biāo)準(zhǔn)工況的溫濕度條件。為了更加準(zhǔn)確達(dá)到預(yù)定工況，加熱器和加濕器采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)的輸出端和輸入端設(shè)置反饋電路，控制原理如圖4所示，可自動調(diào)節(jié)加熱器和加濕器的功率，使試驗系統(tǒng)能快速達(dá)到預(yù)定工況，并自動維持，提高試驗的精度。

圖4 加熱加濕器自動控制原理

3 計算機測控系統(tǒng)構(gòu)成

計算機測控系統(tǒng)是為了提高試驗臺的自動化程度，把自動測試技術(shù)應(yīng)用到空調(diào)性能試驗臺的設(shè)計中，使試驗臺具有自動采集記錄數(shù)據(jù)、參數(shù)監(jiān)控和調(diào)節(jié)試驗臺環(huán)境工況的功能。本設(shè)計中為試驗臺設(shè)置電器控制間，控制間內(nèi)安裝計算機測量系統(tǒng)、電氣操作控制柜、電腦桌及顯示屏等。

計算機測量系統(tǒng)原理圖如圖5所示，由上位機、顯示器、激光打印機、溫度傳感器、壓差傳感器、電參數(shù)測量傳感變送器等組成，軟件采用Windows窗口和菜單式人機界面，試驗參數(shù)以表格形式顯示、存儲、查詢及打印輸出。試驗裝置被測參數(shù)以同信號源的方式在計算機和顯示器上同時顯示，便于操作者隨時觀察。

圖5 計算機測量系統(tǒng)原理圖

計算機測量系統(tǒng)通過溫度傳感器、壓差傳感器及電參數(shù)測量傳感變送器自動獲取相關(guān)參數(shù)，傳感器測得的模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊得到相應(yīng)物理量的數(shù)字信號，傳輸給計算機。計算機將采集到的信號按照要求做進(jìn)一步的處理，輸出顯示。試驗臺測控系統(tǒng)提高了空調(diào)機組性能測試自動化程度，系統(tǒng)自動采集記錄數(shù)據(jù)，具有計算處理及數(shù)據(jù)存儲、檢索、打印測試結(jié)果的功能。

4 結(jié)論

筆者基于焓差法測量空調(diào)制冷量設(shè)計出適用于大功率和諧機車空調(diào)機組性能檢測設(shè)備。綜合對焓差法測量制冷量誤差來源的分析，空調(diào)進(jìn)出口處干濕球溫度的測量是影響焓差法空調(diào)制冷量測量精度的關(guān)鍵，筆者詳細(xì)介紹了試驗臺中干濕球溫度計的布置及試驗過程中合適的取樣風(fēng)速。試驗臺的測控系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，試驗數(shù)據(jù)由計算機自動采集記錄，測量精度高。本試驗臺在使用過程中操作簡單，自動化程度高，試驗工況穩(wěn)定，測量精度高，可用于各型大功率和諧電力機車空調(diào)機組進(jìn)行性能試驗。