鐵路淋浴客車給水及淋浴系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉麗君,陳全雷，孫繼偉，盛文剛，張慧斌

(中車四方車輛有限公司，山東 青島 266111)

鐵路淋浴客車主要為遠(yuǎn)離城市和交通干線的野外施工和作業(yè)人員以及其他特殊人員提供一個(gè)健康、衛(wèi)生的休憩場(chǎng)所。根據(jù)用戶需要，鐵路淋浴客車可容納單次最多20人洗浴、總共40人洗浴，同時(shí)車上要設(shè)有衛(wèi)星電視系統(tǒng)、洗衣設(shè)備、衛(wèi)生設(shè)備等。

基于上述要求，本文主要設(shè)計(jì)一套適用于鐵路淋浴客車的給水及淋浴系統(tǒng)，并對(duì)其整車用水量、水箱容量、管路管徑、水泵選擇進(jìn)行計(jì)算，通過車下地面試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和符合性。

1 用水量、水箱容量、管路管徑計(jì)算

1.1 3種計(jì)算方法進(jìn)行小時(shí)耗熱量及用水量的計(jì)算

1.1.1 計(jì)算方法一

根據(jù)GB 50015—2009《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中第5.1.1-3條及表5.1.1-2，工業(yè)企業(yè)生活間淋浴器的小時(shí)用水量為360～540 L/h，使用水溫為37～40 ℃，并根據(jù)GB 50015—2009中表5.1.4可知，冷水溫度為5 ℃[1]。

設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量Qh的計(jì)算公式為：

Qh=∑qh(tr-tl)ρrnobC水

(1)

式中：qh——衛(wèi)生器具熱水的小時(shí)用水定額，L/h；

C水——水的比熱，C水=4.187 kJ/(kg·℃)；

tr——熱水溫度，按GB 50015—2009表5.1.1-2取38 ℃；

tl——冷水溫度，按GB 50015—2009表5.1.4取5 ℃；

ρr——熱水密度，kg/L；

no——同類型衛(wèi)生器具數(shù)；

b——衛(wèi)生器具的同時(shí)使用百分?jǐn)?shù)，公共浴室按照100%計(jì)。

設(shè)計(jì)小時(shí)用水量qrh的計(jì)算公式為：

(2)

經(jīng)計(jì)算可得：Qh=360×(38-5)×0.983×100%×20×4.187 =977 919.069 6 kJ/h=271.645 kW

1.1.2 計(jì)算方法二

根據(jù)GB 50015—2009中表5.1.1-1可知，公共浴室?guī)Я茉⊙b置，每人每次用水量為40～60 L，淋浴客車設(shè)計(jì)使用人數(shù)共40人。

則每天最大總用水量Q為：

Q=60×40=2 400L=2.4 m3

所以由式(2)得設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量Qh為：

Qh=C水×qrh×(tr-tl)×ρr

(3)

=4.187×4.8×(38-5)×0.983×1 000

=651 946.046 4 kJ/h=181.096 kW。

1.1.3 計(jì)算方法三

根據(jù)GB 50015—2009表3.1.14可知，淋浴器的熱水額定流量為0.1 L/s。則最大設(shè)計(jì)小時(shí)用水量為：

qrh=0.1×20×100%=2 L/s=7.2 m3/h

根據(jù)式(3)計(jì)算得設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量Qh：

Qh=4.187×7.2×(38-5)×0.983×100%×1 000=977 919.069 6 kJ/h=271.64 kW。

1.1.4 計(jì)算結(jié)果分析比較

3種計(jì)算方法所得的Qh和qrh的結(jié)果如表1所示。

表1 耗熱量Qh和用水量qrh計(jì)算結(jié)果

計(jì)算設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量時(shí)取淋浴器小時(shí)用水量(360～540 L/h)的上限和下限本身就會(huì)造成50%的偏差。方法一中取淋浴器小時(shí)用水量的下限360 L/h與方法三中取熱水額定流量的計(jì)算結(jié)果一致，但是如果取淋浴器小時(shí)用水量的上限540 L/h時(shí)，方法一的計(jì)算結(jié)果則是方法三的1.5倍。

方法二的計(jì)算結(jié)果與洗浴總?cè)藬?shù)及用水集中時(shí)間有關(guān)。方法二的所有計(jì)算數(shù)值為定值，不會(huì)出現(xiàn)范圍區(qū)間。

方法三的計(jì)算結(jié)果與淋浴器小時(shí)用水量取值有關(guān)，還與噴頭的數(shù)量有關(guān)。若在相同的面積中僅設(shè)5個(gè)噴頭，則方法三的計(jì)算結(jié)果與方法二大致相同。在GBZ 1—2010《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)不同級(jí)別的企業(yè)的淋浴器數(shù)量有相應(yīng)的要求[2]，但該項(xiàng)目為鐵路淋浴客車，與一般的工業(yè)企業(yè)及建筑行業(yè)所要求的標(biāo)準(zhǔn)稍有不同，所以仍按照客戶要求及空間要求設(shè)置2個(gè)淋浴間，每個(gè)淋浴間設(shè)有10個(gè)淋浴噴頭。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量計(jì)算，并且考慮安全因素，淋浴系統(tǒng)的設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量取值為200 kW。

1.2 水箱容量計(jì)算

根據(jù)GB 50015—2009表5.1.1-1可知，公共浴室?guī)Я茉⊙b置，每人每次用水量為40～60 L。該項(xiàng)目取每人每次用水量60 L，共40人使用，則每天最大總用水量為：Q=60×40=2 400 L。

通過熱水與冷水相互混合來達(dá)到洗浴用水溫度38 ℃的要求。熱水溫度下降到38 ℃時(shí)，散發(fā)的熱量為Q放=C水m熱(tr-tc)；冷水溫度升高到38 ℃時(shí)，吸收的熱量為Q吸=C水m冷(tc-tl)。因Q吸=Q放，則：

C水m熱(tr-tc)=C水m冷(tc-tl)

(4)

式中：m熱——熱水的質(zhì)量，L；

m冷——冷水的質(zhì)量，L；

tc——淋浴用水溫度，取38 ℃；

tr——熱水溫度，取65 ℃；

tl——冷水溫度，取5 ℃。

每天淋浴總用水量為2 400 L，根據(jù)m熱=1.2m冷可得，m熱=1 310 L，m冷=1 090 L。

考慮車上空間限制、整車受力均衡、用水量冗余等因素，車上水箱(以下簡(jiǎn)稱“熱水箱”)容積即淋浴熱水用水量設(shè)計(jì)為1 600 L，相應(yīng)的淋浴冷水用水量則為1 333 L。車下水箱(以下簡(jiǎn)稱“冷水箱”)因包含有整車其他用水量，則整車?yán)渌盟繛? 333+1 000=2 333 L，考慮空間及整車的受力且包含一定的冗余，冷水箱容積最終確定為2 500 L。

1.3 淋浴管路管徑計(jì)算

流體體積流量Q流的計(jì)算公式：

Q流=v×A

(5)

(6)

式中：v——平均流速，L/min；

A——管道截面積，mm；

d——管道直徑，mm。

根據(jù)式(5)、式(6)可得：

(7)

根據(jù)GB 50015—2009規(guī)定的用水量、洗浴時(shí)間以及花灑的流量等參數(shù)，可計(jì)算出冷熱水管管徑，結(jié)果見表2。

表2 冷熱水管管徑 mm

為了達(dá)到流速穩(wěn)定的效果，淋浴間內(nèi)的冷熱水管管徑均需采用變徑方式。

2 給水及淋浴系統(tǒng)工作原理設(shè)計(jì)

2.1 給水及淋浴系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)算出的設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量及整車功率，選擇功率為12 kW、電壓為380 V的史密斯DRE-52型商用容積式電熱水器作為主體加熱設(shè)備。因淋浴客車供水工況無法與市政管網(wǎng)供水工況一致，所以需要在電熱水器與熱水箱之間安裝循環(huán)泵，熱水箱與淋浴花灑之間安裝增壓泵?？紤]空間及整車受力因素，將冷水箱放置在車下，并安裝增壓泵，為車上各供水點(diǎn)提供冷水。

2.2 給水及淋浴系統(tǒng)的工作原理

通過車下增壓泵，將冷水箱、熱水箱、冷熱水箱連通管、車上各冷水用水點(diǎn)、電熱水器等各個(gè)部件連接成一個(gè)開口系統(tǒng)；通過車上循環(huán)泵及增壓泵，將電熱水器、熱水箱、淋浴花灑連接成一個(gè)開口系統(tǒng)。

(1) 水箱注水。當(dāng)冷水箱水位>1/4時(shí)，冷水箱與熱水箱連通管上的電磁閥被打開，車下增壓泵開始工作，將水從冷水箱壓至熱水箱；當(dāng)熱水箱滿水時(shí)，電磁閥關(guān)閉，停止向熱水箱注水，但仍向冷水箱注水。當(dāng)冷水箱滿水時(shí)，車下溢水管開始溢水，表明冷水箱、熱水箱均注滿水。

(2) 加熱循環(huán)。當(dāng)熱水箱滿水，且電熱水器通電時(shí)，熱水箱與電熱水器通過循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)加熱。當(dāng)熱水箱內(nèi)水溫升至65 ℃時(shí)，增壓泵自動(dòng)關(guān)閉，加熱循環(huán)結(jié)束。當(dāng)電熱水器內(nèi)溫度達(dá)到70 ℃時(shí)，電熱水器處于待機(jī)狀態(tài)。

(3) 淋浴過程。當(dāng)淋浴花灑打開時(shí)，熱水箱與淋浴花灑之間的增壓泵打開，開始提供熱水；同時(shí)車下增壓泵也被打開，開始提供冷水。通過混水閥將淋浴用水調(diào)至適宜溫度，開始淋浴。

(4) 其他用水。當(dāng)車上其他用水點(diǎn)用水時(shí)，車下增壓泵自動(dòng)開啟，將水由冷水箱抽至其他用水點(diǎn)。

(5) 保護(hù)。當(dāng)熱水箱水位低至170 L時(shí)，安裝在淋浴間內(nèi)的報(bào)警燈開始啟動(dòng)；當(dāng)熱水箱水位低至80 L時(shí)，切斷電熱水器循環(huán)泵電源；當(dāng)冷水箱水位低至300 L時(shí)，切斷車下增壓泵電源。

(6) 手動(dòng)功能。當(dāng)熱水箱水位下降時(shí)，可按下手動(dòng)上水按鈕來打開電磁閥，用手動(dòng)方式為熱水箱注水。再次按下上水按鈕時(shí)，取消熱水箱注水。

圖1為給水及淋浴系統(tǒng)工作原理圖。

圖1 給水及淋浴系統(tǒng)工作原理

3 給水及淋浴系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)

3.1 冷水箱設(shè)計(jì)

3.1.1 冷水箱功能

(1) 保溫功能，保證在當(dāng)?shù)丨h(huán)境-40 ℃時(shí)，內(nèi)部水溫不低于5 ℃，所以在水箱內(nèi)箱與外箱之間安裝了自限溫電伴熱帶裝置；

(2) 水箱帶有液位探頭，并在車內(nèi)電氣控制柜內(nèi)帶有液位顯示面板；

(3) 將水箱與注水管做模塊化設(shè)計(jì)，減少施工的復(fù)雜性。

3.1.2 靜力學(xué)分析

冷水箱按照上述配置要求完成設(shè)計(jì)，其質(zhì)量約為1 298 kg。靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果見表3，符合GB/T 21563—2018《軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備沖擊與振動(dòng)試驗(yàn)》的要求。

表3 冷水箱靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果

3.2 熱水箱設(shè)計(jì)

3.2.1 熱水箱功能

(1) 水箱帶有液位探頭，并在熱水間控制柜內(nèi)帶有液位顯示面板；

(2) 水箱帶有溫度探頭，并在熱水間控制柜內(nèi)帶有溫度顯示面板，同時(shí)滿足控制系統(tǒng)的要求。

3.2.2 靜力學(xué)分析

熱水箱按照上述配置要求完成設(shè)計(jì)，其質(zhì)量約為858 kg。靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果見表4，符合GB/T 21563—2018的要求。

表4 熱水箱及力學(xué)計(jì)算結(jié)果

3.3 其他部件設(shè)計(jì)

3.3.1 電開水箱控制間設(shè)計(jì)

為了保持車內(nèi)環(huán)境的整體協(xié)調(diào)性及美觀性，將體積較大的商用容積式電熱水器放置在特定的空間內(nèi)，所以在車上專門設(shè)計(jì)了電開水箱控制間。因商用電熱水器首次在鐵路列車上使用，沒有任何參考依據(jù)，所以用聚酯玻璃鋼和仿理石復(fù)合結(jié)構(gòu)作為熱水爐控制間地板，并在地板里預(yù)埋安裝螺栓，不僅解決了電熱水器安裝的問題，同時(shí)也解決了排水、防腐的問題。

3.3.2 水泵的選型

整個(gè)給水及淋浴系統(tǒng)中用了3種水泵。一種是車下增壓泵，一種是電熱水器同熱水箱之間的循環(huán)水泵，最后一種是熱水箱同淋浴花灑之間的增壓泵。

(1) 車下增壓泵因其他項(xiàng)目中有成功運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，所以選擇了既有的成熟產(chǎn)品。

(2) 熱水箱與淋浴花灑之間的增壓泵主要是為了在淋浴過程中提供穩(wěn)定的熱水流量，提高使用的舒適性，所以采用了帶有變頻控制器的小型增壓泵。這段管路的水頭損失非常小，因此水泵也選擇成熟產(chǎn)品。

(3) 電熱水器與熱水箱之間的循環(huán)泵主要是因?yàn)殍F路列車中的水壓與市政供水水壓有壓差，為了彌補(bǔ)這部分供水壓力，所以選擇額定揚(yáng)程為12 m，額定流量為8 m3/min的循環(huán)水泵。

4 地面模擬試驗(yàn)

鐵路淋浴客車為首次設(shè)計(jì)，需進(jìn)行地面試驗(yàn)來驗(yàn)證淋浴系統(tǒng)原理及實(shí)際使用情況，同時(shí)掌握重要部件的性能。

首先按照?qǐng)D紙生產(chǎn)各部件，然后搭建試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行地面模擬試驗(yàn)。在地面試驗(yàn)中需要完成以下試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)：冷水箱、熱水箱注水過程；加熱循環(huán)過程；工作過程；手動(dòng)注水過程；報(bào)警、保護(hù)過程。

4.1 首次試驗(yàn)

在首次地面試驗(yàn)過程中，除了加熱循環(huán)過程之外，其他試驗(yàn)均滿足設(shè)計(jì)要求。加熱循環(huán)過程經(jīng)過3次觀察測(cè)量，發(fā)現(xiàn)熱水箱內(nèi)水溫上升較慢，并且與電熱水器之間存在較大溫差。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

表5 加熱循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，熱水箱與電熱水器之間的循環(huán)過慢，導(dǎo)致冷水不能及時(shí)送至電熱水器，電熱水器內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定極值。經(jīng)過分析得出以下結(jié)論：

(1) 熱水箱與電熱水器之間的車上循環(huán)泵揚(yáng)程過小，無法使整個(gè)循環(huán)順利完成；

(2) 2臺(tái)電熱水器之間可能存在小循環(huán)。

4.2 解決方案

為了驗(yàn)證上述原因，并解決首次試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)狀調(diào)整設(shè)計(jì)方案。

4.2.1 小循環(huán)問題

為驗(yàn)證2臺(tái)電熱水器之間是否存在小循環(huán)，將原來豎直安裝在2臺(tái)電熱水器出水管上的單向截止閥拆卸并重新進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電熱水器能正常工作；而將單向閥重新安裝后，電熱水器不能正常工作。所以推斷出，在單向截止閥豎直狀態(tài)，管道中確實(shí)存在小循環(huán)。

為了解決小循環(huán)問題，將單向閥重新安裝，使其保持為水平狀態(tài)，再次進(jìn)行試驗(yàn)，電熱水器能夠正常工作，問題解除。

4.2.2 揚(yáng)程問題

通過再次計(jì)算可得熱水箱與電熱水器之間的車上循環(huán)泵揚(yáng)程需要16 m，考慮冗余，選擇揚(yáng)程為20 m的循環(huán)泵。首先尋找一個(gè)滿足要求的水泵來進(jìn)行地面試驗(yàn)，最終選擇了型號(hào)為PH1500Q的水流循環(huán)泵，該泵最大揚(yáng)程為25 m，額定揚(yáng)程為20 m，最大流量為500 L/min,額定流量為200 L/min，再次進(jìn)行試驗(yàn)，熱水箱與電熱水器之間的循環(huán)順利完成，問題解決。

4.3 末次試驗(yàn)

經(jīng)過上述幾次試驗(yàn)后，鐵路淋浴客車給水及淋浴系統(tǒng)從設(shè)計(jì)方案到生產(chǎn)工藝都基本成熟，為了測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際功能進(jìn)行了末次試驗(yàn)。通過試驗(yàn)證明，整個(gè)淋浴系統(tǒng)的配置完全能夠滿足淋浴需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

鐵路淋浴客車作為首次在鐵路系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行的特殊車型，給水及淋浴系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，性能穩(wěn)定、安全，得到了用戶的認(rèn)可。