鐵路客車空調(diào)機(jī)組檢修中制冷壓縮機(jī)排量的檢驗

謝 晴 左 鵬 彭 棟 謝軍龍

鐵路客車空調(diào)機(jī)組檢修中制冷壓縮機(jī)排量的檢驗

謝 晴1左 鵬2彭 棟2謝軍龍1

（1.華中科技大學(xué) 武漢 430074；2.武漢迪昌科技有限公司 武漢 430014）

簡述了鐵路客車空調(diào)壓縮機(jī)排量試驗臺的設(shè)計參數(shù)和工作原理。設(shè)計的試驗臺為雙循環(huán)系統(tǒng)，主要包括空氣循環(huán)系統(tǒng)和制冷循環(huán)系統(tǒng)兩部分。同時介紹了試驗臺的設(shè)計和試驗情況，通過進(jìn)行驗證性試驗，確定試驗臺的測試精度在10%以內(nèi)。

空調(diào)壓縮機(jī)；排量試驗臺；熱力性質(zhì)

0 引言

2015年青島地區(qū)庫存檢修作業(yè)統(tǒng)計，壓縮機(jī)故障是空調(diào)制冷機(jī)組主要故障之一[1]。鐵路客車高速行駛時，車體表面的壓力升高，同時在穿越隧道時還有“活塞效應(yīng)”等，這些因素會惡化鐵路客車空調(diào)機(jī)組的運行條件[2]，使鐵路客車空調(diào)機(jī)組故障率升高。因此需要對客車空調(diào)機(jī)組進(jìn)行定期檢修。鐵道部在《客車空調(diào)機(jī)組三機(jī)檢修規(guī)程》中規(guī)定[3]：“壓縮機(jī)進(jìn)行制冷量或排氣量的測試，低于原設(shè)計參數(shù)90%時，更換新品”。所以可以建造相應(yīng)的試驗臺，在鐵路客車檢修時判斷壓縮機(jī)是否滿足《規(guī)程》要求。

目前很多試驗臺是依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5773—2004[4]，選用第二制冷劑量熱器法[5]進(jìn)行研制的。但這種方法研制的試驗臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，占地空間大，達(dá)到穩(wěn)定工況需要時間較長，檢修單位承擔(dān)的費用較高。

鐵路客車壓縮機(jī)檢修精度要求低于國家標(biāo)準(zhǔn)[4]中壓縮機(jī)出廠檢測精度。為降低檢修費用，本文研制了壓縮機(jī)排量試驗臺。試驗臺為雙循環(huán)系統(tǒng)：制冷循環(huán)系統(tǒng)和空氣循環(huán)系統(tǒng)。其中空氣循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計了3個循環(huán)回路，充分利用系統(tǒng)余熱，節(jié)約能耗。采用一臺出廠合格的壓縮機(jī)進(jìn)行驗證性檢驗試驗，確定試驗臺的測試精度在10%以內(nèi)。

1 壓縮機(jī)排量試驗臺設(shè)計參數(shù)

壓縮機(jī)排量試驗臺由制冷循環(huán)系統(tǒng)和空氣循環(huán)系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)構(gòu)成?？諝庋h(huán)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)溫度隨外界環(huán)境溫度的變化而變化，而試驗臺在一年四季內(nèi)均要精確測試壓縮機(jī)的排量，結(jié)合我國一年內(nèi)室內(nèi)溫度的實際情況，將測試工況溫度（環(huán)境溫度）定在5℃～35℃的范圍內(nèi)。

根據(jù)實際情況，將試驗臺體積控制在2m×2m×2m范圍內(nèi)，達(dá)到占地空間小的目的。

鐵路常用壓縮機(jī)冷量的范圍為5.9kW～40kW。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[6]，確定制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)名義工況如表1所示。

表1 壓縮機(jī)名義工況

要測試的參數(shù)為：

（1）電力參數(shù)：電壓、電流、功率和頻率；

（2）工況參數(shù)：吸氣壓力、排氣壓力、吸氣溫度、環(huán)境溫度（室溫）；

（3）其他參數(shù)：被測壓縮機(jī)排氣溫度、膨脹閥閥前壓力、冷凝器進(jìn)出口溫度、蒸發(fā)器進(jìn)口溫度；

（4）壓縮機(jī)吸氣量。

2 試驗臺工作原理

圖1為鐵路客車空調(diào)壓縮機(jī)排量試驗臺原理圖。黑色實線代表制冷循環(huán)系統(tǒng)，彩色虛線代表空氣循環(huán)系統(tǒng)，故壓縮機(jī)排量試驗臺為雙系統(tǒng)。其中，1→2→3→4→1為制冷系統(tǒng)的循環(huán)；I：5→6→7→9→17→5，II：5→6→10→11→13→14→15→17→5，III：5→6→10→12→14→15→17→5為空氣系統(tǒng)的三個循環(huán)；通過蒸發(fā)器和冷凝器將制冷循環(huán)系統(tǒng)和空氣循環(huán)系統(tǒng)連接起來。

對于制冷系統(tǒng)，從壓縮機(jī)排出高溫高壓制冷劑氣體2進(jìn)入冷凝器，經(jīng)過冷凝器后變?yōu)楦邏哼^冷液體3，進(jìn)入電子膨脹閥變?yōu)榈蜏氐蛪旱囊后w4，再流經(jīng)蒸發(fā)器變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍怏w1，隨后制冷劑流經(jīng)管道被壓縮機(jī)吸入，完成制冷循環(huán)。

圖2為空氣系統(tǒng)循環(huán)立體圖?？諝庋h(huán)系統(tǒng)主要包括三個循環(huán)，從冷凝器出來的高溫低濕空氣，通過風(fēng)機(jī)1后經(jīng)風(fēng)閥6到達(dá)蒸發(fā)器進(jìn)口，再依次通過風(fēng)機(jī)2、風(fēng)閥4，與進(jìn)口風(fēng)匯合，到達(dá)冷凝器形成空氣系統(tǒng)循環(huán)I；從冷凝器出來的高溫低濕空氣通過風(fēng)機(jī)1后，一部分從出風(fēng)口流出，另一部分經(jīng)風(fēng)閥5與進(jìn)口風(fēng)的混合氣體混合進(jìn)入冷凝器，形成空氣系統(tǒng)循環(huán)II；從冷凝器出來的高溫低濕空氣，通過風(fēng)機(jī)1后經(jīng)風(fēng)閥6，再依次通過風(fēng)閥2和風(fēng)閥4，再與混合風(fēng)到達(dá)冷凝器進(jìn)口形成空氣系統(tǒng)循環(huán)III。

圖1 空調(diào)壓縮機(jī)排量試驗臺原理圖

圖2 空氣系統(tǒng)循環(huán)立體圖

3 試驗臺總體設(shè)計

鐵路客車空調(diào)壓縮機(jī)排量試驗臺的設(shè)計共分為空氣系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)兩部分。為了保證壓縮機(jī)在一定工況下穩(wěn)定運行，必須對吸氣溫度、吸氣壓力和排氣溫度進(jìn)行控制。

3.1 空氣系統(tǒng)的設(shè)計

為保證壓縮機(jī)測試工況需要控制空氣系統(tǒng)中蒸發(fā)器進(jìn)口空氣溫度為26℃，相對濕度為65%，蒸發(fā)器出口空氣溫度為18℃，相對濕度為90%；冷凝器進(jìn)口空氣溫度為37℃，出口空氣溫度為45℃。

在制冷循環(huán)中，制冷劑在冷凝器中冷凝放出大量的熱，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸收大量的熱。為保證冷凝器進(jìn)口空氣溫度為37℃，可以合理利用蒸發(fā)器和冷凝器吸收及放出的熱量，節(jié)約能源的消耗，因此空氣系統(tǒng)循環(huán)設(shè)計了3個循環(huán)回路。

當(dāng)外界環(huán)境溫度過低時，為保證冷凝器進(jìn)口溫度不低于37℃，可以用輔助電加熱器對空氣進(jìn)行加熱。

空氣系統(tǒng)中各處的風(fēng)量分配通過圖2中的6個電動風(fēng)閥的開度進(jìn)行控制。

3.2 制冷系統(tǒng)的設(shè)計

制冷系統(tǒng)中制冷劑采用R22。蒸發(fā)器采用冷卻強制流動空氣的干式蒸發(fā)器，選用平直式翅片，采用正三角形叉排排列；冷凝器采用空氣強制流動的空冷冷凝器，選用平直式翅片采用正三角形叉排排列。試驗臺需測試不同型號壓縮機(jī)，壓縮機(jī)冷量范圍變化較大，制冷系統(tǒng)采用電子膨脹閥實現(xiàn)變工況要求。在標(biāo)況下計算得到壓縮機(jī)進(jìn)口制冷劑比體積為=0.04002m3/kg。

壓縮機(jī)的排量是按壓縮機(jī)進(jìn)口處吸氣狀態(tài)進(jìn)行換算[7]，壓縮機(jī)進(jìn)口制冷劑為過熱態(tài)，因此需要氣體流量計測量壓縮機(jī)的吸氣量，本試驗臺選用氣體渦旋流量計，該流量計壓降較小，對制冷系統(tǒng)影響較小。

選用一臺出廠合格的型號為ZR81KC—TFD—522的渦旋壓縮機(jī)進(jìn)行驗證性校驗試驗。

4 試驗臺的試驗與分析

壓縮機(jī)排量試驗臺調(diào)試完成后，進(jìn)行了壓縮機(jī)排量測試試驗，試驗臺整體圖如圖3所示。試驗的環(huán)境溫度在20℃左右，溫度較高，未開啟輔助電加熱器。該試驗臺主要依靠風(fēng)系統(tǒng)將試驗臺產(chǎn)生的熱量帶走，空氣的比熱容較小，升溫快，試驗臺可在1小時內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定工況，較第二制冷劑量熱器法試驗周期較短。試驗工況達(dá)到穩(wěn)定后進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)記錄，并且每隔10min記錄一次數(shù)據(jù)。

4.1 空氣系統(tǒng)風(fēng)量對比

在20℃工況下，進(jìn)行空氣系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量的測量。風(fēng)速的理論值和實測值對比如圖4所示。

經(jīng)過冷凝器、蒸發(fā)器、風(fēng)閥2和進(jìn)出口的循環(huán)風(fēng)量接近理論值。經(jīng)過風(fēng)閥5的熱回風(fēng)風(fēng)量偏小，造成此現(xiàn)象的原因為：

圖3 試驗臺整體圖

圖4 空氣系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量對比圖

（1）常規(guī)風(fēng)閥在閥片全閉時，漏風(fēng)量一般不超過5%。本試驗臺中，送風(fēng)機(jī)豎直安裝，風(fēng)速較大且風(fēng)豎直向下吹，導(dǎo)致風(fēng)閥6漏風(fēng)嚴(yán)重，因此通過出風(fēng)口和風(fēng)閥5熱回風(fēng)的總風(fēng)量減小。

（2）試驗臺控制在2m×2m×2m空間內(nèi)，風(fēng)道較緊湊，風(fēng)閥5的測點位于風(fēng)道轉(zhuǎn)彎處，風(fēng)在轉(zhuǎn)彎時會發(fā)生湍流現(xiàn)象，導(dǎo)致熱線風(fēng)速儀測量風(fēng)速出現(xiàn)較大偏差。

風(fēng)閥5風(fēng)量偏小，導(dǎo)致風(fēng)閥6處于全閉狀態(tài)。后期應(yīng)對風(fēng)閥6嚴(yán)密性進(jìn)行改進(jìn)。

4.2 壓縮機(jī)吸氣量修正

試驗臺穩(wěn)定運行時，壓縮機(jī)進(jìn)口制冷劑的排量會出現(xiàn)小范圍的波動，需要對壓縮機(jī)吸氣量進(jìn)行修正[4]。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18429—2001規(guī)定的壓縮機(jī)吸氣溫度在4.4℃～18.3℃范圍內(nèi)，因此本文選擇的曲線擬合溫度范圍為0℃～22℃，擬合的原始數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)[8]附錄。

R22過熱氣體熱力性質(zhì)=（）顯式擬合公式如公式（1）所示：

表2為過熱氣體密度與溫度壓力的擬合結(jié)果，表2中1為擬合結(jié)果與參考數(shù)據(jù)源之間的最大相對誤差，2為擬合結(jié)果與參考數(shù)據(jù)源之間的平均相對誤差（所有擬合數(shù)據(jù)相對誤差的平均值）。

表2 過熱氣體密度與溫度壓力簡化模型系數(shù)及誤差

R22過熱區(qū)熱力性質(zhì)相對誤差如圖5所示，R22過熱區(qū)熱力性質(zhì)整體擬合精度達(dá)到99.5%以上，未出現(xiàn)個別點誤差較大的情況。

圖5 R22過熱區(qū)熱力性質(zhì)相對誤差

壓縮機(jī)吸氣量修正計算公式如公式（2）所示：

其中，為壓縮機(jī)排量，m3/h；為比體積，m3/h；為過熱氣體密度，m3/h；為壓縮機(jī)吸氣量，m3/h。

4.3 壓縮機(jī)試驗臺精度

選用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)進(jìn)行壓縮機(jī)排量測試。當(dāng)電流頻率為50Hz時，壓縮機(jī)設(shè)計排量為19.23m3/h。

為了獲得壓縮機(jī)排量試驗臺調(diào)試過程中各處的試驗數(shù)據(jù)，用溫度及壓力傳感器分別采集各個測點的溫度及壓力，為便于記錄壓縮機(jī)排量試驗臺的測試數(shù)據(jù)，設(shè)計了空調(diào)壓縮機(jī)排量試驗臺調(diào)試程序界面，如圖6所示。

圖6 空調(diào)壓縮機(jī)排量試驗臺調(diào)試程序界面

圖6中流量計值（壓縮機(jī)吸氣量）已在控制系統(tǒng)中用公式（2）進(jìn)行修正。空調(diào)壓縮機(jī)排量試驗臺工作穩(wěn)定時，壓縮機(jī)的排量為21m3/h，測試壓縮機(jī)的設(shè)計排量為19.23m3/h，誤差為9%，因此試驗臺測試精度控制在10%以內(nèi)。本試驗臺用于鐵路客車檢修，所需精度比壓縮機(jī)出廠精度低，故試驗臺測試精度滿足檢修要求。

5 結(jié)論

為降低鐵路客車檢修費用，本文設(shè)計了壓縮機(jī)排量試驗臺。該試驗臺具有結(jié)構(gòu)簡單，占地空間小，試驗周期短，造價低等優(yōu)點，且測試精度可控制在10%以內(nèi)。

[1] 王偉.空調(diào)機(jī)組制冷故障原因分析及檢修改進(jìn)措施[J].鐵道車輛,2015,53(7):43-44.

[2] 陳煥新,牛永明.鐵路客車空調(diào)機(jī)組性能試驗臺測控系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2002,20(4): 35-38.

[3] 鐵道部車輛局.客車空調(diào)機(jī)組三機(jī)檢修規(guī)程[R].1994.

[4] GB/T 5773—2004,容積式制冷壓縮機(jī)性試驗方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.

[5] 王磊,姜德凡,李征濤,等.全自動制冷壓縮機(jī)性能測試試驗臺的研制[J].制冷技術(shù),2006,(2):5-7.

[6] GB/T 18429—2001,全封閉渦旋式制冷壓縮機(jī)[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.

[7] 吳業(yè)正.制冷壓縮機(jī)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[8] 鄭賢德.制冷原理與裝置[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

Inspection of Refrigerator Compressor Displacement in Maintenance of Railway Passenger Car Air-conditioning Unit

Xie Qing1Zuo Peng2Peng Dong2Xie Junlong1

(1.Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074;2.Wuhan Dichang Technology Co., Ltd, Wuhan, 430014)

This article briefly describes the design parameters and working principle of therefrigerator compressor displacement test bench for railway passenger cars. The designed test bed is a two-cycle system, which mainly includes the air system and the refrigeration system. The design and test conditions of the test bench were introduced. Through verification tests, the accuracy of the test bench was determined to be within 10%.

Air Conditioning Compressor; Displacement Test Bench; Thermal Properties

1671-6612（2019）01-016-5

U279.3+3

B

謝 晴（1992.5-），女，碩士研究生，E-mail：2856915938@qq.com

謝軍龍（1970-），男，博士，副教授，E-mail：hustxjl@163.com

2018-03-30