新型市域鐵路動車組空調(diào)機(jī)組排水方案研究

趙 賽，李 剛，丁 勝，趙 祥，張振華

(1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 064000；2.山東朗進(jìn)科技股份有限公司，山東 青島 266071)

空調(diào)機(jī)組排水一般由冷凝水和雨水兩部分組成,本文僅對空調(diào)機(jī)組設(shè)計中較難控制的冷凝水排放問題進(jìn)行分析介紹。冷凝水是由蒸發(fā)器除濕產(chǎn)生的水，空調(diào)接水盤位于室內(nèi)側(cè)蒸發(fā)器前下方，車輛運(yùn)行時空調(diào)機(jī)組通過接水盤的排水孔進(jìn)行排水。

1 冷凝水排水量計算

冷凝水需要由專門的排水孔排出空調(diào)機(jī)組，根據(jù)實際情況，在凝露工況下的冷凝水量最大，因此計算是否可以順利排水，需要對凝露工況的冷凝水量進(jìn)行計算。

整車空調(diào)機(jī)組產(chǎn)生的冷凝水包括車廂內(nèi)人體濕負(fù)荷產(chǎn)生的冷凝水和車廂新風(fēng)濕負(fù)荷產(chǎn)生的冷凝水兩部分。每輛車有2臺空調(diào)機(jī)組，每臺空調(diào)機(jī)組的冷凝水量可被認(rèn)為是整車空調(diào)機(jī)組產(chǎn)生冷凝水量的一半。

車廂內(nèi)人體濕負(fù)荷的計算公式為：

W1=nPη/1 000

(1)

式中：W1——車廂內(nèi)人體濕負(fù)荷，kg/h；

n——超員時乘客人數(shù)，取n=203 人；

P——單個乘客濕負(fù)荷，根據(jù)GB/T 33193.1—2016《鐵道車輛空調(diào) 第1部分：舒適度參數(shù)》，車內(nèi)溫度26 ℃時取P=67 g/h；

η——群集系數(shù)，取0.95。

經(jīng)計算得出W1=12.92 kg/h。

車廂新風(fēng)濕負(fù)荷的計算公式為：

W2=G新×ρ(d1-d2)/1 000

(2)

式中：W2——車廂新風(fēng)濕負(fù)荷，kg/h；

G新——新風(fēng)量，取G新=3 000 m3/h；

ρ——室外空氣密度，取1.10 kg/m3；

d1——室外空氣狀態(tài)含濕量，焓濕圖軟件查得d1=23.3 g/kg；

d2——室內(nèi)空氣狀態(tài)含濕量，焓濕圖軟件查得d2=13.7 g/kg。

經(jīng)計算得出W2=31.68 kg/h。

車廂內(nèi)總的濕負(fù)荷W為車廂內(nèi)人體濕負(fù)荷與車廂新風(fēng)濕負(fù)荷的總量，即W=W1+W2=44.6 kg/h。經(jīng)設(shè)計計算，單臺空調(diào)除濕量(冷凝水量)為29.37 kg/h，即單個蒸發(fā)器冷凝水最大產(chǎn)生量約15 kg/h。該車2臺空調(diào)機(jī)組的除濕量大于車廂內(nèi)總的濕負(fù)荷，可滿足除濕需要。

按照空調(diào)機(jī)組機(jī)外靜壓250 Pa，單個通風(fēng)機(jī)在通風(fēng)量為2 125 m3/h時靜壓400 Pa，蒸發(fā)器及混合風(fēng)濾網(wǎng)阻力約70～80 Pa計算，則蒸發(fā)器腔排水管處有80 Pa(400-250-70=80(Pa))的負(fù)壓。因此，當(dāng)冷凝水柱高度達(dá)到80 Pa壓力的水柱高度時，冷凝水將克服負(fù)壓順利排出，水柱高約8.16 mm。水從排水孔處自由流出的流速為0.2～0.5 m/s，取0.2 m/s(水位越高流速越大)。排水孔內(nèi)徑為φ19 mm，每個接水盤對應(yīng)1個排水孔，則每個排水孔每小時的排水量=排水孔面積×水流流速×水密度×3 600=3.14×0.009 5×0.009 5×0.2×1 000×3 600=204(kg) 。

由上文可知，當(dāng)冷凝水柱高度達(dá)到8.16 mm時，冷凝水開始從排水孔排放，根據(jù)理論計算，排水孔排水量為204 kg/h(考慮到爬坡或下坡僅有1個排水孔排水的情況)，遠(yuǎn)大于冷凝水最大產(chǎn)生量(29.37 kg/h)，所以排水管設(shè)置滿足要求，冷凝水排放順暢，接水盤不會持續(xù)積水。

考慮到車輛爬坡、緊急制動的影響，初步定為空調(diào)機(jī)組蒸發(fā)器的接水盤高度53 mm、端部高度70 mm，接水盤尺寸見圖1。

圖1 空調(diào)機(jī)組接水盤尺寸圖

2 坡道排水計算

已知線路條件最大縱向坡度為35‰，選取列車在凝露工況下連續(xù)以最大35‰的坡度爬坡運(yùn)行10 min的極限工況作為計算條件，并假設(shè)排水孔被完全封堵，驗證接水盤蓄水能力。列車爬坡時接水盤水位如圖2所示。根據(jù)冷凝水產(chǎn)生量計算出冷凝水積水高度約28.5 mm，距端部上沿約有40 mm余量，此時冷凝水不會溢出接水盤。

圖2 列車爬坡時接水盤水位示意圖

由于冷凝水排水設(shè)計采用集中排水方式，為了避免接水盤在爬坡階段產(chǎn)生一端積水現(xiàn)象[1]，在2個接水盤長度方向兩端增加了連通管(圖3)，其中一個接水盤一端積水時，積水會通過連通管流向另外一個接水盤，再通過排水管排出，避免了接水盤在爬坡階段產(chǎn)生積水現(xiàn)象，可保證接水盤滿足列車正常運(yùn)營要求。

圖3 空調(diào)機(jī)組冷凝水排水布置示意圖

蒸發(fā)器的翅片表面涂覆一層親水涂料，形成親水涂膜，使冷凝水在其表面迅速鋪展并流走，不形成半球形的水珠，也搭不成“水橋”，這樣可使蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷凝水全部通過翅片流到底部的接水盤區(qū)域，然后通過排水孔流到空調(diào)機(jī)組的外部。

客室空調(diào)機(jī)組接水盤的截面如圖4所示，在空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)側(cè)接水盤的高度為85 mm，且在接水盤的頂部采用45°向內(nèi)折彎的形式，以便風(fēng)場在此處形成向內(nèi)的渦旋，保證冷凝水在各種工況下均不會流到送風(fēng)腔內(nèi)。

圖4 空調(diào)機(jī)組接水盤截面圖

3 車輛制動時接水盤仿真校核

為驗證接水盤在制動工況下的蓄水能力，根據(jù)木桶原理，找出影響蓄水能力的最不利因素。假定接水盤內(nèi)存水量等同于坡道時的存水量，進(jìn)行平直線路制動校核。

對空調(diào)機(jī)組接水盤及內(nèi)部水體模型施加車輛制動及轉(zhuǎn)彎時可能產(chǎn)生的最大沖擊加速度，接水盤送風(fēng)側(cè)高度為85 mm，其余三邊高度為53 mm，建立仿真模型，車輛制動時最大制動減速度為1.2 m/s2，每個方向分為正負(fù)2個工況，沖擊力加載方式見圖5。其中，X向為車輛寬度方向，Z向為車輛長度方向。

圖5 沖擊力加載方式示意圖

3.1 X正向沖擊結(jié)果

在重力及X正向沖擊加速度作用下，接水盤內(nèi)的水上升至最高點(diǎn)時各區(qū)域冷凝水的水位分布見圖6。

圖6 X正向沖擊加速度作用下接水盤內(nèi)各區(qū)域冷凝水的水位分布圖

從圖6中可以看出，接水盤內(nèi)各區(qū)域冷凝水均沒有流出接水盤，經(jīng)計算，冷凝水距離接水盤頂部余量約25 mm。

3.2 X負(fù)向沖擊結(jié)果

在重力及X負(fù)向沖擊加速度作用下，接水盤內(nèi)的水上升至最高點(diǎn)時各區(qū)域冷凝水的水位分布見圖7。

從圖7可以看出，接水盤內(nèi)各區(qū)域的冷凝水均沒有流出接水盤, 經(jīng)計算，冷凝水距離接水盤頂部余量約15 mm。

圖7 X負(fù)向沖擊加速度作用下接水盤內(nèi)各區(qū)域冷凝水的水位分布圖

3.3 Z正向沖擊結(jié)果

在重力及Z正向加速度作用下，接水盤內(nèi)的水上升至最高點(diǎn)時各區(qū)域冷凝水的水位分布見圖8。

圖8 Z正向加速度作用下接水盤內(nèi)各區(qū)域冷凝水的水位分布圖

從圖8可以看出，接水盤沿Z軸正向的端部無水溢出，經(jīng)計算，冷凝水距離接水盤頂部余量約3 mm。

3.4 Z負(fù)向沖擊結(jié)果

在重力及Z負(fù)向加速度作用下，接水盤內(nèi)的水上升至最高點(diǎn)時各區(qū)域冷凝水的水位分布見圖9。

從圖9可以看出，接水盤沿Z軸負(fù)向的端部無水溢出，經(jīng)計算，冷凝水距離接水盤頂部余量約3 mm。

圖9 Z負(fù)向加速度作用下接水盤內(nèi)各區(qū)域冷凝水的水位分布圖

根據(jù)以上仿真結(jié)果可以看出，接水盤寬度方向在轉(zhuǎn)彎制動時不會有冷凝水溢出，但端部有溢出風(fēng)險，在詳細(xì)設(shè)計階段可將接水盤端部加高至70 mm左右，使冷凝水在接水盤端部距離上沿高度約20 mm，保證接水盤中冷凝水不會在制動時溢出。