“復(fù)興號”CR200J型動力集中電動車組拖車隔熱設(shè)計及車窗優(yōu)化

徐 濤，高健飛，賁曉東，姜艷林，岳文志

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 總體研發(fā)部，江蘇 南京 210031；2.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 設(shè)備研發(fā)部，江蘇 南京 210031)

“復(fù)興號”CR200J型動力集中電動車組拖車(以下簡稱CR200J型拖車)作為25T型客車的改進產(chǎn)品，研發(fā)之初就提出了提升旅客乘坐舒適性的需求。車體傳熱性能影響空調(diào)負(fù)荷及客室內(nèi)熱環(huán)境，是確保旅客舒適度的一項重要指標(biāo)[1]。為改善旅客乘坐舒適性，降低空調(diào)能耗，按照技術(shù)條件要求對CR200J型拖車整車進行了隔熱設(shè)計；提升了塞拉門和給排水系統(tǒng)的密封性能，減少了空氣的對流；按照Q/CR 205—2014《鐵路空調(diào)客車熱工計算方案》要求對車體傳熱系數(shù)進行了計算和試驗驗證，結(jié)果顯示，CR200J型拖車車體傳熱系數(shù)滿足技術(shù)條件小于等于1.11 W/(m2·K)的要求。本文針對在高寒地區(qū)運用時車窗發(fā)生凝露并產(chǎn)生冷凝水的情況對CR200J型拖車運用環(huán)境進行了分析，并根據(jù)分析結(jié)果對其車窗結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的車窗再次運用于高寒地區(qū)進行試驗驗證，沒有出現(xiàn)凝露情況，表明該優(yōu)化方案有效解決了車窗凝露問題。

1 隔熱設(shè)計

靜止?fàn)顟B(tài)下車體傳熱系數(shù)K是反映整車隔熱性能的參數(shù)，通過車體的隔熱設(shè)計，可以減小車體傳熱系數(shù)，提升整車隔熱性能，降低空調(diào)能耗，實現(xiàn)節(jié)能減排[2]。

1.1 技術(shù)條件要求

不同于25T型客車，CR200J型拖車技術(shù)條件中對K值進行了統(tǒng)一要求，除軟臥車外，整車K值由1.16 W/(m2·K)減小到1.11 W/(m2·K)，如表1所示。

表1 25T型客車及CR200J型拖車K值要求

1.2 隔熱設(shè)計

CR200J型拖車隔熱設(shè)計主要內(nèi)容有：使用隔熱材料隔斷熱橋和減少熱傳遞；提高整車密封性能以減少空氣的對流。

1.2.1安裝隔熱材料

CR200J型拖車隔熱材料采用改性玻璃棉，符合Q/CR 794—2020《鐵路客車及動車組室內(nèi)材料 保溫材料》的要求[3]，其性能指標(biāo)如表2所示。

表2 改性玻璃棉性能指標(biāo)參數(shù)

在CR200J型拖車底架、車頂、側(cè)墻和端墻鋪設(shè)改性玻璃棉，車體隔熱斷面如表3和圖1所示。

表3 車體隔熱斷面

圖1 車體隔熱斷面結(jié)構(gòu)

1.2.2提升整車密封性能

CR200J型拖車在25T型客車基礎(chǔ)上提高了塞拉門和給排水系統(tǒng)的密封性能，減少空氣的對流。塞拉門組裝采用整體密封門框、多級鎖閉壓緊和多道密封膠條密封，提升了車門密封性能，如圖2所示。

1.前擋密封膠條；2.上擋密封膠條；3.下?lián)趺芊饽z條；4.后擋密封膠條。圖2 塞拉門密封膠條

采用密封式電熱排水導(dǎo)筒，下部排水口安裝橡膠密封裝置，灰水在重力作用下使橡膠密封裝置變形從而排至車外，灰水排空后橡膠密封裝置自動恢復(fù)至密封狀態(tài)。圖3為密封式電熱排水導(dǎo)筒及自密封結(jié)構(gòu)。

圖3 密封式電熱排水導(dǎo)筒及自密封結(jié)構(gòu)

2 拖車車體傳熱系數(shù)K計算

鐵道機車車輛實際運行中，外界條件隨地理位置、季節(jié)、晝夜等不斷變化，車輛內(nèi)部的熱量也隨著設(shè)備發(fā)熱和旅客的多少而變化，因此車輛隔熱斷面的傳熱過程是一個不穩(wěn)定過程。以二等座車為例，按照Q/CR 205—2014《鐵路空調(diào)客車熱工計算方案》要求進行拖車車體傳熱系數(shù)K計算[4]，為簡化計算做出如下假設(shè)[5]：

(1) 平均外氣溫度視為常數(shù)；

(2) 在隔熱斷面熱工性能計算中應(yīng)用穩(wěn)定傳熱原理，即隔熱斷面中的溫度分布和熱流大小保持固定數(shù)值，不隨時間變化；

(3) 不同材料間相互密接，嵌在乙型鋼、槽鋼等翼板內(nèi)部的隔熱材料的熱阻不計；

(4) 車體鋼結(jié)構(gòu)僅考慮骨架的傳熱，所有與外層鋼板相連的金屬，其溫度與鋼板溫度相同，小金屬零件的導(dǎo)熱性不予考慮。

二等座車隔熱斷面中含有許多幾何形狀復(fù)雜的金屬和非金屬元件，既有均質(zhì)結(jié)構(gòu)，也有多層非均質(zhì)結(jié)構(gòu)。整車K值計算時，按照上述假設(shè)將車體各隔熱斷面簡化為均質(zhì)結(jié)構(gòu)，求得各隔熱斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)Ki和斷面?zhèn)鳠崦娣e，再按照非均質(zhì)結(jié)構(gòu)求得整車K值。

2.1 車體隔熱斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

將二等座車車體各隔熱斷面按均質(zhì)結(jié)構(gòu)計算，各隔熱斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)Ki可用式(1)求出[6]：

(1)

式中：δi——各隔熱斷面材料的厚度，m；

λi——各隔熱斷面材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

αW——車內(nèi)表面對流傳熱系數(shù),8 W/(m2·K)；

αN——車外表面對流傳熱系數(shù),16 W/(m2·K)。

車體各隔熱斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和傳熱面積的計算結(jié)果如表4所示。

表4 車體鋼結(jié)構(gòu)各隔熱斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及傳熱面積

2.2 整車傳熱系數(shù)

整車按照非均質(zhì)結(jié)構(gòu)計算，其傳熱系數(shù)K值可用式(2)求出：

(2)

式中：Ai——各隔熱斷面?zhèn)鳠崦娣e，m2。

按照Q/CR 205—2014要求并結(jié)合日本標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗，對表4中車體各隔熱斷面參數(shù)乘以安全系數(shù)2[7]，并將表5中整車各安裝設(shè)備傳熱系數(shù)及傳熱面積代入式(1)和式(2)，求得整車K值為1.04 W/(m2·K)，滿足拖車技術(shù)條件要求。由于計算簡化了模型，忽略了部分熱橋的影響，計算結(jié)果一般小于試驗結(jié)果。

表5 整車各安裝設(shè)備傳熱系數(shù)及傳熱面積

3 隔熱性能試驗

按照TB/T 1674—1993《鐵路客車隔熱性能試驗方法》要求[8]，在二等座車車內(nèi)客室區(qū)第1排、第11排和第21排座椅處分別布置1個測溫斷面，在每個測溫斷面布置8個溫度測點，在2個廁所、洗臉間、配電柜、乘務(wù)員室車窗中心處各布置1個測點，車內(nèi)共計布置29個溫度測點。在車外布置3個測溫斷面，位置與車內(nèi)測溫斷面一致，每個斷面布置8個溫度測點，外端門兩側(cè)中部分別布置1個溫度測點，車外共計布置28個溫度測點。測點布置圖詳見圖4，圖4中紅點為車內(nèi)溫度測點，藍點為車外溫度測點。

圖4 二等座車隔熱試驗測點布置圖

按照TB/T 1674—1993規(guī)定對二等座車進行加熱，熱穩(wěn)定時間不少于8 h，8 h內(nèi)車內(nèi)外各溫度測點平均空氣溫度波動不大于±0.5 K，車內(nèi)加熱功率波動不得大于3%。熱穩(wěn)定后，每30 min記錄一次溫度傳感器及電功率計的數(shù)據(jù)，取連續(xù)8組有效數(shù)據(jù),結(jié)果如表6所示。

表6 二等座車隔熱性能試驗采集數(shù)據(jù)表

用式(3)計算求得整車傳熱系數(shù)K值，計算結(jié)果為1.09 W/(m2·K)，滿足技術(shù)條件要求。

(3)

式中：P——車內(nèi)加熱功率，W；

Δt——車體內(nèi)外平均空氣溫度差，K。

4 高寒地區(qū)運用存在的問題及原因分析

“復(fù)興號”CR200J型動力集中電動車組2019年1月正式上線，運用中拖車整車隔熱和密封性能較25T型客車有明顯改善，空調(diào)制冷采暖效率提升，提高了旅客乘坐舒適度。但在沈陽局、烏魯木齊局等高寒地區(qū)長時間運用時，發(fā)生拖車車窗膠條出現(xiàn)冷凝水并聚集成股流至窗臺的情況。CR200J型拖車車窗沿用了25T型客車單元式車窗結(jié)構(gòu)，為改善車窗隔熱性能，在窗框四周增加了防寒框。從運用情況看，增加防寒框?qū)嚧案魺嵝阅苌杂懈纳疲軌蚍乐管嚧霸诟吆貐^(qū)運用出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，但仍會產(chǎn)生冷凝水，如圖5所示。

圖5 25T型客車及CR200J型拖車高寒地區(qū)運用情況

針對CR200J型拖車車窗冷凝水問題，對車窗隔熱性能、運用環(huán)境和驗證過程進行了分析，分析結(jié)果表明，造成車窗產(chǎn)生冷凝水的主要原因有：

(1) 車窗隔熱性能較差。CR200J型拖車單元式車窗窗框為整體鋁型材并貫通車體結(jié)構(gòu)內(nèi)外，鋁型材傳熱系數(shù)高達210 W/(m2·K)，對車體隔熱性能的影響較大[9]，雖然拖車車窗在窗框上增加了防寒框，但是其并未隔斷窗框與車內(nèi)的熱橋，車窗隔熱性能提升有限，與其他高寒客車或動車組車窗相比，隔熱性能相對較差，如表7所示。

表7 CR200J型拖車及高寒車型車窗隔熱性能對比

(2) 運用環(huán)境溫差及濕度較大。高寒地區(qū)車內(nèi)外溫差較大，由于窗框鋁型材的熱傳遞，導(dǎo)致車窗膠條溫度較低，加之大量旅客產(chǎn)生的水蒸氣加大了客室的濕度，因此產(chǎn)生冷凝水現(xiàn)象。

(3) 試驗驗證不夠充分。拖車車窗隔熱性能試驗按照TB/T 3107—2011《鐵道客車單元式組合車窗》要求實施[9]，標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定極端溫度差及不同濕度環(huán)境下的凝露試驗要求。

5 改進措施

針對上述原因分析，對CR200J型拖車車窗結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，同時增加極端溫度差及高濕度環(huán)境下的凝露試驗。

5.1 車窗結(jié)構(gòu)優(yōu)化

原CR200J型拖車單元車窗的整體窗框結(jié)構(gòu)優(yōu)化為內(nèi)外窗框結(jié)構(gòu)，并采用粘接膠實現(xiàn)內(nèi)外窗框的連接和熱橋的隔斷(圖6)，優(yōu)化后車窗隔熱性能明顯提升，如表8所示。

圖6 CR200J型拖車車窗優(yōu)化結(jié)構(gòu)

表8 CR200J型拖車車窗結(jié)構(gòu)優(yōu)化后車窗隔熱性能

5.2 凝露試驗

為驗證車窗在極端溫度差及不同濕度環(huán)境下抗凝露性能，增加凝露試驗。在外部環(huán)境溫度為-40 ℃、-20 ℃，內(nèi)部環(huán)境溫度20 ℃，室內(nèi)空氣相對濕度分別為35%、40%、50%和55%時，要求內(nèi)側(cè)玻璃及內(nèi)框表面1 h內(nèi)不形成任何冷凝水或霜。以隔熱性能相對差的活動車窗為例，分別對比優(yōu)化前的普通車窗和優(yōu)化后隔熱車窗凝露情況，試驗結(jié)果如表9所示。試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的車窗結(jié)構(gòu)凝露現(xiàn)象明顯降低。

表9 車窗結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后不同濕度工況下凝露情況對比

6 結(jié)束語

為了改善CR200J型拖車單元式車窗在高寒地區(qū)運用中出現(xiàn)的冷凝水問題，本文在25T型客車基礎(chǔ)上，通過車體隔熱設(shè)計對車窗進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減小了車體傳熱系數(shù)，提升了整車隔熱性能，降低了空調(diào)能耗，有效解決了CR200J型拖車單元式車窗在高寒地區(qū)運用中出現(xiàn)的冷凝水問題。

裝用優(yōu)化結(jié)構(gòu)隔熱車窗的高原雙源動力集中動車組在高寒地區(qū)開行，運用良好，未出現(xiàn)冷凝水問題。2021年CR200J型拖車再次配屬沈陽局，在外溫-20 ℃、客室內(nèi)溫度10 ℃環(huán)境下，窗框溫度為7.6 ℃，上線后車窗未出現(xiàn)冷凝水問題，表明優(yōu)化結(jié)構(gòu)的CR200J型拖車單元式車窗改善了車窗冷凝水問題，在沈陽局高寒地區(qū)運用后效果良好。建議對TB/T 3107—2011《鐵道客車單元式組合車窗》進行修訂，增加在高寒地區(qū)運用不同空氣濕度下抗凝露要求。