高速列車運行時車體傳熱系數(shù)K值研究

吳靖陽,匡 驍,王彥魯,劉忠慶,孫德世

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266031;2.深圳市驍陽工程咨詢有限公司,廣東 深圳 518000)

車體傳熱系數(shù)K值是軌道車輛熱工性能的重要指標,對于列車靜止車體傳熱系數(shù)K值和低速運行時車體傳熱系數(shù)K值國內(nèi)外已經(jīng)有了深入研究[1-6]。隨著國內(nèi)高鐵行業(yè)的迅速發(fā)展,列車運行速度越來越高。高速列車運行時的隔熱保溫性能,尤其是高速(≥200 km/h)運行時的保溫性能,對空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗有著重要影響。目前,國內(nèi)對軌道車輛整車空調(diào)系統(tǒng)能耗計算和測試方法雖然有了廣泛的研究[7-11],但缺乏高速運行時車體傳熱系數(shù)K值對整車空調(diào)系統(tǒng)能耗影響的研究。

本文以某高速列車中間車作為研究對象,通過數(shù)值計算得到中間車靜止時和不同運行速度(0～380 km/h)時的車體傳熱系數(shù)K值,研究車體傳熱系數(shù)K值變化規(guī)律,并分析車體傳熱系數(shù)K值變化對整車空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響。

1 研究對象

本文選取某高速列車中間車作為研究對象。高速列車車體的維護結(jié)構(gòu)由多層不同的材料組成,起隔熱降噪作用。維護結(jié)構(gòu)中最主要的部分為鋁合金骨架,不僅起著支撐、承載的作用而且還起著隔熱的作用,其次是保溫材料、隔音材料以及裝飾材料等。部分保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示。

表1 部分保溫材料導(dǎo)熱系數(shù) W/(m·K)

2 研究思路和方法

本文主要研究高速列車中間車運行條件下的車體傳熱系數(shù)K值,并分析對中間車空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響,研究思路和方法為:

(1) 通過數(shù)值計算得到鋁合金型材綜合傳熱系數(shù),并對部分鋁合金型材部件綜合傳熱系數(shù)進行試驗驗證;

(2) 在部分鋁合金型材部件綜合傳熱系數(shù)已知情況下,對各種類型的冷橋建立物理模型,得到高速列車中間車靜止時的車體傳熱系數(shù)K值;

(3) 計算求得各種時速運行下中間車外表面綜合換熱系數(shù);

(4) 在中間車靜止時車體傳熱系數(shù)K值和各種時速運行下中間車外表面綜合換熱系數(shù)已知情況下,通過對流換熱計算公式得到中間車在各運行速度時的車體傳熱系數(shù)K值;

(5) 在中間車各運行速度車體傳熱系數(shù)K值已知情況下,分析車體傳熱系數(shù)K值變化對整車空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響。

3 列車靜止時車體傳熱系數(shù)K值計算

3.1 鋁合金型材綜合傳熱系數(shù)

鋁合金型材綜合傳熱系數(shù)受導(dǎo)熱、對流換熱以及輻射的共同作用影響。在不考慮輻射換熱的情況下,鋁合金型材綜合傳熱系數(shù)主要受導(dǎo)熱和對流換熱的共同作用影響。

對典型鋁合金材料建立物理模型,參照車窗隔熱性能試驗室的環(huán)境參數(shù)進行數(shù)值模擬計算,得到通過鋁合金型材傳熱表面的平均傳熱量,求得其綜合傳熱系數(shù)。

中間車體的鋁合金骨架是由眾多不同類型的鋁合金型材組成的,在對鋁合金型材部件進行物理模型建立之前,需要對眾多鋁合金型材進行對比分類。

將鋁合金型材車體的某斷面(圖1)圖形分為四部分:上表面部分、下表面部分、左表面部分以及右表面部分,上表面鋁合金骨架由3種類型的型材組成,下表面鋁合金骨架由1種類型的型材組成,左表面鋁合金骨架由4種類型的型材組成(實際物理建模計算時按3種類型的型材考慮),右表面與左表面組成型式一樣,綜合歸納為車體鋁合金骨架由4種類型的型材組成,選取左表面(圖2)的3種類型型材以及下表面型材進行物理建模。

圖1 鋁合金型材車體某斷面

圖2 左表面型材圖形

列車的鋁合金骨架是由許多不同尺寸鋁合金型材構(gòu)成,不同的鋁合金型材內(nèi)部含有數(shù)量不等且形狀多樣的立方體方腔,整個傳熱過程既有鋁合金型材的導(dǎo)熱又有鋁合金方腔內(nèi)壁與方腔內(nèi)空氣的對流換熱,由于溫差較小,在此不考慮型材各表面與高低溫間空氣的輻射換熱。鋁合金型材內(nèi)方腔中的空氣對流換熱是基于質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程以及能量守恒方程。傳熱過程中的導(dǎo)熱是基于導(dǎo)熱方程。鋁合金型材內(nèi)方腔中的空氣可以看作不可壓的均勻流體。

由于鋁合金型材的不規(guī)則性以及邊界條件的復(fù)雜性,使其微分方程很難采用分析求解(求解中可能包括特殊方程或特征值的超越方程),因此采用有限差分法來離散微分方程,用含有有限個未知數(shù)的差分方程去近似替代連續(xù)變量的微分方程及邊值問題,并把相應(yīng)的差分方程的數(shù)值解作為原微分方程的近似解。

通過鋁合金型材高、低溫壁面?zhèn)鬟f的平均熱量,其計算公式如式(1)所示。待傳熱量已知后,可根據(jù)公式(2)求得鋁合金型材的綜合傳熱系數(shù)。

Q=h·S·(t鋁材表面-t流體)

(1)

式中:Q為通過鋁合金型材高、低溫壁面?zhèn)鬟f的平均熱量,W;h為自然對流換熱系數(shù),W/(m2·K);S為高、低溫壁面?zhèn)鳠崦娣e的平均值,m2;t鋁材表面為鋁合金型材表面的平均溫度,℃;t流體為與鋁合金型材表面進行換熱的流體平均溫度,℃。

鋁合金型材的綜合傳熱系數(shù)k鋁合金為:

(2)

式中:t高、t低分別為高溫間的平均溫度和低溫間的平均溫度,℃。

中間車車體的部分鋁合金型材在車窗隔熱性能試驗室進行了綜合傳熱系數(shù)試驗,為了讓仿真計算的模擬結(jié)果與試驗值具有可比性,參照TB/T 3107—2011《鐵道客車單元式組合車窗》試驗標準[12],車窗隔熱性能試驗室的高溫間平均溫度為(32.5±0.5) ℃,模擬計算時取平均溫度32.5 ℃;低溫間平均溫度為(7.5±0.5) ℃,模擬計算時取7.5 ℃。通過數(shù)值計算得到的結(jié)果如表2所示。

表2 鋁合金型材綜合傳熱系數(shù)計算結(jié)果 W/(m2·K)

3.2 試驗驗證

為了驗證計算的準確性,結(jié)合實際情況,在車窗隔熱性能試驗室分別對第3種和第4種鋁合金型材樣件進行了隔熱性能試驗,試驗結(jié)果如表3所示。

表3 鋁合金型材樣件綜合傳熱系數(shù)試驗結(jié)果 W/(m2·K)

由表2、表3可知:第3種鋁合金型材綜合傳熱系數(shù)的模擬計算值與試驗值的誤差百分數(shù)為0.86%,第4種鋁合金型材綜合傳熱系數(shù)的模擬計算值與試驗值的誤差百分數(shù)為11.7%。因此,可以肯定物理模型簡化的合理性以及計算方法的正確性,計算結(jié)果可以使用。

3.3 車體冷橋

車體冷橋為車體隔熱結(jié)構(gòu)中局部構(gòu)造的不同,引起該部位隔熱性能降低,成為冷量大量傳遞的通道。由于車體冷橋附近車體圍護結(jié)構(gòu)表面所感受的冷量大量向冷橋部位集中,由冷橋造成的冷量損失大大地超過了簡單地按其截面積計算所得的數(shù)值。因此,整車綜合傳熱系數(shù)的計算必須考慮冷橋傳熱的影響。

冷橋物理模型基于下列假設(shè):

(1) 冷橋與鋁合金型材相連處的空隙未考慮,忽略小金屬零件;

(2) 不同材料間相互緊接;

(3) 熱流通過的圓弧界面簡化為線段界面;

(4) 將結(jié)構(gòu)分成若干單獨研究計算區(qū)域。

本文結(jié)合車體結(jié)構(gòu)圖紙以及不同車體部位的車體部件屬性,將高速列車中間車的整車冷橋分析整合之后分為7種:行李架底座冷橋、地板減振器冷橋、頂板固定點冷橋、頂板內(nèi)布管布線冷橋、風(fēng)道固定點冷橋、行李架外端冷橋以及型材地板冷橋。

采用穩(wěn)態(tài)計算方法對以上冷橋進行計算,帶冷橋的鋁合金型材的高低溫邊界條件參照TB/T 3107—2011標準。冷橋熱流密度計算結(jié)果如表4所示。

表4 冷橋熱流密度計算結(jié)果 W/m2

3.4 整車靜止時車體傳熱系數(shù)K值

在鋁合金骨架的熱流密度、冷橋引起的附加熱流密度以及冷橋分布、保溫層分布已知的情況下, 進行整車靜止時的車體傳熱系數(shù)K值計算。計算公式如下[13]:

(3)

式中:h1為中間車外表面綜合換熱系數(shù),W/(m2·K);h2為中間車內(nèi)表面綜合換熱系數(shù),W/(m2·K);λ為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);δ為導(dǎo)熱物件的厚度,m;k為導(dǎo)熱物件的傳熱系數(shù),W/(m2·K)。

車體傳熱系數(shù)K值為:

(4)

式中:ki為側(cè)墻、端墻、車頂、門、窗等的傳熱系數(shù),W/(m2·K);fi為側(cè)墻、端墻、車頂、門、窗等的傳熱幾何平均面積,m2。

由于整車車體較大,對計算機要求較高,本文在不考慮客車車體內(nèi)座椅以及1、2位端洗漱等物件前提下,按長度方向?qū)④圀w分為由3個等長基礎(chǔ)單元來構(gòu)成的整車車體傳熱系數(shù)K值計算的物理模型(其中普通車窗、緊急車窗、兩側(cè)車門、兩端車門以及1、2位端的車壁未包括)。

第1基礎(chǔ)單元包括車體鋁合金骨架以及與骨架緊貼的各種類型保溫層,車體內(nèi)上部風(fēng)道以及兩側(cè)的風(fēng)道,車體兩側(cè)無車窗和側(cè)門。第2基礎(chǔ)單元包括車體鋁合金骨架以及與骨架緊貼的各種類型保溫層,車體內(nèi)上部風(fēng)道以及兩側(cè)的風(fēng)道,車體兩側(cè)車窗。第3基礎(chǔ)單元包括車體鋁合金骨架以及與骨架緊貼的各種類型保溫層,車體兩側(cè)車門,不包括車體內(nèi)上部風(fēng)道、兩側(cè)的風(fēng)道和車體兩側(cè)車窗。通過數(shù)值計算可得中間車各部位傳熱系數(shù),如表5所示。

表5 中間車各部位傳熱系數(shù) W/(m2·K)

忽略中間車體的空氣滲漏容積,根據(jù)公式(4)求得中間車靜止時的車體傳熱系數(shù)K值為:1.168 W/(m2·K)。

4 列車運行時車體傳熱系數(shù)K值計算

4.1 中間車外表面綜合換熱系數(shù)

不考慮中間車體的空氣滲漏容積,高速列車在運行時,其車體傳熱系數(shù)K值與靜止時最大的不同為中間車外表面綜合換熱系數(shù)。

對于運行時速200 km以下的列車,中間車外表面綜合換熱系數(shù)可按標準TB 1951—1987《客車空調(diào)設(shè)計參數(shù)》[14]中提供的公式進行計算,計算公式如下:

h1=9+3.5V0.66

(5)

式中:V為列車運行的速度,km/h。

對于運行時速200 km以上(含時速200 km)的列車,可通過大渦數(shù)值模擬方法得到各運行速度下高速列車中間車的外流場分布,進而推導(dǎo)出不同運行速度時中間車外表面綜合換熱系數(shù),如表6所示。

表6 不同運行速度時中間車外表面綜合換熱系數(shù)

在中間車靜止時車體傳熱系數(shù)K值、不同運行速度時中間車外表面綜合換熱系數(shù)已知情況下,通過對流換熱計算公式得到中間車不同運行速度時的車體傳熱系數(shù)K值。

4.2 時速350 km 運行時的車體傳熱系數(shù)K值

按照靜止時車體傳熱系數(shù)K值的計算方法,把中間車外表面綜合換熱系數(shù)換成表6中數(shù)值即可求得該運行速度時中間車車體傳熱系數(shù)K值。通過數(shù)值計算可得表7數(shù)據(jù)。

表7 時速350 km中間車各部分導(dǎo)熱物件的傳熱系數(shù) W/(m2·K)

根據(jù)公式(4),求得中間車在時速350 km運行時的車體傳熱系數(shù)K值為1.350 W/(m2·K)。

4.3 其他運行速度時車體傳熱系數(shù)K值

其他運行速度時的車體傳熱系數(shù)K值可參照時速350 km中間車進行計算。對時速低于200 km的車體傳熱系數(shù)K值進行計算時,中間車外表面綜合換熱系數(shù)可按公式(5)計算,對時速高于200 km的車體傳熱系數(shù)K值進行計算時,中間車外表面綜合換熱系數(shù)取自表6。經(jīng)計算,不同運行速度時的中間車車體傳熱系數(shù)K值如表8所示。車體傳熱系數(shù)K值隨運行速度變化曲線如圖3所示。

表8 不同運行速度時中間車車體傳熱系數(shù)K值

由表8和圖3可知,高速列車運行速度越高,車體傳熱系數(shù)K值越大,即車體隔熱性能越差,并且K值增幅越來越小。高速列車中間車靜止時,車體傳熱系數(shù)K值為1.168 W/(m2·K),運行時速380 km時,車體傳熱系數(shù)K值為1.351 W/(m2·K),K值增大15.67%。

5 能耗分析

高速列車中間車車體隔熱面積為242.7 m2。夏季制冷時,以35 ℃工況為例進行分析。外溫35 ℃時,參照EN 13129:2016《鐵路應(yīng)用 干線鐵道車輛空調(diào) 舒適度參數(shù)和型式試驗》[15],車內(nèi)設(shè)定溫度為27 ℃。在該工況下,通過車體傳遞的熱量見表9。

表9 35 ℃工況下通過車體傳遞的熱量

由表9可知,在中間車靜止時通過車體傳遞的熱量為2 268 W,運行時速380 km時通過車體傳遞的熱量為2 623 W,通過車體傳遞的熱量差值為355 W。高速列車空調(diào)的能效比約為2.2,以此計算,整車空調(diào)系統(tǒng)能耗值差值僅為161 W,差值很小。

在冬季采暖時,以-10 ℃工況為例進行分析。外溫-10 ℃時,參照EN 13129:2016 標準,車內(nèi)設(shè)定溫度為22 ℃。在該工況下,通過車體傳遞的熱量見表10。

表10 -10 ℃工況下通過車體傳遞的熱量

由表10可知,在中間車靜止時通過車體傳遞的熱量為9 071 W,運行時速380 km時通過車體傳遞的熱量為10 492 W,通過車體傳遞的熱量差值為1 421 W。高速列車冬季采暖使用的是電加熱,根據(jù)能量守恒,最終電采暖系統(tǒng)能耗的差值也為1 421 W。相比于空調(diào)系統(tǒng)總能耗,差值也比較小。

高速列車運行速度變化時,車體傳熱系數(shù)K值變化,最終會導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)能耗的變化。單從車體傳熱系數(shù)K值角度分析,通過車體傳遞的熱量隨著運行速度的增大而增加,但增幅較小。與靜止狀態(tài)對比,高速列車高速運行時夏季空調(diào)系統(tǒng)能耗增加值非常小,冬季空調(diào)系統(tǒng)能耗增加值也不大。

6 結(jié)論和展望

本文在不考慮車體的空氣滲漏容積等條件下,計算并研究了高速列車車體傳熱系數(shù)K值。綜合全文的計算和分析,可以得出以下結(jié)論:

(1) 在其他條件不變的情況下,高速列車運行速度變化時,車體傳熱系數(shù)K值會隨之變化。高速列車運行速度增大時,車體傳熱系數(shù)K值增大,并且隨著運行速度的增大,車體傳熱系數(shù)K值增加幅度減小。

(2) 運行速度的增加會導(dǎo)致車體傳熱系數(shù)K值的增大,進而增加空調(diào)系統(tǒng)的能耗值。但是,夏季制冷時這部分空調(diào)系統(tǒng)能耗增加值很小,冬季采暖時空調(diào)系統(tǒng)能耗增加值也不大。

高速列車以時速380 km運行時,相對于靜止狀態(tài),由車體傳熱系數(shù)K值變化引起的能耗增加值不大。在列車高速運行時,應(yīng)更注重列車的氣密性。雖然列車高速運行時,由車體傳熱系數(shù)K值變大而引起的整車空調(diào)系統(tǒng)能耗增量不大,但通過車體傳入車內(nèi)的熱量仍較大,高速列車車體傳熱系數(shù)K值仍要控制在合理的范圍內(nèi)。

高速列車運行時,空氣滲漏容積、新風(fēng)量以及空調(diào)機組冷凝風(fēng)量都是變化的,這些參數(shù)與運行速度之間的關(guān)系,以及對空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響是今后研究的重點和方向。