動(dòng)車(chē)模型熱力除冰實(shí)驗(yàn)研究

鄧保順,沈德安,董建鍇,謝 騰

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 730000； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,哈爾濱 150090)

隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國(guó)的鐵路運(yùn)輸?shù)玫搅碎L(zhǎng)足發(fā)展和進(jìn)步[1]，人們對(duì)高鐵及動(dòng)車(chē)組的依賴(lài)也越來(lái)越高。鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩院褪孢m性是其重要的優(yōu)勢(shì)[2]，從多方面考慮列車(chē)運(yùn)行中的各種安全問(wèn)題，降低和消除列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的安全隱患，才能更好地維持鐵路運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì)地位[3-5]。

我國(guó)幅員遼闊，北方大部分地區(qū)位于北溫帶和亞熱帶，冬季非常寒冷，下雪和結(jié)冰現(xiàn)象多有出現(xiàn)。尤其在我國(guó)西北、東北等地，冬季室外氣溫常低于-10 ℃，有的甚至低至-30 ℃以下。哈大客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)、蘭新線(xiàn)等客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)[6]地處寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)，冬季，高速列車(chē)長(zhǎng)時(shí)間在雨雪天氣中運(yùn)行，車(chē)體的轉(zhuǎn)向架等部位將出現(xiàn)積雪覆冰的現(xiàn)象[7]。

動(dòng)車(chē)在雨雪天氣下運(yùn)行時(shí)，車(chē)體的轉(zhuǎn)向架和底盤(pán)等部位出現(xiàn)積雪覆冰，可能會(huì)造成列車(chē)的制動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等部件的故障。如果不能及時(shí)清除冰雪，冰雪附著還可能會(huì)損傷車(chē)廂電纜和破壞車(chē)鉤，給客貨運(yùn)輸帶來(lái)諸多隱患。為此，針對(duì)列車(chē)冬季結(jié)冰積雪的情況，不同國(guó)家的鐵路公司研究開(kāi)發(fā)了不同融冰、防冰方法和設(shè)施，以消除和減緩結(jié)冰積雪對(duì)鐵路系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響。

日本高鐵主要采用噴熱水方式，檢修庫(kù)設(shè)置專(zhuān)用融冰除雪線(xiàn)，噴灑溫水用來(lái)融冰除雪[8]。北歐鐵路主要采用融冰劑加熱水的方式，在庫(kù)外存車(chē)線(xiàn)露天設(shè)置自動(dòng)除冰設(shè)備[9]，列車(chē)以1.2 km/h的速度通過(guò)，對(duì)車(chē)輛下部結(jié)冰部位噴灑含有丙二醇的融冰劑，并利用回收裝置重復(fù)利用，每個(gè)轉(zhuǎn)向架需時(shí)間40 s。

我國(guó)常用的列車(chē)融冰方式是在專(zhuān)門(mén)的維修車(chē)庫(kù)通過(guò)加熱的空氣進(jìn)行除冰[10-11]。另一種方法是通過(guò)人工除冰，工人通過(guò)敲打等方式直接敲碎并清除附著在列車(chē)轉(zhuǎn)向架冰層，而人工方法如操作不當(dāng)極易對(duì)車(chē)體產(chǎn)生損傷。在實(shí)際操作中，熱風(fēng)融冰系統(tǒng)會(huì)造成工作環(huán)境溫度大幅上升，有時(shí)工作空間內(nèi)空氣溫度可以達(dá)到50 ℃以上，嚴(yán)重惡化了工人的工作條件，降低了工作效率[12]。

基于上述分析可以看出，十分有必要對(duì)現(xiàn)有的動(dòng)車(chē)組融冰方式進(jìn)行深入研究，從而改進(jìn)優(yōu)化動(dòng)車(chē)組的除冰方法。針對(duì)我國(guó)的動(dòng)車(chē)養(yǎng)護(hù)機(jī)制，以及紅外線(xiàn)具透過(guò)表層加熱、輻射熱反射少、傳輸過(guò)程中熱損幾乎可以忽略等優(yōu)點(diǎn)[12]，提出把紅外線(xiàn)加熱技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)車(chē)除冰。

紅外線(xiàn)加熱技術(shù)起始于20世紀(jì)60年代，具有低能耗、加熱速度快，現(xiàn)已作為一項(xiàng)成熟的節(jié)能加熱技術(shù)被廣泛應(yīng)用[13]。紅外線(xiàn)加熱對(duì)環(huán)境是沒(méi)有任何污染的，相比除冰熱的動(dòng)車(chē)除冰更加環(huán)保[14]。且隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的紅外線(xiàn)加熱裝置的熱效率能達(dá)到80%以上，所以紅外線(xiàn)加熱技術(shù)是一項(xiàng)成熟的、環(huán)保的和節(jié)能的技術(shù)，應(yīng)用于動(dòng)車(chē)融冰除雪是具有一定可行性的。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 動(dòng)車(chē)模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)

通過(guò)對(duì)哈爾濱動(dòng)車(chē)除冰庫(kù)的調(diào)研了解到，除冰主要針對(duì)動(dòng)車(chē)底部轉(zhuǎn)向架等部位，所以動(dòng)車(chē)模型主要構(gòu)建了動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架和軸承，車(chē)廂即用一個(gè)箱體表示。具體動(dòng)車(chē)模型和除冰室模型如圖1所示，圖中彩色部分為主要覆冰區(qū)域。

圖1 除冰室及動(dòng)車(chē)模型

在實(shí)際動(dòng)車(chē)庫(kù)熱風(fēng)除冰過(guò)程中，由于熱風(fēng)除冰的效率較低，熱風(fēng)除冰系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成動(dòng)車(chē)庫(kù)的工作環(huán)境溫度大幅上升，甚至有時(shí)工作空間內(nèi)空氣溫度達(dá)到50 ℃以上，嚴(yán)重惡化了工人的工作條件。所以研究熱風(fēng)融冰對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響也很有意義，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)搭建保溫融冰實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)5 m，寬4 m，高3.5 m)，并在室內(nèi)布置32個(gè)溫濕度傳感器測(cè)量并記錄融冰實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境溫濕度的變化。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析，可以得到不同熱風(fēng)溫度和風(fēng)速對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響。動(dòng)車(chē)模型按照和諧號(hào)CRH2型電力動(dòng)車(chē)組，選取動(dòng)車(chē)兩輪之間的機(jī)車(chē)模型，具體尺寸按照1∶1進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體尺寸如圖2、圖3所示。

圖2 動(dòng)車(chē)模型尺寸(正視)(單位：m)

圖3 動(dòng)車(chē)模型尺寸(側(cè)視)(單位：m)

1.2 熱風(fēng)除冰實(shí)驗(yàn)

通過(guò)調(diào)研得到，現(xiàn)有的熱風(fēng)除冰的風(fēng)溫為50 ℃左右，風(fēng)速為10 m/s，所以把熱風(fēng)融冰的風(fēng)溫工況定在50 ℃附近，即45 ℃、50 ℃和55 ℃；實(shí)驗(yàn)風(fēng)速定在10 m/s，并且對(duì)均流風(fēng)口和散流風(fēng)口兩種不同風(fēng)口進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其中均流風(fēng)口為格柵式均流風(fēng)口。由于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋鶎釉诓煌Y(jié)構(gòu)和不同部位，熱風(fēng)除冰過(guò)程中風(fēng)口距離冰表面的最近距離為20 cm，最遠(yuǎn)距離為50 cm，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)車(chē)模型的結(jié)冰部位冰層厚度均為5 cm。具體熱風(fēng)融冰實(shí)驗(yàn)工況列于表1，實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖4所示。

表1 熱風(fēng)融冰實(shí)驗(yàn)工況

圖4 熱風(fēng)除冰實(shí)驗(yàn)照片

1.3 紅外線(xiàn)除冰實(shí)驗(yàn)

由于動(dòng)車(chē)底部和側(cè)面有部分構(gòu)件不耐高溫(動(dòng)車(chē)表面溫度超過(guò)100 ℃，就會(huì)對(duì)機(jī)車(chē)產(chǎn)生損害)，所以此次動(dòng)車(chē)模型除冰實(shí)驗(yàn)選用的燈管溫度為200 ℃。紅外線(xiàn)加熱設(shè)備如用于動(dòng)車(chē)庫(kù)內(nèi)除冰時(shí)，限于現(xiàn)場(chǎng)條件，針對(duì)不同部位的冰層，輻射距離也會(huì)相應(yīng)變化，所以分別對(duì)0.5、1 m和1.5 m的加熱距離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。具體紅外線(xiàn)融冰實(shí)驗(yàn)工況列于表2，實(shí)驗(yàn)臺(tái)照片如圖5所示。

表2 紅外線(xiàn)融冰實(shí)驗(yàn)工況

圖5 紅外線(xiàn)除冰實(shí)驗(yàn)照片

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 熱風(fēng)除冰

(1)熱風(fēng)除冰時(shí)長(zhǎng)分析

熱風(fēng)除冰實(shí)驗(yàn)風(fēng)口距離冰層的最近距離均為20 cm，除冰所需要的時(shí)長(zhǎng)隨熱風(fēng)溫度變化列于圖6。

圖6 熱風(fēng)除冰時(shí)間曲線(xiàn)

通過(guò)圖6可以看出，風(fēng)速10 m/s、溫度45 ℃時(shí)，均流風(fēng)口所需融冰時(shí)間為156 min，散流風(fēng)口則需要169 min；溫度為55 ℃時(shí)，均流風(fēng)口所需融冰時(shí)間為142 min，散流風(fēng)口則需要154 min。從圖6中2條曲線(xiàn)可以看出，均流風(fēng)口的融冰時(shí)間短于散流風(fēng)口，并且融冰時(shí)間隨熱風(fēng)溫度升高而減少。

(2)熱風(fēng)除冰過(guò)程中室內(nèi)溫度變化

為了更好地研究分析除冰室內(nèi)溫度變化規(guī)律，首先需要明確實(shí)驗(yàn)房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)。房間四周側(cè)墻為內(nèi)置5 cm厚度的擠塑板的木墻，房間沒(méi)有外窗，門(mén)也是采用擠塑板保溫材料，按外墻考慮。房頂為10 cm厚度的彩鋼夾芯板。具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 除冰室圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)

圖7為熱風(fēng)溫度50 ℃，風(fēng)速10 m/s時(shí)的室內(nèi)溫度變化曲線(xiàn)，圖中4條曲線(xiàn)分別為距地0.1、1、2 m和3 m處溫度測(cè)點(diǎn)平均值隨時(shí)間的變化。由圖可以看出，0.1 m處的初始溫度8.6 ℃，除冰結(jié)束時(shí)溫度11.2 ℃，溫升為2.6 ℃；3 m處的初始溫度15.5 ℃，除冰結(jié)束時(shí)溫度21.8 ℃，溫升為6.3 ℃。所以房間在熱風(fēng)加熱除冰過(guò)程中沿著高度方向溫升逐漸增加。完成除冰實(shí)驗(yàn)后室內(nèi)的最高溫度為21.8 ℃，遠(yuǎn)低于實(shí)際動(dòng)車(chē)庫(kù)除冰時(shí)的50 ℃，造成此現(xiàn)象主要原因：熱風(fēng)除冰過(guò)程中，在動(dòng)車(chē)模型上方有個(gè)熱回收風(fēng)口，可以把除冰室的余熱回收，即節(jié)能又可降低室內(nèi)環(huán)境溫度。所以針對(duì)動(dòng)車(chē)除冰現(xiàn)有的熱風(fēng)除冰方法，想要降低動(dòng)車(chē)除冰過(guò)程中環(huán)境的溫度，可在除冰庫(kù)增加一套熱空氣余熱回收裝置。

圖7 熱風(fēng)除冰室內(nèi)溫度變化

2.2 紅外線(xiàn)除冰

(1)紅外線(xiàn)除冰時(shí)長(zhǎng)分析

前面章節(jié)對(duì)熱風(fēng)除冰進(jìn)行了研究分析，接下來(lái)對(duì)紅外線(xiàn)除冰實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，紅外線(xiàn)除冰時(shí)長(zhǎng)如圖8所示。

圖8 紅外線(xiàn)除冰時(shí)長(zhǎng)曲線(xiàn)

通過(guò)圖8可以看出，加熱距離為0.5 m時(shí)，除冰所需時(shí)間為66 min；加熱距離為1 m時(shí)，除冰所需時(shí)間為82 min；加熱距離為1.5 m時(shí)，除冰所需時(shí)間為115 min。所以紅外線(xiàn)除冰的輻射加熱距離隨著距離增加除冰所需時(shí)間也相應(yīng)增加。對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)定工況紅外線(xiàn)除冰最短需要66 min，而熱風(fēng)除冰最短則需要142 min，所以紅外線(xiàn)除冰的速率遠(yuǎn)高于熱風(fēng)除冰。

(2)紅外線(xiàn)除冰過(guò)程中室內(nèi)溫度變化(圖9)

圖9 紅外線(xiàn)除冰室內(nèi)溫度變化

圖9中4條曲線(xiàn)分別為距地0.1、1、2 m和3 m處溫度測(cè)點(diǎn)平均值隨時(shí)間的變化。由圖9可以看出，0.1 m處的初始溫度8.8 ℃，除冰結(jié)束時(shí)溫度9.3 ℃，溫升為0.5 ℃；3 m處的初始溫度15.2 ℃，除冰結(jié)束時(shí)溫度18.2 ℃，溫升為3 ℃。紅外線(xiàn)加熱除冰過(guò)程中房間內(nèi)的最大溫升為3 ℃，而熱風(fēng)加熱除冰房間內(nèi)的最大溫升為6 ℃。從能量耗散的角度考慮，熱風(fēng)加熱中有更多的熱量耗散到室內(nèi)空氣中，故而紅外線(xiàn)加熱相比熱風(fēng)加熱更加節(jié)能。

3 除冰能耗及經(jīng)濟(jì)性分析

在動(dòng)車(chē)除冰實(shí)際工程應(yīng)用中，不光要考慮除冰速率，除冰能耗也是評(píng)價(jià)除冰方案優(yōu)劣的重要因素。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不同除冰方法的耗能通過(guò)電量采集儀進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量記錄。首先對(duì)熱風(fēng)除冰的能耗進(jìn)行分析，表4為熱風(fēng)融冰的能耗。

表4 熱風(fēng)除冰能耗 kW·h

由表4可以看出，均流風(fēng)口的除冰能耗是低于散流風(fēng)口的，這是由于均流風(fēng)口和散流風(fēng)口的除冰功率相同，但均流風(fēng)口的除冰速率大于散流風(fēng)口。表5為紅外線(xiàn)融冰的能耗。

表5 紅外線(xiàn)除冰能耗

如表5所示，紅外線(xiàn)除冰在加熱距離為0.5 m時(shí)，除冰能耗僅為6.6 kW·h，遠(yuǎn)低于熱風(fēng)除冰能耗18.5 kW·h，此時(shí)紅外線(xiàn)除冰的能耗為熱風(fēng)融冰能耗的35.7%，實(shí)驗(yàn)工況下的紅外線(xiàn)除冰相比熱風(fēng)除冰可以節(jié)能64.3%。

關(guān)于不同除冰方案的經(jīng)濟(jì)性分析，首先對(duì)可移動(dòng)電加熱熱風(fēng)機(jī)除冰方法的分析研究。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中是對(duì)單個(gè)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究分析的，采用了4個(gè)出風(fēng)口，而實(shí)際動(dòng)車(chē)組的單節(jié)車(chē)廂共有2個(gè)轉(zhuǎn)向架，所以每節(jié)車(chē)廂宜采用8個(gè)熱風(fēng)機(jī)。動(dòng)車(chē)組8節(jié)車(chē)廂和列車(chē)頭需要72臺(tái)熱風(fēng)機(jī)，另需8臺(tái)備用及重點(diǎn)部分除冰使用，故單條除冰線(xiàn)需要80臺(tái)功率8 kW熱風(fēng)機(jī)。以單臺(tái)設(shè)備1萬(wàn)元計(jì)，共需80萬(wàn)元的初期投資。單次除冰能耗的計(jì)算公式如下

E=N·P·t

式中，E為單次除冰能耗；N為除冰設(shè)備數(shù)量；P為除冰設(shè)備的功率；t為除冰時(shí)長(zhǎng)。

動(dòng)車(chē)機(jī)車(chē)有相關(guān)維護(hù)要求，動(dòng)車(chē)底部的設(shè)備溫度不能高于90 ℃，所以紅外線(xiàn)燈管必須選用長(zhǎng)波輻射，并且輻射距離不能短于0.2 m。紅外線(xiàn)除冰設(shè)備功率為5 kW，單臺(tái)價(jià)格估算為8 000元。

通過(guò)計(jì)算可知，紅外線(xiàn)除冰的初投資和1輛動(dòng)車(chē)的除冰費(fèi)用均低于熱風(fēng)除冰。除冰能耗及經(jīng)濟(jì)性分析見(jiàn)表6。

表6 除冰能耗及經(jīng)濟(jì)性分析

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理，主要結(jié)論如下。

(1)對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)定條件下，紅外線(xiàn)除冰最短需要66 min，而熱風(fēng)除冰最短則需要142 min，紅外線(xiàn)除冰速率比熱風(fēng)除冰速率提高53.5%，所以紅外線(xiàn)除冰的速率遠(yuǎn)高于熱風(fēng)除冰。

(2)紅外線(xiàn)加熱除冰過(guò)程中房間內(nèi)的最大溫升為3 ℃，而熱風(fēng)加熱除冰房間內(nèi)的最大溫升為6 ℃。從能量耗散的角度考慮，熱風(fēng)加熱中有更多的熱量耗散到室內(nèi)空氣中，故而紅外線(xiàn)除冰相比除冰加熱更加節(jié)能。

(3)紅外線(xiàn)除冰在加熱距離為0.5 m時(shí)，除冰能耗僅為6.6 kW·h，遠(yuǎn)低于熱風(fēng)除冰的耗能18.5 kW·h，此時(shí)紅外線(xiàn)除冰的能耗為熱風(fēng)融冰能耗的35.7%，實(shí)驗(yàn)工況下的紅外線(xiàn)除冰相比熱風(fēng)除冰可以節(jié)能64.3%。

[1] 鐵道部專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)院標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究會(huì).鐵路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工作回顧與展望[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，1999(3)：2-7.

[2] 李進(jìn)軍.鐵路牽引變電所防火設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2017，61(6)：172-175.

[3] 鄭國(guó)華，史峰.鐵路安全事故誘因與安全預(yù)控管理模式的探討[J].中國(guó)鐵路，2003(7)：55-57.

[4] 孫漢武，佘振國(guó)，李成輝.鐵路安全監(jiān)督管理信息系統(tǒng)[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2009(5)：116-122.

[5] 羅文志.淺談確保高速鐵路安全運(yùn)行的措施[J].高速鐵路技術(shù)，2012(1)：73-76.

[6] 宋力榕.哈大高鐵安全運(yùn)營(yíng)應(yīng)急保障工作淺析[J].中國(guó)應(yīng)急管理，2013(3)：51-54.

[7] 董天曾.西安鐵路局工務(wù)系統(tǒng)采取有效措施應(yīng)對(duì)暴雪天氣[J].中國(guó)鐵路，2008(4)：26-29.

[8] Kinsler L E， Frey A R. Deicing and anti-icing systems for trains and wagons and switches and crossings[Z]. Luea Railway Research Center， 2011.

[9] Lennart Kloow. High-speed train operation in winter climate[Z]. Stockholm KTH Railway Group and Trans-rail， 2011.

[10] 馮瑤.動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架除冰技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2014(7)：229.

[11] 辛志強(qiáng).高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)防冰雪吹風(fēng)系統(tǒng)[J].鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2015(3)：80-82.

[12] 石航.列車(chē)組融冰防冰技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013：8-30.

[13] 陳光.掃雪除冰車(chē)紅外線(xiàn)加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及加熱過(guò)程的數(shù)值模擬[D].大連：大連理工大學(xué)，2003：15-22.

[14] 彭華喬，夏祖西，蘇正良，等.紅外線(xiàn)加熱技術(shù)在飛機(jī)除冰中的應(yīng)用[J].紅外技術(shù)，2008(6)：368-370.