列車空調冷凝水為牽引箱散熱應用分析

（上海地鐵維護保障有限公司車輛分公司，上海 200232）

2016年，上海地鐵7號線統計，在7、8、9三個高溫月，在正線列車運營中，共有29起牽引箱故障，平均幾乎三天一起牽引箱故障，而在1、2、3三個月中，一共只有5起牽引箱故障。說明溫度的升高是引起牽箱故障的最重要因素。

列車牽引箱是由風機強制排風散熱的，在高溫天牽引箱就會頻發故障，說明風機為牽引箱散熱并不可靠，散熱能力并達不到要求。所以我們嘗試論證，使用低溫空調冷凝水為牽引箱散熱的可行性。

首先從利用空調冷凝水為列車牽引箱散熱的效果上論證。

1 空調冷凝水與空氣的散熱對比

查資料可知，水的換熱明顯強于空氣：空氣比熱容為1005kJ/kg℃，水的比熱容為4187kJ/kg℃。水的比熱容遠大于空氣，當水采用管道循環進行散熱時，其散熱能力也大于空氣。

1．1 環境溫度對散熱的影響

牽引箱在風冷的模式下，測試為：環境溫度20℃，箱內溫度約為50℃，環境溫度32℃，箱內溫度約為65℃。用二組數據做參考，其兩者溫差約為30℃。水的散熱能力大于風冷散熱，冷凝水溫始終在20℃左右，其溫度不隨外溫改變。用這些條件估算出冷凝水與牽引箱內溫度折線圖。

在環境溫度為32℃時，用圖1表作對比。

在圖1中：

T1時：列車牽引箱工作，冷凝水溫度20℃，牽引箱中的溫度為環境溫度32℃。

T2時：冷凝水與其回流水相互混合后溫度約為30℃，列車牽引箱升溫到約50℃。

圖1

T3到T4時：冷凝水與其回流水相互混合后溫度約為30℃，列車牽引箱溫度約50℃。兩者進入穩定工況模式。

牽引箱在風冷的模式下，環境溫度32℃，實測箱內溫度為65℃。

T1時：列車牽引箱工作，環境溫度32℃，牽引箱中的溫度也為環境溫度32℃。

T2時：空氣溫度32℃，列車牽引箱升溫到約55℃。T3到T4時：空氣溫度32℃，列車牽引箱內溫度約65℃，牽引箱內溫度穩定在約65度。

小結：（1）由于是空調冷凝水，其不隨環境溫度升高而升高，在外溫越高，其散熱效果表現的越好，所以空調冷凝水為牽引箱散熱，不受環境溫度的影響。（2）用排風散熱，對環境依賴大，在環境溫度低時，其表現的散熱效果好，但當環境溫度越高時，其表現的散熱效果就越差。

1．2 冷凝水與風機散熱對環境影響

使用冷凝水為牽引箱散熱，幾乎不會產生噪音，采用單水冷散熱，可以完全消除牽引箱散熱風機產生的120分貝噪音。

采用冷凝水與散熱風機的低速模式相結合為牽引箱散熱，可以將噪音降為70分貝。這兩種模式約可有效減少列車正線運營時所產生的噪音。

2 空調冷凝水為牽引箱散熱的設計論證

下面從管道設計和電路控制的可行性進行論證。

2．1 計算牽引箱內熱量

式中，Qf為強迫風冷系統所須提供的風量（測量可知）；Q為設備產生的總熱量,W。1瓦特的功率工作1秒鐘等于1焦爾；Cp為空氣比熱，1005J/(kg·℃)；ρ為空氣密度，1.11（kg/m3）。△T為進、出口處空氣的溫差。測量溫差約為30℃。

通過式（1）計算可以得出牽引箱在工作時產生的熱量Q。

2．2 計算得出用水量及所需管道尺寸

水在管道內的散熱公式：

式中，V為流速，m/s；L為管長，m；D為內徑，m；Tm為管內平均溫度，℃；Ti為水的入口溫度，℃；h為水的對流換熱系數，4500W/m2℃；a為水的密度，1000kg/m3；Cp為比熱容，4.187kJ/kg℃

已知：管內平均溫度Tm=30℃，水的入口溫度Ti=20℃，設定：流速V=1.2m/s，內徑D=0.005m。

通過式（2）用已知和設定的參數就可以計算出所需管道長度，及用水量。

列車空調在高溫天，一臺機組在環境溫度32度，濕度45%時，實驗一小時可產生5升20度的冷凝水。在實際管道設計中應增加儲水箱，可以根據需要存儲水量。

2．3 管道結構論證

表1

各元件的設計功能作用：

溢流管：排除空調工作時產生的過多的冷凝水。

過濾器：過濾水中雜質，保證管道通暢。

水箱：存儲足夠的冷凝水，保證牽引箱散熱。

液位傳感器：監控水箱中水位，給控制單元提供信號。

水泵：給管道中的水加壓，提高散熱效果。

溫度傳感器：監控牽引箱內溫度。

電磁閥：排除多余的回流水。

2．4 電路設計

根據管道的結構，設計電路圖，控制冷凝水為牽引箱散熱。

圖3 控制電路圖

工作原理：

當空調啟動，x4信號輸入，PLC準備工作。當檢測到牽引箱內溫度升高（牽引箱開始工作），傳感器合，x0信號輸入，且x1有信號輸入（水箱中有水）。只有在必備，水箱有水，空調工作，牽引箱工作，三個條件時，PLC輸出y0信號，水冷系統開始工作。

當x3有信號輸入，表示水滿，PLC輸出y1信號，打開電磁閥，排放管道中的回流水，當水箱中只1/2水時，x2信號輸入斷開，PLC控制排水電磁閥關閉。

3 結論總結

首先，空調冷凝水的溫度不隨環境溫度變化，特別在高溫天，冷凝水比空氣溫度低十幾度。水的熱容比是空氣的4倍，其散熱性更是氣體的幾十倍，用冷凝水替換風機為牽引箱散熱降溫，完全可行。同時可以基本去除風機對環境的噪音影響，減少列車運行的噪音擾民。

在設計上，可通過測量原有風機散熱系統的進、出口溫度，及排風量，得到牽引箱工作所產生的總熱量，再用總熱量來計算出所需的散熱管道大概數據及用水量，最后再根據要達到的降溫要求，實際測試就會得出準確的管道直徑、長度、水量等數據。

最后用電路圖驗證，通過PLC控制器、溫度傳感器及多個液位傳感器、水泵、電磁閥等，就可以組成簡單的控制回路，完成對冷凝水降溫循環系統的控制。

結論：牽引箱散熱，空調冷凝水比風機排風效果好。冷凝水替代風機排風為列車牽引箱散熱，在降溫散熱效果上完全可以達到要求，在電路控制上也完全可以實現。同時，減少了列車噪音，節約能原，循環利用了空調冷凝水。