和諧電力機車空調性能試驗臺設計研究

余先濤，孫美娟，孟立顯，金其順

(1．武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070；2．中國鐵路武漢局集團有限公司，湖北 武漢 430071；3．中國鐵路武漢局集團有限公司 科學技術研究所，湖北 武漢 430071)

近年來，隨著我國鐵路事業不斷發展，空調設備已成為鐵路列車中的重要組成部分，為了確保空調機組運行狀態良好，鐵道部頒布“客車空調三機檢修及運用管理規程”規定，大中修期要對機組進行全面的分解、檢修，并對檢修后空調機組的性能進行檢驗[1]。目前許多前期投入使用的空調機組已進入檢修期，因此，各鐵路檢修基地需要配備相應的列車空調機組性能試驗設備來測試檢修后的空調機組性能。

目前已有一些相關空調性能試驗臺的設計[2-4]，大型空調器的制冷性能測試方法主要有房間熱平衡法和空氣焓差法。房間熱平衡法的測試過程最接近空調器的使用狀態，測試結果最為精確，但其投資大，達到試驗所需工況穩定時間長，操作維護不便[5]。空氣焓差法基于空調機組運行過程中實時確定制冷量或加熱量，它響應速度更快，更簡單，成本更低，可以滿足生產要求。它是許多領域規定的常用測試方法之一，可廣泛應用于空調生產企業和部分技術部門[6]。空氣焓差法測制冷量的過程中需要測量空氣的相關參數，包括干球溫度、濕球溫度及風量，試驗結果產生的誤差主要與采用的測量儀表的誤差有關[7]。目前的檢測設備存在測試精度低，試驗運行中工況易受干擾，運行能耗大等問題。

筆者基于焓差法設計的空調機組性能檢測設備，測試數據準確可靠，設備工況穩定，可對空調機組的電參數、溫濕度、空氣壓力及流量等進行全程跟蹤采集、記錄和存盤，試驗過程中可隨時打印、分析系統運行狀態。

1 空調機組性能檢測試驗原理

1.1 空氣焓差法的數學模型

空氣焓差法是一種測試空調器制冷、制熱能力的試驗方法，它對空調器的送風參數、回風參數以及循環風量進行測量，用測出的風量與送風、回風焓差的乘積確定空調器的能量[8]。

采用焓差法測量制冷量，需要模擬空調機組在實際運行中的室內側和室外側空氣環境。在室內側通過測量空調機組進、出口氣流的干、濕球溫度和空氣流量來計算制冷量。空氣焓差法測量制冷量的數學模型如下：

(1)

式中：Q為機組制冷量；L0為室內側空氣流量測量值；hn為室內側送風空氣焓值；hc為室內側回風空氣焓值；Vp為噴嘴處空氣比容；Xp為噴嘴處空氣含濕量。

空氣焓差法數學模型中的空氣焓值、空氣比容等不能在試驗中直接測量，而由直接測得的室內側送風干、濕球溫度，室內側回風干、濕球溫度，大氣壓，噴嘴前后壓差等參數經過計算得到。從焓差法數學模型分析，影響焓差法測量空調制冷量誤差的來源主要是試驗過程中直接測得的參數精度，因此要提高空調性能試驗臺的測試精度，就得提高測試中溫度及風量的相關測試精度。

1.2 試驗臺布置形式

根據《GB/T 19842-2005軌道車輛空調機組》中規定，試驗臺有3種布置形式，即房間式、風洞式、環路式。這3種布置形式中，風洞式布置的設備工況最穩定，受環境影響最小，但是所需設備占地面積最大，試驗運行能耗最大；環路式布置方法相對簡便，工程造價低，試驗過程運行能耗小，房間式布置方式的特性居中[9]。

環路式空氣焓差法布置原理圖如圖1所示，環路式具有投資小、能耗低等優點，被廣泛使用在鐵路列車檢修部門。筆者對環路式焓差法試驗臺存在的試驗工況易受到干擾，測量精度低等問題，分析影響焓差法測量制冷量精度的原因，提出優化焓差模型各測量參數的方法，減小測量誤差，提高試驗臺工況的穩定性。

圖1 環路式空氣焓差法布置原理圖

1.3 試驗臺工作原理

空調機組制冷量檢測采用室內側空氣焓差法，通過測量空調機組蒸發器前后進風、出風的干球溫度與相對濕度和空氣流量來計算制冷量。空調機組在試驗時，空氣循環模擬列車運用狀態。空調機組室內側的蒸發器從回風口吸入空氣，經過蒸發器降溫、去濕或加熱后送入試驗裝置主風道測量系統，經過空氣流量測量裝置后進入室內側風路系統，在該風路系統中有模擬旅客身體散熱和散濕狀態進行電加熱、電加濕的設備，將空氣進行加濕、升溫，當達到規定的試驗工況參數值后，通過回風道進入到空調機組回風口，形成往復連續循環。空調機組室外側的冷凝風機將空氣從冷凝進風口吸入，經過冷凝器升溫后排出空調機組，排出的熱空氣經過室外側空氣處理后重新被冷凝風機吸入，室外側空氣循環模擬空調機組在大氣中的狀態。

2 空調機組性能試驗臺設計

根據《GB/T 19842-2005軌道車輛空調機組》、《TB/T 25858-2010精密空調機組性能試驗方法》規定的空調機組性能測試方法和檢測標準，空調性能檢測設備的設計主要包括室內、室外試驗間的設計和設備的選型、布置。

2.1 室外側試驗間設計

室外側試驗間的主要作用是模擬空調機組冷凝器系統在夏季的工作條件，作為被試空調機組的試驗間，放置被試空調機組，創造出機組試驗時所需要的車廂外溫度條件。

因此在室外側試驗間內安裝冷熱風柜，冷熱風柜里設置電加熱器與制冷壓縮機，可以模擬夏季35 ℃以上高溫環境條件。在外部氣溫較低的季節使用冷熱風柜內電加熱器來升高試驗間的環境溫度，以便于空調機組啟動。在外部氣溫較高，20 ℃以上時，可直接開啟被測試空調機組。當溫度過高時，需要啟動冷熱風柜中相應數量的制冷壓縮機進行降溫，進行冷熱量平衡，最后使試驗間內氣溫始終保持在35 ℃或規定的某一溫度值。

2.2 室內側試驗間設計

室內側試驗間的主要作用是放置主風道測量系統，該系統模擬空調機組蒸發器系統在夏季的工作條件，創造出機組試驗時所需要的車廂內與車廂外空氣相互混合后的溫、濕度條件。在主風道內安裝溫濕度檢測取樣裝置、風量測量裝置和風量調節裝置。

(1)干濕球溫度計設計。分析焓差法的數學模型可以看出，影響焓差法空調制冷量測量誤差的主要因素是由于風量、吸入焓值及吐出焓值引起的。因此，要提高焓差法空調制冷量測量的精度，需要在設計中減小這3個參數引起的測量誤差。空氣焓值h由試驗中直接測得的干濕球溫度來計算得出，如式(2)所示。因此為了獲得精確的制冷量，需要提高室內側吸入、吐出干濕球溫度的測量精度。本文采用的是PT100鉑電阻溫度傳感器，測量范圍為-200～600 ℃，可滿足試驗臺的測試需求。

h=1.01td+0.001X(2 500+1.84td)

(2)

(3)

φ=(ps(tw)-0.000 01(65+6.75)

(td-tw)101 325)/ps(td)

(4)

(5)

式中：h為空氣焓值；td為干球溫度；tw為濕球溫度；φ為相對濕度；X為含濕量；ps為水蒸氣飽和壓力；B為大氣壓力。

干濕球溫度計布置簡圖如圖2所示。兩只溫度傳感器放置在同一取樣風口，其中一只用濕紗布包裹，測量濕球溫度。濕球溫度相比于干球溫度更難精確測量，紗布的材質，浸潤紗布的水質以及取樣風速等都會影響測量精度。

圖2 干濕球溫度計布置簡圖

為了保證濕球溫度測量準確，包裹溫度計的紗布要符合標準。濕球紗布選用柔軟、網格整齊的脫脂棉紗布，包裹時避免沾上油脂，油脂會影響紗布吸水[10]。紗布要包裹住溫度計探頭，浸潤紗布的水使用蒸餾水，避免水中雜質在鉑電阻溫度計上結成水垢，增大導熱熱阻，會影響濕球溫度的測量精度。浸濕紗布的水源需要保證充足，為了避免頻繁打開取樣風箱，采用自動補水裝置。

為了分析風速對空氣濕球溫度的影響，模擬空調試驗臺風速取樣箱，在空氣干球測量溫度分別為35 ℃、30 ℃和25 ℃環境下，經過擬合不同取樣風速所對應的濕球溫度測試結果如圖3所示。

取樣風速在1 m/s以內時濕球溫度的變化幅度較大，測量結果不穩定，因此測試結果取風速在1～8 m/s內濕球溫度的測量值來進行分析。從圖3可知，風速影響濕球紗布的濕熱交換，當風速過小時交換速率過慢，使測得的溫度值低于實際值，產生很大的誤差。當風速大于7 m/s時，溫度傳感器上包裹的濕紗布水分蒸發過快，測量溫度偏高。因此空調性能試驗過程中風速調節器應控制紗布周圍的風速在5 m/s，所測得的濕球溫度比較穩定精確。

圖3 風速與濕球溫度的關系

(2)風量測量裝置。空氣焓差法中，風量的測量原理是通過測量噴嘴前后壓差，出風空氣狀態，大氣壓力等參數來計算風量的大小，計算公式為：

(6)

式中：Vp為噴嘴處空氣比容；ΔHP為噴嘴前空氣壓力差；Ap為噴嘴喉部面積；C為流量系數。

風量測量裝置采用中華人民共和國鐵道行業標準規定的測量方式之一畢托管來測量，通過畢托管可以測量出流過該斷面的空氣動壓，從而計算出空氣流量。風量調節裝置采用阻力風閥進行開度調節，達到風量調節目的。畢托管前后安裝整流隔板，得氣流平穩，使動壓差值測量更準確。

(3)回風管道及空氣處理箱。在回風管內及空氣處理箱中需要設置電加熱器、電加濕設備用于調節室內側回風的溫度和濕度條件，以便達到試驗所需要標準工況的溫濕度條件。為了更加準確達到預定工況，加熱器和加濕器采用閉環控制系統。在系統的輸出端和輸入端設置反饋電路，控制原理如圖4所示，可自動調節加熱器和加濕器的功率，使試驗系統能快速達到預定工況，并自動維持，提高試驗的精度。

圖4 加熱加濕器自動控制原理

3 計算機測控系統構成

計算機測控系統是為了提高試驗臺的自動化程度，把自動測試技術應用到空調性能試驗臺的設計中，使試驗臺具有自動采集記錄數據、參數監控和調節試驗臺環境工況的功能。本設計中為試驗臺設置電器控制間，控制間內安裝計算機測量系統、電氣操作控制柜、電腦桌及顯示屏等。

計算機測量系統原理圖如圖5所示，由上位機、顯示器、激光打印機、溫度傳感器、壓差傳感器、電參數測量傳感變送器等組成，軟件采用Windows窗口和菜單式人機界面，試驗參數以表格形式顯示、存儲、查詢及打印輸出。試驗裝置被測參數以同信號源的方式在計算機和顯示器上同時顯示，便于操作者隨時觀察。

圖5 計算機測量系統原理圖

計算機測量系統通過溫度傳感器、壓差傳感器及電參數測量傳感變送器自動獲取相關參數，傳感器測得的模擬信號經A/D轉換模塊得到相應物理量的數字信號，傳輸給計算機。計算機將采集到的信號按照要求做進一步的處理，輸出顯示。試驗臺測控系統提高了空調機組性能測試自動化程度，系統自動采集記錄數據，具有計算處理及數據存儲、檢索、打印測試結果的功能。

4 結論

筆者基于焓差法測量空調制冷量設計出適用于大功率和諧機車空調機組性能檢測設備。綜合對焓差法測量制冷量誤差來源的分析，空調進出口處干濕球溫度的測量是影響焓差法空調制冷量測量精度的關鍵，筆者詳細介紹了試驗臺中干濕球溫度計的布置及試驗過程中合適的取樣風速。試驗臺的測控系統采用閉環控制，試驗數據由計算機自動采集記錄，測量精度高。本試驗臺在使用過程中操作簡單，自動化程度高，試驗工況穩定，測量精度高，可用于各型大功率和諧電力機車空調機組進行性能試驗。