新型市域鐵路動車組空調機組排水方案研究

趙 賽，李 剛，丁 勝，趙 祥，張振華

(1.中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 064000；2.山東朗進科技股份有限公司，山東 青島 266071)

空調機組排水一般由冷凝水和雨水兩部分組成,本文僅對空調機組設計中較難控制的冷凝水排放問題進行分析介紹。冷凝水是由蒸發器除濕產生的水，空調接水盤位于室內側蒸發器前下方，車輛運行時空調機組通過接水盤的排水孔進行排水。

1 冷凝水排水量計算

冷凝水需要由專門的排水孔排出空調機組，根據實際情況，在凝露工況下的冷凝水量最大，因此計算是否可以順利排水，需要對凝露工況的冷凝水量進行計算。

整車空調機組產生的冷凝水包括車廂內人體濕負荷產生的冷凝水和車廂新風濕負荷產生的冷凝水兩部分。每輛車有2臺空調機組，每臺空調機組的冷凝水量可被認為是整車空調機組產生冷凝水量的一半。

車廂內人體濕負荷的計算公式為：

W1=nPη/1 000

(1)

式中：W1——車廂內人體濕負荷，kg/h；

n——超員時乘客人數，取n=203 人；

P——單個乘客濕負荷，根據GB/T 33193.1—2016《鐵道車輛空調 第1部分：舒適度參數》，車內溫度26 ℃時取P=67 g/h；

η——群集系數，取0.95。

經計算得出W1=12.92 kg/h。

車廂新風濕負荷的計算公式為：

W2=G新×ρ(d1-d2)/1 000

(2)

式中：W2——車廂新風濕負荷，kg/h；

G新——新風量，取G新=3 000 m3/h；

ρ——室外空氣密度，取1.10 kg/m3；

d1——室外空氣狀態含濕量，焓濕圖軟件查得d1=23.3 g/kg；

d2——室內空氣狀態含濕量，焓濕圖軟件查得d2=13.7 g/kg。

經計算得出W2=31.68 kg/h。

車廂內總的濕負荷W為車廂內人體濕負荷與車廂新風濕負荷的總量，即W=W1+W2=44.6 kg/h。經設計計算，單臺空調除濕量(冷凝水量)為29.37 kg/h，即單個蒸發器冷凝水最大產生量約15 kg/h。該車2臺空調機組的除濕量大于車廂內總的濕負荷，可滿足除濕需要。

按照空調機組機外靜壓250 Pa，單個通風機在通風量為2 125 m3/h時靜壓400 Pa，蒸發器及混合風濾網阻力約70～80 Pa計算，則蒸發器腔排水管處有80 Pa(400-250-70=80(Pa))的負壓。因此，當冷凝水柱高度達到80 Pa壓力的水柱高度時，冷凝水將克服負壓順利排出，水柱高約8.16 mm。水從排水孔處自由流出的流速為0.2～0.5 m/s，取0.2 m/s(水位越高流速越大)。排水孔內徑為φ19 mm，每個接水盤對應1個排水孔，則每個排水孔每小時的排水量=排水孔面積×水流流速×水密度×3 600=3.14×0.009 5×0.009 5×0.2×1 000×3 600=204(kg) 。

由上文可知，當冷凝水柱高度達到8.16 mm時，冷凝水開始從排水孔排放，根據理論計算，排水孔排水量為204 kg/h(考慮到爬坡或下坡僅有1個排水孔排水的情況)，遠大于冷凝水最大產生量(29.37 kg/h)，所以排水管設置滿足要求，冷凝水排放順暢，接水盤不會持續積水。

考慮到車輛爬坡、緊急制動的影響，初步定為空調機組蒸發器的接水盤高度53 mm、端部高度70 mm，接水盤尺寸見圖1。

圖1 空調機組接水盤尺寸圖

2 坡道排水計算

已知線路條件最大縱向坡度為35‰，選取列車在凝露工況下連續以最大35‰的坡度爬坡運行10 min的極限工況作為計算條件，并假設排水孔被完全封堵，驗證接水盤蓄水能力。列車爬坡時接水盤水位如圖2所示。根據冷凝水產生量計算出冷凝水積水高度約28.5 mm，距端部上沿約有40 mm余量，此時冷凝水不會溢出接水盤。

圖2 列車爬坡時接水盤水位示意圖

由于冷凝水排水設計采用集中排水方式，為了避免接水盤在爬坡階段產生一端積水現象[1]，在2個接水盤長度方向兩端增加了連通管(圖3)，其中一個接水盤一端積水時，積水會通過連通管流向另外一個接水盤，再通過排水管排出，避免了接水盤在爬坡階段產生積水現象，可保證接水盤滿足列車正常運營要求。

圖3 空調機組冷凝水排水布置示意圖

蒸發器的翅片表面涂覆一層親水涂料，形成親水涂膜，使冷凝水在其表面迅速鋪展并流走，不形成半球形的水珠，也搭不成“水橋”，這樣可使蒸發器產生的冷凝水全部通過翅片流到底部的接水盤區域，然后通過排水孔流到空調機組的外部。

客室空調機組接水盤的截面如圖4所示，在空調機組的送風側接水盤的高度為85 mm，且在接水盤的頂部采用45°向內折彎的形式，以便風場在此處形成向內的渦旋，保證冷凝水在各種工況下均不會流到送風腔內。

圖4 空調機組接水盤截面圖

3 車輛制動時接水盤仿真校核

為驗證接水盤在制動工況下的蓄水能力，根據木桶原理，找出影響蓄水能力的最不利因素。假定接水盤內存水量等同于坡道時的存水量，進行平直線路制動校核。

對空調機組接水盤及內部水體模型施加車輛制動及轉彎時可能產生的最大沖擊加速度，接水盤送風側高度為85 mm，其余三邊高度為53 mm，建立仿真模型，車輛制動時最大制動減速度為1.2 m/s2，每個方向分為正負2個工況，沖擊力加載方式見圖5。其中，X向為車輛寬度方向，Z向為車輛長度方向。

圖5 沖擊力加載方式示意圖

3.1 X正向沖擊結果

在重力及X正向沖擊加速度作用下，接水盤內的水上升至最高點時各區域冷凝水的水位分布見圖6。

圖6 X正向沖擊加速度作用下接水盤內各區域冷凝水的水位分布圖

從圖6中可以看出，接水盤內各區域冷凝水均沒有流出接水盤，經計算，冷凝水距離接水盤頂部余量約25 mm。

3.2 X負向沖擊結果

在重力及X負向沖擊加速度作用下，接水盤內的水上升至最高點時各區域冷凝水的水位分布見圖7。

從圖7可以看出，接水盤內各區域的冷凝水均沒有流出接水盤, 經計算，冷凝水距離接水盤頂部余量約15 mm。

圖7 X負向沖擊加速度作用下接水盤內各區域冷凝水的水位分布圖

3.3 Z正向沖擊結果

在重力及Z正向加速度作用下，接水盤內的水上升至最高點時各區域冷凝水的水位分布見圖8。

圖8 Z正向加速度作用下接水盤內各區域冷凝水的水位分布圖

從圖8可以看出，接水盤沿Z軸正向的端部無水溢出，經計算，冷凝水距離接水盤頂部余量約3 mm。

3.4 Z負向沖擊結果

在重力及Z負向加速度作用下，接水盤內的水上升至最高點時各區域冷凝水的水位分布見圖9。

從圖9可以看出，接水盤沿Z軸負向的端部無水溢出，經計算，冷凝水距離接水盤頂部余量約3 mm。

圖9 Z負向加速度作用下接水盤內各區域冷凝水的水位分布圖

根據以上仿真結果可以看出，接水盤寬度方向在轉彎制動時不會有冷凝水溢出，但端部有溢出風險，在詳細設計階段可將接水盤端部加高至70 mm左右，使冷凝水在接水盤端部距離上沿高度約20 mm，保證接水盤中冷凝水不會在制動時溢出。