高速列車運(yùn)行時(shí)車體傳熱系數(shù)K值研究

吳靖陽(yáng),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(yáng)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(biāo),對(duì)于列車靜止車體傳熱系數(shù)K值和低速運(yùn)行時(shí)車體傳熱系數(shù)K值國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了深入研究[1-6]。隨著國(guó)內(nèi)高鐵行業(yè)的迅速發(fā)展,列車運(yùn)行速度越來(lái)越高。高速列車運(yùn)行時(shí)的隔熱保溫性能,尤其是高速(≥200 km/h)運(yùn)行時(shí)的保溫性能,對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗有著重要影響。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)軌道車輛整車空調(diào)系統(tǒng)能耗計(jì)算和測(cè)試方法雖然有了廣泛的研究[7-11],但缺乏高速運(yùn)行時(shí)車體傳熱系數(shù)K值對(duì)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(duì)象,通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到中間車靜止時(shí)和不同運(yùn)行速度(0～380 km/h)時(shí)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(duì)整車空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響。

1 研究對(duì)象

本文選取某高速列車中間車作為研究對(duì)象。高速列車車體的維護(hù)結(jié)構(gòu)由多層不同的材料組成,起隔熱降噪作用。維護(hù)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(yùn)行條件下的車體傳熱系數(shù)K值,并分析對(duì)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(guò)數(shù)值計(jì)算得到鋁合金型材綜合傳熱系數(shù),并對(duì)部分鋁合金型材部件綜合傳熱系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)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(duì)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(shí)的車體傳熱系數(shù)K值;

(3) 計(jì)算求得各種時(shí)速運(yùn)行下中間車外表面綜合換熱系數(shù);

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

(5) 在中間車各運(yùn)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(duì)整車空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響。

3 列車靜止時(shí)車體傳熱系數(shù)K值計(jì)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(duì)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(duì)流換熱的共同作用影響。

對(duì)典型鋁合金材料建立物理模型,參照車窗隔熱性能試驗(yàn)室的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,得到通過(guò)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(duì)鋁合金型材部件進(jìn)行物理模型建立之前,需要對(duì)眾多鋁合金型材進(jìn)行對(duì)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(shí)際物理建模計(jì)算時(shí)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(jìn)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(gè)傳熱過(guò)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(duì)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(duì)流換熱是基于質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及能量守恒方程。傳熱過(guò)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(lái)離散微分方程,用含有有限個(gè)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(wèn)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(guò)鋁合金型材高、低溫壁面?zhèn)鬟f的平均熱量,其計(jì)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(guò)鋁合金型材高、低溫壁面?zhèn)鬟f的平均熱量,W;h為自然對(duì)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(jìn)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(yàn)室進(jìn)行了綜合傳熱系數(shù)試驗(yàn),為了讓仿真計(jì)算的模擬結(jié)果與試驗(yàn)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[12],車窗隔熱性能試驗(yàn)室的高溫間平均溫度為(32.5±0.5) ℃,模擬計(jì)算時(shí)取平均溫度32.5 ℃;低溫間平均溫度為(7.5±0.5) ℃,模擬計(jì)算時(shí)取7.5 ℃。通過(guò)數(shù)值計(jì)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(jì)算結(jié)果 W/(m2·K)

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性,結(jié)合實(shí)際情況,在車窗隔熱性能試驗(yàn)室分別對(duì)第3種和第4種鋁合金型材樣件進(jìn)行了隔熱性能試驗(yàn),試驗(yàn)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(yàn)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(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差百分?jǐn)?shù)為0.86%,第4種鋁合金型材綜合傳熱系數(shù)的模擬計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差百分?jǐn)?shù)為11.7%。因此,可以肯定物理模型簡(jiǎn)化的合理性以及計(jì)算方法的正確性,計(jì)算結(jié)果可以使用。

3.3 車體冷橋

車體冷橋?yàn)檐圀w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(hù)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(guò)了簡(jiǎn)單地按其截面積計(jì)算所得的數(shù)值。因此,整車綜合傳熱系數(shù)的計(jì)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(guò)的圓弧界面簡(jiǎn)化為線段界面;

(4) 將結(jié)構(gòu)分成若干單獨(dú)研究計(jì)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?yán)錁蚍治稣现蠓譃?種:行李架底座冷橋、地板減振器冷橋、頂板固定點(diǎn)冷橋、頂板內(nèi)布管布線冷橋、風(fēng)道固定點(diǎn)冷橋、行李架外端冷橋以及型材地板冷橋。

采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法對(duì)以上冷橋進(jìn)行計(jì)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(biāo)準(zhǔn)。冷橋熱流密度計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 冷橋熱流密度計(jì)算結(jié)果 W/m2

3.4 整車靜止時(shí)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(jìn)行整車靜止時(shí)的車體傳熱系數(shù)K值計(jì)算。計(jì)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(duì)計(jì)算機(jī)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(zhǎng)度方向?qū)④圀w分為由3個(gè)等長(zhǎng)基礎(chǔ)單元來(lái)構(gòu)成的整車車體傳熱系數(shù)K值計(jì)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(wú)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(guò)數(shù)值計(jì)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(shí)的車體傳熱系數(shù)K值為:1.168 W/(m2·K)。

4 列車運(yùn)行時(shí)車體傳熱系數(shù)K值計(jì)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(yùn)行時(shí),其車體傳熱系數(shù)K值與靜止時(shí)最大的不同為中間車外表面綜合換熱系數(shù)。

對(duì)于運(yùn)行時(shí)速200 km以下的列車,中間車外表面綜合換熱系數(shù)可按標(biāo)準(zhǔn)TB 1951—1987《客車空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)》[14]中提供的公式進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式如下:

h1=9+3.5V0.66

(5)

式中:V為列車運(yùn)行的速度,km/h。

對(duì)于運(yùn)行時(shí)速200 km以上(含時(shí)速200 km)的列車,可通過(guò)大渦數(shù)值模擬方法得到各運(yùn)行速度下高速列車中間車的外流場(chǎng)分布,進(jìn)而推導(dǎo)出不同運(yùn)行速度時(shí)中間車外表面綜合換熱系數(shù),如表6所示。

表6 不同運(yùn)行速度時(shí)中間車外表面綜合換熱系數(shù)

在中間車靜止時(shí)車體傳熱系數(shù)K值、不同運(yùn)行速度時(shí)中間車外表面綜合換熱系數(shù)已知情況下,通過(guò)對(duì)流換熱計(jì)算公式得到中間車不同運(yùn)行速度時(shí)的車體傳熱系數(shù)K值。

4.2 時(shí)速350 km 運(yùn)行時(shí)的車體傳熱系數(shù)K值

按照靜止時(shí)車體傳熱系數(shù)K值的計(jì)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(yùn)行速度時(shí)中間車車體傳熱系數(shù)K值。通過(guò)數(shù)值計(jì)算可得表7數(shù)據(jù)。

表7 時(shí)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(shí)速350 km運(yùn)行時(shí)的車體傳熱系數(shù)K值為1.350 W/(m2·K)。

4.3 其他運(yùn)行速度時(shí)車體傳熱系數(shù)K值

其他運(yùn)行速度時(shí)的車體傳熱系數(shù)K值可參照時(shí)速350 km中間車進(jìn)行計(jì)算。對(duì)時(shí)速低于200 km的車體傳熱系數(shù)K值進(jìn)行計(jì)算時(shí),中間車外表面綜合換熱系數(shù)可按公式(5)計(jì)算,對(duì)時(shí)速高于200 km的車體傳熱系數(shù)K值進(jìn)行計(jì)算時(shí),中間車外表面綜合換熱系數(shù)取自表6。經(jīng)計(jì)算,不同運(yùn)行速度時(shí)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(yùn)行速度變化曲線如圖3所示。

表8 不同運(yùn)行速度時(shí)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(yùn)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(lái)越小。高速列車中間車靜止時(shí),車體傳熱系數(shù)K值為1.168 W/(m2·K),運(yùn)行時(shí)速380 km時(shí),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(shí),以35 ℃工況為例進(jìn)行分析。外溫35 ℃時(shí),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(yàn)》[15],車內(nèi)設(shè)定溫度為27 ℃。在該工況下,通過(guò)車體傳遞的熱量見表9。

表9 35 ℃工況下通過(guò)車體傳遞的熱量

由表9可知,在中間車靜止時(shí)通過(guò)車體傳遞的熱量為2 268 W,運(yùn)行時(shí)速380 km時(shí)通過(guò)車體傳遞的熱量為2 623 W,通過(guò)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(jì)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(shí),以-10 ℃工況為例進(jìn)行分析。外溫-10 ℃時(shí),參照EN 13129:2016 標(biāo)準(zhǔn),車內(nèi)設(shè)定溫度為22 ℃。在該工況下,通過(guò)車體傳遞的熱量見表10。

表10 -10 ℃工況下通過(guò)車體傳遞的熱量

由表10可知,在中間車靜止時(shí)通過(guò)車體傳遞的熱量為9 071 W,運(yùn)行時(shí)速380 km時(shí)通過(guò)車體傳遞的熱量為10 492 W,通過(guò)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(yùn)行速度變化時(shí),車體傳熱系數(shù)K值變化,最終會(huì)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(guò)車體傳遞的熱量隨著運(yùn)行速度的增大而增加,但增幅較小。與靜止?fàn)顟B(tài)對(duì)比,高速列車高速運(yùn)行時(shí)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(jì)算并研究了高速列車車體傳熱系數(shù)K值。綜合全文的計(jì)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(yùn)行速度變化時(shí),車體傳熱系數(shù)K值會(huì)隨之變化。高速列車運(yùn)行速度增大時(shí),車體傳熱系數(shù)K值增大,并且隨著運(yùn)行速度的增大,車體傳熱系數(shù)K值增加幅度減小。

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

高速列車以時(shí)速380 km運(yùn)行時(shí),相對(duì)于靜止?fàn)顟B(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(yùn)行時(shí),應(yīng)更注重列車的氣密性。雖然列車高速運(yùn)行時(shí),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(guò)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(yùn)行時(shí),空氣滲漏容積、新風(fēng)量以及空調(diào)機(jī)組冷凝風(fēng)量都是變化的,這些參數(shù)與運(yùn)行速度之間的關(guān)系,以及對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響是今后研究的重點(diǎn)和方向。