铁路客车空调系统送风均匀性的研究

张延光

中车唐山机车车辆有限公司

摘要:随着国家交通技术水平的不断提升,铁道交通运输方式也发生了巨大的改变,在传统铁道旅客列车的运营过程中,空调系统是不可或缺的一项关键组成部分,不过传统的空调系统往往出现送风不平衡的问题。为此,本篇针对这一问题,对传统的铁道旅客列车空调系统中送风不均匀的成因做出了详尽的解析,同时阐述了静水压力送风道的基本构造,对各种型式的静水压力送风系统进行了送风均匀性试验,并进一步剖析送风不均匀的成因,并指出了提高静水压力送风系统输送均匀性的对策,期望为完善传统轨道旅客列车空调系统提供有用依据。

关键字:铁路客车;空调系统;送风;均匀性

1铁路客车空调系统概述

1.1空调通风系统的作用

经空调机组加工过的压缩空气输入客室,并将压缩空气均匀分派到客室内,而且还可将客室内产生的污浊空气排放客室外,从而使客室内空气质量参数达到良好设计的要求,并用于调节列车内部温度、湿度、二氧化碳浓度、洁净度等舒适度参数。客室内空气质量的优劣直接影响着乘客的舒适度,以及空调设备为铁路客车带来的经济效益。

1.2空调通风系统的组成

空调系统主要有空调机组、送风系统、回风系统、废排装置、加热装置、自然通风装置等几大部分组成。

1.2.1空调机组

空调机组主要分为单元式及分体式两中，主要功能包括供应新风，制冷，加热，新风、回风、混合风的过滤。

1.2.2送风系统

1.2.2.1送风道的作用

把空调机组通过制冷器以及加热器加工后的压缩空气送入客室内,而空调通风系统的送风道和送风口又是调通风系统中比较关键的部分,因此客室内温湿度的品质主要取决于各送风口的送风量能否相等。以前我国空调通风系统比较广泛的使用风口风量调整装置,但由于操作不方便等原因,无法发挥相应的调节功能,因而经常面临着室内空气温度沿高空和车长走向温度偏差较大的现象。后续,经过四方所的研究实验,形成了条缝式平衡送风道,从而达到了比较满意的良好效果。现在中国生产的客机上已基本使用了此种静压型式的送风道。静水压力风道主要由主风道和静水压力箱构成,送风口沿车厂走向为连接或切断空气的均匀条缝。

1.2.2.2送风原理

空调机组的风机将风直接流入主风道,并在沿着主风道前进的过程中,再通过主风道出口处流入静水压力箱,因为在静水压力箱内的气压平衡效应,导致了在主风道中各个截面上带有不同静水压力值的空气在静水压力箱内中进行平衡,从而产生相应的静水压力值,将带有该静水压力值的压缩空气通过在条缝送风口装换成动压,并实现以相应的流速射出,从而实现了平衡输送的目的。

1.2.3自然通风装置

卫生间及贮藏空间等为了提高室内空气的质量,需设置自然通风装置。在客车工作时,可在通风器的上下形成部分真空,车内压缩空气通过调节装置的缺口流出车外。

1.2.4回风口过滤装置

车辆内的压缩空气,通过负压经过回风口及回风过滤装置等设备后流入空调机组内，与送风系统形成回路来保证客室空气舒适性。

1.2.5废排装置

为平衡系统内的气压,把室内污浊的空气排除到室外,在车体设置废排装置。

2空调系统静压送风道的结构

静水压力送风道主要由主风道和静水压力箱构成,静水压力风道的截面构造见图一。空调机组的风机将压缩空气垂直输送到主风道,在主风道内,压缩空气经由主风道出口处(一般为条缝式)流入静水压力箱内,静压箱的压缩空气在静态压力的影响下,经送风口射出,并以此实现平稳输送的效果目的[1]。静压送风道的结构也有很多种类型,例如:主风道在中心，静压箱在两侧（图1），主风道在两侧，静压箱在中间（图2）。主风管的出风口（连接到静压箱）通常是沿横向和纵向的连续条缝。静压箱的供气口也可设计为沿横向和纵向的连续条缝，或沿横向和纵向的不连续条缝或小供气口，或可在静压箱上安装孔板（图2）。设置在静压箱上的出风口可直接垂直送入隔室，或在出风口处连接短风道，再连接长出风口送入室内，如图1所示。

图1

图2

3空调系统静压送风道送风均匀性的测试

3.1送风均匀性的测试

3.1.1A厂二等座车空调输送控制系统也使用了静水压力风道,结构型式如图二所示,其二端为风道,中部为静水压力箱,在静水压力箱的下部装有孔板输送机,孔板宽度为零点七m,称输送控制系统ⅰ。在现场测试中,利用热球风速计在车顶孔板下约零点零三m处测定了各处的最大风速数值[1],测点的范围是沿直径方向共选择了三十二个实测截面,其中第一截面距离最二位端内端墙零点二m,其后每隔零点六米选择了一个实测截面。在最中心部位选择一个测点,在二端距最中心零点三m处各选择一个测点,即在每个受测断面内选择三个受测点,32个截面共九十六个测点。

3.1.2B厂的二等座车空调送风系统也采用相同的静水压力风道设计,在车顶设置了上下二个孔板[2],两个孔板的中心间距约为145米。孔板上的静水压箱内设有12个空调出风口，每个座间中心设有一个空调出风口。该系统称为供气系统II。测量点通常取在出风口的相应位置。例如，在空调每个出风口的孔板上取三个测点，即空调24个出风口共取72个测点。

风道送风口送风不均匀性系数:

r=(V - Vp)/Vp

3.1.3C厂K 164硬座动车组空调系统采用y 25静压送风回路（结构见图1）。短管与静压箱连接后，与狭缝送风口连接。其静压风路控制系统又称送风控制系统三，因此，列车中央空调系统设有两套独立的进风、送风和回收系统，两台中央空调机组从风道两端依次输出至中心。两条气路的边界不是分离的，而是相互连接形成一个整体。风路由十条单独的风路组成，每条风路连接在一起。送气控制系统三与控制系统1、控制系统二对比做了较大修改,即在静压力箱内设置了隔板(隔板上有适当尺寸的孔,使静压箱内部互相贯通),并在主体风路的第1、2节内设置了高度八十毫米和六十毫米挡板。对该送风系统,在送风道性能试验台上开展了试验。由于该风道为条缝送风口处,用KA21型热球风速计可以直观从条缝送风口处测定风力。在试验中,将各节风道编码,各节风道上分为左边风口和右边风口,每风口处又包括了内条缝和外条缝,从每条缝取十二个测量点,连测三遍后取平均值。

3.2测试结果分析

从测量的数据分析,3种中央空调输送控制系统均是在靠近发电机组的第一个送风口处风力较小,这是由于主风道内输送速率较高,而静压则较低所导致的。为解决这一缺陷，可在主风管的始端加设挡板（包括送风系统三的第一、二风管），以改变主风管内的静压分布，使静压分布更加平衡。

据C厂测出的数据分析结果,在送风系统的三个主风管中设置挡板，可显著降低单侧送风量减少的影响程度。送风管开始处的空气不均匀分布系数r值从挡板末端的r=-0.25变为r=-0.04，增加了空气传输的均匀分布。如果在送风系统的三条主风管中增加挡板，则一侧（1~5段风管）的送风不平衡系数的某一值的平均值为0.07，而在主风管中没有挡板的一侧(第6~10节风道)的送风不均衡性系数一定值的平均数为零点一八,由此可见,随着在主风道内加了挡板,使主风道内的静压分配更趋均衡,送风不均衡性系数一定值的平均数也从零点一八减小到了零点零七,从而基本上保持了送风的均衡性,效率也较好。

从图2可以看出，当在静水压罐下方安装孔板供风时，孔板与静水压罐底层之间形成稳定层（系统I中的稳压层厚度为100mm）。稳定层起到均压作用，对运输的顺利进行非常有利，但图2中平衡层的结构不是很科学合理，因为静水压罐底板上的空调出水管正对着孔板，其平衡层厚度仅为100微米左右，而在静压箱出口的射流直吹孔板上，对稳定层所起的均压影响并不大,在这个情况下,空气输送的稳压程度,主要取决于与静水压力箱静压的平衡程度。其实,只要合理设计好了稳压层,送风的平顺性将会更佳,也因此,就省去了静水压力箱的最底部,把孔板直接作为静水压力箱的底部,则静水压力箱(相当于稳压层)的断面体积增加,平稳程度也增加。

送风控制系统一的送风不均匀性系数一定值的平均数为0.15(含全部测点),送风控制系统二的送风不均匀性系数一定值的平均数为0.26(含全部测点)。送风控制系统图一为国家标准的孔板送风控制系统,可见,孔板送风的平顺性要好一点.

4结语

综上所述,我们综合了以下一些问题,首先,传统铁路旅客列车空调输送系统并无法满足均衡输送的要求,客室内温度超过了国家标准允许值。其次,即便通过静水压力送风道的配气,如果主风管中没有挡板，则更难达到平衡送风的目的。但静压送风管主风管有挡板时，送风不均匀系数和绝对误差的平均值约为0.07，基本可以实现均衡输送的目的。而设有挡板后,尽管阻力略有增大[3],但也使输送的一致性获得了很大改善,所以,在主风道内设置挡板的技术措施是相当科学合理的,因此非常需要实际应用。在铁路空调和旅客列车上,由于已有的静水压力送气道主风道内都没有设置挡板,所以建议有关单位在新产品研发时设置挡板。最后，在使用孔板传输电流时，必须合理设计稳压时间层的结构，以实现稳压时间层的均压（稳压）功能。同时，防止出风口直接吹向孔板，以获得更好的输送一致性。但一般来说，孔板输送的一致性较好。

参考文献

[1]王书敖 ,谭越明 1 空调客车均匀送风风道的研制[J ] 1 铁道车辆 ,1992 ,(8) :11～141

[2]莫培杰 1 准高速客车空调通风系统性能试验[J ]1 铁 道车辆 ,1994 ,(7) :13～201

[3]张吉光 ,杨晚生 ,史自强 1 静压送风道空气动力性能 的实验研究[J ]1 流体机械 ,2002 ,31 (7) 1