（光学工程专业论文）单元式空调机组性能试验台分析与改进.pdf

e 宝銮适厶堂童些亟堂位途塞空童垣噩 中文摘要 摘要：本文在分析铁路客车单元式空调机组结构、工作原理和性能特点的基础上， 分析了空调机组检修试验过程中存在的问题，指出现有空调机组性能试验台测试 方法及测试内容不能反映其工作特点，导致试验结果的可信度降低，不能满足检 修试验需要。 论文就空调机组试验时的试验参数测量、模拟风速试验、变工况试验及空调 机组的智能模型等问题进行了研究，提出了许多新的观点和方法。根据目前空调 机组性能试验台存在的问题，对空调机组检修试验新方法或试验规范进行了探讨。 关键词：单元式空调机组；检修；试验 分类号：u 2 7 0 e 塞銮适厶芏童些亟至位迨奎旦s 工垦! a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h i st h e s i sa n a l y s e ss t r u c t u r e s ，w o r k i n gp r i n c i p l e sa n dp e r f o r m a n c e c h a r a c t e r so fa i r - c o n d i t i n nu n i t si nc e i l sa b o u tr a i l w a yc a r r i a g e s o nt h o s eb a s e s ，i t a n a l y s i st h ee x i s t i n gp r o b l e m si nt h et e s tc o u r s e so fe x a m i n a t i o n sa n dr e p a i r sa b o u tt h e a i r - c o n d i t i o nu n i t si nc e i l s t h et e s tm e t h o da n dc o n t e n tc a n n o tr e f l e c tt h er e a lw o r k i n g c h a r a c t e r sw i t ht h ee x i s t e dt e s t - b e d ，w h i c hr e d u c et h er e l i a b i l i t yo f t h et e s tr e s u l t s t h u s i tc a n n o ts a t i s f y t h er e q u i r e m e n to f t e s t s t h i st h e s i sg o e st h r o u g hs t u d i e si nt h ef o l l o w i n ga s p e c t sa b o u ta i r - c o n d i t i o nu n i t s i nc e l l s ：m e a s u r e m e n t so ft e s tp a r a m e t e r s ，s t i m u l a t i o n so nw i n ds p e e dt e s t ，t e s tu n d e r c h a n g i n gc a s e s ，a p t i t u d em o d e l so fc e l l a i r - c o n d i t i o nu n i ta n ds oo n b r i n gf o r w a r d s o m en e wv i e w p o i n t sa n dm e t h o da b o u tt e s t s a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gp r o b l e m so f t e s t b e do na i r - c o n d i t i o nu n i ti nc e i l s ，m a d es o m ed i s c u s s e so nt h en e wt e s tm e t h o da n d p r i n c i p l e s k e y w o r d s ：a i r - c o n d i t i o nu n i t si nc e l l s ，e x a m i n a t i o n sa n dr e p a i r s ，t e s t s c l a s s n o ：u 2 7 0 致谢 本论文的工作是在我的导师刘志明教授的悉心指导下完成的，刘志明教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 刘志明老师对我的关心和指导。 吴国栋高工对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李铁刚、刘建伟、许安国等同学对我论文中 的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢妻子孟庆艳，她的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 基 銮迪盔堂童些亟堂焦迨塞庄 序 随着我国经济的蓬勃发展，人民生活水平不断提高，国际交往日益增多，外 贸和旅游业日趋兴旺，铁路客运量在不断增加，同时也对客车内的空气条件提出 了越来越高的要求。客车空调机组是铁路客运空调化的主要设备之一，其作用是 在车内创造卫生、舒适的车内热环境，以保证旅客的身体健康，减少旅途中的疲 劳。世界上工业比较发达的国家，早在上个世纪三十年代就已开始使用空调客车， 五十年代比较普遍，六十年代得到了大量发展。 七十年代末，我国开始进口单元式空调机组，压缩机采用全封闭式压缩机 1 9 8 0 年从原民主德国进口的2 4 型空调客车，采用的是m a b i i 型空调机组、开启 式压缩机。九十年代前后，随着铁路客车空调的飞速发展，车顶单元式空调机组 的产量逐年增加 单元式空调机组自8 0 年代在我国投入使用以来，经历了仿制、自行设计和新 品研发的阶段。仿制阶段主要针对国外样机进行仿制，迈出了国产1 6 8 辆空调车 及相应的空调机组制造步伐。空调机组性能基本满足使用要求。但比较而言，t b 存在一些问题或出现了一些新的问题。例如，由于部件材质差别导致制冷能力降 低，冷凝水排水不畅，表面易腐蚀等。仿制积累经验后，国内开始自行设计。这 主要以石家庄国祥、广州冷冻机厂、上海哈根诺克公司、长春客车厂等单位为主， 有关高校也参与了部分工作。主要对通风机匹配、换热器匹配等进行了研究和设 计，也结合我国铁路客车运行环境条件对空调机组性能影响进行了研究。已装备 在2 5 g 、2 5 k 等空调车的空调机组性能基本上反映了这种技术水平。在满足使用功 能的基础上，科研和生产部门己着手从节能、调节特性和功能增强等方面进行研 究，已经有采用新型压缩机( 如涡旋压缩机) 、新型工质( 如r 1 3 4 a ) 和变频控制 技术的新型空调机组投入使用，使国产空调机组性能迈上了一个新的台阶，缩小 了与发达国家同类产品的差距。并已着手进行空调舒适性研究。 e 立至堑盔堂童些亟堂位途塞! ：i i 蛊 1 1 铁路客车空调的发展概况 1 引言 随着我国经济的蓬勃发展，人民生活水平不断提高，国际交往日益增多，外 贸和旅游业目趋兴旺，铁路客运量在不断增加，同时也对客车内的空气条件提出 了越来越高的要求。客车空调机组是铁路客运空调化的主要设备之一，其作用是 在车内创造卫生、舒适的车内热环境，以保证旅客的身体健康，减少旅途中的疲 劳。世界上工业比较发达的国家，早在上个世纪三十年代就已开始使用空调客车， 五十年代比较普遍，六十年代得到了大量发展。 我国自行设计、制造空调客车始于五十年代。1 9 8 0 年四方机车车辆厂设计制 造出第一列空调客车，填补了我国空调车制造业的空白。到七十年代末，相继由 四方机车车辆厂、长春客车车辆厂、浦镇客车车辆厂等设计制造了1 8 型空调客车、 “广九”空调客车和2 5 5 米干线空调客车。这个时期，空调客车主要是采用分装 式空调装置，压缩机采用开启式活塞压缩机，或者半封闭式活塞压缩机。1 9 8 0 年 从原民主德国进口的2 4 型空调客车，采用的是姒b i i 型空调机组、开启式压缩机。 七十年代末，我国开始进口单元式空调机组，压缩机采用全封闭式压缩机。 根据日本单元式空调机组特点，并结合我国实际情况，进行仿制改进，先后生产 制造了c k 2 0 、l c k 2 0 、l c k 2 5 、l c k 3 5 、k l d 一2 9 、k l d 一4 0 等型式的单元式空调机组。 九十年代前后，随着铁路客车空调的飞速发展，车顶单元式空调机组的产量 逐年增加。经多年运用，不断改进，现已成为我国铁路干线空调机组的主要型式。 目前，生产客车车顶单元式空调机组的企业共有四家：上海哈格诺克冷气机有限 公司( 1 9 9 5 年上海冷气机厂与德国合资) 、广州冷冻机厂、石家庄国祥制冷设备有 限公司( 1 9 9 2 年石家庄车辆厂与台湾合资) 及长春客车厂电器有限公司。其中前 两家生产的时间较长，后两家分别于1 9 9 t 年和1 9 9 3 年开始生产。据不完全统计， 1 9 8 1 1 9 9 3 年的1 3 年间，新造空调机组约2 0 0 0 台；1 9 9 3 年后增长迅速，1 9 9 4 年 生产1 1 0 0 多台，1 9 9 5 年生产2 3 0 0 多台，1 9 9 6 年生产3 0 0 0 多台，1 9 9 7 年与1 9 9 6 年产量相当。到上世纪末，全路每年至少有1 6 0 0 0 台空调机组在运用。其中k l d 2 9 型和k l d 4 0 型空调机组数量最多，约占9 0 以上。其余为k l d y 4 0 型和k l d p 4 0 型。 根据铁道部关于客车空调机组三机检修规程的规定“】，该类机组的大修期为六 j e 巫至遵盔堂皇些亟芏位迨塞! ：i ! 宣 年，中修期为两年。早、中期投入运用的客车空调机组陆续进入大中修期，并且 数量逐年增加。由于我国地域辽阔，客车运行区间跨度大，南北地形、气候差异 大，车上乘客数量不稳定性，使客车空调机组在室内外条件剧烈变化的状况下长 时期运行；此外，随着铁道部对旅客列车三次提速，使列车运行速度大幅度加快， 客车高速行驶时，车体两面的压力升高，穿越隧道时，还有“活塞效应”，加上客 车运行中的振动，开停时的惯性作用，所有这些因素都恶化了客车空调机组的运 行条件，使客车单元式空调机组的故障发生率远高于一般的家用空调器。2 0 0 0 年 以后，每年有2 6 0 0 多台机组需进行大修。因此，客车空调机组的检修任务相当繁 重，而在夏季空调使用高峰期，这种现象更加突出。为提高检修效率，确保空调 机组的运行状态良好，在实施大中修程时，需严格依据铁路客车单元式空调机 组试验方法( t b t 2 4 3 2 9 3 ) ”1 对检修后的空调机组进行试验，测试空调机组的制 冷量，以确定检修后机组的技术状态，因此，各检修现场需配备相应的检修试验 设备。同时，新造机组的出厂检验也需要这类试验设备。 1 2 单元式空调机组性能研究的现状 单元式空调机组自8 0 年代在我国投入使用以来，经历了仿制、自行设计和新 品研发的阶段。仿制阶段主要针对国外样机进行仿制，迈出了国产1 6 8 辆空调车 及相应的空调机组制造步伐。空调机组性能基本满足使用要求。但比较而言，t b 存在一些问题或出现了一些新的问题。例如，由于部件材质差别导致制冷能力降 低，冷凝水排水不畅，表面易腐蚀等。仿制积累经验后，国内开始自行设计。这 主要以石家庄国祥、广州冷冻机厂、上海哈根诺克公司、长春客车厂等单位为主， 有关高校也参与了部分工作。主要对通风机匹配、换热器匹配等进行了研究和设 计，也结合我国铁路客车运行环境条件对空调机组性能影响进行了研究。已装备 在2 5 g 、2 5 k 等空调车的空调机组性能基本上反映了这种技术水平。在满足使用 功能的基础上，科研和生产部门已着手从节能、调节特性和功能增强等方面进行 研究，已经有采用新型压缩机( 如涡旋压缩机) 、新型工质( 如r 1 3 4 a ) 和变频控 制技术的新型空调机组投入使用，使国产空调机组性能迈上了一个新的台阶，缩 小了与发达国家同类产品的差距。并已着手进行空调舒适性研究【6 】【1 0 】【1 2 】。 e 立至丝盔鲎童些亟堂位迨塞! ：l 盏 1 3 单元式空调机组结构与性能特点 单元式空调机组主要安装在车顶部，受安装空问高度限制，机组结构非常紧 凑，如图1 - 1 所示。 图1 - 1 单元式空调机组外形图 空调机组由两套制冷系统组成。共用一套蒸发器。采用全封闭压缩机，冷凝 器和蒸发器均为翅片管式结构，两套冷凝器倾斜放置，冷凝风机吸风后通过冷凝 器压出。从车厢引入的回风经空调机组回风口引入，与机组新风混合后经蒸发器 处理，送客室内。空气处理过程为一次回风空调系统。其夏季过程焓湿图如图1 2 所示，夏季空气过程中，蒸发器向被处理空气提供冷量，使被处理空气降焓减湿， 同时温度降低，送入客室内的空气吸收客室内热湿负荷后再进入室调机组循环。 在冬季，空调机组具有电加热。主要通过加热送风空气来提高客室温度。在热泵 型空调机组中，冬季可用压缩机进行制热，完成逆卡诺循环。这种加热效率较高。 目前已有少量空调机组具备此功能。仅使用电加热的空调机组冬季空气处理过程 如图1 3 。 图1 - 2 夏季过程焓湿图 图1 3 冬季过程焓湿图 e 塞銮适叁堂皇、业亟堂焦迨塞! ：i 盏 1 4 研究的目的及主要研究内容 随着铁路客车车辆的飞速发展，空调机组检修要求越来越高，必须对此进行 系统和深入研究。本文拟针对铁路客车单元式空调机组性能测试中存在的问题进 行研究。从空调机组的特点入手，分析现行空调机组性能试验的现状，结合运输、 运用的新要求，探讨适合目前空调机组检修的新技术、新方法。既有利于提高空 调机组性能测试的技术水平，又有利于完善测试标准，满足铁路客车空调机组检 修试验需要。 4 夏銮道厶鲎主、业亟堂位迨塞2 窒塑扭组壁篮达墼直选盈筮近 2 1 试验工况 2 空调机组性能试验方法及分析 按惯例而言，空调机组性能试验均在一些规定的试验工况下进行，如下表所 示，有名义制冷工况、最大负荷制冷工况、低温工况、凝露工 况【2 1 。 表2 - 1 空调机组性能试验规定的试验工况 室内傻隧气参数室外侧进气参数 试验项目 干球温度湿球温度干球温度湿球温度 名义制冷工况2 92 33 5 最大负荷制冷工况 3 2 52 6 4 0 低温工况 2 11 5 52 11 5 5 凝露工况 2 72 12 72 1 规定试验工况后，空调机组的型式试验、出厂试验及运行检修试验等均可统 一在规定的工况下，其试验结果有可比性。但在非规定工况下的试验仍有重要意 义，本文将在后续部分展开论述。 2 2 试验方法 空调机组性能试验包括制冷量试验、电气性能试验、机械性能试验、风量及 噪声试验。在空调机组使用过程中，涉及到的试验主要是制冷量试验、风量及噪 声试验、电气性能试验，而噪声试验、电气参数试验相对而言简单，制冷量试验 较为复杂。 制冷量是一个热工参量，实质是热量。空调机组进行制冷量试验时，实质是 一个热平衡过程的现。这个过种所需的时间取决于空调机组的制冷量或出风温度 时间常数及试验系统的热交换参数的时间常数。由于热力过程响应的时间常数较 大。使得制冷量测试过程延长。此外，制冷量是一个多参数关联的复合参数，以 测量量的角度而言，是一个间接测量参数，因此，制冷量试验的复杂程度较高。 空调机组制冷量试验方法主要有：( 1 ) 空气焓差法；( 2 ) 热平衡法。空气焓 差法是测量制冷侧( 即蒸发器) 进出风焓差与风量之积，得到制冷量。热平衡法 e 夏至迪厶堂童些亟堂位迨塞2 窒迥扭组眭篚这笙直鎏丛盆垣 是通过用加热量抵消空调机组制冷系统的制冷量，并将测得的加热量数值，视为 机组的制冷量数值。热平衡法测量制冷量的过程中漏热损失修正较难且系统较复 杂，所以，在空调机组制冷量测试过程中常采用空气焓差法。 在制冷量测试系统中，由于制冷量测试的复杂性。所以，测试方法中往往要 求采用主测量方法和辅助测量方法。用辅助测量方法校核主测量方法的结果，来 评判测试结果的准确性。一般空调机组制冷量试验按以下方法进行【2 1 ： 主测量方法：室内测空气焓差法。 辅助测量方法：室外测空气温差法。 室外测空气温差法通过测量室外侧热负荷、机组功能等，再得到制冷量。 2 3 试验装置的布置 2 3 1 风洞式空气焓差法 布置原理见图2 1 。被试机组放在室外侧试验室内，在机组室内侧空气出口处 安装一套空气流量测量装置。该装置将空气直接排入室内侧试验室，在试验室内 采用适当方法保证机组的进气参数。 图2 - l 风洞式空气焓差法布置原理图 e 丞至适丕主童些亟堂焦诠塞! 窒逦扭组蛙篮这些直鎏盈佥蚯 2 3 2 环路式空气焓差法 布置原理见图2 2 。测试环路必须密闭，使影响容量测定的各处的空气渗漏不 超过空气流量试验值的1 o 。 图2 - 2 环路式空气焓差法布置原理图 2 3 3 房间空气焓差法 布置原理见图2 3 。空气流量测量装置接在机组的空气出口处，通过空调装置 保证机组的进气参数。设备周围的空气干球温度必须保持在试验所需要的进口干 球温度值2 8 。c 之内。 7 e 巫窑煎丛生童、业亟堂僮迨塞2 窒遢扭组丝篚达验直鎏丛筮监 图2 3 房间空气焓差法布置原理图 上述不同方法下的试验装置的布置。其核心内容包括：( 1 ) 分隔成室内侧与 室外侧两部分，并且应对其工况可控制调节，( 2 ) 室内侧与室外侧风量测量与调 节，( 3 ) 相关参数的测量。 一般而言，应有一问室内侧试验房间，房间内应能创造与机组正常运行的相 同的温湿度和风量等条件，房间的测试条件应保持在允许的范围内，试验时空调 机组附近的空气流速不应超过2 5 m s 。应有一间外侧试验房间，房间具有足够的 容积，房间内应能创造与机组正常运行相同的温湿度及风量等条件，房间除安装 要求的尺寸关系外，机组的空气排出侧与房间墙距不少于2 m ，机组其它表面和房 间墙距不少于l m 。 2 4 试验参数的测量 2 4 1 温度测量 ( 1 ) 室内侧温度测量应按下列方法进行： 风道内温度测量应采用温度取样装置，采样器布置在风道横断面上，该面与 a e 巫銮道盔堂：芏些亟堂位迨塞!窒塑担组挂能选笙左选霆坌近 被试机组的进、出风口的距离为1 5 c m ，在测量处和试件之间连接风道及各连接段 应进行隔热，通过连接管的漏热量应不超过被测值的1 o 对没有试验风道的温度测量，应在测量断面上布置足够的温度测点( 不少于6 点) 或加接短风道采用取样方法进行，测量断面应在大约距离试件空气入口或出 口处1 5 c m 的地方。 ( 2 ) 室外侧温度测量应按下列方法进行： 室外侧空气进、出口处的温度应在机组室外侧空气时、出口处至少取6 个等 距离位置或采用等效果的取样方法进行测量，测量点的温度不应受室外部分排出 空气的影响； 温度测量登记表或取样器位置应在距离室外侧热交换器的表面6 c m 处。 经过湿球温度测量仪表的空气流速应为5 m s 左右，在空气进口和出口处的温 度测量应采用同样的空气流速，空气流速高于或低于5 r n s 的湿球温度测量应进行 修正。 各进风测量断面的平均值应符合试验工况的要求。 2 4 2 空气流量调试与测量 试验中空气流量应可调节，应分别满足额定工况下额定流量和进行风量特性 曲线测试的要求，通常所需流量不超过额定流量，调试方法见下述条款3 。 本方法采用喷嘴装置测量空气流量。 ( 1 ) 喷嘴装置 如图2 4 所示，由一个用隔板分开的进风室和排风室组成，在隔板上装一只或 几只喷嘴。空气从被试机组出来经过风道进入进风室，通过喷嘴、排风室排入试 验房间或通过风道回到被试机组进口。 喷嘴装置及与机组进口的连接应密封，使渗漏空气量不超过被测空气流量的 1 0 。 喷嘴之间的中心距离应不小于较大的一个喷嘴喉部直径的3 倍，从任一喷嘴 的中心至最邻近的排风室或迸风室边墙的距离应不小于该喷嘴喉部直径的1 5 倍。 9 e 蕴垄遁丕芏：量些亟堂位迨塞2 垒塑丑塑睦篮达验左鎏丛佥蚯 图2 4 空气流量调试与测量原理图 扩散挡板在进风室中的安装位置距离隔板至少为最大喷嘴喉部直径的1 5 倍， 在排风室中安装距离隔板位置至少为最大喷嘴喉部直径的2 5 倍。 应安装一台变风量的排风朵和排风室相连以进行风量和压力调整。 通过一只或几只喷嘴的静压将采用一保或几只压力计测量，压力计的一端接 到装在进风室内壁上并与壁齐平的静压接口上。别一端接到装在排风室内壁上并 与壁齐平的静压接口上。应将每一室中的若干个接口并联地接到若干个压力计或 汇集起来接到一只压力计上。如图7 也可用毕托管测量离开喷嘴后气流动压，在 采用两只或两只以上的喷嘴时应使用毕托管测出每一喷嘴的气流动压。 ( 2 ) 计算 通过单个喷嘴的空气流量按下式计算： l p = c ap 乒丽 矿：! ! ! 塑堡 q 七x a hp 式中： o 空气流量，单位为立方米每秒( m 3 s ) ： c 流量系数； o 2 2 e 豆窑堡厶堂童些亟堂位丝塞2 至遢迅组壁篮这丝直选区坌蚯 砷流量喉部面积，单位为平方米( m2 ) h ，喷嘴前后静压差或喉部动压，单位为帕( p a ) ； 喷嘴处空气比容，单位为立方米每千克( m 3 姆) ： 7 ，在喷嘴进口干、湿球温度下标准大所压时空气比容，单位为立方米每 千克干空气( m 3 姆干空气) ； 五p - - 在喷嘴进口处空气含湿量，单位为每千克干空气( k g k g 干空气) ； 爿p 喷嘴前空气压力，单位为帕( p a ) 。 使用多个喷嘴时，总空气量按单个喷嘴的流量之和计算。 ( 3 ) 空气流量调试 读取大气压力。 读取喷嘴前空气干、湿球温度。 当大气压力与标准气压的偏差不超过3 0 0 0 p a 时，睇可认为与0 近似相等。 用试验工况中的设计风量值或所需风量值反算喷嘴前后静压差。 f ， 1 胡。：! ! ：生2 3 。 2 儿 调节试验台风机转速，令喷嘴前后静压差实测等于上式计算值，即完成了空 气流量的调试工作。 2 4 3 静压的测定 空调机组机外静压测量装置按图在机组空气出口处安装一只静压箱，空气通 过静压箱进入空气流量测量装置，静压箱的横截面尺寸应等于机组的出口尺寸。 压力计的一端应与出风静压箱四个取压接口的箱外连通管连接，每个取压接 口均应位于静压箱各壁面的中心位置，与机组空气出口的距离为出口平均横截面 尺寸的两倍，另一端应与2 个进风静压箱取压接口的箱外连接，其取压接口与机 组空气进口的距离为进口平均横截面尺寸的二分之一。 取压接口用内径6 m m 的短管制作，短管中心应与静压箱外表上直径为1 m m 的孑l 同心，孔的边口不应有毛刺和其他不规格的表面。 静压箱、连接风道、空调机组及空气测量装置的连接处应密封，不应漏气。 在机组出口和温度测量登记表之间风道应隔热，防止漏热。 j e 丞至垣厶堂皇、业亟堂位迨塞2 窒塑担组选篮选堕左鎏丛盆蚯 2 5 试验原理 t b 2 4 3 2 9 3 铁道客车车顶单元式空调机组试验方法规定了铁道客车车顶 单元式空调机组制冷量试验方法。为了对机组的性能作出客观评价，t b 2 4 3 - 9 3 规 定了名义制冷工况。在此工况下，空调机组的蒸发器进口空气参数为：干球温度 2 9 c ，湿球温度为2 3 。c ，压力为大气压力，冷凝器进口空气参数为温度3 5 。c 。根 据热力学原理，空气在定压过程中热量增量为其过程始终的焓差，而空气在等含 湿量的变化过程中，热量的增加可通过流量和过程始终的温差来确定，此种试验 台能检测列车空调机组名义工况下的制冷量、功率等性能指标，由此能对机组的 性能作出综合评价。 这里，以环路式客车空调机组性能试验台为例介绍试验台装置的热工原理。 该试验台利用空气焓差法原理即检测通过机组蒸发器空气的焓差及流量来确 定空调机组的制冷量。此即试验台“主测法”的热力学基础。 ( 1 ) 主测法： 蒸发器侧循环风量公式 l l = l 2 4 l = l 式中：i 为喷嘴个数 冷量公式 q = l ( i l - i ：) v 口( 1 + d 。) k w 2 5 ( 2 ) 辅测法： 冷凝风量计算公式 l 。t = f a 。( 2 p , v o ) i 2 2 6 式中：l c i _ 单个冷凝风机风量m 3 s f - - - 流量系数取o 9 8 a o - - - 流量测量装置的断面积m 2 p o - - - 流量测量装置的进口静压p a v c 一冷凝进口空气比体积m 3 k g n 总风量： t = l 。 m 3 s 2 - 7 i m 其中n 为冷凝风机个数 冷凝放热量 q o = l 。c p ( t 4 - t 3 ) v c ( 1 + d ，) k w 2 8 e 塞窑适盔堂主、业亟坐位迨塞2 窒塑扭组丝丝达堕直造丛坌近 式中： c p 干空气比热容1 0 1 k j k g d 。- - - 冷凝进风含湿量k g k g t 3 - - - 冷凝进风温度 t 4 - - - 冷凝出风温度 辅测制冷量 q = o 。一0 9 p k w 其中p 为测得机组的总功率 2 9 e 复銮垣盔堂皇、业亟芏垃丝塞迭堕盔芏窒遢班塑性篚遮墼的挂直 3 1 概述 3 铁路客车空调机组性能试验的特点 铁路客车空调机组在使用过程中，应按铁道部运输局“三机检修规程”要求 进行检修和测试。试验方法原则上按照“铁道客车单元式空调机组性能试验” ( t b f r 2 4 3 2 9 3 ) 标准要求进行，2 0 0 3 年，又提出了“铁道客车空调机组” ( t b 厂r 1 8 0 4 2 0 0 3 ) 标准。其中，附录c “铁道客车空调机组制冷量和制热量( 热 泵型) 试验及计算方法”是目前单元式空调机组性能试验的依据方法。此外，铁 道客车单元式空调机组从广义上说也遵循国家通用的空调机组性能试验方法。 由于铁路客车空调机组定期检修的需要，每台空调机组可能要经过十余次检 修试验。车辆段每年要检修测试数百台空调机组。这种测试频度是罕见的，没有 其它任何工业与民用空调机组能够达到，这是铁道客车空调机组的特有要求。因 此，在客车空调机组检修时，试验与生产效率有着直接的关系。不能完成试验， 空调机组的检修就没有结束，试验时间越长，空调机组的检修效率越低，检修工 作就越被动。针对铁路客车空调机组检修试验进行专门研究，具有十分重要的意 义。 3 2 客车空调机组试验的特点 客车空调机组试验有以下特点： ( 1 ) 机型多，结构差别明显 与制造厂进行型式试验不同的是，车辆段运用空调机组的型号规格很多，如 k l d 9 、k l d 2 9 、k l d 4 0 、l c y 3 5 等多种型号，机组的结构千差万别。有平底前出 风、平底下出风、圆弧底下出风等。在试验台安装连接方面，从理论上说应该按 照每一种结构和型号的空调机组安排专门的连接和安装台架，但实际上无法实现， 只能简化安装和连接。这种简化的做法可能要影响某些机型的测试精度。 ( 2 ) 对试验时问有要求 如前所述，空调机组试验时间应越短越好，一般规定单台空调机组试验时间 2 3 小时，还不包括吊装、连接和拆机等过程的时间。但随着生产任务( 检修) 的 加大( 车辆保有量增加) ，希望单台空调机组的试验时间在l 小时内。 1 4 j e 立奎垣盔堂童些亟兰位途塞迭蹬奎奎窒塑扭组壁能这堕盟拄鏖 ( 3 ) 试验结果要进行比较 空调机组检修试验的目的是为了评判机组制冷量或其它性能的变化。一般地， 将试验的测量结果值与额定值进行对比，用两者相差比例来判断是否检修合格【1 】。 实际工作中，可用作比较基准的制冷量只有额定风量和名义工况下的制冷量数值， 如k l d 4 0 机组的名义制冷量为4 0 7 k w 。由于用作参照的基准值少，故实际检修 试验也只能按照额定风量和名义工况进行试验。在试验台系统上，通道辅助风机 调节作用，达到空调机组的额定风量。而问题是，一旦空调机组自身原因达不到 额定风量的话，那么，试验结果就没有什么意义了。在空调机组实际风量下的制 冷量如何比较，值得进一步研究p 1 。 ( 4 ) 测试结果的准确度 空调机组制冷量测试系统产生的误差的因素较多。如系统误差、测量误差、 粗大误差、随机误差等，均影响测试结果的准确度。系统误差和测量误差( 仪器 误差) 可以通过系统修正予以减小，粗大误差可以通过提高操作人员责任心减小， 但随机误差却难以清除。系统漏热和机组连接处的密封度就是随机误差中的两种， 在试验系统的全年全天候使用过程中，室温可能存在被动，冬季和夏季室温变化 甚至导致漏热方向变化，夏季过程中，系统外部向系统内部漏热，冬季过程中， 系统内部向系统外部漏热。不同试验空调机组与试验系统连接时不可避免地存在 漏风，而且漏风情况不同，导致不可预计的测试误差。 空调机组制冷量测试系统的测试结果准确度如何，是实际工作中经常遇到的 疑问。由于制冷量试验系统的特殊性，不可能实行用某一标准试验台来校准本试 验台，即不可能存在类似标准长度尺或法码的校核制冷量标准试验台。客观上， 同一台试验空调机组在两个不同制冷量试验台上的结果可以用来比较两个不同制 冷量试验台的测量准确度，但要达到可信的精度非常困难。 解决空调机组制冷量测试系统的测试结果准确度问题通常采用主辅测量结果 对比的方法。在有关国家标准和行业标准中均涉及到。若主测制冷是q z ，辅测制 冷量是q f ，其相对偏差： ：幽。1 0 0 3 1 蟛z 若5 或6 ，则认为该试验台或本次测试值具有可信的准确度。 ( 5 ) 测试结果的重复性 空调机组制冷量测试是一个多参数的综合测试，工况控制稳定性、控制精度 j e 立奎适叁堂童、业亟堂位途塞迭蹬盔生窒塑扭组世篚达丝盥赞直 及各种误差均影响测试结果。对同一台试验空调机组在同一试验台上的两次测试 结果，理论上应该相同，但实际有着差别。不同空调机组的两次测试结果差别并 无明显规律。根据文献【2 1 规定，室内空气湿球温度0 2 5 c 。按两次试验工况的高 低限计算，工况控制导致室内空气湿球温度偏差0 5 ，当风量一定时制冷量与焓 差成正比，只讨论进风焓值变化对制冷量的影响，则，制冷量与进风焓成比例。 制冷量q o 与风量v 、进风焓h j 、出风焓h c 之问的关系为： q 。= v p ( h 厂h e ) k w 3 - 2 则 a q ：v p a h 近似地，有下式成立“”： h ；n t + b 3 - 3 式中：t 。，为空气进口湿球温度，a 、b 为系数或常数。a 。2 5 进一步有： q ：v p 口a t ， 3 - 4 若v = 2 3 。，p = i 2 k g m 3 ，a = 2 5 ，o o = 4 0 k w ，则v p a = b 当t 矿o 5 时， 丝：! ：! ! 垒垒：旦鱼：o 0 7 5 q 。 q 。4 0 即，当空气进1 ：3 湿球温度在两次试验过程中工况控制偏差0 5 c 时，制冷量偏 差将达到7 5 ，数值偏差达到了3 k w 。 1 6 j e 塞窑壅厶堂主、业亟堂位迨塞4 皇丞基窒塑担缉蛙篮达墅鱼曲邀蓬 4 单元式空调机组性能试验台的改进 4 i 问题的提出 根据调查，全路客车车辆段及客货混合段中将近半数建成了按t b t 2 4 3 2 - 9 3 标 准设计的单元式空调机组性能试验台( 以下简称“标准试验台”) 。总体而言，这 种试验台在空调机组数量不多的情况下，基本能满足现场单位的使用要求，但由 于各段的空调机组数量增长很快，这种试验台就逐渐暴露出它的缺点和不足。 ( 1 ) 耗时长 在实际操作中，由于外界各种因素的扰动会造成试验工况不稳定，因此，为 了获得及稳定试验工况，试验过程中需要有一定经验的操作人员不间断地对试验 工况进行监控和调整。试验中用于工况调整的时间和能量往往比试验本身更高。 单机测试时间需用l 2 小时。如果严格按标准做完试验，所需时间则更长。测试 时问长与工效要求高形成尖锐的矛盾。 ( 2 ) 耗能高 以测试k l d 4 0 型空调机组为例，进行空调机组性能试验台用电负荷估算： 被试机组用电负荷：4 0 型机组名义工况耗能约1 8 k w ； 室内侧加热量( 不考虑试验室围护结构热损失) ：约4 0 k w ； 室外侧为热平衡热负荷所需空调功率：约3 0 k w ； 其他用电设备( 超声波加湿器、计算机系统、调压器、排风机、试验台风机、 照明等) ：约l o k w ； 还应考虑冬夏季室内、室外侧围护结构的热( 冷) 量损失； 合计用电负荷约l o o k w 。 ( 3 ) 试验台初投资高 试验车约1 万元；风道系统约7 万元；电气控制柜、继电器柜约1 0 万元；电 源柜、电气配线约5 万元；计算机自动采集、处理系统及显示屏约1 5 万元：外购 件：风道风机、取样风机、异步电动机、涡轮减速器、喷嘴、补偿微压计、大气 压力计、加热、微调加湿用电热管、稳压器、调压器、超声波加湿器、立柜式空 调器、分体式空调器等，共计约1 7 8 4 万元；不可预计费用约5 万元；其他( 包 括设计费、调试费、管理费、利润、税金等) 约1 8 万元；合计约7 8 8 4 万元。 e 基至壅筮堂童些亟堂芷坌塞! 望霾基窒翊扭组睦能这笙鱼曲亟遵 ( 4 ) 不能反映空调机组实际通风量。1 在进行空调机组性能测试时，机组使用一个中( 大) 修期且经过中( 大) 修 期后，机组内蒸发器翅片污垢等原因一方面导致通风量下降，影响蒸发器换热效 果，降低了机组的制冷量；另一方面导致机外余压下降，经中( 大) 修的机组装 车后实际通风量也因机外余压下降而下降，导致机组供冷量降低。 名义风量下制冷量试验结果能反映换热器结垢及制冷系统的工作状况，但不 能反映实际通风量及余压变化的影响。因此，对大中修后的机组进行性能试验时， 应能测出额定机外余压下的实际通风量。 ( 5 ) 占地面积大 ( 6 ) 试验空调机组安装连接复杂 4 2 试验台的改进措施 ( 1 ) 增加空调机组空气动力性能测试 空调机组制冷量状况受风量影响较大，当空调机组换热器表面结垢或积灰后， 翅片流道变窄，通风量减小，同时，翅片导热热阻增加。根据传热学公式，翅片 管换热器的传热系数k 可以表示如下： 肛l 赤+ 争毒叫嘣。c 4 。 式中：口。一外表面换热系数，w m 2 口。一内表面换热系数， w m 2 。 ，一肋表面全效率 万一管壁厚度，m 一管壁导热系数，w m 2 。 r 肋化系数，r = r f - 一单位管长肋片管的外表面积，m 2 f 一单位管长肋片管的内表面积，m 2 f 一析湿系数或“换热扩大系数”。 r n 、r f 一换热器内外表面污垢热阻，m 2 w 对结构一定的换热器而言，运行过程受影响的参数有口。、口。、l 、r 。表面 e 峦套堕奎堂童些亟堂垃迨塞皇丞耋窒塑丑组性能达堕鱼的亟登 结垢后，r 、r 。增大，通风量减小，口。减小，均导致换热器传热系数减小。 又依据传热计算公式，传热量q 与传热系数k 、传热面积及温差的关系， 如下式： o ：k f a t w 4 - 2 式中：f 一传热面积 m 2 卜一传热温差 当传热系数k 减小时，传热量( 对蒸发器而言数值上等于制冷量) 减小。 空调机组铭牌风量、制冷量数据均为额定风量和名义工况下的值。现行空调 试验台由于受到名义制冷量数据的局限，只能进行名义制冷量数据测试及比较。 这存在着明显的不合理，已在本文前面涉及。因此，必须进行空气动力性能试验。 即按照国家有关汽车空调机组试验标准【1 7 l - - 样，测试空调机组的实际通风量和在 各种阻力下的通风量，即完成下图( 图4 1 ) 所示的曲线测试。 风量v ( m 3 s ) v e 图4 - 1 空调机组空气动力性能曲线 图中，a 点为额定全压p e 下工作点，其风量为额定风量v e 。 不同的空调机组空气动力性能曲线不同“”，如图4 2 。 e 夏銮垫盔堂皇些亟堂位迨奎! 垦丞式窒蛔担组壁篚达墅鱼盟夔堂 风量v ( m 3 s ) 全压p ( p a ) 图4 - 2 不同空调机组空气动力性能曲线 图4 - 2 中，表示了三种空调机组空气动力性能曲线( i 、i i 、i i i 曲线) 。若以 i i 曲线为基础，相比而言，i 曲线的空调机组在系统阻力变化时，通风量变化较 小，能稳定地发挥其制冷能力，而i i 曲线的空调机组在系统阻力变化时，通风量 变化较大。机组制冷量变化也明显，可能导致车内舒适性明显降低。 现场试验时，应建立一套可供对比的“基准空气动力性能曲线”，供测试结果 对比。 为此，试验系统要配置辅助风机变速装置及系统阻力调节装置。 ( 2 ) 取消空调机组制冷量辅助测试 在空调机组焓差法试验台中采用了主辅测比较测量的方法。主测量为空气焓 差法。辅测量为空气温差法。空气温差法的测试结果作为主测量结果的校核或比 较。后者主要通过测量冷凝器放热量和压缩机功率来得到制冷量。这种测量涉及 冷凝器风量测试、进出风温度测试及压缩机功率测试。实验时，对冷凝器风量及 进出风温度测试是通过“辅助测量风筒”的装置完成的。辅助测量风筒利用进口 流动阻力特性测量得到冷凝器风量。同时在该装置的进、出风位置安装温度测量 器件。 制冷量辅助测试的原理已在前面涉及。测试冷凝器风量时必需的辅助测量风 筒存在一些负面影响： 增加了冷凝风机阻力，从而改变了其风量。 对于双冷凝风机的空调机组，两个辅助测量风筒可能存在干涉的问题；如图 4 3 。 辅助测量风筒的安装困难，多种机型的辅助测量风筒规格多，不便统一，使 2 0 j e 立窑适盔堂主、业亟堂位迨塞! 皇丞塞窒遢坦组壁能达丝鱼盟亟进 用不方便。 ( 入 1 弋沙 辅$ i 装置 lf ?弋卜 空调机组 图4 - 3 双冷凝风机空调机组两个辅助测量风筒可干涉图 辅测方法的作用主要是用于校核主测方法的准确度。对一个试验台而言，测 量结果的校核问题并不是每一台机组试验中应解决的问题，而只需定期进行。对 于空调机组检修试验而言，对每台机组进行主辅测试验十分不便，严重影响修车 进度。因此，建议在空调试验台中取消辅助测量。 ( 3 ) 增加过渡季节运行工况模拟试验 列车空调的主要负荷是人体散热负荷，即使是在过渡季节，由于车内满员也 会使负荷较大，加上空调车通风不畅，将会导致提早开启空调机组制冷，这时的 工况特点是室外气温比室内回风温度低。由于列车在一年中有较长一段时问是运 行在这种工况下，因此研究机组过渡季节的性能也是很必要的。 在过渡季节空调机组制冷循环的工况图可用图4 4 来描述，图4 - 4 为蒸发器 进风温度不发生变化而冷凝器进风温度降低时制冷剂循环的压一焓图，即蒸发压力 不变，冷凝压力降低。 2 j e 宝童适本堂主、业亟堂焦迨塞g 望丞塞窒塑迅组壁筐试鲨鱼的弦进 h 图4 - 4 冷凝温度变化时循环的变化情况 在蒸发压力一定的情况下，冷凝压力越低，输气系数越大，而压缩机入口处 制冷剂蒸汽的比容不变，则压缩机的质量流量变大，总的制冷量变大。 此外，在过渡季节，由于车外温度比车内低，车内反而通过车体向外界散热， 而湿负荷不变，此时的热湿比会变小，而回风与新风混合后的温度也会变小。过 渡季节回风与新风混合后温度和焓值要低一些。同时，在冷凝温度低于回风温度 而相对湿度基本不变的情况下，冷凝压力和蒸发压力均处于较低的水平( 相对名 义工况) ，冷凝压力与蒸发压力之差降低，导致单位质量的制冷量有所降低。 综合两方面制冷量变化趋势，空调机组制冷量增大是最终结果。但冷凝压力 和蒸发压力均处于较低的水平时，可能导致蒸发器表面结霜。应该结合试验研究 机组室外侧温度在何种状态下可能导致蒸发器表面结霜。 4 3 试验台的现行效果 改进后的试验台配置了辅助风机变速装置及系统阻力调节装置，增加了空气 阻力性能测试，能够反映出空调机组的实际通风量，并缩短了试验耗时，占地面 积也较之前的机组有了大幅度的缩小，并在连接方式上简单合理化，易于操作。 a 塞至擅友堂童些亟堂位迨塞! 坚丞菡窒翊扭组丝能达墅鱼盥亟堂 图4 - 5 占地面积大幅度缩小 图4 - 6 辅助风机变频装置 e 立銮适左堂主、业亟堂芷迨塞! 垫丞毯窒遢丑塑丝能毯熊鱼丝塑鲎 图4 7 简易的连接装置一l 图4 - 8 简易的连接装置一2 2 4 e 立銮塑盔堂主些亟堂位迨塞4 堕丞益! 翊丑组挂篚这墅台堑堕垡 图4 9 通风量的实际测量结果 图4 1 0 便利的操作平台 e 立奎适盔茔童些亟芏位迨塞 结逭 5 单元式空调机组性能新型试验方法研究 对铁路车辆运用部门的空调机组检修试验而言，沿用空调机组相关标准进行 单元式空调机组陆能测试，无法满足现场检修试验需要。研究新型试验方法显得 十分必要。 5 i 室内流场控制试验( 模拟风速试验) 在实际空调机组检修过程中，往往发生这种现象，被测试空调机组性能合格， 但在装车后效果较差。分析该现象认为存在两种可能性，其一，机组室内通风量 变化较大；其二，机组室外通风量变化较大。因此，建议单元式空调机组检修试 验时增加风速模拟测试。 单元式空调机组装车后随车辆运动，空调机组在车辆运动过程中和车辆静止 状态时的性能不同 1 5 。按现行试验方法，空调机组均在静止状态下进行，空调 机组进出风为自由空气状态。当空调机组处于非自由空气状态即空气处于流动状 态时，其性能如何变化，值得研究。换言之，要研究空调机组性能随风速的变化。 如下图，空调机组随车辆以速度v 运行，冷凝器风机旋转方向为逆时针，空 调机组新风口处于上风侧。则相对于空调机组的风速为v ，如图5 1 所示。 v j 雾霎 萄 v 7 雾雾 空调机组 图5 - i 车辆上的空调机组 塞奎适叁堂主、业亟堂位途塞 结坠 这时a 侧迸风量l a 相对于v