引言

車輛隔熱性能是評價車輛性能的重要指標之一,同時也是空調機組選型的重要依據之一。鐵道車輛中,車輛隔熱性能使用綜合傳熱系數(shù)K值表示,按照《鐵道客車隔熱性能試驗方法》(TB/T1674一1993)或《鐵道車輛空調第2部分:型式試驗》(GB/T33193.2一2016)要求,K值采用車內加熱的熱穩(wěn)定試驗方法,在環(huán)境試驗室中測得。因車體熱容的存在,實際測試中,車輛內部與外部環(huán)境達到熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài)常常需要耗費大量時間。因此,為了縮短試驗時間,提高試驗效率,本文依據升溫法測試K值原理,研究了在車內升溫階段快速測試鐵道車輛K值的方法,并使用該方法測試了某型號鐵道車輛的K值。

1熱穩(wěn)定法測試K值原理

采用熱穩(wěn)定法測試車輛綜合傳熱系數(shù),要求將車輛置于恒定的環(huán)境溫度中(如車輛熱工試驗室),使用電加熱器加熱車內空氣,當車輛內部與外部環(huán)境達到熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài)后,由公式(1)計算得到車輛K值:

式中:P為在熱穩(wěn)定狀態(tài)下輸入車內的加熱功率(w):F為車體隔熱壁的外表面面積或幾何平均面積(m2):Tin為車內平均溫度(℃):Tout為車外平均溫度(℃)。

使用熱穩(wěn)定法測試鐵道車輛K值,啟動車內電加熱器后,車內平均溫度隨時間的變化如圖1所示。

圖1熱穩(wěn)定法車內平均溫度隨時間的變化曲線

由圖1可知,采用熱穩(wěn)定法測試鐵道車輛K值過程中,車內平均溫度先快速升高,然后逐漸趨于平穩(wěn),最終車內溫度與車外環(huán)境達到熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài)。其中,熱穩(wěn)定狀態(tài)的判定有嚴格要求。例如,《鐵道客車隔熱性能試驗方法》(TB/T1674一1993)標準要求在車輛隔熱壁平均溫度維持在(22.5±0.5)℃、車內平均溫度與車外平均溫度的溫差維持在(25±1)K的前提下,熱穩(wěn)定時間不少于8h,其間車外平均溫度、車內外溫差的波動不得大于±0.5K,且波動不得單調上升或下降,另外要求熱穩(wěn)定期間車內加熱功率波動不得大于3%,且波動不得單調上升或下降。使用熱穩(wěn)定法測試車輛K值時,因車體熱容的存在,車輛內部與外部環(huán)境完全達到熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài)需耗費大量時間,整個測試過程一般需要2~3天。

2升溫法測試K值原理

采用升溫法測試車輛K值,僅需記錄車內平均溫度的升溫數(shù)據,無須等待車輛內部和外部環(huán)境達到熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài),即可計算得到車輛K值。

使用升溫法測試車輛K值時,同樣將車輛置于恒定的環(huán)境溫度中(如車輛熱工試驗室),并使用電加熱器加熱車內空氣。保持輸入車內的加熱功率Qs和車外平均溫度1out恒定,那么在升溫階段,只有車內平均溫度1in發(fā)生變化。假設此時測試得到的車輛瞬時K值為Ks,根據K值計算公式有:

中:Qs為輸入車內的恒定加熱功率(w):Ks為升溫階段的車輛瞬時K值[w/(m2·K)]:F為車體隔熱壁的外表面面積或幾何平均面積(m2):1in為車內平均溫度(℃):1out為車外平均溫度(℃)。

另一方面,因升溫階段車體熱容的存在,實際輸入車內的熱量一部分由車體隔熱壁傳出,另一部分由車體吸收,即加熱功率Qs又可以寫成:

式中:Q0為單位時間內由車體隔熱壁傳出的熱量(J/s):Q1為單位時間內車體吸收的貯存熱量(J/s)。

其中,Q0與車輛真實K值有關,可以寫成:

式中:K為車輛真實K值[w/(m2·K)]。

Q1與車體熱容有關,假設車輛平均熱容量為w,dT時間內車內溫度變化為d1,則Q1可寫為:

因此,由公式(2)~(5)可得:

車輛內部與環(huán)境溫度達到熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài)時,d1/dT=0,此時Ks=K。記錄車內平均溫度的升溫曲線,如圖2所示。根據公式(2)計算得到升溫階段車輛的瞬時K值,繪制車輛瞬時K值隨時間的變化曲線如圖3所示。

由圖2和圖3可知,隨著車內平均溫度的升高,車輛瞬時K值變小,并逐漸趨于車輛真實K值。取車內平均溫度上升曲線及車輛瞬時K值曲線上任意兩點P1及P2,對應的車內平均溫度為11和12,車輛瞬時K值為Ks1和Ks2,對應記錄時間為T1和T2。在升溫曲線上,對兩點作切線,切線的斜率即為兩點處的溫度變化率d1/dT。

圖2車內升溫曲線

圖3車輛瞬時K值變化曲線

根據公式(6),對于P1和P2點分別有:

式(7)(8)中,只有車輛真實傳熱系數(shù)K以及車輛平均熱容量w兩個未知量,因此,可以求出車輛平均熱容量為:

將車輛平均熱容量w代入公式(7)或(8),得到車輛真實傳熱系數(shù)K為:

3升溫法測試K值的應用

使用升溫法測試某型號鐵道車輛K值,按照《鐵道車輛空調第2部分:型式試驗》(GB/T33193.2一2016)標準要求,將車輛置于熱工試驗室內,布置車內外溫度測點以及車內電加熱器,設置并保持環(huán)境溫度約5℃,電加熱器功率約8800w,記錄車內升溫數(shù)據。圖4為車內平均溫度的升溫曲線,圖5為升溫階段車輛瞬時K值變化曲線。

圖4某型號鐵道車輛升溫曲線

圖5某型號鐵道車輛瞬時K值變化曲線

分別取升溫過程中第9個小時和第17個小時的溫度測試數(shù)據,根據上述升溫法測試K值原理計算得到該鐵道車輛K值為1.178w/(m2·K),使用升溫法測試該鐵道車輛K值共耗時20h。

按照GB/T33193中熱穩(wěn)定法測試要求,等待車輛內部與環(huán)境溫度達到熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài)后,測試得到該鐵道車輛K值為1.191w/(m2·K),使用熱穩(wěn)定法測試該鐵道車輛K值共耗時53h?？梢?與熱穩(wěn)定法相比,升溫法測試得到的車輛K值誤差僅為1.1%,同時測試時間僅為熱穩(wěn)定法的一半不到。

4結語

本文對升溫法測試軌道車輛K值的原理進行了分析,并使用升溫法對某型號鐵道車輛K值進行測試。結果表明,升溫法測試軌道車輛K值具有較高的精度,并且該測試方法只記錄車內的升溫過程,無須等到車輛內部與環(huán)境溫度達到熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài),即可快速得到車輛K值。

使用升溫法測試鐵道車輛K值,可縮短試驗時間,提高試驗效率,適用于某些需要快速測試軌道車輛K值的研究項目。另外,針對實際測試中車輛容易出現(xiàn)"假熱穩(wěn)定狀態(tài)"的現(xiàn)象,也可采用升溫法輔助判定熱穩(wěn)定法測試的準確性。