引言

車輛隔熱性能是評價(jià)車輛性能的重要指標(biāo)之一,同時(shí)也是空調(diào)機(jī)組選型的重要依據(jù)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(yàn)方法》(TB/T1674一1993)或《鐵道車輛空調(diào)第2部分:型式試驗(yàn)》(GB/T33193.2一2016)要求,K值采用車內(nèi)加熱的熱穩(wěn)定試驗(yàn)方法,在環(huán)境試驗(yàn)室中測得。因車體熱容的存在,實(shí)際測試中,車輛內(nèi)部與外部環(huán)境達(dá)到熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài)常常需要耗費(fèi)大量時(shí)間。因此,為了縮短試驗(yàn)時(shí)間,提高試驗(yàn)效率,本文依據(jù)升溫法測試K值原理,研究了在車內(nèi)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(yàn)室),使用電加熱器加熱車內(nèi)空氣,當(dāng)車輛內(nèi)部與外部環(huán)境達(dá)到熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài)后,由公式(1)計(jì)算得到車輛K值:

式中:P為在熱穩(wěn)定狀態(tài)下輸入車內(nèi)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(nèi)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(dòng)車內(nèi)電加熱器后,車內(nèi)平均溫度隨時(shí)間的變化如圖1所示。

圖1熱穩(wěn)定法車內(nèi)平均溫度隨時(shí)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(nèi)平均溫度先快速升高,然后逐漸趨于平穩(wěn),最終車內(nèi)溫度與車外環(huán)境達(dá)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(yán)格要求。例如,《鐵道客車隔熱性能試驗(yàn)方法》(TB/T1674一1993)標(biāo)準(zhǔn)要求在車輛隔熱壁平均溫度維持在(22.5±0.5)℃、車內(nèi)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(shí)間不少于8h,其間車外平均溫度、車內(nèi)外溫差的波動(dòng)不得大于±0.5K,且波動(dòng)不得單調(diào)上升或下降,另外要求熱穩(wěn)定期間車內(nèi)加熱功率波動(dòng)不得大于3%,且波動(dòng)不得單調(diào)上升或下降。使用熱穩(wěn)定法測試車輛K值時(shí),因車體熱容的存在,車輛內(nèi)部與外部環(huán)境完全達(dá)到熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài)需耗費(fèi)大量時(shí)間,整個(gè)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(nèi)平均溫度的升溫?cái)?shù)據(jù),無須等待車輛內(nèi)部和外部環(huán)境達(dá)到熱平衡的穩(wěn)定狀態(tài),即可計(jì)算得到車輛K值。

使用升溫法測試車輛K值時(shí),同樣將車輛置于恒定的環(huán)境溫度中(如車輛熱工試驗(yàn)室),并使用電加熱器加熱車內(nèi)空氣。保持輸入車內(nèi)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(nèi)平均溫度1in發(fā)生變化。假設(shè)此時(shí)測試得到的車輛瞬時(shí)K值為Ks,根據(jù)K值計(jì)算公式有:

中:Qs為輸入車內(nèi)的恒定加熱功率(w):Ks為升溫階段的車輛瞬時(shí)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(nèi)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(shí)際輸入車內(nèi)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(shí)間內(nèi)由車體隔熱壁傳出的熱量(J/s):Q1為單位時(shí)間內(nèi)車體吸收的貯存熱量(J/s)。

其中,Q0與車輛真實(shí)K值有關(guān),可以寫成:

式中:K為車輛真實(shí)K值[w/(m2·K)]。

Q1與車體熱容有關(guān),假設(shè)車輛平均熱容量為w,dT時(shí)間內(nèi)車內(nèi)溫度變化為d1,則Q1可寫為:

因此,由公式(2)~(5)可得:

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

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

圖2車內(nèi)升溫曲線

圖3車輛瞬時(shí)K值變化曲線

根據(jù)公式(6),對于P1和P2點(diǎn)分別有:

式(7)(8)中,只有車輛真實(shí)傳熱系數(shù)K以及車輛平均熱容量w兩個(gè)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(shí)傳熱系數(shù)K為:

3升溫法測試K值的應(yīng)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(diào)第2部分:型式試驗(yàn)》(GB/T33193.2一2016)標(biāo)準(zhǔn)要求,將車輛置于熱工試驗(yàn)室內(nèi),布置車內(nèi)外溫度測點(diǎn)以及車內(nèi)電加熱器,設(shè)置并保持環(huán)境溫度約5℃,電加熱器功率約8800w,記錄車內(nèi)升溫?cái)?shù)據(jù)。圖4為車內(nèi)平均溫度的升溫曲線,圖5為升溫階段車輛瞬時(shí)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(shí)K值變化曲線

分別取升溫過程中第9個(gè)小時(shí)和第17個(gè)小時(shí)的溫度測試數(shù)據(jù),根據(jù)上述升溫法測試K值原理計(jì)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(shí)20h。

按照GB/T33193中熱穩(wěn)定法測試要求,等待車輛內(nèi)部與環(huán)境溫度達(dá)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(shí)53h。可見,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(shí)測試時(shí)間僅為熱穩(wěn)定法的一半不到。

4結(jié)語

本文對升溫法測試軌道車輛K值的原理進(jìn)行了分析,并使用升溫法對某型號鐵道車輛K值進(jìn)行測試。結(jié)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(nèi)的升溫過程,無須等到車輛內(nèi)部與環(huán)境溫度達(dá)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(yàn)時(shí)間,提高試驗(yàn)效率,適用于某些需要快速測試軌道車輛K值的研究項(xiàng)目。另外,針對實(shí)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(zhǔn)確性。