引言

車(chē)輛隔熱性能是評(píng)價(jià)車(chē)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(chē)輛中,車(chē)輛隔熱性能使用綜合傳熱系數(shù)K值表示,按照《鐵道客車(chē)隔熱性能試驗(yàn)方法》(TB/T1674一1993)或《鐵道車(chē)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(chē)內(nèi)加熱的熱穩(wěn)定試驗(yàn)方法,在環(huán)境試驗(yàn)室中測(cè)得。因車(chē)體熱容的存在,實(shí)際測(cè)試中,車(chē)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(cè)試K值原理,研究了在車(chē)內(nèi)升溫階段快速測(cè)試鐵道車(chē)輛K值的方法,并使用該方法測(cè)試了某型號(hào)鐵道車(chē)輛的K值。

1熱穩(wěn)定法測(cè)試K值原理

采用熱穩(wěn)定法測(cè)試車(chē)輛綜合傳熱系數(shù),要求將車(chē)輛置于恒定的環(huán)境溫度中(如車(chē)輛熱工試驗(yàn)室),使用電加熱器加熱車(chē)內(nèi)空氣,當(dāng)車(chē)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(chē)輛K值:

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

使用熱穩(wěn)定法測(cè)試鐵道車(chē)輛K值,啟動(dòng)車(chē)內(nèi)電加熱器后,車(chē)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(chē)內(nèi)平均溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

由圖1可知,采用熱穩(wěn)定法測(cè)試鐵道車(chē)輛K值過(guò)程中,車(chē)內(nèi)平均溫度先快速升高,然后逐漸趨于平穩(wěn),最終車(chē)內(nèi)溫度與車(chē)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(chē)隔熱性能試驗(yàn)方法》(TB/T1674一1993)標(biāo)準(zhǔn)要求在車(chē)輛隔熱壁平均溫度維持在(22.5±0.5)℃、車(chē)內(nèi)平均溫度與車(chē)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(chē)外平均溫度、車(chē)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(chē)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(cè)試車(chē)輛K值時(shí),因車(chē)體熱容的存在,車(chē)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(cè)試過(guò)程一般需要2~3天。

2升溫法測(cè)試K值原理

采用升溫法測(cè)試車(chē)輛K值,僅需記錄車(chē)內(nèi)平均溫度的升溫?cái)?shù)據(jù),無(wú)須等待車(chē)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(chē)輛K值。

使用升溫法測(cè)試車(chē)輛K值時(shí),同樣將車(chē)輛置于恒定的環(huán)境溫度中(如車(chē)輛熱工試驗(yàn)室),并使用電加熱器加熱車(chē)內(nèi)空氣。保持輸入車(chē)內(nèi)的加熱功率Qs和車(chē)外平均溫度1out恒定,那么在升溫階段,只有車(chē)內(nèi)平均溫度1in發(fā)生變化。假設(shè)此時(shí)測(cè)試得到的車(chē)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(chē)內(nèi)的恒定加熱功率(w):Ks為升溫階段的車(chē)輛瞬時(shí)K值[w/(m2·K)]:F為車(chē)體隔熱壁的外表面面積或幾何平均面積(m2):1in為車(chē)內(nèi)平均溫度(℃):1out為車(chē)外平均溫度(℃)。

另一方面,因升溫階段車(chē)體熱容的存在,實(shí)際輸入車(chē)內(nèi)的熱量一部分由車(chē)體隔熱壁傳出,另一部分由車(chē)體吸收,即加熱功率Qs又可以寫(xiě)成:

式中:Q0為單位時(shí)間內(nèi)由車(chē)體隔熱壁傳出的熱量(J/s):Q1為單位時(shí)間內(nèi)車(chē)體吸收的貯存熱量(J/s)。

其中,Q0與車(chē)輛真實(shí)K值有關(guān),可以寫(xiě)成:

式中:K為車(chē)輛真實(shí)K值[w/(m2·K)]。

Q1與車(chē)體熱容有關(guān),假設(shè)車(chē)輛平均熱容量為w,dT時(shí)間內(nèi)車(chē)內(nèi)溫度變化為d1,則Q1可寫(xiě)為:

因此,由公式(2)~(5)可得:

車(chē)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(chē)內(nèi)平均溫度的升溫曲線(xiàn),如圖2所示。根據(jù)公式(2)計(jì)算得到升溫階段車(chē)輛的瞬時(shí)K值,繪制車(chē)輛瞬時(shí)K值隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖3所示。

由圖2和圖3可知,隨著車(chē)內(nèi)平均溫度的升高,車(chē)輛瞬時(shí)K值變小,并逐漸趨于車(chē)輛真實(shí)K值。取車(chē)內(nèi)平均溫度上升曲線(xiàn)及車(chē)輛瞬時(shí)K值曲線(xiàn)上任意兩點(diǎn)P1及P2,對(duì)應(yīng)的車(chē)內(nèi)平均溫度為11和12,車(chē)輛瞬時(shí)K值為Ks1和Ks2,對(duì)應(yīng)記錄時(shí)間為T(mén)1和T2。在升溫曲線(xiàn)上,對(duì)兩點(diǎn)作切線(xiàn),切線(xiàn)的斜率即為兩點(diǎn)處的溫度變化率d1/dT。

圖2車(chē)內(nèi)升溫曲線(xiàn)

圖3車(chē)輛瞬時(shí)K值變化曲線(xiàn)

根據(jù)公式(6),對(duì)于P1和P2點(diǎn)分別有:

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

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

3升溫法測(cè)試K值的應(yīng)用

使用升溫法測(cè)試某型號(hào)鐵道車(chē)輛K值,按照《鐵道車(chē)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(chē)輛置于熱工試驗(yàn)室內(nèi),布置車(chē)內(nèi)外溫度測(cè)點(diǎn)以及車(chē)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(chē)內(nèi)升溫?cái)?shù)據(jù)。圖4為車(chē)內(nèi)平均溫度的升溫曲線(xiàn),圖5為升溫階段車(chē)輛瞬時(shí)K值變化曲線(xiàn)。

圖4某型號(hào)鐵道車(chē)輛升溫曲線(xiàn)

圖5某型號(hào)鐵道車(chē)輛瞬時(shí)K值變化曲線(xiàn)

分別取升溫過(guò)程中第9個(gè)小時(shí)和第17個(gè)小時(shí)的溫度測(cè)試數(shù)據(jù),根據(jù)上述升溫法測(cè)試K值原理計(jì)算得到該鐵道車(chē)輛K值為1.178w/(m2·K),使用升溫法測(cè)試該鐵道車(chē)輛K值共耗時(shí)20h。

按照GB/T33193中熱穩(wěn)定法測(cè)試要求,等待車(chē)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(cè)試得到該鐵道車(chē)輛K值為1.191w/(m2·K),使用熱穩(wěn)定法測(cè)試該鐵道車(chē)輛K值共耗時(shí)53h?？梢?jiàn),與熱穩(wěn)定法相比,升溫法測(cè)試得到的車(chē)輛K值誤差僅為1.1%,同時(shí)測(cè)試時(shí)間僅為熱穩(wěn)定法的一半不到。

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)升溫法測(cè)試軌道車(chē)輛K值的原理進(jìn)行了分析,并使用升溫法對(duì)某型號(hào)鐵道車(chē)輛K值進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明,升溫法測(cè)試軌道車(chē)輛K值具有較高的精度,并且該測(cè)試方法只記錄車(chē)內(nèi)的升溫過(guò)程,無(wú)須等到車(chē)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(chē)輛K值。

使用升溫法測(cè)試鐵道車(chē)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(cè)試軌道車(chē)輛K值的研究項(xiàng)目。另外,針對(duì)實(shí)際測(cè)試中車(chē)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(cè)試的準(zhǔn)確性。