列车空调机组变工况动态仿真研究

苏 晶

(铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津 300251)

1 概述

铁路运输是我国主要的中、长途运输方式，是我国旅客的主要客运工具。近年来，人们对铁路客运条件，即车内空气环境控制系统的要求显著提高。现代铁路列车的特点不仅只是保证列车安全、快速地运行，而且还应该为车上旅客及乘务人员提供一个舒适、健康的乘车环境。传统的空调机组生产方法依旧以经验设计和样机试验为主，成本高，时间久，不符合现代产品的研发要求。另外，大部分车辆生产厂家在配置空调机组时仍采用静态设计标准，未考虑列车运行时车内负荷变化、车外环境改变等一系列问题。因此，采用计算机建模与仿真手段对使用替代工质R410A的新型列车空调机组进行变工况动态仿真及性能预测，对提高列车空调开发设计能力具有较强现实意义，也可为我国列车空调系统制冷剂替代工作提供经验。相关实测结果表明，运用仿真技术可以使研发人员在设计初期就能比较准确地了解机组各部件和整机的运行参数指标，从而大大节省人力、物力，缩短新产品开发周期，为提高产品性能提供保障[1]。

2 列车空调系统组成

列车单元式空调机组结构同普通空调机组类似，主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置、温度传感器等部件组成。传统的列车空调机组通常设计安装于车顶，而部分高铁空调机组出于降低车辆重心等安全因素的考虑，机组被设计安装于车厢底部，再使用一个与空调机组相连的管道系统将处理过的空气沿车厢分配。

本次列车用空调仿真机组拟采用混合环保制冷剂R410A。该型制冷剂是目前为止国际公认的用来替代R22较适合的冷媒，具有高环保、传热性能良好等优点[2]。压缩机采用涡旋变频压缩机，该类压缩机结构简单、效率高、振动及杂声小，并且可以根据列车行驶过程中负荷及外界工况变化情况灵活调整制冷量，是近几年来单元式空调机组各类型制冷压缩机中选择的热门种类。节流机构选用热力膨胀阀，冷凝器及蒸发器均采用换热效果好且易维护的翅片管式换热器。

3 数学模型

仿真过程中制冷压缩机及热力膨胀阀均采用简化模型，简化后的模型可以避开复杂的机械运动过程，有效直观地对压缩机及热力膨胀阀的热力过程进行仿真。而换热器则采用分布参数模型，这种模型计算精度比集总参数法高，能够得到换热器沿程热力参数实时变化情况，可以用来确定换热器的动态特性。不同类型换热器结构不同，另外，冷凝器与蒸发器也存在较大的差异，在仿真中引入单独编写的针对翅片管式冷凝器及蒸发器的表面换热系数，可以有效提高仿真精度，减小误差。

3.1 冷凝器换热系数

列车单元式空调机组冷凝器为强制对流空气冷却式冷凝器，主要存在空气侧和制冷剂侧两类换热系数。

(1)空气侧换热系数

管簇排列形式为叉排时，空气侧即翅片侧的表面换热系数计算式为

式中，αca为空气侧表面换热系数；C、ψ、n、m分别为系数及相应的指数，主要与b/de及Re有关；λa为空气热传导率；de为当量直径；Re为雷诺数；b为翅片宽度。

(2)制冷剂侧换热系数

对于管内制冷剂侧单相区的换热系数，可以使用Dittus-Boeler换热关联式[3]计算

式中，Re为雷诺数；Pr为普朗特数。

制冷剂侧两相区的换热系数可以使用Shah[4]关联式计算

式中，α为换热系数，其下标crt指两相区换热系数，crs指单相区换热系数；Pr为普朗特数；x为干度。

3.2 蒸发器换热系数

(1)空气侧换热系数

蒸发器空气侧干表面传热系数可以使用下式计算[5-6]

αea=

式中，αea为蒸发器空气侧干表面传热系数；am为蒸发器单位管长总外表面积；an为单位管长外表面积；wmax为最窄截面风速；do为特征长度；νf为运动粘滞系数；ρf为空气密度；cp为定压比热容；Pr为普朗特数。

空气在蒸发器内状态变化可能会导致凝结水的出现，由于析出的水分依附在翅片表面上，使空气流过蒸发器的阻力大为增加。引入析湿系数

ζ=1-2.46dm-dwtm-tw(5)

式中，ζ为析湿系数；t为温度；d为含湿量，下标m和w分别表示该微元内平均值及对应的湿球值。

考虑析湿系数后蒸发器空气侧当量表面传热系数为

(2)制冷侧换热系数

对于蒸发器管内制冷剂侧单相区的换热系数，可以使用Petukhov-Popov换热关联式计算[7-8]

式中，Re为雷诺数，Pr为普朗特数，f为湍流摩擦因数。

制冷剂侧两相区的换热系数可以使用Kandlikar关联式计算[9-11]

αert=αers[C1(C0)C2(25Fr)C5+C3(Bo)C4F](8)

式中，αert为两相区换热系数；αers为单相区换热系数;Fr为液相弗劳德数;Bo为沸腾特征数;F为无量纲系数，取决于制冷剂性质;C0为对流特征数;C1～C5为对应的系数。

4 变工况动态仿真

空调列车可看成是一个运动着的“建筑物”，在其行驶周期内将经过若干不同的气象地区，直接导致空调列车的外部热环境参数经常变化。此外，车厢内部热环境改变也存在很大影响，最主要原因是人员上下车带来的负荷变化。因此，对不同车次的空调列车，在其行驶期间内制冷量的调节方案不宜相同，应根据实际情况区别对待。使用现代化的计算机仿真手段对列车空调机组在各工况下进行动态模拟，对实际运行策略具有重要指导意义。

4.1 压缩机转数改变

蒸发风量、冷凝风量不变的情况下，制冷压缩机转数正向阶跃即制冷量增大的情况下整个制冷系统的变化情况仿真结果如图1所示。设定初始值蒸发风量5 000 m3/h，进风干球温度27 ℃，相对湿度60%；冷凝风量8 000 m3/h，进风干球温度35 ℃，相对湿度63%。

图1 压缩机转数改变制冷系统主要参数仿真结果

由图1(a)可知，制冷压缩机在仿真时间50 s时开始由3 500 r/min线性阶跃，至70 s时达到4 500 r/min稳定状态。采用R410A为工质的制冷系统虽然具有环保、高效等特点，但由于R410A属于高压制冷剂，使用时必须提高各部件及连接处的耐压性。对于高速列车空调系统来说，除了要解决设备耐压性这一问题外，更重要的是必须考虑常规环境下压力过高对列车行驶时安全的影响。从图1可知，制冷压缩机在3 500 r/min时排气压力已经达到了3.113 MPa，上升至4 500 r/min时排气压力更是达到了3.292 MPa，工作压力过高是R410A制冷剂最主要的缺点之一；制冷压缩机在3 500 r/min和4 500 r/min时排气温度分别为83.09 ℃和95.30 ℃。制冷压缩机排气温度过高，不单会降低机组性能，更会对制冷压缩机造成损害，导致其寿命减少。因为排气温度过高，会使压缩机的机体温度上升，从而使冷冻机油粘度下降，影响压缩机的润滑效果，严重时压缩机甚至会抱轴、咬死。因此使用R410A制冷剂，对制冷系统尤其是其中制冷压缩机的品质要求较高。

制冷压缩机在3 500 r/min和4 500 r/min时，从图1(d)和图1(e)可知冷凝温度由50.53 ℃变化至52.99 ℃，增加2.46 ℃；蒸发温度由6.27 ℃变化至1.90 ℃，减小4.37 ℃。冷凝温度上升，蒸发温度急剧下降的主要原因是冷凝器和蒸发器结构形式固定，当压缩机转数阶跃即制冷量改变后，两器不匹配所导致的。冷凝温度过高，压力过大，会导致关键部件损坏，而蒸发温度降低，会加重压缩机的功耗，最终会使制冷效果不理想。因此，变频空调系统更应在设计阶段注意蒸发器、冷凝器的匹配问题，以保证获得较大的制冷量和较好的经济性。由图1可见，制冷压缩机由3 500 r/min增加至4 500 r/min时，制冷量由19.91 kW增加至22.13 kW，但却以牺牲能效为代价，COP值由3.60剧烈降低至3.01，变化明显。

4.2 环境温度改变

空调列车在其行驶周期内将经过若干不同的气象地区或地形，直接导致空调列车的外部热环境参数变化[12]。外界环境温度即冷凝进风温度是外部环境变化最主要的参数之一。冷凝进风温度直接影响到冷凝器的冷凝温度和换热量，间接影响到制冷系统耗功，而且车厢外干球温度的变化往往比车厢内湿球温度的变化对制冷系统性能影响要大，因而研究冷凝进风温度变化对制冷系统性能的影响具有较高的实用意义。在压缩机转数恒定的情况下，冷凝进风温度改变过程中整个制冷系统的变化情况仿真结果如下。

设定初始值制冷压缩机转数3 500 r/min；蒸发风量5 000 m3/h，进风干球温度27 ℃，相对湿度60%；冷凝风量8 000 m3/h。冷凝进风温度由35 ℃正向阶跃至45 ℃时各主要状态参数曲线见图2。

图2 环境温度改变制冷系统主要参数仿真结果

由图2(a)可知，冷凝进风温度在仿真时间50 s时开始由35 ℃线性阶跃，至70 s时达到45 ℃并维持在这个温度。外界环境温度即冷凝进风温度升高，压缩机出口处压力和温度皆随之升高，由图2可知，排气压力由30.97 bar急速攀升至38.15 bar，排气温度也由82.86 ℃升高至87.25 ℃。R410A系统的工作压力大约是R22系统工作压力的1.6倍，但R410A制冷系统的高压应尽量避免超过3.7 MPa。外界温度45 ℃时属于恶劣工况，在这种极端情况下压缩机排气压力达到了3.815 MPa，超出了正常的工作范围。列车空调制冷系统压缩机长期超压工作是危险的，因为高压长期超出压缩机设计压力，会损害关键部件，大大降低机组使用寿命，严重时甚至会引起设备事故。压缩机排气温度过高还会引起冷凝压力升高，冷凝压力可以通过冷凝温度反映，详见图2(d)。外界环境温度由35 ℃升高至45 ℃时，系统的冷凝温度由50.32 ℃攀升至59.63 ℃，升高9.31 ℃，变化明显，这是由于环境温度过高极大地影响了冷凝器换热效果而造成的。由图2(e)还可知，随着环境温度上升进入高温工况，蒸发温度也略有增加，由6.16 ℃上升至8.45 ℃，增加了约2 ℃。

空冷机组供冷能力随室外温度的升高而降低，机组消耗功率随室外环境温度的升高而增加。由图2可知，当室外空气温度由35 ℃增至45 ℃时，COP系数由3.61下降至2.89，降幅达20%左右，制冷性能急剧恶化。

5 结论

(1)替代工质R410A由于其无环境破坏性、传热系数高、换热效果好等诸多优点，逐步成为到目前为止国际公认的用来替代R22较适合的冷媒。R410A制冷剂应用于列车空调系统，还应注意其高工作压力、系统匹配改进等问题，但总体来讲利大于弊。

(2)列车空调机组动态仿真同稳态仿真相比，更能体现计算机仿真技术替代真实系统物理实验、节省人力物力的优势，方便研究人员实时观测结果，分析原因。

(3)仿真系统在冷凝风量和蒸发风量恒定等条件下，制冷压缩机转数由3 500 r/min增加至4 500 r/min时，制冷量虽然增加，但冷凝温度升高，排气温度和压力增加明显，蒸发温度下降，制冷系统整体性能下降，经济性明显降低。

(4)仿真系统在压缩机转数恒定等条件下，冷凝进风温度由35 ℃线性阶跃至45 ℃，即列车空调系统由设计工况进入高温恶劣工况运行时，压缩机排气压力、温度，冷凝温度升高明显，蒸发温度略有增加，但变化不如前三者敏感。机组整体制冷性能恶化，COP系数急剧下降。

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