集便器污物箱加热保温技术措施

闫 凯，董大为

（中国铁道科学研究院 节能环保劳卫研究所，北京100081）

集便器污物箱加热保温技术措施

闫 凯，董大为

（中国铁道科学研究院 节能环保劳卫研究所，北京100081）

满足污物箱安装工况条件和使用要求，必须对污物箱采取加热、保温措施，首先进行污物箱加热保温结构设计，比选加热保温技术措施，介绍真空集便器装车过程中加热保温安装施工及技术要求，并分析装车后污物箱加热保温功能检测方法。

真空集便器；污物箱；加热保温；电加热管

真空集便器污物箱通过吊梁或吊钩悬挂于车辆车底，部分车型安装防护罩对污物箱进行防护，但污物箱基本全部裸露在大气环境下，车辆需要在寒冷地区或寒冷季节中运行，尤其是车辆运行过程中，车速较快，车底空气流动加快污物箱外表面与大气换热。因此，必须对污物箱采取加热、保温措施，避免污物箱内连接管路及其他裸露处结冰，保证集便器系统正常使用以及正常排空，同时降低集便器能耗。

污物箱保温加热分析设计和选用，需根据车辆运行使用情况，满足污物箱安装工况条件和使用要求，满足铁路客车运行使用环境、上线整备时间、运行温度保持等要求［1-4］。按照GB/T 12817－2004《铁道客车通用技术条件》中要求，非限定运用区间车辆运用的环境温度为－40℃～40℃，TB/T 3338－2013《铁道客车及动车组集便装置》中要求，应用在环境温度低于0℃的地区时，集便器装置中安装于车下的部位应设置电加热装置。而加热保温措施应本着安全可靠、经济合理的原则进行设计与选用。

污物箱应同时采取加热、保温措施，提高加热效率，减少热量损失。首先进行加热保温结构设计，考虑加热保温措施的安装、结构形式及电加热装置的安装布局、温控开关温度测点等。其次设计选用电加热元器件和保温材料，设计计算电加热功率、保温层厚度等技术参数，设定温控开关启停温度，确保满足使用要求。

1 加热保温结构设计

污物箱外观一般为长方形箱体，主要组成部分为箱体内胆、保温层、外层包板、清洗阀组件、通气阀、卸污阀组件、接线箱、液位开关、污物箱检查口［4-5］。

箱体内胆为不锈钢板焊接的长方体，设置与车辆车体相配的吊耳或吊梁等悬挂安装装置，用于污物箱的固定。为提高箱体强度，内箱体外设置多根加强筋或加强角钢，加强筋形成框架结构，填充保温材料。箱体外层用不锈钢板包裹，铆钉固定于加强筋，对保温材料进行封装，同时起到保护和装饰作用。

为实现电加热装置自动启停，即一定温度下自动启动加热，在加热到一定温度时自动停止加热。因此，电加热装置应设置温度测量和控制开关。温度传感器应安装在能准确测量被控温度的位置，根据实际需要和电加热装置的原理，将温度传感器安装在污物箱箱体底部位置，构成测量加热装置、被加热介质或者环境温度的测量系统。

污物箱箱体结构及加热保温模型如图1所示。

图1 污物箱箱体结构及加热保温模型

2 加热技术措施

2.1 技术要求

根据车辆安装使用条件，选用电加热装置对污物箱进行加热，电加热装置的选用、设计与安装，均应符合车辆供电条件，同时不影响其他电气设备或装置的正常使用，并且尽可能降低能耗。

电加热装置的电气安全性，直接关系到车辆运行安全及维护检修人员作业安全，因此必须严格控制并检测。主要包括电加热装置的绝缘电阻与介电强度，均应满足GB/T 12817中5.9.5的要求。

电加热装置安全性、功能性要求还应包括：可干烧，加热均匀，寿命长，启停频率合理，升温时间短等。

2.2 技术比选

电加热装置可以采用接触式或非接触式，较多采用的有电加热管，电伴热带，电热毯等3种形式。

工业用电热毯是一种工业用柔性电加热产品，用于包裹或者覆盖被加热保温体，以达到防冻和加热作用，主要由发热元件、基芯、面料、电源线、控制开关等组成。按照控制类型又可分为恒定温度型和温度可调型。一般可同时具有绝缘保温层，增强升温和保温效果，电热丝均匀分布，保证加热面积内温度均匀。其安装使用方式一般将加热毯缠绕到加热体上，或直接平铺在被加热体，之后加以固定。

电加热管是以金属管为外壳，合金电热丝作发热体，在一端或两端具有引出棒，在金属管内填装密实的氧化镁粉末绝缘介质以固定发热体的电热元件。

自动控制温度电伴热带由具有正温度系数（Positive Temperature Coefficient，PTC）电阻率特性的高聚物导电复合材料制成的带状电伴热器。电伴热带具有加热、阻燃、自动保温、限温等特性。节约电能，间歇操作时，升温自动快速，安装及运行费用低。对3种电加热方式比较如表1。

表1 电加热方式比较

最终选用电加热管进行箱体加热，2根或3根电加热管均布式安装于箱体底部，在内胆钢结构框架预留安装孔位。对于冲洗管件、通气管件、卸污管件等污物箱体附件，选用芯带与绝缘层组成的基本型电伴热带，最高维持温度65℃，功率5～40 W。

3 保温技术措施

3.1 技术措施比选

相同温度范围内有不同材料可供选择时，应选用热导率小、密度小、造价低、易于施工的材料制品，同时应进行综合比较，经济效益高者优先选用。选择常用保温材料，厚度为50 mm的板材性能对比分析见表2。

表2 材料性能对比

选用合适的保温材料作为绝热层，要求材料的技术性能及厚度符合设计规定，且厚薄均匀，接缝严实，紧固合理，松紧适度，外形完整无缺，确保绝热效果良好。

在绝热层与最外层保护层之间，必要时施加防水防潮层，有效防止水汽渗透。

目前，污物箱箱体保温材料较多采用玻璃棉、聚氨酯板材或聚氨酯现场发泡，填充污物箱内框架结构，连接管路等选用保温管壳进行保温。

4 车辆安装

真空集便器系统车辆加装改造过程中，加热保温措施中主要涉及车辆与集便器系统的电气连接、管路电伴热安装施工及电加热功能出厂检测等。

4.1 电气连接安装

真空集便器电加热电气原理图如图2所示。原车电气控制柜相应改造，加装集便装置的加热和控制开关。

配置电源线及集便加热电源线至电控箱，配置从电控箱到气水组件、车下污物箱伴热电源线及相关的控制线配线。

4.2 电伴热带安装

车辆安装加热保温施工主要是各连接管路、球阀管件的电伴热带施工，主要的敷设位置如图3所示。

电伴热带敷设方式有单根敷设和缠绕敷设两种。

当敷设单根电伴热带时，敷设时应尽可能使电伴热带平整地紧贴在管道表面，用聚酯带或铝箔胶带固定，严禁用细丝捆扎，如遇法兰、阀门等尖锐突起部分，应注意保护。在水平管道上安装时，可敷设在管道45°侧下方，用玻璃纤维压敏胶带或铝胶带每隔一定距离将电伴热带固定于管道上，如图4所示。

图2 真空集便器电加热电气原理图

图3 真空集便器系统电伴热带敷设示意图

图4 电伴热带直线敷设

电伴热带缠绕敷设又分为单螺旋缠绕和分段螺旋缠绕两种，如图5所示。较多采用的是分段螺旋缠绕，根据缠绕系数，电伴热带总长度等于管道长度乘以缠绕系数，将电伴热带两端固定于一定长度的管道上，然后将松弛的电伴热带缠绕到固定端之间的管道，并加以固定。

电伴热带敷设时不能有死结、死弯现象，穿洞、穿管时不能损伤电伴热线的外皮。电伴热带不能放置在管道较锋利的边缘，要加以保护。电伴热带敷设最小弯曲半径（一般为线径的5倍）和两根线的最小间距（一般为6 cm）均应该符合产品安装使用说明，且不能出现交叉接触和重叠现象。局部缠绕电伴热带不能过多，以免使管道过热烧毁电伴热带，如必须多缠绕时，应适当减少保温层厚度。

图5 单根缠绕和分段螺旋缠绕示意图

4.3 污物箱电加热功能出厂检测

根据不同的使用要求和用户要求，污物箱加热保温功能主要的检测方法有3种：直接法、间接法和模拟环境法。

直接法是指直接模拟污物箱内低温污水，由排污口向污物箱注入一定量（一般为箱体1/2有效容积）冰水混合物或者温度低于2℃的冷水。电加热装置开始工作，信号箱上的加热指示灯显示，测取并记录加热装置工作电流、水温，加热一段时间后，电加热管停止工作，此时信号箱上的加热指示灯熄灭，测取并记录水温、加热时间。期间至少测取一次电加热装置工作电流，并记录。此种方法需要消耗较多的水资源，并且操作时间较长，但可以对安装完成的污物箱电加热装置整体进行测试。此方法在集便器产品研发及型式试验中较多采用。

间接法是指将温度传感器置于低温状态。测试时，打开污物箱侧面或底部电加热检查门。测量电加热装置电源接线柱之间的电压在正常范围内。降低电加热装置温度传感器的温度到4℃（温度传感器设定电加热装置启动温度）以下。测电加热装置的工作功率。之后，将电加热装置的温度传感器温度升到8℃（温度传感器设定电加热装置停止温度）以上，电加热装置应停止工作。此方法缺点是需要打开电加热装置检查门并取出温度传感器，容易对温度探测反馈回路造成损坏。但该方法操作简单，判断快速，在车辆加装改装完工检测中普遍采用。

模拟低温环境，是将真空集便器系统整体或者装车后的车辆整体置于低温环境下，观察当温度降至0℃以下，电加热管是否开始工作，信号显示盘上的加热指示灯应点亮；继续观察温度控制器上的温度显示，当温度升至（8±0.5）℃时，电加热管应停止工作，信号显示盘上的加热指示灯应关闭。此方法在车辆整体低温试验中采用。

5 建 议

为确保污物箱安全可靠性，建议选用性能稳定、质量可靠的温度控制开关，确保电加热管正常启停，避免电加热管长时间加热。同时应在污物箱结构设计校核过程中，适当考虑由于电加热造成的热效应而引起的结构热耦合载荷，确保污物箱安全、正常使用。

同时客车在客技站内库停断电后，如外温较低，车辆停放时间较长时，则管路及污物箱内的污物和污水有可能造成冰堵，影响设备的正常使用，水结冰后体积膨胀，严重时可将污物箱、管路及阀件崩裂，对真空集便器造成严重损坏。因此建议车辆使用维护部门应对入库停放车辆的真空集便器进行排空，并注意车辆停放期间的保护。

［1］ 任大庆.铁路客车真空式集便系统浅析［J］.铁道车辆，2001，（2）：23-25.

［2］ 于志光，孙维余.铁路客车真空集便器［M］.北京：中国铁道出版社，2008.

［3］ 袁 旭.客车真空集便器防冻必要性及防冻措施［J］.铁道车辆.2011，（11）：42-43.

［4］ 闫 凯，邱 慧，等.旅客列车真空集便器系统污物箱设计与试验技术研究［J］.铁路节能环保与劳动卫生，2013，（1）：4-8.

［5］ 李 丰，孙 彦，等.铁道车辆污物箱及安装吊座强度与模态分析［J］.中国铁路，2012，（2）：45-48.

Vacuum Toilet System Wastewater Tank Heating and Heat-preservation Measures and Installing to the Train

YAN Kai，DONG Dawei
（Energy saving＆Environmental protection＆Occupational Safety and Health Research Institute，China Academy of Railway Science，Beijing 100081，China）

According to the apply conditions and technical requirements of the Railway Passenger Wagons Vacuum Toilet System，heating and heat-preservation measures should be taken.Firstly，the heating and heat-preservation structure is designed and different technical measures are compared，secondly，the technical requirements during the mounting on the train are introduced，and then several function tests and detect methods should also be analyzed.

vacuum toilet system；wastewater tank；Heating and Heat-preservation；tubular electrical heating

U270.38＋5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.32

1008－7842（2014）03－0126－04

�）男，助理研究员（

2013－12－03）