和谐电力机车空调性能试验台设计研究

余先涛，孙美娟，孟立显，金其顺

(1．武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070；2．中国铁路武汉局集团有限公司，湖北 武汉 430071；3．中国铁路武汉局集团有限公司 科学技术研究所，湖北 武汉 430071)

近年来，随着我国铁路事业不断发展，空调设备已成为铁路列车中的重要组成部分，为了确保空调机组运行状态良好，铁道部颁布“客车空调三机检修及运用管理规程”规定，大中修期要对机组进行全面的分解、检修，并对检修后空调机组的性能进行检验[1]。目前许多前期投入使用的空调机组已进入检修期，因此，各铁路检修基地需要配备相应的列车空调机组性能试验设备来测试检修后的空调机组性能。

目前已有一些相关空调性能试验台的设计[2-4]，大型空调器的制冷性能测试方法主要有房间热平衡法和空气焓差法。房间热平衡法的测试过程最接近空调器的使用状态，测试结果最为精确，但其投资大，达到试验所需工况稳定时间长，操作维护不便[5]。空气焓差法基于空调机组运行过程中实时确定制冷量或加热量，它响应速度更快，更简单，成本更低，可以满足生产要求。它是许多领域规定的常用测试方法之一，可广泛应用于空调生产企业和部分技术部门[6]。空气焓差法测制冷量的过程中需要测量空气的相关参数，包括干球温度、湿球温度及风量，试验结果产生的误差主要与采用的测量仪表的误差有关[7]。目前的检测设备存在测试精度低，试验运行中工况易受干扰，运行能耗大等问题。

笔者基于焓差法设计的空调机组性能检测设备，测试数据准确可靠，设备工况稳定，可对空调机组的电参数、温湿度、空气压力及流量等进行全程跟踪采集、记录和存盘，试验过程中可随时打印、分析系统运行状态。

1 空调机组性能检测试验原理

1.1 空气焓差法的数学模型

空气焓差法是一种测试空调器制冷、制热能力的试验方法，它对空调器的送风参数、回风参数以及循环风量进行测量，用测出的风量与送风、回风焓差的乘积确定空调器的能量[8]。

采用焓差法测量制冷量，需要模拟空调机组在实际运行中的室内侧和室外侧空气环境。在室内侧通过测量空调机组进、出口气流的干、湿球温度和空气流量来计算制冷量。空气焓差法测量制冷量的数学模型如下：

(1)

式中：Q为机组制冷量；L0为室内侧空气流量测量值；hn为室内侧送风空气焓值；hc为室内侧回风空气焓值；Vp为喷嘴处空气比容；Xp为喷嘴处空气含湿量。

空气焓差法数学模型中的空气焓值、空气比容等不能在试验中直接测量，而由直接测得的室内侧送风干、湿球温度，室内侧回风干、湿球温度，大气压，喷嘴前后压差等参数经过计算得到。从焓差法数学模型分析，影响焓差法测量空调制冷量误差的来源主要是试验过程中直接测得的参数精度，因此要提高空调性能试验台的测试精度，就得提高测试中温度及风量的相关测试精度。

1.2 试验台布置形式

根据《GB/T 19842-2005轨道车辆空调机组》中规定，试验台有3种布置形式，即房间式、风洞式、环路式。这3种布置形式中，风洞式布置的设备工况最稳定，受环境影响最小，但是所需设备占地面积最大，试验运行能耗最大；环路式布置方法相对简便，工程造价低，试验过程运行能耗小，房间式布置方式的特性居中[9]。

环路式空气焓差法布置原理图如图1所示，环路式具有投资小、能耗低等优点，被广泛使用在铁路列车检修部门。笔者对环路式焓差法试验台存在的试验工况易受到干扰，测量精度低等问题，分析影响焓差法测量制冷量精度的原因，提出优化焓差模型各测量参数的方法，减小测量误差，提高试验台工况的稳定性。

图1 环路式空气焓差法布置原理图

1.3 试验台工作原理

空调机组制冷量检测采用室内侧空气焓差法，通过测量空调机组蒸发器前后进风、出风的干球温度与相对湿度和空气流量来计算制冷量。空调机组在试验时，空气循环模拟列车运用状态。空调机组室内侧的蒸发器从回风口吸入空气，经过蒸发器降温、去湿或加热后送入试验装置主风道测量系统，经过空气流量测量装置后进入室内侧风路系统，在该风路系统中有模拟旅客身体散热和散湿状态进行电加热、电加湿的设备，将空气进行加湿、升温，当达到规定的试验工况参数值后，通过回风道进入到空调机组回风口，形成往复连续循环。空调机组室外侧的冷凝风机将空气从冷凝进风口吸入，经过冷凝器升温后排出空调机组，排出的热空气经过室外侧空气处理后重新被冷凝风机吸入，室外侧空气循环模拟空调机组在大气中的状态。

2 空调机组性能试验台设计

根据《GB/T 19842-2005轨道车辆空调机组》、《TB/T 25858-2010精密空调机组性能试验方法》规定的空调机组性能测试方法和检测标准，空调性能检测设备的设计主要包括室内、室外试验间的设计和设备的选型、布置。

2.1 室外侧试验间设计

室外侧试验间的主要作用是模拟空调机组冷凝器系统在夏季的工作条件，作为被试空调机组的试验间，放置被试空调机组，创造出机组试验时所需要的车厢外温度条件。

因此在室外侧试验间内安装冷热风柜，冷热风柜里设置电加热器与制冷压缩机，可以模拟夏季35 ℃以上高温环境条件。在外部气温较低的季节使用冷热风柜内电加热器来升高试验间的环境温度，以便于空调机组启动。在外部气温较高，20 ℃以上时，可直接开启被测试空调机组。当温度过高时，需要启动冷热风柜中相应数量的制冷压缩机进行降温，进行冷热量平衡，最后使试验间内气温始终保持在35 ℃或规定的某一温度值。

2.2 室内侧试验间设计

室内侧试验间的主要作用是放置主风道测量系统，该系统模拟空调机组蒸发器系统在夏季的工作条件，创造出机组试验时所需要的车厢内与车厢外空气相互混合后的温、湿度条件。在主风道内安装温湿度检测取样装置、风量测量装置和风量调节装置。

(1)干湿球温度计设计。分析焓差法的数学模型可以看出，影响焓差法空调制冷量测量误差的主要因素是由于风量、吸入焓值及吐出焓值引起的。因此，要提高焓差法空调制冷量测量的精度，需要在设计中减小这3个参数引起的测量误差。空气焓值h由试验中直接测得的干湿球温度来计算得出，如式(2)所示。因此为了获得精确的制冷量，需要提高室内侧吸入、吐出干湿球温度的测量精度。本文采用的是PT100铂电阻温度传感器，测量范围为-200～600 ℃，可满足试验台的测试需求。

h=1.01td+0.001X(2 500+1.84td)

(2)

(3)

φ=(ps(tw)-0.000 01(65+6.75)

(td-tw)101 325)/ps(td)

(4)

(5)

式中：h为空气焓值；td为干球温度；tw为湿球温度；φ为相对湿度；X为含湿量；ps为水蒸气饱和压力；B为大气压力。

干湿球温度计布置简图如图2所示。两只温度传感器放置在同一取样风口，其中一只用湿纱布包裹，测量湿球温度。湿球温度相比于干球温度更难精确测量，纱布的材质，浸润纱布的水质以及取样风速等都会影响测量精度。

图2 干湿球温度计布置简图

为了保证湿球温度测量准确，包裹温度计的纱布要符合标准。湿球纱布选用柔软、网格整齐的脱脂棉纱布，包裹时避免沾上油脂，油脂会影响纱布吸水[10]。纱布要包裹住温度计探头，浸润纱布的水使用蒸馏水，避免水中杂质在铂电阻温度计上结成水垢，增大导热热阻，会影响湿球温度的测量精度。浸湿纱布的水源需要保证充足，为了避免频繁打开取样风箱，采用自动补水装置。

为了分析风速对空气湿球温度的影响，模拟空调试验台风速取样箱，在空气干球测量温度分别为35 ℃、30 ℃和25 ℃环境下，经过拟合不同取样风速所对应的湿球温度测试结果如图3所示。

取样风速在1 m/s以内时湿球温度的变化幅度较大，测量结果不稳定，因此测试结果取风速在1～8 m/s内湿球温度的测量值来进行分析。从图3可知，风速影响湿球纱布的湿热交换，当风速过小时交换速率过慢，使测得的温度值低于实际值，产生很大的误差。当风速大于7 m/s时，温度传感器上包裹的湿纱布水分蒸发过快，测量温度偏高。因此空调性能试验过程中风速调节器应控制纱布周围的风速在5 m/s，所测得的湿球温度比较稳定精确。

图3 风速与湿球温度的关系

(2)风量测量装置。空气焓差法中，风量的测量原理是通过测量喷嘴前后压差，出风空气状态，大气压力等参数来计算风量的大小，计算公式为：

(6)

式中：Vp为喷嘴处空气比容；ΔHP为喷嘴前空气压力差；Ap为喷嘴喉部面积；C为流量系数。

风量测量装置采用中华人民共和国铁道行业标准规定的测量方式之一毕托管来测量，通过毕托管可以测量出流过该断面的空气动压，从而计算出空气流量。风量调节装置采用阻力风阀进行开度调节，达到风量调节目的。毕托管前后安装整流隔板，得气流平稳，使动压差值测量更准确。

(3)回风管道及空气处理箱。在回风管内及空气处理箱中需要设置电加热器、电加湿设备用于调节室内侧回风的温度和湿度条件，以便达到试验所需要标准工况的温湿度条件。为了更加准确达到预定工况，加热器和加湿器采用闭环控制系统。在系统的输出端和输入端设置反馈电路，控制原理如图4所示，可自动调节加热器和加湿器的功率，使试验系统能快速达到预定工况，并自动维持，提高试验的精度。

图4 加热加湿器自动控制原理

3 计算机测控系统构成

计算机测控系统是为了提高试验台的自动化程度，把自动测试技术应用到空调性能试验台的设计中，使试验台具有自动采集记录数据、参数监控和调节试验台环境工况的功能。本设计中为试验台设置电器控制间，控制间内安装计算机测量系统、电气操作控制柜、电脑桌及显示屏等。

计算机测量系统原理图如图5所示，由上位机、显示器、激光打印机、温度传感器、压差传感器、电参数测量传感变送器等组成，软件采用Windows窗口和菜单式人机界面，试验参数以表格形式显示、存储、查询及打印输出。试验装置被测参数以同信号源的方式在计算机和显示器上同时显示，便于操作者随时观察。

图5 计算机测量系统原理图

计算机测量系统通过温度传感器、压差传感器及电参数测量传感变送器自动获取相关参数，传感器测得的模拟信号经A/D转换模块得到相应物理量的数字信号，传输给计算机。计算机将采集到的信号按照要求做进一步的处理，输出显示。试验台测控系统提高了空调机组性能测试自动化程度，系统自动采集记录数据，具有计算处理及数据存储、检索、打印测试结果的功能。

4 结论

笔者基于焓差法测量空调制冷量设计出适用于大功率和谐机车空调机组性能检测设备。综合对焓差法测量制冷量误差来源的分析，空调进出口处干湿球温度的测量是影响焓差法空调制冷量测量精度的关键，笔者详细介绍了试验台中干湿球温度计的布置及试验过程中合适的取样风速。试验台的测控系统采用闭环控制，试验数据由计算机自动采集记录，测量精度高。本试验台在使用过程中操作简单，自动化程度高，试验工况稳定，测量精度高，可用于各型大功率和谐电力机车空调机组进行性能试验。