余先濤，孫美娟，孟立顯，金其順

(1．武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2．中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430071；3．中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司 科學(xué)技術(shù)研究所，湖北 武漢 430071)

近年來(lái)，隨著我國(guó)鐵路事業(yè)不斷發(fā)展，空調(diào)設(shè)備已成為鐵路列車中的重要組成部分，為了確?？照{(diào)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)良好，鐵道部頒布“客車空調(diào)三機(jī)檢修及運(yùn)用管理規(guī)程”規(guī)定，大中修期要對(duì)機(jī)組進(jìn)行全面的分解、檢修，并對(duì)檢修后空調(diào)機(jī)組的性能進(jìn)行檢驗(yàn)[1]。目前許多前期投入使用的空調(diào)機(jī)組已進(jìn)入檢修期，因此，各鐵路檢修基地需要配備相應(yīng)的列車空調(diào)機(jī)組性能試驗(yàn)設(shè)備來(lái)測(cè)試檢修后的空調(diào)機(jī)組性能。

目前已有一些相關(guān)空調(diào)性能試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)[2-4]，大型空調(diào)器的制冷性能測(cè)試方法主要有房間熱平衡法和空氣焓差法。房間熱平衡法的測(cè)試過(guò)程最接近空調(diào)器的使用狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果最為精確，但其投資大，達(dá)到試驗(yàn)所需工況穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，操作維護(hù)不便[5]?？諝忪什罘ɑ诳照{(diào)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)確定制冷量或加熱量，它響應(yīng)速度更快，更簡(jiǎn)單，成本更低，可以滿足生產(chǎn)要求。它是許多領(lǐng)域規(guī)定的常用測(cè)試方法之一，可廣泛應(yīng)用于空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)和部分技術(shù)部門(mén)[6]?？諝忪什罘y(cè)制冷量的過(guò)程中需要測(cè)量空氣的相關(guān)參數(shù)，包括干球溫度、濕球溫度及風(fēng)量，試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的誤差主要與采用的測(cè)量?jī)x表的誤差有關(guān)[7]。目前的檢測(cè)設(shè)備存在測(cè)試精度低，試驗(yàn)運(yùn)行中工況易受干擾，運(yùn)行能耗大等問(wèn)題。

筆者基于焓差法設(shè)計(jì)的空調(diào)機(jī)組性能檢測(cè)設(shè)備，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，設(shè)備工況穩(wěn)定，可對(duì)空調(diào)機(jī)組的電參數(shù)、溫濕度、空氣壓力及流量等進(jìn)行全程跟蹤采集、記錄和存盤(pán)，試驗(yàn)過(guò)程中可隨時(shí)打印、分析系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

1 空調(diào)機(jī)組性能檢測(cè)試驗(yàn)原理

1.1 空氣焓差法的數(shù)學(xué)模型

空氣焓差法是一種測(cè)試空調(diào)器制冷、制熱能力的試驗(yàn)方法，它對(duì)空調(diào)器的送風(fēng)參數(shù)、回風(fēng)參數(shù)以及循環(huán)風(fēng)量進(jìn)行測(cè)量，用測(cè)出的風(fēng)量與送風(fēng)、回風(fēng)焓差的乘積確定空調(diào)器的能量[8]。

采用焓差法測(cè)量制冷量，需要模擬空調(diào)機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中的室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)空氣環(huán)境。在室內(nèi)側(cè)通過(guò)測(cè)量空調(diào)機(jī)組進(jìn)、出口氣流的干、濕球溫度和空氣流量來(lái)計(jì)算制冷量。空氣焓差法測(cè)量制冷量的數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

式中：Q為機(jī)組制冷量；L0為室內(nèi)側(cè)空氣流量測(cè)量值；hn為室內(nèi)側(cè)送風(fēng)空氣焓值；hc為室內(nèi)側(cè)回風(fēng)空氣焓值；Vp為噴嘴處空氣比容；Xp為噴嘴處空氣含濕量。

空氣焓差法數(shù)學(xué)模型中的空氣焓值、空氣比容等不能在試驗(yàn)中直接測(cè)量，而由直接測(cè)得的室內(nèi)側(cè)送風(fēng)干、濕球溫度，室內(nèi)側(cè)回風(fēng)干、濕球溫度，大氣壓，噴嘴前后壓差等參數(shù)經(jīng)過(guò)計(jì)算得到。從焓差法數(shù)學(xué)模型分析，影響焓差法測(cè)量空調(diào)制冷量誤差的來(lái)源主要是試驗(yàn)過(guò)程中直接測(cè)得的參數(shù)精度，因此要提高空調(diào)性能試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試精度，就得提高測(cè)試中溫度及風(fēng)量的相關(guān)測(cè)試精度。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)布置形式

根據(jù)《GB/T 19842-2005軌道車輛空調(diào)機(jī)組》中規(guī)定，試驗(yàn)臺(tái)有3種布置形式，即房間式、風(fēng)洞式、環(huán)路式。這3種布置形式中，風(fēng)洞式布置的設(shè)備工況最穩(wěn)定，受環(huán)境影響最小，但是所需設(shè)備占地面積最大，試驗(yàn)運(yùn)行能耗最大；環(huán)路式布置方法相對(duì)簡(jiǎn)便，工程造價(jià)低，試驗(yàn)過(guò)程運(yùn)行能耗小，房間式布置方式的特性居中[9]。

環(huán)路式空氣焓差法布置原理圖如圖1所示，環(huán)路式具有投資小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用在鐵路列車檢修部門(mén)。筆者對(duì)環(huán)路式焓差法試驗(yàn)臺(tái)存在的試驗(yàn)工況易受到干擾，測(cè)量精度低等問(wèn)題，分析影響焓差法測(cè)量制冷量精度的原因，提出優(yōu)化焓差模型各測(cè)量參數(shù)的方法，減小測(cè)量誤差，提高試驗(yàn)臺(tái)工況的穩(wěn)定性。

圖1 環(huán)路式空氣焓差法布置原理圖

1.3 試驗(yàn)臺(tái)工作原理

空調(diào)機(jī)組制冷量檢測(cè)采用室內(nèi)側(cè)空氣焓差法，通過(guò)測(cè)量空調(diào)機(jī)組蒸發(fā)器前后進(jìn)風(fēng)、出風(fēng)的干球溫度與相對(duì)濕度和空氣流量來(lái)計(jì)算制冷量。空調(diào)機(jī)組在試驗(yàn)時(shí)，空氣循環(huán)模擬列車運(yùn)用狀態(tài)?？照{(diào)機(jī)組室內(nèi)側(cè)的蒸發(fā)器從回風(fēng)口吸入空氣，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器降溫、去濕或加熱后送入試驗(yàn)裝置主風(fēng)道測(cè)量系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)空氣流量測(cè)量裝置后進(jìn)入室內(nèi)側(cè)風(fēng)路系統(tǒng)，在該風(fēng)路系統(tǒng)中有模擬旅客身體散熱和散濕狀態(tài)進(jìn)行電加熱、電加濕的設(shè)備，將空氣進(jìn)行加濕、升溫，當(dāng)達(dá)到規(guī)定的試驗(yàn)工況參數(shù)值后，通過(guò)回風(fēng)道進(jìn)入到空調(diào)機(jī)組回風(fēng)口，形成往復(fù)連續(xù)循環(huán)。空調(diào)機(jī)組室外側(cè)的冷凝風(fēng)機(jī)將空氣從冷凝進(jìn)風(fēng)口吸入，經(jīng)過(guò)冷凝器升溫后排出空調(diào)機(jī)組，排出的熱空氣經(jīng)過(guò)室外側(cè)空氣處理后重新被冷凝風(fēng)機(jī)吸入，室外側(cè)空氣循環(huán)模擬空調(diào)機(jī)組在大氣中的狀態(tài)。

2 空調(diào)機(jī)組性能試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)《GB/T 19842-2005軌道車輛空調(diào)機(jī)組》、《TB/T 25858-2010精密空調(diào)機(jī)組性能試驗(yàn)方法》規(guī)定的空調(diào)機(jī)組性能測(cè)試方法和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，空調(diào)性能檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)主要包括室內(nèi)、室外試驗(yàn)間的設(shè)計(jì)和設(shè)備的選型、布置。

2.1 室外側(cè)試驗(yàn)間設(shè)計(jì)

室外側(cè)試驗(yàn)間的主要作用是模擬空調(diào)機(jī)組冷凝器系統(tǒng)在夏季的工作條件，作為被試空調(diào)機(jī)組的試驗(yàn)間，放置被試空調(diào)機(jī)組，創(chuàng)造出機(jī)組試驗(yàn)時(shí)所需要的車廂外溫度條件。

因此在室外側(cè)試驗(yàn)間內(nèi)安裝冷熱風(fēng)柜，冷熱風(fēng)柜里設(shè)置電加熱器與制冷壓縮機(jī)，可以模擬夏季35 ℃以上高溫環(huán)境條件。在外部氣溫較低的季節(jié)使用冷熱風(fēng)柜內(nèi)電加熱器來(lái)升高試驗(yàn)間的環(huán)境溫度，以便于空調(diào)機(jī)組啟動(dòng)。在外部氣溫較高，20 ℃以上時(shí)，可直接開(kāi)啟被測(cè)試空調(diào)機(jī)組。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，需要啟動(dòng)冷熱風(fēng)柜中相應(yīng)數(shù)量的制冷壓縮機(jī)進(jìn)行降溫，進(jìn)行冷熱量平衡，最后使試驗(yàn)間內(nèi)氣溫始終保持在35 ℃或規(guī)定的某一溫度值。

2.2 室內(nèi)側(cè)試驗(yàn)間設(shè)計(jì)

室內(nèi)側(cè)試驗(yàn)間的主要作用是放置主風(fēng)道測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)模擬空調(diào)機(jī)組蒸發(fā)器系統(tǒng)在夏季的工作條件，創(chuàng)造出機(jī)組試驗(yàn)時(shí)所需要的車廂內(nèi)與車廂外空氣相互混合后的溫、濕度條件。在主風(fēng)道內(nèi)安裝溫濕度檢測(cè)取樣裝置、風(fēng)量測(cè)量裝置和風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置。

(1)干濕球溫度計(jì)設(shè)計(jì)。分析焓差法的數(shù)學(xué)模型可以看出，影響焓差法空調(diào)制冷量測(cè)量誤差的主要因素是由于風(fēng)量、吸入焓值及吐出焓值引起的。因此，要提高焓差法空調(diào)制冷量測(cè)量的精度，需要在設(shè)計(jì)中減小這3個(gè)參數(shù)引起的測(cè)量誤差。空氣焓值h由試驗(yàn)中直接測(cè)得的干濕球溫度來(lái)計(jì)算得出，如式(2)所示。因此為了獲得精確的制冷量，需要提高室內(nèi)側(cè)吸入、吐出干濕球溫度的測(cè)量精度。本文采用的是PT100鉑電阻溫度傳感器，測(cè)量范圍為-200～600 ℃，可滿足試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試需求。

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為空氣焓值；td為干球溫度；tw為濕球溫度；φ為相對(duì)濕度；X為含濕量；ps為水蒸氣飽和壓力；B為大氣壓力。

干濕球溫度計(jì)布置簡(jiǎn)圖如圖2所示。兩只溫度傳感器放置在同一取樣風(fēng)口，其中一只用濕紗布包裹，測(cè)量濕球溫度。濕球溫度相比于干球溫度更難精確測(cè)量，紗布的材質(zhì)，浸潤(rùn)紗布的水質(zhì)以及取樣風(fēng)速等都會(huì)影響測(cè)量精度。

圖2 干濕球溫度計(jì)布置簡(jiǎn)圖

為了保證濕球溫度測(cè)量準(zhǔn)確，包裹溫度計(jì)的紗布要符合標(biāo)準(zhǔn)。濕球紗布選用柔軟、網(wǎng)格整齊的脫脂棉紗布，包裹時(shí)避免沾上油脂，油脂會(huì)影響紗布吸水[10]。紗布要包裹住溫度計(jì)探頭，浸潤(rùn)紗布的水使用蒸餾水，避免水中雜質(zhì)在鉑電阻溫度計(jì)上結(jié)成水垢，增大導(dǎo)熱熱阻，會(huì)影響濕球溫度的測(cè)量精度。浸濕紗布的水源需要保證充足，為了避免頻繁打開(kāi)取樣風(fēng)箱，采用自動(dòng)補(bǔ)水裝置。

為了分析風(fēng)速對(duì)空氣濕球溫度的影響，模擬空調(diào)試驗(yàn)臺(tái)風(fēng)速取樣箱，在空氣干球測(cè)量溫度分別為35 ℃、30 ℃和25 ℃環(huán)境下，經(jīng)過(guò)擬合不同取樣風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的濕球溫度測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

取樣風(fēng)速在1 m/s以內(nèi)時(shí)濕球溫度的變化幅度較大，測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定，因此測(cè)試結(jié)果取風(fēng)速在1～8 m/s內(nèi)濕球溫度的測(cè)量值來(lái)進(jìn)行分析。從圖3可知，風(fēng)速影響濕球紗布的濕熱交換，當(dāng)風(fēng)速過(guò)小時(shí)交換速率過(guò)慢，使測(cè)得的溫度值低于實(shí)際值，產(chǎn)生很大的誤差。當(dāng)風(fēng)速大于7 m/s時(shí)，溫度傳感器上包裹的濕紗布水分蒸發(fā)過(guò)快，測(cè)量溫度偏高。因此空調(diào)性能試驗(yàn)過(guò)程中風(fēng)速調(diào)節(jié)器應(yīng)控制紗布周圍的風(fēng)速在5 m/s，所測(cè)得的濕球溫度比較穩(wěn)定精確。

圖3 風(fēng)速與濕球溫度的關(guān)系

(2)風(fēng)量測(cè)量裝置。空氣焓差法中，風(fēng)量的測(cè)量原理是通過(guò)測(cè)量噴嘴前后壓差，出風(fēng)空氣狀態(tài)，大氣壓力等參數(shù)來(lái)計(jì)算風(fēng)量的大小，計(jì)算公式為：

(6)

式中：Vp為噴嘴處空氣比容；ΔHP為噴嘴前空氣壓力差；Ap為噴嘴喉部面積；C為流量系數(shù)。

風(fēng)量測(cè)量裝置采用中華人民共和國(guó)鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)量方式之一畢托管來(lái)測(cè)量，通過(guò)畢托管可以測(cè)量出流過(guò)該斷面的空氣動(dòng)壓，從而計(jì)算出空氣流量。風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置采用阻力風(fēng)閥進(jìn)行開(kāi)度調(diào)節(jié)，達(dá)到風(fēng)量調(diào)節(jié)目的。畢托管前后安裝整流隔板，得氣流平穩(wěn)，使動(dòng)壓差值測(cè)量更準(zhǔn)確。

(3)回風(fēng)管道及空氣處理箱。在回風(fēng)管內(nèi)及空氣處理箱中需要設(shè)置電加熱器、電加濕設(shè)備用于調(diào)節(jié)室內(nèi)側(cè)回風(fēng)的溫度和濕度條件，以便達(dá)到試驗(yàn)所需要標(biāo)準(zhǔn)工況的溫濕度條件。為了更加準(zhǔn)確達(dá)到預(yù)定工況，加熱器和加濕器采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)的輸出端和輸入端設(shè)置反饋電路，控制原理如圖4所示，可自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱器和加濕器的功率，使試驗(yàn)系統(tǒng)能快速達(dá)到預(yù)定工況，并自動(dòng)維持，提高試驗(yàn)的精度。

圖4 加熱加濕器自動(dòng)控制原理

3 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)成

計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)是為了提高試驗(yàn)臺(tái)的自動(dòng)化程度，把自動(dòng)測(cè)試技術(shù)應(yīng)用到空調(diào)性能試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)中，使試驗(yàn)臺(tái)具有自動(dòng)采集記錄數(shù)據(jù)、參數(shù)監(jiān)控和調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺(tái)環(huán)境工況的功能。本設(shè)計(jì)中為試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置電器控制間，控制間內(nèi)安裝計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)、電氣操作控制柜、電腦桌及顯示屏等。

計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)原理圖如圖5所示，由上位機(jī)、顯示器、激光打印機(jī)、溫度傳感器、壓差傳感器、電參數(shù)測(cè)量傳感變送器等組成，軟件采用Windows窗口和菜單式人機(jī)界面，試驗(yàn)參數(shù)以表格形式顯示、存儲(chǔ)、查詢及打印輸出。試驗(yàn)裝置被測(cè)參數(shù)以同信號(hào)源的方式在計(jì)算機(jī)和顯示器上同時(shí)顯示，便于操作者隨時(shí)觀察。

圖5 計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)原理圖

計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器、壓差傳感器及電參數(shù)測(cè)量傳感變送器自動(dòng)獲取相關(guān)參數(shù)，傳感器測(cè)得的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊得到相應(yīng)物理量的數(shù)字信號(hào)，傳輸給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)將采集到的信號(hào)按照要求做進(jìn)一步的處理，輸出顯示。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)提高了空調(diào)機(jī)組性能測(cè)試自動(dòng)化程度，系統(tǒng)自動(dòng)采集記錄數(shù)據(jù)，具有計(jì)算處理及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索、打印測(cè)試結(jié)果的功能。

4 結(jié)論

筆者基于焓差法測(cè)量空調(diào)制冷量設(shè)計(jì)出適用于大功率和諧機(jī)車空調(diào)機(jī)組性能檢測(cè)設(shè)備。綜合對(duì)焓差法測(cè)量制冷量誤差來(lái)源的分析，空調(diào)進(jìn)出口處干濕球溫度的測(cè)量是影響焓差法空調(diào)制冷量測(cè)量精度的關(guān)鍵，筆者詳細(xì)介紹了試驗(yàn)臺(tái)中干濕球溫度計(jì)的布置及試驗(yàn)過(guò)程中合適的取樣風(fēng)速。試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集記錄，測(cè)量精度高。本試驗(yàn)臺(tái)在使用過(guò)程中操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，試驗(yàn)工況穩(wěn)定，測(cè)量精度高，可用于各型大功率和諧電力機(jī)車空調(diào)機(jī)組進(jìn)行性能試驗(yàn)。