升温法测试铁道车辆K值的研究及应用

时间：2023-02-22 23:02:42

关键字：铁道车辆 K值升温法

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[导读]摘要:从车辆升温过程出发,研究了基于升温法测试铁道车辆K值的快速试验测试方法。该方法无须等待车辆内部与外界环境达到热平衡的稳定状态,即可快速测试得到车辆K值,缩短了试验时间,提高了试验效率。使用升温法实际测试某型号铁道车辆K值进行验证,结果精确可靠。

引言

车辆隔热性能是评价车辆性能的重要指标之一,同时也是空调机组选型的重要依据之一。铁道车辆中,车辆隔热性能使用综合传热系数K值表示,按照《铁道客车隔热性能试验方法》(TB/T1674一1993)或《铁道车辆空调第2部分:型式试验》(GB/T33193.2一2016)要求,K值采用车内加热的热稳定试验方法,在环境试验室中测得。因车体热容的存在,实际测试中,车辆内部与外部环境达到热平衡的稳定状态常常需要耗费大量时间。因此,为了缩短试验时间,提高试验效率,本文依据升温法测试K值原理,研究了在车内升温阶段快速测试铁道车辆K值的方法,并使用该方法测试了某型号铁道车辆的K值。

1热稳定法测试K值原理

采用热稳定法测试车辆综合传热系数,要求将车辆置于恒定的环境温度中(如车辆热工试验室),使用电加热器加热车内空气,当车辆内部与外部环境达到热平衡的稳定状态后,由公式(1)计算得到车辆K值:

式中:P为在热稳定状态下输入车内的加热功率(w):F为车体隔热壁的外表面面积或几何平均面积(m2):Tin为车内平均温度(℃):Tout为车外平均温度(℃)。

使用热稳定法测试铁道车辆K值,启动车内电加热器后,车内平均温度随时间的变化如图1所示。

图1热稳定法车内平均温度随时间的变化曲线

由图1可知,采用热稳定法测试铁道车辆K值过程中,车内平均温度先快速升高,然后逐渐趋于平稳,最终车内温度与车外环境达到热平衡的稳定状态。其中,热稳定状态的判定有严格要求。例如,《铁道客车隔热性能试验方法》(TB/T1674一1993)标准要求在车辆隔热壁平均温度维持在(22.5±0.5)℃、车内平均温度与车外平均温度的温差维持在(25±1)K的前提下,热稳定时间不少于8h,其间车外平均温度、车内外温差的波动不得大于±0.5K,且波动不得单调上升或下降,另外要求热稳定期间车内加热功率波动不得大于3%,且波动不得单调上升或下降。使用热稳定法测试车辆K值时,因车体热容的存在,车辆内部与外部环境完全达到热平衡的稳定状态需耗费大量时间,整个测试过程一般需要2~3天。

2升温法测试K值原理

采用升温法测试车辆K值,仅需记录车内平均温度的升温数据,无须等待车辆内部和外部环境达到热平衡的稳定状态,即可计算得到车辆K值。

使用升温法测试车辆K值时,同样将车辆置于恒定的环境温度中(如车辆热工试验室),并使用电加热器加热车内空气。保持输入车内的加热功率Qs和车外平均温度1out恒定,那么在升温阶段,只有车内平均温度1in发生变化。假设此时测试得到的车辆瞬时K值为Ks,根据K值计算公式有:

中:Qs为输入车内的恒定加热功率(w):Ks为升温阶段的车辆瞬时K值[w/(m2·K)]:F为车体隔热壁的外表面面积或几何平均面积(m2):1in为车内平均温度(℃):1out为车外平均温度(℃)。

另一方面,因升温阶段车体热容的存在,实际输入车内的热量一部分由车体隔热壁传出,另一部分由车体吸收,即加热功率Qs又可以写成:

式中:Q0为单位时间内由车体隔热壁传出的热量(J/s):Q1为单位时间内车体吸收的贮存热量(J/s)。

其中,Q0与车辆真实K值有关,可以写成:

式中:K为车辆真实K值[w/(m2·K)]。

Q1与车体热容有关,假设车辆平均热容量为w,dT时间内车内温度变化为d1,则Q1可写为:

因此,由公式(2)~(5)可得:

车辆内部与环境温度达到热平衡的稳定状态时,d1/dT=0,此时Ks=K。记录车内平均温度的升温曲线,如图2所示。根据公式(2)计算得到升温阶段车辆的瞬时K值,绘制车辆瞬时K值随时间的变化曲线如图3所示。

由图2和图3可知,随着车内平均温度的升高,车辆瞬时K值变小,并逐渐趋于车辆真实K值。取车内平均温度上升曲线及车辆瞬时K值曲线上任意两点P1及P2,对应的车内平均温度为11和12,车辆瞬时K值为Ks1和Ks2,对应记录时间为T1和T2。在升温曲线上,对两点作切线,切线的斜率即为两点处的温度变化率d1/dT。

图2车内升温曲线

图3车辆瞬时K值变化曲线

根据公式(6),对于P1和P2点分别有:

式(7)(8)中,只有车辆真实传热系数K以及车辆平均热容量w两个未知量,因此,可以求出车辆平均热容量为:

将车辆平均热容量w代入公式(7)或(8),得到车辆真实传热系数K为:

3升温法测试K值的应用

使用升温法测试某型号铁道车辆K值,按照《铁道车辆空调第2部分:型式试验》(GB/T33193.2一2016)标准要求,将车辆置于热工试验室内,布置车内外温度测点以及车内电加热器,设置并保持环境温度约5℃,电加热器功率约8800w,记录车内升温数据。图4为车内平均温度的升温曲线,图5为升温阶段车辆瞬时K值变化曲线。