铁道客车空调系统设计计算

铁路客车空调系统设计计算作者 朱明内容提要:本文叙述了铁路客车空调系统设计计算方法，重点介绍了客车空调系统热工计算和通风系统风道阻力计算方法，对客车设计中的有关空调系统的学习和设计将有积极的帮助。

※ ※ ※1概述空调系统热工计算和通风系统风道阻力计算，是客车空调系统设计一个重要部分，它是空调机组的选型和通风道整体布置的理论依据。

目前铁道客车的空调冷热负荷是按铁道部标准TB/T1957-91《铁路空调客车热工计算方法》和国家标准GB/T12817-2004《铁道客车通用技术条件》执行。

为简化计算过程，采用稳定计算法计算空调负荷，在实际工作中还要通过性能试验和整车静止试验对设计进行验证。

2.空调客车车内外设计计算参数：2.1使用条件：a)海拔高度:≤1500mb) 环境温度:高寒-40～+40℃，非高寒：-20～+40℃c) 湿度:最大相对湿度≤90%d)列车空调系统能承受风、沙、雨、雪的侵袭e) 列车运行速度25G型车120km/h，25T型车160km/h。

2.2计算参数：a) 夏季工况外气温度：35℃相对湿度：60%客室温度：24-28℃客室相对湿度：40%～65%客室沿高度和长度方向上的平均温差≤3℃。

b) 冬季工况外气计算温度：北京以南-14℃，非限定地区-35℃。

客室温度：18-20℃客室相对湿度：30%～60%客室沿高度和长度方向上的平均温差≤3℃。

c) 新风量夏季：20m3/n·p；当外温高于35℃时，为15 m3/n·p。

冬季：15m3/n·p；当外温低于-30℃时，为10 m3/n·p。

d) 车内微风速夏季平均微风速≤0.25m/s冬季平均微风速≤0.2m/se) 客室空气含尘量≤0.10mg/m 3f) 客室CO 2容积浓度≤0.15%对于运行在北京以南的客车，当冬季车外空气温度低于－14℃时，客室內平均气温不应低于16℃；当夏季车外空气温度高于35℃时，按下式计算客室内平均气温:t B =20＋0.5(t H －20)式中，t B ：客室内平均温度t H ：车外空气温度3.空调热工计算3.1夏季车内热负荷计算3.1.1通过车体隔热壁的传热量Ф1 = K ·F ·△t AB式中：Ф1—通过车体隔热壁的传热量，WF —车体传热面积，m 2 F = B A F F ×F A —车体外表面面积，m 2F B —车体内表面面积，m 2K —车体传热系数，W/m 2·KK = K S ·K gK S —修正系数K g —车体传热系数理论计算值，W/m 2·KK g =∑∑•i i i F F K K i = ∑−++n i W i N 1/1/11αλδααW —车体外表面换热系数，W/m 2·KαN —车体内表面换热系数，W/m 2·Kδi —各层材料的厚度，mλi —各层材料的导热系数，W/m ·K△t AB —车体内、外空气温差，K3.1.2进入车内的太阳辐射热通过车顶、侧墙、车窗和地板进入车内的太阳辐射热Ф2 = K CD ·F CD W CD αεJ CD ＋ K CQ ·F CQ W CQ αεJ CQ ＋ K DB ·F DB WDB αεJ DB ＋ D ·σ·F ch ·J CQ 式中：Ф2—进入车内的太阳辐射热，WK CD 、K CQ 、K DB —车顶、侧墙、地板的传热系数，W/m 2·KF CD 、F CQ 、F DB 、F ch —车顶、侧墙、地板和车窗玻璃的传热面积，m 2εCD 、εCQ 、εDB —车顶、侧墙、地板的阳光吸收系数J CD 、J CQ 、J DB —车顶、侧墙、地板外表面上的太阳辐射强度，W/m 2D —玻璃透光系数σ —遮光系数3.1.3车内旅客的散热量Ф3 = n ·q式中：Ф3—车内旅客的散热量，Wn —车内定员数q —平均每人散发的热量，W3.1.4车内机电设备的散热量若车内装有电开水炉，电炉和其他电源，在计算热平衡时，按热源的平均功率和使用时间计算其散热量Ф4。

3.1.5车内总的热负荷Ф =Ф1 ＋ Ф2 ＋ Ф3＋ Ф4式中：Ф —车内总的热负荷，W3.2夏季车内湿负荷计算 车内湿负荷主要是旅客的散湿量。

W = n ·p 式中：W —旅客的散湿量，g/hp —平均每人的散湿量，g/h3.3设备制冷功率和去湿量计算3.3.1空气流量与热流量计算干空气流量m G = 3101−×+•d Vρ式中：m G — 干空气流量，kg/sρ — 空气密度,kg/m 3V — 空气容积流量，m 3/sd — 空气含湿量，g/kg空气中的水蒸气流量m X = m G ·d×10-3式中：m X —空气中的水蒸气流量，kg/s湿空气流量m = m G (1＋d ×10-3)式中：m —湿空气流量，kg/s空气的热流量ФG = m G ·i式中：ФG — 空气热流量，kWi — 空气比焓，kJ/kg3.3.2 按送入车内新鲜空气量和再循环空气量确定混合空气参数点M’（见图1）i M ′= GBGA B GB A GA m m i m i m +•+• d M ′ = GB GA B GB A GA m m d m d m +•+• 式中：i A 、i B 、i M ′— 新鲜空气、再循环空气和混合空气的比焓，kJ/kgd A 、d B 、d M ′—新鲜空气、再循环空气和混合空气的含湿量，g/kgm GA 、m GB — 新鲜空气、再循环空气中的干空气流量，kg/s通风机安装在蒸发器的顺风侧，因通风机工作时散热，加热混合空气，使混合空气参数点M ’上移至M 点。

△t M M ′= M P T m C P ′• △i M M ′= M G T m P ′ 式中：△t M M ′—M 、M ’点间温差，K △i M M ′—M 、M ’点间焓差，kJ/kgP T — 通风机功率，kWC P —空气定压比热，kJ/kg ·KM m ′—混合空气流量，kg/sM G m ′—混合空气中干空气流量，kg/s图1 P=101325Pa湿空气的焓湿图3.3.3 确定送风参数点Ni N =i B －△ir△i r = GNm φ式中：i N — N 点的比焓，kJ/kg△i r —B 、N 点间的焓差，kJ/kgm GN —N 点的干空气流量，kg/sd N = d B －△r d△d r = GNm W 式中：d N — N 点的含湿量，g/kg△d r —B、N点间的含湿量差，g/kg3.3.4 必要的制冷功率和去湿量P O = m GN·△i KW O = m GN·△d K式中：P O — 必要的制冷功率，kWW O—蒸发器的去湿量，g/s△i K —M、N点间的焓差，kJ/kg△d K —M、N点间的含湿量差，g/kg3.4能量与质量平衡验算3.4.1 热平衡方程式Ф＋P T＋ФA=P O＋Фf式中：ФA —送入车内新鲜空气带入的热量，kW ФA = m GA·i AФf — 排出废气带出的热量，kWФf = m Gf·i fm Gf — 排出废气中的干空气流量，kg/si f — 废气的比焓，kJ/kg3.4.2 质量平衡方程式m XA ＋ W=m Xf ＋ W Q式中：m XA — 送入车内新鲜空气带入水分，g/s m XA = m GA·d Am Xf = m Gf·d fd f — 废气的含湿量，g/kg4.采暖设备加热功率4.1 热平衡方程式P＋Ф3’＋Ф4’ =Ф1’＋Ф2’式中：P—采暖设备加热功率，kWФ1’—通过车体隔热壁损失的热量，kWФ2’—加热送入车内新鲜空气所需热量，kWФ3’—旅客的散热量，kWФ4’—机电设备散热量，kW4.2 通过车体隔热壁损失的热量按下式计算。

Ф1’= K·F·△t AB4.3 加热送入车内新鲜空气所需热量按下式计算。

Ф2’= V A·ρ·C P·△t AB4.4 冬季旅客散热量按人体散发的显热量计算。

4.5 机电设备散热量通常被当作采暖设备的安全贮备热，在计算中不予考虑。

4.6 采暖设备加热功率车内有旅客时P =Ф1’＋Ф2’－Ф3’车内无旅客时P =Ф1’＋Ф2’5.空调送风道设计计算空调通风管道系统在初步拟定后，要进行管道阻力计算，其目的是选择风道尺寸，计算通风管道总的阻力损失，以便于合理选择通风机，对于有分支管路的系统，还应进行节点的平衡计算。

5.1通风系统的一般风速空气流速是风道设计中的重要数据之一，针对车辆空间狭小、人员集中、送风温差较大等特点及车辆风道设计经验，一般车辆风道内推荐风速如表1：表1 一般车辆风道内风速位置 风速（m/s）新风入口 4～4.5过滤器 1.0～1.5电加热器 2.5～3.0蒸发器 1.5～2.5主风道 5.5～8支风道 4.0～5.5通风机出口 6.5～11.05.2通风管道阻力计算步骤a) 选取通风系统阻力最不利环路，一般指风量较大或者局部阻力构件最多、走向最复杂管路。

b) 根据通风管道布置，按比例绘制示意图，并从风道末端给管路编号，注明各管段风量和长度。

c) 确定各部位风速。

d) 根据各管段风量和选定风速，计算各管段的断面尺寸。

e) 算出各管段的当量直径。

f) 根据风量和当量直径可计算出摩擦阻力。

g) 计算通风系统内各设备的阻力损失。

h) 计算通风系统总阻力损失。

i) 按需要进行并联支管压损平衡，如果支路压损不平衡，则不能按预定风量分配空气，压损小的支管实际风量比预定风量大，压损大的支管则相反，实际风量比预定风量小。

压损不平衡时，可视情况调整分支管断面尺寸，如不能通过分支管达到压损平衡时，可利用风门进行调节。

5.3.均匀送风管道的设计计算由送风管道壁面的若干孔口或短管送出等量的风量，这种送风道称为均匀送风管道。

这种送风方式可使空气均匀分布于室内，并因无支管而制造简单，在实际设计中应用广泛，均匀送风道有两种形式，一种是风道断面不变，各出风口面积不等，另一种是风道断面逐渐缩小，各出风口面积相等。

5.3.1 送风管道侧孔送风通风管道内流动的空气在通过孔侧时，将同时受到垂直于风道壁面的静压和平行风道轴线的动压作用，在静压P j 作用下，空气将延侧孔出流，并产生一垂直于风道侧壁的速度，称为静压速度V j 。

(见图2)V j = ρjP 2 (m/s) 在动压P d 作用下，风道内气流速度为V d V d =ρd P 2 (m/s) 空气通过侧孔的实际流速V ，是静压速度和动压速度的合成速度 图2风道侧孔送风 V =22d j V V +=()d j P P +ρ2空气的实际速度与风道轴线的夹角称为空气的出流角tg α = d jV V = d j P P可见侧孔出流方向与静压和动压之比有关，静压越大，动压越小，则出流角α越大，气流方向越接近与风道壁面垂直。