動(dòng)車組空調(diào)制冷系統(tǒng)運(yùn)行仿真與故障分析
【摘要】 動(dòng)車組的出現(xiàn)給人們的出行帶來了很大的方便,并以其快速、安全和舒適等特點(diǎn)在多個(gè)國家和地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。隨著生活水平的提高,人們對動(dòng)車組的舒適性也有較高的要求,動(dòng)車組空調(diào)制冷系統(tǒng)是夏季為室內(nèi)提供舒適環(huán)境的重要設(shè)備。保障動(dòng)車組客室的舒適環(huán)境,有利于提高動(dòng)車組與飛機(jī)和汽車之間的競爭力,促進(jìn)動(dòng)車組的發(fā)展。因此研究動(dòng)車組空調(diào)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和故障有著重要的意義。本文以我國目前運(yùn)行的某型動(dòng)車組空調(diào)制冷系統(tǒng)為研究對象,該型動(dòng)車組司機(jī)室空調(diào)制冷系統(tǒng)包含一臺(tái)單元式空調(diào)機(jī)組,客室有兩臺(tái)空調(diào)機(jī)組,每臺(tái)包含兩個(gè)獨(dú)立的制冷循環(huán)。首先分析了制冷系統(tǒng)的制冷機(jī)理和制冷循環(huán)的熱力性能,并對動(dòng)車組客室空調(diào)冷負(fù)荷進(jìn)行定量分析。對動(dòng)車組空調(diào)制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流裝置等主要部件工作機(jī)理進(jìn)行分析,利用AMESim軟件的相關(guān)元件建立各個(gè)部件的模型,并進(jìn)行仿真分析。然后在各主要部件模型的基礎(chǔ)上建立了司機(jī)室和客室空調(diào)制冷系統(tǒng)模型,對其幾種運(yùn)行轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真分析。在司機(jī)室和客室空調(diào)制冷系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上,通過仿真進(jìn)一步分析了空氣參數(shù)和主要部件參數(shù)變化對空調(diào)制冷系統(tǒng)性能的影響。比較該型動(dòng)車組空調(diào)制冷系統(tǒng)幾種壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速模式下的性能特點(diǎn),分析了其相對定轉(zhuǎn)速空調(diào)制冷系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。通過建立濕空氣混合模型,仿真分析了該型動(dòng)車組空調(diào)制冷系統(tǒng)增加新風(fēng)量之后蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)的參數(shù)變化,結(jié)合制冷系統(tǒng)模型,仿真研究了增加新風(fēng)量對空調(diào)制冷系統(tǒng)性能的影響。對于故障仿真分析,本文分別模擬了制冷劑泄漏、換熱器和空氣過濾網(wǎng)堵塞造成的風(fēng)速分布不均勻和風(fēng)量不足等情況下動(dòng)車組空調(diào)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),分析了這些情況可能會(huì)導(dǎo)致的制冷系統(tǒng)故障。針對換熱器和過濾網(wǎng)堵塞易導(dǎo)致多種故障,結(jié)合運(yùn)用所現(xiàn)場資料分析了換熱器維護(hù)保養(yǎng)的重要性及方法。
第1章緒論
1.1選題背景及研究意義
在動(dòng)車組高速運(yùn)行的同時(shí)，乘務(wù)人員與旅客也需要舒適的車內(nèi)環(huán)境，保證乘務(wù)人員正常工作和旅客的旅途愉快，因此，需要有性能可靠的空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度和空氣質(zhì)量，提供舒適的車內(nèi)環(huán)境。在研發(fā)與設(shè)計(jì)過程中，要保證空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的可靠性，同時(shí)也要兼顧經(jīng)濟(jì)性。而在投入運(yùn)營后的維護(hù)保養(yǎng)過程中，空調(diào)制冷系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)是動(dòng)車組日常檢修維護(hù)的重要內(nèi)容之一，通過對空調(diào)系統(tǒng)制冷的研究，特別是對部分故障因素及其產(chǎn)生原理的深入研究對該系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)和故障的分析處理會(huì)有一定的幫助，提高檢修效率。隨著生活水平的提高，旅客對乘坐舒適性要求也相應(yīng)提?高，保證旅客運(yùn)輸?shù)氖孢m條件是高速鐵路運(yùn)輸中的重要問題之一，因而動(dòng)車組空調(diào)系統(tǒng)的研究對高速鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展有著重要的意義。
空氣的相對濕度會(huì)影響人體的蒸發(fā)散熱，衛(wèi)生學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為，當(dāng)人體周圍的空氣溫度小于26.7°C時(shí)，相對濕度對人體的影響不太明顯，當(dāng)溫度在28°C以上時(shí)，相對濕度對人體的影響較為明顯。一般來說，使人感到不舒適的相對濕度極限值約為70%。綜合考慮如上因素，夏季客室內(nèi)的平均溫度范圍為24?28°C，相對濕度范圍為40%?70%⑴。冬季客室內(nèi)的平均溫度不低于18°C，相對濕度不低于30%。圖1-1為人體感到舒適的相對濕度與溫度的關(guān)系。
1.2國內(nèi)外動(dòng)車組空調(diào)系統(tǒng)概況
鐵路客車空調(diào)機(jī)組按其安裝型式可分為兩類：一類為車頂單元式空調(diào)機(jī)組，另一類為分體式空調(diào)機(jī)組。兩類機(jī)組均設(shè)有空調(diào)制冷系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、空氣加熱系統(tǒng)和自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。單元式空調(diào)機(jī)組將制冷壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥和冷凝風(fēng)機(jī)等部件組裝在一起，安裝在客車項(xiàng)部，也稱為車頂單元式空調(diào)機(jī)組。分體式客車空調(diào)機(jī)組分成兩個(gè)部分，一部分安裝在車頂，包括對空氣進(jìn)行冷、熱處理和輸送、分配單元。而另一部分安裝在車底，包括空調(diào)裝置的壓縮機(jī)、冷凝器等部分。
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第2章動(dòng)車組空調(diào)制冷系統(tǒng)原理與冷負(fù)荷分析
2. 1動(dòng)車組空調(diào)制冷系統(tǒng)機(jī)理分析
液體氣化的相變過程中要吸收熱量，蒸氣壓縮式制冷正是利用這一過程來獲得冷量。在一定的壓力條件下，液體溫度達(dá)到飽和溫度就會(huì)沸騰，在制冷技術(shù)中把這個(gè)溫度稱之為蒸發(fā)溫度。相同壓力下，不同液體的蒸發(fā)溫度不同，氣化過程中所吸收的氣化潛熱也不同。表2-1給出了在一個(gè)大氣壓下水和幾種空調(diào)常用制冷劑的蒸發(fā)溫度和氣化潛熱。根據(jù)液體熱力學(xué)性質(zhì)可知，壓力越低，液體的飽和溫度就越低，蒸氣壓縮式制冷利用低壓狀態(tài)下的制冷劑液體在低溫下（低于需要制取的溫度）蒸發(fā)吸熱，吸收被冷卻空氣的熱量，使其溫度降低，達(dá)到制冷的目的。低溫低壓的制冷劑液體吸熱蒸發(fā)之后，將變成低溫低壓的制冷劑蒸氣。
2. 2蒸氣壓縮式空調(diào)制冷的理論循環(huán)與熱力性能分析
假定從蒸發(fā)器流出的制冷劑飽和蒸氣，即點(diǎn)1狀態(tài)。系統(tǒng)的連接管路與外界沒有熱交換，則壓縮機(jī)吸入的還是飽和蒸氣。假設(shè)蒸氣壓縮是絕熱的，且吸、排氣閥沒有阻力，則線段1 一2表示的壓縮過程是等熵過程，壓力由蒸發(fā)壓力上升到冷凝壓力P,,同時(shí)溫度由蒸發(fā)溫度r,上升到,2。2—3—4表示制冷劑蒸氣在冷凝器中等壓冷卻(2—3)和冷凝（3—4)的過程。在冷卻階段2—3，過熱蒸氣放出過熱熱量，溫度從降到冷凝壓力/7。對應(yīng)的冷凝溫度r。。在不變的條件下再經(jīng)3 —4的冷凝階段放出冷凝熱相變?yōu)轱柡鸵后w，即點(diǎn)4狀態(tài)。4一5表示制冷劑液體通過節(jié)流裝置的節(jié)流過程。節(jié)流過程可認(rèn)為與外界無熱交換，所以節(jié)流前后制冷劑拾值相等：h* = h”節(jié)流時(shí)流速很快，壓力突然降低，部分制冷劑吸收自身熱量而氣化成飽和蒸氣，同時(shí)溫度也因此降低，制冷劑進(jìn)入兩相區(qū)。5—1表示制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱的過程。在這個(gè)過程中，制冷劑在蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度呆持不變，吸收被冷卻物體的熱量而相變?yōu)轱柡驼魵�。在理論循環(huán)中，制冷劑除了通過節(jié)流裝置時(shí)壓力降低外，在流經(jīng)其余的管路和部件時(shí)，都認(rèn)為沒有阻力損失。
第3章動(dòng)車組空調(diào)制冷系統(tǒng)建模........ 17
3.1仿真軟件簡介.................... 17
3.2制冷壓縮機(jī)模型的建立................. 18
第4章動(dòng)車組空調(diào)制冷系統(tǒng)仿真分析 ....39
4.1動(dòng)車組空調(diào)制冷系統(tǒng)模型 ...39
4.2動(dòng)車組司機(jī)室空調(diào)制冷系統(tǒng)仿真分析 ............................40
4.2.1司機(jī)室空調(diào)制冷系統(tǒng)運(yùn)行模式與仿真模型........................ 40
4.2.2三種運(yùn)行模式下的仿真分析......................... 41
第5章制冷系統(tǒng)故障模擬與仿真分析............. 63
5.1動(dòng)車組空調(diào)制冷系統(tǒng)常見故障...................... 63
5.2制冷劑泄漏故障分析 ..............63
5.2.1制冷劑泄漏情況下的仿真 ...............63
第5章制冷系統(tǒng)故障模擬與仿真分析
5. 1動(dòng)車組空調(diào)制冷系統(tǒng)常見故障
動(dòng)車組空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)用過程中常見的故障有制冷不良、壓縮機(jī)壓力保護(hù)開關(guān)動(dòng)作、壓縮機(jī)過熱保護(hù)繼電器動(dòng)作等。從運(yùn)用單位的統(tǒng)計(jì)資料來看，造成這些故障的原因是多方面的，多與制冷劑泄漏、室內(nèi)外換熱器堵塞、過濾網(wǎng)堵塞、環(huán)境溫度過高或過低等因素有關(guān)。常見故障及故障原因如表5-1所示。
5.2制冷劑泄漏故障分析
圖5-1是假設(shè)的制冷劑質(zhì)量流量由額定狀況下司機(jī)室空調(diào)制冷系統(tǒng)在4000r/min轉(zhuǎn)速時(shí)制冷劑質(zhì)量流量的100%不斷減小至40%時(shí)的變化曲線。圖5-2是制冷量隨著制冷劑質(zhì)量流量減小的變化情況，由圖可知，當(dāng)制冷劑流量幵始減小時(shí)，制冷量不會(huì)立刻幵始減小，而是在延遲一定時(shí)間后開始逐漸減小，當(dāng)質(zhì)量流量減小到額定情況下的40%時(shí)，制冷量減小到了 2.6kW。如圖5-3所示，隨著制冷量減小，相應(yīng)的出風(fēng)溫度從12.4°C上升到20.7°C。因?yàn)檎Ｖ评淝闆r下，蒸發(fā)器出風(fēng)溫度已低于露點(diǎn)溫度，蒸發(fā)器出風(fēng)的相對濕度為100%，在制冷量減小、出風(fēng)溫度逐漸上升，高于露點(diǎn)溫度之后，相對濕度幵始減小，除濕效果減弱。
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結(jié)論
最后對幾種容易產(chǎn)生故障的狀態(tài)進(jìn)行仿真，分析了可能該狀態(tài)下可能產(chǎn)生的故障及其故障原理。通過仿真研究，本文得出的主要結(jié)論如下：1、利用AMESim空調(diào)庫及相關(guān)庫中的元件建立某型動(dòng)車組空調(diào)制冷系統(tǒng)模型，通過對標(biāo)準(zhǔn)條件下的仿真結(jié)果進(jìn)行分析并與其標(biāo)定的制冷量對比，驗(yàn)證了模型的正確性。2、分別改變蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度和冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度，模擬了蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度變化對動(dòng)車組制冷系統(tǒng)性能的影響，即蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度升高會(huì)使制冷量增加，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度增加。冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度上升會(huì)使冷凝壓力大幅增加，制冷量減小。分析了換熱器傳熱面積和節(jié)流裝置流通截面積對制冷系統(tǒng)性能的影響，冷凝器傳熱面積增大對冷凝器換熱量和制冷量的影響不大，主要會(huì)使冷凝壓力降低。蒸發(fā)器傳熱面積增大則使制冷量增加，冷凝壓力上升。節(jié)流裝置流通截面積增大則使冷凝壓力降低，蒸發(fā)壓力上升，制冷劑流量增加。3、分析了該動(dòng)車組空調(diào)制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)可變轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，壓縮機(jī)可變轉(zhuǎn)速可以避免頻繁的關(guān)斷和啟動(dòng)，在負(fù)荷較低時(shí)可低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而可以節(jié)省能耗。4、分析了新風(fēng)量對車廂內(nèi)空氣質(zhì)量的影響。通過建立的計(jì)算新風(fēng)和回風(fēng)混合后空氣參數(shù)的濕空氣混合模型，計(jì)算了新風(fēng)溫度變化以及新風(fēng)量變化后混合空氣參數(shù)的變化，以及對制冷系統(tǒng)的影響，通過模型計(jì)算和仿真可知，該型動(dòng)車組空調(diào)制冷系統(tǒng)新風(fēng)量增加到1700m3/h和2000m3/h時(shí)，冷負(fù)荷都還遠(yuǎn)小于空調(diào)制冷量，因此增加新風(fēng)量到1700m3/h和2000m3/h是可行的。
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本文編號：9126
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