新型市域列车的空调排水设计

□ 袁二娜

上海轨道交通设备发展有限公司 上海 201100

1 设计背景

随着我国城镇化进程的加快,市域列车因载客量大、快起快停、公交化服务等优点,逐渐成为城市之间重要的交通工具[1],大大缓解了人们通勤、通商、通学的交通压力。空调机组是调节市域列车内保证空气品质和乘客舒适性的关键设备,不间断工作,会产生大量冷凝水。每台空调机组的排水量每小时可达几十千克,同时还有外界进入空调机组的雨雪水,这些水量汇集在一起,如不及时合理排放,小则滴水影响环境,大则排水倒灌车厢内影响列车运行[2-3]。特别是对于采用车下集排方式的列车而言,往往排放路径会穿过车体,与多系统交汇,错综复杂,影响因素多且范围广,合理设计空调机组排水至关重要。笔者对120 km/h新型市域列车空调机组排水进行设计。

2 排水总体布置

120 km/h新型市域列车的设计填补了200 km/h城际动车组与80 km/h普通地铁列车速度区间的空白[4],同时对车辆设计提出了更多更严格的要求。其中,空调机组排水不仅要满足一般功能性要求,而且要确保在列车高速运行时不影响车厢内气流的稳定性和空气品质。120 km/h市域列车采用车顶一体式集成空调机组,车顶弧形设计,无挡水槽,不具备车顶排水条件。为避免空调机组产生的冷凝水和其它排水顺延车窗及车外墙漫延,基于车体结构和空调机组布置,最终选择竖向贯穿车体的车下集中排水方式。

3 空调机组内排水布置

每台空调机组有两个蒸发器,每个蒸发器设置单独的接水盘[5],与空调机组底部排水管连通。空调机组内排水布置如图1所示,冷凝水和雨雪水全部通过排水管排出空调机组。空调机组预留了与外部相连通的排水出口,可通过接头、软管等方式与空调机组外排水部件相连。对于空调机组而言,排水出口不易过多,否则既影响自身结构,又会提高车体排水线路的复杂度。每台空调机组设置两个排水出口,缓解单个排水出口的流量负担,同时满足冗余要求。具体管径可根据排水量计算选择。

▲图1 空调机组内排水布置

4 车体排水布置

车体段选择管路方式进行排水布置,以短路径、小阻力、高密封、可维护性为原则来进行车体管路的具体布置。冷凝水从空调机组排出后,沿车体竖向一直流到车下排出。选择离空调机组出水口最近的门立罩板区域竖向走管,以确保车体内段管路短和阻力小,降低后期管路堵塞的风险。此区域在后期维修中拆件少,易操作。排水管路从门立罩板下的底架穿到车下,在转向架限界外设置排水出口,以免水流对转向架区域的电子元件造成损伤。

车体排水布置如图2所示。

▲图2 车体排水布置

5 排水量计算

从空间考虑,空调机组内排水管拟采用内径为18 mm的圆铝管。因车体段路径较长,为降低堵塞风险,在空间允许的情况下,尽可能选择大管径水管,于是车体排水管拟采用内径为28 mm的圆铝管。所选圆铝管只要能满足最恶劣工况下排水顺畅要求即可。从列车运行的实际情况考虑,凝露工况是空调机组的最恶劣工况,产生的冷凝水量最大[6-7],基于此工况来计算排水量,验证所选管径是否能满足排水要求。

空调机组空气流量不小于4 500 m3/h,新风比为32.6。在凝露工况条件下,蒸发器进风干球温度为27 ℃,湿球温度为24 ℃,查湿空气焓湿图,干空气含湿量为17.862 g/kg。蒸发器出风干球温度为15.86 ℃,湿球温度为14.37 ℃,查湿空气焓湿图,干空气含湿量为9.747 g/kg。干空气密度为1.214 kg/m3。凝露工况下空调机组的冷凝水量Q为:

Q=VρΔd

(1)

式中:V为空气流量;ρ为干空气密度;Δd为蒸发器进出风含湿量差值。

计算得冷凝水量为44.34 kg/h。

管径计算采用式(2):

(2)

式中:D为排水管内径;ζ为流速因数,圆管为0.6;g为重力加速度,取9.8 m/s2;H为水头,为0.015 m。

计算得排水管内径为7 mm,即仅考虑冷凝水时的排水管内径。考虑雨雪水会增大排水量,加之管壁自身阻力大,实际排水情况为非满管和非连续排放,安全因数取2,则排水管最小内径为14 mm。空调机组排水管内径18 mm和车体排水管内径28 mm均大于14 mm,完全满足各种工况下的排水要求。

6 具体设计

6.1 车体管路

市域列车每节车厢设置两台空调机组、四条排水管路。为降低漏水风险,每条排水管路尽可能用长管,减少接头。每条排水管路中,穿过门立罩板区域用一根可拆卸铝管,车下用一根可拆卸铝管,车顶和底架分别焊接两个过渡件,通过软管将所有硬管连接起来,以喉箍紧固并涂密封胶,这样既可以调整硬管装配公差,又能够保证密封不漏水,后期还可拆卸维护。

因为门立罩板下方是转向架区域,电子部件较多,不得有连续性大量水流排放,所以车下管路要避开此区域,沿车体纵向走管最短要求距离后,设置排水出口。因为转向架有竖向工作区间,所以尽可能贴底架下平面走管。考虑管壁的排水阻力,防止坡道停车水流倒灌或排水不畅,车下管路段还设计了大于3%的坡度。车体排水管路设计如图3所示。

6.2 接水盒

车顶和底架焊接的两个过渡件,涉及车体的密封性,须焊接可靠。其中,底架焊接一根同管径的135 mm长铝管,用以连接车体内穿过门立罩板区域的管路和车下管路。

车顶焊接的过渡件较为特殊。由于空调机组排水出口为水平方向,而管路竖向穿过车体,因此需要焊接折弯不小于90°的过渡件。但是,空调机组排水出口和车顶平台仅有40 mm的落差,如果车顶直接焊接弯管,焊枪无法全周缝焊,车体密封性受损,外界雨水会进入车体。如果车顶焊接直管,连接空调机组排水出口和直管的弯管因空间不足而无法折弯。鉴于以上难点,对车顶焊接的过渡件进行特殊设计。

▲图3 车体排水管路设计

设计一个自带铆螺母的铝质接水盒,铆螺母位于露在车顶外的接水盒内,伸入车体的接水盒尾端自带一个铝管接头。接水盒如图4所示。同时设计一个自带铝管接头的法兰。接水盒全周缝焊在车顶上,确保车体密封不漏水。焊接完成后,通过螺栓将法兰固定在接水盒上,并涂密封胶密封。用夹布胶管将空调机组排水出口和法兰连接,这样既确保焊接可靠密封,又利于车体上管路安装拆卸,同时给冷凝水从空调机组排出后一个缓冲空间。

▲图4 接水盒

6.3 水封

列车高速运行时,周边气流波动较大。尤其是在进出涵洞路段,空调机组排水出口如果敞开设计,容易导致空调机组内外空气互窜,影响空调机组的性能,并增大噪声。对此,在车下排水出口设置水封[8-10]。水封材质为硅橡胶,用密封胶和喉箍配合,将水封紧固在铝管端部。在有少量水流出时,封口可张开。无水流出时,封口会合上。这样既满足正常的排水功能,又保证空调机组内气流稳定,防止外界杂物和蚊虫进入空调机组。

7 结束语

120 km/h市域列车的车速高于普通地铁列车,对车体和各系统的密封性要求较高。空调机组排水采用集中排放方式设计时,管路会与多系统交汇,复杂且难度大,不仅要考虑大排水量问题,而且要考虑管路穿过车体的焊接问题和后期拆卸维修问题。

另一方面,因排水出口在车下,排水出口选择时要避开各种重要电子部件,并且与车下其它柔性零部件保持一定距离,避免这些零部件随车体运行摆动时剐蹭排水管。

笔者综合考虑多种影响因素和要求,对120 km/h市域列车空调机组排水进行设计,最终得到用户认可。在设计中,采用接水盒和接头法兰,很好地解决了焊接和安装拆卸问题。在排水出口增加水封,确保空调机组的高密封和气流稳定,防止车外杂物蚊虫进入堵塞管路。整套设计方案可以为其它类似轨道车辆项目提供参考。