电力机车采用螺杆空压机对车内温度影响的研究.pdf

第2 期 ( 总第 1 2 6 期 ) N o 2 ( S U M N o 1 2 6 ) 机 械 管 理 开 发 MECHANI CAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT 2 0 1 2 年 4月 Apr 201 2 电力机车采用螺杆空压机对车内温度影响的研究 李 兵 ， 周 浩 ( 中 国北车集团 大 同电力机车有限责任公司 ， 山西大 同0 3 7 0 3 8 ) 摘要： 通过对独立通风方式电力机车采用螺杆空压机散热量进行模型建立、 车 内热平衡计算、 数据计算结果分 析， 指出了独立通风方式电力机车采用螺杆空压机对车内温度影响， 为要保持车内合适温度， 须对车内进行一定数 量的通风， 以维持车内热平衡 ， 并对螺杆空压机的安装提出了进一步要求。 关键词 ：电力机 车； 螺杆 空压机 ； 温度 ； 影响 中图分类号 ： U 2 6 4 文献标识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 3 7 7 3 x( 2 O 1 2 ) 0 2 0 0 2 7 0 2 0引 言 我 国电力机车大多采用独立通风方式 ， 即电力机 车用于冷却变压器、 牵引电机等的通风不再经过车体 内部 ， 而是各部分均为独立从车外引风 ， 通过风道 ， 最 后排 出车外 ； 同时 ， 通过向车 内补风 的方式 ， 在车 内形 成正压 ， 以避免 由于空压机等用风产生 的负压将灰尘 吸入车 ， 以及 消除乘务人 员 由于负压 产生不适 感 ” 。独立通风有利于 降低车 内负压 ， 机械间保持 相对 清洁 、 干净 ， 有效降低车内积尘 ， 使车内各种电器设备 尽可能免受污染， 以保证其可靠性的前提下提高使用 寿命 。但是这种方式产生的问题之一 ， 就是空压机散 于车内的热量不易散出。目前 ， 活塞式空压机的压缩 空气 出 口温度约为 1 8 0 o C 左右 ， 热量通过压缩空气带 入总风缸 ， 散于车外 。而当机车采用螺杆式空气压缩 机时， 空压机输出空气的温度仅比环境温度高l 5 左 右 ， 空压机除了生产压缩空气等有用功外， 其余的大 量热能却逸散在车内， 因此， 本文试图通过空压机工作时 建立车内热平衡的模型， 进行理论分析， 以解决这个问题。 1 模型的建立 图 1 车 内热量平衡图 假设机车从车外吸入空气质量为 ， 压力为 ， 体积为 ， 温度 为 T o ； 空压机 的压缩空气进入 总风缸 的空气质量 为 ， 压力 为 ， 体积为 ， 温度为 ， 热 量为 ； p散 为空压机散于车内的热量 ， 为通过车体 向车外散出的热量 ， 为泄漏于车外空气 带走的热 量。这样 ， 就有图 1 所示的车内热平衡图。 1 ) 空气流量平衡 ： M0 =M1 + 式 中： 为进入车体空气质量 ； 为被压缩的空气 ； 为因车内泄漏出的空气质量。 2 )空压机的能量平衡 ： = 压+Q +Q散 即 ： 空压机耗去的电能= 压缩 空气耗能+ 被压缩空气 因温 度升高带 出车外的热能+ 散于车内的热能。 3 ) 车体内的热能平衡 ： Q散=Q3 +Q2 +Q4 即 ： 空 压机散于车 内的热能 Q散= 通过车体 向外传热 Q。 + 由 泄漏 的空气 带走的热能 Q + 使车内温度升高的热 能 Q4 注 ： Q1 、Q2 、Q3 、Q4 、Q散是相对于 Q。 ( 即常温 下单位空气所带 的热能 ) 。 基本条件及假设说明 ： 1 ) 温度假设 ： 为计算方便 ， 常温选为 2 7 o C 。2 ) 大气压力 ： P o =9 8 0 6 6 5 1 0 4 P a 1 O P a 大气 由N ： 的质量分数为 7 8 、 0 的质量分数为 2 2 组成 ， 为双原 子理想气体 。3 )空压机 的压缩过 程 ： 由于大量热能被润滑 由吸收 ， 可视为“ 等温压缩过 程 ” 。4 ) 车 内容 积按 车体 占有 的 1 2 ( 经 过估算 ) 计 标 。5 ) 根据有关 资料 ， 2台空压机 的使用频率按 5 0 计算 ， 等效于 1 台空压机连续工作。 2 相应的计算 1 )空压机 的压缩过程 ： 将常温 、 常压下 的空气 以 2 4 m3 mi n的速度压缩成 P1 =9 X 1 0 P a ； 温度 7 1 = T+ 1 5 的空气 ， 按照 B o y l e Ma r i o t t e 定律 ： = 0 1 ： 下 eo Vo： ：0 3 5 m3 丽 x 百 T1 =3 0 0+ 1 5 =3 1 5K = 2 7 3+2 7=3 0 0 K J F ) 9 1 0 P a 总 风缸容积 一般 为 1 2 m。， 充 满 的时间为 ： 1 2 IT I 。 0 3 5 m。 rai n = 3 m i n 2 5 s ( 与现场实 验相符 ) 。 2 )由于空气 压缩过程 中的容积 、 压力 、 温度均有 变化 ， 压缩是一个多方过程 ， P ”= C的确定需要相关 的实验 ； 可 以考虑为“ 等温过程” 来计算压缩功 ， 因为温 度从 T o = 3 0 0 K到 = 3 1 5 K变化较小。空压机按等温 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 1 0 1 7 作者简介： 李兵( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 山西大同人， 工程师， 本科， 从事产品工艺设计工作。 2 7 第 2 期( 总第 1 2 6 期 ) 机 械 管 理 开 发 2 0 1 2 年4月 压 缩 时 ，压 缩 功 按 下 式 ： A = R T 1n 鲁 式 中 ： R=8 3 l J ( k g K) ； T=3 1 5 K；P =1 0 P a； P o =1 0 。 P a； M为按每分钟压缩量计算： 为2 4 in 的空 气 ， 空气密度为 1 3 k g m ； 则 ： M=2 4 x 1 3 k g ； Mm 。 I 为 空气 的摩尔质量 ； Mn 1。 l =2 9 1 0 一k g A： ： 垒 ： 8 3 1 3 1 5Ln ： 2 9X1 0一 。 1 0 一 7 4 8 1 0 J =-5 6 71 0 J 每小时工作的压缩功 ： 6 0 5 6 7 1 0 J =3 4 1 0 J 按 1 k W h=3 6 1 0 J 每小时的压缩功率 ： 3 4 1 0 ( 3 6 1 0 )=9 k W h 3 )由于被压缩后温度升高 ， 空气从系统中带走热 能 Q ， 则 ： Q =M ( 一丁 1 ) 式 中： M 为按每分钟 2 4 m。 空气计。 Q 1 2 4 x 1 3 量 8 3 1 5 = 3 3 4 8 6 J m in 坡 每 小 时计 ：Ql =6 0 3 3 4 8 6 =2 1 0 。 J 折 合 成 功 率 数 Q1 =2 X1 0 J 3 6 X1 0 =O 5 6 k W 4 ) =AF E +Ql +Q散 式中： 电盹 ：2 1 k W， A压=9 k W Q1 ：0 7 k W Q散=2 1 90 7 ：1 1 3k w Q散 E 申=1 1 3 2 1 1 0 0 =5 4 5 )车体内空气的流量计算 。 车体容积 ： V = 3 x 2 5 x 1 5 x l 2 5 5 IT I 。 6 ) 车内的热平衡 ： Q散=Q。 +Q： +Q 式 中 ： Q 为车体 向外泄漏的热空气带走 的热量 ； Q。 为车体表 面的铁皮散热量 ， 假设通过车体的散热 量 Q 。 =0； Q 为使车内温度升高的热量( 热焓) ， 当 车 内温度平衡 后不再升 高 ， 则 Q =0； 则 Q散：Q。 = 1 1 3 k W h ( 需要散去的热量 ) 7 ) 散于车内的热量为 Q散， 这个热量使温度不断 升高 ， 为了维持车 内温度平衡 ， 要从外界吸入冷空气 ， 使其升温后泄漏到车外 ( 将热量从车内带出， 并产生正 压) 。假设车体内的温度比环境温度高 1 0 后达成平 衡。为此 ： ( 1 ) 先算空气升高 l O 时， 每立方米空气所能带 走的热量 ： Q= AT=C p mAT = 1 0 0 5( KJ KG C ) 1 2 0 5 k g m。 X 1 0 =8 3 k g m。 即 ： 温 度升 高后 的空气 ， 每 m。 可从 车 内带 走 8 - 3 k J 热能。 ( 2 ) 计 算 1 l - 3 k W h 的热量需要多少空气带走 ： 1 1 3 3 6 1 0 。 8 3 =4 9 1 0 。 m。 ( 3 )为了维持车 内温度平衡 ， 每分钟需要从车外 通风量为 ： 4 9 0 0 6 0 = 8 0 m。 3 其它注意问题 由于空气 的传热系数较低 ， 实际上车内温度不均 匀， 而是围绕空压机形成一个热能场， 热能按时间变化 ( d t ) ， 沿 轴产生一个温差( d 表示为： ：一 K d s ， 其 K：2 3 1 0 w ( m R) U 由于车内空气流动性不好 ， 空压机周 围温度较高 ， 为防止吸人压缩机空气的温度太高， 形成恶性循环， 应 将空压机进风 口远离空压机。 4结论 1 ) 通过上述 可知 ， 螺杆式压缩机产 生的热量较 大， 达到每小时 1 1 3 k W h ， 占轴功率的5 4 。2 ) 需对 车体内进行补风， 补风量不小于8 0 1T I 。 m i n ， 可维持车 内平均温度高于环境温度+ l 0 左右。3 ) 空压机的散 热器排风 口尽量排在车外 ， 以减小车内温升。 参考文献 【 l 】 杨 永林 韶 山7 E型 电力 机 车【 M】 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 00 4 I 2 1 周浩， 王树海 ， 仝雷 H X D 2 型大功率交流传动电力机车 空气管路与制动系统 J 】 机车电传动， 2 0 0 8 ， 2 0 4 ( 5 ) ： 1 5 1 8 Re s e a r c h o n I nflue nc e o f El e c t r i c Lo c o m o t i v e Te m pe r a t u r e f 0 r F i x i n g S c r e w Co mp r e s s o r LI Bi ng， ZHOU Ha o ( C N R D a t o n g E l e c t ri c L o c o mo t i v e C o ， L t d ， D a t o n g 0 3 7 0 3 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h r o u g h e l e c t ric l o c o mo t i v e f o r fi x i n g s c r e w c o mp r e s s o r p r o g r e s s e s d i s p e r s i n g q u a n t i t y o f h e a t mo d e l i n g , t h e b a l a n c e o f h e a t c a l c u l a t i n g， r e s u l t a n d a n a l y z i n g， I t e x p a t i a t e s t h e i n fl u e n c e o n t e mp e r a t u r e o f i n d e p e n d e n t l y f a n s y s t e m e l e c t r i c l o c o mo t i v e fi x i n g s c r e w c o mp r e s s o r ， t h e i n n e r o f l o c o mo t i v e k e e p s t e mp e r a t u r e b a l a n c e I t n e e d s l i mi t e d s t a n d a r d v a l u e o f wi n d ， a n d p u t s f o r wa r d s o me r e q u e s t o n i n s t a l l i n g s c r e w c o mpr e s s o r Ke y wo r d s ： e l e c t ric l o c o mo t i v e ； s c r e w c o mp r e s s o r ； t e mp e r a t u r e ； i n flu e n c e ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ， l l， ， ， ， ， ， ， l ， ， ” ” ” ” ， ” ” ， l ” _ l ” 、 ；简 讯 欢迎订阅2 0 1 2 年 机械管理开发 杂志 ： j 机 械管理 开发 杂 志于1 9 8 6 年 创刊， 是 集机械 工程 技术 及机械 行业 管理 科学为 一体的 专 业技术 期刊， 多 年 评为 山西 省一 级期刊， ； 刊号I S S N1 0 0 3 7 7 3 X C N1 4 1 1 3 4 T H ， 双月刊、 大1 6 开、 2 1 6 页， 每期定价 1 0 元， 全年6 0 元。本刊自办发行， 邮局汇款， 款到寄刊。 ： l 机 械管理 开发 杂志 社 邮 编： 0 3 0 0 0 1地 址： 太原 市并州 北路3 9 号 咨询电 话：0 3 5 1 4 1 3 7 5 4 2 联系 人： 石 万坤 ； 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 1 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ： 。 。 。 。 。 。j 28