基于融冰式变风量调节的真空管道列车热环境控制系统研究.pdf

文章编号:1 0 0 2-7 6 0 2(2 0 2 3)0 4-0 0 1 1-0 7基于融冰式变风量调节的真空管道列车热环境控制系统研究王君宜1,毕海权1,王宏林1,周远龙1,李印川2(1.西南交通大学 机械工程学院,四川 成都 6 1 0 0 3 1;2.西南交通大学 轨道交通实验室,四川 成都 6 1 0 0 3 1)摘 要:为了克服真空管道列车无新风、散热困难的问题,文章提出了一种基于融冰储热和变风量调节的新型热环境控制系统,该系统在列车运行期间通过冰的相变潜热吸收车内余热,同时采用变风量系统弥补融冰换热带来的问题。建立了一维AME S i m与三维C F D联合仿真的热环境控制系统数值计算模型,研究了变风量和蓄冰板结构对车内温度和系统制冷性能的影响。研究结果表明:采用变风量时,可将热环境控制系统的有效控制时间增加5.7倍,冰块利用率增加6.1%,平均制冷量提升9%;融冰换热设备内蓄冰板厚度对热环境控制系统的有效控制时间影响较大,蓄冰板厚度为0.0 3 2 m的热环境控制系统比蓄冰板厚度为0.0 4 1 m的热环境控制系统有效控制时间增加了7 3.1%8 2.1%;融冰换热设备内蓄冰板长度对热环境控制系统的有效控制时间影响较小,蓄冰板长度为1.4 m的热环境控制系统比蓄冰板长度为1.1 m的热环境控制系统的有效控制时间增加了5.1 7%5.9 7%。关键词:真空管道列车;热环境控制系统;蓄冰量;变风量系统;一维AME S i m;三维C F D中图分类号:U 2 9 2.9 1 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 2-7 6 0 2.2 0 2 3.0 4.0 0 2收稿日期:2 0 2 2-0 4-0 1第一作者:王君宜(1 9 9 6),女,硕士研究生。通信作者:毕海权(1 9 7 4),男,博士,教授。R e s e a r c h o n T h e r m a l E n v i r o n m e n t C o n t r o l S y s t e m o f V a c u u m P i p e l i n e T r a i n B a s e d o n I c e-m e l t i n g V a r i a b l e A i r V o l u m e R e g u l a t i o nWANG J u n y i1,B I H a i q u a n1,WANG H o n g l i n1,Z HOU Y u a n l o n g1,L I Y i n c h u a n2(1.S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y,C h e n g d u 6 1 0 0 3 1,C h i n a;2.R a i l T r a n s i t L a b o r a t o r y o f S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y,C h e n g d u 6 1 0 0 3 1,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o o v e r c o m e t h e p r o b l e m s o f n o f r e s h a i r a n d d i f f i c u l t h e a t d i s s i p a t i o n i n v a c u u m p i p e l i n e t r a i n s,t h i s p a p e r p r o p o s e s a n e w t h e r m a l e n v i r o n m e n t c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n i c e-m e l t i n g h e a t s t o r a g e a n d v a r i a b l e a i r v o l u m e r e g u l a t i o n.T h e s y s t e m a b s o r b s t h e r e s i d u a l h e a t i n s i d e t h e t r a i n t h r o u g h t h e l a t e n t h e a t o f p h a s e c h a n g e o f i c e d u r i n g t r a i n o p e r a t i o n,a n d a d o p t s v a r i a b l e a i r v o l u m e s y s t e m t o m a k e u p f o r t h e p r o b l e m s c a u s e d b y i c e-m e l t i n g h e a t t r a n s f e r.A n u m e r i c a l m o d e l o f t h e r m a l e n v i r o n m e n t c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n o n e-d i m e n s i o n a l AME S i m a n d t h r e e-d i m e n s i o n a l C F D s i m u l a t i o n i s e s t a b l i s h e d,a n d t h e e f f e c t s o f t h e v a r i a b l e a i r v o l u m e a n d i c e s t o r a g e p l a t e s t r u c t u r e o n t h e i n t e r i o r t e m p e r a t u r e a n d c o o l i n g p e r f o r m a n c e o f t h e s y s t e m a r e s t u d i e d.T h e r e s u l t s o f t h e s t u d y s h o w e d t h a t t h e e f f e c t i v e c o n t r o l t i m e o f t h e t h e r m a l e n v i r o n m e n t c o n t r o l s y s t e m c o u l d b e i n c r e a s e d b y 5.7 t i m e s,t h e i c e u t i l i z a t i o n r a t e i n c r e a s e d b y 6.1%a n d t h e a v e r a g e c o o l i n g c a p a c i t y i n c r e a s e d b y 9%w h e n v a r i a b l e a i r v o l u m e w a s u s e d.T h e t h i c k n e s s o f t h e i c e s t o r a g e p l a t e i n t h e i c e-m e l t i n g h e a t e x c h a n g e e q u i p m e n t h a s a g r e a t i n f l u e n c e o n t h e e f f e c t i v e c o n t r o l t i m e o f t h e t h e r m a l e n v i r o n m e n t c o n t r o l s y s t e m.T h e e f f e c t i v e c o n t r o l t i m e o f t h e t h e r m a l e n v i r o n m e n t c o n t r o l s y s t e m w i t h t h e i c e s t o r a g e p l a t e 11 研究与设计铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 t h i c k n e s s o f 0.0 3 2 m i s 7 3.1%8 2.1%h i g h e r t h a n t h a t o f t h e t h e r m a l e n v i r o n m e n t c o n t r o l s y s t e m w i t h t h e i c e s t o r a g e p l a t e t h i c k n e s s o f 0.0 4 1 m.T h e e f f e c t i v e c o n t r o l t i m e o f t h e t h e r m a l e n v i r o n m e n t c o n t r o l s y s t e m i s l e s s a f f e c t e d b y t h e l e n g t h o f t h e i c e s t o r a g e p l a t e i n t h e i c e-m e l t i n g h e a t e x c h a n g e e q u i p m e n t,a n d t h e e f f e c t i v e c o n t r o l t i m e o f t h e t h e r m a l e n v i r o n m e n t c o n t r o l s y s t e m w i t h t h e i c e s t o r a g e p l a t e l e n g t h o f 1.4 m i s i n c r e a s e d b y 5.1 7%5.9 7%t h a n t h a t o f t h e t h e r m a l e n v i r o n m e n t c o n t r o l s y s t e m w i t h t h e i c e s t o r a g e p l a t e l e n g t h o f 1.1 m.K e y w o r d s:v a c u u m p i p e l i n e t r a i n;t h e r m a l e n v i r o n m e n t c o n t r o l s y s t e m;i c e s t o r a g e v o l u m e;v a r i a b l e a i r v o l u m e s y s t e m;o n e-d i m e n s i o n a l AME S i m;t h r e e-d i m e n s i o n a l C F D 真空管道列车在近似真空的密闭管道中运行,所受气动阻力小,运行能耗低,行驶速度快,具有广阔的应用前景1。然而,由于真空管道内空气稀薄,对流传热能力差,且为保证真空管道内热环境的稳定,列车空气系统无法向真空管道内排散大量的热。因此,常规的铁路列车空调系统模式无法应用于真空管道列车2-3,须对真空管道车内热环境控制进行专门的研究。为解决真空管道列车内的温度控制难题,本文提出一种基于融冰式变风量调节的真空管道列车热环境控制系统,并采用一维AME S i m与三维C F D联合仿真,对系统的关键参数进行了研究。1 热环境控制系统方案真空管道列车在低真空环境下高速运行,列车全封闭,无新风补充4。真空管道列车的超高速特性使其换乘成本急剧增大,因此未来将主要在距离较远的城市之间运行。可见,真空管道列车不受空气阻力、轨道摩擦力和天气环境的影响,运行速度快,运行时间较短,车外没有冷源可供散热,真空管道列车热环境控制系统需具备储存车内余热的能力5-6。根据真空管道列车的运行环境及特点,本文提出一种基于融冰式变风量调节的真空管道列车热环境控制系统,其工作原理如图1所示。该系统主要包括融冰储热和变风量系统两部分,融冰储热部分利用冰的融化潜热,储存车内空气中的热量。冰块置于板式蓄冰板内,热空气从蓄冰板间的风道流出,通过对流换热完成换热过程。蓄冰板结构如图2所示。变风量系统采用串联式风机动力型变风量箱,如图1中虚线框所示。风箱中的风阀根据车内温控器的指令,将融冰储热部分冷却得到的一次冷空气和二次热空气(回风)预先混合,再通过增压风机送出,风机送风量不变。当一次冷空气温度上升时,为维持车内设定的温度,一次冷风相应增加,二次热空气减少,保证车厢内的空气在车辆运行期间能够维持在令人舒适的温度范围内。变风量风机的送风量根据风阀开度进行定静压控制。为避免风箱内出现回流,增压风机送风量应大于变风量风机的最大送风量,通常取一次风机最大风量的1.11.3倍7。这种热环境控制系统可置于车厢顶部夹层中,通过车顶风道将处理好的空气送入车厢,如图3所示。列车运行前,需要将融冰换热设备中装有水的蓄冰板置于低温环境中进行冷冻制冰,在列车运行期间,车内空气通过对流换热方式将热量储存到融冰换热设备中,并与车内二次回风进行混合,最后将处理好的空气送回车厢,以此形成循环。图1 基于融冰式变风量调节的真空管道列车热环境控制系统工作原理a.长度;b.宽度;c.厚度。图2 蓄冰板结构示意图这种基于融冰式变风量调节的真空管道列车热环境控制系统无需设置压缩机、冷凝器和蒸发器,结构简单,便于列车携带;蓄冰板在车辆到站时可随时更换,蓄冰板中的冰块易于获取且安全环保;同时,真空管道列车运行期间只需为变风量风机、增压风机和控制系统提供电能,可以减少列车的运行能耗。21铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 图3 热环境控制系统安装方式示意图2 热环境控制系统关键参数计算融冰换热设备和变风量系统是基于融冰式变风量调节的真空管道列车热环境控制系统的主要设备,其关键参数包括蓄冰量、冷却风量、换热面积、送风量等。在列车运行期间,车内处于热平衡状态,根据换热平衡方程,融冰换热设备的制冷量和车厢热量具有以下关系8-9:2=q1CpTI-TO 3.6(1)式中:为车厢热量,W;q1为融冰换热设备处理的冷却风量,m3/h;Cp为空气比热容,取Cp=1.0 0 5 k J/(k gK);为空气密度,取=1.1 6 5 k g/m3;TI为风道入口空气温度,;TO为风道出口空气温度,。热环境控制系统需要储存一定量的冰块,冰块从初始温度升温至完全融化,释放的冷量为:Qi c e=cpmT+mHm 1 0 0 0(2)式中:Qi c e为制冷量,J;cp为冰的比热容,k J/(k gK);m为蓄冰量,k g;T为冰在整个融化过程中的温升,K;Hm为冰的潜热,k J/k g。车内热空气在蓄冰板之间的方形流道中流动的换热过程属于管内强迫对流换热1 0。依据对流换热计算牛顿冷却公式,空气流经融冰换热设备时交换的热量为:2=h ATL(3)h=N u fd(4)式中:h为对流换热系数,W/(m2K);A为融冰换热设备的换热面积,m2;TL为对流换热温差,;N u为努塞尔数,计算方法由雷诺数R e得到的流体运动状态决定;f为以空气平均温度作为特征温度时,空气的热导率,W/(mK);d为设备中风道的特征尺寸,m。根据车厢热平衡,送风量与车内冷负荷具有以下关系:2=qSCpTN-TS 3.6(5)式中:qS为系统送风量,m3/h;TN为车内温度,;TS为送风温度,。3 系统应用仿真分析由于真空管道列车还处于开发试验阶段,本文以某高温超导磁浮样车的一节中间车车厢为参考,假定一节真空管道列车车长1 7.8 m,宽2.8 m,高2.1 3 7 m,定员4 4人,车辆热环境控制系统运行时长2 h,列车车内设计温度为2 6。车内布置2套热环境控制系统,并对称布置在车厢两端,计算得到每套系统的融冰换热设备蓄冰量为0.0 9 m3,换热面积至少为4.4 m2。其内部平行放置1 1个蓄冰板,其中最两侧的蓄冰板由于只有一面进行换热,其厚度减半。中间蓄冰板长1.1 m,宽0.2 m,厚0.0 4 1 m,蓄冰板间的风道宽度为2 0 mm。系统送风量为3 0 0 0 m3/h,其中,变风量风机需能提供1 5 0 02 5 0 0 m3/h的风量。3.1 热环境控制系统数值计算方法真空管道列车热环境控制系统的研究涉及到流动、传热以及控制等问题。本文采用一维AME S i m和三维C F D相耦合的方法,进行热环境控制系统应用效果研究1 1。一维车厢热环境系统、风量控制系统回风混合模型,以及三维融冰换热设备之间的实时数据交换如图4所示。在非稳态计算中,这些参数在每一个时间步长内收敛后进行交换。图4 联合仿真数据交换示意图31 基于融冰式变风量调节的真空管道列车热环境控制系统研究 王君宜,毕海权,王宏林,周远龙,李印川一维AME S i m模型如图5所示。车厢热环境系统包括列车各表面对流换热得热、导热得热、人体和设备散热等,计算中考虑列车与管道间的热交换,并利用发射器和接收器监测室内温度值;风量控制系统模型以P I D控制模块为主,通过监测车厢内温度的实时变化对一次回风量进行反馈调节;回风混合模型将一次回风和二次回风基于压力混合定律、质量守恒定律能量守恒定律进行混合,并将混合后空气送入车厢热环境系统中。此外,还建立了联合仿真接口作为数据传输的通道。图5 一维AME S i m模型 三维数值计算根据融冰换热设备中蓄冰板及风道的结构参数进行建模。图6为融冰换热设备模型示意图。图6 融冰换热设备模型流经融冰换热设备的车内空气为恒密度气体,采用能量方程和k-湍流模型方程进行三维数值模拟。冰块采用了欧拉多相流的融化凝固模型,该模型基于焓法模型来实现对融化凝固问题的求解1 2。计算中忽略冰块融化时由水产生的自然对流以及冰块与空气间隔板材料的热阻。3.2 变风量对热环境控制系统应用效果的影响为分析变风量对热环境控制系统应用效果的影响,基于融冰换热原理1 3,对定风量和变风量下的热环境控制系统进行模拟。采用定风量系统时,系统内不设变风量部分,不引入二次回风且不配备增压风机,为融冰换热设备提供的风量为定值。由于变风量系统额外引入了二次热回风,因此定风量下的热环境控制系统的送风量与送风温度均小于变风量。每套定风量系统送风量按冷却风量计算,为1 5 0 0 m3/h。定风量系统和变风量系统作用下车内温度变化曲线如图7所示。可见,虽然定风量和变风量下热环境控制系统的有效控制时间均有限,但变风量下的有效控制时间明显较长。采用定风量进行热环境控制时,车厢内温度在1 2 0 0 s左右降到最低点,而后逐渐上升至3 1 左右,处于设计温度的时间仅为5 0 0 s。采用变风量进行热环境控制时,车厢温度维持在设计温度上的时间长达3 3 5 0 s,是定风量热环境控制系统的5.7倍。图8展示了两种热环境控制系统作用下融冰换热设备制冷量随剩余冰量的变化,反映了变风量对不同剩余冰量下融冰换热设备制冷性能的影响。可见,大41铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 部分剩余冰量下变风量下的热环境控制系统制冷量高于定风量。采用定风量进行热环境控制时,随着蓄冰板内剩余冰量的减少,融冰换热设备制冷量不断下降,且下降速率逐渐缓慢。采用变风量进行热环境控制时,融冰换热设备的制冷量在剩余冰量6 0%9 5%期间保持不变,并与车厢冷负荷数值相同;但受变风量风机最大送风量限制,通过融冰换热设备的空气流量有上限,因此当剩余冰量在6 0%及以下时,热环境控制系统失去调节作用,融冰换热设备的制冷量有所下降。此外,变风量下热环境控制系统比定风量的冰块利用率高6.1%,平均制冷功率高9%。图7 定风量系统和变风量系统作用下车内温度变化曲线图8 不同剩余冰量时融冰换热设备制冷量变化曲线为了更清楚地解释基于融冰式变风量调节的热环境控制系统的变化情况,绘制采用变风量下热环境控制系统的风量变化和融冰换热设备出风温度变化,如图9所示。同时,截取采用变风量下热环境控制系统在9 0 0 s、2 7 0 0 s、4 5 0 0 s、6 3 0 0 s时刻蓄冰板的固相体积分数分布云图做进一步说明,如图1 0所示。结合图7和图9分析可得,2 h期间,热环境控制系统运行过程大致可分为3个阶段。从设备开始运行至9 0 0 s左右时,设备出风温度不断降低至最低点,这是第一阶段,从图1 0(a)可以看出,这一阶段由于冰块壁面与固液相界面完全贴合,因此其主要传热方式是冰的导热,且传热量相对较高,设备制冷量来自于冰的固体显冷释放,可以较快地对空气进行冷却。第二阶段开始于设备出风温度逐步升高至3 3 5 0 s左右时,从图9(b)可以看出,在这一阶段,紧贴蓄冰板内壁面产生了已融化的水,融冰换热设备主要依靠水与冰之间的换热以及水的导热进行空气的冷却。冰块融化后,冰块逐渐由固态向液态转变,蓄冰板表面形成了水层,水层逐渐变厚,水的导热热阻增大,使得冰与空气之间的换热热阻逐渐增大,由于水层温度较高,风道表面温度逐渐升高,流出的空气温度越来越高,融冰速率越来越小,但是在变风量调节作用下,流经融冰换热设备的空气流量增加,如图9(a)所示,使得空气携带的冷量不变,因此该阶段车厢温度保持不变,如图7所示。图9 基于融冰式变风量调节的热环境控制系统参数变化第三阶段从3 3 5 0 s至系统运行结束,在水层热阻的影响下,该阶段融冰换热设备出风温度仍在继续升高,且受变风量风机最大风量限制,流经融冰换热设备的空气流量无法进一步增加,如图9(a)所示,导致热环境控制系统失去调节作用,车厢温度不断升高,同时,由于车厢回风温度,即设备进风温度相应升高,加快了融冰换热设备出风温度的升高。51 基于融冰式变风量调节的真空管道列车热环境控制系统研究 王君宜,毕海权,王宏林,周远龙,李印川图1 0 基于融冰式变风量调节的热环境控制系统蓄冰板固相体积分数分布云图3.3 蓄冰板结构对车内温度和系统制冷性能的影响蓄冰板结构参数是影响真空管道列车热环境控制系统融冰过程的主要因素1 4,表1为本文研究的4种蓄冰板结构参数。以结构1为标准,结构2在蓄冰板厚度不变的情况下增加了蓄冰板的长度,减小了蓄冰板的宽度;结构3和结构4减小了蓄冰板的厚度,并分别对蓄冰板进行了加长和加宽的处理。4种结构下的蓄冰量相同。表1 蓄冰板结构参数表蓄冰板结构a/mb/mc/m11.10.20.0 4 121.40.1 5 70.0 4 131.40.20.0 3 241.10.2 5 6 2 50.0 3 2采用蓄冰板结构1至结构4时,车厢内温度及融冰换热设备出风温度变化如图1 1所示。由图1 1(a)可见,蓄冰板厚度对基于融冰式变风量的热环境控制系统的有效控制时间影响较大,而蓄冰板长度对其影响较小。当其他参数不变时,增加蓄冰板的长度并缩短蓄冰板宽度(结构2)可以降低融冰换热设备出风温度,延长热环境控制系统的有效控制时间,但由于冰块表面融化形成的水层热阻仍然较大,融冰换热设备出风温度上升较快,因此结构2能够延长的有效控制时间有限;减小蓄冰板的厚度(结构3、结构4)时,冰与空气的换热面积增加,且冰块在换热过程中产生的水层较薄,因此融冰换热设备出风温度上升的速度明显降低,使得系统有效控制时间大幅度增加,如图1 1(a)、1 1(b)所示。同时可以看出,更长的蓄冰板(结构3)比更宽的蓄冰板(结构4)出风温度更低,换热效果更好。根据湍流边界层的发展理论1 5,热空气在刚进入蓄冰板间的风道上时,沿流动方向边界层逐渐增厚,对流换热系数逐渐变小,随后层流边界层向湍流边界层转变,对流换热系数上升,最后由于湍流边界层增厚,对流换热系数又稍减并趋于稳定,进入充分发展段。因此随蓄冰板长度的增加,入口段对整个风道的对流换热系数影响减小,风道内平均对流换热系数增大,换热效果增强。计算可得,2 h期间,真空管道列车热环境控制系统在4种蓄冰板结构下的有效控制时间分别为3 3 5 0 s、3 5 5 0 s、6 1 0 0 s、5 8 0 0 s;冰量使用率分别为7 8.2 7%、7 9.9 0%、8 0.8 1%、7 9.6 7%,平均制冷功率分别为7.9 9 k W、8.2 0 k W、8.7 8 k W、8.1 2 k W。因此,融冰换热设备中蓄冰板结构参数对系统平均制冷功率的影响较小;蓄冰板厚度对热环境控制系统的有效控制时间影响较大,且蓄冰板越薄越有利于蓄冰板内冰块的充分利用,有利于延长热环境控制系统的有效控制时间;蓄冰板长度对热环境控制系统的有效控制时间的影响较小,但在不能对蓄冰板厚度进行调整的情况下,加长蓄冰板长度仍可以作为延长系统有效控制时间的一种方式。图1 1 不同蓄冰板下热环境控制系统参数变化4 结论本文针对真空管道列车特殊的运行环境特征,提出了一种基于融冰式变风量调节的真空管道列车热环61铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 境控制系统,该系统绿色环保、耗能少、经济效益高,适用于工程推广。建立了一维AME S i m与三维C F D联合仿真的热环境控制系统数值计算模型,并研究了变风量和蓄冰板结构对车内温度和系统制冷性能的影响。主要得出以下结论:(1)受冰块融化后形成的水层热阻的影响,融冰换热冷却得到的冷空气温度会不断上升,最终将无法满足真空管道列车热环境控制需求;变风量系统可以有效弥补融冰式换热设备的不足,将热环境控制系统的有效控制时间增加5.7倍,冰块利用率增加6.1%,平均制冷量提升9%。(2)融冰换热设备内蓄冰板厚度对热环境控制系统的有效控制时间影响较大。蓄冰板宽度为0.2 m时,厚度为0.0 3 2 m的蓄冰板比厚度为0.0 4 1 m的蓄冰板构成的热环境控制系统的有效控制时间增加了8 2.1%;蓄冰板长度为1.1 m时,厚度为0.0 3 2 m的蓄冰板比厚度为0.0 4 1 m的蓄冰板构成的热环境控制系统的有效控制时间增加了7 3.1%。(3)融冰换热设备内蓄冰板长度对热环境控制系统的有效控制时间影响较小。蓄冰板厚度为0.0 4 1 m时,长度为1.4 m的蓄冰板比长度为1.1 m的蓄冰板构成 的 热 环 境 控 制 系 统 的 有 效 控 制 时 间 增 加 了5.9 7%;蓄冰板厚度为0.0 3 2 m时,长度为1.4 m的蓄冰板比长度为1.1 m的蓄冰板构成的热环境控制系统的有效控制时间增加了5.1 7%。参考文献:1 金茂菁,黄玲.超高速真空管道交通技术发展现状与趋势J.科技中国,2 0 1 8(3):1 3-1 5.J I N M a o j i n g,HUAN G L i n g.D e v e l o p m e n t s t a t u s a n d t r e n d o f u l t r a-h i g h s p e e d v a c u u m p i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o n t e c h n o l o g yJ.S c i t e c h i n C h i n a,2 0 1 8(3):1 3-1 5.2 何海振.铁路客车单元式空调机组与性能测试系统设计开发D.石家庄:河北科技大学,2 0 1 8.3 贾小河.动车组空调系统性能分析与试验研究D.石家庄:河北科技大学,2 0 1 7.4 邓自刚,张勇,王博,等.真空管道运输系统发展现状及展望J.西南交通大学学报,2 0 1 9,5 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