列车空调冷凝水为牵引箱散热应用分析

（上海地铁维护保障有限公司车辆分公司，上海 200232）

2016年，上海地铁7号线统计，在7、8、9三个高温月，在正线列车运营中，共有29起牵引箱故障，平均几乎三天一起牵引箱故障，而在1、2、3三个月中，一共只有5起牵引箱故障。说明温度的升高是引起牵箱故障的最重要因素。

列车牵引箱是由风机强制排风散热的，在高温天牵引箱就会频发故障，说明风机为牵引箱散热并不可靠，散热能力并达不到要求。所以我们尝试论证，使用低温空调冷凝水为牵引箱散热的可行性。

首先从利用空调冷凝水为列车牵引箱散热的效果上论证。

1 空调冷凝水与空气的散热对比

查资料可知，水的换热明显强于空气：空气比热容为1005kJ/kg℃，水的比热容为4187kJ/kg℃。水的比热容远大于空气，当水采用管道循环进行散热时，其散热能力也大于空气。

1．1 环境温度对散热的影响

牵引箱在风冷的模式下，测试为：环境温度20℃，箱内温度约为50℃，环境温度32℃，箱内温度约为65℃。用二组数据做参考，其两者温差约为30℃。水的散热能力大于风冷散热，冷凝水温始终在20℃左右，其温度不随外温改变。用这些条件估算出冷凝水与牵引箱内温度折线图。

在环境温度为32℃时，用图1表作对比。

在图1中：

T1时：列车牵引箱工作，冷凝水温度20℃，牵引箱中的温度为环境温度32℃。

T2时：冷凝水与其回流水相互混合后温度约为30℃，列车牵引箱升温到约50℃。

图1

T3到T4时：冷凝水与其回流水相互混合后温度约为30℃，列车牵引箱温度约50℃。两者进入稳定工况模式。

牵引箱在风冷的模式下，环境温度32℃，实测箱内温度为65℃。

T1时：列车牵引箱工作，环境温度32℃，牵引箱中的温度也为环境温度32℃。

T2时：空气温度32℃，列车牵引箱升温到约55℃。T3到T4时：空气温度32℃，列车牵引箱内温度约65℃，牵引箱内温度稳定在约65度。

小结：（1）由于是空调冷凝水，其不随环境温度升高而升高，在外温越高，其散热效果表现的越好，所以空调冷凝水为牵引箱散热，不受环境温度的影响。（2）用排风散热，对环境依赖大，在环境温度低时，其表现的散热效果好，但当环境温度越高时，其表现的散热效果就越差。

1．2 冷凝水与风机散热对环境影响

使用冷凝水为牵引箱散热，几乎不会产生噪音，采用单水冷散热，可以完全消除牵引箱散热风机产生的120分贝噪音。

采用冷凝水与散热风机的低速模式相结合为牵引箱散热，可以将噪音降为70分贝。这两种模式约可有效减少列车正线运营时所产生的噪音。

2 空调冷凝水为牵引箱散热的设计论证

下面从管道设计和电路控制的可行性进行论证。

2．1 计算牵引箱内热量

式中，Qf为强迫风冷系统所须提供的风量（测量可知）；Q为设备产生的总热量,W。1瓦特的功率工作1秒钟等于1焦尔；Cp为空气比热，1005J/(kg·℃)；ρ为空气密度，1.11（kg/m3）。△T为进、出口处空气的温差。测量温差约为30℃。

通过式（1）计算可以得出牵引箱在工作时产生的热量Q。

2．2 计算得出用水量及所需管道尺寸

水在管道内的散热公式：

式中，V为流速，m/s；L为管长，m；D为内径，m；Tm为管内平均温度，℃；Ti为水的入口温度，℃；h为水的对流换热系数，4500W/m2℃；a为水的密度，1000kg/m³；Cp为比热容，4.187kJ/kg℃

已知：管内平均温度Tm=30℃，水的入口温度Ti=20℃，设定：流速V=1.2m/s，内径D=0.005m。

通过式（2）用已知和设定的参数就可以计算出所需管道长度，及用水量。

列车空调在高温天，一台机组在环境温度32度，湿度45%时，实验一小时可产生5升20度的冷凝水。在实际管道设计中应增加储水箱，可以根据需要存储水量。

2．3 管道结构论证

表1

各元件的设计功能作用：

溢流管：排除空调工作时产生的过多的冷凝水。

过滤器：过滤水中杂质，保证管道通畅。

水箱：存储足够的冷凝水，保证牵引箱散热。

液位传感器：监控水箱中水位，给控制单元提供信号。

水泵：给管道中的水加压，提高散热效果。

温度传感器：监控牵引箱内温度。

电磁阀：排除多余的回流水。

2．4 电路设计

根据管道的结构，设计电路图，控制冷凝水为牵引箱散热。

图3 控制电路图

工作原理：

当空调启动，x4信号输入，PLC准备工作。当检测到牵引箱内温度升高（牵引箱开始工作），传感器合，x0信号输入，且x1有信号输入（水箱中有水）。只有在必备，水箱有水，空调工作，牵引箱工作，三个条件时，PLC输出y0信号，水冷系统开始工作。

当x3有信号输入，表示水满，PLC输出y1信号，打开电磁阀，排放管道中的回流水，当水箱中只1/2水时，x2信号输入断开，PLC控制排水电磁阀关闭。

3 结论总结

首先，空调冷凝水的温度不随环境温度变化，特别在高温天，冷凝水比空气温度低十几度。水的热容比是空气的4倍，其散热性更是气体的几十倍，用冷凝水替换风机为牵引箱散热降温，完全可行。同时可以基本去除风机对环境的噪音影响，减少列车运行的噪音扰民。

在设计上，可通过测量原有风机散热系统的进、出口温度，及排风量，得到牵引箱工作所产生的总热量，再用总热量来计算出所需的散热管道大概数据及用水量，最后再根据要达到的降温要求，实际测试就会得出准确的管道直径、长度、水量等数据。

最后用电路图验证，通过PLC控制器、温度传感器及多个液位传感器、水泵、电磁阀等，就可以组成简单的控制回路，完成对冷凝水降温循环系统的控制。

结论：牵引箱散热，空调冷凝水比风机排风效果好。冷凝水替代风机排风为列车牵引箱散热，在降温散热效果上完全可以达到要求，在电路控制上也完全可以实现。同时，减少了列车噪音，节约能原，循环利用了空调冷凝水。