集便器污物箱加熱保溫技術措施

閆 凱，董大為

（中國鐵道科學研究院 節能環保勞衛研究所，北京100081）

集便器污物箱加熱保溫技術措施

閆 凱，董大為

（中國鐵道科學研究院 節能環保勞衛研究所，北京100081）

滿足污物箱安裝工況條件和使用要求，必須對污物箱采取加熱、保溫措施，首先進行污物箱加熱保溫結構設計，比選加熱保溫技術措施，介紹真空集便器裝車過程中加熱保溫安裝施工及技術要求，并分析裝車后污物箱加熱保溫功能檢測方法。

真空集便器；污物箱；加熱保溫；電加熱管

真空集便器污物箱通過吊梁或吊鉤懸掛于車輛車底，部分車型安裝防護罩對污物箱進行防護，但污物箱基本全部裸露在大氣環境下，車輛需要在寒冷地區或寒冷季節中運行，尤其是車輛運行過程中，車速較快，車底空氣流動加快污物箱外表面與大氣換熱。因此，必須對污物箱采取加熱、保溫措施，避免污物箱內連接管路及其他裸露處結冰，保證集便器系統正常使用以及正常排空，同時降低集便器能耗。

污物箱保溫加熱分析設計和選用，需根據車輛運行使用情況，滿足污物箱安裝工況條件和使用要求，滿足鐵路客車運行使用環境、上線整備時間、運行溫度保持等要求［1-4］。按照GB/T 12817－2004《鐵道客車通用技術條件》中要求，非限定運用區間車輛運用的環境溫度為－40℃～40℃，TB/T 3338－2013《鐵道客車及動車組集便裝置》中要求，應用在環境溫度低于0℃的地區時，集便器裝置中安裝于車下的部位應設置電加熱裝置。而加熱保溫措施應本著安全可靠、經濟合理的原則進行設計與選用。

污物箱應同時采取加熱、保溫措施，提高加熱效率，減少熱量損失。首先進行加熱保溫結構設計，考慮加熱保溫措施的安裝、結構形式及電加熱裝置的安裝布局、溫控開關溫度測點等。其次設計選用電加熱元器件和保溫材料，設計計算電加熱功率、保溫層厚度等技術參數，設定溫控開關啟停溫度，確保滿足使用要求。

1 加熱保溫結構設計

污物箱外觀一般為長方形箱體，主要組成部分為箱體內膽、保溫層、外層包板、清洗閥組件、通氣閥、卸污閥組件、接線箱、液位開關、污物箱檢查口［4-5］。

箱體內膽為不銹鋼板焊接的長方體，設置與車輛車體相配的吊耳或吊梁等懸掛安裝裝置，用于污物箱的固定。為提高箱體強度，內箱體外設置多根加強筋或加強角鋼，加強筋形成框架結構，填充保溫材料。箱體外層用不銹鋼板包裹，鉚釘固定于加強筋，對保溫材料進行封裝，同時起到保護和裝飾作用。

為實現電加熱裝置自動啟停，即一定溫度下自動啟動加熱，在加熱到一定溫度時自動停止加熱。因此，電加熱裝置應設置溫度測量和控制開關。溫度傳感器應安裝在能準確測量被控溫度的位置，根據實際需要和電加熱裝置的原理，將溫度傳感器安裝在污物箱箱體底部位置，構成測量加熱裝置、被加熱介質或者環境溫度的測量系統。

污物箱箱體結構及加熱保溫模型如圖1所示。

圖1 污物箱箱體結構及加熱保溫模型

2 加熱技術措施

2.1 技術要求

根據車輛安裝使用條件，選用電加熱裝置對污物箱進行加熱，電加熱裝置的選用、設計與安裝，均應符合車輛供電條件，同時不影響其他電氣設備或裝置的正常使用，并且盡可能降低能耗。

電加熱裝置的電氣安全性，直接關系到車輛運行安全及維護檢修人員作業安全，因此必須嚴格控制并檢測。主要包括電加熱裝置的絕緣電阻與介電強度，均應滿足GB/T 12817中5.9.5的要求。

電加熱裝置安全性、功能性要求還應包括：可干燒，加熱均勻，壽命長，啟停頻率合理，升溫時間短等。

2.2 技術比選

電加熱裝置可以采用接觸式或非接觸式，較多采用的有電加熱管，電伴熱帶，電熱毯等3種形式。

工業用電熱毯是一種工業用柔性電加熱產品，用于包裹或者覆蓋被加熱保溫體，以達到防凍和加熱作用，主要由發熱元件、基芯、面料、電源線、控制開關等組成。按照控制類型又可分為恒定溫度型和溫度可調型。一般可同時具有絕緣保溫層，增強升溫和保溫效果，電熱絲均勻分布，保證加熱面積內溫度均勻。其安裝使用方式一般將加熱毯纏繞到加熱體上，或直接平鋪在被加熱體，之后加以固定。

電加熱管是以金屬管為外殼，合金電熱絲作發熱體，在一端或兩端具有引出棒，在金屬管內填裝密實的氧化鎂粉末絕緣介質以固定發熱體的電熱元件。

自動控制溫度電伴熱帶由具有正溫度系數（Positive Temperature Coefficient，PTC）電阻率特性的高聚物導電復合材料制成的帶狀電伴熱器。電伴熱帶具有加熱、阻燃、自動保溫、限溫等特性。節約電能，間歇操作時，升溫自動快速，安裝及運行費用低。對3種電加熱方式比較如表1。

表1 電加熱方式比較

最終選用電加熱管進行箱體加熱，2根或3根電加熱管均布式安裝于箱體底部，在內膽鋼結構框架預留安裝孔位。對于沖洗管件、通氣管件、卸污管件等污物箱體附件，選用芯帶與絕緣層組成的基本型電伴熱帶，最高維持溫度65℃，功率5～40 W。

3 保溫技術措施

3.1 技術措施比選

相同溫度范圍內有不同材料可供選擇時，應選用熱導率小、密度小、造價低、易于施工的材料制品，同時應進行綜合比較，經濟效益高者優先選用。選擇常用保溫材料，厚度為50 mm的板材性能對比分析見表2。

表2 材料性能對比

選用合適的保溫材料作為絕熱層，要求材料的技術性能及厚度符合設計規定，且厚薄均勻，接縫嚴實，緊固合理，松緊適度，外形完整無缺，確保絕熱效果良好。

在絕熱層與最外層保護層之間，必要時施加防水防潮層，有效防止水汽滲透。

目前，污物箱箱體保溫材料較多采用玻璃棉、聚氨酯板材或聚氨酯現場發泡，填充污物箱內框架結構，連接管路等選用保溫管殼進行保溫。

4 車輛安裝

真空集便器系統車輛加裝改造過程中，加熱保溫措施中主要涉及車輛與集便器系統的電氣連接、管路電伴熱安裝施工及電加熱功能出廠檢測等。

4.1 電氣連接安裝

真空集便器電加熱電氣原理圖如圖2所示。原車電氣控制柜相應改造，加裝集便裝置的加熱和控制開關。

配置電源線及集便加熱電源線至電控箱，配置從電控箱到氣水組件、車下污物箱伴熱電源線及相關的控制線配線。

4.2 電伴熱帶安裝

車輛安裝加熱保溫施工主要是各連接管路、球閥管件的電伴熱帶施工，主要的敷設位置如圖3所示。

電伴熱帶敷設方式有單根敷設和纏繞敷設兩種。

當敷設單根電伴熱帶時，敷設時應盡可能使電伴熱帶平整地緊貼在管道表面，用聚酯帶或鋁箔膠帶固定，嚴禁用細絲捆扎，如遇法蘭、閥門等尖銳突起部分，應注意保護。在水平管道上安裝時，可敷設在管道45°側下方，用玻璃纖維壓敏膠帶或鋁膠帶每隔一定距離將電伴熱帶固定于管道上，如圖4所示。

圖2 真空集便器電加熱電氣原理圖

圖3 真空集便器系統電伴熱帶敷設示意圖

圖4 電伴熱帶直線敷設

電伴熱帶纏繞敷設又分為單螺旋纏繞和分段螺旋纏繞兩種，如圖5所示。較多采用的是分段螺旋纏繞，根據纏繞系數，電伴熱帶總長度等于管道長度乘以纏繞系數，將電伴熱帶兩端固定于一定長度的管道上，然后將松弛的電伴熱帶纏繞到固定端之間的管道，并加以固定。

電伴熱帶敷設時不能有死結、死彎現象，穿洞、穿管時不能損傷電伴熱線的外皮。電伴熱帶不能放置在管道較鋒利的邊緣，要加以保護。電伴熱帶敷設最小彎曲半徑（一般為線徑的5倍）和兩根線的最小間距（一般為6 cm）均應該符合產品安裝使用說明，且不能出現交叉接觸和重疊現象。局部纏繞電伴熱帶不能過多，以免使管道過熱燒毀電伴熱帶，如必須多纏繞時，應適當減少保溫層厚度。

圖5 單根纏繞和分段螺旋纏繞示意圖

4.3 污物箱電加熱功能出廠檢測

根據不同的使用要求和用戶要求，污物箱加熱保溫功能主要的檢測方法有3種：直接法、間接法和模擬環境法。

直接法是指直接模擬污物箱內低溫污水，由排污口向污物箱注入一定量（一般為箱體1/2有效容積）冰水混合物或者溫度低于2℃的冷水。電加熱裝置開始工作，信號箱上的加熱指示燈顯示，測取并記錄加熱裝置工作電流、水溫，加熱一段時間后，電加熱管停止工作，此時信號箱上的加熱指示燈熄滅，測取并記錄水溫、加熱時間。期間至少測取一次電加熱裝置工作電流，并記錄。此種方法需要消耗較多的水資源，并且操作時間較長，但可以對安裝完成的污物箱電加熱裝置整體進行測試。此方法在集便器產品研發及型式試驗中較多采用。

間接法是指將溫度傳感器置于低溫狀態。測試時，打開污物箱側面或底部電加熱檢查門。測量電加熱裝置電源接線柱之間的電壓在正常范圍內。降低電加熱裝置溫度傳感器的溫度到4℃（溫度傳感器設定電加熱裝置啟動溫度）以下。測電加熱裝置的工作功率。之后，將電加熱裝置的溫度傳感器溫度升到8℃（溫度傳感器設定電加熱裝置停止溫度）以上，電加熱裝置應停止工作。此方法缺點是需要打開電加熱裝置檢查門并取出溫度傳感器，容易對溫度探測反饋回路造成損壞。但該方法操作簡單，判斷快速，在車輛加裝改裝完工檢測中普遍采用。

模擬低溫環境，是將真空集便器系統整體或者裝車后的車輛整體置于低溫環境下，觀察當溫度降至0℃以下，電加熱管是否開始工作，信號顯示盤上的加熱指示燈應點亮；繼續觀察溫度控制器上的溫度顯示，當溫度升至（8±0.5）℃時，電加熱管應停止工作，信號顯示盤上的加熱指示燈應關閉。此方法在車輛整體低溫試驗中采用。

5 建 議

為確保污物箱安全可靠性，建議選用性能穩定、質量可靠的溫度控制開關，確保電加熱管正常啟停，避免電加熱管長時間加熱。同時應在污物箱結構設計校核過程中，適當考慮由于電加熱造成的熱效應而引起的結構熱耦合載荷，確保污物箱安全、正常使用。

同時客車在客技站內庫停斷電后，如外溫較低，車輛停放時間較長時，則管路及污物箱內的污物和污水有可能造成冰堵，影響設備的正常使用，水結冰后體積膨脹，嚴重時可將污物箱、管路及閥件崩裂，對真空集便器造成嚴重損壞。因此建議車輛使用維護部門應對入庫停放車輛的真空集便器進行排空，并注意車輛停放期間的保護。

［1］ 任大慶.鐵路客車真空式集便系統淺析［J］.鐵道車輛，2001，（2）：23-25.

［2］ 于志光，孫維余.鐵路客車真空集便器［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

［3］ 袁 旭.客車真空集便器防凍必要性及防凍措施［J］.鐵道車輛.2011，（11）：42-43.

［4］ 閆 凱，邱 慧，等.旅客列車真空集便器系統污物箱設計與試驗技術研究［J］.鐵路節能環保與勞動衛生，2013，（1）：4-8.

［5］ 李 豐，孫 彥，等.鐵道車輛污物箱及安裝吊座強度與模態分析［J］.中國鐵路，2012，（2）：45-48.

Vacuum Toilet System Wastewater Tank Heating and Heat-preservation Measures and Installing to the Train

YAN Kai，DONG Dawei
（Energy saving＆Environmental protection＆Occupational Safety and Health Research Institute，China Academy of Railway Science，Beijing 100081，China）

According to the apply conditions and technical requirements of the Railway Passenger Wagons Vacuum Toilet System，heating and heat-preservation measures should be taken.Firstly，the heating and heat-preservation structure is designed and different technical measures are compared，secondly，the technical requirements during the mounting on the train are introduced，and then several function tests and detect methods should also be analyzed.

vacuum toilet system；wastewater tank；Heating and Heat-preservation；tubular electrical heating

U270.38＋5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.32

1008－7842（2014）03－0126－04

?）男，助理研究員（

2013－12－03）