鐵路旅客列車電熱開水器加熱方式探討

■ 魏凌 姜鴻鵬 張從從 劉慧峰 徐忠宣

0 引言

鐵路旅客列車電熱開水器目前均采用沸騰翻水原理[1]，只有沸騰水才能翻入儲水箱，能保證流出的水都是開水。現(xiàn)有開水器工作原理有沸騰出水、逐層加熱、即熱式等，考慮到列車運行時的振動導致內(nèi)部水混合，逐層加熱不適合鐵路列車；即熱式功率較大，要求供電功率較大，目前鐵路列車均采用設(shè)有儲水箱的沸騰出水開水器。

鐵路旅客列車電熱開水器均設(shè)有產(chǎn)水箱和儲水箱，儲水箱用于儲存開水，產(chǎn)水箱設(shè)有加熱器，將冷水加熱至沸騰，生產(chǎn)出開水，加熱器是電熱開水器關(guān)鍵部件。加熱方式有電熱管加熱和電磁加熱，各有利弊，目前電熱開水器故障率較高。

1 兩種加熱方式分析

1.1 電熱管加熱

1.1.1 設(shè)備組成

采用電熱管直接浸入產(chǎn)水箱內(nèi)，電熱管與水直接接觸，由接觸器控制電熱管通斷，加熱主電路只有空開、接觸器、電熱管。

1.1.2 優(yōu)缺點分析

（1）優(yōu)點：僅電熱管為功率元件，電路簡單；電熱管為電阻發(fā)熱，尤其是主回路無電子元件，電源品質(zhì)對其影響小，電器件可靠性較高。主電路功率元件僅為電阻性的電熱管，無電源變換，只要選擇符合電磁兼容的器件即可，無需特殊考慮電磁兼容問題。除電熱管外其他電器件自身發(fā)熱量小，無需強制冷卻，不設(shè)冷卻器。電熱管成本較低，結(jié)構(gòu)簡單，易于維護。

（2）缺點：電熱管浸入水里，易因電熱管進水導致絕緣不良。電熱管位于加熱區(qū)，表面極易結(jié)水垢，傳熱性能下降，導致電熱管內(nèi)部溫度升高，使得金屬電熱絲壽命大幅下降，封口膠等性能下降，使得電熱管損壞。電熱管水垢還會導致電熱管的加熱能力下降，電熱開水器產(chǎn)水量不足。水垢會污染開水，容易引起開水管路和排水管路及水閥堵塞。維修時需拆除電熱管，拆裝主電路接線，若安裝不良易出現(xiàn)燒損接頭等現(xiàn)象。

1.2 電磁加熱

電磁加熱由電磁線圈在加熱腔鋼板產(chǎn)生渦流發(fā)熱再加熱水，加熱腔發(fā)熱面積較電熱管大，且電磁線圈與水隔離。加熱相關(guān)的器件主要包括整流橋、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、逆變驅(qū)動板、線圈、加熱腔、電氣件冷卻器。

1.2.1 工作原理

電磁加熱工作原理為：電源—整流—逆變—電磁線圈—加熱腔渦流發(fā)熱。電磁加熱電源先整流為直流，再用IGBT逆變成高頻交流，供給電磁線圈產(chǎn)生高頻交變磁場，在加熱腔產(chǎn)生渦流發(fā)熱。

1.2.2 設(shè)備特點

電路復雜，電磁兼容要求高，整流元件、逆變元件均為半單體元件，對電源品質(zhì)要求高。運行故障情況也表明，供電品質(zhì)差導致電熱開水器故障率較高。

（1）電磁兼容：由于主回路有整流逆變的電源變換過程，需考慮電源品質(zhì)對主電路電器元件的影響，尤其采用接觸網(wǎng)變壓后供電的電熱開水器，接觸網(wǎng)對其他動車、機車的牽引和再生制動導致接觸網(wǎng)電源品質(zhì)很差，要求很大的濾波器，需考慮抗干擾能力，提高元件耐壓等級。

電磁加熱是將電源逆變成高頻交流在感應線圈產(chǎn)生高頻交變磁場，加熱腔產(chǎn)生渦流發(fā)熱。逆變高頻交流及感應線圈會對電源有影響，高頻交流本身電磁輻射對周圍也有電磁污染，需考慮采取電磁屏蔽等措施。

（2）元件散熱：該過程整流元件、逆變元件均為功率元件，自身有較大發(fā)熱量，需進行強制散熱，以保證其正常工作溫度。目前列車開水器設(shè)有水冷卻器，利用開水器進水對功率元件散熱，為提高熱效率，利用散熱器對進水預熱，使得管路復雜，電器件與水冷卻器接觸，水電分離困難。

（3）產(chǎn)品成本：設(shè)備包括整流元件、逆變元件電源濾波、控制電路、電磁屏蔽、冷卻器等，成本遠高于電熱管加熱。

（4）維修性能：電磁加熱電路復雜，若出現(xiàn)電器件故障，一般機械師無法修復，只能整體更換電氣箱（包括整流、逆變主電路），維修成本較高。

1.3 小結(jié)

綜上所述，電熱管加熱電路簡單，主電路僅包括空開、接觸器、加熱管等，只有加熱管為功率元件，對電源品質(zhì)依賴小，電氣件工作穩(wěn)定可靠，維修容易；但水垢問題嚴重，水電分離困難。電磁加熱的電氣部分結(jié)構(gòu)復雜，需散熱器冷卻功率元件，整機成本高，對電源品質(zhì)依賴嚴重，非專業(yè)人員基本無法維修。兩者維修都需要拆除主電路接線，對檢修要求高。

針對上述不足，結(jié)合兩種加熱方式優(yōu)點，并改進加熱器結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)維修不拆除主電路。

2 加熱方式改進方案

2.1 目標

結(jié)合現(xiàn)有電熱開水器加熱方式的優(yōu)點，克服電熱管加熱水電分離問題和電磁加熱電路復雜成本高的不足，并改進現(xiàn)有兩種加熱器維修需拆卸主電路問題，實現(xiàn)清理水垢無需拆除主電路，更易維護與使用。

2.2 考慮因素

（1）水電分離：加熱器設(shè)置實現(xiàn)水電分離，以提高可靠性。

（2）電源品質(zhì)：簡化電路，采用電熱元件直接發(fā)熱，適應較差電源品質(zhì)；其他電器件功率元件無需設(shè)置冷卻器。

（3）設(shè)備成本：采用直接驅(qū)動電熱元件，降低成本。

（4）維修性：考慮水箱清理無需拆卸主電路。

2.3 改進方案

2.3.1 發(fā)熱元件

采用電阻加熱的鑄鋁加熱板（盤）、PTC加熱器；電路同現(xiàn)有電熱管加熱開水器電路；主電路簡單可靠，對電源品質(zhì)要求低，除加熱器外無功率元件，無需設(shè)置散熱器對電器元件散熱，電氣元器件成本低。

加熱板（盤）為金屬電阻絲發(fā)熱，需設(shè)置超溫保護器，防止溫度過高；PTC加熱器具有自控溫性能，加電后自熱升溫使阻值進入躍變區(qū)，隨著溫度升高電阻增大功率降低，具有自動過熱保護功能，無需設(shè)置超溫保護器，PTC加熱器具有表面溫度恒定、無明火、熱轉(zhuǎn)換率高、受電源電壓影響極小、使用壽命長等優(yōu)點，是發(fā)熱體的良好備選方案。

2.3.2 加熱器結(jié)構(gòu)

加熱器為安裝在產(chǎn)水箱外部水箱體上的半永久結(jié)構(gòu)，水箱設(shè)清理水垢的檢查口，清理水垢無需拆卸加熱器（見圖1）。

2.3.3 需注意的問題

（1）加熱器傳熱性能。加熱器與水箱壁間傳熱良好，需配合緊密可靠傳熱，否則會導致加熱器溫度過高甚至發(fā)熱體燒損，且由于溫差大使得隔熱困難。

措施：加熱器、水箱接觸部位采用導熱性能好的銅、鋁等材質(zhì)；采用較高的配合精度、大接觸面；涂導熱劑。

（2）加熱器隔熱性能。加熱器外置，與加熱器浸入水中直接冷卻相比，加熱器通過水箱體間接被水冷卻，使得加熱器溫度較高，對外界散熱可能增大，需采取可靠隔熱，降低熱的傳導、對流、輻射，否則會導致熱量大量損失，效率低。

措施：加熱器外設(shè)耐高溫隔熱板降低熱傳導，隔熱材料需高于加熱器工作溫度，加熱器固定結(jié)構(gòu)需采取措施隔斷熱橋，降低傳導熱。設(shè)置熱反射板反射輻射熱，降低輻射熱傳遞。設(shè)置防護盒將加熱器密封到水箱接觸面上，防止空氣對流散熱。

（3）安全性保障。若采用金屬電阻絲發(fā)熱結(jié)構(gòu)，需設(shè)置防止干燒的干燒保護器，在加熱器溫度過高時，切斷電源，防止發(fā)生火災。

（4）使用壽命。采用金屬電阻絲發(fā)熱的鑄造發(fā)熱盤（板），盡可能考慮與電熱開水器等壽命，只需結(jié)合廠修檢查其發(fā)熱功率、絕緣耐壓性能等。

2.4 方案評估

采用外加熱電阻發(fā)熱體，電路簡單，對電源要求低，維修簡單方便，清理水垢無需拆除主電路連接，并充分考慮了加熱傳熱及與外部隔熱，保證了加熱效率，防止了電熱開水器內(nèi)部溫度過高等問題。

3 結(jié)束語

采用金屬電阻絲為發(fā)熱體的加熱器進行外加熱、半永久地安裝在水箱體的方案，很好地結(jié)合了電熱管加熱和電磁加熱的優(yōu)點，并固定安裝加熱器，方便維修，實現(xiàn)了水電分離，對電源品質(zhì)要求低，成本低，方便檢修，適合鐵路列車及其他條件下采用。

[1] TB/T 2839—2003 鐵道客車用電熱開水器技術(shù)條件 [S].

圖1 改進方案的加熱器結(jié)構(gòu)