動車模型熱力除冰實驗研究

鄧保順,沈德安,董建鍇,謝 騰

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 730000； 2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院,哈爾濱 150090)

隨著科技的進步和經濟的發展，中國的鐵路運輸得到了長足發展和進步[1]，人們對高鐵及動車組的依賴也越來越高。鐵路運輸的安全性和舒適性是其重要的優勢[2]，從多方面考慮列車運行中的各種安全問題，降低和消除列車運行過程中的安全隱患，才能更好地維持鐵路運輸的優勢地位[3-5]。

我國幅員遼闊，北方大部分地區位于北溫帶和亞熱帶，冬季非常寒冷，下雪和結冰現象多有出現。尤其在我國西北、東北等地，冬季室外氣溫常低于-10 ℃，有的甚至低至-30 ℃以下。哈大客運專線、蘭新線等客運專線[6]地處寒冷或嚴寒地區，冬季，高速列車長時間在雨雪天氣中運行，車體的轉向架等部位將出現積雪覆冰的現象[7]。

動車在雨雪天氣下運行時，車體的轉向架和底盤等部位出現積雪覆冰，可能會造成列車的制動和轉向系統等部件的故障。如果不能及時清除冰雪，冰雪附著還可能會損傷車廂電纜和破壞車鉤，給客貨運輸帶來諸多隱患。為此，針對列車冬季結冰積雪的情況，不同國家的鐵路公司研究開發了不同融冰、防冰方法和設施，以消除和減緩結冰積雪對鐵路系統正常運行的影響。

日本高鐵主要采用噴熱水方式，檢修庫設置專用融冰除雪線，噴灑溫水用來融冰除雪[8]。北歐鐵路主要采用融冰劑加熱水的方式，在庫外存車線露天設置自動除冰設備[9]，列車以1.2 km/h的速度通過，對車輛下部結冰部位噴灑含有丙二醇的融冰劑，并利用回收裝置重復利用，每個轉向架需時間40 s。

我國常用的列車融冰方式是在專門的維修車庫通過加熱的空氣進行除冰[10-11]。另一種方法是通過人工除冰，工人通過敲打等方式直接敲碎并清除附著在列車轉向架冰層，而人工方法如操作不當極易對車體產生損傷。在實際操作中，熱風融冰系統會造成工作環境溫度大幅上升，有時工作空間內空氣溫度可以達到50 ℃以上，嚴重惡化了工人的工作條件，降低了工作效率[12]。

基于上述分析可以看出，十分有必要對現有的動車組融冰方式進行深入研究，從而改進優化動車組的除冰方法。針對我國的動車養護機制，以及紅外線具透過表層加熱、輻射熱反射少、傳輸過程中熱損幾乎可以忽略等優點[12]，提出把紅外線加熱技術應用于動車除冰。

紅外線加熱技術起始于20世紀60年代，具有低能耗、加熱速度快，現已作為一項成熟的節能加熱技術被廣泛應用[13]。紅外線加熱對環境是沒有任何污染的，相比除冰熱的動車除冰更加環保[14]。且隨著技術的發展，現有的紅外線加熱裝置的熱效率能達到80%以上，所以紅外線加熱技術是一項成熟的、環保的和節能的技術，應用于動車融冰除雪是具有一定可行性的。

1 實驗臺設計及實驗方案

1.1 動車模型實驗臺

通過對哈爾濱動車除冰庫的調研了解到，除冰主要針對動車底部轉向架等部位，所以動車模型主要構建了動車轉向架和軸承，車廂即用一個箱體表示。具體動車模型和除冰室模型如圖1所示，圖中彩色部分為主要覆冰區域。

圖1 除冰室及動車模型

在實際動車庫熱風除冰過程中，由于熱風除冰的效率較低，熱風除冰系統的長時間運行會造成動車庫的工作環境溫度大幅上升，甚至有時工作空間內空氣溫度達到50 ℃以上，嚴重惡化了工人的工作條件。所以研究熱風融冰對室內熱環境的影響也很有意義，實驗過程中通過搭建保溫融冰實驗室(長5 m，寬4 m，高3.5 m)，并在室內布置32個溫濕度傳感器測量并記錄融冰實驗室內環境溫濕度的變化。通過對實驗數據的處理分析，可以得到不同熱風溫度和風速對室內熱環境的影響。動車模型按照和諧號CRH2型電力動車組，選取動車兩輪之間的機車模型，具體尺寸按照1∶1進行設計，具體尺寸如圖2、圖3所示。

圖2 動車模型尺寸(正視)(單位：m)

圖3 動車模型尺寸(側視)(單位：m)

1.2 熱風除冰實驗

通過調研得到，現有的熱風除冰的風溫為50 ℃左右，風速為10 m/s，所以把熱風融冰的風溫工況定在50 ℃附近，即45 ℃、50 ℃和55 ℃；實驗風速定在10 m/s，并且對均流風口和散流風口兩種不同風口進行實驗研究，其中均流風口為格柵式均流風口。由于實驗模型的冰層在不同結構和不同部位，熱風除冰過程中風口距離冰表面的最近距離為20 cm，最遠距離為50 cm，實驗過程中動車模型的結冰部位冰層厚度均為5 cm。具體熱風融冰實驗工況列于表1，實驗臺如圖4所示。

表1 熱風融冰實驗工況

圖4 熱風除冰實驗照片

1.3 紅外線除冰實驗

由于動車底部和側面有部分構件不耐高溫(動車表面溫度超過100 ℃，就會對機車產生損害)，所以此次動車模型除冰實驗選用的燈管溫度為200 ℃。紅外線加熱設備如用于動車庫內除冰時，限于現場條件，針對不同部位的冰層，輻射距離也會相應變化，所以分別對0.5、1 m和1.5 m的加熱距離進行實驗。具體紅外線融冰實驗工況列于表2，實驗臺照片如圖5所示。

表2 紅外線融冰實驗工況

圖5 紅外線除冰實驗照片

2 實驗結果及分析

2.1 熱風除冰

(1)熱風除冰時長分析

熱風除冰實驗風口距離冰層的最近距離均為20 cm，除冰所需要的時長隨熱風溫度變化列于圖6。

圖6 熱風除冰時間曲線

通過圖6可以看出，風速10 m/s、溫度45 ℃時，均流風口所需融冰時間為156 min，散流風口則需要169 min；溫度為55 ℃時，均流風口所需融冰時間為142 min，散流風口則需要154 min。從圖6中2條曲線可以看出，均流風口的融冰時間短于散流風口，并且融冰時間隨熱風溫度升高而減少。

(2)熱風除冰過程中室內溫度變化

為了更好地研究分析除冰室內溫度變化規律，首先需要明確實驗房間圍護結構傳熱系數。房間四周側墻為內置5 cm厚度的擠塑板的木墻，房間沒有外窗，門也是采用擠塑板保溫材料，按外墻考慮。房頂為10 cm厚度的彩鋼夾芯板。具體參數見表3。

表3 除冰室圍護結構傳熱系數

圖7為熱風溫度50 ℃，風速10 m/s時的室內溫度變化曲線，圖中4條曲線分別為距地0.1、1、2 m和3 m處溫度測點平均值隨時間的變化。由圖可以看出，0.1 m處的初始溫度8.6 ℃，除冰結束時溫度11.2 ℃，溫升為2.6 ℃；3 m處的初始溫度15.5 ℃，除冰結束時溫度21.8 ℃，溫升為6.3 ℃。所以房間在熱風加熱除冰過程中沿著高度方向溫升逐漸增加。完成除冰實驗后室內的最高溫度為21.8 ℃，遠低于實際動車庫除冰時的50 ℃，造成此現象主要原因：熱風除冰過程中，在動車模型上方有個熱回收風口，可以把除冰室的余熱回收，即節能又可降低室內環境溫度。所以針對動車除冰現有的熱風除冰方法，想要降低動車除冰過程中環境的溫度，可在除冰庫增加一套熱空氣余熱回收裝置。

圖7 熱風除冰室內溫度變化

2.2 紅外線除冰

(1)紅外線除冰時長分析

前面章節對熱風除冰進行了研究分析，接下來對紅外線除冰實驗進行數據分析，紅外線除冰時長如圖8所示。

圖8 紅外線除冰時長曲線

通過圖8可以看出，加熱距離為0.5 m時，除冰所需時間為66 min；加熱距離為1 m時，除冰所需時間為82 min；加熱距離為1.5 m時，除冰所需時間為115 min。所以紅外線除冰的輻射加熱距離隨著距離增加除冰所需時間也相應增加。對于實驗設定工況紅外線除冰最短需要66 min，而熱風除冰最短則需要142 min，所以紅外線除冰的速率遠高于熱風除冰。

(2)紅外線除冰過程中室內溫度變化(圖9)

圖9 紅外線除冰室內溫度變化

圖9中4條曲線分別為距地0.1、1、2 m和3 m處溫度測點平均值隨時間的變化。由圖9可以看出，0.1 m處的初始溫度8.8 ℃，除冰結束時溫度9.3 ℃，溫升為0.5 ℃；3 m處的初始溫度15.2 ℃，除冰結束時溫度18.2 ℃，溫升為3 ℃。紅外線加熱除冰過程中房間內的最大溫升為3 ℃，而熱風加熱除冰房間內的最大溫升為6 ℃。從能量耗散的角度考慮，熱風加熱中有更多的熱量耗散到室內空氣中，故而紅外線加熱相比熱風加熱更加節能。

3 除冰能耗及經濟性分析

在動車除冰實際工程應用中，不光要考慮除冰速率，除冰能耗也是評價除冰方案優劣的重要因素。實驗過程中不同除冰方法的耗能通過電量采集儀進行實時測量記錄。首先對熱風除冰的能耗進行分析，表4為熱風融冰的能耗。

表4 熱風除冰能耗 kW·h

由表4可以看出，均流風口的除冰能耗是低于散流風口的，這是由于均流風口和散流風口的除冰功率相同，但均流風口的除冰速率大于散流風口。表5為紅外線融冰的能耗。

表5 紅外線除冰能耗

如表5所示，紅外線除冰在加熱距離為0.5 m時，除冰能耗僅為6.6 kW·h，遠低于熱風除冰能耗18.5 kW·h，此時紅外線除冰的能耗為熱風融冰能耗的35.7%，實驗工況下的紅外線除冰相比熱風除冰可以節能64.3%。

關于不同除冰方案的經濟性分析，首先對可移動電加熱熱風機除冰方法的分析研究。實驗過程中是對單個轉向架進行實驗研究分析的，采用了4個出風口，而實際動車組的單節車廂共有2個轉向架，所以每節車廂宜采用8個熱風機。動車組8節車廂和列車頭需要72臺熱風機，另需8臺備用及重點部分除冰使用，故單條除冰線需要80臺功率8 kW熱風機。以單臺設備1萬元計，共需80萬元的初期投資。單次除冰能耗的計算公式如下

E=N·P·t

式中，E為單次除冰能耗；N為除冰設備數量；P為除冰設備的功率；t為除冰時長。

動車機車有相關維護要求，動車底部的設備溫度不能高于90 ℃，所以紅外線燈管必須選用長波輻射，并且輻射距離不能短于0.2 m。紅外線除冰設備功率為5 kW，單臺價格估算為8 000元。

通過計算可知，紅外線除冰的初投資和1輛動車的除冰費用均低于熱風除冰。除冰能耗及經濟性分析見表6。

表6 除冰能耗及經濟性分析

4 結論

通過對實驗數據的分析處理，主要結論如下。

(1)對于實驗設定條件下，紅外線除冰最短需要66 min，而熱風除冰最短則需要142 min，紅外線除冰速率比熱風除冰速率提高53.5%，所以紅外線除冰的速率遠高于熱風除冰。

(2)紅外線加熱除冰過程中房間內的最大溫升為3 ℃，而熱風加熱除冰房間內的最大溫升為6 ℃。從能量耗散的角度考慮，熱風加熱中有更多的熱量耗散到室內空氣中，故而紅外線除冰相比除冰加熱更加節能。

(3)紅外線除冰在加熱距離為0.5 m時，除冰能耗僅為6.6 kW·h，遠低于熱風除冰的耗能18.5 kW·h，此時紅外線除冰的能耗為熱風融冰能耗的35.7%，實驗工況下的紅外線除冰相比熱風除冰可以節能64.3%。

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