閆 凱，董大為

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京100081）

集便器污物箱加熱保溫技術(shù)措施

閆 凱，董大為

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)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(duì)污物箱采取加熱、保溫措施，首先進(jìn)行污物箱加熱保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比選加熱保溫技術(shù)措施，介紹真空集便器裝車過(guò)程中加熱保溫安裝施工及技術(shù)要求，并分析裝車后污物箱加熱保溫功能檢測(cè)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(guò)吊梁或吊鉤懸掛于車輛車底，部分車型安裝防護(hù)罩對(duì)污物箱進(jìn)行防護(hù)，但污物箱基本全部裸露在大氣環(huán)境下，車輛需要在寒冷地區(qū)或寒冷季節(jié)中運(yùn)行，尤其是車輛運(yùn)行過(guò)程中，車速較快，車底空氣流動(dòng)加快污物箱外表面與大氣換熱。因此，必須對(duì)污物箱采取加熱、保溫措施，避免污物箱內(nèi)連接管路及其他裸露處結(jié)冰，保證集便器系統(tǒng)正常使用以及正常排空，同時(shí)降低集便器能耗。

污物箱保溫加熱分析設(shè)計(jì)和選用，需根據(jù)車輛運(yùn)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(yùn)行使用環(huán)境、上線整備時(shí)間、運(yùn)行溫度保持等要求［1-4］。按照GB/T 12817－2004《鐵道客車通用技術(shù)條件》中要求，非限定運(yùn)用區(qū)間車輛運(yùn)用的環(huán)境溫度為－40℃～40℃，TB/T 3338－2013《鐵道客車及動(dòng)車組集便裝置》中要求，應(yīng)用在環(huán)境溫度低于0℃的地區(qū)時(shí)，集便器裝置中安裝于車下的部位應(yīng)設(shè)置電加熱裝置。而加熱保溫措施應(yīng)本著安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)與選用。

污物箱應(yīng)同時(shí)采取加熱、保溫措施，提高加熱效率，減少熱量損失。首先進(jìn)行加熱保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮加熱保溫措施的安裝、結(jié)構(gòu)形式及電加熱裝置的安裝布局、溫控開(kāi)關(guān)溫度測(cè)點(diǎn)等。其次設(shè)計(jì)選用電加熱元器件和保溫材料，設(shè)計(jì)計(jì)算電加熱功率、保溫層厚度等技術(shù)參數(shù)，設(shè)定溫控開(kāi)關(guān)啟停溫度，確保滿足使用要求。

1 加熱保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

污物箱外觀一般為長(zhǎng)方形箱體，主要組成部分為箱體內(nèi)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(kāi)關(guān)、污物箱檢查口［4-5］。

箱體內(nèi)膽為不銹鋼板焊接的長(zhǎng)方體，設(shè)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(qiáng)度，內(nèi)箱體外設(shè)置多根加強(qiáng)筋或加強(qiáng)角鋼，加強(qiáng)筋形成框架結(jié)構(gòu)，填充保溫材料。箱體外層用不銹鋼板包裹，鉚釘固定于加強(qiáng)筋，對(duì)保溫材料進(jìn)行封裝，同時(shí)起到保護(hù)和裝飾作用。

為實(shí)現(xiàn)電加熱裝置自動(dòng)啟停，即一定溫度下自動(dòng)啟動(dòng)加熱，在加熱到一定溫度時(shí)自動(dòng)停止加熱。因此，電加熱裝置應(yīng)設(shè)置溫度測(cè)量和控制開(kāi)關(guān)。溫度傳感器應(yīng)安裝在能準(zhǔn)確測(cè)量被控溫度的位置，根據(jù)實(shí)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(gòu)成測(cè)量加熱裝置、被加熱介質(zhì)或者環(huán)境溫度的測(cè)量系統(tǒng)。

污物箱箱體結(jié)構(gòu)及加熱保溫模型如圖1所示。

圖1 污物箱箱體結(jié)構(gòu)及加熱保溫模型

2 加熱技術(shù)措施

2.1 技術(shù)要求

根據(jù)車輛安裝使用條件，選用電加熱裝置對(duì)污物箱進(jìn)行加熱，電加熱裝置的選用、設(shè)計(jì)與安裝，均應(yīng)符合車輛供電條件，同時(shí)不影響其他電氣設(shè)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(guān)系到車輛運(yùn)行安全及維護(hù)檢修人員作業(yè)安全，因此必須嚴(yán)格控制并檢測(cè)。主要包括電加熱裝置的絕緣電阻與介電強(qiáng)度，均應(yīng)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(yīng)包括：可干燒，加熱均勻，壽命長(zhǎng)，啟停頻率合理，升溫時(shí)間短等。

2.2 技術(shù)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(yè)用電熱毯是一種工業(yè)用柔性電加熱產(chǎn)品，用于包裹或者覆蓋被加熱保溫體，以達(dá)到防凍和加熱作用，主要由發(fā)熱元件、基芯、面料、電源線、控制開(kāi)關(guān)等組成。按照控制類型又可分為恒定溫度型和溫度可調(diào)型。一般可同時(shí)具有絕緣保溫層，增強(qiáng)升溫和保溫效果，電熱絲均勻分布，保證加熱面積內(nèi)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(fā)熱體，在一端或兩端具有引出棒，在金屬管內(nèi)填裝密實(shí)的氧化鎂粉末絕緣介質(zhì)以固定發(fā)熱體的電熱元件。

自動(dòng)控制溫度電伴熱帶由具有正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient，PTC）電阻率特性的高聚物導(dǎo)電復(fù)合材料制成的帶狀電伴熱器。電伴熱帶具有加熱、阻燃、自動(dòng)保溫、限溫等特性。節(jié)約電能，間歇操作時(shí)，升溫自動(dòng)快速，安裝及運(yùn)行費(fèi)用低。對(duì)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(jìn)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(nèi)膽鋼結(jié)構(gòu)框架預(yù)留安裝孔位。對(duì)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(shù)措施

3.1 技術(shù)措施比選

相同溫度范圍內(nèi)有不同材料可供選擇時(shí)，應(yīng)選用熱導(dǎo)率小、密度小、造價(jià)低、易于施工的材料制品，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行綜合比較，經(jīng)濟(jì)效益高者優(yōu)先選用。選擇常用保溫材料，厚度為50 mm的板材性能對(duì)比分析見(jiàn)表2。

表2 材料性能對(duì)比

選用合適的保溫材料作為絕熱層，要求材料的技術(shù)性能及厚度符合設(shè)計(jì)規(guī)定，且厚薄均勻，接縫嚴(yán)實(shí)，緊固合理，松緊適度，外形完整無(wú)缺，確保絕熱效果良好。

在絕熱層與最外層保護(hù)層之間，必要時(shí)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(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡，填充污物箱內(nèi)框架結(jié)構(gòu)，連接管路等選用保溫管殼進(jìn)行保溫。

4 車輛安裝

真空集便器系統(tǒng)車輛加裝改造過(guò)程中，加熱保溫措施中主要涉及車輛與集便器系統(tǒng)的電氣連接、管路電伴熱安裝施工及電加熱功能出廠檢測(cè)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(yīng)改造，加裝集便裝置的加熱和控制開(kāi)關(guān)。

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(guān)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(shè)位置如圖3所示。

電伴熱帶敷設(shè)方式有單根敷設(shè)和纏繞敷設(shè)兩種。

當(dāng)敷設(shè)單根電伴熱帶時(shí)，敷設(shè)時(shí)應(yīng)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(yán)禁用細(xì)絲捆扎，如遇法蘭、閥門等尖銳突起部分，應(yīng)注意保護(hù)。在水平管道上安裝時(shí)，可敷設(shè)在管道45°側(cè)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(tǒng)電伴熱帶敷設(shè)示意圖

圖4 電伴熱帶直線敷設(shè)

電伴熱帶纏繞敷設(shè)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(jù)纏繞系數(shù)，電伴熱帶總長(zhǎng)度等于管道長(zhǎng)度乘以纏繞系數(shù)，將電伴熱帶兩端固定于一定長(zhǎng)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(shè)時(shí)不能有死結(jié)、死彎現(xiàn)象，穿洞、穿管時(shí)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(hù)。電伴熱帶敷設(shè)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(yīng)該符合產(chǎn)品安裝使用說(shuō)明，且不能出現(xiàn)交叉接觸和重疊現(xiàn)象。局部纏繞電伴熱帶不能過(guò)多，以免使管道過(guò)熱燒毀電伴熱帶，如必須多纏繞時(shí)，應(yīng)適當(dāng)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(cè)

根據(jù)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(cè)方法有3種：直接法、間接法和模擬環(huán)境法。

直接法是指直接模擬污物箱內(nèi)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(kāi)始工作，信號(hào)箱上的加熱指示燈顯示，測(cè)取并記錄加熱裝置工作電流、水溫，加熱一段時(shí)間后，電加熱管停止工作，此時(shí)信號(hào)箱上的加熱指示燈熄滅，測(cè)取并記錄水溫、加熱時(shí)間。期間至少測(cè)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(shí)間較長(zhǎng)，但可以對(duì)安裝完成的污物箱電加熱裝置整體進(jìn)行測(cè)試。此方法在集便器產(chǎn)品研發(fā)及型式試驗(yàn)中較多采用。

間接法是指將溫度傳感器置于低溫狀態(tài)。測(cè)試時(shí)，打開(kāi)污物箱側(cè)面或底部電加熱檢查門。測(cè)量電加熱裝置電源接線柱之間的電壓在正常范圍內(nèi)。降低電加熱裝置溫度傳感器的溫度到4℃（溫度傳感器設(shè)定電加熱裝置啟動(dòng)溫度）以下。測(cè)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(shè)定電加熱裝置停止溫度）以上，電加熱裝置應(yīng)停止工作。此方法缺點(diǎn)是需要打開(kāi)電加熱裝置檢查門并取出溫度傳感器，容易對(duì)溫度探測(cè)反饋回路造成損壞。但該方法操作簡(jiǎn)單，判斷快速，在車輛加裝改裝完工檢測(cè)中普遍采用。

模擬低溫環(huán)境，是將真空集便器系統(tǒng)整體或者裝車后的車輛整體置于低溫環(huán)境下，觀察當(dāng)溫度降至0℃以下，電加熱管是否開(kāi)始工作，信號(hào)顯示盤上的加熱指示燈應(yīng)點(diǎn)亮；繼續(xù)觀察溫度控制器上的溫度顯示，當(dāng)溫度升至（8±0.5）℃時(shí)，電加熱管應(yīng)停止工作，信號(hào)顯示盤上的加熱指示燈應(yīng)關(guān)閉。此方法在車輛整體低溫試驗(yàn)中采用。

5 建 議

為確保污物箱安全可靠性，建議選用性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠的溫度控制開(kāi)關(guān)，確保電加熱管正常啟停，避免電加熱管長(zhǎng)時(shí)間加熱。同時(shí)應(yīng)在污物箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)校核過(guò)程中，適當(dāng)考慮由于電加熱造成的熱效應(yīng)而引起的結(jié)構(gòu)熱耦合載荷，確保污物箱安全、正常使用。

同時(shí)客車在客技站內(nèi)庫(kù)停斷電后，如外溫較低，車輛停放時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，則管路及污物箱內(nèi)的污物和污水有可能造成冰堵，影響設(shè)備的正常使用，水結(jié)冰后體積膨脹，嚴(yán)重時(shí)可將污物箱、管路及閥件崩裂，對(duì)真空集便器造成嚴(yán)重?fù)p壞。因此建議車輛使用維護(hù)部門應(yīng)對(duì)入庫(kù)停放車輛的真空集便器進(jìn)行排空，并注意車輛停放期間的保護(hù)。

［1］ 任大慶.鐵路客車真空式集便系統(tǒng)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(guó)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(tǒng)污物箱設(shè)計(jì)與試驗(yàn)技術(shù)研究［J］.鐵路節(jié)能環(huán)保與勞動(dòng)衛(wèi)生，2013，（1）：4-8.

［5］ 李 豐，孫 彥，等.鐵道車輛污物箱及安裝吊座強(qiáng)度與模態(tài)分析［J］.中國(guó)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）