ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра: Энергообеспечение предприятий и энергосбережения
Курс: Теоретические основы теплотехники
Курсовая работа:
Параметры микроклимата в кабине автомобиля.
Выпонила:
студентка гр. 21310
Работу принял:
2009
Содержание
Введение ________________________________________________________3
Расчет коэффициентов теплопередачи
1. Теоретическая часть _________________________________3
2. Практическая часть __________________________________5
2.1 Расчет коэффициентов теплоотдачи αн -----5
2.2 Расчет коэффициентов теплопередачи для основных частей кузова ____________________________________________________5
2.3 Расчет коэффициента теплопередачи кузова в целом __________7
Расчет теплопритоков в кузов автомобиля
1. Теоретическая часть _________________________________7
2. Практическая часть
2.1 Расчет теплопритоков через ограждения _____________________8
2.2 Теплопритоки от инфильтрации ____________________________8
2.3 Тепловыделения пассажиров _______________________________9
2.4 Теплопритоки от освещения и электрооборудования __________9
2.5 Теплопритоки от солнечной радиации _______________________9
2.6 Суммарные теплопритоки _________________________________10
Выводы ________________________________________________________11
Список литературы _____________________________________________12
Введение.
Автомобиль – самое распространенное средство передвижения. В некоторых городах число автомобилей сравнялось с числом жителей. Многие не представляют жизни без своего автомобиля. И поэтому для наиболее комфортного пребывания в нем разработчики новых моделей придумывают различные нововведения. Основным параметром комфорта является – микроклимат в кабине. Если в кабине будет слишком жарко или слишком холодно водитель не сможет спокойно следить за ситуацией на дороге, а пассажирам будет некомфортно.
В данной работе я попробую рассчитать параметры микроклимата заданной кабины, и оценить, насколько они благоприятны.
Цель: рассчитать коэффициенты теплопередачи ограждений транспортного средства на различных скоростях в интервале от 0 до 75 километров в час; рассчитать теплопритоки в салон для наиболее жаркого месяца июля для определенного региона (г. Москва).
Технические характеристики объекта:
Длина * ширина * высота, м = 2,5 * 1,6 * 1,8;
Коэффициент остекления – 2,01 * 10^(-1);
Количество посадочных мест – 5.
Для основных несущих конструкций – сталь марки 20, толщиной δст = 2,0мм. Также я выбрала для покрытия пола – войлок δп = 20 мм и резинные коврики δр = 4 мм. Для теплоизоляции (облицовки кабины) минеральный войлок и кожа обивочная δт = 20мм и δк = 2мм – боковые стены и потолок.
Для лобовых окон однослойное, для отдельных окон однослойное стекло, плоское, закаленное 1 сорта.
Расчет коэффициентов теплопередачи.
Теоретическая частьОсновным показателем теплотехнических качеств кузова вагона является коэффициент теплопередачи его ограждений. Коэффициентом теплопередачи характеризуется количество тепла, проходящее в течение 1 с, через 1 м² площади ограждений при перепаде температур по ее сторонам в 1º. Коэффициент теплопередачи стенки обратно пропорционален ее общему термическому сопротивлению Rо:
К=1\Rо;
Общее термическое сопротивление многослойной однородной стенки вагона равно сумме термических coпpoтивлeний каждого слоя и термических coпpoтивлeний теплоотдаче от поверхностей стенки к наружному и внутреннему воздуху:
Rо = ΣRi + Rн + Rв,
Где Ri - внутреннее (собственное) термическое сопротивление каждого слоя стенки;
Rн - термическое сопротивление теплоотдаче от наружного воздуха к наружной поверхности стенки;
Rв - термическое сопротивление теплоотдаче от внутренней поверхности стенки к воздуху внутри вагона;
Ri = δi / λi
Где δi - толщина каждого однородного слоя стенки, м;
λi - коэффициент теплопроводности материала(или воздушной прослойки) соответствующего слоя стенки, Вт\(м∙К)
Rн = 1/αн
Где αн - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности стенки к наружному воздуху (или от наружного воздуха к поверхности стенки), Вт/(м²∙К)
Rв = 1\αв
αв - коэффициент теплоотдачи от воздуха к внутренней поверхности стенки (или наоборот), Вт/(м²∙К).
Подставив значения выражений для Ri, Rн и Rв в формулу для К, получим общую развернутую формулу:
Значения δi берутся из чертежей, значения λi из справочников.
Для вагонов направление потока воздуха и обдуваемой поверхности или совпадает, или поток находится под небольшим углом к большей части поверхности - боковым стенам, крыше, полу. Конфигурация и характер поверхности пассажирских и изотермических вагонов, в основном ровные и примерно одинаковые, поэтому для определения значения αн можно пользоваться эмпирической формулой, в которой переменными величинами являются лишь скорость движения вагона и его длина:
Где U - скорость поезда, м/с;
ℓ - длина кузова, м.
Величина αв зависит от тех же показателей и параметров, что и величина αн. Но скорости движения воздуха внутри потока от работы вентиляции значительно меньше скоростей атмосферного воздуха, а конвективные скорости в результате теплообмена между внутренними поверхностями и воздухом в вагоне значительно уменьшаются вследствие загроможденности. Поэтому величина αв меньше величины αн , даже в стоящем вагоне. По рекомендациям [4] значение αв может быть принято равным: αв =10 Вт/(м² ∙ К).
При расчетах величины К предполагается, что тепло направлено перпендикулярно плоскости стенки. Это вполне справедливо для однородных стенок. В стенках с неоднородной изоляцией, подобных ограждению вагона, направление потока тепла сложнее. В практике используется много способов приближенного теплового расчета стенок с неоднородной изоляцией. Мы воспользуемся слоевым методом. При этом методе стенку делят на слои, перпендикулярные тепловому потоку (параллельно ее плоскости), определяют термическое сопротивление каждого и, принимая допущение о самостоятельности работы каждого слоя, суммируют результаты.
Зная площади поверхностей отдельных элементов кузова вагона, считают коэффициент теплопередачи кузова вагона в целом:
2.1 Расчет коэффициентов теплоотдачи αн:
Например, дя U = 25 км/ч: αн = 15 + (3 * 6,94)/(2,5^0,2) = 32,35 Вт/(м^2*К)
|
U, км/ч |
0 |
5 |
15 |
25 |
35 |
45 |
55 |
65 |
75 |
|
αн, Вт/(м^2*К) |
15 |
18,45 |
25,43 |
32,35 |
39,3 |
46,25 |
53,2 |
60,14 |
67,1 |
2.2 Расчет коэффициентов теплопередачи для основных частей кузова
А) Расчет коэффициентов теплопередачи К для потолка. Потолок многослойный : сталь, мин. войлок и кожа обивочная.
λст = 52 Вт/(м²*К)
δст = 2,0мм.
λвойлок = 0,045 Вт/(м²*К)
δт = 20мм (мин. войлок)
λкожа обив. = 0,19 Вт/(м²*К)
δк = 2мм (кожа обивочная)
Например, для скорости в 15 км/ч, К = 1/[(0,002/52) + (0,02/0,045) + (0,002/0,19) + 1/10 + 1/25,43] = 1,68 Вт/(м²*К).
Все данные заносятся в общую таблицу Коэффициенты теплопередачи.
Б) Расчет коэффициентов теплопередачи К пола. Пол многослойный: сталь (марки 20), войлок и резина (резиновые коврики).
λст = 52 Вт/(м²*К)
δст = 2,0мм.
λвойлок = 0,045 Вт/(м²*К)
δт = 20мм (мин. войлок)
λрезина = 0,15 Вт/(м²*К)
δр = 4 мм
Все данные заносятся в общую таблицу Коэффициенты теплопередачи.
В) Расчет коэффициентов теплопередачи К окон.
,
δстекло = 4 мм,
λстекло = 0,8 Вт/(м²*К)
Все данные заносятся в общую таблицу Коэффициенты теплопередачи.
Г) Расчет коэффициентов теплопередачи К боковых и торцевых стен.
Материалы, из которых изготовлены боковые и торцевые стенки, точно такие же как и материалы, из которых изготовлен потолок (крыша), так что коэффициенты теплопередачи идентичны.
Таблица: Коэффициенты теплопередачи.
|
U, км/ч |
0 |
15 |
25 |
35 |
45 |
55 |
65 |
75 |
Кср |
|
1.пол |
1,57 |
1,64 |
1,66 |
1,68 |
1,69 |
1,7 |
1,7 |
1,71 |
1,67 |
|
2.торцевые стены |
1,61 |
1,68 |
1,7 |
1,72 |
1,73 |
1,74 |
1,75 |
1,755 |
1,71 |
|
3.боковые стены |
1,61 |
1,68 |
1,7 |
1,72 |
1,73 |
1,74 |
1,75 |
1,755 |
1,71 |
|
4.потолок |
1,61 |
1,68 |
1,7 |
1,72 |
1,73 |
1,74 |
1,75 |
1,755 |
1,71 |
|
5. окна |
5,8 |
6,9 |
7,36 |
7,66 |
7,9 |
8,1 |
8,2 |
8,34 |
7,53 |
|
Кср1 |
2,44 |
2,7 |
2,83 |
2,95 |
2,96 |
3 |
3 |
3,06 |
2,87 |
2.3 Расчет коэффициента теплопередачи кузова в целом.
Для начала определим площади поверхностей различных частей кузова:
|
Часть кузова |
Окна(бок+л+з) |
потолок |
пол |
Стенки (бок+торц) |
|
Площадь, м² |
4,57 |
4 |
4 |
10,19 |
Для упрощения предположим, что все элементы у нас прямоугольные.
Площадь пола: 2,5 м * 1,6 м = 4 м²;
Площадь потолка будет равна площади пола = 4 м²;
Мы знаем, что коэффициент остекления равен 0,201, и для того, чтобы определить площадь остекленной поверхности, необходимо сначала найти полную площадь машины.
Fполн = 2*4м² + 2*1,8 м*1,6м + 2*2,5м*1,8м = 22,76 м²;
Fостекл. = 0,201 * 22,76м² = 4,57 м²
Fстенок = 22,76м² – 4,57м² – 8м² = 10,19 м².
|
U, км/ч |
0 |
15 |
25 |
35 |
45 |
55 |
65 |
75 |
Кср |
|
Ki*Fi | |||||||||
|
1.пол |
6,28 |
6,56 |
6,64 |
6,72 |
6,76 |
6,8 |
6,8 |
6,84 |
6,68 |
|
2. стены |
16,4 |
17,12 |
17,32 |
17,52 |
17,63 |
17,73 |
17,83 |
17,88 |
17,42 |
|
3.потолок |
6,44 |
6,72 |
6,8 |
6,88 |
6,92 |
6,96 |
7 |
7,02 |
6,84 |
|
4. окна |
26,5 |
31,5 |
33,6 |
35 |
36,1 |
37 |
37,5 |
38,11 |
34,4 |
|
Кср1*F |
13,9 |
15,5 |
16,1 |
16,5 |
16,85 |
17,1 |
17,3 |
17,5 |
К = (6,68 + 17,42 + 6,84 + 34,4)/22,76 = 2,87 Вт/(м²*К).
Расчет теплопритоков в кузов автомобиля.
Теоретическая часть.Расчет теплопритоков в вагон производится для определения производительности системы охлаждения.
Теплопритоки поступают: через ограждения, вследствие перепада температур воздуха снаружи и внутри вагона, в результате инфильтрации; из-за тепловыделений пассажиров; в результате работы установленного в вагоне оборудования и освещения.
Определяются по формуле:
Где:
– теплоприток через отдельный элемент кузова,
к – коэффициент теплопередачи элемента,
F – площадь элемента, м2 .
2. Практическая часть
2.1 Расчет теплопритоков через ограждения.
tн - средняя максимальная температура наиболее жаркого месяца ( в моей работе – в г. Москва);
tв – температура внутри салона.
tн = 23,6 ºС; tв = 20 ºС.
Вычислим разницу температур ∆t = 23,6 – 20 = 3,6 ºС.
И теперь умножим эту разницу на коэффициенты теплопередачи и на площади каждого из элементов кузова при разных скоростях. Данные занесены в таблицу.
Значения Q1, при различных скоростях, Вт
|
0 |
15 |
25 |
35 |
45 |
55 |
65 |
75 |
QΣ | |
|
1.пол |
22,6 |
23,6 |
23,9 |
24,2 |
24,3 |
24,5 |
24,5 |
24,6 |
24 |
|
2.торцевые и боковые стены |
59 |
61,6 |
62,3 |
63 |
63,5 |
63,8 |
64,2 |
64,37 |
62,7 |
|
3.потолок |
23,2 |
24,2 |
24,5 |
24,77 |
24,9 |
25 |
25,2 |
25,27 |
24,6 |
|
|
111,3 |
Средний суммарный теплоприток через ограждения равен Q1 = 111,3 Вт.
2.2 Теплопритоки от инфильтрации.
Теплопритоки от инфильтрации воздуха находятся в прямой зависимости от перепада температур между температурами воздуха внутри и снаружи и от частоты открывания дверей. Инфильтрация через небольшие неплотности ограждений не учитывается, так как при работающей системе вентиляции и образующимся при этом перепаде воздуха наружный воздух через эти неплотности внутрь не проходит. Поскольку теплоприток через ограждения Q1 , также пропорциональны перепаду между температурами воздуха внутри и снаружи вагона, теплоприток от инфильтрации Q2 определяют как некоторую часть Q1 , по формуле:
Q2=K′∙Q1
где K'- безразмерный числовой коэффициент. В нашем случае его принимают
K' = 0,3.
Q2=0,3∙Q1 = 0,3 * 111,3 = 33,4 Вт.
2.3 Тепловыделения пассажиров.
Определяются по формуле: Q3=q1∙n
где qл - суммарное (сухое и влажное) тепло, выделяемое одним пассажиром, Вт;
n - количество пассажиров, исходим от количества сидячих мест.
Пассажиры находятся в помещении с малой кубатурой. Это несколько ухудшает условия их пребывания и одновременно предъявляет повышенные требования к обеспечению состояния и состава воздуха в пассажирском помещении. Тепловой комфорт пассажиров зависит от правильного выбора параметров метеорологического состояния воздуха в помещении с учетом времени года и климатических условий местности, по которой будет курсировать транспортное средство. При этом имеется в виду, что пассажир находится в спокойном состоянии.
Общая теплоотдача пассажира, находящегося в спокойном состоянии, при нормальных условиях составляет около 100 ккал/ч. За счет этого тепла температура воздуха в пассажирском помещении увеличивается по сравнению с наружной температурой. Разница между этими температурами в зависимости от производительности вентиляции может колебаться в пределах 3 – 100.Переводя ккал/ч получаем теплоотдачу одного пассажира qл = 117 Вт.
Мой автомобиль рассчитан на 5 человек, следовательно, теплоприток от пассажиров будет равен:
Q3 = 5 * 117 Вт = 585 Вт.
2.4 Теплопритоки от освещения и электрооборудования.
Q4 = 47 Вт.
2.5 Теплопритоки от солнечной радиации.
Основные поступления тепла в помещение летом происходят через окно. В помещение поступает коротковолновое излучение, непосредственно проникающее через остекленение, а также конвективное тепло и длинноволновое излучение за счет разности температур и поглощенного солнечного тепла элементами заполнения оконного проема.
Теплопритоки от солнечной радиации рассчитываются по формуле:
Где Ак и Ас - коэффициенты теплопоглощения солнечных лучей соответственно крышей и стенами вагона, равные Ак = 0,5 для крыши серого цвета и Ас — 0,7 для стен темно-зеленого или темно-синего цвета;
Iг и Iв - интенсивность солнечной радиации для горизонтальной (крыша) и вертикальной (стены и окна) поверхностей кузова вагона, зависящая от географической широты местности. По справочникам для широты 60° (Республика Карелия г. Петрозаводск) Iг= 319 Вт/м2 и Iв= 206 Вт/м2 .
Кк и Кс - коэффициенты теплопередачи ограждений крыши и стен (без окон). Кк=0,46 Вт/м2 и Кс=1,78 Вт/м2.
Кок - коэффициент пропускания солнечных лучей окнами с двойными стеклами, определяемый как произведение коэффициента пропускания солнечных лучей стеклами К1 и поправочных коэффициентов, учитывающих загрязнение стекол К2=0,9 и применение сплошных солнечных штор с темной наружной стороной К3= 0,2.
Предположим, что у моего автомобиля одинарное окно с металлическим переплетом, следовательно К1 = 0.6.
Кок = 0,6 * 0,9 * 0,2 = 0,108
Fк, Fс и Fок— площади соответственно крыши, одной боковой стены (без окон) и окон на одной боковой стене. Площадь пола и теневой боковой стены в расчет не принимается из-за очень малой величины рассеянной солнечной радиации; 
- коэффициент теплоотдачи от воздуха к наружной поверхности, определяемый по эмпирической формуле :
Где 
скорость движения поезда, принимаемая равной 60 км/ч;
длина боковой стены.
αн = 8 + 0,7( 16,67 + 15) / 2,5 ^0,2 = 26,5;
Q5 = (0,5 * 319 * 0,46 * 4) / 26,5 +( 0,7 * 206 * 1,78 *3,5)/26,5 + 206 * 0,108 * 1 = 11,07 + 33,9 + 22,25 = 67,22 Вт.
2.6 Суммарные теплопритоки.
Q∑= Q1+Q2+Q3+Q4+Q5 = 111,3 + 33,4 + 585 + 47 + 67,22 = 843,92 Вт.
Выводы.
В рассмотренном мною небольшом вагончике, геометрические параметры которого всего 2,5 м * 1,6 м * 1,8 м, основные показатели теплотехнических качеств оказались равны: коэффициент теплопередачи К = 2,87 Вт/(м²*К), и теплопритоки Q = 843,92 Вт.
Мы можем сделать вывод, что коэффициент теплоотдачи большой, а теплопритоки в кузов чрезвычайно малы. Людям будет некомфортно в таком вагоне.
Необходимо менять теплоизоляционные материалы, а особенно внимание уделить окнам (коэффициент теплопередачи у них самый большой).
Список литературы.
1. "Строительная теплофизика" С-Пб 2006 г.
2. "Кондиционирование воздуха и холодоснабжение" М. 1985 г.
3. "Электрооборудование пассажирских вагонов" М. 1987 г.
4. "Электрооборудование и кондиционирование воздуха пассажирских вагонов" М. 1963 г.
5. "Кондиционирование воздуха в пассажирских вагонах" М. 1986 г.
6.СНиП "Строительная климатология и геофизика" 2.01.01-82.
7.СНиП "Вентиляция, кондиционирование и отопление" 2.04.05-91
