Параметры микроклимата транспортного средства
Содержание
- Введение
- Теоретическая часть
- Расчет коэффициента теплопередачи
- Расчет теплопритоков
- Расчетная часть
- Расчет коэффициента теплопередачи
- Расчет теплопритоков
4. Заключение
- Список используемой литературы
Введение
Кондиционирование воздуха – это поддержание параметров воздушной среды, наиболее благоприятной для самочувствия людей, ведения технологического процесса, независимо от изменения параметров наружно воздуха.
Цель данной
курсовой работы – рассчитать коэффициент
теплопередачи в вагоне электропоезда
пригородного сообщения на разных скоростях
движения, а также рассчитать теплопритоки
в условиях Карелии в вагон для определения
производительности системы кондиционирования.
Теоретическая
часть
- Расчет коэффициента теплопередачи
Основным показателем теплотехнических качеств кабины транспортного средства является коэффициент теплопередачи его ограждений К , (Вт/м²*К).
Коэффициентом теплопередачи характеризуется количество тепла, проходящее в течение 1 с через 1 м² площади ограждений при перепаде температур по её сторонам в 1 градус.
Коэффициент теплопередачи кабины считают по формуле
К = Σ(Ki*Fi)/ΣFi (1)
Где Ki – коэффициент теплопередачи стенки. Коэффициент теплопередачи многослойной однородной стенки обратно пропорционален её общему термическому сопротивлению Ro, которое равно сумме термических сопротивлений каждого слоя и термических сопротивлений теплоотдаче от поверхностей стенки к наружному и внутреннему воздуху :
Ro = ΣRi + Rн + Rвн (2)
Где Ri – внутреннее термическое сопротивление каждого слоя стенки;
Rн – термическое сопротивление теплоотдаче от наружного воздуха к наружной поверхности стенки;
Rвн – термическое сопротивление теплоотдаче от наружной поверхности стенки к воздуху внутри салона кабины.
Ri =δi / λi (3)
где δi – толщина каждого однородного слоя стенки [м]
λi - коэффициент теплопроводности материала соответствующего слоя стенки [Вт/м*К]
Rн обратно пропорционален коэффициенту теплоотдачи наружной поверхности стенки к наружному воздуху αн.
Rвн обратно пропорционален коэффициенту теплоотдачи от воздуха к внутренней поверхности стенки αвн.
Подставив значения выражений для Ri, Rн, Rвн в формулу К = 1/ Ro =>
К = 1/( ΣRi + Rн + Rвн), получим общую развернутую формулу:
К = 1 / [Σ(δi / λi) + (1/ αн) + (1/ αвн.)] (4)
Значения δi берутся из чертежей, значения λi берутся из справочных таблиц.
Величина αн зависит от скорости и характера воздушного потока, обдувающего наружную поверхность транспортного средства. Чем больше скорость, тем больше значение αн.
Для кабин направление поток воздуха и обдуваемой поверхности или совпадает, или поток находится под небольшим углом к большей части поверхности – стенам, крыше, полу.
Для определения αн будем пользоваться эмпирической формулой, в которой переменными величинами являются лишь скорость движения транспортного средства и его длина:
αн = 15 + 3*U/ lº² ; (5)
где U – скорость транспортного средства, м/с
l – длина кабины, м
Величина αвн. зависит от этих же параметров, но скорости движения воздуха внутри потока от работы вентиляции значительно меньше скорости наружного воздуха.
Конвективные
скорости в результате теплообмена
между внутренними
Примем значение αв равным 10 Вт/(м²*К).
При расчетах К
предполагается, что тепло направлено
перпендикулярно плоскости стенки.
Расчет всех параметров будем вести для вагона электропоезда. Определим технические характеристики объекта. Кузов вагона состоит из рамы, боковых и торцевых стен и крыши. Рама является основанием вагона. Она выполнена из стальных балок толщиной 10 мм. Боковые стены вагона снаружи обшивают стальными гофрированными листами толщиной 2 мм. Внутренняя обшивка боковых стен состоит из деревянного каркаса, выполненного из вертикальных и горизонтальных брусков толщиной 20 мм. Между элементами деревянной обрешетки укладывают теплоизоляционные пакеты из пенопласта или мипоры толщиной 60 мм. Затем кузов вагона обшивают фанерой толщиной 3 мм.
Торцевые стенки имеют стальной каркас толщиной 10 мм и обшиты стальными гофрированными листами толщиной 2 мм. Внутренняя обшивка торцевых стен такая же, как и обшивка боковых стен. Поперечные стенки выполнены в виде щитов, в которых установлены раздвижные двери салона.
Каркас крыши вагона сварен из стальных дуг, сверху которых приварены стальные гофрированные листы толщиной 1,5 мм. К обрешетке потолка, которая состоит из деревянных брусков толщиной 20 мм, крепят обшивку из твердых древесно-волокнистых плит толщиной 20 мм. Потолок утеплен пакетами из мипоры толщиной 70 мм.
Пол вагона состоит из деревянного каркаса, т.е. из продольных и поперечных брусков из сосны. К этим брускам прибиты ДВП толщиной 25 мм. Между плитами и полом укладывают теплоизоляционные пакеты с мипорой толщиной 90 мм. Сверху пол покрывают линолеумом толщиной 5 мм. Т.к. расчет ведется для теплого периода, окна вагона состоят из однослойного стекла толщиной 5 мм.
Для расчета коэффициента теплопередачи, необходимо знать коэффициенты теплопроводности каждого материала.
Материал | Толщина однородного слоя стенки ,δ, м | Коэффициент теплопроводности материала λ, Вт/м*К |
Пол | ||
Сталь | 0,01 | 52 |
Сосна | 0,02 | 0,15 |
ДВП | 0,025 | 0,05 |
Мипора | 0,09 | 0,085 |
Линолеум | 0,005 | 0,16 |
Боковые
стены | ||
Сталь | 0,012 | 52 |
Сосна | 0,02 | 0,15 |
Мипора | 0,06 | 0,085 |
Фанера | 0,003 | 0,15 |
Торцевые стены | ||
Сталь | 0,012 | 52 |
Сосна | 0,02 | 0,15 |
Мипора | 0,06 | 0,085 |
Фанера | 0,003 | 0,15 |
Крыша | ||
Сталь | 0,0115 | 52 |
Сосна | 0,02 | 0,15 |
ДВП | 0,02 | 0,05 |
Мипора | 0,07 | 0,085 |
Окна | ||
Стекло | 0,005 | 1,15 |
Воздух | 0,008 | 0,02 |
Стекло | 0,005 | 1,15 |
- Расчет теплопритоков в кузов вагона
2.1. Теплопритоки через ограждения
Расчет теплопритоков в салон кабины транспортного средства производства для определения производительности системы кондиционирования. Теплопритоки поступают через ограждения, вследствие перепада температур снаружи и внутри кабины снаружи и внутри транспортного средства, в результате инфильтрации, из-за тепловыделений пассажиров, в результате работы установленного в кабине оборудования и освещения.
Теплопритоки через ограждения определяются как : Q1 = K * F * (tн – tвн) (6)
Q1 – теплоприток через отдельный элемент кабины;
K - Коэффициент теплопередачи элемента, Вт/м²*К
F – Площадь элемента кабины, м²
tн – Средняя максимальная температура наиболее жаркого месяца;
tвн – температура внутри
салона кабины (берется из ГОСТ 12.1.005-88);
- 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, т.к. при работающей системе вентиляции и образующемся при этом перепаде воздуха наружный воздух через эти неплотности внутрь не проходит.
Поскольку теплоприток через ограждения Q1 также пропорционален перепаду между температурами воздуха внутри и снаружи вагона, теплоприток от инфильтрации Q2 определяют как некоторую часть Q1, по формуле :
Q2 = Кʹ * Q1 (7)
где Кʹ - безразмерный
числовой коэффициент, равный 0,3.
2.3. Тепловыделения пассажиров
Различными исследователями установлено, что для человека теплоотдача за счет конвекции при комфортных условиях составляет 33-35% всей теплоотдачи организма. Количество теплоты, отдаваемое излучением, составляет 42-44%. Теплоотдача испарением составляет 20-25% отдаваемой теплоты. При температуре воздуха ниже температуры кожи человека количество испаряемой влаги остается практически постоянным. При более высоких температурах влагоотдача возрастает. Потоотделение начинается при температуре выше 28-29 градусов по Цельсию, а при температуре выше 34 С теплоотдача испарением и является практически единственным способом теплоотдачи организма.
При температуре воздуха 38 С и влажности 56 % наступает предел естественной терморегуляции тела.
Тепловыделения пассажиров определяются по формуле : Q3 = q1 * n; (8)
Где q1 – суммарное (сухое и влажное) тепло, выделяемое одним пассажиром, Вт
n – Количество пассажиров, количество сидящих мест.
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 ввиду, 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 пассажирских помещениях увеличивается по сравнению с наружной температурой воздуха. Разница между этими температурами в зависимости от производительности вентиляции может колебаться в пределах 3-10 с. Переводя ккал/ч, получаем теплоотдачу одного пассажира q1= 117 Вт.
2.4.
Теплопритоки от
освещения и
Теплопритоки
от освещения и
2.5. Теплопритоки от солнечной радиации
Основные поступления
тепла в помещение летом
Теплопритоки от солнечной радиации рассчитываются по формуле :
Q5 = (Ak * Ir * Kk * Fk /αн) + (Ac * IB * Kc * Fc / αн) + (IB * KOK * FOK); (9)
Где Ak, Ac - коэффициенты теплопоглощения солнечных луче крышей и стенами кабины транспортного средства.
Ir , IB – Интенсивность солнечной радиации для горизонтальной (крыша) и вертикально (стены и окна) поверхностей кузова вагона, зависящая от широты местности.
Kk, Kc - коэффициенты теплопередачи ограждений стен и крыши.
KOK – Коэффициент пропускания солнечных лучей окнами с двойными стеклами, определяемый, как произведение коэффициента пропускания солнечных лучей стеклам К1 и поправочных коэффициентов, учитывающих загрязнение стекол К2 = 0,9.
αн – коэффициент теплоотдачи воздуха к наружной поверхности, определяемый по эмпирической формуле :
αн = 8 + 0,7 * (U + 15) / lº² (10)
где U – скорость движения транспортного средства, принимаемая равной 60 км/ч;
l – длина боковой стены конструкции кабины.
Суммарный теплоприток
равен сумме вышеперечисленных
теплопритоков.
Расчетная
часть
1.Расчет
коэффициента теплопередачи
Коэффициент теплопередачи будем рассчитывать по формуле (1):
К = Σ(Ki*Fi)/ΣFi;
Где Ki – коэффициент теплопередачи стенки, Fi – площадь поверхности стенки;
Ki найдем по формуле (4):
К = 1 / [Σ(δi / λi) + (1/ αн) + (1/ αвн.)] ;
Будем находить
каждый член уравнения по отдельности;
Σ(δi / λi) – просуммируем значения, приведенные в таблице 1:
Материал | Толщина однородного слоя стенки ,δ, м | Коэффициент теплопроводности материала λ, Вт/м*К | δ /λ , Вт/К |
Пол | |||
Сталь | 0,01 | 52 | 0,00019 |
Сосна | 0,02 | 0,15 | 0,133 |
ДВП | 0,025 | 0,05 | 0,05 |
Мипора | 0,09 | 0,085 | 1,059 |
Линолеум | 0,005 | 0,16 | 0,0312 |
Боковые стены | |||
Сталь | 0,012 | 52 | 0,00023 |
Сосна | 0,02 | 0,15 | 0,133 |
Мипора | 0,06 | 0,085 | 0,706 |
Фанера | 0,003 | 0,15 | 0,02 |
Торцевые стены | |||
Сталь | 0,012 | 52 | 0,00023 |
Сосна | 0,02 | 0,15 | 0,133 |
Мипора | 0,06 | 0,085 | 0,706 |
Фанера | 0,003 | 0,15 | 0,02 |
Крыша | |||
Сталь | 0,0115 | 52 | 0,00022 |
Сосна | 0,02 | 0,15 | 0,133 |
ДВП | 0,02 | 0,05 | 0,4 |
Мипора | 0,07 | 0,085 | 0,823 |
Окна | |||
Стекло | 0,005 | 1,15 | 0,00435 |
Воздух | 0,008 | 0,02 | 0,4 |
Стекло | 0,005 | 1,15 | 0,00435 |
Для пола Σ(δi / λi) = 0,00019 + 0,133 + 0,05 + 1,059 + 0,0312 = 1,27339 Вт/К
Для боковых стен Σ(δi / λi) = 0,00023 + 0,133 + 0,706 + 0,02 = 0,85923 Вт/К
Для торцевых стен Σ(δi / λi) = 0,00023 + 0,133 + 0,706 + 0,02 = 0,85923 Вт/К
Для крыши Σ(δi / λi) = 0,00022 + 0,133 + 0,4 + 0,823 = 1,35622 Вт/К
Для окон Σ(δi
/ λi)
= 0,00435 +0,4 + 0,00435 = 0,4087 Вт/к
1/ αн = 1/(15 + 3*U/ lº² );
Где l – длина кабины = 20,1 м
Переменной величиной в данном уравнении является скорость движения транспортного средства;
Найдем 1/ αн
для различных скоростей от 0 до 75 км/ч,
U км/ч | 1/ αн м²К/Вт |
0 | 0,067 |
15 | 0,046 |
25 | 0,038 |
35 | 0,032 |
45 | 0,028 |
55 | 0,025 |
65 | 0,022 |
75 | 0,02 |
Примем значение
αв равным
10 Вт/(м²*К) следовательно 1/ αв =
0,1 м²*К/Вт
Теперь рассчитаем
К в зависимости от скорости движения
для каждого элемента вагона:
U км/ч | Кср | ||||||||
0 | 15 | 25 | 35 | 45 | 55 | 65 | 75 | ||
Пол | 0,694 | 0,704 | 0,708 | 0,712 | 0,713 | 0,715 | 0,717 | 0,718 | 0,71 |
Боковые стены | 1,079 | 0,995 | 1,003 | 1,009 | 1,013 | 1,016 | 1,019 | 1,021 | 1,019 |
Торцевые стены | 1,079 | 0,995 | 1,003 | 1,009 | 1,014 | 1,016 | 1,019 | 1,021 | 1,019 |
Крыша | 0,656 | 0,666 | 0,669 | 0,672 | 0,674 | 0,675 | 0,676 | 0,677 | 0,67 |
Кср1 | 0,877 | 0,84 | 0,846 | 0,85 | 0,853 | 0,855 | 0,858 | 0,859 | 0,855 |
Теперь рассчитаем
коэффициент теплопередачи
Для начала рассчитаем площади элементов кабины:
Длина вагона равна 20,1 м, ширина – 3,1 м, высота – 3 м.
Из за кривизны поверхности крыши нужно учитывать соотношение Fкр /Fп = 1,1
Fп = 20,1 * 3,1 = 62,31 м²
Fкр = 62,31 * 1,1 = 68,541 м²
Fб.ст = 20,1 * 3 = 60,6 м²
Fт.ст = 3,1 * 3 = 7,75 м²
ΣF = 62,31 + 68,541 + 50,25
+ 7,75 = 188,851 м²
U км/ч | 0 | 15 | 25 | 35 | 45 | 55 | 65 | 75 |
K Вт/м²К | 0,798 | 0,803 | 0,784 | 9,789 | 0,792 | 0,793 | 0,795 | 0,796 |
Кср = 0,793 Вт/м²К
2.Расчет
теплопритоков в вагон
кузова
Суммарные теплопритоки находим по формуле Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5,
Разберем по
отдельности каждую составляющую уравнения.
Q1 – теплоприток через ограждения
Q1 = К * F * (tн – tв);
Tн = 25 С
Tв = 18 С