Параметры микроклимата транспортного средства

Содержание 

  1. Введение
  2. Теоретическая часть
    • Расчет коэффициента теплопередачи
    • Расчет теплопритоков
  3. Расчетная часть
    • Расчет коэффициента теплопередачи
    • Расчет теплопритоков

      4.   Заключение

  1. 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 

  1. 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 поверхностями  и воздухом в кабине значительно  уменьшаются вследствие загроможденности, поэтому величина αвн меньше величины αн , даже в стоящем транспорте.

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
  1. 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); 

    1. 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 * Q(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 электрооборудования

Теплопритоки  от освещения и электрооборудования необходимо учитывать для полного рассмотрения задачи. Примем их равными 47 Вт (Q4). 

2.5. Теплопритоки от солнечной радиации

Основные поступления  тепла в помещение летом происходит через окно. В помещение поступает  коротковолновое излучение, непосредственно проникающее через остекление, 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 :

Q5 = (Ak * Ir * Kk * Fkн)  + (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 кабины в целом для разных скоростей.

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 + Q+ Q5,

Разберем по отдельности каждую составляющую уравнения. 

Q1 – теплоприток через ограждения

Q1 = К * F * (tн – tв);

Tн = 25 С

Tв = 18 С

Параметры микроклимата транспортного средства