Анализ методов определения теплоотдачи оператором в кабине мобильной машины Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ТЕПЛОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА

УДК 697.11

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛООТДАЧИ ОПЕРАТОРОМ В КАБИНЕ МОБИЛЬНОЙ МАШИНЫ

© 2004 г. Р.А. Амерханов, А.Г. Ковалев

На тепловой режим в кабине оказывает влияние оператор. Стремление обеспечить необходимые параметры среды по температуре, влажности, подвижности, газовому составу, а также их градиентов без учета человеческого фактора не всегда удается. Человек обладает собственной системой терморегуляции. Он находится в постоянной массоэнергетической и информационной взаимосвязи с окружающей средой. На характер этой взаимосвязи существенно влияют многочисленные эргономические факторы. Поэтому оператор должен рассматриваться не только как источник теплоты, но также как объект обеспечения теплового режима в кабине для создания условий высокой работоспособности. Решение указанной задачи возможно при выполнении или наличии целенаправленных исследований по тепломассообмену человека с окружающей средой.

С технической точки зрения важны те факторы, на изменение которых можно повлиять. К ним относятся следующие:

- температура воздуха в кабине; ее распределение и изменение в пространстве и во времени;

- относительная влажность воздуха;

- скорость движения воздуха;

- тепловыделения и температура тела человека;

- изоляционные свойства одежды, как в отношении теплоты, так и паровоздухопроницаемости.

Два последних фактора оказывают заметное влияние на тепловой режим в кабине.

Тепловыделения телом человека зависят от рода его деятельности, параметров окружающей среды, от одежды, а также от возраста, веса и пола человека.

В таблице приведены данные по теплоотдаче человеком (без одежды и в состоянии покоя) путем конвективного и радиационного теплообмена с окружающей средой 6рад.кон., за счет испарения Qисп и дыхания бдых. Суммарные тепловыделения обозначаются в таблице через QE [1].

Из таблицы следует, что основная часть теплоты выделяется путем излучения и конвекции (примерно 90 % общей теплоотдачи). С понижением температуры среды значение брад.кон. заметно растет, что объясняется увеличением разности температур между поверхностью тела и окружающей средой. В то же время при этом уменьшается доля Qцыx, что является следствием терморегуляции тела.

Таблица

Тепловыделения телом человека, находящегося _без одежды и в состоянии покоя_

Температура воздуха, °С Тепловыделения, Вт Тепловыделения, %

0исп 0дых 0рад.кон. Ql QÄbIX Qрад.кон.

15 28,2 2,3 153 183,5 15,3 1,2 83,5

10 31,4 3,5 319 353,9 8,8 1,2 90,0

0 37,8 5,8 455 498,6 7,6 0,9 91,5

С повышением температуры количество влаги, выделяемое человеком, заметно растет. Так, с ростом температуры от 16 до 45 °С, т.е. на 29 °С, в состоянии покоя человеком выделяется влаги в 10 раз больше, а при выполнении тяжелой работы примерно в три раза (в последнем случае общее количество выделяемой влаги значительно больше). Влаговыделения, как и тепловыделения человеком, определяются видом работы. При выполнении тяжелой работы тепловыделения примерно в пять раз больше, чем в состоянии покоя. Выделение влаги при этом растет в 3...8 раз (в зависимости от температуры окружающей среды).

По данным, которые приводит Л. Банхиди [2], при тяжелом физическом труде, в котором принимает участие вся рука, расходуется 215 Вт. О. Фангер [3] указывает, что вождение грузового автомобиля требует энергии, эквивалентной метаболической теплоте, отнесенной к единице поверхности тела, равной 187 Вт/м2. Учитывая, что площадь поверхности тела человека при массе 70 кг и росте 170 см равняется 1,607 м2 [2, 3], следует, что тепловыделения равны 299 Вт.

Заслуживают внимания данные, полученные в ходе наземных испытаний макетов кабин [4]. Для работ, равноценных затрате энергии с вождением транспортных средств, энергозатраты оцениваются в 240...380 Вт. Данные о теплоотдаче человека в зависимости от рода работы и температуры окружающей среды приведены в [1, 2, 4 - 7].

Для решения задач об оптимальных условиях комфортности необходимо иметь математические модели для каждого составляющего тепловых и воздушных потоков. Кроме того, следует учитывать ограничения, накладываемые человеком на значения параметров вектора характеристик среды х.

Интенсивность внешнего излучения по некоторым данным не должна превышать 60 Вт/м2.

В допустимых пределах должна находиться величина лучистого потока от тела человека. По данным F. Bradtke и W. Liese (цит. по [8]), для хорошего самочувствия необходимо, чтобы поверхность головы выделяла количество теплоты в пределах 81-105 Вт/м2. Примерно такие же данные приводят Е.А. Насонов и Д.И. Исмаилов [9], а именно 70...93 Вт/м2. Необходимо учитывать, что наиболее чувствительной к охлаждению является верхняя часть спины человека, а не его голова при тех же количественных показателях теплоотдачи. Поэтому желательно, чтобы за спиной оператора находилось энергосберегающее ограждение.

Второе ограничение относится к подвижности воздуха. В месте нахождения оператора она не должна превышать определенных пределов.

Допустимая скорость воздуха зависит от назначения помещения, температуры воздуха 4 и упругости водяных паров в воздухе ев, вида работы. Так, в кабине космического корабля скорость воздуха не должна превышать 0,9 м/с [1].

В жилых зданиях и в наземных транспортных средствах допускаются более высокие значения скорости. Для работ средней тяжести (тепловыделения рабочим колеблется от 230 до 290 Вт) при температуре 18...20 °С оптимальные значения скорости не должны превышать 0,8 м/с; при температуре 20.23 °С Копт находятся в пределах от 0,6 до 1,4 м/с, при этом большие значения относятся к более трудоемким работам; при температурах 23.26 °С значения ¥опт колеблются от 1,4 до 2,4 м/с (большие значения относятся к более тяжелым видам работ).

Третье ограничение касается степени увлажнения поверхности кожи тела. За счет испарения происходит потеря массы тела человека. Эта величина может служить показателем степени тепловой дискомфортности, и она не должна превышать допустимые пределы. Потери массы, г/ч, соответствуют состоянию комфорта при физических нагрузках средней тяжести. Они равны 150-190, а при тяжелых нагрузках -210-240 г/ч. Величина степени увлажнения кожи, т.е. значение коэффициента Кувл, не должно превышать значения 0,2 [5]. У одетого человека часть пота переходит в одежду. На испарение этой части влаги расходуется не только теплота тела человека, но и тепло среды. Увеличение фактической потоотдачи определяется коэффициентом охлаждающей эффективности потоотделения 1/f, значение которого зависит от отношения Qисп/Qисп.макс, где Q^II^O соответствует полным затратам теплоты на испарение максимального количества влаги с поверхности кожи в окружающий воздух.

Энергопродукцию человека физиологи определяют расходом кислорода. Взрослый человек в состоянии покоя расходует при так называемых нормальных условиях обмена веществ кислород в количестве 0,42-10-5 м3/с. Высвобождающаяся теплота при сгорании кислорода равна 88 Вт.

При выполнении физической работы потребление кислорода возрастает во много раз. Эта величина может изменяться от 0,85-10-5 м3/с (легкий вид работы) до 1,7-3,4 -10-5 м3/с (тяжелая работа).

При определении теплоотдачи телом человека используют ряд понятий.

Метаболизм - это совокупность процессов, связанных с поглощением, превращением, хранением и выделением продуктов жизнедеятельности организма. Метаболическая тепловая энергия определяется по количеству потребляемого кислорода.

Поверхность Дюбуа - это поверхность тела, которая учитывается при определении тепловыделения и тепловосприятия человека и вычисляется по формуле

Adu = 0,203 G0'425 h0'725,

где G - масса человека, кг; h - рост человека, м.

Площадь поверхности тела распределяется следующим образом [2]: голова - 7; руки - 21; туловище -31; ноги - 41 %.

По данным Фубини и Рогги [8], для человека массой 70 кг и ростом 170 см площадь поверхности различных частей тела равна: лица - 0,0419 м2, головы -0,052 м2, рук - 0,197 м2, голени и ступени - 0,353 м2. Зависимость площади А поверхности тела от массы G человека линейна. Согласно данным работы [2] при массе G = 35 кг, поверхность тела человека равна А = 1,5 м2; при G = 65 кг - А = 2,01 м2; при G = 95 кг -А = 2,5 м2.

Энергия процесса окисления, происходящего в теле человека, согласно теории P.O. Фангера, расходуется на внешнюю механическую работу W и обеспечивает внутреннюю потребность в теплоте Н. Следует, что метаболическая теплота равна, Вт, M = W + H.

Коэффициент полезного действия механической работы может быть выражен формулой n = W/M. Отсюда следует, что Н, Вт, Н = М(1 - n).

Для единицы поверхности тела, Вт/ м

Н/Adu = M/Adu (1 - n) .

К основным способам тепловыделения человека относятся следующие: конвекция, излучение, испарение при дыхании.

Конвективное тепловыделение составляет 32-35 % общего тепловыделения. Теплота, выделяемая радиацией, равна 42-44 % общего количества теплоты. Количество теплоты, приходящееся на испарение, составляет 21-26 % всего тепловыделения. На нагрев выдыхаемого воздуха тратится 2-3 % общей теплоты.

P.O. Фангер для расчета теплоотдачи путем излучения использует известную формулу Стефана-Больцмана [3], Вт: L =Аэф ее (Тод4 - Т4), где е - степень черноты наружной поверхности тела; е - постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,7^10-8 Вт/(м2-К4); Аэф -эффективная излучающая поверхность тела в одежде, м2

Значение Аэф определяют по формуле

^эф = /эф fA АDU,

где /эф - коэффициент эффективно излучающей поверхности, т. е. соотношение между участвующей в

лучистом теплообмене и полной поверхностью тела; Adu - поверхность Дюбуа; f - отношение между площадями покрытых одеждой и обнаженных поверхностей тела. Для легкой рабочей одежды f = 1,1; для теплой традиционной рабочей одежды fc1 = 1,15-1,20; для зимней одежды в очень холодной местности fc1 = 1,3-1,5.

Для определения теплоотдачи конвекцией от покрытой части тела Р.О. Фангер предлагает формулу, Вт [3]

С = ADU.fci Ок(4д - 4).

Для условий естественной конвекции рекомендуется расчетная формула для коэффициента теплоотдачи ак, Вт/(м2 •К)

а 2,4 (4.од tb) .

Теплоотдачу телом оператора путем излучения и конвекции можно определить по формуле

Ол+к = (2,51 + 10,29 т/^в ) (35 - 4), (1)

где 4 - температура помещения, ¥в - скорость воздуха в помещении.

Чтобы учесть степень тяжести работы, в формулу (1) вводят коэффициент р1. Влияние одежды на интенсивность теплоотдачи учитывается коэффициентом р2. Отсюда следует:

Qл+к = Р1, в2 (2,51 + 10,29 у/Гв ) (35 -

Коэффициент Р1 для работы средней тяжести равен 1,07, а для тяжелой - 1,15. Для легкой одежды р2 = 0,15, для обычной р2 = 0,33, для утепленной - р2 = 0,5.

Заслуживает внимания вопрос о теплозащитных свойствах одежды для работающего. Под теплозащитными свойствами понимают способность одежды достаточно продолжительное время сохранять теплоту, выделяемую человеком. Эти свойства связаны с термическим сопротивлением материала одежды, из которой она изготовлена.

Материалы одежды пористые и представляют собой гетерогенные системы с различной структурой. Посредством таких материалов, как правило, теплота передается теплопроводностью через твердый скелет одежды, а через воздушные поры - всеми видами передачи теплоты, т.е. теплопроводностью, конвекцией, излучением.

В процессе терморегуляции происходит испарение пота. Это приводит к увлажнению как одежды, так и внутреннего воздуха. При этом теплозащитные свойства материала одежды значительно снижаются. Кроме того, усложняется теоретическое решение задачи, так как происходит не только теплообмен, но и массообмен через слой одежды. Решение вопросов выходит за пределы задач данного отчета.

Некоторые авторы для оценки теплозащитных свойств одежды пользуются КЛО (от английского слова «с1о1Ып^> - одежда). 1 КЛО = 0,21 м2К/Вт.

В литературе применяются графические зависимости теплоизоляции одежды от окружающей среды, соответствующие состоянию организма (степени его

загрузки). Так, при наружной температуре 4 = -20 °С в состоянии покоя теплоизоляция, создаваемая одеждой, должна быть не менее 8 КЛО. При тех же условиях наружного воздуха, если человек производит работу средней тяжести (его теплопродукция равна 230...240 Вт), комфортное состояние будет в одежде с теплоизоляцией 2,9 КЛО.

Наиболее сложную задачу в расчете теплообмена человека со средой обитания представляет определение скрытого теплообмена. Скрытый теплообмен включает: тепловой поток, испарением влаги с поверхности кожи и последующей диффузией через кожу бДисп; тепловой поток, определяемый испарени-

0и

исп;

тепловой поток, связанный с нагревом выдыхаемого воздуха, 0нресп; тепловой поток, связанный с увлажнением выдыхаемого воздуха, бУресп.

Указанные потоки теплоты подразделяют на две группы: сенсибильную перспирацию, относящуюся к потовыделению, и несенсибильную перспирацию, включающую невидимое испарение.

Организм человека испаряет примерно (8...10)-10-4 м3 влаги в сутки. Потоотделение, как правило, начинается при температуре 28...29 °С, и при температуре выше 34 °С теплоотдача вследствие испарения и потоотделения становится, по сути, единственным способом теплоотдачи организма. По данным Уинслоу, Харрингтона и Гейджа [10], в зависимости от температуры окружающего воздуха скрытая теплота может колебаться в пределах от 20 до 170 Вт.

Теплоту, отдаваемую путем потения, можно определить с помощью соотношения Оисп = /с Отп, где / - отношение площади влажной поверхности кожи к общей поверхности тела / = Ас/Апи, Ас - площадь поверхности кожи, покрытая потом.

Аналогично предыдущему, теплота, Вт/м2, расходуемая на диффузию через кожу, равна [2] СДисп =

= 0,06 Оп (1 - /с).

Скрытую теплоту, Оресп, Вт, отдаваемую при дыхании, можно определить по формуле

Оресп = 1,163 V (й?вв - Г,

где V - количество выдыхаемого воздуха, кг/ч; й?вв - влагосодержание выдыхаемого воздуха, кг/кг с.в.; йъ - влагосодержание вдыхаемого воздуха, кг/кг с.в.; г - теплота парообразования воды при температуре 35 °С, Дж/кг.

В таком случае скрытый теплообмен Ос равен О = О + од + оп

с респ исп

Так как оператор всегда в одежде, для более точного определения коэффициента теплоотдачи ак необходимо знать температуру поверхности одежды, которая может быть рассчитана по формуле [1]

t.

од

= t — Rт

'к лод

М - А- (

Aj Aj

Н

респ

бресп + Q

n

исп /

где Дод - термическое сопротивление одежды; М -

теплопродукция оператора, зависящая от интенсивности выполняемой работы; Ат - площадь поверхности тела.

Указанные выше расчетные отношения по продукции тепла человеком основывались на калориметрических методах исследований. Нам представляется, что более эффективным является метод, который применяется в термобарокамере с непосредственным измерением тепловых потоков при помощи контактной или бесконтактной теплометрической аппаратурой [11].

Литература

1. Малоземов В.В. и др. Системы жизнеобеспечения экипажей

летательных аппаратов: Учебник для вузов. М., 1986.

2. Банхиди Л. Тепловой микроклимат помещений: Расчет комфортных параметров по ощущениям человека / Пер. с венгер. В.М. Беляева; Под ред. В.П. Прохорова и А.Л. Наумова. М.,1981.

3. Fanger P.O., Banhidi L., Olesen В., Langkilde G. Comfort

limits for heated ceiling // ASHRAE Transaction. 1980. Vol. 80. Pt. 2.

Отвод тепла в окружающую природную среду от паротурбинных установок с поверхностными конденсаторами осуществляется, как правило, циркуляционной водой системы технического водоснабжения ТЭС. На отечественных энергоблоках используются циркуляционные насосы с механизмом регулирования производительности путем изменения угла поворота лопастей рабочего колеса, которые, зачастую, работают в неоптимальных режимах вследствие неисправности самого механизма поворота лопастей рабочего колеса или/и его привода. Кроме того, могут отсутствовать данные расчетов требуемых углов установки лопастей для различных условий работы блоков (режимных карт, алгоритмов и т.д.) [1].

Федеральным законом «О плате за пользование водными объектами» устанавливается плата за водопользование, в размер которой включены затраты на забор и сброс воды, зависящие от типа схемы водоснабжения: прямоточной, оборотной, от источников водоснабжения и т. д. Так, в случае прямоточной схемы при охлаждении конденсатора эта величина складывается как сумма платы за забор воды на охлаждение и за сброс нагретой в конденсаторе воды, следовательно, при изменении расхода охлаждающей воды будут меняться затраты не только на привод насосов, но и на водопользование.

4. Mecheels J. Korpek-klima-kleiding // Melliang Textilberiche.

1977. Vol. 58. P. 857-860.

5. Богословский В.Н. Строительная теплофизика: Учебник

для вузов: 2-е изд., перераб. и доп. М., 1982.

6. ASHRAE Standard 55-74: Thermal environmental conditions for human occupancy. New York, 1974.

7. Ponge A. Zur Frage der Bewahrung von Schuhleibanten //

Gesundh. Zng. 1957. H. 78. S. 103-108.

8. Мачкашин А., Банхиди Л. Лучистое отопление / Пер. с

венг. В.М. Беляева; Под. ред. В.Н. Богословского и Л.М. Махова. М., 1985.

9. Насонов Е.А., Исмаилова Д.И. Расчет панельно-лучистого отопления и охлаждения с использованием гигиенических нормативов облученности // Гигиена и санитария. 1957. № 8.

10. Winslow C.E., Harrington L.P., Gagge A.P. Heat excgange and regulation in radiant environments above and below air temperature // Amer. J. of Psysiology. 1940. Vol. 131. P. 79.

11. Драганов Б.Х. и др. Теплометрия в сельском хозяйстве. Киев, 1993.

2003 г.

Эффективность работы системы технического водоснабжения оказывает существенное влияние на величину экономически оправданного вакуума (давления) в конденсаторах и технико-экономические показатели ТЭС в целом.

Основными факторами, влияющими на величину вакуума, являются температура и расход охлаждающей воды, а также паровая нагрузка конденсатора. Уровень достигаемого вакуума зависит от эксплуатационного состояния конденсатора (отложения, присо-сы воздуха). Отложения (загрязнения) на внутренних поверхностях трубной системы конденсаторов, повышенные присосы воздуха в межтрубное пространство и часть системы регенерации, работающей при давлении ниже атмосферного, приводят к ухудшению коэффициентов теплопередачи и повышению недогре-вов конденсаторов.

Кроме того, ухудшение вакуума может быть вызвано также нарушениями нормальной работы отдельных узлов циркуляционной системы. Наиболее характерными и типичными из них являются: загрязнение всасывающей линии насоса, засорение трубной доски, заглушение трубок конденсатора, подсос воздуха на всасывающей линии насоса и через его сальники, срыв или ухудшение сифона на сливной линии.

Кубанский государственный аграрный университет, г. Краснодар 11 декабря

УДК 621.311.22:621.183.371

ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМ ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ТЭС

© 2004 г. Г.М. Борисов, С.В. Скубиенко