Микроклимат кабины лесозаготовительной машины Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Микроклимат кабины лесозаготовительной машины

/1 microclimate in the cabin of a harvesting machine

Ю. К. Кукелев (U. Kukelev)1 А. С. Устинов (A. Ustinov) e-mail: anton-ustinov@psu.karelia.ru Петрозаводский государственный университет

dE_ dr

= YGhi + Ya,

k

где т - время; т - масса воздуха; С>к - источник энергии; I - температура; И = I + с1(2500+1,97г) -удельная энтальпия влажного воздуха; с1 - влагосо-держание; ёЕ = <1(ш-су1)+ рёУ - изменение полной энергии воздуха; произведение Су на I - внутренняя энергии; ср и су - удельные теплоемкости воздуха

при постоянном давлении и объеме; О; = ^ р-М с®-

АННОТАЦИЯ

Приводится описание термодинамических параметров и параметров микроклимата кабины лесозаготовительной машины.

Ключевые слова: расход теплоты, удельная теплоемкость воздуха, массовый расход воздуха, расчетная температура.

SUMMARY

Thermodynamic and microclimate parameters of the harvesting machine cabin are described in the article.

Keywords: heat consumption, specific heat capacity, air mass consumption, design temperature.

ВОЗДУШНЫЕ И ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ КАБИНЫ

Кабину машины рассматриваем как открытую термодинамическую систему со своими параметрами воздушной среды. Для комфорта человека должен обеспечиваться обмен воздуха. В х'олодный период года его необходимо нагревать и увлажнять, а в теплый - охлаждать и подсушивать. Процессы, происходящие в ограниченном пространстве, как тепловые, так и подвижности воздуха, описываются законами сохранения массы и энергии [2-4]. Использование математического подхода и системного анализа теплового режима кабин транспортных средств позволяет рассматривать всю совокупность расчетов относительно воздушной среды кабины (рис. 1).

Микроклимат в кабине формируется сочетанием входных и выходных параметров. Изменение параметров описывается системой уравнений [1]:

dm dr

Авторы - соответственно доцент и аспирант кафедры промышленной теплотехники и энергосбережения

© Кукелев Ю. К., Устинов А. С., 2005 30

расход воздуха через отводящий канал; йк =

р^к^Бк - источник массы; р - плотность воздуха; \¥1, \Ук, - векторы скорости через отводящий канал и от источника соответственно.

В качестве критерия, характеризующую целевую функцию, могут быть приняты различные величины. Они могут иметь: термодинамический оптимум -суммарный тепловой поток в кабину, тепловые потоки через прозрачные и непрозрачные ограждения, от двигателя и трансмиссии, от воздухообмена; энергетический оптимум - потребляемая мощность на кондиционирование воздуха; технологический оптимум; конструкторский оптимум; эксплуатационный оптимум, в качестве которого может быть принят критерий комфортности микроклиматических условий; частный и полный технико-экономический оптимум, определяемый годовыми приведенными затратами на нормализацию микроклимата.

Определение составляющих для уравнений, в предположении при преобладании конвективного теплообмена как внутри кабины, так и снаружи, и составляет основную задачу далее. Мы часто сталкиваемся с процессами (в нашем случае - кабина лесозаготовительной техники), находящимися вне состояния термодинамического равновесия. Равновесные термодинамические соотношения справедливы для переменных, определенных в элементарном объеме [5].

Балансовые уравнения микроклимата решаются для стационарного (квазистационарного) состояния. Поскольку кабина, как открытая термодинамическая система, обменивается с окружающей средой как энергией в виде теплоты, так и веществом, то для поддержания системы в стационарном неравновесном состоянии вследствие необратимости протекающих процессов система обменивается энтропией с окружающей средой [5]. dQ - количество теплоты, которым обмениваются воздух в кабине и границы системы. Примем Т >Т", тогда изменение плотности энтропии системы: ^ = (1/Т- 1/Т"). Производство энтропии: о = сЗ^/с1т > 0.

Производство энтропии на единицу объема может быть задано в виде

а= Е*Гк ■

где Рк - силы, например, градиент (1/Т); 4 - потоки, например, поток теплоты, конвективный теплообмен, диффузия. В равновесии все силы обращаются в нуль. В линейном режиме производство энтропии в системе, подверженной потоку энергии и вещества,

<1£/с1т= | слЗУ.

В неравновесном стационарном состоянии оно достигает минимального значения. Стационарность состояния состоит в том, что возникшая энтропия не может оставаться в системе и "вытекает" в окружающую среду.

Рис. 1. Структурная схема системы «окружающая

ТЕПЛООБМЕН И МАССОБМЕН ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ В КАБИНЕ

При рассмотрении процессов кондиционирования воздуха в кабине транспортного средства приходится учитывать все виды теплообмена (рис. 1).

Параметры микроклимата: температура I, влажность Ф с учетом температур и влажности приточного воздуха Ш.срп, температур внутренних поверхностей ограждений 1г, окон I', стенок I", охлаждения двигателя Ы, оборудования к>б, земли Ь, наружной Ы.фн и атмосферы 1а являются комфортными параметрами воздуха. Энергетически целесообразно нагревать приточный наружный воздух при постоянном влаго-содержании. Вторым значительным источником поступления явного тепла в кабину является солнечная радиация на наружную поверхность Ен, проникающая через окна Ее, падающая на внутреннюю поверхность ограждений Е. По условиям теплового комфорта для человека температура на окружающих поверхностях должна поддерживаться не выше 2б°С. Производительность системы кондиционирования

; -- кабина - человек - кондиционер воздуха»

воздуха равна расходу приточного воздуха в = во. В холодный период года необходимо применять рециркуляцию теплоты отводящего воздуха для нагрева приточного наружного воздуха в = С + во.

Рассмотрим тепловой баланс, энергозатраты человека в кабине лесозаготовительной машины. Различными исследованиями установлено, что теплообмен за счет конвекции <3к при комфортных условиях составляет 33.. .35% всего теплообмена человека.

<3к = Л)д-а(Тод- Т),

где й)д - коэффициент, учитывающий увеличение поверхности тела человека за счет одежды, например, для легкой спецодежды (од = 1,1; а = 2,4'(Тод - Т)0'25 - коэффициент теплоперехода с поверхности одежды к воздуху при свободной конвекции; Тод - температура одежды, К. Количество теплоты, отдаваемое человеком излучением ре, находится в пределах 42.. .44%.

<3е = е-ст[(Тод/100)4-(Т/100)4],

здесь а = 5,67 Вт/м2К4 - постоянная Стефана-Больцмана; £ = 0,7 - степень черноты одетого человека. Теплообмен испарением <3и составляет 20.. .25 % отдаваемой теплоты.

ди = 0,49[М/Рт(1- л)-50],

где М - метаболическая теплота человека, Вт; Рт = 1,75 м2 - расчетная площадь поверхности взрослого человека; при работах средней тяжести -М/Бт = 130,Вт/м2. При температуре воздуха ниже температуры кожи человека количество испаряемой влаги остается практически постоянным. При более высоких температурах влагоотдача возрастает . При температуре выше 34 °С теплоотдача испарением является практически единственным способом теплоотдачи организма. Кислород из выделяемого воздуха в организме преобразуется в углекислый газ с выделением теплоты от 19,7 до 21,2 кДж. Как показывают расчеты, для человека более опасным является не снижение содержание кислорода в воздухе, а накопление теплоты и повышение содержания углекислого газа. Очевидно, что этот процесс интенсифицируется при повышении тяжести выполняемых работ.

Многочисленные работы как теоретического, так и экспериментального плана обращены к задаче поддержания микроклимата в кабинах мобильных машин. В зависимости от условий эксплуатации техники определяется необходимая мощность кондиционирования воздуха с приоритетным учетом всех мероприятий, направленных на минимизацию мощности систем кондиционирования воздуха. Во многих публикациях по данному вопросу, как правило, составляется уравнение теплового баланса в стационарном состоянии. Тепловой баланс в любой ьй точке внутренней поверхности кабины описывается уравнением

Л; + К; + Т,- = 0,

где Л|, К,, Т; - лучистая, конвективная и кондуктив-ная составляющие соответственно, которые изменяются по времени, величине и знаку.

ВЫВОДЫ

1. Минимизация мощности систем кондиционирования воздуха возможна с привлечением методов необратимой термодинамики.

2. Использование моделирования теплового режима кабин транспортных средств и системного анализа позволяет рассмотреть всю совокупность расчетов системы.

3. Комфортные микроклиматические условия для

работы водителя в кабине обеспечиваются рациональным выбором значений параметров воздушной среды. Рассмотрев варианты этой термодинамической системы, конструктор получает возможность

выбрать технически наименее сложный и экономически выгодный вариант.

4. При исследовании условий тепловой обстановки внутри кабины можно получить область характеристик параметров микроклимата в рабочей зоне оператора лесной машины.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Волов Д. Б. Математическое моделирование в термодинамических системах с разделенными секциями / Д. Б. Волов // Математическое моделирование. 2004. Т. 16. №1. 2004. С. 23-27.

2. Маляренко Л. Г. Исследование системы кондиционирования воздуха в помещении малого объема на примере кабин сельскохозяйственного транспорта: Автореф. дис. на соиск. учен. ст. канд. техн. наук / Л. Г. Маляренко. М., 1976. 17 с.

3. Мануковский А. Ю. Обоснование системы кондиционирования воздуха на базе термоэлектрического воздухоохладителя в кабинах ленных машин: Автореф. дис. на соиск. учен. ст. канд. техн. наук/ А. Ю. Мануковский. Воронеж, 1995. 15 с.

4. Михайлов М. В. Микроклимат в кабинах мобильных машин / М. В. Михайлов, С. В. Гусева. М.: Машиностроение, 1977. 32 с.

5. Пригожин И. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур / И. Пригожин, Д. Кондепуди. М.: Мир, 2002.461 с.