CC BY
22
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
РАСЧЕТ ТЕПЛОПОСТУПЛЕНИЙ В КАБИНЫ МОБИЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ Савельев А.П.1, Глотов С.В.2, Еналеева С.А.3, Васькянин В.А.4 Email: Savelyev1147@scientifictext.ru
'Савельев Анатолий Петрович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой;
2Глотов Сергей Викторович — доктор технических наук, профессор;
3Еналеева Светлана Анатольевна — кандидат технических наук;
4Васькянин Владислав Александрович — аспирант, кафедра безопасности жизнедеятельности, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва,
г. Саранск
Аннотация: в статье приведен расчет теплопоступлений в кабины мобильных энергетических средств в условиях окружающей среды на географической широте г. Саранска, в том числе расчеты теплопоступления для окон кабины МЭС, ориентированных по разным сторонам света. Дан анализ теплопотерь в кабине, с использованием эквивалентного коэффициента теплопередачи. Определены параметры для расчета теплопритоков в кабину МЭС через оконные проемы, значения коэффициента теплопередачи при различных значениях мощности источника тепла или тепловой нагрузки и площади ограждающих конструкций.
Ключевые слова: мобильные энергетические средства, теплопоступления, теплопотери, звукопоглощение, обзорность, ограждающие конструкции, коэффициент теплопередачи, коэффициент звукопоглощения.
THE CALCULATION OF HEAT SUPPLY INTO MOBILE ENERGY CABINS Savelyev A.P.1, Glotov S.V.2, Eneleyeva S.A.3, Vaskyanin V.A.4
'Savelyev Anatolij Petrovich — DSc in Engineering, Full Professor; 2Glotov Sergej Viktorovich — DSc in Engineering;
3Eneleyeva Svetlana Anatolievna - PhD in Technical Sciences;
4Vaskyanin Vladislav Aleksandrovich — Postgraduate Student, NACIONAL RESEARCH MORDOVIA STATE UNIVERSITY N.P. OGARYOV,
SARANSK
Abstract: the article gives the calculation of heat supply into the cabins of mobile energy means in the environment at the geographical latitude of Saransk, and also calculations of heat transmission for the windows of the MES cabin, oriented to different parts of the world. The analysis of heat loss in the cabin with the use of an equivalent heat transmission coefficient is given. Parameters for calculation of heat inleakage into the MES cabin through window openings are defined, transmission coefficient for different capacity values of the heat source or heat load and the area of the enclosing constructions are determined. Keywords: mobile energy means, heat supply, heat loss, sound absorption, visibility, enclosing constructions, heat transmission coefficient, sound absorption coefficient.
УДК 331.45
DOI: '0.2086'/23'2-8267-20'8-47-004
Определим поступление теплоты через остекленные поверхности кабины мобильных энергетических средств (МЭС). Тепловая нагрузка, Вт, поступающая в кабину в час в течение расчетных суток через заполнение световых проемов площадью Fп определится выражением [1]
<2п = ( <7пР + <7пт) (1)
где qnp - поступление тепловой энергии за сет солнечной радиации, для вертикального заполнения световых проемов, Вт/м2
(?пт - поступление тепловой энергии за счет теплопередачи, Вт/м2.
Теплопоступления от солнечной радиации, Вт/м2, для вертикального заполнения световых проемов
<?Пр = ( <7п К и не в + <7р К0 бл) т2 Кот н. (2)
где qr в - количество теплоты прямой солнечной радиации, поступающей в каждый час расчетных суток через одинарное остекление световых проемов;
Кинс в - коэффициент инсоляции, зависящий от геометрических размеров элементов затенения;
- количество теплоты прямой солнечной радиации, поступающей в помещение в каждый час расчетных суток через одинарное остекление световых проемов;
Кобл - коэффициент облучения;
т2 - коэффициент, учитывающий влияние конструкции уплотнителей стекол (справочная величина);
Котн - коэффициент относительного проникания солнечной радиации через заполнение светового проема, отличающееся от обычного одинарного остекления.
Тепловой поток обусловленный теплопередачей через окно, Вт/м2
<?ПТ = (Ьн .уел . _ Ьв ) /Дд • (3)
где ДП - сопротивление теплопередаче материала светового проема, м2 °С/Вт;
Ь н .уел . - условная температура наружной поверхности кабины, 0С.
Коэффициент инсоляции для вертикального заполнения световых проемов
КИне в^Ь^^^Ар!!). (4)
где - размер горизонтальных выступающих элементов затенения (откосы, козырьки и т.п.), м;
- размер вертикальных выступающих элементов затенения, м;
а - расстояние от горизонтальных элементов затенения до светового проема, м;
. - расстояние вертикальных элементов затенения до откоса светопроема, м;
Н, В - высота и ширина светопроема, м;
- солнечный азимут остекления (для вертикальных затеняющих устройств), т.е. угол, град, между горизонтальной проекцией солнечного луча и горизонтальной проекцией нормали к рассматриваемой плоскости остекления;
- угол (для горизонтальных затеняющих устройств), град, между вертикальной плоскостью остекления и проекцией солнечного луча на вертикальную плоскость, перпендикулярную рассматриваемой плоскости остекления;
Р = а гс^ ( с^/г ■ со зАс.о) . (5)
где ¡1 - высота стояния солнца, град.
Коэффициент облучения при расчетах зависит от следующих углов
П =а ' (6)
^=а ^ . (7)
Коэффициент облучения равен произведению коэффициентов облучения для горизонтальной и вертикальной солнцезащитной конструкции.
Далее вычисляется условная температура наружного воздуха при вертикальном заполнении световых проемов
■В Кинсв + Ое Кобл
Ьн .усл Ьн .ср +О, 5Л £н Р2 +-—-т2 Рд. (8)
где - средняя температура наружного воздуха наиболее жаркого месяца для
кондиционирования воздуха (обеспеченностью 0,9-0,95), 0 С.
- суточная амплитуда температуры наружного воздуха, принимаемая максимальной для кондиционирования воздуха;
- коэффициент, учитывающий гармоническое изменение температуры наружного воздуха;
, - количество теплоты соответственно прямой и рассеянной радиации, поступающей в каждый 1 ч расчетных суток на вертикальную поверхность;
- приведенный коэффициент поглощения солнечной радиации заполнением световых проемов;
- коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения, , (величина, зависящая от скорости ветра).
Для вертикальных поверхностей коэффициент теплоотдачи вычисляется по следующему выражению
о^ = 5,8 + 1 1,6л/и (9)
где V - скорость ветра, м/с.
Таблица 1. Параметры для расчета теплопритоков в кабину МЭС через оконные проемы
Населенный пункт Саранск
Географическая широта, град. 56
Температура °С 24.9
Температура нар.воздуха обесп.0,95 °С 22.5
Температура внутреннего воздуха °С 20.0
Среднесут. амплитуда темп. нар. в.А^, оС 11.5
Скорость ветра v, м/с 1
Остекление Одинарное
Солнцезащитное устройство Без солнцезащитных уст. при толщине стекла 2,5-3,5 мм
Заполнение светового проёма Одинарное остекление в металлических реплётах
Размер откосов, Lв = Lг, м 0.015
Высота окна Н, м 1
Ширина окна В, м 1
Расстояние а, м 0
Расстояние с, м 0
Угол наклона окна Ь', град. 0
Коэффициент t2 0.9
Rп, м2.°С/Вт 0.5
Приведенный коэфф.погл гп 0.07
Коэффициент Kотн 1
Коэффициент теплоотдачи aн 17.2
Угол g1, град. 0.9
Угол Ь1, град. 0.9
Коэффициент облучения Кобл.г 1.00
Коэффициент облучения Кобл.в 1.00
Коэффициент облучения Кобл 1.00
Оконные проемы кабины МЭС располагаются по сторонам прямоугольника. Условно ориентируем кабину МЭС по сторонам света, так чтобы одна сторона трактора была направлена на север, тогда остальные стороны МЭС будут располагаться соответственно на восток, юг и запад. Произведем расчет теплопоступлений за счет солнечной радиации для оконных проемов МЭС отдельно для каждой стороны света. Произведем расчет на 1 один квадратный метр оконного проема МЭС. Результаты расчетов для окон ориентированных по разным сторонам света представлены в таблицах 2, 3, 4, 5.
Таблица 2. Результаты расчетов теплопоступления для окон кабины. МЭС, направленных на восток
Параметр Численные значения параметров в часы расчётных суток
6-7 7-8 8-9 9-10 1011 1112 1213 1314 1415 1516 1617 1718
qпE'г, Вт/м2 523 547 504 378 193 37 0 0 0 0 0 0
qpE'г, Вт/м2 115 122 114 91 76 67 63 58 56 55 48 43
Высота Солнца, ^ град. 21 29 37 45 51 54 54 51 45 37 29 21
Азимут Солнца, Ас, град. 95 82 69 53 33 12 12 33 53 69 82 95
Ас.„, град. 5 8 21 37 57 78 78 57 37 21 8 5
Угол □, град. 68.9 60.8 51.1 38.6 23.8 8.6 8.6 23.8 38.6 51.1 60.8 68.9
SE,г, Вт/м2 594 621 479 461 283 105 0 0 0 0 0 0
DE,г, Вт/м2 156 165 155 121 102 91 85 79 76 74 65 58
Коэффициент П2 0.605 0.38 0.13 0.13 0.38 0.60 5 0.79 0.92 0.98 5 0.98 5 0.92 0.79
Параметр Численные значения параметров в часы расчётных суток
6-7 7-8 8-9 9-10 1011 1112 1213 1314 1415 1516 1617 1718
Коэффициент инсоляции Киго^д,!- 0.99 0.99 0.98 0.97 0.94 0.84 0.84 0.94 0.97 0.98 0.99 0.99
Условная температура нар.среды ^.„л, °С 24.2 25.6 26.4 27.7 28.4 29.0 29.8 30.5 30.8 30.8 30.4 29.7
Т/поступления от солн.радиации цр, Вт/м2 570.9 596. 9 548. 1 411. 9 232. 3 88.2 56.7 52.2 50.4 49.5 43.2 38.7
Т/поступления теплопередачей цт, Вт/м2 8.4 11.2 12.8 15.4 16.8 18.0 19.6 21.0 21.6 21.6 20.8 19.4
Сумма цт + цр, Вт/м2 579.3 608. 1 560. 9 427. 3 249. 1 106. 2 76.3 73.2 72.0 71.1 64.0 58.1
Количество теплоты Вт 579 608 561 427 249 106 76 73 72 71 64 58
Таблица 3. Результаты расчетов теплопоступления для окон кабины МЭС, направленных на север
Параметр Численные значения параметров в часы расчётных суток
6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18
Я„в,г, Вт/м2 17 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 17
Я„в,г, Вт/м2 66 65 62 58 57 55 55 57 58 62 65 66
Высота Солнца, И, град. 21 29 37 45 51 54 54 51 45 37 29 21
Азимут Солнца, Ас, град. 95 82 69 53 33 12 12 33 53 69 82 95
Ас.о, град. 85 98 111 127 147 168 168 147 127 111 98 85
Угол □, град. 12.8 -14.1 -25.4 -31.0 -34.2 -35.4 -35.4 -34.2 -31.0 -25.4 -14.1 12.8
8„,г, Вт/м2 64 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 64
Бв,г, Вт/м2 90 87 83 78 77 74 74 77 78 83 87 90
Коэффициент П2 -0.605 -0.38 -0.13 0.13 0.38 0.605 0.79 0.92 0.985 0.985 0.92 0.79
Коэффициент инсоляции 0.77 1.17 1.07 1.05 1.03 1.02 1.02 1.03 1.05 1.07 1.17 0.77
Условная температура нар.среды 1н.усл, оС 21.9 23.0 24.5 25.9 27.4 28.6 29.7 30.5 30.8 30.9 30.5 30.0
Т/поступления от солн.радиации цр, Вт/м2 71.2 58.5 55.8 52.2 51.3 49.5 49.5 51.3 52.2 55.8 58.5 71.2
Т/поступления теплопередачей дт, Вт/м2 3.8 6.0 9.0 11.8 14.8 17.2 19.4 21.0 21.6 21.8 21.0 20.0
Сумма цт + цр, Вт/м2 75.0 64.5 64.8 64.0 66.1 66.7 68.9 72.3 73.8 77.6 79.5 91.2
Количество теплоты Вт 75 65 65 64 66 67 69 72 74 78 80 91
Таблица 4. Результаты расчетов теплопоступления для окон кабины МЭС, направленных на юг
Параметр Численные значения параметров в часы расчётных суток
6-7 7-8 8-9 9-10 1011 1112 1213 1314 1415 1516 1617 1718
Я„в,г, Вт/м2 0 22 128 245 347 398 398 245 245 128 22 0
Я„в,г, Вт/м2 58 74 85 88 91 92 92 88 88 85 74 58
Высота Солнца, И, град. 21 29 37 45 51 54 54 51 45 37 29 21
Азимут Солнца, Ас, град. 95 82 69 53 33 12 12 33 53 69 82 95
Ас.о, град. 95 82 69 53 33 12 12 33 53 69 82 95
Угол □,град. -12.8 14.1 25.4 31.0 34.2 35.4 35.4 34.2 31.0 25.4 14.1 -12.8
Параметр Численные значения параметров в часы расчётных суток
6-7 7-8 8-9 9-10 1011 1112 1213 1314 1415 1516 1617 1718
йв,г, Вт/м2 0 83 207 327 428 479 479 327 327 207 83 0
Dв,г, Вт/м2 78 101 114 120 122 124 124 120 120 114 101 78
Коэффициент П2 0.60 5 -0.38 -0.13 0.13 0.38 0.60 5 0.79 0.92 0.98 5 0.98 5 0.92 0.79
Коэффициент инсоляции 1.25 0.84 0.93 0.96 0.97 0.98 0.98 0.97 0.96 0.93 0.84 1.25
Условная температура нар.среды ^.усл, оС 21.7 23.3 25.3 27.2 29.0 30.5 31.6 31.8 32.1 31.7 30.8 29.7
Т/поступления от солн.радиации цр, Вт/м2 52.2 83.2 3. со ^ 289. 9 384. 3 432. 3 432. 3 292. 7 289. 9 3. со ^ 83.2 52.2
Т/поступления теплопередачей цт, Вт/м2 3.4 6.6 10.6 14.4 18.0 21.0 23.2 23.6 24.2 23.4 21.6 19.4
Сумма цт + цр, Вт/м2 55.6 89.8 194. 3 304. 3 402. 3 453. 3 455. 5 316. 3 314. 1 207. 1 104. 8 71.6
Количество теплоты Вт 56 90 194 304 402 453 456 316 314 207 105 72
Таблица 5. Результаты расчетов теплопоступления для окон кабины МЭС, направленных на запад
Параметр Численные значения параметров в часы расчётных суток
6-7 7-8 8-9 9-10 1011 1112 1213 1314 1415 1516 1617 1718
цпв'г, Вт/м2 0 0 0 0 0 0 37 193 378 504 547 523
Я„в,г, Вт/м2 43 48 55 56 58 63 67 76 91 114 122 115
Высота Солнца, И, град. 21 29 37 45 51 54 54 51 45 37 29 21
Азимут Солнца, Ас, град. 95 82 69 53 33 12 12 33 53 69 82 95
Ас.о, град. 5 8 21 37 57 78 78 57 37 21 8 5
Угол □,град. 68.9 60.8 51.1 38.6 23.8 8.6 8.6 23.8 38.6 51.1 60.8 68.9
йв,г, Вт/м2 0 0 0 0 0 0 105 283 461 479 621 594
Dв,г, Вт/м2 58 65 74 76 79 85 91 102 121 155 165 156
Коэффициент □2 0.60 5 -0.38 -0.13 0.13 0.38 0.60 5 0.79 0.92 0.98 5 0.98 5 0.92 0.79
Коэффициент инсоляции Кинс.в.н.г 0.99 0.99 0.98 0.97 0.94 0.84 0.84 0.94 0.97 0.98 0.99 0.99
Условная температура нар.среды ^.усл, оС 21.6 23.0 24.4 25.9 27.4 28.7 30.1 31.5 32.6 32.9 33.0 32.2
Т/поступления от солн.радиации др, Вт/м2 38.7 43.2 49.5 50.4 52.2 56.7 88.2 232. 3 411. 9 548. 1 596. 9 570. 9
Т/поступления теплопередачей цт, Вт/м2 3.2 6.0 8.8 11.8 14.8 17.4 20.2 23.0 25.2 25.8 26.0 24.4
Сумма цт + цр, Вт/м2 41.9 49.2 58.3 62.2 67.0 74.1 108. 4 255. 3 437. 1 573. 9 622. 9 595. 3
Количество теплоты Вт 42 49 58 62 67 74 108 255 437 574 623 595
Влажность воздуха оказывает существенное влияние на теплоощущения в кабинах МЭС. Оптимальной считается относительная влажность воздуха, равная 40 - 60%. При пониженной температуре допускается повышение относительной влажности до 75 %.
Величина теплового потока от человека приобретает значение некоторого обобщающего показателя, связывающего температуру воздуха а Г„', его скорость (через коэффициент К), терморадиационную обстановку (через Щ, вид одежды человека (через коэффициент к), физическую нагрузку (категорию тяжести через коэффициент А) при относительной влажности воздуха в пределах 40 ... 60% без учета продолжительности воздействия сочетаний тепловой и физической нагрузок.
Естественно, что обобщающим характер расчетной величины дт может стать лишь после тщательного анализа его взаимосвязи с ответными реакциями организма и общим тепловым состоянием человека. Исследование влияния относительной влажности воздуха на величину теплового потока qт позволило получить обобщенную зависимость
тепловой поток от человека
(11)
(11)
Значение коэффициента В = 1,25 для скорости воздуха в кабине 0,2 м/с.
При непрерывной и перемежающейся нагрузке при т> 0,7 величина теплового потока от тела человека с учетом упрощений формул 10, 11,12 будет определятся по выражению (Г„ = Г„' = г > 0,7)
(13)
Для выбранного значения скорости воздуха в кабине при легкой работе А=36,3 °С, к = 0,345 Вт /( м2 оС).
36,3 - 20
<77- = [1 + 0,005(60 - 50) ] - 0,5 1(60 - 50) = 44,5 Вт
0,345
Для анализа теплопотерь в кабине будем использовать понятие эквивалентного коэффициента теплопередачи Кэ, под которым следует понимать коэффициент теплопередачи условной кабины выполненной из однородного по термическому сопротивлению материала и аналогичной по размерам с реальной, которая в однотипных условиях имеет равные с реальной кабиной теплопотери. С учетом этого коэффициента уравнение, характеризующее суммарные теплопотери (равные поступлениям тепла), имеет вид
<2 = К^ДТ!. (15)
где - эквивалентный коэффициент теплопередачи, Вт/м2 0С
F - площадь поверхности кабины трактора, м2
- разность температур внутри кабины и наружного воздуха
Для определения тепловых потерь воспользуемся методикой представленной в [2]. Для этого в кабине трактора устанавливается источник теплоты с фиксированной тепловой мощностью N называемый индикаторный теплоисточник. В результате дополнительных тепловыделений температура в кабине повышается. В данном случае вводится допущение о том, что при изменении температуры в кабине величина Кэ изменяется на незначительную величину и ею можно пренебречь. В таком случае уравнение теплового баланса можно записать в следующем виде
<г+лг = к^дт2 . (16)
27
где ф - относительная влажность в кабине трактора. В случае значительной величины терморадиационной составляющей вычисляется по выражению
где
0.7
Разделив эти два уравнения получим
N Дт2
В итоге тепловые потери кабины для установившегося режима определяются выражением
Ат1
<3=^7-(18)
Дг2 - ДТ!
Далее на основании полученных экспериментальных данных определяется величина
(19)
Результаты экспериментальных исследований приведена: в таблице 6.
Таблица 1. Экспериментальные данные при исследовании теплопотерь
Температу ра воздуха, 0С At = тв1 — Тн' ◦С Мощность обогревателя, N, Вт Температура воздуха в кабине после включения обогревателя Тв 2i' оС At2 = тв2 - Тн' ◦С Суммарное количество тепла ет = n Ati ' Z At 2 — A Ti Вт
наружного Тн в кабине до включения обогревателя Ч
25,52 35,8 10,6 330 39,4 14,2 971,7
26,4 38,4 12,0 580 45,0 18,6 1054,55
21,5 28,3 6,8 560 33,7 12,4 680,0
На основании экспериментальных данных и значения площади ограждающих конструкций 2 м2, 4 м2, 6 м2 получены значения эквивалентного коэффициента теплопередачи (таблица 7).
Таблица 7. Результаты расчета эквивалентного коэффициента теплопередачи
Q, Вт Дт ! , "С F, м2 кэ
971,7 10,6 2 45,8
1054,55 12 2 43,9
680 6,8 2 50
971,7 10,6 4 22,9
1054,55 12 4 21,9
680 6,8 4 25
971,7 10,6 6 15,3
1054,55 12 6 14,7
680 6,8 6 16,7
Эквивалентный коэффициент теплопередачи зависит от мощности источника тепла или от тепловой нагрузки, поступающей в кабину, от температуры окружающей среды и от площади теплопередающих конструкций.
При обосновании материала защитных конструкций необходимо учитывать эти обстоятельства. Достигать необходимого результата следует при меньших площадях ограждающих конструкций, что не будет нарушать показатели обзорности. В этом случае к коэффициенту теплопередачи и коэффициенту звукопоглощения предъявляются жесткие требования при сохранении обзорности в кабине.
Список литературы / References
1. Булат Л.П. Современные требования к экологии помещений и термическое охлаждение / Л.П. Булат, Е.В. Бузин, Т.Г. Кузьмина // Тезисы докладов VII Международного семинара «Термоэлектрики и их применения». СПб: ФТИ им. Иоффе, 2000.
2. Богословский В.Н. Внутренние санитарно-технические устройства: Справ. проектировщика. М.: Стройиздат, 1992.
