автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Концепция кондиционера кабины транспортного средства на основе вихревого эффекта с целью улучшения условий труда водителя

Введение.

1. Тепловой баланс человека. Тепловой баланс кабины.

1.1. Комфортные и допускаемые условия.

1.2. Тепловой баланс человека.

1.3. Тепловой баланс кабины.

1.4. Системы кондиционирования воздуха для транспортных средств, их эксплуатационные качества, методы теплозащиты.

1.5. Источники холода.

1.6. Выводы.

2. Физические модели, анализ процессов в вихревой трубе, эффективность процесса энергоразделения, утилизация энергии потоков.

2.1. Гипотезы, объясняющие процесс энергоразделения в закрученных потоках газа.

2.2. Показатели эффективности процесса энергетического разделения.

2.3. Основные факторы, определяющие работу вихревой трубы.

2.4. Выводы.

3. Опытный стенд. Методика проведения исследований.

3.1. Описание опытного стенда.

3.2. Анализ погрешностей.

3.3. Методика обработки результатов испытаний.

3.4. Выводы.

4. Результаты испытаний вихревой трубы с различными конструктивными элементами.

4.1. Влияние конструкции развихрителя на работу вихревой трубы.

4.2. Влияние ввода дополнительного коаксиального потока на КПД вихревой трубы.

4.3. Влияние ввода дополнительного потока через специальную вставку.

4.4. Влияние крутки дополнительного потока.

4.5. Влияние длины камеры разделения на термодинамическую эффективность вихревой трубы.

4.6. Влияние диаметра диафрагмы на адиабатный КПД вихревой трубы.

4.7. Выводы.

5. Концепция кондиционера КТС с использованием вихревых труб, в качестве источника холода. Интеграция кондиционера с кабиной и штатными системами двигателя транспортного средства.

5.1. Концепция кондиционера.

5.2.Согласование работы кондиционера с двигателем транспортного средства.

5.3. Методика расчета основных узлов кондиционера.

5.4.0ценка эффективности получения холода в кондиционере с вихревой трубой.

5.5. Выводы.

Кондиционирование воздуха на транспортных средствах

Технический прогресс в любой отрасли народного хозяйства приводит к возрастанию роли «человеческих факторов» в управлении машиной, которую уже нельзя рассматривать изолированно от оператора. Человек становится активной составной частью системы человек - машина - окружающая среда.

Характерными чертами современных транспортных средств являются повышение мощности и увеличение сложности систем управления. Это вызвало необходимость решения задачи оптимального сопряжения параметров машины и психофизиологических особенностей человека, а также приспособления машины к характеристикам человека.

Окружающие условия, в которых протекает деятельность человека, управляющего машиной, значительно влияют на его работоспособность. К таким условиям относят прежде всего микроклимат, вибрацию и шум на рабочем месте.

Создание благоприятного микроклимата является одной из важнейших составляющих задачи обеспечения оптимальных окружающих условий для работы человека. В гигиеническом отношении микроклимат представляет собой комплекс физических факторов окружающих условий, способных влиять на тепловое состояние организма и его терморегуляторные реакции. Эти факторы -температура, влажность, скорость движения воздуха и лучистая теплота (инфракрасное излучение). При этом основную роль в определении теплового состояния организма играют температура воздуха и интенсивность теплового облучения. Большое значение имеет запыленность воздуха и наличие в нем вредных примесей.

С развитием науки и техники человечество достигло определенных успехов в вопросах создания искусственного климата. Созданы устройства, обеспечивающие благоприятные условия для человека в огромных объемах: на заводах, в общественных и жилых зданиях, метро и т. д. Особенно большие успехи в создании благоприятного микроклимата достигнуты в авиации и космической техники. Ведущими научно-исследовательскими организациями РФ разработаны современные системы кондиционирования для всех видов транспорта. Хорошо известны работы СГАУ, МВТУ, МЭИ, Санкт-Петербургского технологического института холодильной промышленности и других организаций.

Для обеспечения благоприятного микроклимата в кабинах водителей транспортных средств ( автобусов, грузовых автомобилей, тракторов, комбайнов, строительных и дорожных машин и т. д.) решаются задачи более узкого круга. Однако это по-своему сложная и актуальная на сегодняшний день проблема. Устройства искусственного микроклимата для транспортных средств должны отвечать требованиям простоты конструкции, невысокой стоимости изготовления, возможности обслуживания персоналом низкой квалификации, хранения под открытым небом и т. д., к тому же они должны обеспечивать комфортные условия при постоянно меняющихся режимах работы машины, в различные время дня и периоды года.

Этим требованиям, в полной мере, соответствуют системы кондиционирования воздуха с вихревыми трубами в качестве источников холода. Вихревые трубы просты в изготовлении, надежны в работе, их работоспособность незначительно зависит от параметров окружающей среды.

Задачи, которые приходится решать при создании систем микроклимата кабин транспортных средств, лежат на стыке инженерных наук: автомобильного, тракторного, сельскохозяйственного, строительного и дорожного машиностроения, гигиены труда, теплофизики, климатологии, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

В предлагаемой работе исследовались характеристики вихревых труб для систем кондиционирования кабин транспортных средств со сравнительно малыми рабочими давлениями, как менее энергоемкие и экологически чистые с большой степенью надежности и ресурса.

Диссертация выполнена на кафедре механики ВПИ ВолгГТУ, является продолжением начатых в 1994 г. научно-исследовательских работ «Теплофизическое и аэродинамическое совершенствование экологически чистых малогабаритных кондиционеров». С 1996 г. работа выполнялась по научно-технической программе «Вузовская наука -регионам», региональной НТП «Научные, технические и экологические проблемы г. Волжского». Результаты работы докладывались на 2 и 3 конференциях молодых ученых г. Волжского в 1997 и 1998 годах, на конференции по региональной НТП «Научные, технические и экологические проблемы г. Волжского» в 1997 г.

Работа состоит из 5 глав. В первой главе рассматриваются: влияние климатических условий на работоспособность водителя, тепловой баланс кабины, преимущества, недостатки и эксплуатационные требования предъявляемые к источникам холода в системах кондиционирования транспортных средств. Во второй главе проведен анализ процессов в вихревой трубе, представлены методы повышения эффективности процесса энергоразделения. В третьей главе описана методика эксперимента и проведена оценка погрешностей, возникающих в ходе эксперимента. В четвертой главе приведены результаты испытаний вихревой трубы с различными конструктивными элементами. В пятой главе представлена концепция системы кондиционирования с вихревой трубой и методика расчета основных узлов этой системы.

Основные результаты и выводы

1. Проведена классификация систем кондиционирования воздуха кабин транспортных средств по источникам холода, проанализированы достоинства и недостатки каждого из источников. Комплексу экономических, эксплуатационных, экологических и конструктивных требований лучше других удовлетворяют системы кондиционирования с вихревыми трубами.

2. Составлен тепловой баланс кабины городского автобуса ЛиАЗ 5256, из которого определены основные источники теплопоступлений в кабину и номинальная холодопроизводительность системы кондиционирования воздуха.

3. Создан экспериментальный стенд для исследования характеристик вихревых труб. Разработана и отлажена методика проведения испытаний вихревых труб для малых перепадов давления. Проведена оценка погрешностей, возникающих в ходе эксперимента.

4. Получены экспериментальные зависимости адиабатного КПД вихревой трубы от относительной доли охлажденного потока при различных мероприятиях на горячей части при полной степени расширения 7г=1,8. На основании результатов проведенных опытов сформулированы рекомендации по проектированию вихревых труб, работающих на низких режимных параметрах для систем кондиционирования воздуха кабин транспортных средств.

5. Проведенные экспериментальные исследования показали, что в системах кондиционирования воздуха кабин транспортных средств с вихревой трубой предпочтительно применение коротких (длиной десять калибров) вихревых труб с развихрителем в виде лопаточной крестовины с коническим центральным телом и дефлектором.

6. Разработана концепция системы кондиционирования воздуха для кабин транспортных средств с использованием вихревых труб и предложена методика расчета основных элементов этой системы.

7. Для обеспечения комфортных условий в кабине транспортного средства с меньшими энергозатратами на работу установки охлаждения воздуха, необходимо использовать средства пассивной теплозащиты, которые позволяют снизить теплопоступления в кабину транспортного средства более чем на 40%.

8. Расходы на оснащение кабины транспортного средства системой кондиционирования воздуха оправдываются тем, что повышается безопасность движения, улучшаются условия работы водителя, растет эффективность использования транспортного средства.

9. Себестоимость холода, вырабатываемого кондиционером с вихревой трубой, будет меньшая, чем при использовании фреонового или термоэлектрического типа кондиционеров.

1. Алексеев А.Ю., Боярский М.Ю, Могорычный В.И Совершенствование абсорбционных холодильных установок периодического действия Холодильная техника №2, 1995.

2. Алексеев В.П., Азаров А.И., Дроздов А.Ф., Кротов П.Е. Новая вихревая техника для средств охраны труда. В кн. Вихревой эффект и его применение в технике. Материалы IV всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ ,1984, с. 104 -111.

3. Алексеенко C.B., Окулов B.J1. Закрученные потоки в технических приложениях (обзор) - Теплофизика и аэромеханика, том 3, № 2, 1996.

4. Балалев H.A., Цыбров А.Ю. Влияние торцевого пограничного слоя на эффективность работы вихревой трубы. В кн. Вихревой эффект и его применение в технике. Материалы IV всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ ,1984, с. 33-38.

5. Барсуков С И, Кузнецов В.И. Вихревой эффект Ранка, Иркутск,1983.

6. Бирюк В.В. Основы расчета характеристик авиационных систем охлаждения. Самарский аэрокосмический университет, Самара, 1997.

7. Волов В.Т., Сафонов В.А. Термодинамика и теплообмен сильно закрученных потоков. Харьков, ХАИ, 1992.

8. Воронин В.Г., Чижиков Ю.В. Кондиционер с пульсационным охладителем газа, A.C. № 520490.

9. Воронин Г.И. Системы кондиционирования воздуха на летательных аппаратах. М.: Машиностроение, 1973.

10. Высочин В.А. Исследование рабочего процесса адиабатных вихревых труб. Диссертационная работа на соискание степени к.т.н. Запорожье, 1981.

11. Голуб В.И., Толстых В.В., Фот В.В., Арефьев В.А. Анализ способов создания комфортных условий в кабинах управления машинами и механизмами - Холодильная техника, 1987, №9.

12. Грига А.Д., Староверов В.В. Термодинамические основы обработки влажного воздуха и кондиционирование. Волгоград, ВолгГТУ, 1995.

13. Дыскин Л.М. Выбор области рационального использования вихревых аппаратов. В кн. Вихревой эффект и его применение в технике. Материалы VI всесоюзной научно-технической конференции. Самара: СГАУ, 1993, С.70-74.

14. Заботин В.Г. Первышин А.Н. Теплотехнические измерения в двигателях летательных аппаратов. Куйбышев: КуАИ, 1983.

15. Захаров Ю.В. Судовые установки кондиционирования воздуха и холодильные машины. Л., Судостроение, 1972.i 173

16. Иванов К.П. Биоэнергетика и температурный гомеостазис Л.: Наука, 1972.

17. Иванов О.П. Оптимизация оборудования и транспортных систем кондиционирования и жизнеобеспечения. СПбТИХП, 1994.

18. Инженерное проектирование авиационных систем кондиционирования воздуха. A.A. Бородкин, И.А. Копчиков, В.П. Лапин, В.Д. Портнов, В.Я. Сасин / Под ред. В.Я. Сасина. М.: Изд - во МЭИ, 1996.

19. Карпис Е.Е., Пекер Я.Д., Локшин C.B. Приближенный метод определения экономической эффективности кондиционирования воздуха в производственных зданиях. «Водоснабжение и санитарная техника», 1972, №3.

20. Князев А.Е. Разработка рациональной схемы и определение эффективности адиабатных вихревых труб с эжекторами холодного и горячего потоков. Диссертационная работа на соискание степени к.т.н. Одесса, 1988.

21. Колен ко Е.А. Термоэлектрические охлаждающие приборы. Л.: Наука, 1971.

22. Колышев Н.Д., Вилякин В.Е. Интенсификация охлаждения тел в самовакуумирующейся вихревой трубе. В кн. Вихревой эффект и его применение в технике. Материалы IV всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ ,1984, с. 153-160.

23. Колышев Н.Д., Вилякин В.Е. Исследование температурных режимов тел в самовакуумирующейся вихревой трубе. . В кн. Вихревойэффект и его применение в технике. Материалы III всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ ,1981, с. 122-125.

24. Комочков В.А. Основы прикладной газовой динамики. Волгоград: ВолгГТУ, 1994.

25. Кондиционеры «Конвекта» Холодильная техника, 1991, №4.

26. Кондиционирование воздуха в кабинах транспортных средств и кранов. Лях Г.Д., Смола В.И. М., «Металлургия», 1982.

27. Кондиционирования воздуха и холодоснабжение/В.Н. Богословский, О.Я. Кокорин, Л.В. Петров; под ред. В.Н. Богословского М.: Стройиздат, 1985.

28. Кошкин. Холодильные машины. М.: Пищепром, 1973.

29. Кощеев B.C., Кузнец Е.И. Физиология и гигиена индивидуальной защиты человека в условиях высоких температур. М.: Медицина, 1986.

30. Крамаренко П.Т. Исследование влияния геометрических и режимных параметров на характеристики вихревой трубы. Диссертационная работа на соискание степени к.т.н. Л. 1979.

31. Кудрявцев В.М. Распределение скорости по высоте сопла вихревой трубы. В кн. Вихревой эффект и его применение в технике. Материалы III всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ ,1981, с.67-70.

32. Кузнецов В.И. Влияние температуры газа на входе в вихревую трубу на ее температурную эффективность. В кн. Вихревой эффект и его применение в технике. Материалы IV всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ ,1984, с. 25-28.

33. Кузнецов В.И. К вопросу об определении оптимальной длины вихревой трубы. В кн. Вихревой эффект и его применение в технике. Материалы III всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ ,1981, с. 39-42.

34. Кузнецов В.И. Теория и расчет эффекта Ранка. Омск, 1995.

35. Максимов O.P. Напряженность физиологических функций у машинистов-операторов разного возраста на пультах управления. -«Гигиена и санитария», 1971, №3.

36. Малышева А.Е. Гигиенические вопросы радиационного теплообмена человека с окружающей средой .- М.: Медицина, 1963.

37. Мартынов А.В и Бродянский В.М. Что такое вихревая труба? М.: Энергия, 1976

38. Мартынов A.B. Установки для трансформации тепла и охлаждения: М., Энергоатомиздат, 1989.

39. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. Изд. 2-е перераб и доп. Самара, Оптима, 1997.

40. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969.

41. Меркулов А.П. О природе вихревого эффекта. В кн. Некоторые вопросы исследования тепловых машин. Сборник статей кафедры «Теплотехника и тепловые двигатели» труды, выпуск 37. Под ред. А.П. Меркулова. Куйбышев: КуАИ, 1969, с.35-51

42. Меркулов А.П. Термодинамический анализ регенеративной схемы с самовакуумирующейся и охлаждаемой вихревыми трубами. В кн. Вихревой эффект и его применение в технике. Материалы IV всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ ,1984, с. 5 8.

43. Меркулов А.П. Энергетика и необратимость вихревого эффекта . В кн. Вихревой эффект и его применение в технике. Материалы III всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ ,1981, с. 5-9.

44. Меркулов А.П., Кудрявцев В.M. К вопросу о термодинамической оценке возможностей вихревого эффекта В кн. Вихревой эффект и его применение в технике. Материалы II всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ ,1976, с. 103-112.

45. Методы и техника измерений параметров газового потока (приемники давления и скоростного напора). Петунин А.Н. М., «Машиностроение», 1972.

46. Михайлов М.В., Гусева C.B. Микроклимат в кабинах мобильных машин. М., «Машиностроение», 1977.

47. Нестеренко A.B. Основы термодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха. М.: Высшая школа, 1971.

48. Павлов A.A., Шипилло C.B., Токарев Е.В. Зависимость надежности транспортных кондиционеров от условий их эксплуатации -Строительные и дорожные машины, 1988, №8.

49. Пиралишвили Ш.А. К вопросу определения профиля скорости вынужденного вихря. В кн. Вихревой эффект и его применение в технике. Материалы II всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ ,1976, с. 19-24.

50. Поляков A.A. Исследование работы вихревых труб на влажном воздухе. В кн. Вихревой эффект и его применение в технике. Материалы II всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ ,1976, с. 44-48.

51. Померанцев A.A. Физические начала тепломассообмена и газовой динамики. М.: Энергия, 1977.

52. Прикладная газовая динамика, Абрамович Г.Н., издание 3-е, перераб. Главная редакция физ. мат. литературы. - М.: «Наука», 1969.

53. Прохоров В.И. Системы кондиционирования воздуха с воздушными холодильными машинами. М.: «Стройиздат», 1980.

54. Прохоров В.И., Булачев О.П. Системы кондиционирования воздуха с воздушными холодильными машинами. М.: изд. ЦНИИ Госстроя СССР, 1974.

55. Руденко Р.Н., Мухин O.A. Оценка микроклимата строительных и дорожных машин - Строительные и дорожные машины, 1985, №2.

56. Савельев С.Н., Метенин В.И. Исследование процесса истечения газа из сопла в вихревую камеру. В кн. Вихревой эффект и его применение в технике. Материалы III всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ ,1981, с. 102-105.

57. Савинцев В.И. Пульсационный охладитель газа для кондиционера транспортной машины. Автореферат диссертационной работы на соискание степени к.т.н. Санкт-Петербург, 1992.

58. Сафонов В.А. Исследование, выбор оптимальных параметров и расчет вихревых холодильно-нагревательных устройств. Автореферат диссертационной работы на соискание ученой степени д.т.н. М., 1991.

59. Смольяков A.B., Ткаченко В.М. Измерение турбулентных пульсаций. -Л.: Энергия. Ленингр. отд.-ние, 1980.

60. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. Зе изд., перераб. М: Энергоатомиздат, 1989.

61. Стоккер В.Ф. Холодильная техника и кондиционирование воздуха. Пер. с англ. В.Н. Хренникова и Е.В. Бекневой. М., Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. 1962.

62. Толстых В.В., Фот В.В., Гавеля И.В., Арефьев В.А. -Термоэлектрический генератор холода для транспортных кондиционеров -Холодильная техника, 1987, №7.

63. Турбокомпрессоры для наддува дизелей./Б.П. Байков, В. Г. Бордчков, П.В. Иванов, P.C. Дейч. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1975.

64. Шадрина В.Ю. Исследование влияния температуры газа на работу охлаждаемой вихревой трубы. В кн. Вихревой эффект и его применение в технике. Материалы IV всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ ,1984, с.74-78.

65. Шенк X. Теория инженерного эксперимента М.: «Мир», 1972.

66. Юцкевич М.В. К вопросу работы вихревых труб на влажном воздухе. В кн. Вихревой эффект и его применение в технике. Материалы III всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ ,1981, с. 194-197.

67. Языков В.Н. Теоретические основы проектирования судовых систем кондиционирования воздуха. Л., «Судостроение», 1967.i 179

68. Balmer R.T. Pressure-driven ranque-hilsh temperature separation in liquids//Trans. ASME. J. of Fluids Eng. -1988. Vol. 110. - P. 161-164.

69. Takahama H., Tonimoto K. Study of Vortex Tubes. Effect of the Bend of a Vortex Chamber. Bull. ISME, 1974, v. 17, №108, p. 740 - 747.