автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Нормализация температурно-влажностных параметров в кабине мобильных сельскохозяйственных энергетических средств применением водоиспарительного охлаждения

*Г5 од 19 т т

На правах рукописи

Л

ШУКЛИН ИГОРЬ КЛАВДИЕВИЧ

НОРМАЛИЗАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ В КАБИНЕ МОБИЛЬНЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРИМЕНЕНИЕМ ВОДОИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Специальность 05.20.01 - МЕХАНИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВОРОНЕЖ-2000

Работа выполнена в Воронежском государственном аграрном университете им. К.Д. Глинки и Воронежском военном авиационном* инженерном институте.

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ кандидат технических наук,

доцент И.Б. Журавец, кандидат технических наук, доцент Ю.М. Пурусов.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - АО

доктор технических наук профессор В.П. Белокуров, кандидат технических наук П.В. Москалев.

«Липецкий тракторный завод».

Защита состоится «^г ■> июня 2000г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 120.54.0 Ь Воронежского государственного аграрного университета им. К.Д. Глинки по адресу: 394087, г. Воронеж, ул. Мичурина, 1.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Воронежского государственного аграрного университета им. К.Д. Глинки.

Автореферат разослан мая 2000г.

И. В. Шатохин

ПоУгО^цСр

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

' Актуальность темы диссертации. Температурно-влажностные па->аметры рабочей зоны оператора мобильного сельскохозяйственного редства оказывают существенное влияние на производительность тру-(а. Возможность поддержания температурно-влажностных параметров I оптимальных пределах приводит к необходимости использования пециальных установок. Существующие водоиспарительные охладители [меют ряд существенных недостатков, ограничивающих их использова-1ие. В первую очередь, глубина охлаждения основного потока воздуха юлностью зависит от относительной влажности общего потока, прохо-(яшего по каналам испарительной насадки. Кроме этого, существующие инструкции косвенных водоиспарительных охладителей, в том числе и 1екуперативных, не используют в полном объеме энергию фазового пе-1ехода воды, значительная часть которой зачастую выбрасывается в жружающую среду вместе с вспомогательным воздушным потоком в [Спаренном виде. Многие конструкции водоиспарительных охладителей [меют сравнительно невысокие энергетические показатели, обладая при том резервом их повышения. При математическом моделировании [роцессов водоиспарителыюго охлаждения при нижнем орошении ка-тллярно-пористой поверхности вводится допущение, предполагающее [спарение со свободной поверхности, не учитывающее капиллярного вижения жидкости и сил адсорбционной связи жидкости и пористой тенки.

Поэтому исследования в области нормализации температурно-лажностных параметров в кабине мобильного сельскохозяйственного нергетического средства применением водоиспарителыюго охладителя меют важное народнохозяйственное значение.

Цель работы - нормализация температурно-влажностных пара-[етров воздуха рабочей зоны оператора мобильного сельскохозяйст-енпого энергетического средства и приближение их к комфортным ме-одом интенсификации тепломассообмена в испарительной насадке во-оиспарительного охладителя, применяемого для кондиционирования оздуха.

Объект исследования - рекуперативный водоиспарительный охла-итель воздуха с развитой поверхностью теплообмена.

Предмет исследования - процесс тепломассообмена в каналах ис-арительной насадки рекуперативного водоиспарительного охладителя.

Научная новизна исследований. Предложена математическая мо-сль, позволяющая исследовать тепло-массобмен косвенного испари-ельного воздухоохладителя с учетом капиллярного движения жидкости ля случая с нижним подводом воды и установить важнейшие геометри-еские и режимные параметры для конструирования охладителя. Пред-ожен способ интенсификации тепломассообмена методом развития те- , лопередающей поверхности по сухим каналам, имеющим раз-итую орсбрснную поверхность в каналах общего потока. Разработана

экспериментальная установка, позволяющая исследовать изменение температурного параметра воздуха, протекающего в каналах испарительной насадки водоиспарительного охладителя. Предложен способ оценки тепловой нагрузки на оператора мобильного сельскохозяйственного энергетического средства, позволяющий оценить условия работы и эффективность воздействия охладителя на оператора.

Практическая ценность работы заключается в том, что проведенные экспериментальные исследования подтвердили теоретическое обоснование применения водоиспарительного охладителя для нормализации микроклимата в рабочей зоне оператора мобильного сельскохозяйственного энергетического средства, выявлены закономерности изменения теплового состояния воздушного потока в каналах испарительной насадки и найдены некоторые условия оптимизации тепломассообмена в охладителях водоиспарительного принципа действия. Разработанная методика расчета может быть рекомендована для использования проектными и научно-исследовательскими организациями при проектировании новых водоиспарительных охладителей для различных мобильных энергетических систем. Предложенный способ определения тепловой нагрузки на оператора мобильного энергетического средства позволяет оценить эффективность воздействия охлаждающего устройства на тепловой баланс оператора. Результаты диссертационных исследований подтверждаются соответствующими актами о полезности разработанного устройства.

Результаты исследований внедрены на Липецком тракторном заводе, что подтверждается соответствующим актом реализации.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на постоянно действующем научно-техническом семинаре стран СНГ «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете (Санкт-Петербург, 1996г., 1998г.), Всероссийской научной конференции в Воронежском военном авиационном инженерном институте (Воронеж, 1997 г.), 52-й научно-технической конференции в Воронежской государственной архитектурно-строительной академии (Воронеж, 1999 г.), научно-технических семинарах в Воронежском государственном аграрном университете им. К.Д. Глинки (Воронеж, 1996- 1999гг.). и др.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 14 печатных работах и получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.

На защиту выносится:

• математическая модель, позволяющая исследовать тёпло-массобмен косвенного испарительного воздухоохладителя, с учетом капиллярного движения жидкости для случая с нижним подводом воды и развитой поверхностью теплообмена;

• теоретический и экспериментальный анализ влияния развития поверхности теплообмена методом оребрения поверхности «сухих»

каналов испарительной насадки на холодопроизводителыюсть и глубину охлаждения водоиспарительиого охладителя; результаты экспериментальных исследований энергетических показателей водоиспаритсльных охладителей с различными типами испарительных насадок и развитой поверхностью теплообмена; полученные на основе теоретических и экспериментальных исследований рекомендации;

результаты исследования температурного поля в кабинах мобильных сельскохозяйственных средств при использовании водоиспарительиого охладителя;

способ оценки тепловой нагрузки на оператора мобильного сельскохозяйственного энергетического средства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти 1ав, общих выводов, списка используемой литературы из 107 наимено-аиий и 5 приложений. Диссертация включает 125 страниц машинопис-ого текста, 53 иллюстрации и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, указывается цель задачи исследования, сформулированы основные положения, выносные на защиту.

В первой главе «Современное состояние вопроса, постановка це-ей и задач исследования» рассматриваются и анализируются соврсмен-ые методы и способы нормализации температурно-влажностных пара-стров воздуха рабочей зоны оператора мобильного сельскохозяйст-енного энергетического средства, достигнутый уровень и тенденции азвития, научные работы в области водоиспарительиого охлаждения, рименясмого для кондиционирования воздуха.

Большое практическое значение имеет вопрос изменения функ-ионального уровня организма водителя в течение рабочего дня и в те-сние рабочей недели, времени суток с учетом особенностей проявления ервно-эмоциопального стресса и утомления. Изменения психофизио-огического состояния водителя под действием метеорологических фак-эров (температуры, влажности воздуха, солнечной радиации, атмо-})српого давления) довольно существенны и необходимость учета этого эстояния обуславливается тем, что приспособление организма к изме-яющимся климатическим воздействиям происходит сложными путями ерез центральную нервную систему. Влияние высоких температур ок-ужающего воздуха на организм водителя (оператора) и влажности на-эетого воздуха рассматривается в подразделе первой главы. Проблеме пучшения микроклиматических условий уделяется большое внимание, ак в нашей стране, так и за рубежом. Этой теме посвящены работы 1.В. Михайлова, Л.Г. Маляреико, В.А. Михайлова, В.П. Хохрякова, кЯ. Кокорина, В.Л. Корыстина, А.И. Гавриченко, А.В Дорошенко, С.В уссвой, В.А. Соболева, А.Н. Блажко, A.C. Супруна, В.М. Шабанова,

B.C. Шкрабака, В.П. Шацкого и др.. Одним из наиболее важных вопросов в определении путей нормализации микроклимата в кабинах мобильных энергетических средств является выбор системы кондиционирования. Современные требования и исследования разработок по созданию оптимального микроклимата в кабинах мобильных сельскохозяйственных энергетических средств приведены во втором подразделе первой главы.

По сравнению с другими водоиспарительные охладители воздуха менее энергоемки и более дешевы, не требуют дефицитных материалов, экологически безвредны, имеют низкую потребляемую мощность, саморегулируемы по эффективности охлаждения в зависимости от темпера-турно-влажностного состояния охлаждаемого воздуха.

Несмотря на большое количество работ, связанных с водоиспари-тельным охлаждением, эти охладители не получили широкого применения как устройства для нормализации температурно-влажностных параметров в кабинах мобильных энергетических средств. Существующие водоиспарительные охладители имеют ряд недостатков, ограничивающих их использование. Однако, нормализация температурно-влажностных параметров в кабинах мобильных сельскохозяйственных энергетических средств возможна применением водоиспаритсльных охладителей с повышенными энергетическими показателями, полученными интенсификацией тепломассообмена в каналах испарительной насадки.

Для достижения поставленной цели в работе предусматривается решение следующих задач исследования:

1. построение математической модели тепломассообмена косвенного водоиспарителыюго охладителя воздуха с развитой поверхностью с учетом капиллярной подачи влаги;

2. определение конструктивных параметров и эффективных режимов работы рекуперативного косвенного водоиспарителыюго охладителя воздуха с развитой поверхностью теплообмена посредством численной реализации математической модели;

3. изучение теплофизических процессов в насадке водоиспарителыюго косвенного охладителя воздуха на экспериментальной основе;

4. испытание водоиспарительных охладителей в лабораторных условиях и при установке их в кабинах мобильных сельскохозяйственных энергетических средств;

5. разработка способа оценки тепловой нагрузки на оператора мобильного сельскохозяйственного энергетического средства.

Во второй главе " Теоретическое обоснование регулирования гем-пературно-влажностных параметров в кабинах мобильных сельскохозяйственных энергетических средств применением водоиспарителыюго охлаждения" рассматривается тепловой баланс кабины мобильного энергетического средства и влияние на него кондиционирующего устройства. Предлагается математическая модель процессов тепломассообмена водоиспарителыюго охладителя с интенсификацией методом

|азвития поверхности теплообмена. Схема физических процессов пред-тавлена на рис. I.

У / А А-А

ИС ПАРЕНИЕ 71 7„

Т ! Т I I I I ! ! М

(

I I I

!

|

!

( |

к --------

ъ

—н

'ис. 1. Схема физических процессов тепломассопереноса

в испарительной насадке с орсбренной поверхностью.

г?"!

I |

| |

\

!

I

I

Указанная модель представляет собой измененный для случая ребрения вариант математической модели, предложенной д.т.н. Шац-им В.П., в которую введен коэффициент развития - «Р», присутствующий в уравнениях (3) и (7), описывающих теплообмен в «сухих» каналах, I в целом описывается системой уравнений (1)...(14) и условиями одно-пачности (15):

.. пд1 д21 , . чй/

ОХ ду2 ду

(П>

г/ 1~1

с\РЛи ) -;- = тт ох д\>~

3 =

дРп ду'

^Ну) 2

О'-л)2

I -

+ +

л/ = л—I у=о

ду1-

ду

я а'<

ду

Л„

= -г ^

\/=-8 с "ли 1пп О

(О (2)

(3)

(4)

(5)

(6) (7) (В)

р = 0,003-/-0,031,

Л5 = 0,01-(2,44 +0,007-гД

Г, 1п-5 0,006167+0,719

и = 10 е ,

Н = 2500 - 237 • I,

Рп I >>=0 = Рпн ('и ) = ехр(0,0553 • 1п - 5,165),

ду

= 0;

у=И

»

(10)

(П) (12)

(13)

(14)

(15)

"*1х=0

где: г - текущая температура воздуха; к - коэффициент теплопроводности влажного воздуха; С,р- соответственно удельная теплоемкость, воздуха и плотность; <р - относительная влажность воздуха; J - плотность потока пара; Я - удельная теплота парообразования; Сж - удельная теплоемкость подводимой жидкости.

Полученные результаты позволяют определить рациональные конструктивные и режимные параметры водоиспарительной насадки охладителя.

Значительный интерес представляет внесение особенностей, создаваемых оребрением в каналах общего потока, поскольку действительная температура ребра не постоянна по высоте. Для адекватного отражения процесса теплопереноса предлагается использовать выражение теплового потока, проходящего через единицу длины ребра. Тепловой поток записывается через гиперболические функции от параметров оребрения. Кроме того, вносятся коэффициенты молекулярных изменений паровоздушных потоков, уточняющих влагоперенос в поперечном направлении. Тепловой поток вводится в уравнения теплового баланса в «сухом» и «мокром» каналах, в результате чего уравнения принимают следующий вид (16), (17), (18):

СвРвУ*(у)

ду

ЭГ, Лф5рт ■ .чИтЬ

дх

у=0-

сИтЬ

Н • Хф8рт ■ зИтЬ сИтЬ

ду'

(16)

~ К у=-8О " п$р1)+ СжА1ж ~ 'п).

(17)

-¡щ-

где: а - средний коэффициент теплоотдачи по сухой поверхности; Яф - коэффициент теплопроводности фольги; 5р, Н, п - соответственно толщина ребра, высота пластины, число ребер на 1м2 поверхности, Ь -высота ребра.

Существующие математические модели не учитывают капиллярного движения жидкости, допуская испарение со свободной поверхности, однако такое явление происходит до некоторой высоты. Поверхность, расположенная выше, «работает» несколько иначе - в теплоту испарения вмешиваются капиллярные и адсорбционные связи, что приводит на интенсивных режимах продувки к образованию зон «сухого», «полусухого-полусмоченного» состояния. В данных условиях целесообразен подход, который математическим методом адекватно описывает течение жидкости в капиллярах.

Общее уравнение сил, действующих на столбик жидкости произвольной высоты, заключенной в порах материала при отсутствии массо-:ъема записывается уравнением (19):

Ра " /л ^ Ртр " Р,,с ~ ' ± = 0 , (19)

где: Ра- сила поверхностного натяжения; Рк - сила гравитации;Ртр и Рмс- гидравлические силы грения и потери в местных сопротивлени-1х;/ - сила инерции; Рдиф - диффузионная сила.

Для различных форм укладок уравнение приобретает более конфетные виды, получая определенные значения коэффициентов и, на-тример, для глобулярной укладки частиц мипласта размером Я для ординаты 2 записывается уравнением (20):

2, ,«е я,

4-71 Я 2-й,,. {дг) 2^\дт

л 2 л 2

4 - К 4 - 7Г -2

о , (20)

4-7Г 2 А-л дг

де: сг - поверхностное натяжение; © - краевой угол смачивания; Х2-соэффициент гидравлических потерь на трение; ££ - суммарный ко-

|ффициент местных сопротивлений; р - плотность жидкости; £>эга - эк-

&

швалентныи диаметр порового канала;--вертикальная составляюсь

цая скорости жидкости.

Для математического моделйрования процессов тепломассообме-[а в каналах испарительной насадки, важно поперечное течение

жидкости, обеспечивающее в конечном итоге весь массосъем. Основными силами, управляющими этим движением, являются: гидростатическое давление, капиллярная сила смачивания влагой внутренней поверхности пор, сила поверхностного натяжения, возникающая при контакте внешней области с положительной кривизной поверхности и отрицательной кривизной поверхности частиц тела (21), (22). Поперечное течение подчиняется закону фильтрации, связывающему скорость фильтрации ср свойствами тела и жидкости под воздействием тянущей силы (23). Дифференциальное приращение объема для дифференциальной площадки йг выражается через эту скорость, площадь поры и число пор (24). Объем перетекающей жидкости в итоге представляется через интегральное выражение, решение которого дает значение перетекающего объема жидкости для координаты 2 (25). При массосъеме с поверхности, величина которого в общей системе уравнений закладывается как плотность потока, объем перетекающей жидкости может явиться ограничивающим фактором, что устанавливается решением системы уравнений (26).

-2 . „ - 1

р%Ьг7сг + а ■ сое © • 2т-

■о-2л-г ---Р, ' 2

(21)

Р = 2ш

1 \ г

— ре(И - г) + а ■ соб © —а — ; 2 7

(22)

' Т] о

¿уж =н,ж .Гп.Пн.сЬ\

(¡у =к,-^2лг

- рж ■ - г) ■ ¿г + (сое 0 - 1)сг ■ с1:

(23)

(24)

(25)

, , 2сг (1-СО50) ,

г = я - — • ---; г = г при Р = 0

г

РЛ

25 „ч ржя

РжФ ~ ~ 0 _ С0Б ©) "

(26)

где: ку- коэффициент фильтруемости; г/ - динамическая вязкость воды; гч,гп - среднестатистические размеры частиц и пор.

Одной из основных идей представленной работы является предположение о главенствующей роли тепловой нагрузки на самого оператора мобильного сельскохозяйственного энергетического средства. При этом считается, что нормализация температурно-влажностных параметров в кабине есть лишь необходимое условие для приведения в соответствие с оптимальными нормами тепловой нагрузки самого оператора.

],ля оценки тепловой нагрузки оператор уподобляется физическому те-[у, находящемуся в сложном тепловом взаимодействии с внутренней редой кабины и имеющему внутренние тепловые источники и био-югические средства теплового регулирования. Общее уравнение теп-¡ового баланса оператора выражается уравнением (27):

4knd + Я met + Я met + Я ins + Я rod + Я km + Яеур = 0. (27)

де: q^et + Ятеt ~ сумма метаболизма биологического и мышечного, щенивающая энергетически генерацию биологической энергии и за-раты мышечной энергии на выполнение работ данного класса; hns + Я г ad ' сумма, учитывающая инсоляцию через светопрозрачные [роемы и взаимное облучение тела оператора и ограждающих поверх-\ocim\qknd +qknv ~ учитывают кондуктивные и конвективные формы еплообмена; qevp - является теплотой терморегуляции человека за счет

ыделения влаги на выдохе и выделения пота.

Указанные составляющие могут быть вычислены при использовали метода плоскорадиальных сечений (рис.2), в основе которого лежит юделирование течения охлаждающего воздуха и теплообмена. При усыновлении воздухоохладителя можно воздействовать преимущественно ia конвективную составляющую, косвенно влияя при этом на кондук-ивную и радиационную составляющие, за счет определенного сниже-[ия температуры деталей сидения и ог раждающих поверхностей. Тепло-а радиации находится с помощью уравнения энергии взаимного облу-сния двух тел. Теплота инсоляции вычисляется использованием функ-[ий излучения солнца. Величина коэффициента конвективной теплоот-;ачи, при усредненных значениях плотности, вязкости и других тепло-шзических свойств воздушного потока зависит от скорости потока.

Расчет конвективной составляющей может быть проведен при ис-юльзовании известных критериальных уравнений конвективного теп-ообмепа:

Метод расчета энергетического баланса должен включать харак-ер взаимодействия тела оператора со струйным настилающим потоком хлажденного воздуха от охладителя. Основные параметры струй

М/= 0.67 • Re1/2 Рг1/3 , (28) Nux =0.335-Re'72 Prl/3,(29) Re,=ü0-i,/v, (30)

Рис.2. Метод плоскорадиальных сечений.

могут быть рассчитаны с помощью уравнения количества движения с учетом действия вязких сил трения в пограничном слое (32). '

роРЬ0и0 = РрЬхиР + Рт, Рт = )т}~тЫ5, т = \-dii, (32)

О а5п ои

где: /Ь и р - коэффициенты Буссинеска.

Сила трения определяется с учетом закона Ньютона для однородных вязких жидкостей. Параметры струи рассчитываются по стандартным формулам, учитывающим неизотермичность и настилающий характер.

Для случая обтекания тела оператора, последний уподобляется вытесняющему объему. Таким образом, появляется возможность в первом приближении оценить скорость обтекания, критерии теплообмена, коэффициент теплоотдачи и толщину пограничного слоя для части поверхности, ограниченной плоскорадиальным сечением. Суммируя величины конвективного теплового потока по всей площади обдуваемого объекта, можно получить расчетный тепловой поток (33).

т п

Якт = I! £ Лах1А(х1 ■ (33)

11

В третьей главе изложена программа экспериментальных исследований, методика их выполнения и математическая теория планирования.

В соответствии с общей целью работы и проведением теоретических разработок в процессе экспериментального исследования определены параметры, в наибольшей степени характеризующие тепломассообмен в каналах испарительной насадки, проведено планирование экспериментального исследования водоиспарительных охладителей с различным типом испарительных насадок с целью получения сравнительных энергетических показателей. Также, в этой главе проведено планирование эксперимента при исследовании влияния водоиспарительного охладителя на тепловой баланс рабочей зоны оператора мобильного сельскохозяйственного энергетического средства.

Объектом экспериментальных исследований был выбран рекуперативный водоиспарительный охладитель воздуха с развитой поверхностью теплообмена, применяемый для нормализации температурно-влажностных параметров воздуха в рабочей зоне оператора мобильного сельскохозяйственного энергетического средства. „ -

В четвертой главе диссертационной работы приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований и их анализ. Для рассмотрения процессов в каналах испарительной насадки, достижения определенной достоверности теоретических исследований крайне

^обходимо иметь закономерности изменения тепло-влажностных па-шетров текущего по обоим каналам воздуха. Такие закономерности элучены термометрированием узких и длинных каналов при различ-ых скоростях продувки и температурах на входе с помощью специаль-эй прозрачной ячейки, представляющей фрагментарный отсек испари-:льной насадки. Термометрирование осуществлено 25 термопарами, ;тановленными по длине и высоте каналов (рис.За). Как показали ис-шдования, изменение температуры по длине каналов нелинейное >ис.3б). Закономерности в «сухом» и «влажном» канале различны, аиболсе интенсивной по теплообмену является область выхода основ-эго потока, где происходит общее торможение, неизбежны местные фбулентности, уплотнение и разворот части воздуха, образующей :помогатсльпый поток.

Движение вспомогательного потока

Направление общего потока

а)

мм

80 120 160 200 240 б)

не 3. Схема размещения термопар по длине и высоте испарительной тетины (а) и график изменения температуры воздушного потока (б) з длине испарительной пластины при различном соотношении расхо-эв воздуха по основному (верхнее расположение) и вспомогательному (ижнее) каналам: I - (7/(70 = 0,3; 2 - С/(7„ = 0,4; 3 - (7/С7,, = 0,5.

При достижении определенной скорости продувки происходит от-лвное обтекание задней кромки капиллярно-пористой пластины и об-130вание переднекромочного пузыря во вспомогательном канале. Его 1змеры определяют участок переходного течения и влияют на теплоот-1чу. Так же установлена необходимость изыскания средства интенси-икации теплообмена. При незначительной средней разности темпера-Ф в основном и вспомогательном каналах и невозможности сущест-:нно влиять на коэффициент теплоотдачи от основного потока к стен-1м насадки единственным средством такой интенсификации является 1звитие поверхности.

Весьма существенным в определении достоверности математического моделирования представляется зависимость холодопроизводй-тсльности и глубины охлаждения ог различного соотношения расходов воздуха, проходящего по основному и вспомогательному каналам (рис. 4).

650 600 550 500 450 400 350 300

0,Вт

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 1а

с/са

500 450 400 350 300 250 200 150

е,вт

О

// Г? О

7 ' (/(

Ш

У

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 16

С/0о

12,5 11,5 10,5 9,5 8,5

13 11

9 7 5 3

V _

г'

'Ъ

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 С/С0 0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 СД?,,

2а 26

Рис.4. Изменение холодопроизводителыюсти (1) и глубины охлаждения (2) для рекуперативного косвенника с развитой (а) и гладкой (б) поверхностью теплообмена от соотношения основного и вспомогательного расходов воздуха, полученные экспериментально (—о—) и теоретически

рассчитанные (---), для двух тепловых режимов общего воздушного

потока. Верхнее расположение графиков - 1вх = 35° С, нижнее расположение - /„= 30° С.

Большой интерес, связанный с конструкторским оформлением охладителей, представляет сравнение энергетических показателей. Экспериментальный анализ водоиспарительных охладителей с различными типами насадок проведен для трех режимов с подсчетом холодопроизводителыюсти, условного к.п.д. и холодильного коэффициента в широком диапазоне соотношения основного и вспомогательного потоков - в пределах от 0,2 до 4,2. Исследования показали, что энергетические

»зможности охладителя с насадкой для рекуперативного косвенного слаждсния превосходят прямоточный аналог по холодопроизводи-:льности на 6%, условному к.п.д. на 0,09 - 0,12 и холодильному коэф-ициенту на 8% только при сравнительно высокой температуре входя-сго воздушного потока, а именно порядка 40° С и выше (рис.5). При :мпературс до 35° С энергетические характеристики прямого орсбрен-эго косвепника не уступают характеристикам оребренного рекупера-)ра.

б, Вт пу Ех С/С, б, Вт

900 800 700 600 500 400 300 200

0

1 1

3 . 1 2

k —

ь, h

h У 4

J Q Q, Я H h

-4-1 i- U О о о о о S h

14 15 16

17 а)

18 19 20 21 22

0,9, L 9 k 9 k 900

0.8_ 8 _ 8 _ R00

0,7 7 7 700

0,6 6 6 600

0,5 5 5 500

0,4 4 4 400

0,3 3 3 300

0,2" 2~ 2 - 200

0,1 1 1 ~ 100

0

Al

9,5 10,511,5 б>

ис.5. Энергетические показатели для рекуперативного косвепника (а) и рямоточного косвенного охладителя (б); 1 - rj (условный к.п.д.); 2 - Ех 'словный холодильный коэффициент); 3 Q (холодопроизводитель-эсть); 4 - G,/GH (соотношение потоков воздуха).

Таким образом, фактор оребрсния для охладителей, предназна-:нных к работе в средней климатической зоне, может служить срсдст-эм упрощения конструкции.

Итоговым системным параметром, оценивающим и работу конди-ионера, и тепловую нагрузку на оператора, явилось температурное по-с с ег о характеристиками и особенностями (рис. 6).

38 37 34 32 28 2522.5 t= 21°С

ис.6. Температурное поле кабины автомобиля при температуре наруж-ого воздуха /„=30,5° С без охладителя (а) и с охладителем (б).

Температурное поле в кабине'мобильного сельскохозяйственного энергетического средства исследовалось в четырех вертикальных и пяти горизонтальных плоскостях и некоторых характерных точках в зоне головы, пояса, органов дыхания посредством системной расстановки датчиков электроконтактного термометра в объеме кабины, а так же замером температуры поверхностей и лучистых потоков (рис. 7).

Места

расположения датчиков многоточечного электроконтактного термометра.

Рис. 7. Схема размещения датчиков электроконтактного термометра.

При отсутствии охладителя при внешней температуре воздуха 30,5° С в зоне пояса и верхней половины груди температура воздуха достигает значения 36° С, а температура непрозрачных ограждений - 43° С. При включении охладителя с рециркуляцией воздуха внутри кабины до 50% температура воздуха в этой же зоне снижается до 22,5-25° С, а температура непрозрачных ограждений - до 37° С. Снижение последнего параметра заметно уменьшает радиационную нагрузку на оператора за счет теплового облучения.

В пятом разделе диссертационной работы представлен экономический эффект от использования усовершенствованного охладителя с развитой поверхностью теплообмена, подсчитанный на основе методик определения социально-экономической эффективности от мероприятий, направленных на улучшение условий труда и повышение безопасности работы, который составляет около 1,63% от себестоимости энергетического средства.

ВЫВОДЫ

Установлено наличие полусухих-полусмочснных участков капилляр-но-порисгой поверхности при определенных режимах продувки, чем обосновано моделирование капиллярного движения жидкости с целью учета его в расчетах процесса тепломассообмена. Предложенная математическая модель позволяет исследовать тепло-массобмен косвенного испарительного воздухоохладителя, имеющего развитую оребренную поверхность в каналах общего потока, и установить важнейшие геометрические и режимные параметры для конструирования охладителя.

Наиболее интенсивный рост холодопроизводительности происходит при величине развития поверхности от 2 до 3. Оптимальные границы ширины каналов для гладкой и оребренной поверхности оказываются примерно одинаковыми и находятся в пределах от 1,8 - 2,4 мм. Максимальные значения удельной холодопроизводительности охладителя с оребренной поверхностью теплообмена испарительной насадки при одинаковых режимах продувки превышают аналогичную характеристику охладителей с гладкими поверхностями теплообмена на 36-60%.

Оптимальное соотношение основного и вспомогательного потоков воздуха составляет 8-10% для оребренной поверхности теплообмена и 20-28% для испарительной насадки с гладкой поверхностью теплообмена, что показывает явные преимущества испарительной насадки с развитой поверхностью теплообмена.

Установленный температурный профиль по высоте испарительных пластин показывает влияние местной скорости продувки на теплообмен и доказывает необходимость установки продольных ребер делящих поток по высоте и усредняющих скорость воздуха. Предложенный способ интенсификации процесса теплообмена дает возможность конструировать и использовать прямоточные воздухоохладители с оребренной поверхностью основного канала испарительной насадки для средней климатической зоны России, в виду того, что рекуперативный косвенный охладитель проявляет заметные преимущества по сравнению с прямоточным косвепником по энергетическим характеристикам только при сравнительно высоких температурах входящего воздуха, выше 35° С.

Предложен способ оценки тепловой нагрузки на оператора мобильного сельскохозяйственного энергетического средства, позволяющий оценить условия работы и эффективность воздействия охладителя на оператора.

Применение водоиспарительного охлаждения воздуха в кабинах мобильных сельскохозяйственных энергетических средств позволяет при внешней температуре окружающей среды 30° С и выше обеспечить в зоне дыхания оператора температуру воздуха 22,5...25°С, то есть вблизи комфортного уровня, что соответствует выполнению поставленной цели.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Шуклин И. К. Обзор исследований в области водоиспарительного охлаждения для нормализации микроклимата в кабине водителя транспортного средства // ВВАИУ, сборник статей выпуск 19 часть 2, с. 31-35, 1997г.

2. Журавец И.Б, Шацкий В.П., Галкин Е.А., Шуклин И.К. Применение пористых металлов в насадках водоиспарительных охладителей, как средство интенсификации тепломассообмена // ЦНИИТЭИтрактор-сельхозмаш депонирована в справочно-информационном фонде №1656-т, с.98, библиографический указатель ВИНИТИ «Депонированные научные работы», №3, 1998г.

3. Журавец И.Б, Шацкий В.П., Галкин Е.А., Шуклин И.К. Экспериментальная идентификация моделирования процессов в охладителе водоиспарительного типа // ЦНИИТЭИтракторсельхозмаш депонирована в справочно-информационном фонде №1655-т, с.98, библиографический указатель ВИНИТИ «Депонированные научные работы», №3, 1998г.

4. Журавец И.Б., Пурусов Ю.М., Шуклин И.К. Анализ характеристик рабочих параметров и выбор оптимального режима работы охладителя водоиспарительного типа // Всероссийская научная конференция (26-28 мая) с. 319-321, 1997г.

5. Журавец И.Б,, Шуклин И.К. Моделирование теплообмена в водоис-парительном охладителе // Межвузовский сборник научно-методических трудов, с. 201-202,1998г.

6. Шацкий В.П., Журавец И.Б., Галкин Е.А., Шалиткина А.Н, Федуло-ва Л.И., Долгов С.В., Шуклин И.К. Пути повышения эффективности работы охладителей воздуха в объектах сельскохозяйственного производства // Вестник Воронежского государственного аграрного университета (научный журнал) с. 227-239,1998г.

7. Журавец И.Б, Шацкий В.П., Галкин Е.А., Шуклин И.К. Водоиспари-тельное охлаждение воздуха в кабинах тракторов и сельскохозяйственных машин // Постоянно действующий научно-технический семинар стран СНГ «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей», тезисы докладов, Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, с. 27-28, 1996г.

8. Журавец И.Б., Шуклин И.К., Кухарев М.Н., Бурдыкин В.Д. Интенсификация тепло-массообмена в компактном водоиспарительном охладителе воздуха // Постоянно действующий научно-технический семинар стран СНГ «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей», тезисы докладов, Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, с.52-54,

• 1998г.

9. Журавец И.Б., Шуклин И.К. Интенсификация тепломассообмена в испарительной насадке водоиспарительного воздухоохладителя // Сборник научных трудов «Теория, постановка, и результаты

агроинжснсрмого эксперимента», Воронежский государственный аграрный университет им. К.Д. Глинки, с. 53-57, 1999г. .Журавеп И.Б., Шуклин И.К. Экспериментальная установка для тср-мометрирования каналов водоиспарительного охладителя // Сборник научных трудов «Теория, постановка, и результаты агроинже-нерного эксперимента», Воронежский государственный аграрный университет им. К.Д. Глинки, с. 58-60,1999г.

.Журавси И.Б., Шуклин И.К. Результаты термометрирования каналов насадки водоиспарительного охладителя типа RKV // Межвузовский сборник научно-методических трудов «Современные методы подготовки специалистов и совершенствование систем и средств наземного обеспечения полетов» Воронежский военный авиационный инженерный институт, с. 80-83, 1999г.

. И.Б. Журавец. И.К. Шуклин. Воронежский центр научно-технической информации. Информационный листок N62-98 УДК 628.84 Серия 55.55.43. Компактный охладитель воздуха водоиспарительного типа.

.Журавец И.Б., Пурусов Ю.М., Шуклин И.К. О проблеме температурного баланса водителя средства аэродромно-технического обеспечения полетов // Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Совершенствование наземного обеспечения авиации». Воронежский Военный Авиационный Инженерный Институт, с. 125, 1999г.

'.Журавец И.Б., Пурусов Ю.М., Шуклин И.К. Великанов A.B. Расчет-но-аналитический метод определения тепловой нагрузки оператора мобильного энергетического средства // Труды 2-ой международной , конференции «Высокие технологии в экологии», Воронежская архитектурно-строительная академия, с. 398, с. 329-334, 1999г. '.Заявка № 98119335/06 (021427) на изобретение «Устройство для косвенно-испарительного охлаждения воздуха». Решение о выдаче патента на изобретение от 28.02.2000 №14/98, приоритет с 26.10.98.

одписано в печать 10.05.2000г. Формат 60x84/16

ч. изд. л. 0,9. Усл. печ. л. 1,16. Бумага для множительных аппаратов.

фаж 100 экз. Заказ № 254

гпечатано на участке множительной техники эронежского военного авиационного инженерного института '4064, Воронеж ул. Ст. Большевиков, 27.

ВВЕДЕНИЕ

1. Влияние температурио-влажностных параметров микроклимата рабочей зоны оператора мобильного сельскохозяйственного энергетического средства на производительность труда и возможные пути создания комфортных условий

1.1 Влияние температурио-влажностных параметров микроклимата на организм человека

1.2. Современные требования по обеспечению микроклимата в кабинах мобильных сельскохозяйственных энергетических средств

1.3. Анализ исследований и разработок по созданию оптимального микроклимата в кабинах мобильных энергетических средств

1.4. Исследования в области водоиспарительного охлаждения. Состояние и перспективы развития охладителей водоиспарительного принципа действия

2. Теоретическое обоснование нормализации температурио-влажностных параметров в кабинах мобильных сельскохозяйственных энергетических средств применением водоиспарительного охлаждения

2.1. Основы теплового баланса в кабинах мобильных сельскохозяйственных энергетических средств.

2.2. Влияние кондиционера на тепловой баланс рабочей зоны водителя (оператора) мобильного сельскохозяйственного энергетического средства

2.3. Математическая модель процессов тепломассообмена в испарительной насадке водоиспарительного охладителя.

2.4. Капиллярное течение жидкости и его роль в теплообмене испарительного устройства

2.5. Аналитический метод определения теплового баланса оператора МСЭС

3. Планирование и постановка экспериментальных исследований

3.1. Общая характеристика и состав экспериментальных исследований

3.2. Объекты исследований

3.3. Параметры, способы их регистрации, выбор и описание из мерительной аппаратуры

3.4. Планирование эксперимента

3.5. Методика проведения лабораторных исследований системы стабилизации температурно-влажностных параметров воздуха.

3.5.1. Лабораторные исследования теплообменных элементов испарительной насадки воздухоохладителя

A. Исследование движения влаги в рабочих элементах испарительной насадки и его влияния на тепломассобмен

B. Термометрирование каналов испарительной насадки водоиспарительного охладителя.

3.5.2. Проверка работоспособности водоиспарительного охладителя

3.6. Методика проведения полевых испытаний водоиспарительного охладителя

3.6.1. Определение наружных условий проведения эксперимента

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований и их анализ

4.1. Статистическая обработка результатов математических исследований и лабораторных экспериментов с фрагментом испарительной насадки

4.2. Рабочие характеристики охладителя водоиспарительного принципа действия. Предложения по конструированию водоиспарительного охладителя

4.3. Исследование и оценка температурного поля в кабинах мобильных энергетических средств использующих водоиспарительный охладитель

5. Экономическое обоснование использования водоиспарительного охладителя для нормализации температурно-влажностных параметров в кабинах мобильных энергетических средств

ВЫВОДЫ

Мобильные сельскохозяйственные энергетические средства (МСЭС), как и многие другие современные технические устройства, «потребляются» человеком, и их свойства, определяющие возможность удовлетворения потребностей общества, называют потребительскими. Их можно разделить на три основные группы: эксплуатационные, социальные и эстетические. Эксплуатационные, в свою очередь, делятся на функциональные и эргономические. Эргономические свойства МСЭС, как и любой продукции, оцениваются по антропометрическим, физиологическим, психофизиологическим и гигиеническим показателям. В настоящей работе будет продолжено рассмотрение способа приведения гигиенического показателя, включающего температурно-влажностные параметры воздуха рабочей зоны оператора МСЭС, в соответствие с требованиями стандарта [1; 2] применением рекуперативного водоиспарительного охладителя с развитой поверхностью теплообмена.

К настоящему времени накоплен большой опыт создания мобильных энергетических средств с заданными функциональными свойствами, т.е. свойствами, которые определяют его соответствие основной функции. К основным показателям функциональных свойств можно отнести: габаритные размеры, параметры массы и грузоподъемность (вместимость), скоростные и тормозные свойства, устойчивость против опрокидывания, заноса и бокового скольжения, топливную экономичность. Как правило, эти свойства ограничиваются уровнем развития техники, однако и на достигнутом уровне могут быть свои ограничения. Например, по возможностям водителя.

Мобильные энергетические средства эксплуатируются в разнообразных дорожно-климатических условиях - от крайнего юга до крайнего севера, на дорогах с твердым и деформируемым покрытиями, т.е. в большом диапазоне коэффициентов сцепления, на равнине и в высокогорных условиях. Поэтому важными дополнительными показателями функциональных свойств являются показатели универсальности применения - диапазон рабочих значений климатических факторов (температур, высоты над уровнем моря), проходимость и др.

Таким образом, функциональные свойства, взятые все вместе, по существу, характеризуют пределы эксплуатационных возможностей мобильного энергетического средства. Степень приближения к этим пределам в процессе эксплуатации зависит от многих факторов, в том числе и от эргономических свойств мобильного энергетического средства, т.е. его соответствия анатомо-физиологическим и психологическим требованиям.

Эргономические свойства мобильного энергетического средства влияют на безопасность движения, на надежность реализации скоростных и тормозных его качеств, а также на изменение надежности управления в зависимости от продолжительности работы водителя. Несоответствие психических и психофизиологических показателей удобства управления требованиям водителя является дополнительным психическим стрессом (фактором, вызывающим стресс), а несоответствие требованиям водителя гигиенических показателей рабочей среды - физиологическим стрессом.

При управлении мобильным энергетическим средством с неудовлетворительными эргономическими свойствами уровень стресса может превзойти допустимый, и стресс станет отрицательным фактором, систематическое воздействие которого на человека может вызвать патологические изменения в его организме, если период отдыха между периодами стресса будет короче времени, необходимого для полного восстановления жизнеспособности организма. Неблагоприятный микроклимат оказывает отрицательное влияние на работоспособность человека, становится причиной чрезмерной утомляемости, способствует потере бдительности и концентрации внимания, вследствие чего понижается работоспособность человека и увеличивается количество ошибок в работе.

Изменения психофизиологического состояния человека под действием метеорологических факторов «температуры, влажности воздуха, солнечной радиации, атмосферного давления) довольно существенны. Необходимость учета этого состояния обуславливается тем, что приспособление организма к изменяющимся климатическим воздействиям происходит сложными путями через центральную нервную систему и выражается прежде всего в изменении обменных процессов между клеткой и окружающей ее средой.

Клетка является тем основным "кирпичиком", из которого создан человек и в частности его центральная нервная система. Изменение на клеточном уровне, в конечном итоге, отразится на состоянии центральной нервной системы, а следовательно и на всех производственно-значимых психофизиологических показателях механизатора.

В условиях жаркого лета снижаются обменные процессы в клетке, что ухудшает функциональные возможности центральной нервной системы человека, увеличивая вероятность создания аварийных ситуаций и увеличения количества ошибок в работе.

Специальные исследования, проведенные на территории Саратовской обл. и Краснодарского края показали, что в летний период года в дни с температурой воздуха, равной или меньшей 23° С, лобовые столкновения происходят в среднем одно в 3 дня. При температуре более 27° С этот вид ДТП практически совершается ежедневно. При повышенной температуре окружа- ющего воздуха растет и число людей, вовлеченных в ДТП. Если в прохладные дни ежедневно в среднем погибало или было травмировано 0,3 чел., то в жаркие - до 2,1 чел. В дни с температурой окружающего воздуха более 27° С материальный ущерб, нанесенный от всех видов ДТП в среднем возрастает в ЗД раза по сравнению со средней стоимостью ДТП, совершенного при температуре окружающего воздуха 23° С и ниже [3].

Возрастание числа ДТП и их тяжести при температуре, равной или более 27° С, связано с тем, что в условиях высоких температур сильно усложняется психическая деятельность водителя, причем чем сложнее задачи приходится решать водителю, тем больше ошибок допускается при этом. Исследования в лабораторных условиях представителей операторска-го труда по уровню решения логических задач, близкому к водительскому, показали, что работоспособность уже начинает падать при температуре окружающего воздуха 26-27° С, при этой же температуре начинает резко увеличиваться число ошибок в деятельности [4]. Но связь между возрастающей температурой окружающего воздуха и работоспособностью весьма своеобразна. Чем больше температура воздуха,чем ближе она к температуре тела чаловека, тем больше снижаатся работоспособность на каждый градус увеличения температуры. Так, при температуре воздуха 30° С работоспособность снижается на 7%, а при 33° С - уже на 25%. Дальнейшее увеличение температуры воздуха до 36° С снижает работоспособность до 55%. Если при температуре воздуха 33° С средний оператор совершал около 40 ошибок в 1час, то повышение температуры всего на 2° С увеличивает число ошибок до 175 [5].

Согласно медико-техническим требованиям температура воздуха в кабине транспортного средства не должна превышать 28° С при относительной влажности 40 - 60%. Отклонение температуры от оптимальных параметров приводит к увеличению ошибок на 8 - 10% и снижает производительность труда на 5%.

Быстрое развитие переутомления объясняется конкурентными взаимоотношениями функциональных систем, обеспечивающих с одной стороны выполнение физической и умственной работы с другой термостабильность организма.

Возможность поддержания в рабочей зоне водителя микроклимата, наиболее благоприятного для самочувствия, приводит к необходимости использования специальных установок. Охлаждение воздуха в кабинах мобильных энергетических средств реализуется применением различных систем кондиционирования. Водоиспарительное охлаждение, осуществляемое в более узком диапазоне положительных температур, в сравнении с холодильными установками имеет ряд неоспоримых преимуществ над ними по энергетическим и материальным затратам, и в силу этого - по себестоимости. Испарительные холодильные агрегаты наименее энергоемкие и сравнительно дешевые. Расчеты, проведенные по методике предложенной Прохоровым В.И. [6] показали, что испарительные кондиционеры имеют минимальные приведенные затраты. Экономичность кондиционеров подтверждается расчетами других авторов [7;8;9]. Для их изготовления не требуется дефицитных материалов. Они экологически безвредные, имеют низкую потребляемую мощность, саморегулируемы по эффективности охлаждения в зависимости от температурно-влажностного состояния охлаждаемого воздуха. Хладагентом в этих установках является вода. Обслуживание и ремонт таких кондиционеров может осуществляться силами рядовых механиков. Охладителями водоиспарительного принципа действия оснащаются тракторы Т-150, Т-70С, МТЗ-80, ДТ-75 и др.

Работы в области водоиспарительного охлаждения ведут ряд научно-исследовательских и конструкторских организаций: НАТИ, Саратовский НИИСГ, Воронежский ГАУ и др. Однако несмотря на большое количество работ, связанных с водоиспарительным охлаждением, водоиспарительные охладители не получили широкого применения как устройства для нормализации температурно-влажностных параметров в кабинах мобильных сельскохозяйственных энергетических средств. Существующие водоиспарительные охладители имеют ряд недостатков, ограничивающих их использование. В первую очередь, глубина охлаждения основного потока воздуха полностью зависит от относительной влажности общего потока, проходящего по каналам испарительной насадки. Попытки снизить влажность входящего в испарительную насадку воздушного потока применением различного рода осушителей приводят либо к значительному усложнению конструкции охладителя, увеличению его массы и габаритов, а следовательно, и к увеличению его себестоимости, либо к увеличению сопротивления воздушного потока на входе в охладитель, что приводит к уменьшению объема охлажденного воздуха, подаваемого к потребителю. Кроме этого, существующие конструкции водоиспарительных охладителей не используют в полном объеме энергию фазового перехода жидкости, которая зачастую в значительной мере выбрасывается в окружающую среду вместе с вспомогательным воздушным потоком в мелко распыленном виде.

Таким образом, обладая в принципе достаточными функциональными возможностями, эксплуатационной надежность, простотой конструкции, экономичностью, экологической чистотой, водоиспарительное охлаждение не нашло широкого применения для нормализации температурно-влажностных параметров в кабинах мобильных энергетических средств.

Однако нормализация температурно-влажностных параметров в кабинах мобильных сельскохозяйственных энергетических средств возможна применением водоиспарительных охладителей с повышенными энергетическими показателями, полученными интенсификацией тепломассообмена в каналах насадки. Для более успешной реализации потенциала испарительного охлаждения необходимы дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования в направлении интенсификации испарения и теплообмена. Исходя из выше сказанного, цель настоящей работы может быть сформулирована следующим образом: нормализация температурно-влажностных параметров воздуха рабочей зоны оператора мобильного сельскохозяйственного энергетического средства и приближение их к комфортным методом интенсификации тепломассообмена в испарительной насадке водоиспарительного охладителя, применяемого для кондиционирования воздуха.

Для достижения поставленной цели в работе предусматривается решение следующих задач исследования:

1. построение математической модели тепломассообмена косвенного водоиспарительного охладителя воздуха с развитой поверхностью с учетом капиллярной подачи влаги;

2. определение конструктивных параметров и эффективных режимов работы рекуперативного косвенного водоиспарительного охладителя воздуха с развитой поверхностью теплообмена посредством численной реализации математической модели;

3. изучение теплофизических процессов в насадке водоиспарительного косвенного охладителя воздуха на экспериментальной основе;

4. испытания водоиспарительных охладителей в лабораторных условиях и при установке их в кабинах мобильных сельскохозяйственных энергетических средств;

5. разработка способа оценки тепловой нагрузки на оператора мобильного сельскохозяйственного энергетического средства.

В диссертационной работе, предложена усовершенствованная математическая модель тепломассообмена с учетом конвективной диффузии и капиллярного течения жидкости при нижнем орошении испарительных пластин, а также предложен способ интенсификации процессов тепломассообмена применением оребрения поверхности теплообмена. Предложен способ расчета теплового баланса оператора МСЭС. Проведены экспериментальные исследования двух типов водоиспарительного охладителя на базе сравнения прямоточного и противоточного регенеративного косвенни-ков с развитой поверхностью теплообмена.

Научная новизна работы состоит: в предложении математической модели, позволяющей исследовать тепло-массобмен косвенного испарительного воздухоохладителя с учетом капиллярного движения жидкости для случая с нижним подводом воды и установить важнейшие геометрические и режимные параметры для конструирования охладителя; в предложении способа интенсификации тепломассообмена методом развития теплопередающей поверхности по сухим каналам, имеющей развитое оребрение в каналах общего потока; в разработке экспериментальной установки, позволяющей исследовать изменение температурного параметра воздуха, протекающего в каналах испарительной насадки водоиспарительного охладителя; в предложении способа оценки тепловой нагрузки на оператора мобильного сельскохозяйственного энергетического средства, позволяющего оценить условия работы и эффективность воздействия охладителя на оператора. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили теоретическое обоснование применения водоиспарительного охладителя для нормализации микроклимата в рабочей зоне оператора мобильного энергетического средства, выявили закономерности изменения воздушного потока в каналах испарительной насадки. Найдены некоторые условия оптимизации тепломассообмена в охладителях водоиспарительного принципа действия. Эти результаты являются практической ценностью данной работы.

На защиту выносятся:

1. математическая модель, позволяющая исследовать тепло-массобмен косвенного испарительного воздухоохладителя с учетом капиллярного движения жидкости для случая с нижним подводом воды и развитой поверхностью теплообмена;

2. теоретический и экспериментальный анализ влияния развития поверхности теплообмена методом оребрения поверхности «сухих» каналов испарительной насадки на холодопроизводительность и глубину охлаждения водоиспарительного охладителя;

13

3. результаты экспериментальных исследований энергетических показателей водоиспарительных охладителей с различными типами испарительных насадок и развитой поверхностью теплообмена;

4. полученные на основе теоретических и экспериментальных исследований рекомендации;

5. результаты исследования температурного поля в кабинах мобильных сельскохозяйственных средств при использовании водоиспарительного охладителя;

6. способ оценки тепловой нагрузки на оператора мобильного сельскохозяйственного энергетического средства.

Основные положения работы докладывались и получили одобрение на постоянно действующем научно-техническом семинаре стран СНГ «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете (Санкт-Петербург, 1996г., 1998г.), Всероссийской научной конференции в Воронежском военном авиационном инженерном институте (Воронеж, 1997 г.), 52-й научно-технической конференции в Воронежской государственной архитектурно-строительной академии (Воронеж, 1999 г.), научно-технических семинарах в Воронежском государственном аграрном университете им. К.Д. Глинки (Воронеж, 1996- 1999гг.) и др.

1. Влияние температурно-влажностных параметров микроклимата рабочей зоны оператора мобильного сельскохозяйственного энергетического средства на производительность труда и возможные пути создания комфортных условий

151 ВЫВОДЫ:

1. Установлено наличие полусухих-полусмоченных участков капиллярно-пористой поверхности при определенных режимах продувки, чем обосновано моделирование капиллярного движения жидкости с целью учета его в расчетах процесса тепломассообмена.

2. Предложенная математическая модель позволяет исследовать тепло-массобмен косвенного испарительного воздухоохладителя, имеющего развитую оребренную поверхность в каналах общего потока, и установить важнейшие геометрические и режимные параметры для конструирования охладителя;

3. Наиболее интенсивный рост холодопроизводительности происходит при величине развития поверхности от 2 доЗ. Оптимальные границы ширины каналов для гладкой и оребренной поверхности оказываются примерно одинаковыми и находятся в пределах от 1.8 - 2.4 мм;

4. Максимальные значения удельной холодопроизводительности охладителя с оребренной поверхностью теплообмена испарительной насадки при одинаковых режимах продувки превышают аналогичную характеристику охладителей с гладкими поверхностями теплообмена на 3660%.

5. Оптимальное соотношение основного и вспомогательного потоков воздуха составляет 8-10% для оребренной поверхности теплообмена и 2028% для испарительной насадки с гладкой поверхностью теплообмена, что показывает явные преимущества испарительной насадки с развитой поверхностью теплообмена.

6. Установленный температурный профиль по высоте испарительных пластин оказывает влияние местной скорости продувки на теплообмен и доказывает необходимость установки продольных ребер делящих поток по высоте и усредняющих скорость воздуха;

1. ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. -Введ. 01.01.89. -М.: Издательство стандартов,1988.-75с.

2. Варламов В.А. Что надо знать водителю о себе // -М.: Транспорт,1990. -192с.

3. Вайсман А.И. Гигиена труда водителей автомобилей // -М.: Медицина, 1988. -190с.

4. Прохоров В.И. Результаты технико-экономического сравнения трех систем кондиционирования воздуха для кабин тракторов.// -В кн.: Кондиционеры, калориферы, вентиляторы. Вып 1 (6) . М.: ЦНИИТЭ-строймаш, 1971. -С 22-28.

5. Безручко A.C. Оценка способов охлаждения животноводческих помещений// Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства.-1975. -№4 -С. 17-18.;

6. Кокорин О.Я. Установки кондиционирования воздуха. // М: Машиностроение, 1978. -264 е.;

7. Михайлов В.А. Обеспечение нормируемых параметров микроклимата в тракторных кабинах //Тракторы и сельхозмашины. -1990.-№1.- С. 1821.

8. Методические рекомендации по оценке условий микроклимата и прогнозирование его влияния на организм работающего человека, //сост. Л.В. Павлукин JI. 1988г.

9. Минут-Сорохтина О.П. Физиология терморезекции.// М., Медицина, 1977

10. Павлукин Л.В., Тетеревников В.Н. Производственный микроклимат, вентиляция и кондиционирование воздуха.// М., Стройиздат 1990г.

11. Банхиди Л. Тепловой микроклимат помещения.//-М. :- Стройиздат, 1981.-248с.

12. Ладенков В.П. Социально-экономические аспекты улучшений условий труда в сельском хозяйстве // Научн. тр./ ВНИИОТСХ. Орел, 1980. -Вып.2. -с. 21-28.

13. Ривкин С.Л., Кремлевская Е.А. Уравнение состояния воды и водяного пара для машинных расчетов процессов и оборудования электростанций // Теплопередача.-1977.-№3.-с.69-73.

14. Хоцяков Л.К. Учебник гигиены.// Медиздат. М., 1981

15. Витте Н.К. Тепловой обмен человека и его гигиеническое значение.// Госмедиздат., Киев. 1956.

16. Гусаева C.B. Экранирование как средство тепловой защиты кабин.// "Трактора и сельхозмашины". №9. 1973.

17. РуководствсГпо строительной климатологии (пособие по проектированию).//М.: Стройиздат, 1977.-360с.

18. Hantehinson F. W. Heating and Hamidi Fyng Load Analisis Ronald Press// New York, 1962.

19. Оценка теплового состояния организма с целью обоснования оптимальных параметров производственного микроклимата (материалы к методическим рекомендациям) НИИГТ и ПЗАМН СССР.// М.,1982.-21 с.

20. Хохряков В.П. Вентиляция, отопление и обеспыливание воздуха в кабинах автомобилей.//-М.: Машиностроение, 1987. -150с.

21. Сухан Л. Кондиционирование воздуха в глубоких шахтах. //Недрс. М., 1969.

22. W. Eifler, R. Nifsing. Experimental investigation of velocity dishbution and flow resistance in a triangulfr array of parallel rods // Mech. Eng-ngand Design. 1967. V.5.№1. P. 22-42.

23. Вепд В.Ф. Эргономика.// Перевод с польского . М., 1971.

24. W. Stifford. Automotive air-conditioning comesto Canada // pert 1. Canadian Reifrigeration and Air-Conditioning. 28.1962

25. Вайсман А.И. Здоровье водителей и безопасность дорожного движения.// М.: Медицина, 1979. 136с.

26. Малышева А.Е. Физиолого-гигиенические обоснования метеорологических условий, обеспечивающих тепловой комфорт.//- В кн.: Кондиционирование воздуха в жилых и общественных зданиях. М.: Строй-издат, 1964. с. 4-16.

27. Кандрор И.С., Демина Д.М., Ратнер Е.М. Физиологические принципысанитарно-климатического районирования территории СССР.//-М.: Медицина, 1974.-176с.

28. Гигиена производственного микроклимата.//- Киев: Здоровье, 1977. -287 с.

29. Воронин Г.И. Системы кондиционирования воздуха на летательных аппаратах.//М.: Машиностроение, 1973. -444с

30. Ахмеджанов М.А., Султанов А.С. Состав и температура воздуха в кабине трактора // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. -1975.-№12.с.42-43

31. Лях Г. Д., Смола В.И. Кондиционирование воздуха в кабинах транспортных средств и кранов.// -М.: Металлургия, 1982.- 128 с.

32. Мануковский А.Ю., Макеев В.Н. К обоснованию систем кондиционирования воздуха на базе термоэлектрических воздухоохладителей в кабинах лесных машин. //Воронежская гос. лесотех. Академия, Воронеж, 1993, 7с., Библиограф.: -Рус. -Деп. №2806 -лб 93,19.05.93.

33. Коленко В.Д. и др. Тракторный автомобильный кондиционер КТ-4.// Холодильная техника. №19, 1979

34. Новые методы расчета комфортных условий микроклимата в кабине.// -М., 1982.-54 с.-( Сер. "Сельскохозяйственные машины" ЦНИИТЭИт-ракторсельхозмаш, №14).

35. U. S. car air-conditioning record.// Heotingang Kentlationing Engineers, №3, 1967.

36. Прохоров В.И., Илизаров А.И. Результаты испытаний экспериментальных охладителей. Кондиционеры, калориферы, вентиляторы.// Серия VI8. Вып. 1. ЦНИИТЭ строймаш, М., 1973.

37. Бондарь П.Т, Хейфец В.З., Щекин И.Р. Зарубежные кондиционеры для транспортных машин // Обзор информац. М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1982.- 40с.

38. Зарубежные системы нормализации микроклимата в кабинах тракторов.// Сер. "Тракторы, самоходные шасси и двигатели"-: Обзор .-М., 1978. -28с/

39. Е.Н. Григорьев, М.В. Михайлов. Перспективы художественного конструирования тракторов и сельхозмашин // Тракторы и сельхозмашины.- 1983.-№9.- с. 37-39.

40. Кальченко и др. Разработка унифицированного охладителя ВИТ-600 со встроенным отопителем для кабин пахотных тракторов // Тракторы и сельхозмашины.-1986 -№9.-с.16-18.

41. Блажко А.Н. и др Унифицированный охладитель отопитель ВТ-400: Экспресс-информ. Вып. 19 //. - М.: ЦНИИТЭИтракторсельхозмаш, 1981 (Сер. Тракторы, самоходные шасси и двигатели, агрегаты и узлы).

42. Майсоценко B.C. Системы кондиционирования воздуха для автомобилей // Автомобильная промышленность. -1986.- №10.-с.22-24.

43. Майсоценко B.C. Установки косвенно-испарительного принципа действия // Известия вузов. Строительство и архитектура. -1980.-№7. -с. 98-106.

44. Кокорин О.Я., Михайлов В.А. Применение кондиционера косвенно-испарительного охлаждения для кабин тракторов, комбайнов и строительно-дорожных машин // Водоснабжение и санитарная техника. -1973.-№11. -с. 17-19.

45. Лавриченко Г.К, Дорошенко A.B., Демьяненко Ю.И. Разработка косвенно-испарительных воздухоохладителей для системы кондиционирования воздуха // Холодильная техника.- 1988.- №10.-с.28-33.

46. Михайлов В.А. Системы кондиционирования воздуха с увлажненными насадками для кабин сельскохозяйственных тракторов // Тракторы и сельхозмашины. -1985.-№12.-с. 15-18.

47. Циммерман А.Б, Пекер Я.Д., Зексер М.Г., Майсоценко В.С и др. Новый тип бытового кондиционера //Электротехника.-1985.-№6.-с.26-27.

48. А. с. 759801 СССР, Кл F 24 F 3/14. Охладитель воздуха/ B.C. Майсоценко, А.Б. Циммерман, М.Г. Зексер (СССР).- №2703774/23-06; Заявлено 25.12.78; 0публ.07.01.81, Бюл. №1.-6с.: ил.

49. А. с. 840593 СССР, Кл F 24 F 3/14. Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха /B.C. Майсоценко, А.Б. Циммерман, М.Г. Зексер (СССР). -№2747151/29-06;/ Заявлено 05.04. 79; Опубл. 23.06.81, Бюл. №23 .-4с.: ил.

50. А. с. 866348 СССР, Кл F 24 F 3/14. Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха / B.C. Майсоценко, А.Б. Циммерман, М.Г. Зексер (СССР). №2843 767/29-06: Заявлено 08.10.79: Опубл. 23.09.81, Бюл. №35.-4с.: ил.

51. А. с. 866349 СССР, Кл F24 F 3/14. Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха /ML А. Аюпов, С.З. Бондаренко, В.Н. Бочаров и д.р. (СССР).-№2846494,29-06; Заявлено 19.10.79: Опубл. 23.09.81, Бюл. №35.-4с.: ил.

52. А. с. 887278 СССР, Кл В60 H 3/00. Кондиционер для транспортного средства / B.C. Майсоценко, А.Б. Циммерман, М.Г. Зексер (СССР). -№2837653/27-11: Заявлено 11.11.79: 0публ.07.12.81, Бюл. №45. -6с.: ил.

53. А. с. 924457, Кл F 24 F 3/14. Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха /Ф.Ф. Войников, М.Г. Зексер, B.C. Майсоценко, А.Б. Циммерман (СССР).- №2986938/29-06: Заявлено 02.10.80; Опубл. 30.04.82, Бюл.№16,- 4с.:ил.

54. А. с. 937904 СССР, KjtF 24 F 3/14. Охладитель воздуха/ B.C. Майсоценко, А.Б. Циммерман, Л.Н. Шамранова (СССР). -№2989039/29-06; Заявлено 02.10.80; Опубл. 23.06.82, Бюл.№23.-6с.:ил.

55. А. с. 1632806, Кл В 60 H 3/06. Центробежный вентилятор для транспортного средства / Е.А. Галкин, И.Б. Журавец, В.П. Шацкий., и др. (СССР).-№4670338/21-11; Заявлено 30.03.89; Опубл. 07.03.91, Бюл. №9. -2с.: ил.

56. А. с. 1686269 СССР, Кл F 24 F 3/14. Устройство для косвенно-испарительного охлаждения воздуха / А.Н. Сомов, И.И. Детушев, А.В. Липявка, (СССР).-№4646508/29; Заявлено 09.01.89: Опубл. 23.10.91, Бюл. №39.-Зс.: ил.

57. А. с. 1721398 СССР, Кл F 24 F 3/14. Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха / В.Е. Писарев, Е.А. Кузнецова, (СССР).- №4843002/29; Заявлено 26.06.90; Опубл. 23.03.92, Бюл. №11. -Зс.: ил

58. А. с. 1725029 СССР, Кл F 24 F 3/14. Установка для косвенно-испарительного охлаждения воздуха / Б.Н. Юрманов, С.М. Анисимов, A.A. Ермошкин, (СССР).-№4823287/29; Заявлено07.05.90; Опубл. 07.04.92, Бюл. №13.-3с.: ил.

59. А. с. СССР, 1729834, Кл В 60 Н 3/02. Охладитель воздуха / Е.А. Галкин, И.Б. Журавец, В.П. Шацкий, и др. (СССР). -№4767667/21-11; Заявлено 12.12.89; Опубл. 30.04.92, Бюл.№16.-4с.: ил.

60. А. с. 1735671 СССР, Кл F 24 F 3/14. Устройство для косвенно-испарительного охлаждения воздуха / А.Б. Циммерман, М.С. Зексер, И.М. Печерская и др.(СССР). -№4482875,29; Заявлено14.09.88; Опубл. 23.05.92, Бюл.№19.-4с.: ил.

61. Унифицированный охладитель отопитель ВТ-400: Экспресс-информ. Вып. 19 / А.Н. Блажко и др. - М.: ЦНИИТЭИтракгорсельхозмаш, 1981 (Сер. Тракторы, самоходные шасси и двигатели, агрегаты и узлы).

62. Михайлов В.А. Испарительные насадки воздухоохладителей кабин: конструктивные особенности // Тракторы и сельхозмашины. -1984. -№3 -с. 12-15.

63. Михайлов В.А. Контактные аппараты испарительных воздухоохладителей кабин: конструктивные особенности // Тракторы и сельхозмашины. -1989.-№11-е. 12-15.

64. Михайлов В.А, Окладников Л.Г., Супрун С.Г., Вальдман Г.С. Воздухоохладители для кабин хлопководческих тракторов // Тракторы и сельхозмашины.- 1990. -№7. -с. 10-12

65. Михайлов В.А. Оценка эффективности работы испарительного воздухоохладителя кабин пахотных тракторов // Тракторы и сельхозмашины. -1987. -№1.-с.26-29

66. A.C. Безручко. Оценка способов охлаждения животноводческих помещений// Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. -1975. -№4. -с. 17-18.

67. Колин Ю.Н. Теплопередача в рекуператорах при температурном изменении коэффициентов теплопередачи // Научн. тр./ НПО НАШ. -М., 1986,- Исследование средств нормализации параметров микроклимата в кабинах тракторов и комбайнов, -с.30-41.

68. Колин Ю.Н. Методика расчета термодинамически оптимального режима работы тракторного кондиционера с воздушной холодильной машиной // Тракторы и сельхозмашины. -1980.- №11. -с. 16-17.

69. B.C. Майсоценко. Тепломассообмен в регенеративных косвенно-испарительных воздухоохладителях // Известия вузов. Строительство и архитектура.- 1980.-№7.-с. 91-96.

70. А.Б. Циммерман, B.C. Майсоценко, И.М. Печерская. Косвенно-испарительный охладитель нового типа // Холодильная техника. -1976. -№3. -с. 18-21.

71. А.Б. Циммерман, Я.Д. Пекер, М.Г. Зексер, B.C. Майсоценко и др. Новый тип бытового кондиционера //Электротехника.-1985.-№6.-с.26-27

72. Михайлов М.В., Гусева C.B. Микроклимат в кабинах мобильных машин.// М.: Машиностроение, 1977. -230с.

73. Михайлов М.В. Расчет теплопоступлений в кабину через прозрачные ограждения // Механизация и электрификация социалистического хозяйства. -1975. -№10.-с.38-42.

74. Маляренко Л.Г. О расчетных параметрах транспортного кондиционера // Тракторы и сельхозмашины. 1975. -№1. - с. 14-16.

75. Маляренко Л .Г, Семянникова М.Г. Расчет тепловой нагрузки на кабину трактора // Тракторы и сельхозмашины.-1976.-№7. -18-21.

76. Деревянко В.И, Овсянников Е.П., Криводубский О.А, Пономарев А.И. Расчетный анализ тепловых потоков в кабины тракторов и сельхозмашин. / // Тракторы и сельхозмашины.-1972.- №2.-с8-10.

77. Михайлов М.В. Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в кабине: усовершенствованный метод расчета характеристик // Тракторы и сельхозмашины. -1991.-№6.-с.28-32.

78. Минченко М.Е., Зацепин М.А., Гебель В.А. Микроклимат в кабине трелеровочного трактора//Тракторы и сельхозмашины. 1983. -№6. -с. 14-15

79. Богословский В.Н. Строительная теплофизика.// Высшая школа. М., 1970

80. Шацкий В.П. Методы выбора параметров воздухоохладителей водо-испарительного типа для нормализации температурно-влажностных режимов в кабинах мобильных сельскохозяйственных машин.// Дис. на соиск уч. степени док. техн. наук ВГАУ, Воронеж.-1994

81. Шацкий В.П. Нормализация температурно-влажностных параметров в кабинах мобильных машин (Повышение эксплуатационных свойств тракторов и сельскохозяйственных машин).// Воронеж, гос. аграр. университет.- 1994

82. Эккерт Э.Р., Дрейк P.M. Теория тепло и массообмена.

83. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник// Е.В. Аметисов, В.А. Григорьев и др.: Под общей редакцией Григорьева- М. ;Энергоиздат 1982. 512 с.

84. Галкин Е.А. Применение водоиспарительных охладителей для улучшения температурно-влажностных параметров в кабинах мобильных сельскохозяйственных машин// Дис.на соискание уч. степени канд. техн. наук ВГАУ, Воронеж 1995

85. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям.// М.: Машиностроение, 1975. -559 с.

86. Стандарт ISO-7243: 1989(E).

87. Каспаров A.A. Гигиена труда и промышленная санитория.// М. : Медицина, 1981. -368 с.

88. Зоколей C.B. Архитектурное проектирование, эксплуатация объектов, их связь с окружающей средой.// М.: Стройиздат, 1984 - 670с.

89. Исаченко В.П, Осипова В.А, Сукомел A.C. Теплопередача.// М.: Энер-гоиздат, 1981.-280 с.

90. Лакеева И.Ф., Горшков С.И., Николаев Ю.Д. Локальное охлаждение как метод нормализации теплового состояния человека в условиях нагревающего микроклимата.// Сб. трудов МНИ им. Ф.Ф. Эрисмана- M Гигиена и санитария. №12. 1967. стр. 27-30

91. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи // Пер. с англ. М.: Мир, 1983.-512 е., ил.

92. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментальных исследований и обработка оиытных данных.//-3-е изд., перераб. и доп.-М.: Колос, 1973. -200 с.

93. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента.// М.: Металлургия, 1969.-158с.

94. Алексеев С.П, Андреева-Галанина Е.И., БабайцевИ.В. и др., Под ред. Злобинского Б.М. Исследования и испытания //Учебное пособие.-Металлургия, 1976. -400 с.

95. Завалишин Ф.С., Мацнев М.Г. Методы исследований по механизации сельскохозяйственного производства.//-М.: Колос, 1982.-230 с.

96. Поляев В.М., Харбин Э.В., Бочарова И.Н. Экспериментальные исследования испарительного пористого охлаждения //ТВТ.-1975. Т. 13.-№7.-с.216-218.

97. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник // Под общ. Ред. Чл.-кор. АН СССР В.А. Григорьева, В.М.

98. Зорина. М.: Энергоатомиздат, 1988. -560с. (Теплоэнергетика и теплотехника; кн.2).

99. Румынский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимен-та.//-М.: Наука, 1971.-192с.

100. Заявка № 98119335/06 (021427) на изобретение «Устройство для косвенно-испарительного охлаждения воздуха».// Журавец И.Б., Шуклин И.К. Решение о выдаче патента на изобретение от 28.02.2000 №14/98, приоритет с 26.10.98.

101. А.Н. Колесников. Социально-психологические аспекты условий труда и быта и закрепление кадров в сельском хозяйстве // Научн. тр. ВНИИОТСХ. Орел.- Вып. 2. - 1980. -с. 28-33.