автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Система нормализации микроклимата на основе вихревого эффекта кабины водителя городского и пригородного автобусов

Введение.

Глава 1. Условия труда водителя и обеспечение микроклимата в кабинах транспортных средств.

1.1 Условия труда водителей в кабинах транспортных средств и санитарно-гигиенические требования.

1.2 Социально-экономическая эффективность улучшения микроклимата на автотранспортных средствах.

1.3 Обзор систем нормализации микроклимата в кабинах транспортных средств.

1.4 Цель и задачи исследования.

Глава 2. Исследование теплофизических, эргономических параметров кабины водителя и эксплуатационных характеристик городского автобуса.

2.1 Экспериментальное изучение теплового режима и оценка микроклимата кабины водителя городского автобуса "Волжанин-5270".

2.2 Исследование режимов работы автобуса и скоростных характеристик его двигателя в режиме городского цикла.

2.3 Выбор расчетных параметров микроклимата в кабине водителя городского и пригородного автобусов.

2.4 Математическая модель и методика расчета теплового баланса кабины водителя автобуса.

2.5 Автоматизация и алгоритм расчета теплового баланса кабины.

2.6 Примеры расчета теплового баланса кабины автобуса "Волжанин-5270" с различными вариантами тепловой защиты.

Выводы.

Глава 3. Теоретическое обоснование системы кондиционирования на основе вихревого эффекта кабины водителя автобуса.

3.1 Обоснование конструкции экспериментального образца системы кондиционирования на основе вихревого эффекта кабины водителя автобуса.

3.2 Математическая модель и методика расчета системы кондиционирования кабины водителя городского и пригородного автобусов.

Выводы.

Глава 4. Испытания экспериментального образца системы кондиционирования на основе вихревого эффекта кабины водителя автобуса "Волжанин-5270".

4.1 Цель и задачи испытаний. Программа и методика их проведения.

4.2 Экспериментальная установка, измерительные приборы и приспособления.

4.3 Методика проведения эксперимента.

Выводы.

Глава 5. Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований.

5.1 Анализ данных поискового эксперимента.

5.2 Анализ данных натурного эксперимента.

5.3 Технико-экономическая эффективность внедрения системы кондиционирования на основе вихревого эффекта.

Выводы.

Уровень развития современной техники предопределил новые задачи, поставив на одно из первых мест проблему "человек-машина-среда". Человек становится активной составной частью этой системы, поэтому возрастает его роль в управлении машиной.

Одно из основных требований, предъявляемых к современным транспортным средствам, - обеспечение на рабочем месте водителя комфортных параметров микроклимата. Многочисленными экспериментальными исследованиями установлено отрицательное влияние неблагоприятного микроклимата в кабине на эффективность эксплуатации транспортного средства: снижается работоспособность водителя, ухудшается состояние его здоровья и создаются условия, понижающие производительность труда и увеличивающие аварийность в транспортном потоке.

Поэтому обеспечение оптимального температурного режима в кабинах транспортных средств не только желательно, но и необходимо. Актуальной задачей является, в частности, обеспечение микроклимата в кабинах водителей автобусов.

Новые модели отечественных автобусов выведены на современный уровень по многим показателям качества, за исключением показателя обеспеченности в кабинах необходимых параметров микроклимата в жаркое время года. Решить данную проблему с помощью фреоновых кондиционеров зарубежного производства не удается из-за их высокой стоимости. Надо добавить, что с 1997г. все производители кондиционеров перешли на новый, экологически чистый фреон Я-134а [3]. Это требование Киотского соглашения о сокращении эмиссии парниковых газов, которое подписала и Россия. Ранее адаптированные в России системы требуют дополнительной доработки: нужны другие компрессоры, теплообменники, арматура, новое оборудование и инструменты для сервиса, которые в нашей стране не производятся.

Стоимость современных фреоновых кондиционеров для кабины водителя автобуса составляет не менее 3500 дол. США, что составляет 10 % стоимости автобуса [19], эксплуатационные расходы также довольно велики, они равны 30 - 80 % первоначальной стоимости кондиционера [36, 43].

Заказчики автобусов на внутреннем рынке по экономическим соображениям отказываются устанавливать фреоновые кондиционеры для кабины водителя и пассажирского салона, вследствие этого отечественные городские и пригородные автобусы эксплуатируются, как правило, без систем кондиционирования воздуха (СКВ).

Анализ альтернативных источников холода показал, что требования по низким затратам на производство и эксплуатацию, по надежности, безопасности и экологичности в полной мере удовлетворяют СКВ использующие вихревые трубы (ВТ) в качестве холодильной машины. Рабочим телом для вихревой холодильной машины является сжатый воздух, который во время холодильного цикла в ВТ разделяется на два вихревых потока, охлажденный и нагретый.

В настоящее время ВТ нашли широкое применение в авиации и на железнодорожном транспорте в качестве автономного источника холода для малых объемов. В основном это охлаждение ответственных блоков радиоэлектронной аппаратуры и индивидуальное кондиционирование защитного снаряжения пилотов в авиации, транспортные холодильники [10, 68] и вихревые кондиционеры воздуха для кабин машинистов электровозов, сочетающие эффекты вихревого и испарительного охлаждения [11].

Но попытки создания кондиционера для кабины водителя автотранспортного средства (АТС), использующего вихревой эффект, находятся на стадии аналитических расчетов и пока не имеют практического внедрения [34].

Решить проблему кондиционирования кабины водителя АТС с помощью вихревой холодильной машины возможно путем экспериментальных исследований по согласованию и оптимизации режимных и геометрических параметров вихревой трубы и рабочих характеристик компрессора, зависящего от эксплуатационных характеристик двигателя АТС.

Нерешенной задачей является подача и распределение охлажденного в ВТ потока воздуха внутри салона при эффекте понижения температуры в ВТ на 35 - 40 К (° С). Для решения данного вопроса предложен вентиляторный доводчик, обеспечивающий регулирование температуры, смешивание и подачу кондиционированного воздуха через воздуховоды в салон.

Работа по внедрению систем нормализации микроклимата с использованием вихревой трубы лежит на стыке инженерных наук: автомобильного машиностроения, теплофизики, термодинамики, гигиены труда, климатологии, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Целью настоящей диссертационной работы является повышение эффективности эксплуатации городского и пригородного автобусов в жаркое время года на основе улучшения состояния температурного режима в кабине водителя с помощью системы нормализации микроклимата с использованием вихревого эффекта.

В методике исследования использована оптимизация работы СКВ на основе вихревой трубы, работающей от автономного источника сжатого воздуха, с помощью теории многофакторного планирования эксперимента и метода движения по градиенту.

Объект исследования - система нормализации микроклимата с использованием вихревой трубы и системой доводки охлажденного воздуха в кабине водителя автобуса марки "Волжанин-5270".

В качестве предметов теоретического и экспериментального исследования выбраны рабочие режимы и геометрические параметры вихревой холодильной машины, эксплуатационные показатели системы "автомобильный компрессор - вихревая труба", динамика теплового баланса кабины автобуса при кондиционировании ее системой, использующей вихревую холодильную машину.

Работа состоит из 5 глав. В первой главе рассмотрены проблемы обеспечения микроклимата в кабинах транспортных средств, обоснован выбор вихревой трубы в качестве источника холода для СКВ кабины водителя, сформулированы цель и задачи дальнейших исследований.

Во второй главе проведено исследование условий труда водителя в кабине городского автобуса, дано описание математической модели теплового баланса кабины водителя транспортного средства.

В третьей главе выполнено теоретическое обоснование и расчет параметров экспериментальной установки СКВ с использованием вихревой трубы для кабины водителя автобуса "Волжанин-5270".

В четвертой главе описаны методики многофакторного поискового эксперимента и натурного исследования экспериментального образца системы нормализации микроклимата на основе вихревого эффекта кабины водителя.

В пятой главе выполнен анализ теоретических и экспериментальных исследований системы нормализации микроклимата на основе вихревой трубы.

В работе созданы теоретические предпосылки решения проблемы и на автобусе марки 5270 осуществлено апробирование экспериментального образца системы кондиционирования.

Применение современных методов измерений позволило по полученным результатам эксперимента подтвердить гипотезу о возможности достижения нормативных санитарных норм температурного режима в кабине водителя автобуса "Волжапин-5270" с помощью системы нормализации микроклимата на основе вихревого эффекта.

Результаты исследования будут использованы на ЗАО «Волжское автобусное производство «Волжанин» для изготовления опытного образца системы нормализации микроклимата кабины водителя автобуса «Волжанин» по рекомендациям автора (см. приложение А).

1 УСЛОВИЯ ТРУДА ВОДИТЕЛЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ МИКРОКЛИМАТА В КАБИНАХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Теоретическое и экспериментальное исследование экспериментального образца системы кондиционирования с вентиляторным доводчиком подтвердило гипотезу о возможности достижения нормативных санитарных норм температурного режима в кабине водителя автобуса "Волжанин-5270" с помощью системы нормализации микроклимата на основе вихревого эффекта.

2. Разработана методика комплексного исследования динамического влияния возмущающих воздействий внешних факторов на формирование температурного режима кабины АТС в условиях эксплуатации с помощью многоточечного синхронного температурного мониторинга кабины автономными датчиками-накопителями ТЕРМОХРОН.

3. Впервые получена математическая модель для холодопроизводительности вихревой трубы в системе "автомобильный компрессор — вихревая труба" в зависимости от различных режимов работы двигателя, геометрических параметров соплового ввода и относительной доли холодного потока вихревой трубы. Найдены оптимальные значения факторов, соответствующих максимальному значению холодопроизводительности вихревой холодильной машины.

4. Произведено теоретическое обоснование конструкции опытного образца системы кондиционирования на основе вихревой трубы для кабины водителя автобуса. Разработана схема системы доводки приточного воздуха кондиционера до параметров, соответствующих санитарным нормам.

5. Разработан, собран и испытан на автобусе экспериментальный образец системы кондиционирования воздуха для кабины водителя городского автобуса.

6. Исследованы условия труда водителя в кабине автобуса при городском цикле движения по г. Волжскому в течение 3-х лет в период с конца июля до середины августа. И сделаны следующие выводы: наибольшее количество тепла в кабину поступает через прозрачные ограждения кабины; основными факторами, влияющими на величину теплопоступлений в кабину, являются объем кабины и площадь её прозрачных ограждений.

7. Создана математическая модель теплового баланса кабины водителя АТС, которая позволяет получить необходимые данные и на их основе сформулировать рекомендации для рационального проектирования кабины АТС с учетом комфортных условий работы водителя.

8. Расчетная экономическая эффективность системы кондиционирования на основе вихревого эффекта кабины водителя автобуса "Волжанин-5270" в 2 раза выше, чем у фреонового или термоэлектрического кондиционера.

1. Автомобильные двигатели с турбонаддувом / Н. С. Ханин, Э. В. Аболтин, Б. Ф. Лямцев и др. -М.: Машиностроение, 1991. — 336 с.

2. Адлер Ю. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. -279 с.

3. Барастов Л. П., Маляренко Л. Г. Обеспечение безопасных и комфортных условий труда // Тракторы и сельхозмашины. 2001. № 1. - С. 36 - 38.

4. Белошенко В. А. и др. Технология "¡button" в температурном мониторинге зданий и отопительных ситем. Донецк: Норд Компьютер, 2001.- 151 с.

5. Богданов А. А. Визуализация данных в Microcal Origin. M.: Альтекс- А, 2003.- 104 с.

6. Богословский В. Н. Строительная теплофизика. — М.: "Высшая школа", 1982.-415 с.

7. Будкин А., Колодочкин М. "Кондишенленд" в Гагарине // За рулем. -1999. №6.-С. 52-53.

8. Бушуйкин Ю. М. Кондиционирование воздуха в кабинах локомотивов.— "Труды ЦНИИ МПС." Вып. 411. М., 1970. 80 с.

9. Вильям Орвис. EXCEL для ученых, инженеров и студентов. К.: ЮНИОР, 1999.-529 с.

10. Вихревые аппараты / А.Д. Суслов, C.B. Иванов, A.B. Мурашкин, Ю.В. Чижиков. М.: Машиностроение, 1985.- с. 120.

11. Вихревые кондиционеры воздуха для кабин транспортных средств и производственных помещений Электронный ресурс. : науч. — промышл. журн. / Передовые технологии России Режим доступа к журн.: http://www.technologies.sitek.ru, свободный. - Загл. с экрана.

12. Воронин Г.И. Системы кондиционирования воздуха на летательных аппаратах. М.: "Машиностроение", 1973. 320 с.

13. Высокопроизводительные компрессоры. Информация о продукте / Проспект фирмы "Knorr-Bremse SfN.".

14. Высочин В.А. Исследование рабочего процесса адиабатных вихревых труб: Диссертационная работа на соискание степени к.т.н. Запорожье, 1981.- 146 с.

15. Гулабянц Л. А., Гусева С. В. Защита кабины зерноуборочного комбайна СК-5 от перегрева//Тракторы и сельхозмашины.- 1971. №8.-с. 16-18.

16. Зарубежные системы нормализации микроклимата в кабинах тракторов / Научн. ред. С. В. Гусева. М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1978. -31 с.

17. Козлов А. Ю., Шишов В. Ф. Пакет анализа MS EXCEL в экономико-статистических расчетах. -М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. 139 с.

18. Кокорин О. Я. Установки кондиционирования воздуха. Основы расчета и проектирования. М.: Машиностроение, 1978. 264 с.

19. Компактные накрышные кондиционеры Электронный ресурс. : Webasto В России / Продукция для коммерческих автомобилей Режим доступа к журн.: http://www.webasto.ru/, свободный. — Загл. с экрана

20. Кондиционирование воздуха в кабинах транспортных средств и кранов. Лях Г.Д., Смола В. И. М., «Металлургия», 1982. 128 с.

21. Кондиционирования воздуха и холодоснабжение / В.Н. Богословский, О.Я. Кокорин, J1. В. Петров; под ред. В.Н. Богословского М.: Стройиздат, 1985.-310 с.

22. Коноплянко В. И. Организация и безопасность дорожного движения. М.: «Транспорт», 1991. 183 с.

23. Костин В. Е. Вихревой распылитель жидкости для систем охлаждения воздуха в кабинах транспортных средств: Тез. докл. II Всероссийская конф. "Прогрессивные технологии в обучении и производстве". -Камышин: ВолгГТУ, 2003. 2 с.

24. Кринецкий И. И. Основы научных исследований. Киев Одесса: Вища школа, 1981.-208 с.

25. Лебедев П. Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. — М.: Энергоиздат, 1982.- 175 с.

26. Лэнгли Б. К. Холодильная техника и кондиционирование воздуха / Пер. с англ. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.-480 с.

27. Мазырин Г. П., Бикмулин Р. Р., Карпов А. П. Опыт комплексного решения вопроса нормализации условий труда на рабочих местах Учалинского карьера. Свердловск: ЦНИИПП, 1971. 56 с.

28. Максимов О. Р. Напряженность физиологических функций у машинистов-операторов разного возраста на пультах управления // Гигиена и санитария. 1971. № 3. С. 22.

29. Малышева А. Е. Гигиенические вопросы радиационного теплообмена человека с окружающей средой М.: Медицина, 1963. 243 с.

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

31. Маляренко Л. Г. О расчетных параметрах тракторного кондиционера // Тракторы и сельхозмашины. — 1975. № 1. — С. 15-17.

32. Мартынов А. В и Бродянский В. М. Что такое вихревая труба? М.: Энергия, 1976. 152 с.

33. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969. 184 с.

34. 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

35. Михайлов М. В., Гусева С. В. Микроклимат в кабинах мобильных машин. М., «Машиностроение», 1977. 230 с.

36. Михайлов М. В. Выбор и обеспечение расчетных параметров микроклимата в кабинах тракторов // Тракторы и сельхозмашины. — 2002. №2.-С. 14-16.

37. Михайлов М. В. Унифицированный модульный типаж системы нормализации микроклимата кабин // Тракторы и сельхозмашины. 1998. №4.-С. 22-25.

38. Михайлов В. А. Валасик Е. В., Шалягин В. Н., Сатановский M. Е. Развитие систем кондиционирования воздуха в кабинах самоходных машин. М., ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1972. 30 с.

39. Основы научных исследований: Учеб. для техн. вузов / Под ред. В. И. Крутова, В. В. Попова; М.: Высшая школа, 1989. - 400 с.

40. Павлов A.A., Шипилло C.B., Токарев Е.В. Зависимость надежности транспортных кондиционеров от условий их эксплуатации // Строительные и дорожные машины. 1988. № 8. - С. 21 - 24.

41. Пекл о в А. А. Кондиционирование воздуха. Киев, "Буд1вельник", 1967. 295 с.

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

43. Прохоров В. И. Системы кондиционирования воздуха с воздушными холодильными машинами. М.: Стройиздат, 1980. — 180 с.

44. Прохоров В.И. Холодильная техника, 1974, № 9, с. 51-52.

45. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учебное пособие для вузов / Колчин А. И., Демидов В. П. М.: Высшая школа, 2002. - 496 с.

46. Руденко Р.Н., Мухин O.A. Оценка микроклимата строительных и дорожных машин // Строительные и дорожные машины. 1985. — № 2. — С. 18-21.

47. Савинцев В. И. Пульсационный охладитель газа для кондиционера транспортной машины: Автореферат диссертационной работы на соискание степени к.т.н. Санкт-Петербург, 1992. 22 с.

48. Сафонов В.А. Исследование, выбор оптимальных параметров и расчет вихревых холодильно-нагревательных устройств: Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. М., 1991. - 254 с.

49. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. — 3-е изд., перераб. М: Энергоатомиздат, 1989.- 195 с.

50. Селиверстов В. М., Бажан П. И. Термодинамика, теплопередача и теплообменные аппараты. М.: Транспорт, 1988. - 287 с.

51. Системы воздухораспределения, используемые в кабинах транспортных средств / Научн. ред. В. Михайлов. М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1973.-33 с.

52. Строительные нормы и правила. Отопление, вентиляция и кондиционирование. СНиП 2.05.05 91*. - М.: Минстрой России, 1994.

53. Стоккер В.Ф. Холодильная техника и кондиционирование воздуха. Пер. с англ. Хренникова В.Н. и Бекневой Е.В. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. 1962. 92 с.

54. Таурит В. Р. Раздача воздуха в судовых системах кондиционирования через перфорированные панели. В кн.: Энергоснабжение икондиционирование воздуха на транспорте. Рига, "Зинатне", 1965, с. 227237

55. Теплотехника / Под ред. И.Н. Сушкина. М.: Металлургия, 1973. 145 с.

56. ТЕРМОХРОН / Сертификация Электронный ресурс. : Режим доступа к сайту: http://www.elin.ru/Thermochron/TH2.htm, свободный. - Загл. с экрана.

57. Толстых В. В., Фот В. В., Гавеля И. В., Арефьев В. А. -Термоэлектрический генератор холода для транспортных кондиционеров // Холодильная техника, 1987, № 7. С. 24 - 27.

58. Турбокомпрессоры для наддува дизелей. / Б.П. Байков, В.Г. Бордчков, П.В. Иванов, Р.С. Дейч. JL: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1975. -335 с.

59. Уткин А. Оазис на "Барже" //За рулем. — 1999. № 9. — С. 146- 147.

60. Физиологические и психологические основы труда. / Ред. Калинина Н. В. -М.: Профиздат, 1974.-231 с.

61. Филиппов В. И., Гордиенко А. Н., Дроздов Б. К. и др. О применении на тракторе фреонового кондиционера // Тракторы и сельхозмашины. — 1973. № 4.- С. 14-16.

62. Халфин М. А., Халфин С. М. Условия труда на сельскохозяйственных тракторах // Техника и оборудование для села. 1999. № 10, - С. 3 - 5.

63. Хохряков В. П. Вентиляция, отопление и обеспыливание воздуха в кабинах автомобилей. М., 1987. 152 с.

64. Центробежные вентиляторы / Под. ред. Т. С Соломаховой. М.: машиностроение, 1985.- 171 с.

65. Черкасский В. М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.: Энергоиздат. 1984. - 250 с.

66. Чижиков Ю. В. Развитие методов расчета и промышленное использование вихревого эффекта: Диссертационная работа на соискание степени докт. техн. наук. Москва, 1999. с. 291.

67. 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.

68. Шенк X. Теория инженерного эксперимента М.: «Мир», 1972. — с. 345

69. Якобсон В.Б. Технические требования к фреоновым герметическим агрегатам // Холодильная техника. 1968. № 7. - С. 24 - 30.

70. Benalre. Customaire 2500. Tractor cam cooler. The leader in the field. Проспект фирмы "Benaire manufacturing Go." P.O. Box 514, Potter, Nebr., 69156.

71. Coldaire evaporative air conditioner and pressurizer. Проспект фирмы "Smith Mfg. Inc.", P.O. Box 480, Tribune,. Kansas 67879.

72. Comfort King 4-4- evaporative cab cooler. Model 200040. Проспект фирмы "Great plains industries. Inc." 1711 Longfellow lane Wichi-ta, Kansas 67207.

73. Coolair. Model 12A2. 12 volt evaporative air conditioner. Проспект фирмы "Eedwood engineering corporation" P.O. Box 2449, Menio Park, Ca 94025.

74. Hagenlocher Т. Kaltemittelverdichter fur den mobilen Einsatz, Ki Luft- und Kaltetechn, 2000. 36, № 6, с. 260, 262 263.

75. Heating, Ventilating Air Conditioning guide, ANHRAE, 1961, 120 c.

76. Hillen A. G. Sould an industrial plant beair conditioned -"Power", 1962, №3, c. 67-74.

77. Powerfull, adaptable, surprising by low In cost. the 146-h.p. 7020 and new 175-h.p. 7520 Diesels match your big ideas on large-acreage operation. Проспект фирмы "Джон Дир".

78. Reinke W. Luffing, Klimatisierung, Entstaubung. Leipzig, VEB Fachbuchverlag, 1968, 157 с.81 .Takxis-Reischl В. Warmebelastung und Fahrverhalten. Kl Luft- und Kältetechnik, 2001, №7, c. 324 327