автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Технология и технические средства регулирования температуры воздуха в кабине мобильных сельскохозяйственных машин

Гаврилов Андрей Владимирович

На правах рукописи

ТЕХНОЛОГИЯ I! ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В КАБИНЕ МОБИЛЬНЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учепоП степени кандидата технических наук

1 С

.и

Рязань-2012 г.

005042763

Работа. выполнена на кафедре . «Автотракторные двигатели и теплотехника» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А.Костычева» (ФГБОУ ВПО РГАТУ)

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Николай Владимирович Дмитриев

Официальные оппоненты:

Андрей Михайлович Кравченко доктор технических наук, Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище (военный институт) имени генерала армии В. Ф. Маргелова / кафедра «Общепрофессиональных дисциплин», профессор;

Михаил Юрьевич Костенко доктор технических наук, ФГБОУ ВПО РГАТУ / кафедра «Безопасности жизнедеятельности», доцент Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский институт механизации агрохимического обслуживания сельского хозяйства_(ГНУ ВНИМС Россельхозакадемии)

Защита состоится «Л» ъсииС. 2012 года в ✓/'-"часов на заседании диссертационного совета Д 220.057.02 при ФГБОУ ВПО РГАТУ по адресу: 390044, г. Рязань, ул. Костычева, д. 1 в зале заседаний диссертационного совета.

Объявление и автореферат размещены на сайте Министерства образования и науки РФ www.vak2.ed.gov.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО РГАУ.

Автореферат разослан г.

Учёный секретарь Диссертационного совета, Кандидат технических наук, доцент

О

А. В. Шемякин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффективность использования мобильных с/х машин, напрямую зависит от физического состояния управляющих ими людей. Работоспособность и самочувствие человека в значительной мере определяются состоянием окружающей среды, в которой они находятся в процессе своей деятельности.

Согласно санитарно-гигиеническим нормам в теплое время года температура должна находиться в пределах 21 - 23 °С при влажности 40 - 60 % и скорости воздуха до 0,3 м/с. Перепад температуры воздуха по высоте кабины не должен превышать 5°С. При более низких температурах воздуха наблюдается переохлаждение организма; при более высоких наступает физическое утомление, замедляется реакция механизатора, появляются ошибки в управлении машиной.

Температура воздуха является основополагающим параметром для контроля и управления микроклиматам и определяет его влажность и допустимую скорость потока.

Существующие технологии и технические средства регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин недостаточно эффективны, так как при работе используют энергию двигателя внутреннего сгорания (ДВС), что негативно сказывается на его топливной экономичности.

Для регулирования температуры воздуха в кабине можно использовать энергию испаряющегося сжиженного нефтяного газа (СНГ), который используется для питания ДВС. Использование СНГ в качестве хладагента позволяет достигнуть эффективного охлаждения воздуха в кабине и избавляет от необходимости использовать ДВС для привода вспомогательных механизмов, ввиду отсутствия последних.

Разработка технологии и технических средств регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин с использованием энергии испаряющегося СНГ, улучшающих условия труда механизаторов без

существенных энергетических и материальных затрат, является актуальной научной задачей.

Разработка технологии и технических средств регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин велась в 2008 - 2011 гг. в лабораториях кафедры «Автотракторные двигатели и теплотехника» ФГБОУ ВПО РГАТУ и машинно-тракторных парках ООО «Жёлобово» Сараевского района и ОАО «Аграрий» Касимовского района Рязанской области.

Цель работы. Повышение работоспособности механизатора путем улучшения условий труда за счет применения установки, позволяющей регулировать температуру воздуха в кабине мобильной с/х машины, с обоснованием параметров и режимов ее работы.

Объект исследования. Система регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин.

Предмет исследования. Закономерности процесса регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин.

Методика исследования. Достижение поставленной цели осуществлялось за счет теоретических и экспериментальных исследований.

Теоретическое исследование состояло в определении факторов и получении зависимостей, позволяющих установить конструктивные и технологические параметры установки регулирования температуры воздуха, определяющие режимы ее работы.

Экспериментальные исследования заключались в получении математической модели исследуемого процесса регулирования температуры воздуха и определении оптимальных параметров и режимов работы установки в лабораторных условиях. Также проводились производственные испытания технологии и технических средств регулирования температуры воздуха в кабине, для подтверждения достоверности сделанных в результате теоретических исследований выводов и полученной в результате эксперимента математической модели.

Исследования проводились на специально изготовленной лабораторной установке, с использованием стандартных и частных методик и способов планирования эксперимента. А также опытных образцах установки, предназначенных для монтажа в конкретную машину. Обработка результатов полученных экспериментальных данных осуществлялась методами математической статистики и с использованием ЭВМ.

Научная новизна заключается в теоретическом обосновании возможности использовании энергии испарения СНГ для регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин, а также, определении параметров и режимов работы установки реализующей эту возможность. Новизна технических решений подтверждена патентами Российской Федерации № 2384715 на изобретение и № 83293 на полезную модель.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная технология и технические средства регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин позволяет улучшить условия труда механизаторов, повысить производительность их труда и снизить количество аварий без дополнительных энергетических затрат.

Производственная проверка показала эффективность разработанной технологии и технических средств регулирования температуры , воздуха в кабине. Результаты исследований внедрены в хозяйствах ООО «Жёлобово» Сараевского района и ОАО «Аграрий» Касимовского района Рязанской области.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-практических конференция ФГБОУ ВПО РГАТУ (2008-2011 гг.), и на международной научно-практической конференции «Вавиловские чтения 2010» Саратовского государственного аграрного университета (2010 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 3 статьях, одна из которых опубликована в издании, рекомендованном ВАК, имеются свидетельства на изобретение и полезную модель.

Защищаемые положения.

• конструктивно-технологическая схема установки для регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин;

• теоретическое обоснование и экспериментально установленные зависимости параметров и режимов работы установки регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин;

• технология регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из аннотации, введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок, 9 таблиц и 13 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, научная задача, практический результат и положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ способов регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин» на основе анализа литературных источников был выполнен анализ условий труда механизаторов. Микроклимат производственных помещений, которым является кабина мобильной с/х машины, включает в себя следующие его параметры: температуру, влажность, скорость движения, чистоту, содержание запахов, давление, газовый состав и ионный состав. При этом каждый из указанных параметров в различной степени оказывает влияние на организм человека.

Можно выделить три самых значимых параметра микроклимата: температура, влажность и скорость потоков воздуха в кабине. На значения этих параметров накладывают жесткие нормы санитарно-гигиенические правила.

В холодное время года температура должна быть 18-20 °С при относительной влажности 40 - 60 % и скорости воздуха до 0,2 м/с, в теплое

время года температура 21-23 °С при влажности 40 - 60 % и скорости воздуха до 0,3 м/с. Перепад температуры воздуха по высоте кабины не должен превышать 5°С. При более низких температурах воздуха наблюдается переохлаждение организма; при более высоких температурах наступает физическое утомление, замедляется реакция механизатора, появляются ошибки в управлении машиной.

Анализ существующих способов регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин показал, что каждому из них свойственны определенные недостатки.

Так, на настоящий момент большинство установок регулирования температуры воздуха построены на основе так называемого компрессорного охлаждения. Суть его заключается в испарении сжиженного хладагента в испарителе, установленном в кабине машины. Установки, использующие данный способ нашли распространение вследствие своей высокой эффективности, однако, им свойственен существенный недостаток - это отбор мощности от двигателя на привод компрессора и охлаждающих вентиляторов, который приводит к увеличению расхода топлива двигателем до 20%.

Испарение, как физический процесс, является неотъемлемой частью работы системы питания ДВС газом.

В штатной системе питания сжиженным нефтяным газом его, перед подачей в цилиндры двигателя полностью испаряют, при этом теплота, необходимая для испарения, поглощается из системы охлаждения двигателя. Но эту же теплоту можно брать и из кабины машины, установив в ней специальный теплообменник. В этом случае будет проходить необходимый процесс испарения газа и, в то же время, снижаться температура воздуха в кабине.

В связи с этим, в задачи настоящего исследования включены: 1. На основании известных технических решений и результатов исследований выявить перспективные направления в создании

технологии регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин.

2. Разработать конструкцию установки регулирования температуры воздуха в кабине, позволяющую повысить качество условий труда механизатора.

3. Теоретически обосновать возможность использования явления фазового перехода «жидкость-газ» СНГ для регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин и установить оптимальные параметры работы установки, использующей этот процесс.

4. Разработать технологию улучшения условий труда механизаторов, путем использования установки регулирования температуры воздуха в кабине.

5. Привести экономическое обоснование целесообразности внедрения разрабатываемой технологии и технических средств.

Во второй главе «Теоретические исследования процесса регулирования температуры воздуха» определены факторы и получены зависимости, позволяющие установить конструктивные и технологические параметры установки регулирования температуры воздуха, определяющие режимы ее работы.

Чтобы определить, какое количество тепла необходимо отводить из кабины необходимо проанализировать все источники тепла, с которыми она взаимодействует.

Тепловой баланс воздуха в рабочем пространстве кабины определяется уравнением:

= <2, + <3„о + (¿„„о + <3д. „™. + <3ЭЛ + <5ковд.,Вт, (1)

гДе тепловой поток от находящихся в кабине людей, Вт;

С2„0-тепловой поток, поступающий через прозрачные ограждения, Вт;

<2НП.0-тепловой поток, поступающий через непрозрачные ограждения, Вт;

^дв.итм. тепловой поток, поступающий от двигателя и трансмиссии, Вт;

дзл-тепловой поток, поступающий от электрооборудования, Вт;

^^конд. тепловой поток, отводимый из кабины установкой регулирования температуры, Вт.

Теплообмен воздуха в кабине с окружающей средой состоит из следующих компонентов:

• конвективного теплообмена на наружной поверхности ограждающих конструкций кабины;

• радиационного теплообмена наружных поверхностей кабины с окружающей средой;

• конвективного теплообмена внутренней поверхности ограждения кабины;

• радиационного теплообмена на внутренней поверхности ограждения кабины.

Для каждого компонента составлены параметрические таблицы, которые позволяют составить уравнение теплового баланса для конкретной кабины, и определить количество тепла, которое необходимо отводить из кабины в процессе работы машины.

Общая схема установки, осуществляющей регулирование температуры воздуха в кабине, представлена на рис. 1.

Система работает следующим образом. СНГ находится и.газовом баллоне 1 в сжиженном состоянии. Газ поступает к магистральному электромагнитному клапану 3. После открытия магистрального электромагнитного клапана 3 газ поступает по трубопроводу в испаритель 8. Под воздействием жидкости из системы охлаждения двигателя, СНГ переходит в газообразное состояние. Затем газ поступает в редуктор 7, где давление снижается до близкого к

атмосферному. Из редуктора 7 газ подается в смеситель 9, откуда газовоздушная смесь поступает в цилиндры двигателя.

6 5

Рис. 1. Схема установки регулирования температуры в кабине: 1 - баллон с газом; 2 - регулирующий орган с иглой-дозатором и шаговым электродвигателем; 3 - магистральный электромагнитный клапан; 4 -дополнительный испаритель; 5 - вентилятор; 6 - электронный блок управления; 7 - газовый редуктор; 8 - основной испаритель; 9 - смеситель; 10 -электромагнитный клапан дополнительного испарителя.

Дополнительный испаритель 4 подключается через отдельный электромагнитный клапан 10, а на входе основного испарителя устанавливается регулирующий орган - игла-дозатор и шаговый электродвигатель 2, управляемый электронным блоком 6. По сигналам электронного блока игла-дозатор перемещается и проходное сечение канала основного испарителя. При этом будет изменяться количество газа, прошедшего через дополнительный испаритель, тем самым будет меняться степень охлаждения воздуха. Такое конструктивное решение позволяет поддерживать постоянство количества газа, необходимого для питания ДВС. В режимах максимального охлаждения, либо режимах работы ДВС близких к холостому ходу (игла-дозатор полностью закрывает канал основного испарителя) предусмотрена возможность полного

исключения из работы дополнительного испарителя при помощи электромагнитного клапана 10. В этом случае весь газ, расходуемый двигателем, проходит через основной испаритель.

При открытии дополнительного электромагнитного клапана 6, часть газа, минуя испаритель 3, поступает в дополнительный испаритель 7, где под действием теплого воздуха из кабины газ переходит из жидкого состояния в газообразное. Далее газ движется по прежней схеме. За счет испарения газа поверхность испарителя охлаждается, охлаждая при этом окружающий воздух, который принудительно, при помощи вентилятора подается в кабину. Новизна предлагаемой установки подтверждена патентом на полезную модель 1Ш №83293 Ш. МПК Р02В 43/02. Опубл. 27.05.2009 Бюл. №15.

Процесс регулирования температуры установкой, определяется рядом контролируемых управляемых (пропускная способность дополнительного испарителя и производительность вентилятора), контролируемых неуправляемых (расход газа ДВС) и неуправляемых (состав СНГ, запыленность воздуха) параметров.

Максимальное количество теплоты, которое можно поглотить при помощи предложенной установки ограничивается максимальным расходом газа ДВС и определяется зависимостью:

0т,3 6.р.Ул.пд.)м3/ч!

30-С>Н -т|с -т

где ре - эффективное давление, МПа;

Ул - объем двигателя, л;

пд> - частота вращения коленчатого вала, об/мин;

С?„ - низшая удельная теплота сгорания СНГ, ;

м

т)г - эффективный КПД;

т - коэффициент тактности.

Эффективно использовать энергию расширяющегося газа можно, обеспечив максимально полный теплообмен между ним и воздухом в кабине мобильной с/х машины.

Это позволяет сделать испаритель, представленный на рис. 2.

Испаритель выполнен в виде двойного змеевикового теплообменника 1, на входе в который установлена дросселирующая вставка 2. Дросселирующая вставка обеспечивает перепад давления газа и интенсифицирует процесс испарения.

1

Рис. 2. Дополнительный испаритель: 1 - змеевиковый теплообменник; 2 дросселирующая вставка.

Выражение, определяющее площадь теплообмена, выглядит следующим образом:

р Ссм-Чсм-У-О 2

т......К.-М ., ..'

где ссм- удельная теплоемкость смеси газов, кДж / (кг С); Ясы - расход газа, кг/ч;

I"- температура газа на выходе из теплообменника, °С; I'- температура газа на входе в теплообменник, °С.

Вт

К - коэффициент теплоотдачи, Л1:ср - температурный напор.

м • К

(3)

Коэффициент теплоотдачи определяется свойствами материала теплообменника и режимом теплообмен:

К= . } . (4)

_ + + _ м -К

а, Хт а2

где а, - коэффициент теплоотдачи газа стенке змеевика, , —;

м •град

а2 — коэффициент теплоотдачи стенки змеевика Вт

среде кабины,—;-;

м -град

5Т—толщина трубки змеевикового теплообменника, мм;

А,т— коэффициент теплопроводности материала Вт

теплообменника,-;

м-"С

Параметр X" и в выражении (3) зависит от состояния окружающей среды, которое носит случайный характер. Поэтому теоретическое определение параметров установки возможно лишь с тем допущением, что состояние окружающей среды, которое, преимущественно, определяет температуру воздуха в кабине, имеет какие-то определенные параметры. При таком допущении, приняв, что 1" = 16°С для ДВС лабораторной установки Бт = 0,167 м2 при расходе газа Осм =5,2м3/ч. Конструкция испарителя в виде

Вт

«змеевик в змеевике» обеспечивает коэффициент теплоотдачи К = 93,6—г—-.

м -К

Новизна конструкции испарителя подтверждена патентом на изобретение ГШ №2384717 С1 МПК Р02В 43/00. Опубл. 20.03.2010 Бюл. №8.

В третьей главе «Лабораторные исследования установки регулирования температуры воздуха в кабине» изложена программа и методика исследований, проведено описание конструкции лабораторной установки, обоснован выбор оборудования и измерительных приборов, применяемых для исследования процесса регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин.

Для проведения эксперимента методом статистического планирования определены интервалы варьирования контролируемых управляемых параметров: расход газа методом теплового расчета ДВС, производительность вентилятора экспериментальным методом (табл. 1). Построена матрица планирования эксперимента.

Таблица 1

Диапазон варьирования параметров эксперимента_

Параметр ХЫп V ¡тах АХ|

Расход газа От,м3 / ч 0,8 5,2 1,1

Расход воздухаОв,м3 / ч 0 0,64 0,2

В рамках полного факторного эксперимента проведена серия опытов и зафиксированы необходимые показатели. Сформулирована методика полевых испытаний установки регулирования температуры воздуха в кабине мобильной с/х машины.

В четвертой главе «Результаты исследований» приведены результаты лабораторных исследований и полевых испытаний технологии и установки регулирования температуры воздуха в кабине мобильной с/х машины. В ходе анализа данных полученных в результате экспериментальных исследований была получена математическая модель, связывающая расход газа через дополнительный испаритель, производительность вентилятора и температуру воздуха на выходе из дополнительного испарителя (4). Экспериментальные исследования подтвердили правильность теоретического обоснования параметров дополнительного испарителя (рис. 3).

Была получена математическая модель процесса, определяющая температуру воздуха У на выходе из испарителя:

У = 7,33 - 0,61Х] + 0,79х2 - 0,094х, ■ х2, (5)

где х, - расход газа ДВС, м3 / ч,

х2 - производительность вентилятора, м3 / ч.

Обработка данных проводилась методом статистического анализа. Однородность дисперсий полученных экспериментальных данных была

проверена с применением критерия Кохрена, значимость коэффициентов математической модели подтверждена критерием Стьюдента.

Я®!!

Рис. 3. Дополнительный испаритель: 1 - кожух; 2 - змеевик.

Графическое выражение математической модели, построенное в среде МаШсас! представлено на рис. 4.

Рис. 4. График математической модели процесса регулирования температуры

Достоверность результатов подтверждена в среде статистической обработки для ЭВМ (^а^'эНка 6.0».

Для проведения полевых испытаний была разработана технология регулирования температуры в кабине автомобиля УАЗ — 31519 работающего на СНГ. В основу технологии была положена разрабатываемая установка, оснащенная электронным блоком, использующим для управления процессом регулирования температуры математическую модель, полученную в ходе экспериментальных исследований. По сигналам датчиков температуры и расхода газа электронный блок вычисляет время, необходимое для снижения температуры в кабине до заданного уровня, и устанавливает нужный режим работы при помощи исполнительных механизмов: дозатора газа и вентилятора.

Для проведения испытаний был разработан дозатор газа, представленный на рис. 5.

Рис. 5. Дозатор газа: 1 - корпус дозатора, 2 - шаговый двигатель.

Полевые испытания полностью подтвердили правильность выбранного направления для исследования. Состояние температуры воздуха в кабине по сравнению с температурой воздуха характеризует график на рис. 6.

В процессе полевых испытаний была оптимизирована работа установки, путем коррекции программы блока управления, при которой по сигналам

датчиков температуры воздуха снаружи и в кабине, а также датчика расхода газа, электронный блок управления определяет, какое время требуется для снижения температуры до необходимого значения, и включает установку на максимальную мощность при соблюдении допустимого перепада температур 5°С.

ё1

§ £Г о.

30 25 20 15 10

10 11 12 13 % 15 16 17 18 Время смены, ч

— - температура В кабине

— - температура наружного Воздуха Рис. 6. График температуры в кабине.

По истечении заданного времени установка переходит в режим частичной мощности, который необходим для компенсации воздействия внутренних источников тепла на температуру в кабине (канал основного испарителя полностью открыт, вентилятор работает в режиме половины производительности). Режим максимальной производительности используется для приведения значения температуры воздуха в соответствие с санитарно-гигиеническими требованиями в начале движения, после открывания (закрывания) дверей, т.е. когда температура может значительно отличаться от оптимальной. Также в режимах работы двигателя близких к холостому ходу, когда из-за малого расхода газа даже небольшое снижение температуры воздуха в кабине требует значительного времени. Режим частичной производительности используется для компенсации поступлений тепла в кабину в процессе движения.

Для снижения колебаний температуры воздуха в кабине, программа электронного блока управления выполнена адаптивной. Микроконтроллер выполняет постоянный мониторинг динамики изменения температуры в кабине, и определяет оптимальное положение дозирующего конуса, частоту вращения крыльчатки вентилятора и частоту опроса датчиков, чтобы колебания температуры были минимальны.

Установками регулирования температуры воздуха были также оборудованы автомобили ЗИЛ-130 и ГАЗ-ЗЭ09, которые эксплуатировались на с/х предприятиях. Для эффективного регулирования температуры воздуха программы микропроцессора электронного блока управления были адаптированы под параметры этих машин.

Машины с установкой регулирования температуры воздуха эксплуатировались в жаркое время года на сельскохозяйственных работах. Было отмечено улучшения самочувствия водителей, увеличение производительности их труда в среднем на 15% и снижение аварийных ситуаций на 20 % при поступлении тепла в кабину мобильной с/х машины С>ковд =283,1Дж. Максимальная мощность разработанной установки в условиях испытаний составила <3Г1 = 324,2 Дж.

Балансовая стоимость установки составила Вп =10447 руб. и эксплуатационные затраты Зэ =3217,7 руб./год, что в 3,5 раза ниже, по сравнению с существующими аналогами.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

По результатам исследований можно сформулировать следующие выводы: 1. Современные технологии и технические средства повышения качества условий труда механизаторов не позволяют эффективно регулировать температурный режим в кабине мобильных с/х машин без дополнительных экономических и энергетических затрат.

2. Установлено, что для регулирования температуры воздуха можно возможно использовать энергию испаряющегося СНГ, что позволит регулировать температуру воздуха в кабине мобильных с/х машин без отбора мощности от ДВС. Для улучшения условий труда механизаторов разработана установка регулирования температуры воздуха, состоящая из дополнительного испарителя, монтируемого параллельно основному испарителю штатной системы питания сжиженным газом, дозирующего устройства, определяющего пропускную способность дополнительного испарителя, комплекса датчиков и электронного блока управления.

3. В ходе теоретических исследований установлено, что требуемая площадь теплообмена дополнительного испарителя при расходе газа Осм=5,2м3/ч составляет Рт = 0,167м2. Конструкция испарителя в виде «змеевик в

Вт

змеевике» обеспечивает коэффициент теплоотдачи К = 93,6—2—. В ходе

м • К

экспериментальных исследований установлена аналитическая зависимость влияния конструктивно-эксплуатационных параметров установки на процесс регулирования температуры воздуха в кабине, из которой видно, что наибольшее влияние на температуру воздуха на выходе из установки влияют пропускная способность дополнительного испарителя и производительность вентилятора обдува. Оптимальные параметры работы установки определяются расходом газа и производительностью вентилятора, при которых температура воздуха в кабине достигает максимально быстро своего оптимального значения при заданном санитарно-гигиеническими нормами перепаде 5°С.

4. Разработана технология регулирования температуры воздуха в кабине мобильной с/х машины, предусматривающая двухступенчатое регулирование температуры, при котором для быстрого приведения температуры воздуха к оптимальному значению используется максимальная мощность установки, а для компенсации поступлений тепла в кабину в процессе движения - режим частичной мощности. Примененная схема исключает переохлаждение воздуха в кабине, из-за задержки выравнивания

температуры воздуха в объеме кабины. Производственные испытания установки регулирования температуры воздуха в кабине позволили улучшить самочувствия механизаторов в процессе работы, увеличить производительность их труда в среднем на 15% и снизить число аварийных ситуаций на 20 % при поступлении тепла в кабину мобильной с/х машины Qkoiw =283,1Дж. Максимальная мощность разработанной установки в условиях испытания составила Qn =324,2 Дж. 5. Использование разработанных технологии и технических средств позволяет оснастить мобильные с/х машины, работающие на СНГ, установкой регулирования температуры воздуха в кабине балансовой стоимостью Вп = 10447руб. и эксплуатационными затратами Зэ =3217,7 руб./год, что в 3,5 раза ниже, по сравнению с существующими аналогами.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Пат. RU 2384715 С1 РФ, МПК F02B43/00. Система питания автомобиля на сжиженном газе. Авторы Дмитриев Н.В., Гаврилов A.B. Опубл. 20.03.2010. Бюл. №8.

2. Пат. RU 83293 U1 РФ, МПК F02B43/02. Система питания автомобиля на сжиженном газе. Авторы Дмитриев Н.В., Гаврилов A.B. Опубл. 27.05.2009. Бюл. №15.

3. Гаврилов A.B., Дмитриев Н.В. Использование потенциальных возможностей сжиженного газа при работе мобильных энергетических средств в условиях повышенных температур // Вавиловские чтения-2010. Материалы межд. науч.-пракг. конф. в 3 томах. - Саратов: изд-во КУБИК, 2010. - Т. 3. - С. 448-449.

4. Гаврилов A.B., Дмитриев Н.В. Исследование возможностей сжиженного газа для снижения температуры воздуха в салоне автомобиля // Материали за 7-а международна практична конференция, "Найновите постижения на европейската наука". - 2011. - т. 38. - София: "Бял ГРАД БГ". - С. 21-24.

5. Гаврилов A.B., Дмитриев Н.В. Система кондиционирования воздуха в салоне автомобиля // Сельский механизатор. - 2009. - №6. - С. 38-39.

Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать лазерная Усл. печ. л. 1 Тираж 100 экз. Заказ № 742 подписано в печать 23.04.2012 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А.Костычева» 390044 г. Рязань, ул. Костычева, I Отпечатано в издательстве учебной литературы и учебно-методических пособий ФГБОУ ВПО РГАТУ 390044 г. Рязань, ул. Костычева, 1

61 12-5/2598

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Рязанский государственный агротехнологический университет

им. H.A. Костычева

На правах рукописи

Гаврилов Андрей Владимирович

ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В КАБИНЕ МОБИЛЬНЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандида т технических наук, доцент Дмитриев Н.В.

Рязань.....2012 г.

Оглавление

Аннотация...............................................................................................................4

Перечень условных обозначений.........................................................................5

Введение.................................................................................................................

Глава 1. Анализ способов регулирования температуры воздуха в кабине

мобильных с/х машин...........................................................................19

1.1. Анализ условий труда механизаторов в кабинах мобильных с/х машин...........................................................................19

1.2. Анализ способов регулирования температуры воздуха...........24

1.3. Постановка проблемы, цели работы и задачи научного исследования..........................................................................................45

Глава 2. Теоретические исследования процесса регулирования

температуры воздуха............................................................................48

2.1. Исследование теплового баланса рабочего пространства кабины....................................................................................................48

2.2. Теоретическое обоснование конструкции установки для регулирования температуры воздуха в кабине................................67

2.3. Обоснование параметров и режимов работы установки.........68

2.5. Общие выводы по теоретическим исследованиям...................92

Глава 3. Лабораторные исследования установки регулирования

температуры воздуха в кабине............................................................94

3.1. Программа исследований и планирование эксперимента.......94

3.2. Описание лабораторной установки и аппаратура экспериментальных исследований...................................................102

3.3. Методика лабораторных исследований....................................113

3.4. Методика полевых испытаний...................................................116

Глава 4. Результаты исследований..................................................................119

4.1. Результаты лабораторных исследований.................................119

4.2. Результаты полевых испытаний................................................126

4.3. Оценка экономических затрат и эффекта от внедрения........136

Общие выводы и предложения........................................................................141

Приложения........................................................................................................143

Список литературы............................................................................................154

Аннотация

Целью диссертации является повышение работоспособности механизатора путем улучшения условий труда за счет применения установки, позволяющей регулировать температуру воздуха в кабине мобильной с/х машины путем использования энергии испарения сжиженного нефтяного газа (СНГ) с обоснованием параметров и режимов ее работы.

Первая глава работы посвящена обзору существующих способов регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин и выявлению перспективных направлений их дальнейшего развития.

Во второй главе проведены теоретические исследования процесса регулирования температуры воздуха в кабине с использованием энергии испаряющегося СНГ. Определены основные параметры и режимы работы установки регулирования температуры воздуха.

В третьей главе проведены экспериментальные исследования установки регулирования температуры воздуха в кабине и сформулирована методика полевых испытаний.

Четвертая глава работы посвящена анализу результатов лабораторных исследований и полевых испытаний установки регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин.

По результатам исследований сформулированы общие выводы и рекомендации к применению предлагаемой технологии и технических средств.

Предпринятое исследование является первым комплексным исследованием в таком роде применительно к изучению роли энергии фазового перехода сжиженного нефтяного газа в процессе повышения качества условий труда механизаторов.

Ключевые слова: условия труда, производительность, микроклимат, температура воздуха, влажность, скорость потока воздуха, система питания, сжиженный нефтяной газ, испаритель, хладагент, электронный блок управления.

Перечень условных обозначений

Условные обозначения, принятые в первой главе:

ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

КПД - коэффициент полезного действия;

отдача тепла теплопроводностью через одежду, Вт; (¡)к- отдача тепла конвекцией у тела, Вт;

О1 отдача тепла излучением на окружающие поверхности, Вт;

(2ИС1|- отдача тепла испарением влаги с поверхности кожи, Вт;

С)в - отдача тепла на нагрев вдыхаемого воздуха, Вт;

СН4 - метан; С-2Н, - этан; С,Н8 - пропан; С4Н,0 - бутан;

СРС - хлорфторуглеводородоы;

НСРС - гидратированные хлорфторуглеводородоы;

СР2С1,.....дифтордихлорметан;

GWP - потенциал глобального потепления;

ООН - организация объединенных наций;

СНГ - сжиженный нефтяной газ;

СПГ - сжатый природный газ;

РФ - Российская Федерация;

ПА - пропан автомобильный;

ПБА - пропан-бутан автомобильный;

СПБЗ - пропан-бутан зимний;

СПБЛ - пропан-бутан летний;

С/х - сельскохозяйственный;

Условные обозначения, принятые во второй главе:

(¡) с - количество тепла, необходимое для снижения температуры заданного

объема воздуха на ГС, Дж; сво.!ц - удельная теплоемкость воздуха, кДж / (кг С); т - масса воздуха в кабине, определяется его объемом, кг; 1к-температура воздуха в кабине, "С; 1:ос-температура окружающей среды, "С; С>ч-тепловой поток от находящихся в кабине людей, Дж; С2П0-тепловой поток, поступающий через прозрачные

ограждения, Вт; (} -тепловой поток, поступающий через непрозрачные

ограждения, Вт;

ддв итм - тепловой по ток, пос тупающий от двигателя и трансмиссии, Вт; тепловой поток, поступающий от электрооборудования, Вт; - тепловой поток, отводимый из кабины установкой регулирования температуры, Вт; а - коэффициент теплоотдачи от двигателя, Вт / (м2 ■ град);

Рдв - площадь нагретых поверхностей, находящихся в кабине, м2;

- темпера тура поверхностей двигателя, "С; Ий-критерий Нуссельта;

ак- коэффициент теплоотдачи при конвекции, Вт / (м2 • К); А,в - теплопроводность воздуха, Вт /' (м • К);

Ь - определяющий линейный размер, например высота стенки кабины, м;

Рг- критерий Прандтля; вг-критерий Грасгофа; к - коэффициент пропорциональности; п - показатель степени;

ув на - скорость воздуха при конвекции, м / с ;

(2 1Пр - тепловой поток, отдаваемый конвекцией наружному воздуху, Вт; I -температура наружного ограждения, СС;

а - коэффициент поглощения излучения; р - коэффициент отражения;

^ - коэффициент пропускания;

I - удельный поток внешнего излучения, Вт / м ;

поток эффективного излучения, Вт/м ;

Е - удельный ноток собственного излучения, Вт / м ; сачт - коэффициент пропорциональности;

Т, - температура первой поверхности при радиационном теплообмене, К; Т2-температура второй поверхности, К; Р,_2- взаимная поверхность облучения, м2;

Ри-чи чт ~ результирующий поток излучения при радиационном теплообмене, Вт;

©н- коэффициент облученности двух тел; 8, - приведенный коэффициент излучения; 0,_ат - коэффициент облученности пары атмосфера-крыша;

Б, - площадь крыши кабины, м"; Рат - площадь атмосферы, м~;

8|_ат - приведенный коэффициент излучения атмосферы на крышу;

Ъ ~ зенитное расстояние, м; А - азимут, град;

X - угол между нормалью к поверхности стенки и направлением к точке на

поверхности атмосферы, град; у - проекция х на вертикальную плоскость, град;

Еат - калорическая яркость поверхности атмосфера, Вт / м ;

Е.^ - калорическая яркость поверхности земли, Вт/м •

Е, - суммарная калорическая яркость, Вт/м ;

I - поток радиации, поступающей от поверхности атмосферы к точке на

о

поверхности стенки кабины, Вт/м ■ I - поток радиации, падающий на стенку со всей поверхности небосвода, при

у = о, Вт/м2;

1.(м_, - поток радиации, отраженной от поверхности земли, Вт/м ; £,_.1М - приведенный коэффициент излучения поверхности земли; еат- приведенный коэффициент излучения поверхности земли;

1,1(Н) - тепловой поток при лучистом теплообмене, Вт/м ; ал(Н)- коэффициент лучистого теплообмена, Вт / (м2 • град); ^ - температура ¡-й поверхности при лучистом теплообмене, °С;

- температура _]-й поверхности при лучистом теплообмене, °С; Ь>-__| - температурный коэффициент;

1ср п - средняя температура поверхностей при лучистом теплообмене, °С; уввн - скорость свободного конвективного потока, м/с; 1стс - коэффициен т темпера турного сопротивления; 1огрвн - температура ограждения внутри кабины, °С;

Яе у- условный критерий Рейнольдса;

Яе - критерий Рейнольдса, определенный для вынужденного потока воздуха;

г- 2

г0, - площадь ограждения, м ,

Яонп." удельный тепловой поток через непрозрачное ограждение, Вт/м2;

Я0 пР, ~ удельный тепловой поток через прозрачное ограждение, Вт / м2;

Рсч1 - абсолютное давление газовой смеси, МПа;

Р'С Нч - парциальное давление пропана, МПа;

гс и - массовая доля пропана в газовой смеси;

Рс4н10 ~ парциальное давление бутана, МПа;

гг. и - массовая доля бу тана в смеси;

Р , - абсолютное давление после дросселирования, МПа;

Р" н - парциальное давление пропана после дросселирования, МПа;

Р"4Н|. - парциальное давление бутана после дросселирования, МПа;

1С н - температура пропана после дросселирования, °С;

1С Н( - температура бутана после дросселирования, °С;

^ - средняя температура смеси, 1см;

(}п - количество теплоты, поглощенной газом при дросселировании, Дж;

ссч- удельная теплоемкость смеси газов, кДж / (кг С);

дсн - массовый расход смеси газов, кг/ч;

{"-температура газа на выходе из теплообменника. С;

сс - удельная теплоемкость пропана, кДж / (кг С);

сс н - удельная температура бутана, кДж / (кг С); в.,. - объемный расход смеси газов, м" / ч ; р -- плотность смеси газов, кг / м"1;

ГСМ

Тсм - абсолютная температура смеси в реальных условиях, К; рс н - плотность пропана в нормальных условиях, кг / м"; рс н - плотность бу тана в нормальных условиях, кг /' м3; рпр - приведенное давление смеси газов, МПа; р - критическое давление смеси газов, МПа; р СзН* - критическое давление для пропана, М11а; р с-,н,° - критическое давление для бутана, МПа; Тпр - приведенная температура смеси газов, К; Т - критическая температура смеси газов, К; Т с-,н*- критическая температура для пропана, К; Т^'4"10 - критическая температура для бутана, К;

Ст02 - расход газа при 0,2 МПа, м3 / ч ;

Рснат - давление газовой смеси в нормальных условия, МПа; Т - температура смеси газов в реальных условиях, К;

К - коэффициент теплопередачи теплообменника, 2 ;

м • К

Вт

a, - коэффициент теплоотдачи газа медной стенке змеевика, —-;

' м'•град

а2- коэффициент теплоотдачи медной стенки змеевика среде кабины,

Вт м2•град'

8 - толщина медной трубки змеевикового теплообменника, мм;

Вт

А. - коэффициент теплопроводности материала теплообменника, -—;

1 м • С

А1ср - средний температурный напор;

Дгб™ температура более нагретого вещества при теплообмене, °С; ДГ-температура менее нагретого вещества при теплообмене, °С; Рт - площадь теплообмена, м";

- длина трубки змеевика, мм; Условные обозначения, принятые в третьей главе: х0|- базовое или начальное значение г-го фактора в центре плана

текущее значение ¿-го фактора; АХ-- значение интервала варьирования по ь-му фактору;

Х1тт ~ минимальное значение, 1.....го фактора;

Х,тах ~ максимальное значение, г-го фактора; Ь0- значение функции отклика в центре плана;

b, - коэффициент, характеризующий степень влияния расхода газа на функцию

отклика;

Ь2- коэффициент, характеризующий степень влияния производительности вентилятора на функцию отклика;

Ь|2Х,Х.- член, учитывающий влияние взаимодействия учитываемых факторов

на функцию отклика; пдв - частота вращения коленчатого вала ДВС, об/мин;

Ке - эффективна мощность ДВС, кВт;

*охлж -температура охлаждающей жидкости, 'С;

увых - температура охлаждающей жидкости, °С;

Условные обозначения, принятые в четвертой главе:

у, - среднее значение функции отклика для ¡-го опыта, 'С;

у£1 значение температуры воздуха на выходе из испарителя в

соответствующей серии опытов, "С; п- число параллельных опытов для каждого условия проведения эксперимента;

з2 - дисперсия экспериментальных значений функции отклика около их

среднего значения; С - критерий Кохрена;

N - число номеров опытов, определяющих в соответствии с матрицей

планирования условия проведения эксперимента; Скр - критическое значение критерия Кохрена;

(3 - коэффициент риска;

11с - критерий Стыодента;

б2^)-дисперсия ошибки определения;

б2(У) - дисперсия воспроизводимости;

V - число степеней свободы;

1крс - критическое значение критерия Стыодента;

в2 -дисперсия адекватности;

у£т- теоретическое значение функции отклика, °С;

1 - время понижения температуры на ГС;

рв- плотность воздуха при заданной температуре, кг / м";

Ук~ объем кабины, м";

Вп - балансовая стоимость установки, руб.; Д - стоимость покупных деталей и узлов, руб.; М - стоимость материалов, руб.; Т - транспортно - изгоговительные расходы, руб.;

3 - затраты на заработную плату с отчислениями на социальные нужды, руб.; Н - накладные расходы(общехозяйственные), руб.;

ДЭБУ- стоимость электронного блока управления установкой, руб.; Д.!Т~ стоимость змеевикового теплообменника, руб.; Дв - стоимость вентилятора, руб.;

Ддг - стоимость материалов для изготовления дозатора газа, руб.; Д - стоимость прочих деталей (арматура, крепеж), руб; Ко - норма амортизационных отчислений, %; Дз ~ коэффициен т, учитывающий дополнительные затраты; Зтоитр - затраты на техническое обслуживание (ТО) и ремонт (Р) К тоиР' коэффициен т затрат на проведение ТО и Р, руб./год Зэ ™ общие эксплуатационные расходы, руб.;

т -допустимая продолжительность рабочего времени без перерыва, ч; цч - среднее за смену удельное (приходящееся на 1 м поверхности тела человека) количество теплоты, которое отводилось бы в единицу времени от организма путем испарения, если бы все выделяемое количество пота испарялось, Вт.

Введение

Эффективность использования мобильных с/х машин, напрямую зависит от физического состояния управляющих ими людей. Работоспособность и производительность труда человека в значительной мере определяются состоянием окружающей среды, в которой они находятся в процессе своей деятельности.

Микроклимат производственных помещений, которым является кабина мобильной с/х машины, включает в себя следующие его параметры: температуру воздуха, его влажность и скорость движения. При этом каждый из указанных параметров в различной степени оказывает влияние на организм человека.

На значения этих параметров накладывают жесткие нормы санитарно-гигиенические правила.

В холодное время года температура должна быть 18-20 °С при относительной влажности 40 - 60 % и скорости воздуха до 0,2 м/с, в теплое время года температура 21-23 °С при влажности 40 - 60 % и скорости воздуха до 0,3 м/с. Перепад температуры воздуха по высоте кабины не должен превышать 5°С. При более низких температурах воздуха наблюдается переохлаждение организма; при более высоких наступает физическое утомление, замедляется реакция механизатора, появляются ошибки в управлении машиной.

Температура воздуха является основополагающим параметром для контроля и управления микроклиматам. Именно температура воздуха определяет его влажность и допустимую скорость потока.

Цель работы: повышение работоспособности механизатора путем улучшения условий труда за счет применения установки, позволяющей регулировать температуру воздуха в кабине мобильной с/х машины, с обоснованием параметров и режимов ее работы.

Объектом исследования данной работы является система регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин.

Предметом исследования являются закономерности процесса регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин.

Известно несколько способов регулирования температуры воздуха. Простейшим решением является охлаждение набегающим потоком воздуха, через лючки перед ветровым стеклом. Недостатками данного способа являются невозможность автоматического контроля за процессом регулирования, привязанность его параметров к скорости движения, погодным условиям и, как следствие, высокий риск возникновения простудных заболеваний.

Известен способ регулирования температуры термоэлектрическими элементами охлаждения, который основан на том, что при пропускании электрического тока через место спайки двух проводников (полупроводников) возникает так называемый термоэлектрический эффект Пельтье. Он сопровождается либо поглощением, либо выделением тепла. Широкого применения данный способ не нашел из-за большой мощности, потребляемой термоэлектрическими элементами.

На настоящий момент большинство установок регулирования температуры воздуха построены на