1.2.3 Метод расчёта системы отопления и вентиляции салона автомобиля, основанный на экспериментальных данных
Установившийся температурный режим в салоне в стационарном состоянии определяется балансом между количеством теплоты, поступающим извне (солнечное излучение Q$) и изнутри (двигатель, отопление, тепловыделение от сидящих в автомобиле людей QtI) и теплообменом через поверхность кузова QK И за счет уноса теплоты вентиляционным воздухом QAL- Тепловой баланс может быть выражен следующим уравнением (рис.
1.12):Qh+QS'QK + QAL
Работа системы вентиляции и охлаждения особенно затруднена летом в условиях прямого действия солнечных лучей. Плотность поступающего теплового потока составляет в этих условиях примерно
А
1151,37 Вт/м и зависит от качества теплоизоляции кузова. При площади облучаемой поверхности салона автомобиля среднего размера 2,5 м тепловой поток составляет приблизительно 2676,9 Вт, большая часть которого проникает через окна. Путем применения эффективной
термоизоляции (прежде всего крыши), окраски кузова и салона в светлые (отражающие) цвета, а также использования тонированных стекол можно уменьшить этот тепловой поток. Цвет обусловливает изменение температуры в салоне (если сравнивать кузова белого и черного цвета) по сравнению с температурой внешней среды в зависимости от размеров автомобиля на 8-15%. Обычные (нетонированные), стекла пропускают световое и тепловое излучение почти беспрепятственно, поэтому общепринятые в настоящее время большие окна в этом отношении не являются удачным решением. При движении автомобиля воздух, обтекающий кузов, оказывает некоторое охлаждающее действие, но если не применяются дополнительные охлаждающие устройства, температура в салоне постоянно выше температуры внешней среды на 3°- 4°С в основном по следующим причинам.
Рис. 1.12 Тепловой баланс при отоплении и вентиляции (по данным Франка) [52]
В результате выделения теплоты двигателем, трансмиссией и системой выпуска отработавших газов, несмотря на хорошую изоляцию, происходит подогрев воздуха салона.
К этому можно добавить теплоту, выделяемую людьми, находящимися в автомобиле, которая в состоянии покоя составляет примерно 116,3 Вт. Летом выделение указанной теплоты (Qh) должно компенсировать проветриванием таким образом, чтобы в салонеподдерживалась температура, приемлемая для людей. Столь желанная летом отдача теплоты поверхностью кузова QK вследствие слишком малого перепада температур в салоне (t/) и снаружи (tij очень невелика. Поэтому, если невозможно получить приемлемую температуру в салоне посредством естественной вентиляции, то необходимо предусмотреть дополнительное охлаждение воздуха, поступающего в салон с помощью охлаждающей системы. С помощью такой системы можно регулировать не только температурный режим в салоне, но и влажность воздуха.
Ниже приведены некоторые общие данные из области теплотехники. Дополнительное охлаждение воздуха салона необходимо при температуре внешней среды выше 35°С и интенсивном солнечном излучении. В этом случае, температура воздуха в салоне, во избежание опасности переохлаждения, не должна быть ниже температуры внешней среды более чем на 10°, причем температура холодного воздуха, поступающего из теплообменника, не должна быть ниже 5°С. Целесообразно охлаждать только часть свежего воздуха (примерно 30%), остальное количество поступающего воздуха следует использовать для освежения воздуха в салоне, тогда возрастает эффективность использования воздуха и уменьшаются конструктивные затраты на кондиционер. Конечно, окна автомобиля (с тонированными стеклами) должны оставаться закрытыми. Тем не менее, для охлаждения воздуха потребляется большая мощность, поскольку нужно не только охладить воздух, но и компенсировать нагрев его от солнечного излучения и внутренний «подогрев» салона. По данным Фиала для среднего легкового автомобиля этот нагрев составляет примерно 5233,5 Вт. Большое преимущество дополнительного охлаждения заключается в том, что с ним уменьшается относительная влажность воздуха в салоне. Она уменьшается примерно на 35% вследствие охлаждения конденсационной влаги в теплообменнике, что при высокой температуре внешней среды и высокой влажности воспринимается особенно приятно.
По-другому выглядят требования, предъявляемые к системе отопления и вентиляции, когда необходимо повысить температуру воздуха в салоне в условиях зимней эксплуатации.
При проектировании системы отопления следует учитывать, что во время проветривания, т. е. выброса нагретого воздуха через предусмотренные для этого отверстия и имеющиеся в уплотнениях щели, происходит потеря теплоты QAL - это существенно уменьшает КПД системы отопления. КПД зависит от многих параметров, часть из которых определена ниже.QH= aGiXtj - t*) - количество теплоты (Вт), отдаваемой системой отопления;
QAL" aGiXU, - te) - потери теплоты (Вт), при проветривании; Qfbw> " Qn - QAL - a Gl (to — toj) - эффективная производительность (Вт) системы отопления,
где ta - температура воздуха, выходящего из отопителя; taj - температура воздуха, выбрасываемого из автомобиля; tc - температура внешней среды; а - коэффициент теплоотдачи, а = 0,24—0,29 Вт/м2-К; Gl - количество воздуха, циркулирующего при закрытых окнах (в зимних условиях), м3/ч;
р - плотность воздуха 1,2 кг/м (принимать в зависимости от температуры и давления рассчитываемого процесса теплообмена).
Для легкового автомобиля средних размеров при скорости 40 км/ч и работающем вентиляторе отопителя GL = 210 м3/ч; ta = 64°С; tc = -20°С; Ср = 0,27; 1^=21°С.
При этом QH = 6646,545 Br, QAL = 3243,607 Вт; СЬФФ = 3402,938 Вт. Тогда КПД системы отопления составляет примерно 52%.
Здесь не учтена потеря теплоты Qk (излучение, конвекция, теплопередача), а также нагрев воздуха в салоне от двигателя, системы выпуска отработавших газов и находящихся в салоне людей. Потеря теплоты зависит от разности температур воздуха в салоне и снаружи
автомобиля, которая в свою очередь зависит от количества воздуха, поступающего в салон, следовательно, от скорости движения, а также от качества термоизоляции салона (крыша, двери, боковины). Поэтому обобщенные формулы привести невозможно. В приведенном выше расчете потеря теплоты составила примерно 2093,4 Вт, что можно использовать в качестве ориентировочных данных. При расчете системы отопления следует учитывать только 60% максимального притока воздуха в условиях летней эксплуатации (все отверстия для поступления воздуха открыты), поэтому взято 3,5 м3/ч вместо 6,0 м3/ч (три полностью открытых отверстиях для поступления воздуха).
В качестве, примера на рис. 1.13 приведена кривая зависимости производительности теплообменника с рабочей поверхностью 0,035 м и глубиной элемента 0,04 м от количества поступающего воздуха. Более точные данные о требуемом количестве теплоты могут быть получены только с помощью измерений (при испытании автомобиля). В качестве ориентировочного значения производительности системы отопления автомобиля среднего размера Барт предложил принимать 3954,2 - 5349,8 Вт.Рис. 1.13 Зависимость мощности отопителя от расхода воздуха для легкового автомобиля среднего класса (площадь отопителя равна 0,035м2, толщина 0,04 м, tc = 255 К, ta = 335 К)
Эффективность системы отопления можно резко увеличить путём повышения температуры воздуха, поступающего из отопителя, а также температуры охлаждающей жидкости двигателя с помощью термостатов, отрегулированных на более высокую температуру воды («зимний» термостат), кроме того, посредством предусматривания нелинейной регулировки количества поступающего воздуха, позволяющей компенсировать увеличение скоростного напора воздуха с ростом скорости автомобиля. Изменение температуры в салоне в зависимости от количества воздуха, поступающего из обычного отопителя, показано на рис. 1.14.
Рис. 1.14 Зависимость средней температуры в салоне tj от расхода воздуха Gl при температуре окружающей среды,
равной - 20°
Скорость прогрева воздуха в салоне зависит от того, как быстро прогревается контур системы отопления (охлаждающая жидкость двигателя) до рабочей температуры (80-85°С), а это в свою очередь зависит от мощности двигателя. Путем регулировки термостата и дополнительного подогрева воды в системе отопления с помощью отработавших газов период прогрева может существенно уменьшиться.
Автомобиль среднего класса обычно прогревается за 12-15 мин при включенной третьей или четвертой передаче (скорость автомобиля 40-60 км/ч).
На рис. 1.15 представлены кривые изменения температуры воздуха на выходе из отопителя и температуры воздуха в салоне автомобиля при постоянной температуре окружающей среды (-20°С).С
Рис. 1.15 Изменение температуры салона t, и температуры на выходе из отопителя t3: 1 - третья передача, скорость 40 км/ч; 2- четвёртая передача.
скорость 60 км/ч
Значительно уменьшить время прогрева салона можно с помощью дополнительного бензинового подогревателя, включаемого вручную или автоматически с помощью реле времени. Такой подогреватель можно использовать только для подогрева воздуха в салоне автомобиля. Нсли подогреватель включить в контур системы охлаждения двигателя, то его можно применять и для предпусковою прогрева.
РОССИЙСКАЯ л, ГОСУДАРСТВЕННАЯ
БИБЛИОТЕКА