Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований 10
1.1. Социально-экономическая проблема обеспечения термокомфортности операторов мобильных сельскохозяйственных машин и тракторов 10
1.2. Особенности процесса формирования термокомфортности оператора мобильной сельскохозяйственной машины или трактора 14
1.3. Способы и средства обеспечения термокомфортности оператора мобильной сельскохозяйственной машины или трактора 20
1.4. Основные выводы и задачи исследований 26
Глава 2. CLASS Теоретическое обоснование кондуктивной модел CLASS и 28
2.1. Обоснование процесса и выбор способа регулирования подвода тепла к поверхности тела оператора кондуктивными панелями обогрева 28
2.2. Определение показателей дефицита тепла в кабине мобильной сельскохозяйственной машины или трактора в условиях охлаждающего микроклимата 32
2.2.1. Методика определения показателей дефицита тепла 32
2.2.2. Результаты теоретического определения дефицита тепла в кабине трактора 35
2.3. Определение показателей мощности теплового потока кондуктивной панели обогрева 37
2.3.1. Методика определения показателей мощности теплового потока..37
2.3.2. Результаты теоретического определения зависимостей показателей тепловой мощности кондуктивной панели обогрева 40
2.4. Обоснование конструктивных параметров кондуктивной панели обогрева 44
2.4.1. Методика теоретического обоснования конструктивных параметров кондуктивной панели обогрева 44
2.4.2. Анализ составляющих теплообмена .между телом человека и кондуктивной панелью обогрева в зависимости от ее конструктивных параметров 50
2.4.3. Результаты теоретического определения конструктивных параметров кондуктивной панели обогрева 56
2.5. Обоснование параметров системы подачи жидкости в трубках кондуктивной панели обогрева 60
2.6. Выводы 67
Глава 3. Методика экспериментальных исследований 69
3.1. Цель, программа и задачи экспериментальных исследований 69
3.2. Выбор и обоснование критерия комплексной оценки комфортности условий микроклимата 70
3.3. Условия проведения полевых и лабораторных экспериментальных исследований 75
3.4. Приборы, измерительная аппаратура и оборудование для проведения полевых и лабораторных экспериментальных исследований 78
3.5. Методика полевых и лабораторных экспериментальных исследований 83
3.5.1. Методика определения показателей теплового состояния (тепло-ощущений) организма оператора в кабинах мобильных сельскохозяйственных машин или тракторов 83
3.5.2.. Методика определения оптимальных параметров и режимов работы КП обогрева 84
3.5.3. Методика определения величины теплосодержания организма человека в кабине мобильной сельскохозяйственной машины или трактора...89
3.6. Выводы 90
Глава 4. Анализ результатов экспериментальных исследований 92
4.1. Анализ результатов исследований в полевых условиях комфортных параметров микроклимата в кабинах мобильных сельскохозяйственных машин и тракторов 92
4.2. Анализ результатов лабораторных экспериментальных исследований по определению оптимальных параметров кондуктивной панели обогрева 102
4.2.1. Результаты определения регрессионных зависимостей, теплосодержания, теплоощущения и критериев комфортности от длины трубок и температуры теплоносителя 103
4.2.2. Результаты определения оптимальных значений параметров кондуктивной панели обогрева 107
4.2.3. Сравнение результатов лабораторных опытов и теоретического моделирования 111
4.3. Выводы 114
Глава 5. Ожидаемая социально - экономическая эффективность применения кондуктивной панели обогрев а...
5.1. Методика расчета экономической эффективности 117
5.2. Суммарный годовой социально-экономический эффект от внедрения кондуктивной панели обогрева 120
Выводы 121
Литература 124
Приложения 135
- Особенности процесса формирования термокомфортности оператора мобильной сельскохозяйственной машины или трактора
- Определение показателей дефицита тепла в кабине мобильной сельскохозяйственной машины или трактора в условиях охлаждающего микроклимата
- Выбор и обоснование критерия комплексной оценки комфортности условий микроклимата
- Анализ результатов лабораторных экспериментальных исследований по определению оптимальных параметров кондуктивной панели обогрева
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие Агропромышленного комплекса Российской Федерации предусматривает устойчивый рост сельскохозяйственного производства за счет повышения производительности труда на предприятиях всех форм собственности, что напрямую зависит от ускорения научно-технического прогресса и повышения роли человеческого фактора. Это связано с разработкой и внедрением новой высокопроизводительной, конкурентной и комфортабельной техники, в частности мобильных сельскохозяйственных машин (МСХМ).
Усиление роли человеческого фактора предполагает решение ряда социально-экономических задач. Одна из задач - повышение эффективности использования высокопроизводительной сельскохозяйственной техники путем улучшения условий труда при ее эксплуатации. В связи с этим МСХМ оснащаются различными модификациями унифицированной кабины, в частности, с увеличенной площадью ее остекления, существенно улучшающей обзорность. Однако, увеличение площади остекления кабины приводит в холодный период года к увеличению теплооттока из нее, что требует применения новых, более эффективных средств нормализации микроклимата.
Таким образом, налицо проблема, связанная, с одной стороны, необходимостью увеличения обзорности кабины - для улучшения наблюдения за технологическим процессом, с другой - необходимостью снижения теплооттока из кабины - для улучшения термокомфортности организма оператора.
Решению проблемы переохлаждения организма человека традиционными средствами нормализации микроклимата посвящены многочисленные исследования. Однако предлагаемые методы решения данной проблемы обладают рядом недостатков, устранение которых сдерживается объективными причинами: несовершенством отдельных элементов конструкций; высокой энергопотребляемостью; возможностыо вредного воздействия на организм
7 оператора. Эти методы не позволяют избавиться и от принципиального недостатка — локального переохлаждения тела человека.
В то же время, в области разработки систем жизнеобеспечения для экстремальных термических условий имеется значительный прогресс, в частности, предложены схемы и обоснованы параметры для систем локального терморегулирования теплового состояния организма человека.
Кроме того, эффективность функционирования традиционных систем обеспечения термокомфортности оператора в кабине МСХМ оценивается показателями микроклимата, а системы локального терморегулирования -показателями теплового состояния организма, имеющими в частности физиологическую природу.
Таким образом, из вышесказанного следует, что существует необходимость выработки критерия интегральной оценки комфортности микроклимата и разработки новых средств обеспечения комфортного теплового состояния оператора в кабине МСХМ. Одним из таких средств является кондуктив-ная панель (КП) обогрева.
Цель работы - улучшение условий труда операторов мобильных сельскохозяйственных машин за счет обеспечения их термокомфортности.
Объект исследования - процесс формирования теплового состояния оператора КП обогрева в условиях охлаждающего микроклимата.
Предмет исследования - установление закономерностей взаимодействия между рабочими элементами КП обогрева и телом оператора. Научная новизна:
теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность ускорения процесса формирования комфортного теплового состояния оператора в кабине МСХМ КП обогрева;
теоретически обоснованы и экспериментально установлены критерии комфортности микроклимата в кабинах МСХМ по теплоощущениям и теплосодержанию оператора, а также их интегральный показатель;
- теоретически обоснованы и экспериментально доказаны рациональные
конструктивные и режимные параметры КП обогрева.
Практическая ценность:
-предложенный интегральный критерий оценки комфортности условий микроклимата позволяет: оценить эффективность новых средств нормализации микроклимата при их испытании и эксплуатации, обеспечить возможность снижения времени такой оценки на 8... 10%;
разработаная конструкция экспериментального образца КП обогрева, позволяющая активизировать процесс формирования комфортного теплового состояния организма оператора в кабинах машин без изменения в них параметров микроклимата;
использование КП обогрева в кабинах МСХМ на основных видах работ позволило повысить работоспособность и производительность труда оператора на 10...15%.
Результаты исследований могут быть использованы научно-исследовательскими и конструкторскими организациями при совершенствовании и разработке новых конструкций терморегулирующих устройств.
Внедрение результатов исследований.
Разработанные методики:
оценки условий микроклимата в кабинах МСХМ;
систематизации средств обеспечения термокомфортности человека по функциональной принадлежности, принципу и способу реализации, путям и широте воздействия на организм;
обоснования процесса и выбора способа регулирования теплоподвода к поверхности тела оператора КП обогрева;
внедрены в ТОО «Сапар», ПК «Жол-Болсын», ТОО «Александровское», Кос-танайская область, Республика Казахстан, а также в учебный процесс при изучении дисциплины «Охрана труда» в Костанайском инженерно экономическом университете, Костанайском государственном университете.
Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и одобрены на международных научно-технических конференциях: ЧГАУ (г. Челябинск, 2003...2005 гг.), КИнЭУ (г. Костанай, 2002...2005 гг.) и КГУ (г. Костанай, 2002...2004 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 печатных работах в сборниках научных трудов ЧГАУ, журнале «Вестник ЧГАУ», журнале «Вестник КГУ», в журналах «Механизация и электрификация сельского хозяйства» и «Тракторы и сельскохозяйственные машины», оформлена заявка на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих вьгводов и рекомендаций, списка литературы из 117 наименований и содержит 195 страниц машинописного текста, включая 42 рисунка, 5 таблиц, 15 приложений.
Особенности процесса формирования термокомфортности оператора мобильной сельскохозяйственной машины или трактора
Тепловые ощущения человека в значительной степени отражают его ин-дивидуаіьное отношение к объективному тепловому состоянию его организма. О значении учета тепловых ощущений человека в гигиенических исследованиях и высокой корреляции между этим субъективным показателем и объективными показателями теплового состояния организма - с одной стороны, и микроклиматическими факторами - с другой, свидетельствуют данные многих авторов [13, 15, 31,60,94, 101].
Определение теплоощущений человека применительно к оценке микроклимата производственных помещений проводится по семибалльной шкале Бредфорда: 1 - холодно, 2 - прохладно, 3 - слегка прохладно, 4 - комфорт, 5 -слегка тепло, 6 - тепло, 7 - жарко.
Седов Г.М., Яковенко Ф.М. и другие в работе «О балльной оценке уровня условий труда на тракторах, комбайнах и сельхозмашинах» отмечают, что при исследовании условий микроклимата в кабинах МСХМ анализ тепловых ощущений человека стал традиционным подходом [94].
Кощеев B.C. и Кузнец Е.И. [53] указывают на то, что зависимость уровня температуры кожи от термических условий среды, тесная корреляционная связь с тепловыми ощущениями, что позволяет считать температуру тела одним из существенных информативных показателей теплового состояния организма. Городинский СМ., Кузнец Е.И. и др. [31] показывают, что теплосодержание в организме человека является величиной, производной от средней температуры тела и теплоемкости тканей организма, при этом ее изменение по отношению к комфортному уровню есть дефицит тепла в теле человека. Дефицит тепла является положительной величиной, если теплоотдача превышает теплообразование, и отрицательной, если теплообразование выше теплоотдачи, то есть существует "накопление" тепла.
Сопоставив полученные данные и изучив динамику измеряемых показателей, можно с определенной уверенностью оценить тепловое состояние организма человека и прогнозировать возможные его изменения.
Внутренний теплообмен человека включает процессы взаимодействия теплообразования и теплопереноса в тканях, органах и крови и формирует параметры внутреннего "ядра" (среднюю температуру тела и ректальную температуру тела) и граничного "слоя" (средневзвешенную температуру кожи).
Внешний теплообмен человека заключается во взаимосвязанных процессах отдачи и приема тепла в отношении внешней среды путем конвекционного, радиационного, кондуктивного теплообменов, и описываются основными законами теории теплопереноса, с учетом граничных условий, отражающих внутренние биологические процессы.
Тепловое состояние человека, как обобщенная характеристика влияния параметров микроклимата и других факторов на организм человека, в многочисленных исследованиях рассматривается в трех основных направлениях: - выявление необходимых и достаточных физиологических показателей для объективной оценки теплового состояния человека; - разработка методов оценки теплового состояния человека; - классификация тепловых состояний, т.е. установление значений теплового состояния организма человека для различных уровней воздействия сочетаний тепловой и физической нагрузок.
Однако для решения многих научно-практических задач, связанных с разработкой и испытанием новых средств нормализации микроклимата, принципиально важно знать не только характеристики ответных реакций организма на внешние воздействия, но и возможности влияния на процесс их формирования. Известно, что на процесс формирования теплового состояния организма человека влияют различные сочетания параметров и факторов среды, таких, как температура, скорость и относительная влажность воздуха, вид и характер выполняемой работы, одежда и время воздействия совокупности всех перечисленных факторов [12, 90, 110].
Изучению процесса формирования теплового состояния организма человека в условиях промышленных помещений посвящен ряд работ [15, 16, 18, 21, 48, 31, 60, 101 и др.]. Однако процесс формирования теплового состояния организма оператора в кабинах МСХМ остается недостаточно изученным. Это затрудняет не только оценку эффективности средств нормализации микроклимата при их выборе, испытании и эксплуатации, но и разработку новых способов и средств обеспечения термокомфортного состояния оператора.
В процессе анализа математических моделей, описывающих процесс формирования теплового состояния организма человека в условиях производственных помещений и помещений малого замкнутого объема, установлено, что некоторые авторы не учитывают или пренебрегают одной из существенных составляющих теплового баланса - теплопроводностью, то есть кондукцией.
Однако ряд авторов (Городинский СМ., Кощеев B.C., Кузнец Е.И. и другие [31, 53]) указывают на значимость данной составляющей теплового баланса в отношении ее влияния на процесс формирования теплового состояния организма человека. При контактном, кондуктивном теплообмене большое значение имеет, какая именно часть поверхности тела человека участвует в этом теплообмене, а также площадь контакта. Имеется ряд работ [53, 60, 94, 101, ПО], указывающих на значимость учета при формировании термокомфортного состояния организма человека: -топографии удельных тепловыделений с поверхности тела при термической и физической нагрузках; -термочувствительности кожных и подкожных сосудов, обладающих тоническим типом активности, к температуре окружающей среды и поверхности; - влияния на центральную нервную систему с терморефлексогенных зон поверхности тела; - психофизиологических состояний, выражающих теплоощущения человека.
Таким образом, на основании вышеизложенного можно заключить, что целенаправленное воздействие на определенные участки поверхности тела человека, с учетом анатомо-физиологических особенностей организма, искусственными системами и средствами кондуктивного типа, совместно с существующими средствами, позволит облегчить процесс теплообмена организма с внешней средой и формирование термокомфортного состояния организма при определенных условиях охлаждающего микроклимата.
Однако до настоящего времени остается нерешенным вопрос об уровнях и режимах такого совместного теплового воздействия на организм человека, при котором не происходит перенапряжения механизмов терморегуляции организма и не формируется тепловой дискомфорт, выражающийся в дискомфортных тепловых ощущениях человека.
Определение показателей дефицита тепла в кабине мобильной сельскохозяйственной машины или трактора в условиях охлаждающего микроклимата
Под показателями дефицита тепла будем понимать величины, характе ризующие необходимое значение подвода тепла в единицу времени, в пер вую очередь потребную плотность мощности теплового потока с поверхно сти КП обогрева, с точки зрения обеспечения комфортных теплоощущений и теплосодержания человека, и полную мощность теплового потока. Данные показатели будут определяться также и параметрами тела человека (ростом и массой тела), а комфортные условия - допустимой скоростью повышения средней температуры тела человека.
Для определения показателя дефицита тепла составим тепловой баланс кабины МСХМ в холодный период года. При этом влияние солнечной радиации учитывать не будем (ГОСТ 12.2.002 - 91). В холодный период основное количество теплоты теряется из кабины через стенки и через неплотности с выходящим воздухом.
Дтя упрощения расчета примем некоторые допущения: коэффициенты теплоемкости и теплопроводности стенок кабины при изменении температуры воздуха изменяются незначительно, воздух в кабине нагревается одновременно во всех элементарных объемах, температура воздуха примерно равна температуре стенок (Ч1ЮЗ = t в, Q „ов = 0)
Произведем расчет теплового баланса кабины трактора при его эксплуатации в условиях холодного периода года. Дпя расчета теплового баланса кабины трактора примем: трактор МТЗ - 82; скорость движения трактора 30 км/ч; площади поверхностей (непрозрачные стенки 2.8 м2, стекла 4.02 м2, крыши 2.05 м", пол 0.8 м"). Крыша, пол и стенки кабины имеют стальную обшивку толщиной 1мм, кроме того, крыша уплотнена пенополиуретановой прослойкой толщиной 10 мм, иол имеет накладку из тероформа толщиной 12 мм и резиновый коврик толщиной 5 мм.
Для определения зависимости дефицита тепла от температуры наружного воздуха был разработан документ на ЭВМ (прилож. А). Дія расчета использовались выражения (2.13 -2.22). Как видно из рисунка 2.2., возможности системы отопления для поддержания комфортного микроклимата в кабине в зимний и переходный периоды эксплуатации тракторов очень ограничены. Заводская система отопления как устройство для обеспечения комфортного микроклимата в кабине может быть использована при температуре наружного воздуха не ниже минус 10С. При температуре наружного воздуха ниже минус 10С возникает дефицит тепла в теле оператора, который возможно устранить за счет использования предлагаемой КП обогрева. Для этого необходимо определить показатели мощности теплового потока КП обогрева. 2.3. Определение показателей мощности теплового потока КП обогрева
Под показателями мощности теплового потока КП обогрева будем понимать величины, характеризующие необходимое значение теплоподвода в единицу времени, в первую очередь потребную плотность мощности теплового потока к поверхности тела человека, с точки зрения обеспечения его комфортных теплоощущений и теплосодержания, и полную мощность теплового потока. Данные показатели будут определяться также и параметрами тела человека (ростом и массой тела), а комфортные условия -допустимой скоростью повышения средней температуры тела человека.
Особенностью КП обогрева является то, что мощность ее теплового потока должна определяться дефицитом тепла в организме человека, который выражается величиной теплового потока от КП обогрева к телу человека.
Ряд исследователей (Бавро Г.В., Залетаев В.М., Иванов Г.А., Кощеев B.C., Ландо Н.Г., Нефедов А.Ю., Саливон С.Г. [14, 31, 41, 52, 55, 76]) утверждают, что терморегулирующие устройства должны обеспечивать регулировку прироста или спада средней (внутренней) температуры тела на величину порядка 2С за один час. При выполнении расчетов такую скорость примем как заданную (нормативную) скорость повышения температуры тела человека.
Выбор и обоснование критерия комплексной оценки комфортности условий микроклимата
Параметры микроклиматических условий в помещениях малого замкнутого объема в значительной степени влияют на физиологическое и психологическое состояние человека, которое проявляется в том или ином тепловом состоянии организма [93]. Поскольку тепловое состояние организма может быть оценено тепловым ощущением (S,,) и тепловым содержанием (Q4), то ими же могут быть оценены как параметры и факторы среды, так и физиологические показатели оператора.
На основании такого заключения можно утверждать, что тепловое состояние является показателем, в котором выражается связь между параметрами и факторами среды и соответствующими показателями теплового содержания организма оператора.
Показатель теплового ощущения организма человека S4, характеризующий параметры (температуру воздуха, относительную влажность воздуха, скорость движения воздуха и температуру поверхности) и факторы (категорию тяжести труда и теплозащитные свойства одежды) среды можно представить в следующем виде: S4 = F] (tR, ф„, С0В, tn, QMCX, Дад), (3.1 ) где S4 - тепловое ощущение человека, балл; Fi — символ функциональной зависимости; tB - температура воздуха, С; фв - относительная влажность воздуха, %; юв - скорость движения воздуха, м/с; tn - температура поверхности ограждений, С; QMCX - энергия, затрачиваемая на выполнение механической работы, Вт; Аод - теплозащитное свойство одежды, do. Показатель Q4, характеризующий физиологические показатели оператора (температуру тела, температуру кожи и ректальную температуру тела, удельную теплоемкость тела и массу тела человека), можно представить в следующем виде: QH = F2(tI,tK,tp,C4,M4), (3.2) где Оч - тепловое содержание организма человека, Вт-ч; F2 - символ функциональной зависимости; tr — температура тела человека, С; tK - температура кожи человека, С; tp - ректальная температура тела человека, С; Сч - удельная теплоемкость тела человека, Вт-ч / (кг-С); Мч - масса тела человека, кг.
Из выражений (3.1) и (3.2) видно, что в любом случае либо значения комплекса параметров и факторов среды опираются на выявленные тем или иным способом соответствующие реакции организма (тепловые ощущения), либо наоборот, комплекс физиологических показателей, так или иначе, связан с параметрами и факторами среды. На основании этого можно предложить следующее выражение: S4 - Q4 или Fj (t,„ ф„, о)в, t„, QMex, ЛоЛ) - Ь (tr, tK, tp, Сч, Мч). (3.3) Данное выражение показывает, что комплекс параметров и факторов среды и комплекс физиологических показателей связаны через показатель теплового состояния организма человека, который складывается из показателей теплового ощущения и теплового содержания.
Каждый из рассматриваемых показателей (S4, Q4) в отдельности в исследованиях использовался. В частности для S4 в работе [18] было предложено эмпирическое уравнение: S4 = К,. - Кв-Т. - Кн-Т,, - Кл-Р„ + Ки-(37,8 - Т.)- V B", (3.4) где Кс - сезонный коэффициент, учитывающий период года, балл; Кв, Кп, Кд -коэффициенты, учитывающие значимость температуры воздуха и поверхности и парциальное давление пара в воздухе, 1/С, 1/С, 1/Па; К„ - интегральный коэффициент, учитывающий значимость совместного влияния температуры и скорости движения воздуха; Р„ - парциальное давление водяного пара в воздухе, Па.
Для второго показателя (Q,,) наиболее целесообразно использовать предложенное в работе [84] эмпирическое выражение: Q4 = Kc-KKK,p.H, (3.5) где Кк - коэффициент, учитывающий значимость величины температуры кожи человека. В выражении (3.5) было принято, что для характеристики физиологических показателей человека по теплосодержанию наиболее информативным является определение теплосодержания через средневзвешенную температуру кожи.
Таким образом с одной стороны, характеристики теплового ощущения и теплового содержания, связаны между собой, с другой - они имеют разную физическую природу. Несмотря на это, первая - субъективная, а вторая -объективная характеристики.
Однако приведенные выражения не совсем согласуются с принятыми санитарными нормами микроклимата для МСХМ. Это также отмечено в работах [15, 47, 58, 60, 101].
Для устранения разночтений между комплексными показателями оценки теплового состояния организма оператора и общепринятым представлением о нормативных параметрах микроклимата предлагается разделить последние на три зоны комфортности: оптимальную, допустимую и недопустимую, или критическую - для условий холодного и переходного периодов года.
С целью характеристики зон комфортности условий микроклимата показателями S4 и Q4 предлагается ввести понятие критериев комфортности, числовые значения которых можно определить из следующих выражений: KKS = к5-(8ч.ф — S4.H)/S4.„, (3.6) KKq = Kq-(q4.c - Чч.нУЧч..!, (3.7) где KKS, KKq - критерии комфортности микроклимата соответственно за счет оценки теплового ощущения и теплового содержания человека, усл.ед.; KS, КЧ - нормирующие коэффициенты теплового ощущения и теплового содержания человека, учитывающие перевод величин в условные единицы; S4 S4.„ -фактическая и нормативная величины показателя теплового ощущения чело 73 века, балл; цч.ф, q4.„ - фактическая и нормативная величины показателя удельного теплового содержания человека, кДж/кг.
За нормативные могут быть приняты такие величины показателей теплового ощущения и теплового содержания, которые уже определялись в ходе объемных статистических исследований (глава 1 и [52, 53, 60, 101]). Используя соотношения 3.6 и 3.7, а также электронный документ для системы Excel 2000, получим, что множество допустимых значений предлагаемых критериев комфортности условий микроклимата KKS, KKq принадлежит целочисленному диапазону: (КК5&Ккч)Є[-2;+2], (3.8) где градация составляющих KKS, KKq условий микроклимата может быть представлена как три зоны комфортности: (0) - оптимальная; (I; -1) - допустимая и (2; -2) - недопустимая, или критическая - для условий теплого и холодного периодов года соответственно. Этот подход к оценке условий микроклимата позволяет объединить предлагаемый в [60] метод, слабо обоснованный количественно, и подход, построенный на основании объемных статистических исследований [4, 52, 60 и т.д.] (см. табл. 1.2). а) б) Рис.3.1. Зависимость критериев комфортности микроклимата (KKS и Ккд) от показателей: а) теплового ощущения оператора (S4); G) удельною теплового содержания оператора Ы С помощью выражений (3.4-3.7) и электронного документа для системы Excel 2000 были построены графики зависимости критериев комфортности условий микроклимата (К , KKq) от значений теплового ощущения (S.,) и удельного теплового содержания (q.,) организма человека, с учетом зон комфортности условий и теплого и холодного периода года, которые показаны на рис.3.1. Линейный вид зависимостей и одинаковость диапазонов изменения критериев свидетельствуют об удобстве их использования для оценки условий комфортности микроклимата.
Одинаковый масштаб изменения указанных показателей, а также их без-размерность (с физической точки зрения) позволяют получить интегральный критерий комфортности условий микроклимата.
Анализ результатов лабораторных экспериментальных исследований по определению оптимальных параметров кондуктивной панели обогрева
Результаты лабораторных опытов по определению зависимостей теплосодержания и теплоощущения от суммарной длины трубок и температуры жидкости представлены в табл.1 и 2 (прилож.Л). В данных таблицах указаны номера опытов и повторности, порядок их рандомизированного чередования, значения факторов, значения откликов для пяти испытуемых и результаты осреднения откликов по испытуемым для каждой повторности каждого опыта.
Обработка данных, представленных в таблицах, предусматривала построение регрессионных зависимостей откликов от факторов, проверку их адекватности, перерасчет откликов в значения критериев комфортности и анализ полученных зависимостей на предмет поиска оптимальных значений факторов.
В соответствии с методикой, изложенной в п.3.5.2, были разработаны электронные документы на ЭВМ (прилож. М, Н, О). Результаты обработки данных лабораторных опытов позволили вычислить оценку коэффициентов полиномов для зависимостей вида: y(LT,tB) = B0 + B, -Ьт+В2-іж+В3.Ьт-іж +В4-і4+В5-іж, (4.3) где Lr - суммарная длина трубок КП обогрева, м; 1ж - температура жидкости, С; у - теплосодержание (кДж/кг) или теплоощущение (балл).
Результаты МНК - оценки коэффициентов полиномов представлены в табл.4.4. Там же приведены результаты статистической проверки адекватности уравнений регрессии по критерию отношения дисперсий (Фишера) при уровне значимости 5%. Как видно из таблицы, для обоих уравнений регрессии расчетные значения критерия Фишера превышают его табличные значения, что говорит об их адекватности опытным данным.
Графическая иллюстрация одномерных сечений поверхностей отклика при фиксированных значениях либо температуры жидкости 1ж, либо суммарной длины трубок LT КП обогрева приведена на рис.4.5 и 4.6. Кружками показано рассеивание опытных точек. Как видно из рис.4.5 а и 4.6 а, зависимости данных показателей от суммарной длины трубок носят характер кривых с явно выраженным максимальными значением, а зависимости от температуры жидкости имеют вид возрастающих линий с вогнутыми (рис.4.5 б, 4.6 б) кривыми.
Для нахождения оптимальных значений искомых параметров L, и tA- требуется перевести значения откликов по уравнениям регрессии в значения критериев комфортности с учетом выражений (3.6) и (3.7), при этом Q4 и 8ч.ф определяются уравнениями регрессии вида (4.3). Указанный перерасчет также производится посредством электронных документов на ЭВМ (прилож. М и Н). Электронный документ (прилож. О) выполняет аналогичный перерасчет для интегрального критерия комфортности сразу по двум уравнениям регрессии.
Графическое представление результатов перерасчета данных зависимостей показано на рис.4.7. Как видно из зависимостей рис.4.7, при некоторых значениях суммарной длины трубок КП обогрева наблюдается максимум у критериев комфортности. В случаях, когда этот критерий всюду отрицателен, максимум соответствует оптимальному значению данного параметра.
Так, для критерия комфортности по теплосодержанию (рис.4.7 а) при температуре жидкости 48 С оптимальное значение длины трубок, как максимум зависимости KKq от LT, достигается при Lr = 29 м, при большей температуре жидкости длина трубок уменьшается. При температуре жидкости ниже 48 С максимуму кривых соответствует режим, при котором наблюдается частичное переохлаждение организма человека. Поэтому оптимальное значение длины трубок КП обогрева соответствует не максимуму кривой, а точке пересечения ее с осью абсцисс. Следует также отметить, что максимальные значения для критерия по теплоошущению и интегрального критерия достигаются при несколько большей длине трубок КП обогрева, чем для критерия комфортности по теплосодержанию. Что касается зависимостей от температуры жидкости, имеющих монотонно возрастающий характер, то для них наблюдается аналогичная тенденция смещения кривых в область больших значений аргумента.
Если судить по внешнему виду поверхностей отклика для критериев комфортности в их трехмерном представлении (прилож. М и Н), то можно сделать вывод, что поскольку поверхности отклика имеют корытообразный вид, то глобального экстремума в исследуемой области у них не существует. То есть для сечений по одной переменной - суммарной длине трубок - экстремум имеется, а по другой - температуре жидкости - экстремума нет. Следовательно, каждому значению температуры жидкости соответствует свое экстремальное значение суммарной длины трубок. Таким образом, минимальные значения критериев сдвигаются вправо по оси абсцисс по мере роста температуры жидкости.
Поскольку Dq 0, то критерий комфортности по теплосодержанию KKq имеет экстремум в данной точке, а критерий комфортности по теплоощуще-нию KKS не имеет, так как Ds 0. Ввиду того, что an =2fJ5 =2-0.017 0, критерий комфортности по теплосодержанию KKq, ИхМеет в точке экстремума максимум, однако данная точка находится далеко за пределами области исследования. При этом значение критерия комфортности по теплоощуще-нию KKS намного меньше нуля, следовательно, этот режим далек от оптимального, при котором KKS должен быть близок к нулю.
Таким образом, точки, соответствующей оптимальным значениям температуры теплоносителя и суммарной длины трубок одновременно, не существует ни для одного из критериев комфортности в пределах приемлемого диапазона значений этих параметров. Следовательно, налицо лишь возможность для нахождения зависимости потребной суммарной длины трубок от температуры жидкости по условию минимальности отклонения критериев комфортности от их нулевого значения.
