Введение к работе
з
Актуальность проблемы. Автомобильный транспорт — динамично развивающаяся сфера общественных интересов. Интенсивное развитие перевозок грузов и людей сопровождается всё более растущими требованиями к экономическим, экологическим и социально-общественным показателям. Для достижения целей перевозок всё насущнее формулируют задачу обеспечения комфорта пассажиров и водителя. Особенно важны комфортные условия работы водителей, так как от состояния водителя зависит жизнь пассажиров.
Для создания комфортных условий работы водителей необходимо обеспечить соответствующие параметры микроклимата с помощью системы кондиционирования и вентиляции.
Ведущими научно-исследовательскими организациями России МВТУ, МЭИ, СГАУ, Санкт-Петербургского технологического института холодильной промышленности и другими организациями разработаны современные системы кондиционирования для всех видов транспорта. Особенно большие успехи в создании микроклимата кабин достигнуты в авиации и космонавтике.
Для обеспечения благоприятного микроклимата в кабинах водителей автобусов необходимо решить менее узкие задачи, но достаточно сложные.
Для транспортных средств созданы кондиционеры воздуха для кабин и салонов с разными принципами действия и источниками холода. Наиболее распространенными являются сложные, дорогие и экологически небезопасные фреоновые холодильные машины. Актуальная задача — создание недорогого, простого в конструкции, в обслуживании, ремонтопригодного и экологически безопасного автомобильного кондиционера для обеспечения комфортных условий работы водителя. Вихревые трубы удовлетворяют этим требованиям и для некоторых задач локального охлаждения они успешно используются в настоящее время, однако их более широкое распространение сдерживает низкая термодинамическая эффективность. Поэтому улучшение характеристик вихревых труб может стать частью решения проблемы обеспечения комфортных условий для работы водителя. Создание комфортных условий способствует уменьшению утомляемости водителя, сказывается на уменьшении ДТП из-за потери внимания и усталости. Так, по данным В.И. Коноплянко, изменение средней температуры в кабине от 19 до 22С практически не влияет на увеличение ДТП. С ростом средней температуры от 22 до 27С количество ДТП возрастает на 59%, то есть, при изменении температуры на 1С количество ДТП увеличивается на 11,8%. При этом отклонения от занимаемой полосы движения увеличиваются и составляют 3,3% на каждый С.
Условия комфортности зависят прежде всего от теплового состояния рабочего объема кабины транспортного средства. Необходимо иметь
количественную оценку ухудшения комфортных условий работы водителя при отличии реальных условий эксплуатации автомобиля от условий комфортной работы. В связи в этим работа является актуальной.
Цель работы: обеспечение комфортных условий работы водителя при эксплуатации автомобилей на основе кондиционера с улучшенными характеристиками вихревой трубы в качестве источника холодного и нагретого воздуха.
Для достижения поставленной цели в работе решались задачи:
Разработка параметров «теплонапряженность кабины водителя автомобиля», «коэффициент комфортности».
Анализ параметров эффективности работы вихревых труб (ВТ), оптимизация геометрических и режимных параметров ВТ, обобщение опытных материалов для уточнения расчетных методик.
Испытания вихревых труб с наклонными соплами, оптимизация конструкции таких труб.
Испытания усовершенствованных вихревых труб с искривленной камерой энергетического разделения, оптимизация геометрических и режимных параметров таких труб.
Разработка, создание и испытания лабораторного макета системы кондиционирования и вентиляции кабины водителя автомобиля.
Анализ опытных результатов и оценка значений «коэффициента комфортности по температуре и относительной влажности», выявление области функционирования интегрированной системы вентиляции и кондиционирования кабины автомобиля при изменении температуры и влажности в кабине водителя.
Научная новизна.
Разработаны, тестированы, прошли опытную апробацию новые комплексные параметры «теплонапряженность кабины» водителя автомобиля и «коэффициент комфортности по температуре и относительной влажности», позволяющие характеризовать соответствие комфортным условиям работы водителя с качественной и количественной стороны;
Предложены конструкции и исследованы характеристики новых классов ВТ с наклонными соплами, искривленной камерой энергетического разделения, позволяющие повысить холодопроизводительность для кабины водителя на 30%. Для расчета новых ВТ получены математические модели в виде регрессионных уравнений;
3. Выявлены новые соотношения для оптимизации геометрии
вихревых труб и предложен новый параметр для обобщений характеристик
эффективности вихревых труб в системах кондиционирования автомобиля.
Достоверность и обоснованность научных положений работы обусловливаются использованием фундаментальных уравнений термодинамики и газовой динамики, теории планирования эксперимента, обоснованностью допущений, принятых при разработке расчетных моделей, высокой сходимостью результатов расчетов и экспериментов.
Методы исследования. Экспериментальные исследования термодинамической эффективности вихревых труб с помощью теории планирования эксперимента и математического программного обеспечения. Теоретические обобщения опытных данных.
Объект исследований. Разработанные автором вихревые трубы с изменяемой геометрией камеры энергетического разделения и со сменными наклонными соплами.
Практическая ценность.
Предложены схемы интегрированной системы вентиляции и кондиционирования кабины водителя автомобиля с теплообменниками на конце вихревой трубы и лучшими эксплуатационными характеристиками системы в целом;
Предложены усовершенствованные вихревые трубы с искривленной камерой энергетического разделения, отвечающий гибким схемам интегрированных схем, обеспечивающих комфортные условия работы водителя автомобиля;
Предложены параметры «теплонапряженность кабины» и «коэффициент комфортности» для оценки эффективности системы кондиционирования и вентиляции автомобиля с качественной и количественной стороны.
Апробация работы.
Работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Волгоградского технического университета, по научно-технической программе «Вузовская наука регионам», региональной НТП «Научные, технические и экологические проблемы г. Волжского».
Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: Межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых города Волжского (Волжский, 2001, 2002, 2003, 2004 гг.), Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2002, 2003 гг.), Межрегиональная научно-практическая конференция «Взаимодействие научно-исследовательских подразделений промышленных предприятий и вузов по повышению эффективности производства» (Волжский, 2004 г.), Всероссийская молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2004 г.), Российский национальный симпозиум по энергетике (Казань, 2001 г.), Международная конференция «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий» (Москва - Сочи, 2001 г.), Уральский Семинар РАН (Миасс, 2006), ежегодные научно-практические конференции ВолгГТУ (2003-2006 гг.)
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, в том числе одна в центральной печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы. Объем диссертации составляет 153 страниц, включая 143
страницы машинописного текста, 42 рисунка и 10 страниц списка использованной литературы из 103 наименований, включая 17 на иностранном языке.
