Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ современного состояния проблемы энергосбережения и обеспечения требуемых параметров микроклимата в вентилируемых помещениях малого объема
1.1 Оптимизация микроклимата в помещении малого объёма 14
1.2 Энергосбережение в помещениях малого объема 16
1.3 Обеспечение теплового режима 20
1.4 Организация воздушного режима в помещении малого объёма 26
1.5 Задачи исследований 27
Глава 2 Исследование теплового режима помещения малого объёма 29
2.1 Общие сведения 29
2.2 Система обеспечения теплового режима кабины 31
2.3 Теплообмен в помещении кабины 35
2.4 Математическая модель нестационарной теплопередачи через ограждающие конструкции кабины 41
2.5 Теплообмен работающего с окружающей средой 50
2.6 Методы определения комфортных условий 53
2.7 Вибро- и звукозащита рабочего места оператора 55
2.8. Математические модели комфортного теплового режима оператора 58
Выводы по главе
Глава 3 Воздушный режим помещения малого объёма 63
3.1 Общие сведения 63
3.2 Гидродинамика воздушных потоков в помещении малого объёма 64
3.2.1 Настилающаяся струя в помещении 64
3.2.2 Настилающая струя на поверхности потолка помещения 65
3.2.3 Струя, настилающаяся на вертикальную поверхность ограждения помещения 67
3.2.4 Затопленная струя в помещении малого объёма 69
3.3 Критериальные зависимости циркуляции потоков в процессе воздухообмена 72
Выводы по главе 3 77
Глава 4 Экспериментальное исследование теплового и воздушного режима в помещении малого объёма 78
4.1 Методы измерений 78
4.1.1 Методы измерения тепловых потоков 78
4.1.2 Методы измерения воздушных потоков 80
4.2 Экспериментальные исследования теплоотдачи телом оператора 82
4.3 Экспериментальные исследования воздухораспределения в помещении малого объёма 86
4.4 Исследование методом визуализации воздушных потоков в помещении малого объёма 93
Выводы по главе 4 95
5 Технико-экономический подход в оценке эффективности теплоизолирующего экрана 97
5.1 Общая постановка вопроса 97
5.2 Теплопередача через ограждение помещения малого объёма при наличии теплоизолирующего экрана 98
5.3 Компьютерное моделирование аэродинамики в помещения малого объёма 105
5.3.1 Исходные данные для расчета 105
5.3.2 Методика расчета 106
5.3.3 Результаты расчетов 107
5.4 Оптимизация энергосберегающей системы 111
5.4.1. Основы теории графов 111
5.4.2. Основы эксергетического метода анализа 114
5.4.3. Основные положения оптимизации энергосберегающей системы 115
5.4.4. Оптимизация теплоизолирующего экрана 116
Выводы по главе 5 122
Заключение 124
Список использованных литературных источников 126
- Организация воздушного режима в помещении малого объёма
- Математическая модель нестационарной теплопередачи через ограждающие конструкции кабины
- Струя, настилающаяся на вертикальную поверхность ограждения помещения
- Экспериментальные исследования воздухораспределения в помещении малого объёма
Введение к работе
С развитием техники и условий, в которых находится работающий, изменяется характер его труда. Технический прогресс направлен на то, чтобы освободить человека от тяжелых операций. Это стремление относится ко всем областям человеческой деятельности, кабины операторов пультов управления оборудованием в том числе и к управлению самодвижущимися строительными машинами.
Деятельность работающего (оператора) представляет собой сложный процесс, включающий физические и психологические нагрузки, мыслительные операции, профессиональные навыки.
Основная особенность операторской работы состоит в том, что текущая информация в значительной степени передается ему через систему технических устройств. Он имеет возможность непосредственно наблюдать за объектом, но немалую долю информации получает от систем отображения в закодированном виде. Как с физиологической, так и с психологической точек зрения, целесообразно обеспечить оптимальные условия для деятельности работающего. Основным фактором, воздействующим на самочувствие работающего, а, следовательно, на его работоспособность, является микроклимат в вентилируемых помещениях малого объема (например, кабины операторов пультов управления оборудованием, строительных и сельскохозяйственных машин). Как правило, такие помещения выгораживаются от остального объема светопрозрачными ограждениями, имеющими низкое сопротивление теплопередаче, и работающие в них подвергаются одновременному воздействию высоких температур окружающего воздуха и интенсивного теплового облучения.
С изменением основных параметров микроклимата (температуры,
относительной влажности, скорости движения воздуха), от нормативных значений изменяется самочувствие человека, понижается или снимается утомляемость, уровень его внимания и реакции и, как следствие, падает или повышается производительность труда. Более того, длительное пребывание человека в некомфортных условиях может вызвать изменение
9 физиологических показателей, привести к заболеваниям.
Микроклимат в основном определяется тепловым и воздушным режимом в помещении малого объема. На параметры микроклимата может активно воздействовать работающий путем регулирования системы воздухообмена или отопления (кондиционирования). Пассивная роль работающего заключается в том, что он является источником тепловыделения в помещении малого объема. Все указанные факторы накладываются друг на друга, чем определяется сложность процессов тепломассообмена, протекающих в помещении малого объема.
Обзор литературы показывает, что микроклимат должен отвечать следующим требованиям:
повышению условий комфортности в помещении малого объема за счет строгого соблюдения требования санитарных норм — равномерное воздухораспределение, регулирование температуры и расхода приточного воздуха;
экономии энергопотребления за счет правильного учета всех притоков (в том числе от оператора) и потерь теплоты.
Комплексы: человек - техническая система - среда обитания характеризуются сложными взаимосвязанными зависимостями, большим количеством факторов. Качество и эффективность функционирования современных сложных систем определяется не только техническими характеристиками элементов, агрегатов и подсистем.
Однако помещения малых объемов часто не отвечают современным требованиям, как по обеспечению нормируемых параметров микроклимата на рабочем месте, так и по значительным энергозатратам для поддержания требуемых температур и подвижности воздуха. Кроме того, при проектировании таких помещений не учитываются проблемы эргономики, т.е. энергетической совместимости работающего и управляемой системы с учетом параметров окружающей среды.
Представляются важным разработки математических моделей, как для
отдельных элементов, так и системы в целом. При решении задач, связанных
10 с математическим моделированием на всех уровнях, большое значение имеет подтверждение адекватности используемых моделей натурным аналогам. Идентификация математической модели имеет значение не только при проведении экспериментальных исследований, но и при решении обратных задач, связанных с выбором проектных параметров.
При разработке математических моделей следует учитывать стохастический характер внешних и внутренних тепловых и аэродинамических параметров или нагрузок. Кроме того, функциональные зависимости могут быть нелинейными.
Проблема обеспечения требуемых параметров среды в помещении малого объема при возможно меньших затратах энергии несомненно имеет актуальное значение. Ее решение возможно путем исследований массоэнергообменных процессов, протекающих в помещении малого объема при эксплуатации самоходных машин. Обеспечение оптимальных условий работы означает повышение производительности труда работающего, а также удлинение сроков эксплуатации помещений малого объема: кабин строительных, сельскохозяйственных и дорожных машин.
Таким образом, актуальными являются исследования, направленные на совершенствование методов и средств обеспечения микроклимата в помещениях малого объема и снижение энергозатрат на работу микроклиматических установок.
Настоящая диссертационная работа выполнена в рамках научно-исследовательских работ, проводимых в Кубанском госагроуниверситете, в соответствии с госбюджетной темой №22 «Разработка и исследование энергосберегающих технологий, оборудования и источников электропитания» (ГР №01.2.001 13477) 2001-2005 гг., тема № 27 «Теоретическое обоснование и практическая реализация энергосберегающего оборудования, электротехнологии и источников электроснабжения» (ГР № 01.2.006 06851) 2006-2010 гг.
Цель работы — обеспечение нормируемых параметров микроклимата в помещениях малого объема со светопрозрачными ограждающими
конструкциями, имеющими малое сопротивление теплопередаче, при экономии энергоресурсов на обработку подаваемого воздуха посредством повышения теплозащитных характеристик ограждающих конструкций.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
анализ воздушно-теплового режима в помещениях малого объема с малоинерционными ограждающими конструкциями;
анализ существующих методов и средств обеспечения микроклимата в помещениях малого объема с малоинерционными ограждающими конструкциями;
- аналитические и экспериментальные исследования воздушного и
теплового режима в помещениях малого объема со светопрозрачными
ограждающими конструкциями на основе физического и математического
моделирования процессов теплообмена;
разработка конструкции теплоизолирующего экрана для уменьшения теплопотерь и теплопоступлений с целью снижения энергозатрат на работу систем обеспечения микроклимата в помещениях малого объема с малоинерционными ограждающими конструкциями;
аналитические и экспериментальные исследования по определению рациональной толщины воздушной прослойки между теплоизолирующим экраном и ограждающей конструкцией в помещении малого объема;
разработка методики расчета потерь и поступлений теплоты через ограждающую конструкцию помещений малого объема при наличии теплоизолирующего экрана.
Основные методы научных исследований
Методы физического и математического моделирования совместно с CFD технологиями процессов гидродинамики и тепломассообмена; экспериментальные исследования в лабораторных и в натурных условиях.
Экспериментальные исследования проводились в естественных
условиях в помещении малого объема на ряде строительных и сельскохозяйственных машин, в термобарокамере, моделирующей тепловые и воздушные режимы в кабинах, а также на физических моделях с привлечением современной измерительной аппаратуры.
12 Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделирования изучаемых процессов, подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных и натурных условиях, с результатами других авторов.
Научная новизна работы заключается в том, что:
получены аналитические зависимости, характеризующие тепловой режим помещения малого объема со светопрозрачными ограждающими конструкциями, имеющими малое термическое сопротивление, с учетом теплоотдачи от работающего и нестационарности процесса теплопередачи через ограждения;
предложены критериальные зависимости, описывающие условия взаимодействия приточных и конвективных потоков в помещении малого объема при различных вариантах воздухораспределения;
по результатам исследований в климатической камере экспериментально получены значения тепловыделений от работающего в помещении малого объема в состоянии отдыха и при выполнении работы;
по результатам натурных исследований получена зависимость, описывающая изменение скорости воздуха по высоте помещения малого объема;
по результатам численного эксперимента определена рациональная толщина воздушной прослойки между теплоизолирующим экраном и ограждающей конструкцией помещения малого объема;
получены экспериментальные зависимости, характеризующие значения приведенного коэффициента сопротивления теплопередаче оіраждения и теплоизолирующего экрана при изменении температуры наружного воздуха.
Практическая значимость результатов работы.
Получены конкретные результаты и рекомендаций по разработке и конструированию помещений малого объема энергосберегающих кабин строительных, сельскохозяйственных и дорожных машин.
Методом физического моделирования определены недостатки систем воздухообмена серийных кабин и даны рекомендации по повышению их аэродинамических показателей.
13 На основе результатов исследований разработана энергосберегающая конструкция ограждения помещений малої о объема.
Предложенные методы исследования и моделирования, полученные конкретные результаты могут быть использованы проектными организациями при разработке помещений малого объема.
На защиту выносятся — аналитические зависимости, характеризующие тепловой режим помещения малого объема со светопрозрачными ограждающими конструкциями, имеющими малое термическое сопротивление, с учетом теплоотдачи от работающего и нестационарности процесса теплопередачи через ограждения;
- критериальные зависимости, описывающие условия взаимодействия
приточных и конвективных потоков в помещении малого объема при
различных вариантах воздухораспределения;
- экспериментальные зависимости, характеризующие тепловыделения от
работающего в помещении малого объема в состоянии отдыха и при
выполнении работы;
экспериментальная зависимость, описывающая изменение скорости воздуха по высоте помещения малого объема;
результаты численного эксперимента по определению рациональной толщины воздушной прослойки между теплоизолирующим экраном и ограждающей конструкцией помещения малого объема;
экспериментальные зависимости, характеризующие значения приведенного коэффициента сопротивления теплопередаче ограждения при установке теплоизолирующего экрана. Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на научно-практических конференциях (г. Краснодар, 2005 г.; г. Ростов-на-Дону, 2004 г., 2005 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационных исследований изложены в 12
работах.
Организация воздушного режима в помещении малого объёма
В помещении малого объёма кабин воздух постоянно соприкасается с нагретыми или охлажденными поверхностями. Кроме того, приточный воздух, имея температуру, отличную от температуры воздуха, находящегося в кабине, отдает или получает теплоту в процессе воздухообмена. В небольших помещениях вследствие вентиляционных струй и конвективных токов поступающий воздух перемешивается с воздухом помещения кабины. Степень распределения температуры и концентрация вредных примесей в кабинах зависит от организации воздухообмена. Формирование требуемых полей скоростей движения воздуха, температуры и вредных концентраций обеспечивается вентиляцией. Система вентиляции обуславливает также процессы отопления и кондиционирования и поэтому является одним из существенных элементов обеспечения комфортных условий.
Система вентиляции представляет собой совокупность технических устройств по распределению и удалению воздуха из кабин с целью создания требуемых полей скоростей его движения, температур и концентраций примесей.
Одним из важнейших элементов в системе обеспечения вентиляции является приточная струя.
В практике вентиляции приточные струи всегда турбулентны. Это вызвано тем, что критическое число Рейнольдса, при котором ламинарное течение теряет устойчивость, для свободных потоков мало, притом существенно ниже, чем для потоков в трубах или каналах. Струйные течения хорошо изучены в работах [30, 34]. Известны исследования, где рассматриваются воздушные потоки в помещении [20,32-36]. Дальнейшее развитие теории струйных течений в помещении получено в работах А.Т. Сычева. Им рассматривались как веерные неизотермические струи, поступающие в помещения [37, 38], так и настилающиеся неизотермические струи [39]. Струйные течения в помещении детально анализируются В.Н. Талиевым [40]. Отдавая должное анализируемым работам, следует заметить, что они не могут быть полностью отнесены к исследованиям, отражающим характеристики воздушных потоков в помещениях ограниченного объема, к которым относятся кабины сельскохозяйственных машин. При решении проблемы воздушного режима в кабинах, по-видимому, следует обращаться к теории струйных потоков, как в наибольшей степени раскрывающим картину воздушных течений в небольших замкнутых объемах. Основные потоки, которые имеют место в кабинах, должны, следовательно, рассматриваться и как настилающиеся струйные потоки, идущие по поверхности ограждений и как затопленные струи. Эти струи обеспечивают не только кондиционирование воздуха, но и отопление кабин. Течение струйных потоков сопровождается образованием пристенного пограничного слоя, толщина которого растет по ходу движения воздуха. Следовательно, при анализе закономерностей струйных течений в кабинах, необходимо решать задачу о пограничном турбулентном слое. Кроме того, происходит обмен теплотой между струей и ограждением. Этот процесс, безусловно, оказывает влияние на установление теплового режима. Из приведенного анализа следует, что, исследуя воздушный режим в кабинах, необходимо принимать во внимание все указанные особенности струйных течений воздуха. На основе проведенного анализа можно заключить, что проблема создания комфортных условий в помещении малого объёма при минимальных энергозатратах до настоящего времени изучена недостаточно. Исходя из этого сформулированы следующие задачи дальнейших исследований: 1. Проанализировать воздушно-тепловые режимы в кабинах мобильных строительных, сельскохозяйственных и дорожных машин, определить необходимые условия обеспечения комфортности и энергосбережения в кабинах. 2. Оптимизировать параметры комфортных кабин на основе математического и физического моделирования процессов тепломассообмена в ограниченном пространстве. 3. Установить основные закономерности распределения воздушно-тепловых потоков в замкнутых объемах кабин в зависимости от их конструктивных параметров. 4. Выявить эффективные способы ограничений теплопередачи и обмена энергией между внутренним объемом кабин и внешней средой, в которой эксплуатируются строительные, сельскохозяйственные мобильные машины. 5. Разработать рекомендации по проектированию энергосберегающих комфортных кабин, которые обеспечивают снижение уровня энергозатрат и способствуют повышению производительности труда работающего как в зимний, так и в летний периоды эксплуатации.
Математическая модель нестационарной теплопередачи через ограждающие конструкции кабины
Анализ конвективного теплообмена в кабине показывает, что в общем обмене теплоты существенную роль шрает передача теплоты конвекцией. Воздух, находящийся в кабине, обменивается теплом с охлажденными и нагретыми поверхностями ограждений, оборудованием, оператором. В небольших помещениях под влиянием конвективных потоков и вентиляционных струй воздух вовлекается в движение, хорошо перемешивается и поэтому без особых погрешностей его температуру при расчете теплообмена можно считать постоянной во всем объеме помещения. Усредненную температуру характерных поверхностей также принимают постоянной. Уравнение теплового баланса воздуха в помещении записывается где ak;i — среднее значение коэффициента теплообмена на поверхностях і; і; — температура поверхности і; А, — площадь теплообменной поверхности; 4 — температура воздуха внутри кабины; 4 температура поступающей струи на границе с воздухом помещения кабины; tn — температура уходящего из помещения воздуха; L„ — объемный расход поступающего воздуха; L — объемный расход уходящего воздуха; (ф)в — объемная теплоемкость воздуха; Q— внутренние источники теплоты в кабине.
Конвективный теплообмен в помещении кабины (конвективная теплоотдача телом оператора будет рассмотрена ниже) может происходить как в условиях свободной, так и вынужденной конвекции. При подаче в кабину неизотермических струй воздуха одновременно с теплообменом имеет место и процесс массообмена в результате перемешивания воздуха струи с воздухом в кабине. Этот процесс может быть назван струйным теплообменом. Отличительной особенностью этих процессов является то, что они происходят в ограниченном объеме помещения. Так как теплоотдача является процессом теплового взаимодействия между воздухом и омываемым им твердым телом, большую роль играют особенности течения среды (в данном случае воздуха) у твердой поверхности. При соприкосновении частиц набегающей среды с поверхностью тела они затормаживаются («прилипают» к поверхности). В результате в области около поверхности тела, вследствие действия сил вязкости, образуется тонкий слой заторможенной воздушной среды, получивший название гидродинамического пограничного слоя. В пределах этого слоя скорость омывающей поверхность среды изменяется от нуля на поверхности тела до скорости вдали от тела. Аналогично понятию гидродинамического пограничного слоя пользуются понятием теплового пограничного слоя. В пределах этого слоя температура изменяется от значения, равного температуре поверхности тела, до значения, равного температуре среды (воздуха) вдали от тела.
Пограничный слой играет существенную роль в процессе конвективного теплообмена. В пределах пограничного слоя в общем случае могут иметь место два режима течения - ламинарный и турбулентный. При ламинарном погранслое сопротивление трения значительно меньше, чем при турбулентном. С другой стороны в турбулентном погранслое опасность отрыва меньше, чем в ламинарном пограничном слое, так как турбулентное течение обеспечивает непрерывный перенос импульсов из внешнего течения в пограничный слой. Эти явления оказывают влияния на интенсивность процесса теплообмена.
Свободная конвекция в ограниченном объеме помещения имеет отличительные особенности. Следуя [20], явления конвективного теплообмена в ограниченном объеме кабины, вызванные, как в случае свободной конвекции, только естественными силами, будем называть естественной конвекцией.
Экспериментально установлено, что в ограниченном пространстве помещения происходит интенсификация процесса обтекания поверхности воздухом. Под влиянием пола, вдоль которого воздух протекает к вертикальной поверхности под углом 90 С, усиливается интенсивность течения. Вследствие этого, раньше чем у свободной поверхности (свободная поверхность — это поверхность раздела между жидкостью и поверхностью тела, z = 0), происходит разрушение ламинарного режима, что, в общем, приводит к интенсификации теплообмена. В области ламинарного режима теплообмен на верхней границе течения воздуха превосходит соответствующее значение для свободной конвекции на 25%.
В турбулентной области локальный коэффициент конвективного теплообмена увеличивается по направлению движения воздуха. По сравнению с теплообменом на свободной поверхности коэффициент теплоотдачи 0 оказывается сначала несколько меньше (до 5%), затем больше (до 25%). Опытами установлено наличие около потолка области торможения, которая приводит к уменьшению конвективного теплообмена. Высота области торможения ЛД р, м, согласно [20] ., ( где h — высота помещения (кабины), м; Gr — критерии Грасгофа, для В ограниченных помещениях естественная конвекция у ограждения может сопровождаться подвижностью воздуха в помещении. Этот процесс оказывает влияние на характер конвективного теплообмена, так как общая подвижность воздуха в помещении оказывает влияние на интенсивность движения конвективного потока около поверхности. При анализе смешанной (свободной и вынужденной) конвекции в помещении, как правило, пользуются методом Мак-Адамса [44], согласно которому в данном случае в расчет следует принимать большее из частных значений коэффициента теплообмена, определенных для свободной и вынужденной конвекции. Необходимо подчеркнуть, что указанное положение справедливо в тех случаях, когда имеет место лобовое обтекание поверхности воздухом. Если движение воздуха происходит вдоль поверхности ограждения, то при расчете коэффициента конвективного теплообмена скорость движения воздуха около поверхности определяют сложением скорости движения воздуха в помещении и скорости движения воздуха, обусловленной разностью температур.
Струя, настилающаяся на вертикальную поверхность ограждения помещения
В последнее время в теплотехнических исследованиях используется теплометрическая аппаратура. Теплометрические методы применяются в самых разных отраслях науки и производства — от медицины до космоса. Они перспективны и в сельскохозяйственной отрасли [29].
При помощи тепломера определяют плотность теплового потока передаваемого к телу или отводимого от него. Преимуществом тепломеров является также то, что они имеют небольшие размеры, удобны при проведении замеров и позволяют выполнить измерения без искажения основного технологического процесса. Их подразделяет на контактные и бесконтактные. В контактной теплометрии используют различные методы. Следует отдать предпочтение градиентному методу и методу вспомогательной стенки. В серийно выпускаемом тепломере семь элементов датчиков (с приемной поверхностью 1 см и толщиной 3 мм), которые соединены последовательно, а их сигнал выводится на цифровой прибор. Современные технологии изготовления и коммутации гипертермобатарей, позволяет размещать более 1000 термоэлементов на 1 см2 приемной поверхности тепломера. Контактные компоненты будут нами использованы для определения тепловых потоков через ограждающие конструкции. Бесконтактные тепломеры предназначены для измерения потоков теплового излучения. Приемники излучения характеризуются рядом параметров: чувствительность, постоянная времени, пороговый поток, обнаруживающая способность. Чувствительностью (коэффициентом преобразования) приемника называется отношение изменения значения измеряемого электрического сигнала под воздействием падающего на приемник потока излучения к значению падающего на него потока излучения в рабочих условиях. Постоянная времени приемника измеряется как интервал времени после прекращения воздействия излучения на приемник, в течение которого сигнал уменьшается в х раз, или интервал времени с начала воздействия излучения до момента, когда нарастающее напряжение достигнет значения, равного (I - т") от своего максимального значения. Принцип действия приемников с термоэлектрическими чувствительными элементами основан на эффекте Зеебека. Имеется большое разнообразие конструкций этих приемников [29,111-113]. Для измерения потоков теплового излучения в настоящее время в основном применяют термоэлектрические чувствительные элементы. Для измерения плотности потоков теплового излучения в диапазоне 100...310 Вт/м в качестве чувствительных элементов применяют термоэлектрические батарейные преобразователи типа «вспомогательная стенка» [113]. Разработаны термометрические модули трех модификаций. Модуль преобразователя первого типа представляет собой батарею с большой плотностью укладки термоэлементов. Термоэлемент состоит из полувитка основного термоэлектродного провода и полувитка гальванически покрытого слоем парного металла. Вторая модификация отличается тем, что гальванический элемент заменен проволочным. Модули третьего типа состоят из тонкопленочных батарейных преобразователей, изготовленных методом термического напыления в вакууме [114]. В наших исследованиях будем пользоваться пирометром суммарного излучения ПСИ-11, разработанным в ИТТФ НАН Украины. Этот прибор предназначен для бесконтактного измерения радиационной температуры и лучистых тепловых потоков от поверхности живых организмов, отдельных предметов, твердых, сыпучих и жидких материалов. Немаловажное значение имеет проблема метрологического обеспечения приборов [115]. Основные технические данные прибора следующие: 1. Пределы измерения температуры — от -20 до +50С. 2. Пределы измерения теплового потока — от 0 до 200 Вт/м2. 3. Время измерения в случае применения стандартного цифрового милливольтметра — 1 с. 4. Допускаемая основная погрешность не превышает: при измерении температуры ± 1С; при измерении теплового потока ± 1 Вт/м. Теория пневматических приборов для измерения скоростей основана на использовании уравнения Бернулли. Обычно разность давлений измеряют дифференциальным микроманометром в миллиметрах водяного столба. Для измерения скорости потока чаще всего используют хорошо известные трубки Пито. Для определения вектора скорости в потоке принимают цилиндрические рожковые и хоботковые зонды. Первый из них представляет собой цилиндрическую трубку с тремя отверстиями, расположенными на некотором расстоянии от ее конца в плоскости, перпендикулярной к образующей цилиндра. Боковые отверстия расположены симметрично относительно центрального. У рожковых и хоботковых зондов отверстия расположены на концах трех тонких трубок. Все три типа насадок позволяют измерять направление и величину скорости, полный напор давления. Шаровой зонд представляет собой шарик с пятью отверстиями, просверленными в двух перпендикулярных друг к другу диаметральных плоскостях. Шарик помещен на цилиндрической державке. Угол между осями центрального и каждого из боковых отверстий шарика составляет 40. Каждое отверстие соединяется тонкими трубками, проходящими внутри державки, со штуцерами, имеющимися на противоположном конце зонда. Как правило, диаметр шарика колеблется от 10 до 5 мм. Наиболее распространенным и удобным прибором для измерения меняющихся скоростей газов и воздуха и их пульсаций, является термоанемометр. Основным элементом термоанемометра является тонкая короткая нить, которая закрепляется на двух металлических держателях и нагревается электрическим током.
Наружную нить размещают перпендикулярно направлению потока воздуха. Скорость воздуха находят по интенсивности охлаждения нити воздушным потоком. Количество теплоты, снимаемой с тонкой нити, определяют путем изменения силы тока, необходимой для поддержания постоянной температуры нити, либо путем измерения разности потенциалов на концах нити, требуемой для поддержания постоянной силы тока. Оба метода равноценны при скоростях, не превышающих 30 м/с, что и имеет место в нашем случае.
Экспериментальные исследования воздухораспределения в помещении малого объёма
Условия в кабине мобильной машины существенно влияют на самочувствие и работоспособность оператора. Особые требования следует предъявлять к тепловому режиму в кабине, т.е. значениям параметров микроклимата и их градиентам, величинам и направлениям кондуктивных, конвективных и радиационных тепловых потоков. Вследствие незначительного термического сопротивления светопрозрачных ограждений кабин в зимний период имеют место немалые потери теплоты из помещения в окружающую среду. В летнее время перегрев помещения приводит к дискомфортному состоянию оператора.
На тепловой режим в кабине оказывает влияние находящийся в ней человек. Теплоотдачу и тепловосприятие тела человека следует рассматривать не только как источник энергии, но также как объект, обеспечивающий тепловой режим.
Большая часть теплоты выделяется телом человека путем излучения (42-44% общего количества тепла, которое выделяется) и путем конвекции (32-35%). При низких температурах окружающей среды особо растет теплоотдача излучением. При этом в наибольшей степени охлаждается верхняя часть спины оператора.
Для уменьшения количества теплоты в кабине путем теплопередачи в окружающую среду, а также для обеспечения комфортных условий оператору, могут быть использованы различные пути и средства. В этом отношении большой опыт имеется по эксплуатации кабин космических кораблей и самолетов. Хотя условия эксплуатации этих кабин иные, чем кабин наземных машин, принципы энергосбережения и обеспечения требуемого микроклимата могут представлять интерес и, до определенной степени эти прогрессивные методы применимы для кабин наземного транспорта. Одно из таких передовых решений заключается в использовании энергосберегающих экранов.
Эффективность функционирования системы «человек-машина» при обслуживании машинно-тракторных агрегатов в значительной степени зависит от объема зрительной информации, необходимой для управления этой системой [116].
Поэтому ограждающие конструкции в значительной степени изготовлены из стекла, термическое сопротивление теплопередаче которого незначительно.
Для уменьшения потерь теплоты в окружающую среду, а также для обеспечения комфортных условий для оператора предлагается установить в кабине на некотором расстоянии (30-50 мм) от ограждения экран из прозрачного оргстекла (рисунок 5.1). Подобная конструкция ограждения кабины содействует улучшению теплового режима в кабине. Заслуживает внимания установка экрана у заднего ограждения, т.е. за спиной оператора.
Методом математического моделирования была определена закономерность изменения температуры и тепловых потоков из помещения в ограждающую среду для трех значений расстояния от ограждения до энергосберегающего экрана 5Bi = 4 см (режим 1); бвг = 8 см (режим 2); 6Вз = 12 см (режим 3).
В основу расчета была поставлена система уравнений нестационарной теплоотдачи через ограждающие конструкции при соответствующих краевых условиях. Решение выполнено на ЭВМ методом конечных интегральных преобразований [117]. Расчет выполнялся как для линейной, так и для нелинейной системы уравнений .
Анализ полученных графических зависимостей указывает на идентичность изменения температур в воздушных зазорах и переходах стеклянного ограждения и защитного слоя. Изменения температуры окружающей среды вызывают только некоторый сдвиг общих характерных установленных зависимостей в область более высоких температур при повышении температуры окружающей среды. Обращает на себя внимание, стабилизирующее действие защитного экрана. Все кривые в области верхних значений температур плотно располагаются на уровне от +12 до +14С. То есть, температура в помещении кабины мало зависит от наружной температуры и величины зазора 5І} между ограждающей стенкой и предложенным теплозащитным экраном.
Таким образом, при установке энергосберегающего экрана температура воздуха в помещении кабины изменяется несущественно при значительных колебаниях температуры наружного воздуха. Это указывает на наличие энергосберегающего эффекта от установленного экрана. Кроме того, результаты опытов свидетельствуют о том, что в диапазоне изученных значений 5В расстояние между внешним ограждением и экраном не оказывает заметного влияния на температуру в кабине.
Результаты расчетов были дополнены экспериментальными данными. Для этого была использована модель ограждающей конструкции при наличии экрана (рисунок 5.4, а) и отсутствие экрана (рисунок 5.4, 6).
Похожие диссертации на Совершенствование микроклимата в помещениях малых объемов с оптимизацией условий энергосбережения
