Библиотечный каталог авторефератов Украины

харківський національний

автомобільно-дорожній університет

Грибініченко Михайло Володимирович

УДК 629.33.048

Удосконалення системи опалювання і вентиляції салону автомобілів ЗАз

Спеціальність 05.22.02  - Автомобілі та трактори

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Автомобілі” Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться “ 5 ” листопада 2003 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради України Д64.059.02 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою: 61002, Україна, м. Харків, вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету, м. Харків, вул. Петровського, 25.

Автореферат розісланий “ 1 ” жовтня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради                                            ________________     Наглюк I.C.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

       Вступ. Сучасний автомобіль повинен відповідати високим вимогам до економічності, безпеки та комфортності, тому удосконалення теоретичних основ розрахунку системи опалювання і вентиляції салону та підвищення її техніко-експлуатаційних показників є сучасною науковою задачею, яка відповідає основним тенденціям розвитку автомобілебудування та технічної експлуатації автомобілів.

Актуальність теми. Система опалювання і вентиляції салону (СОІВС) автомобіля повинна забезпечувати комфортний стан мікроклімату при мінімальних витратах на її виготовлення та експлуатацію. В серійній СОІВС автомобілів ЗАЗ витрати на привід вентилятора складають 6% від загальних витрат на допоміжні потреби, тоді як для інших автомобілів зазначена доля витрат не перевищує 2%, крім того, до 60% теплоти, що передається в салон нагрівником, втрачається із повітрям, що виходить назовні. Таким чином, задача удосконалення СОІВС автомобілів ЗАЗ є актуальною, бо її рішення сприяє підвищенню техніко-експлуатаційних показників і конкурентоздатності вітчизняних автомобілів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконувалася згідно з одним з пріорітетних наукових напрямків роботи державного фонду фундаментальних досліджень — “Фундаментальні основи перспективних технологій”, в рамках якого в науково-дослідній лабораторії “Системи енергетичних установок і кондиціонування салонів транспортних засобів” кафедри “Автомобілі” СНУ ім. В.Даля проводилися дослідження по темам: ДН52-99 “Теоретичні дослідження й узагальнення закономірностей тепломасообміну в системах рекуперації й утилізації енергії теплоенергетичних установок”, ДН23-02 “Дослідження впливу корисних аерогідродинамічних ефектів на інтенсифікацію теплообміну в системах охолодження транспортних засобів, скеровані на суттєве зменшення витрат коштовних гостродефіцитних кольорових металів на їх виготовлення”.

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень було підвищення техніко-експлуатаційних показників СОІВС автомобілів ЗАЗ шляхом вибору економічного вентилятора з урахуванням впливу потоку, що набігає, застосування часткової рециркуляції повітря і більш ефективної поверхні тепловіддачі радіатора.

Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні задачі:

• отримано теоретичне рішення для моделювання нестаціонарного режиму обігріву салону, в тому числі для системи опалювання з частковою рециркуляцією повітря;
• теоретично досліджений вплив потоку, що набігає, на роботу вентилятора, а також СОІВС загалом;
• експериментально досліджені характеристики СОІВС, доповнена і уточнена математична модель;
• розроблена і випробувана дослідна СОІВС із застосуванням часткової рециркуляції повітря, економічного вентилятора, обраного з урахуванням впливу потоку, що набігає, більш ефективної поверхні тепловіддачі радіатора нагрівника;
• визначені раціональні параметри нагрівника салону і розроблені рекомендації з удосконалення СОІВС на підставі техніко-економічного аналізу.

Об'єктом дослідження є процеси опалювання і вентиляції салону автомобіля.

Предметом досліджень є система опалювання і вентиляції салону автомобілів ЗАЗ.

Методи дослідження. Задача удосконалення СОІВС автомобіля вирішена методом системного аналізу. Дослідження режиму прогрівання салону проведено методами теплового балансу  і математичного моделювання з рішенням отриманих диференціальних рівнянь методом чисельного інтегрування. Вплив потоку, що набігає, на режим роботи вентилятора досліджувався методами аналізу і натурного експерименту. При виборі раціональних параметрів СОІВС використовувалися методи моделювання, математичного експерименту і техніко-економічного аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Удосконалено теоретичне рішення для нестаціонарного режиму обігріву салону, в тому числі системою опалювання з частковою рециркуляцією повітря, в основу рішення встановлений розгляд теплового балансу стінок салону замість теплопровідності в суміжному шарі.
2. Встановлено механізм дії потоку, що набігає, на режим роботи вентилятора, суть якого полягає в переміщенні робочої точки вентилятора по його характеристиці внаслідок зниження опору мережі.
3. Удосконалено теоретичні основи вибору вентилятора для системи опалювання і вентиляції салону автомобіля по середньоексплуатаційному ККД, максимальне значення якого досягається при виборі вентилятора по характеристиці мережі, яка відповідає середньоексплуатаційній швидкості руху автомобіля.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблена математична модель нестаціонарного режиму обігріву салону, яка дозволяє отримувати залежності температур повітря і внутрішніх поверхонь стінок при прогріванні салону, і реалізується з експериментальним уточненням меншого обсягу і складності.
2. Розроблено методику вибору вентилятора для СОІВС з урахуванням впливу потоку, що набігає.
3. Розроблено методику розрахунку раціональних параметрів конструкції і режимів роботи СОІВС автомобіля.
4. Розроблено нагрівник салону з відцентровим вентилятором і можливістю часткової рециркуляції повітря, що дозволило зменшити витрати потужності на привід вентилятора на 40÷55%, втрати теплоти  з повітрям, що виходить з автомобіля — на 30÷40%, витрата повітря в СОІВС збільшилась на 30%.
5. Розроблено практичні рекомендації з удосконалення СОІВС автомобілів ЗАЗ.

Особистий внесок здобувача.

1. Отримано теоретичне рішення та розроблена математична модель роботи системи опалювання в режимі нестаціонарного обігріву салону автомобіля.
2. Теоретично обгрунтований метод розрахунку впливу потоку, що набігає, на режим роботи вентилятора СОІВС та підтверджений експериментально.
3. Запропоновано методику вибору вентилятора для СОІВС, яка забезпечує максимальну ефективність спільної роботи вентилятора та потоку, що набігає.
4. Проведені експериментальні дослідження серійної та дослідної СОІВС та розроблені практичні рекомендації з удосконалення СОІВС автомобілів ЗАЗ.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися на розширених засіданнях кафедри “Автомобілі” Запорізького державного технічного університету та Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, VIII-й науково-практичній конференції “Університет і регіон” (м. Луганськ, грудень 2002), наукових конференціях професорсько-викладацького складу СНУ ім.В.Даля 2000-2002 рр.

Публікації. Матеріали дисертації висвітлені в 7 науково-технічних статтях фахових видань включених до Переліків наукових видань ВАК України, в яких можуть публікуватися основні результати дисертаційних робіт.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи: 189 сторінок, з них 155 сторінок основного тексту включно з 80 рисунками на 42 сторінках та 12 таблицями на 8 сторінках, список використаних джерел містить 115 найменувань на 10 сторінках, три додатка на 24 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі розкрита сутність і стан наукової задачі, обґрунтовано не-обхідність проведення досліджень та удосконалення СОІВС автомобілів ЗАЗ.

В першому розділі наведений аналіз вимог до СОІВС, проведений огляд і аналіз конструкцій СОІВС автомобілів і результатів попередніх досліджень.

Конструкції СОІВС транспортних засобів надзвичайно різноманітні. Для легкових автомобілів найбільш простою, надійною, економічною та дешевою є СОІВС з використанням теплоти охолоджуючої рідини двигуна та змішаною вентиляцією. Поглиблений аналіз технічних характеристик, умов і особливостей екплуатації  згаданої СОІВС виявив наступі напрямки її вдосконалення:

• застосування часткової рециркуляції повітря, що дозволить підвищити ефективність системи опалювання при забезпеченні вимог до вентиляції салону за рахунок регулювання ступіню рециркуляції та запобіганні проникнення в салон зовнішнього повітря через рециркуляційний канал;
• узгодження аеродинамічних характеристик вентилятора, системи і потоку, що набігає, що дозволить зменшити споживану потужність вентилятора;
• інтенсифікація тепловіддачі шляхом застосування турбулізаторів повітряного потоку у радіаторі нагрівника, що дозволить істотно підвищити ефективність його роботи.

Недостатнє дослідження режиму нестаціонарного обігріву салону і впливу потоку, що набігає, на роботу вентилятора утруднює розрахунок СОІВС і приводить до зниження її техніко-експлуатаційних показників.

Аналіз конструкції СОІВС автомобілів ЗАЗ дозволив виявити наступні недоліки:

• відносно високі витрати потужності на привід вентилятора, що призводить до неприпустимого перевантаження АКБ в експлуатації;
• відсутня можливість рециркуляції повітря в режимі опалювання, внаслідок чого до 60% теплоти втрачається із повітрям, що виходить назовні;
• застосування в радіаторі нагрівника оребрення з гладких пластин суттєво знижує його ефективність.

Дослідження характеристик СОІВС автомобіля проводилися вітчизня-ними вченими Хохряковим В.П., Михайловським Е.В., Михайловим М.В.,  Гіссаром В.В., Нагорним Є.Г. та іноземними Гухо В.-Г., Янсен Д.І. Аналіз результатів їх досліджень показує, що аеродинамічні характеристики вентиляторів СОІВС наведені для нерухомого автомобіля, а дія потоку, що набігає при русі автомобіля, відображена характеристиками при відключеному вентиляторі, внаслідок чого зміна режиму роботи вентилятора під дією потоку, що набігає, виявилась практично не дослідженою. Недостатньо дослідженим є також режим нестаціонарного обігріву салону; для його моделювання пропонується система з двох диференціальних рівнянь, для рішення якої необхідне проведення експериментальних досліджень у великому обсязі з точним виміром температур зовнішніх поверхонь кузова та температур повітря в суміжному шарі, що важко через його малу товщину.

В другому розділі проведені теоретичні дослідження процесів опалювання і вентиляції в СОІВС автомобіля. Досліджено процес нестаціонарного обігріву салону, в тому числі системою з частковою рециркуляцією повітря та вплив потоку, що набігає при русі автомобіля, на режим роботи вентилятора.

Робота системи опалювання салону автомобіля починається з режиму прогрівання, коли температура повітря і поверхонь в салоні дорівнює температурі навколишнього середовища. При температурі повітря навколишнього середовища до –25оС система опалювання повинна забезпечувати середню температуру повітря в салоні не нижче +15оС через 15 хвилин після початку руху автомобіля. До початку руху повинно бути усунено обмерзання стекол. З метою визначення раціональних теплотехнічних параметрів нагрівника за умови виконання вимог до СОІВС необхідний математичний опис режиму прогрівання салону автомобіля і дослідження впливу конструктивних і режимних параметрів системи опалювання, зокрема нагрівника, на час прогріву. Рішення зазначеної задачі полягає у визначенні залежностей температур повітря і стінок салону від часу прогріву з урахуванням конструктивних особливостей СОІВС.

При роботі системи опалювання в режимі прогрівання салону теплота, що віддається в салон нагрівником, витрачається на прогрів повітря в салоні, стінок, сидінь, частина теплоти втрачається із повітрям, що виходить назовні через вентиляційні отвори, а також шляхом теплопередачі через стінки салону. Теплонадходження в салон і втрати теплоти враховуються в рівнянні теплового балансу салону

                                                                                                                                                   (1)

де ρп, спм, Тп – щільність, масова теплоємність і середня температура

                         повітря в салоні автомобіля відповідно, кг/м3, Дж/(м3·єС), єС;

                 Vс – внутрішній вільний об’єм салону, м3;

                   τ - час, с;

                 Gп – масова витрата повітря в системі опалювання, кг/с;

                Т2′′– температура повітря на виході з радіатора нагрівника, ºС;

                  αв – коефіцієнт тепловіддачі до внутрішніх стінок салону, Вт/(м2·єС);

                 Sст – площа непрозорих стінок салону, м2;

                Тств– температура внутрішніх поверхонь непрозорих стінок салону, оС;

                  Sс – площа стекол, м2;

                 Тсв – температура внутрішніх поверхонь стекол, ºС;

                 ΣQ - теплонадходження в салон від електрообладнання, двигуна,        

                          водія, і пасажирів, Вт;

                Тпо – температура поверхонь, у яких маються нещільності, ºС;

                  Тз – температура зовнішнього повітря, ºС.

У рівнянні теплового балансу (1) середня температура повітря в салоні Тп, температури внутрішніх поверхонь непрозорих стінок Тств і стекол Тсв є функціями часу. У лівій частині рівняння записана теплота, що витрачається на нагрівання повітря в салоні, а в правій — різниця між теплотою, що надходить у салон автомобіля і теплотою, що втрачається через стінки і разом з повітрям, яке виходить назовні.

Теплота, що віддається стінкам салону Qст може бути записана з рівняння теплового балансу стінки у вигляді суми теплоти, яка проходить через стінку, і теплоти, що витрачається на її нагрівання,

,                                            (2)

де Qстп – теплова потужність, що проходить через стінки назовні, Вт;

     Qстн – теплова потужність, що витрачається на нагрівання стінки, Вт.

Теплова потужність, що витрачається на нагрівання стінок салону,

,                                                   (3)

де    ссто – об'ємна теплоємність стінки салону, Дж/(м3·єС);

        Vст – об'єм стінок салону, м3;

       Тстз – температура зовнішніх поверхонь непрозорих стінок, ºС.

Теплова потужність, що проходить через стінки,

,                                       (4)

звідки:

                                             (5)

де δст, λст – товшина і коефіцієнт теплопровідності стінки, Вт/(м·ºС);

αз – коефіцієнт тепловіддачі від зовнішніх поверхонь салону, Вт/(м2·єС).

       Після підстановки (3) і (4) в  (2) з урахуванням (5) одержимо:

.                (6)

Для визначення теплоти, що віддається стеклам, зробивши перетворення аналогічні наведеним вище для непрозорих стінок та враховуючи теплоту, яка витрачається на усунння обмерзнення стекол, отримано рівняння

,                 (7)

де      Qл - теплова потужність, що витрачається на усунення обмерзнення стекол, Вт;

      δс, λс – товшина і коефіцієнт теплопровідності стекол, Вт/(м·ºС);

          ссо – об'ємна теплоємність скла, Дж/(м3·єС);

        Vстк – об'єм стекол салону, м3.

Рівняння (1), (6) і (7) утворюють систему з трьох лінійних диференціальних рівнянь першого порядку, яка описує  режим прогрівання салону автомобіля. Після розділення змінних система рівнянь може бути записана в наступному вигляді:

(8)

Система рівнянь (8) містить три невідомі функції Тп = y1 (τ); Тств = y2 (τ); Тсв = y3 (τ) і вирішується методом Рунге-Кута при початкових умовах: Тп = Тств = Тсв = Тз. Режим прогрівання салону нерухомого автомобіля триває до моменту коли буде забезпечена можливість руху, яка характеризується усуненням обмезнення стекол та прогрівом охолоджуючої рідини двигуна до температури Т1′, яка забезпечує його стійку роботу. Тоді гранічні умови: Т1′ = 40єС; Тсв > 0,1єС. Коефіцієнти при невідомих у системі рівнянь (8) представлені в табл.1.

Таблиця 1

Коефіцієнти при невідомих у системі рівнянь (8).

           cij              1                         2                         3                              4                          5

             1

            2

            3