Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
А. С. Устинов, И. К. Савин
ТЕПЛОТЕХНИКА
Учебно-методическое пособие
Петрозаводск
Издательство ПетрГУ
2010
УДК 621.1
ББК 31.36 У804 Печатается по решению учебно-методического совета физико-технического факультета Петрозаводского государственного университета Работа выполнена при поддержке Федерального Агентства РФ по науке и инновациям ГК № 02.740.11.0395, ЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (Министерство Образования РФ проекты № 4978 и № 8051), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009– 2013 год» контракты (П1156, П1220), при поддержке Американского фонда гражданских исследований и развития (CRDF) № Y5-P-13-01.
Р е ц е н з е н т ы:
доктор технических наук, профессор Г. Н. Колесников, кандидат физико-математических наук, доцент Н. А. Кулдин Устинов, А. С.
Теплотехника : учебно-методическое пособие / А. С.Устинов, И. К. Савин. – Петрозаводск : Издательство ПетрГУ, 2010. – 20 с.
ISBN 978-5-8021-1107- Данная работа является учебно-методическим пособием для курсовых работ по дисциплине «Теоретические основы теплотехники». В учебно-методическом пособии рассматривается расчет коэффициента теплопередачи для ограждений конструкции кабины транспортного средства на различных скоростях движения. Рассматривается расчет теплопритоков в салон кабины для заданного региона Российской Федерации в наиболее жаркий месяц.
Пособие адресовано студентам специальности «Энергообеспечение предприятий».
УДК 621. ББК 31. ISBN 978-5-8021-1107-9 © Устинов А. С., Савин И. К., © Петрозаводский государственный университет,
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Теоретические основы теплотехники»Название: ПАРАМЕТРЫ МИКРОКЛИМАТА Курсовая работа должна содержать:
Введение 1. Расчет коэффициента теплопередачи 2. Расчет теплопритоков Заключение Список литературы Введение: кондиционирование воздуха (от латинского слова condicio – условие, состояние) – поддержание параметров воздушной среды (чистоты, температуры, влажности, состава, подвижности и давления воздуха), наиболее благоприятных для самочувствия людей, ведения технологического процесса, обеспечения сохранности ценностей культуры и искусства и т. п., независимо от изменения параметров наружного воздуха.
Цель: рассчитать коэффициент теплопередачи кабины транспортного средства на разных скоростях движения. Рассчитать теплопритоки в салон кабины для определения производительности системы кондиционирования.
Задание: необходимо рассчитать коэффициент теплопередачи кабины транспортного средства на различных скоростях движения в интервале от 0 до 75 км/ч; рассчитать теплопритоки в салон кабины для заданного региона (табл.1) в наиболее жаркий месяц.
Техническая характеристика объекта: для основных несущих элементов конструкции применяют сталь марки 15 или 20 толщиной ст = 1,8…2,0 мм; для покрытия пола используют войлок или декоративный бумагослоистый пластик п = 10…20 мм и резиновые коврики р = 4 мм; для теплоизоляции (облицовки внутри кабины) используют минеральный войлок и кожу обивочную т = 10…20 мм и к = 1…2 мм для боковых стен и потолка; для лобовых окон применяют однослойное или трехслойное стекло, для отдельных окон – однослойное, плоское, закаленное, 1 сорта.
Таблица Технические характеристики объекта № по Длина Коэф. Кол-во Регион списку ширина остекле- посадочния10- (группа высота ных по алфа- кабины, мест виту) м 1 2,51,51,7 1,97 4 Мурманск 2 2,51,81,7 1,98 4 Петрозаводск 3 2,51,51,8 1,99 4 С.-Петербург 4 2,51,61,7 2,00 4 Вологда 5 2,51,61,8 2,01 5 Москва 6 2,51,51,6 2,02 5 Архангельск 7 31,82 2,03 5 Калининград 8 31,82,1 2,04 Олонец 9 31,81,9 2,05 5 Ярославль 10 422 2,06 5 Кострома 11 422,1 2,07 6 Псков 12 51,92 2,08 6 Смоленск 13 522,1 2,09 6 Сочи 14 92,33 3,00 7 Мурманск 15 92,32,9 3,01 7 Петрозаводск 16 82,12,8 3,02 8 С.-Петербург 17 822,7 3,03 8 Вологда 18 102,33 3,04 8 Москва
1. РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
Основным показателем теплотехнических качеств кабины транспортного средства является коэффициент теплопередачи его ограждений К, Вт/(мК).Коэффициентом теплопередачи характеризуется количество тепла, проходящее в течение 1 с через 1 м площади ограждений при перепаде температур по ее сторонам в 1.
Коэффициент теплопередачи стенки обратно пропорционален ее общему термическому сопротивлению Rо:
Общее термическое сопротивление многослойной однородной стенки кабины равно сумме термических coпpoтивлeний каждого слоя и термических coпpoтивлeний теплоотдаче от поверхностей стенки к наружному и внутреннему воздуху:
где Ri – внутреннее (собственное) термическое сопротивление каждого слоя стенки;
Rн – термическое сопротивление теплоотдаче от наружного воздуха к наружной поверхности стенки;
Rв – термическое сопротивление теплоотдаче от внутренней поверхности стенки к воздуху внутри салона кабины.
где i – толщина каждого однородного слоя стенки, м;
i – коэффициент теплопроводности материала (или воздушной прослойки) соответствующего слоя стенки, Вт/(мК).
где н – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности стенки к наружному воздуху, Вт/ (мК).
Здесь в – коэффициент теплоотдачи от воздуха к внутренней поверхности стенки (или наоборот), Вт/(мК).
Подставив значения выражений для Ri, Rн и Rв в формулу для К, получим общую развернутую формулу:
Значения i берутся из чертежей, значения i – из таблицы 2 или из справочников.
Коэффициент теплопроводности теплоизоляционных Величина н зависит от скорости и характера воздушного потока, обдувающего наружную поверхность.
Чем больше скорость, тем больше масса воздуха, вступающего в теплообмен с поверхностью стен, и, значит, тем больше значение н.
Характер потока спокойный (ламинарный), при котором струи воздуха переменны, или с завихрениями (турбулентный) – зависит от угла его направления к обдуваемой поверхности, от характера самой поверхности и ее площади.
При большом угле направления потока и при неровной (шероховатой и с выступающими частями) поверхности образуются завихрения, большая масса воздуха входит в соприкосновение с поверхностью, и значение н увеличивается.
При ровной поверхности чем больше ее площадь (точнее протяженность в направлении потока), тем спокойнее характер потока и тем меньше значение н.
Для кабин направление потока воздуха и обдуваемой поверхности или совпадает, или поток находится под небольшим углом к большей части поверхности – боковым стенам, крыше, полу.
Конфигурация поверхности пассажирских и изотермических машин в основном ровная и примерно одинаковая, поэтому для определения значения н можно пользоваться эмпирической формулой, в которой переменными величинами являются лишь скорость движения транспортного средства и его длина:
где U – скорость транспортного средства, м/с;
Величина в зависит от тех же показателей и параметров, что и величина н.
Но скорости движения воздуха внутри потока от работы вентиляции значительно меньше скоростей атмосферного воздуха.
Конвективные скорости в результате теплообмена между внутренними поверхностями и воздухом в кабине значительно уменьшаются вследствие загроможденности, поэтому величина в меньше величины н, даже в стоящем транспорте.
По рекомендациям [4] значение в может быть принято равным: в =10 Вт/(м К).
При расчетах величины К предполагается, что тепло направлено перпендикулярно плоскости стенки.
Это вполне справедливо для однородных стенок.
В стенках с неоднородной изоляцией, подобных ограждению кабины, направление потока тепла сложнее.
В практике используется много способов приближенного теплового расчета стенок с неоднородной изоляцией.
Мы воспользуемся слоевым методом.
При этом методе стенку делят на слои, перпендикулярные тепловому потоку (параллельно ее плоскости), определяют термическое сопротивление каждого и, принимая допущение о самостоятельности работы каждого слоя, суммируют результаты.
Зная площади поверхностей отдельных элементов кабины транспортного средства, считают коэффициент теплопередачи кабины в целом:
Значения коэффициента теплопередачи К, Вт/(м2К), при различных скоростях, необходимо показать в соответствии с таблицей 3.
Стекло - уникальный материал, созданный человеком, позволяющий обеспечить изоляцию помещений от неблагоприятного воздействия окружающей среды (холода, осадков, ветра, шума) при сохранении визуальной связи с ней и естественной освещенности. Излучение, попадающее на стекло, частично проходит сквозь него 0–1 %, частично отражается от поверхности стекла 9–10 % и частично поглощается 90 %.
Поглощенное излучение возвращается стеклом во внешнее и внутреннее окружающее пространство путем конвекции и в виде вторичного теплового излучения.
Чем больше стекло поглощает, тем больше оно передает (возвращает) в пространство и тем хуже его теплоизоляционные свойства.
Теплоизоляционные способности прозрачного листового стекла весьма невелики.
Для улучшения теплоизоляционных свойств остекления прибегают к различным способам:
двойному и более остеклению, использованию стеклопакетов, применению стекол с улучшенными теплоизоляционными свойствами (использование различных видов пленок и покрытий).
1. Пол 2. Торцевые стены 3. Боковые стены 4. Крыша 2. РАСЧЕТ ТЕПЛОПРИТОКОВ В КУЗОВ
ВАГОНА
Теплопритоки поступают: через ограждения, вследствие перепада температур воздуха снаружи и внутри кабины транспортного средства, в результате инфильтрации; из-за тепловыделений пассажиров; в результате работы установленного в кабине оборудования и освещения.
Теплопритоки через ограждения определяются по формуле:
где Q1 – теплоприток через отдельный элемент кабины, К – коэффициент теплопередачи элемента, Вт/(м2К), F – площадь элемента кабины, м2 (табл. 4).
Здесь tн,°С – средняя максимальная температура наиболее жаркого месяца [6];
tв,°С – температура внутри салона кабины.
Государственным стандартом «ГОСТ 12.1.005-88» и «СНиП 2.04.05-91» [7] установлены оптимальные нормы температуры, относительной влажности воздуха и подвижности в обслуживаемой зоне жилых, общественных и административно-бытовых помещениях.
Вычислим разницу температур t = tн – tв.
Определим теплопритоки через отдельные элементы.
Для этого площадь данного элемента будем умножать на коэффициент теплопередачи для данного элемента при различных скоростях и на t.
Расчет Q1, Вт, при различных скоростях.
Значения теплопритоков Q1, Вт, при различных скоростях, необходимо показать в соответствии с таблицей 5.
Значения теплопритоков через ограждения Q1, Вт, при различных скоростях движения транспортного средства 1. Пол 2. Торцевые стены 3. Боковые стены 4. Крыша Из таблицы видно, что средний суммарный теплоприток через ограждения равен Q1 = Qср, Вт.
2.2 Теплопритоки от инфильтрации Теплопритоки от инфильтрации воздуха находятся в прямой зависимости от перепада температур между температурами воздуха внутри и снаружи и от частоты открывания дверей.
Инфильтрация через небольшие неплотности ограждений не учитывается, так как при работающей системе вентиляции и образующемся при этом перепаде воздуха наружный воздух через эти неплотности внутрь не проходит.
Поскольку теплоприток через ограждения Q1 также пропорционален перепаду между температурами воздуха внутри и снаружи вагона, теплоприток от инфильтрации Q2 определяют как некоторую часть Q1, по формуле:
где K' – безразмерный числовой коэффициент.
В нашем случае его принимают K' = 0,3.
2.3 Тепловыделения пассажиров Различными исследователями установлено, что для человека теплоотдача за счет конвекции при комфортных условиях составляет 33–35 % всей теплоотдачи организма.
Количество теплоты, отдаваемое излучением, находится в пределе 42–44 %.
Теплоотдача испарением составляет 20–25 % отдаваемой теплоты. При температуре воздуха ниже температуры кожи человека количество испаряемой влаги остается практически постоянным.
При более высоких температурах влагоотдача возрастает. Потоотделение начинается при температуре выше 28–29 °С, а при температуре выше 34 °С теплоотдача испарением и потоотделением является практически единственным способом теплоотдачи организма.
При температуре воздуха 38 оС и влажности 56 % наступает предел естественной терморегуляции тела; при легкой одежде этот предел 38 °С и 43 %, при обычной одежде 38 °С и 39 %.
Тепловыделения пассажиров определяются по формуле:
где qл – суммарное (сухое и влажное) тепло, выделяемое одним пассажиром, Вт;
n – количество пассажиров, исходим от количества сидячих мест.
Пассажиры находятся в помещении с малой кубатурой. Это несколько ухудшает условия их пребывания и одновременно предъявляет повышенные требования к обеспечению состояния и состава воздуха в пассажирском помещении. Тепловой комфорт пассажиров зависит от правильного выбора параметров метеорологического состояния воздуха в помещении с учетом времени года и климатических условий местности, по которой будет курсировать транспортное средство. При этом имеется ввиду, что пассажир находится в спокойном состоянии.
Общая теплоотдача пассажира, находящегося в спокойном состоянии, при нормальных условиях составляет около 100 ккал/ч. За счет этого тепла температура воздуха в пассажирском помещении увеличивается по сравнению с наружной температурой воздуха. Разница между этими температурами в зависимости от производительности вентиляции может колебаться в пределах 3–10 0. Переводя ккал/ч, получаем теплоотдачу одного пассажира qл = 117 Вт.
2.4 Теплопритоки от освещения и электрооборудования Q Теплопритоки от освещения и электрооборудования необходимо учитывать для полного рассмотрения задачи.
Принимаем Q4 равное 47 Вт.
2.5 Теплопритоки от солнечной радиации Основные поступления тепла в помещение летом происходят через окно. В помещение поступает коротковолновое излучение, непосредственно проникающее через остекленение, а также конвективное тепло и длинноволновое излучение за счет разности температур и поглощенного солнечного тепла элементами заполнения оконного проема.
Теплопритоки от солнечной радиации рассчитываются по формуле:
AК IГ КК FК AС IВ КС FС
где Ак и Ас – коэффициенты теплопоглощения солнечных лучей соответственно крышей и стенами кабины транспортного средства, равные Ак = 0,5 для крыши серого цвета и Ас – 0,7 для стен темно-зеленого или темно-синего цвета;Iг и Iв – интенсивность солнечной радиации для горизонтальной (крыша) и вертикальной (стены и окна) поверхностей кузова вагона, зависящая от географической широты местности.
По справочникам для широты 60° (Республика Карелия, г.Петрозаводск):
Здесь Кк и Кс – коэффициенты теплопередачи ограждений крыши и стен (без окон);
Кок – коэффициент пропускания солнечных лучей окнами с двойными стеклами, определяемый как произведение коэффициента пропускания солнечных лучей стеклами К1 и поправочных коэффициентов, учитывающих загрязнение стекол К2 = 0,9 и применение сплошных солнечных штор с темной наружной стороной К3 = 0,2 (табл. 6 и 7).
Коэффициенты в зависимости от конструкции окна Окно с деревянным или железобетонным переплетом, одинарное Окно с металлическим переплетом, одинарное одинарное Горизонтальный выступ, полностью затеня- 0,2–0, ющий окно Ставни – жалюзи металлические 0,15–0, Темные светонепроницаемые занавески 0, В случае, когда на солнечной стороне 60 % окон закрыто шторами, получим:
где Fк, Fс и Fок – площади соответственно крыши, одной боковой стены (без окон) и окон на одной боковой стене.
Площадь пола и теневой боковой стены в расчет не принимается из-за очень малой величины рассеянной солнечной радиации;
н – коэффициент теплоотдачи от воздуха к наружной поверхности, определяемый по эмпирической формуле:
где U – скорость движения транспортного средства, принимаемая равной 60 км/ч;
l – длинна боковой стены конструкции кабины.
Суммарные теплопритоки:
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По результатам расчетов коэффициента теплопередачи и теплопритоков в салон кабины транспортного средства необходимо сделать выводы об эффективности теплоизоляции конструкции кабины транспортного средства, для определения производительности системы охлаждения кондиционера необходимо сделать выводы о суммарных теплопритоках в салон кабины транспортного средства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богословский В. Н. Строительная теплофизика. СПб., 2006.2. Богословский В. Н. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. М., 1985.
3. Егоров В. П. Электрооборудование пассажирских вагонов. М., 1987.
4. Зворыкин М. Л. Электрооборудование и кондиционирование воздуха пассажирских вагонов. М., 1963.
5. Фаерштейн Ю. О. Кондиционирование воздуха в пассажирских вагонах. М., 1986.
6. Строительная климатология и геофизика: СНиП 2.01.01-82.
7. Вентиляция, кондиционирование и отопление: СНиП 2.04.05-91.
ТЕПЛОТЕХНИКА
Учебно-методическое пособие Компьютерная верстка – А. С. Устинов Подписано в печать 01.02.2010. Формат 60 х 84 1/16.Бумага офсетная. Уч.-изд. л. 1. Тираж 50 экз. Изд. № 13.
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«