Удосконалення системи опалювання і вентиляції салону автомобілів ЗАЗ

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

ДИСЕРТАЦІЯ

УДОСКОНАЛЕННЯ СИСТЕМИ ОПАЛЮВАННЯ І ВЕНТИЛЯЦІЇ САЛОНУ АВТОМОБІЛІВ ЗАЗ

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник

Доктор технічних наук, професор, Куліков Юрій Андрійович заступник директора з НДР учбово-наукового інституту транспортних технологій Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор, Сахно Володимир Прохорович завідуючий кафедри “Автомобілі” Національного транспортного університету, м.Київ.

Кандидат технічних наук, доцент Шуклінов Сергій Миколайович викладач кафедри автомобілів Харківського національного автомобільно-дорожнього університету.

Провідна установа

Інститут проблем машинобудування ім. А.М.Підгорного НАН України, відділ термодинаміки, м. Харків.

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 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.

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.

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.

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.

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.

Розроблено методику вибору вентилятора для СОІВС з урахуванням впливу потоку, що набігає.

Розроблено методику розрахунку раціональних параметрів конструкції і режимів роботи СОІВС автомобіля.

Розроблено нагрівник салону з відцентровим вентилятором і можливістю часткової рециркуляції повітря, що дозволило зменшити витрати потужності на привід вентилятора на 4055%, втрати теплоти з повітрям, що виходить з автомобіля -- на 3040%, витрата повітря в СОІВС збільшилась на 30%.

Розроблено практичні рекомендації з удосконалення СОІВС автомобілів ЗАЗ.

Особистий внесок здобувача.

Отримано теоретичне рішення та розроблена математична модель роботи системи опалювання в режимі нестаціонарного обігріву салону автомобіля. автомобіль вентилятор радіатор

Теоретично обгрунтований метод розрахунку впливу потоку, що набігає, на режим роботи вентилятора СОІВС та підтверджений експериментально.

Запропоновано методику вибору вентилятора для СОІВС, яка забезпечує максимальну ефективність спільної роботи вентилятора та потоку, що набігає.

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 -25^оС система опалювання повинна забезпечувати середню температуру повітря в салоні не нижче +15^оС 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

де r_п, с_пм, Т_п - щільність, масова теплоємність і середня температура повітря в салоні автомобіля відповідно, кг/м³, Дж/(м³·єС), єС;

V_с - внутрішній вільний об'єм салону, м³;

--t----час, с;

G_п - масова витрата повітря в системі опалювання, кг/с;

Т₂- температура повітря на виході з радіатора нагрівника, єС;

a_в - коефіцієнт тепловіддачі до внутрішніх стінок салону, Вт/(м²·єС);

S_ст - площа непрозорих стінок салону, м²;

Т_ств- температура внутрішніх поверхонь непрозорих стінок салону, ^оС;

S_с - площа стекол, м²;

Т_св - температура внутрішніх поверхонь стекол, єС;

SQ теплонадходження в салон від електрообладнання, двигуна, водія, і пасажирів, Вт;

Т_по - температура поверхонь, у яких маються нещільності, єС;

Т_з - температура зовнішнього повітря, єС.

У рівнянні теплового балансу (1) середня температура повітря в салоні Т_п, температури внутрішніх поверхонь непрозорих стінок Т_ств і стекол Т_св 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 Q_ст 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 Q_стп - теплова потужність, що проходить через стінки назовні, Вт;

Q_стн - теплова потужність, що витрачається на нагрівання стінки, Вт.

Теплова потужність, що витрачається на нагрівання стінок салону,

, (3)

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

V_ст - об'єм стінок салону, м³;

Т_стз - температура зовнішніх поверхонь непрозорих стінок, єС.

Теплова потужність, що проходить через стінки,

, (4)

звідки:

(5)

де d_ст, l_ст - товшина і коефіцієнт теплопровідності стінки, Вт/(м·єС);

a_з - 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 Q_л теплова потужність, що витрачається на усунення обмерзнення стекол, Вт;

d_с, l_с - товшина і коефіцієнт теплопровідності стекол, Вт/(м·єС);

с_со - об'ємна теплоємність скла, Дж/(м³·єС);

V_стк - 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 Т_п = y₁ (t); Т_ств = y₂ (t); Т_св = y₃ (t) і вирішується методом Рунге-Кута при початкових умовах:

Т_п = Т_ств = Т_св = Т_з

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; Т_св > 0,1єС. Коефіцієнти при невідомих у системі рівнянь (8) представлені в табл.1.

Таблиця 1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Результати розрахунку режиму прогрівання салону із застосуванням наведеної вище математичної моделі були зіставлені з дослідними даними, які отримані при випробуваннях системи опалювання безпосередньо на автомобілі при Т_з = -4єС. Експериментальне значення критерію Фішера менше табличного k_фэ = 1,2 < k_фт = 2,9, що доводить адекватність математичної моделі.

При роботі системи опалювання з частковою рециркуляцією повітря в рівнянні теплового балансу кількість теплоти, яка втрачається з повітрям, що виходить назовні, визначається по витраті зовнішнього повітря G_пз, відповідно враховується зміна температури повітря на вході в радіатор нагрівника. При цьому загальний вид системи рівнянь (8) зберігається, змінюються тільки вирази для коефіцієнтів при невідомих у рівнянні теплового балансу (див. табл. 1).

На роботу СОІВС впливає потік, що набігає при русі автомобіля. Найбільш значний вплив він справляє на витрату повітря в СОІВС, яка визначається через коефіцієнт використання потоку, що набігає. Витрата повітря в системі при русі автомобіля збільшується пропорційно швидкості автомобіля

,

де G_2в - витрата повітря, що забезпечується вентилятором, кг/с;

k_в - коефіцієнт використання потоку, що набігає, кг/м;

V_а - швидкість автомобіля, км/год.

Витрата повітря в системі, ККД вентилятора і споживана їм потужність визначаються по робочій точці вентилятора, тому необхідне урахування її переміщення під час руху автомобіля. Існуючий підхід до урахування впливу потоку, що набігає, на місцезнаходження робочої точки вентилятора полягає в переміщенні нагору кривої повного тиску, що розвивається вентилятором, на величину пропорційну динамічному тиску потоку, що набігає. Наприклад, при нерухомому автомобілі крива повного тиску, який створюється вентилятором, 1 перетинається з характеристикою мережі 2 у робочій точці А, яка визначає витрату повітря в системі та її опір. За рахунок дії потоку, що набігає, характеристика вентилятора піднімається нагору 1 і перетинається з характеристикою мережі в новій робочій точці Б, що характеризується більшим тиском і опором мережі

,

де Р_v - повний тиск, що розвивається вентилятором, Па;

k_v - коефіцієнт перетворення динамічного тиску потоку, що набігає, у повний.

Однак повний тиск, що розвивається вентилятором, при роботі в мережі, відповідно до класичного підходу, визначається з рівняння Бернуллі, яке записується для ділянки мережі, що містить вентилятор

(9)

де P_svА, P_svБ - статичний тиск у перетині перед і за вентилятором, Па;

V_А, V_Б - швидкість повітря у перетині перед і за вентилятором, м/с.

В перетині А-А статичний тиск визначається розрідженням, створюваним вентилятором, і тиском, що виникає внаслідок дії потоку, що набігає, у коробці повітрозабирача

(10)

де P_{svА вент} - розрідження, створюване вентилятором, Па;

k_вх - коефіцієнт перетворення динамічного тиску потоку, що набігає, у статичний на вході у вентилятор.

Потік, що набігає при русі автомобіля, впливає на роботу вентилятора не тільки в коробці повітрозабирача, а і на виході з салону, де виникає розрідження, яке цілком припустимо віднести до перетину Б-Б за вентилятором. Тоді в перетині Б-Б статичний тиск визначається тиском, створюваним вентилятором, і розрідженням, що виникає внаслідок дії потоку, що набігає, на виході з салону

(11)

де P_{svБ вент} - тиск, створюваний вентилятором, Па;

k_вих - коефіцієнт перетворення динамічного тиску потоку, що набігає,

у статичний на виході з вентилятора.

Після підстановки (10) і (11) у (9), враховуючи, що при роботі вентилятора в мережі тиск, що розвивається ним, дорівнює опору мережі, одержимо:

Або

, (12)

де DР_м - опір мережі, Па;

--DР_м0 опір мережі для нерухомого автомобіля, Па;

- сумарний коефіцієнт перетворення динамічного тиску потоку, що набігає, у статичний.

З формули (12) видно, що опір мережі під час руху автомобіля зменшується пропорційно динамічному тиску потоку, що набігає, внаслідок чого робоча точка вентилятора переміщується по його характеристиці. Таким чином, методика розрахунку впливу потоку, що набігає, на режим роботи вентилятора полягає в нанесенні характеристики мережі для автомобіля, який рухається, розрахованої по формулі (12), на характеристику вентилятора; точка перетину вказаних характеристик визначає режим роботи вентилятора з урахуванням впливу потоку, що набігає.

З метою одержання необхідних даних для проведення подальших досліджень, коректування математичної моделі та експериментальної перевірки дослідного зразка нагрівника сформульовані наступні задачі експериментальних досліджень:

одержати характеристики основних елементів СОІВС автомобілів ЗАЗ і інших автомобілів на відповідних стендах;

отримати основні характеристики серійної та удосконаленої СОІВС в експлуатації (провести натурні випробування СОІВС на автомобілі);

дослідити вплив потоку, що набігає, на характеристики СОІВС;

дослідити роботу системи опалювання в режимі прогрівання, в тому числі системою з частковою рециркуляцією повітря.

У третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень серійної і дослідної СОІВС автомобілів ЗАЗ та їх аналіз.

Експериментальні дослідження СОІВС автомобілів ЗАЗ проводилися безпосередньо на автомобілі, випробування вентилятора СОІВС і радіатора нагрівника проводилися також на аеродинамічному та теплотехнічному стендах лабораторії “Системи енергетичних установок і кондиціонування салонів транспортних засобів" СНУ ім. В.Даля.

Випробування серійної СОІВС автомобілів ЗАЗ показали:

серійний діаметральний вентилятор СОІВС автомобілів ЗАЗ має низький ККД, максимальне значення якого складає 3% у режимі опалювання та 7% -- у режимі вентиляції, що призводить до перевитрати потужності на його привід. Експлуатаційні витрати потужності складають 115 155 Вт, тобто реальна потужність, споживана електродвигуном, перевищує вказану у технічній характеристиці (90 Вт) на 28 72%, що свідчить про перевантаження електродвигуна вентилятором;

при зміні режиму роботи нагрівника (опалювання чи вентиляція) змінюється аеродинамічна схема вентилятора, отже і його характеристика, причому в режимі опалювання аеродинамічна схема діаметрального вентилятора істотно погіршується, що призводить до значного зниження ККД, як показано вище;

до 60% теплоти, яка передається в салон нагрівником, втрачається з повітрям, що виходить назовні;

радіатор нагрівника має достатню теплопродуктивність, однак у його серцевині застосовано оребрення з гладких пластин, внаслідок чого коефіцієнт теплопередачі радіатора в середньому на 30% менше, ніж у радіатора з оребренням із пластин, що мають турбулізатори.

комплексний вплив експлуатаційних факторів на основні енергетичні характеристики радіатора нагрівника (при пробігу автомобіля 216 тис. км) призвів до наступних змін:

гідравлічний опір збільшився на 0,5 10,8%;

аеродинамічний опір збільшився на 8,7 10,5%;

коефіцієнт теплопередачі зменшився на 13,9 16,8%.

Для експериментальних досліджень був спроектований і виготовлений дослідний нагрівник. З урахуванням впливу потоку, що набігає, був обраний відцентровий вентилятор Ц14-46м, який встановлено в дослідному нагрівнику з додатковим рециркуляційним каналом, розташованим безпосередньо перед робочим колесом вентилятора суміжно з каналом зовнішнього повітря і відділеним від нього регулювальною заслінкою, положення якої визначає ступінь рециркуляції в залежності від швидкості руху автомобіля (позитивне рішення про видачу патенту №61145).

Дослідний нагрівник (діаметр робочого колеса вентилятора D=70 мм) дозволив забезпечити витрату повітря в СОІВС на 30% вище, ніж у серійній, при цьому ККД дослідного вентилятора складає 18 - 21,5%, а споживана потужність знижується на 40 55%.

В результаті випробувань отримані основні теплові характеристики серійної і дослідної системи опалювання, які свідчать, що застосування часткової рециркуляції повітря в режимі опалювання дозволяє прискорити прогрівання салону автомобіля на 30% і зменшити на 30-40% втрати теплоти з вихідним повітрям Q_в. При цьому теплопродуктивність дослідного нагрівника Q_н, враховуючи зміну в тепловому балансі салону втрат теплоти через стінки салону Q_ст та теплоту рециркуляції Q_рец, дорівнює теплопродуктивності серійного, незважаючи на скорочення площі поверхні радіатора на 15%. Температури повітря в характерних точках салону відповідають вимогам, як для серійної, так і для дослідної системи.

Проведені експериментальні дослідження й аналіз їх результатів дозволили:

уточнити математичну модель (залежність для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі до внутрішніх стінок салону при V_a = 20 80 км/год, коефіцієнт перетворення динамічного тиску потоку, що набігає, у статичний для автомобілів ЗАЗ k_п = 0,6 );

підтвердити експериментально достовірність запропонованого підходу до урахування впливу потоку, що набігає при русі автомобіля, на режим роботи вентилятора;

довести адекватність математичної моделі режиму прогрівання салону, яка ґрунтується на розробленому теоретичному рішенні (див. рис.2).

одержати необхідні характеристики СОІВС автомобілів ЗАЗ і залежності для розрахунку раціональних параметрів конструкції СОІВС і вибору найбільш ефективного режиму її роботи.

У четвертому розділі на підставі результатів експериментальних досліджень, використовуючи математичну модель і алгоритм розрахунку СОІВС, розроблені в другому розділі, обрані раціональні параметри конструкції системи, що дозволили:

визначити раціональну витрату повітря в СОІВС і ступінь рециркуляції повітря з урахуванням дії потоку, що набігає;

визначити раціональні геометричні характеристики радіатора нагрівника зі зменшеними габаритно-масовими показниками при застосуванні часткової рециркуляції повітря та більш ефективної поверхні тепловіддачі.

визначити раціональний діаметр робочого колеса та режим роботи вентилятора типу Ц14-46м для СОІВС з урахуванням дії потоку, що набігає, при середньоексплуатаційній швидкості руху автомобіля, що дозволило зменшити споживану потужність з 115-155 до 60 - 70 Вт.

Слід зазначити, що застосування рециркуляції повітря в системі опалювання автомобіля обмежене вимогами, згідно з якими повинна забезпечуватися безперервна подача зовнішнього повітря в салон не менше за 150 м³/год, що унеможливлює зниження експлуатаційних витрат на привід вентилятора шляхом його тимчасового відключення (при V_а < 80 км/год). Однак за рахунок застосування часткової рециркуляції можливе зниження необхідної теплопродуктивності радіатора нагрівника, тобто його поверхні тепловіддачі, маси і вартості.

Для вибору раціональних параметрів конструкції нагрівника була отримана і проаналізована залежність сумарних витрат на його виготовлення й експлуатацію від комплексного показника V_2pF₂, який представляє собою добуток витрати повітря в каналі рециркуляції і площі поверхні радіатора нагрівника

,

по якій було знайдено раціональне співвідношення параметрів конструкції нагрівника за умови мінімальних сумарних витрат і забезпечення необхідної температури повітря в салоні, яка визначалася по залежності

В результаті для СОІВС автомобілів ЗАЗ за умови застосування часткової рециркуляції повітря в режимі опалювання та радіатора з більш ефективними пластинами, які мають турбулізатори повітряного потоку, отримано раціональне співвідношення технічних показників нагрівника, а саме: витрати повітря в каналі рециркуляції (V_2р = 95 м³/год) та площі поверхні тепловіддачі радіатора нагрівника (F₂ = 2,05 м²).

Вентилятор для СОІВС автомобілів ЗАЗ обрано по габаритності з урахуванням впливу потоку, що набігає, для чого характериста вентилятора була нанесена на характеристики мережі, які відповідають різним швидкостям руху автомобіля V_а = 0; 30; 60 км/год. Вибір здійснювався по характеристиці мережі, яка відповідає середньоексплуатаційній швидкості руху автомобіля в міських умовах V_а = 30 км/год, при якої ККД вентилятора повинен бути максимальним. Для нерухомого автомобіля ККД вентилятора повинен складати не менш ніж 0,9 від максимального, цим вимогам відповідає вентилятор Ц14-46м.

Запропонований нагрівник перевищує серійний як по економічності виготовлення та експлуатації, так і по технічній характеристиці (табл.2) і дозволяє підвищити ефективність СОІВС взагалі.

Ступінь рециркуляції повітря регулюється водієм в залежності від обраного режиму роботи СОІВС, для чого передбачено чотири положення регулювальної заслінки: 1 - швидкий прогрів салону; 2 - рух по місту; 3 - рух поза містом; 4 - вентиляція салону (рециркуляція відсутня).

Удосконалення СОІВС автомобілів ЗАЗ вигідно як виробнику, так і споживачу. Дослідний зразок нагрівника встановлений на автомобіль в спецавтоцентрі “Таврія” та успішно експлуатується.

Висновки

В дисертаційній роботі одержані нові наукові положення, що стосуються висвітлення режиму прогрівання салону автомобіля та впливу параметрів потоку, що набігає, на режим роботи і вимоги до вентилятора при його виборі. Їх застосування на практиці дозволяє зменшити витрати на виготовлення та експлуатацію системи опалювання і вентиляції салону автомобіля та підвищити її фунціональні можливості.

Сучасний рівень розвитку і вимоги до СОІВС автомобілів визначили нову наукову задачу пов'язану з урахуванням особливостей роботи СОІВС і зниженням витрат на її виготовлення та експлуатацію. Для її вирішення необхідне вдосконалення теоретичних основ і розробка нових методів розрахунку СОІВС. У даній області недостатньо дослідженими є питання впливу потоку, що набігає, на режим роботи вентилятора, нестаціонарний режим обігріву салону і робота системи опалювання з частковою рециркуляцією повітря. Актуальним для України є підвищення конкурентоздатності вітчизняних автомобілів, тому практичною орієнтацією роботи є вдосконалення СОІВС автомобілів ЗАЗ: зниження витрат потужності на привід вентилятора, що також дозволить знизити навантаження на АКБ, підвищення ефективності радіатора нагрівника і ККД системи опалювання.

Теоретичне рішення для нестаціонарного режиму обігріву салону, в тому числі з урахуванням часткової рециркуляції повітря, отримано методом теплового балансу стосовно до стінок салону, що дало можливість удосконалити теоретичні основи розрахунку СОІВС, розробити математичну модель і методику розрахунку режиму прогрівання салону, яка на відміну від відомої, заснованої на розгляді теплопровідності в суміжному шарі, дозволяє скоротити необхідний обсяг експериментальних досліджень. Достовірність отриманого теоретичного рішення підтверджена експериментально безпосередньо на автомобілі, що дає можливість рекомендувати його для оцінки ефективності існуючих і проектування нових систем опалювання салону автомобілів.

Теоретичний аналіз спільної роботи вентилятора і потоку, що набігає при русі автомобіля, дозволив більш глибоко розкрити механізм зміни положення робочої точки вентилятора при русі автомобіля, достовірність якого підтверджена експериментально. Практичним застосуванням теоретичного рішення є методика вибору вентилятора для СОІВС з урахуванням впливу потоку, що набігає, яка дозволяє забезпечити максимальне значення середньоексплуатаційного ККД; вона рекомендується також для вибору вентилятора інших систем автомобіля, наприклад, системи охолодження.

Вперше запропоновано регулювати ступінь рециркуляції повітря в залежності від швидкості руху автомобіля, що дозволяє при дотриманні вимог до вентиляції салону, звести до мінімуму втрати теплоти з повітрям, що виходить назовні, отже, зменшити необхідну теплопродуктивність і габаритно-масові показники радіатора нагрівника, скоротити час прогрівання салону. Запропонований метод рекомендується також до застосування в системах кондиціонування повітря в салоні автомобіля, що дозволить зменшити необхідну холодопродуктивність.

Експериментальні дослідження елементів і СОІВС загалом на спеціальних стендах і безпосередньо на автомобілі дозволили уточнити математичну модель і отримати характеристики експериментальної СОІВС (витрата повітря, теплопродуктивність, втрати теплоти з повітрям, що виходить назовні, витрати потужності на привід вентилятора, час прогрівання салону, температури повітря в салоні) із дослідним вентилятором і застосуванням часткової рециркуляції повітря, які свідчать про можливість істотного зменшення витрат потужності на привід вентилятора і втрат теплоти з повітрям, що виходить назовні, а також скорочення часу прогрівання салону.

На підставі техніко-економічного аналізу розроблена методика вибору раціонального співвідношення ступеню рециркуляції повітря і площі поверхні тепловіддачі радіатора нагрівника, яка дозволяє забезпечити необхідну теплопродуктивність СОІВС при мінімальних витратах на її виготовлення та експлуатацію. Запропонована методика може також використовуватися при виборі раціональних параметрів системи кондиціонування повітря.

Вибір раціональних параметрів СОІВС із застосуванням економічного вентилятора типу Ц14-46м, урахуванням впливу потоку, що набігає, часткової рециркуляції повітря та турбулізаторів повітряного потоку на поверхні пластин радіатора нагрівника дозволяє поліпшити показники роботи СОІВС автомобілів ЗАЗ:

збільшити витрату повітря в СОІВС в середньому на 30% (60 м³/год);

підвищити ККД вентилятора разом з приводом до 18-21,5%;

зменшити витрати потужності на привід вентилятора на 40-55% (45 80 Вт);

скоротити час прогрівання салону на 30% (540 с);

зменшити втрати теплоти з повітрям, що виходить на 30-40% (1,2 1,5 кВт).

Розроблено практичні рекомендації по удосконаленню СОІВС автомобілів ЗАЗ, які прийняті до впровадження на АТЗТ “Зліт" і “АвтоЗАЗ", виготовлений та встановлений на автомобіль в спецавтоцентрі “Таврія" дослідний зразок нагрівника. Очікуваний річний економічний ефект від вдосконалення СОІВС автомобілів ЗАЗ при умовному обсязі випуску автомобілів (25 тис.) становить 132,5 тис. грн.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Куліков Ю.А., Грибініченко М.В., Кущенко О.В. Моделювання роботи системи опалювання в режимі прогрівання салону автомобіля // Вісник Національного транспортного університету та Транспортної академії України. - К., 2001.- Випуск 5. С. 236 - 241.

2. Куликов Ю.А., Грибиниченко М.В, Кущенко А.В. Исследование влияния набегающего потока на работу и выбор вентилятора системы вентиляции салона автомобиля // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.--2002.--№11(57). -- С. 219 - 222.

3. Грибиниченко М.В. Выбор рациональных параметров отопителя салона автомобилей ЗАЗ с учетом особенностей эксплуатации системы отопления // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля - 2002.- № 10(56).- С.86-90.

4. Куликов Ю.А., Грибиниченко М.В., Пыхтя В.А. Теоретическое и экспериментальное исследование работы системы отопления с рециркуляцией воздуха автомобиля “Таврия” ЗАЗ-1102 // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. -- 2002. -- №3(49). -- С.124-128.

5. Куликов Ю.А., Грибиниченко М.В., Придорожко В.В. Исследование аэродинамических характеристик блока отопителя салона автомобиля “Таврия” // Вісник Східноукраїнського державного університету.-- 1999. -- № 1(16). -- С. 81 -85.

6. Куликов Ю.А., Грибиниченко М.В., Кузьменко С.В. Требования к очистке воздуха, вентилирующего салон легкового автомобиля // Вісник Східноукраїнського національного університету. -- 2000. -- № 9(31). -- С.190 - 193.

7. Куликов Ю.А., Грищенко С.Г., Грибиниченко М.В. Сравнительные испытания фильтрующих материалов -- 2001. -- № 6(40). -- С.62 - 67.

Анотація

Грибініченко М.В. Удосконалення системи опалювання і вентиляції салону автомобілів ЗАЗ. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.22.02 - Автомобілі та трактори. Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Харків, 2003.

Аналіз конструкції, експлуатаційних характеристик СОІВС автомобілів та результатів попередніх досліджень визначив основні напрями досліджень з метою її удосконалення СОІВС і підвищення її техніко-експлуатаційних показників.

В результаті проведених теоретичних досліджень удосконалено теоретичне рішення для режиму прогрівання салону та розроблена математична модель роботи системи опалювання з урахуванням часткової рециркуляції повітря, проаналізована також робота вентилятора СОІВС при русі автомобіля і встановлено наступне: перепад тисків на виході і вході в систему, що виникає при русі автомобіля завжди має негативне значення і відноситься до характеристики мережі, а не вентилятора, тому дія потоку, що набігає при русi автомобiля, призводить до зниження характеристики мережі на величину, що залежить від швидкості руху автомобіля.

Результати проведених експериментальних досліджень СОІВС автомобілів ЗАЗ дозволили довести достовірність отриманих теоретичних результатів та адекватність математичної моделі. Із застосуванням отриманих результатів розроблений дослідний нагрівник салону із заміною серійного вентилятора на відцентровий типу Ц14-46м і застосуванням часткової рециркуляції повітря в режимі опалювання. Дослідний нагрівник пройшов стендові і експлуатаційні випробування на автомобілі, отримані позитивні результати.

Впровадження запропонованих заходів по удосконаленню СОІВС автомобілів ЗАЗ дозволяє зменшити витрати потужності на привід вентилятора СОІВС на 40 55%, збільшити витрату повітря в системі на 30%, зменшити масу радіатора нагрівника на 26%. Результати роботи передані на АТЗТ “Зліт" (завод-виготівник нагрівника салону) і “АвтоЗАЗ" і прийняті до впровадження.

Аннотация

Грибиниченко М.В. Совершенствование системы отопления и вентиляции салона автомобилей ЗАЗ.-- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.02 - Автомобили и тракторы. Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Харьков, 2003.

Анализ конструкции и эксплуатационных характеристик СОИВС автомобилей ЗАЗ показал, что наиболее существенными недостатками являются высокие затраты мощности на привод вентилятора и потери теплоты с выходящим воздухом. Указанные недостатки и анализ результатов предшествующих исследований определили основные направления исследований СОИВС с целью её совершенствования и повышения технико-эксплуатационных показателей.

Анализ теплового баланса салона показал, что для моделирования режима прогрева необходимо рассматривать не только прогрев воздуха в салоне, а и его стенок. Поэтому для непрозрачных стенок салона и стекол составлены уравнения теплового баланса в дифференциальной форме с учетом их прогрева, которые после некоторых преобразований вместе с уравнением теплового баланса салона образуют систему линейных дифференциальных уравнений первого порядка, которая решается методом Рунге-Кута. Предлагаемая модель описывает также работу системы отопления с рециркуляцией воздуха, при этом изменяются только коэффициенты при неизвестных в уравнении теплового баланса салона. Разработанная математическая модель позволяет сравнительно просто получать расчетные зависимости изменения температур воздуха и стенок салона в процессе прогрева, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными, адекватность предлагаемой модели оценена по критерию Фишера, экспериментальное значение которого (1,2) меньше табличного (2,9).

Влияние набегающего потока на работу вентилятора СОИВС теоретически исследовано с позиции классического уравнения Бернулли, в результате чего установлено следующее: перепад давлений на выходе и входе в систему, возникающий при движении автомобиля, всегда имеет отрицательное значение и относится к характеристике сети, а не вентилятора, как рекомендуют некоторые авторы, поэтому действие набегающего потока приводит к снижению характеристики сети на соответствующую величину, зависящую от скорости движения автомобиля.

Таким образом, результаты проведенных исследований позволили дополнить и уточнить теоретические основы расчета СОИВС, на основании которых разработан алгоритм и программное обеспечение для расчета СОИВС, что позволяет моделировать ее работу в любом режиме с учетом применения частичной рециркуляции воздуха и влияния набегающего потока.

Проведены экспериментальные исследования СОИВС. Основные энергетические характеристики радиатора отопителя получены на теплотехническом стенде, характеристики вентилятора -- на аэродинамическом стенде, все характеристики системы в целом -- непосредственно на автомобиле.

Анализ результатов испытаний СОИВС автомобилей ЗАЗ показал необходимость замены серийного вентилятора на более экономичный и применения частичной рециркуляции воздуха в режиме отопления. Для СОИВС автомобилей ЗАЗ по габаритности с учетом действия набегающего потока выбран вентилятор типа Ц14-46м. При этом для обеспечения максимальной эффективности совместной работы на-бегающего потока и вентилятора, характеристика последнего подобрана таким образом, что КПД вентилятора для неподвижного автомобиля составляет 0,9 от максимального значения, а при действии набегающего потока она смещается в сторону увеличения расхода и КПД. Максимальное значение КПД соответствует средне-статистической скорости движения автомобиля в городских условиях. Был изготовлен экспериментальный образец отопителя, в котором установлен центробежный вентиля-тор Ц14-46м с диаметром рабочего колеса 70 мм и дополнительным рециркуляционным каналом, который расположен смежно с каналом забора наружного воздуха и от-делен от него регулировочной заслонкой, что дает возможность регулировать расход рециркуляционного воздуха. Испытания экспериментального отопителя на автомобиле показали, что расход воздуха, обеспечиваемый вентилятором, увеличился в среднем на 30%, КПД вентилятора составил 18-21,5%, а потребляемая мощность снизилась на 40 55%. Применение рециркуляции воздуха в режиме отопления позволило ускорить прогрев салона автомобиля на 30% и снизить потери теплоты с выходящим воздухом на 30-40%, при этом обеспечивается требуемый уровень температур в салоне, даже при сокращении площади поверхности теплоотдачи радиатора отопителя на 15%.

Расчетные исследования с использованием результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований позволили разработать СОИВС, превосходящую серийную как по экономичности изготовления и эксплуатации, так и по технической характеристике.

Предлагаемые мероприятия по совершенствованию системы отопления и вентиляции салона экономически выгодны как производителю, так и потребителю. Коэффициент экономической эффективности составляет 0,24, срок окупаемости дополнительных капитальных вложений -- 4,1 года, годовой экономический эффект -- 53 грн на один автомобиль.

Для установки предлагаемого отопителя на автомобиль не требуется существенных изменений. В настоящее время автомобиль с установленным экспериментальным образцом находится в эксплуатации. Результаты работы переданы на АОЗТ “Взлет” (завод-изготовитель отопителя салона) и “АвтоЗАЗ” и приняты к внедрению.

Abstract

Gribinichenko М.V. Perfecting heating system and cars salon venti-lation ZAZ. -- Manuscript.

Dissertation on competition scientific candidate degree of technical sciences on a speciality 05.22.02 - Automobiles and tractors . Kharkiv national automobile and highway university, Kharkiv, 2003.

Construction analysis, operating descriptions and results of previous heating systems researches and salon ventilation (HSASV) of cars exposed the substantial shortages in cars HSASV ZAZ and defined basic directions of theoretical and experimental researches by way rise of her technic-economic indexes.

As result of seen out theoretical researches is worked up a mathematical HSASV work model, in which a routine considered of unstationary salon heating and heating system work with recirculation of air. Is analysed HSASV ventilator work near motion of car and established following: pressures overfall on going out and entrance in system, which arises near motion of car always matters negative and behaves to net description, and not ventilator. Therefore action of running into stream brings to lowering net descriptions over on proper size, which depends on car speed.

Are seen out experimental researches serial car HSASV ZAZ, the results of which added to and specified theoretical researches and permitted to work up experienced salon heater with replacement of serial diametral ventilator on centrifugal type Ц14-46м and by application of air recirculation in heating routine. A experienced heater got through the stand and operating trials on car, are got the positive results.

Worked practical recommendations along HSASV improvement of cars diminishes heater radiator mass on 26%. The job perfomance handed on “Zlit " (ZAZ. Near their use go down the power expenditures on HSASV ventilator drive on 40 - 55%, increases air expense in system on 30%, heater works-manufacturer) and “АvtoZAZ" and down accepted to inculcation.

Размещено на Allbest.ru

...