Микроклимат кабины лесозаготовительной машины

ВОЗДУШНЫЕ И ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ КАБИНЫ

Кабину машины рассматриваем как открытую термодинамическую систему со своими параметрами воздушной среды. Для комфорта человека должен обеспечиваться обмен воздуха. В х'олодный период года его необходимо нагревать и увлажнять, а в теплый - охлаждать и подсушивать. Процессы, происходящие в ограниченном пространстве, как тепловые, так и подвижности воздуха, описываются законами сохранения массы и энергии [2-4]. Использование математического подхода и системного анализа теплового режима кабин транспортных средств позволяет рассматривать всю совокупность расчетов относительно воздушной среды кабины (рис. 1).

Микроклимат в кабине формируется сочетанием входных и выходных параметров. Изменение параметров описывается системой уравнений [1]:

— = Ус-+Ус«.

dt Т t

---= >               , dt i V где т - время; m - масса воздуха; Qk - источник энергии; t - температура; h = t + d-(2500+l,97t) -удельная энтальпия влажного воздуха; d - влагосо-держание; dE = d(m-cvt)+ pdv - изменение полной энергии воздуха; произведение Cv на t -- внутренняя энергии; Ср и Cv - удельные теплоемкости воздуха при постоянном давлении и объеме; Gi = J p-widSi-s расход воздуха через отводящий канал; Gk = J p-wk-dSk - источник массы; р - плотность воздуха; wi, wk, - векторы скорости через отводящий канал и от источника соответственно.

В качестве критерия, характеризующую целевую функцию, могут быть приняты различные величины. Они могут иметь: термодинамический оптимум -суммарный тепловой поток в кабину, тепловые потоки через прозрачные и непрозрачные ограждения, от двигателя и трансмиссии, от воздухообмена; энергетический оптимум - потребляемая мощность на кондиционирование воздуха; технологический оптимум; конструкторский оптимум; эксплуатационный оптимум, в качестве которого может быть принят критерий комфортности микроклиматических условий; частный и полный техникоэкономический оптимум, определяемый годовыми приведенными затратами на нормализацию микроклимата.

Определение составляющих для уравнений, в предположении при преобладании конвективного теплообмена как внутри кабины, так и снаружи, и составляет основную задачу далее. Мы часто сталкиваемся с процессами (в нашем случае - кабина лесозаготовительной техники), находящимися вне состояния термодинамического равновесия. Равновесные термодинамические соотношения справедливы для переменных, определенных в элементарном объеме [5].

Балансовые уравнения микроклимата решаются для стационарного (квазистационарного) состояния. Поскольку кабина, как открытая термодинамическая система, обменивается с окружающей средой как энергией в виде теплоты, так и веществом, то для поддержания системы в стационарном неравновесном состоянии вследствие необратимости протекающих процессов система обменивается энтропией с окружающей средой [5]. dQ - количество теплоты, которым обмениваются воздух в кабине и границы системы. Примем Т >Т”, тогда изменение плотности энтропии системы:

des = (I/Т - 1/Т”).

Производство энтропии:

о = djs/dr > 0.

Производство энтропии на единицу объема может быть задано в виде

где Fk - силы, например, градиент (1/Т); Jk - потоки, например, поток теплоты, конвективный теплообмен, диффузия. В равновесии все силы обращаются в нуль. В линейном режиме производство энтропии в системе, подверженной потоку энергии и вещест- diS/dT = J adV.

В неравновесном стационарном состоянии оно достигает минимального значения. Стационарность состояния состоит в том, что возникшая энтропия не может оставаться в системе и "вытекает" в окружающую среду.

Рис. 1. Структурная схема системы «окружающая среда - кабина - человек - кондиционер воздуха»

ТЕПЛООБМЕН И МАССОБМЕН ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ В КАБИНЕ

При рассмотрении процессов кондиционирования воздуха в кабине транспортного средства приходится учитывать все виды теплообмена (рис. 1).

Параметры микроклимата: температура t, влажность Ф с учетом температур и влажности приточного воздуха tn,

Рассмотрим тепловой баланс, энергозатраты человека в кабине лесозаготовительной машины. Различными исследованиями установлено, что теплообмен за счет конвекции Qk при комфортных условиях составляет 33.. .35% всего теплообмена человека.

Qk = Год-а(Тод-Т), где Год - коэффициент, учитывающий увеличение поверхности тела человека за счет одежды, например, для легкой спецодежды Год = 1,1; а = 2,4'(Тод - Т)0,25 - коэффициент теплоперехода с поверхности одежды к воздуху при свободной конвекции; Тод - температура одежды, К. Количество теплоты, отдаваемое человеком излучением Qe, находится в пределах 42.. .44%.

Qe = ею[(Тод/100)4-(Т/100)4], здесь а = 5,67 Вт/м2К4 - постоянная Стефана-Больцмана; е = 0,7 - степень черноты одетого человека. Теплообмен испарением Qh составляет 20.. .25 % отдаваемой теплоты.

Qh = 0,49[М/Рт(1-т]) - 50J, где М - метаболическая теплота человека, Вт; Ft = 1,75 м2 - расчетная площадь поверхности взрослого человека; при работах средней тяжести -M/Ft = 130,Вт/м2. При температуре воздуха ниже температуры кожи человека количество испаряемой влаги остается практически постоянным. При более высоких температурах влагоотдача возрастает . При температуре выше 34 °C теплоотдача испарением является практически единственным способом теплоотдачи организма. Кислород из выделяемого воздуха в организме преобразуется в углекислый газ с выделением теплоты от 19,7 до 21,2 кДж. Как показывают расчеты, для человека более опасным является не снижение содержание кислорода в воздухе, а накопление теплоты и повышение содержания углекислого газа. Очевидно, что этот процесс интенсифицируется при повышении тяжести выполняемых работ.

Многочисленные работы как теоретического, так и экспериментального плана обращены к задаче поддержания микроклимата в кабинах мобильных машин. В зависимости от условий эксплуатации техники определяется необходимая мощность кондиционирования воздуха с приоритетным учетом всех мероприятий, направленных на минимизацию мощности систем кондиционирования воздуха. Во многих публикациях по данному вопросу, как правило, составляется уравнение теплового баланса в стационарном состоянии. Тепловой баланс в любой i-й точке внутренней поверхности кабины описывается уравнением

Л, + Kj + Т,- = 0, где Л;, К,, Tj - лучистая, конвективная и кондуктив-ная составляющие соответственно, которые изменяются по времени, величине и знаку.

ВЫВОДЫ

• 1.    Минимизация мощности систем кондиционирования воздуха возможна с привлечением методов необратимой термодинамики.

• 2.    Использование моделирования теплового режима кабин транспортных средств и системного анализа позволяет рассмотреть всю совокупность расчетов системы.

• 4.    При исследовании условий тепловой обстановки внутри кабины можно получить область характеристик параметров микроклимата в рабочей зоне оператора лесной машины.

выбрать технически наименее сложный и экономически выгодный вариант.