СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ КУЗОВА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2006 года по МПК G01N25/18 G01M17/00 

Изобретение относится к испытаниям транспортных средств и может быть использовано для определения среднего коэффициента теплопередачи кузовов железнодорожных вагонов, автомобилей, фюзеляжей самолетов, грузовых помещений рефрижераторных судов, строительных конструкций и т.д.

Наиболее распространенным является способ определения среднего коэффициента теплопередачи кузова транспортного средства, заключающийся в нагреве воздуха внутри кузова до установления стационарного температурного режима при помощи источника тепла известной постоянной мощности и последующем расчете коэффициента теплопередачи как отношения мощности источника тепла к площади теплопередающей поверхности кузова и установившейся в стационарном режиме разности температур воздуха внутри и снаружи кузова (см. "Методы и порядок проведения измерений и контроля изотермических свойств и эффективности оборудования для охлаждения и обогрева специальных транспортных средств". Соглашение о международных перевозках скоропортящихся пищевых продуктов и о специальных транспортных средствах, предназначенных для этих перевозок, 1970 г. Женева).

Недостатком этого способа является необходимость затрат значительного времени труда и энергии на нагрев кузова последовательно в нерегулярном и регулярном режиме для достижения и поддержания стационарного температурного режима. По указанному способу испытания могут продолжаться сутками, так как любой сбой температур ведет к увеличению длительности эксперимента.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения среднего коэффициента теплопередачи кузова транспортного средства без достижения в нем установившегося режима температур воздуха, заключающийся в нагреве воздуха внутри кузова в нерегулярном режиме источником тепла известной постоянной мощности и одновременном измерении температур воздуха внутри и снаружи кузова в течение минимального времени, необходимого для аппроксимации в процессе нагревания хода изменения во времени разностей наружной и внутренней температур воздуха уравнением степенной функции, снижении мощности источника до известной величины, измерении температур воздуха снаружи и внутри кузова в течение минимального времени, необходимого для аппроксимации в процессе остывания хода изменения во времени разностей наружной и внутренней температур воздуха уравнением степенной функции и последующем расчете среднего коэффициента теплопередачи по найденным константам уравнений, аппроксимирующих процессы нагрева и остывания воздуха в кузове транспортного средства (А.с. №1730572, G 01 N 25/18, публ. 30.04.92, Бюл. №16).

Недостатком известного способа является необходимость последовательной реализации примерно равных по длительности процессов нагрева и остывания воздуха в кузове вагона.

Техническая задача - снижение длительности и трудоемкости испытаний за счет упразднения процесса остывания воздуха в кузове вагона.

Техническая задача достигается тем, что в известном способе определения среднего коэффициента теплопередачи кузова транспортного средства, в котором осуществляют нагрев воздуха внутри кузова посредством источника тепла, замер мощности источника тепла, замер температур воздуха внутри и снаружи кузова и последующий расчет коэффициента теплопередачи, процесс замеров температур начинают в момент включения источника тепла, продолжая нагрев выполняют одновременные замеры температур воздуха внутри и снаружи кузова в течение минимального времени, необходимого для аппроксимации с заданной точностью изменения мгновенных значений перепада температур, заканчивают замеры задолго до установления стационарного теплового режима воздуха внутри кузова, дважды аппроксимируют их полную и усеченную выборку уравнениями степенных функций типа

τ=Аθ^В+С,

где τ - период времени;

θ - перепад значений температур;

А, В, С - константы аппроксимирующих уравнений,

используя константы полученных уравнений, вычисляют коэффициент теплопередачи по формуле

где Н - среднегеометрическая теплопередающая поверхность;

Р - мощность источника тепла;

A_n, В_n, A_у, B_у - константы аппроксимирующих уравнений;

n, у - индексы, соответствующие полному и усеченному рядам аппроксимируемых значений времени и перепадов температур.

Пояснение к предлагаемому способу.

По известному способу определение искомого коэффициента теплопередачи кузова транспортного средства достигается за счет того, что процессы нагрева и остывания воздуха в кузове состоят каждый из двух стадий - нерегулярного и регулярного режима, отличающихся друг от друга характером изменения темпа перепада температур при нагреве или остывании. На регулярных участках изменение темпа перепада температур происходит в соответствии с известным дифференциальным уравнением теплового баланса вида

где θ - перепад значений температур воздуха внутри и снаружи кузова;

τ - период времени;

dθ/dτ - темп изменения перепада температур;

Р - мощность источника тепла;

W - водяной эквивалент кузова;

К - коэффициент теплопередачи кузова;

Н - площадь теплопередающей поверхности кузова.

В связи с тем, что W, К и Н являются физическими константами, уравнение (1) в координатах (dθ/dτ; θ) представляет собой уравнение прямой.

Вместе с тем, в известном способе установлено, что в начальный период нагрева и остывания вследствие наличия тепловой инерции кузова характер изменения dθ/dτ отклоняется от регулярного, предписанного уравнением (1), и подчиняется зависимости вида

где А и В - постоянные коэффициенты.

Переход от нерегулярного режима к регулярному при нагреве и остывании происходит в точках касания кривых (2) и прямых вида (1). Совместное решение уравнений нерегулярных участков нагрева и остывания вида (2) и касательных вида (1) к этим кривым, соответствующих стадиям регулярных режимов нагрева и остывания после ряда преобразований по известному способу, позволяет получить зависимость искомого среднего коэффициент теплопередачи К от параметров А и В уравнений нестационарных участков нагрева и остывания.

Упразднение процесса остывания по предлагаемому способу достигается за счет того, что найдена возможность один и тот же процесс нагрева воздуха в кузове транспортного средства, соответствующий нагреву по известном способу, дважды аппроксимировать двумя разными уравнениями типа dθ/dτ=Аθ^B, которые с точки зрения конечного результата адекватно заменяют участки нерегулярного нагрева и охлаждения. Совместное решение уравнений предлагаемых двух аппроксимаций нерегулярного участка нагрева и касательной вида (1) к этим кривым, соответствующей стадии регулярного режима нагрева, после некоторых преобразований позволяет получить зависимость искомого коэффициента теплопередачи К от параметров А и В уравнений, аппроксимирующих нерегулярный участок нагрева воздуха в кузове транспортного средства.

Последовательность действий для реализации предлагаемого способа на примере рефрижераторного вагона следующая.

Воздух во внутреннем объеме кузова вагона с известной среднегеометрической теплопередающей поверхностью Н (Н=200 м²) начинают нагревать при помощи источников тепла (электронагревателей) мощностью Р=6,73 кВт и через интервалы времени Δτ=1 ч выполняют n=12 замеров внутренней и наружной температур воздуха.

Этого количества замеров в данном случае достаточно для определения коэффициента теплопередачи с заданной точностью. Перепад температур θ вычисляется как разность одновременно замеренных температур воздуха внутри и снаружи кузова. Первый раз аппроксимируют уравнением вида τ=Аθ^B+С полный ряд всех 12 значений τ от τ=0 до τ=11 ч и соответствующих значений θ, а второй раз усеченный ряд из 10 этих же замеров τ от τ=0 до τ=9 ч, при условии, что нулевому интервалу времени τ=0 усеченного ряда ставится в соответствие второе значение перепада температур θ из полного ряда и так последовательно до последнего значения усеченного ряда τ=9 ч, которому в этом случае будет соответствовать предпоследнее, десятое в полном ряду значение θ.

Параметрам полного ряда присваивают индекс "n", а параметрам усеченного ряда - индекс "у" и выполняют обе аппроксимации (см. табл.1).

Таблица 1.№замераВремя замера, τ_n, (ч)Перепад температур внутри и снаружи вагона, θ_n, (°с)lg(τ₁ C_n)lgθ_n∑lg(τ₁- C_n)Время замера, τ_у, (ч)Перепад температур внутри и снаружи вагона, θ_у, (°с)lg(τ₁- С_у)lgθ_у∑lg(τ₁-С_у)101,53-0,85201,18471,360706,67-0,07330,82411,9167216,670,05710,82415,5664110,870,26591,03624,43663210,870,33051,0362 214,40,45401,1584 4314,40,49701,1584∑lgθ_n317,620,58481,2460∑lgθ_у5417,620,61711,24605,7628420,580,68531,31345,57816520,580,71101,31348,7205523,220,76681,36597,19827623,220,78821,3659 625.510,83531,4067 8725,510,85371,4067В=1,4219727,960,89461,4465 9827,960,91061,4465 830,140,94671,4791 10930,140,96091,4791А=0,0726931,620,99321,5000 111031,621,00611,5000 --А=0,04447 В=1,5554121133,291,04691,5223---К=0,000547

Для этого вычисляют среднегеометрические разности температур для полного и усеченного рядов θ_rn=√θ1_nθ12_n; θ_rу=√θ1_уθ10_у, где θ_rn, θ_rу, θ_1n, θ_1у, θ_12n, θ_10у - соответственно значения среднегеометрических, первых и последних перепадов температур для полного и усеченного рядов перепадов температур.

τ_rn и τ_rу, соответствующие θ_rn и θ_rу определяются посредством интерполяции из выражений

где θ_in и θ_(in+1), θ_iу и θ_(iу+1) - следующие друг за другом пары значений перепадов температур, между которыми находятся соответственно величины θ_rn и θ_rу.

τ_in, τ_(in+1), τ_iу, τ_(iу+1) - значения интервалов времени, соответствующие величинам θ_in, θ_(in+1), θ_iу, θ_(iу+1) соответственно для полного и усеченного рядов.

Определяются значения коэффициентов С_n и С_у по формулам

Величины среднегеометрических перепадов температур θ_r, соответствующих им моментов времени τ_r и коэффициентов С, вычисленных по приведенным выше формулам, соответственно для полного и усеченного рядов измерений составили θ_rn=7,1368; θ_rу=14,5256; τ_rn=1,1111; τ_rу=2,0391; С_n=-0,145; С_у=-0,8447.

Коэффициенты уравнения аппроксимации B_n, A_n и B_у, A_у определяются из выражений

где N_n и N_у - соответственно число замеров для полного и усеченного рядов.

Искомый средний коэффициент теплопередачи кузова вагона К определятся из выражения

Таким образом, снижение времени, необходимого для определения среднего коэффициент теплопередачи, примерно в два раза за счет упразднения процесса остывания кузова с одной стороны приводит к соответствующему снижению эксплуатационных затрат, таких, как расходы на энергоносители, аренду помещений, техническое обслуживание и т.д., а с другой стороны соответственно увеличивает доходы за счет возрастания производительности тех специализированных помещений, в которых выполняются работы по определению искомого коэффициента.

Изобретение относится к испытаниям транспортных средств и может быть использовано для определения среднего коэффициента теплопередачи кузовов транспортных средств. Способ состоит в нагреве воздуха внутри кузова источником тепла, в момент включения которого начинают замер температур воздуха внутри и снаружи кузова и, продолжая нагрев, выполняют одновременные замеры температур воздуха внутри и снаружи кузова в течение минимального времени, необходимого для аппроксимации с заданной точностью изменения мгновенных значений перепада температур. Заканчивают замеры задолго до установления стационарного теплового режима внутри кузова, дважды аппроксимируют их полную и усеченную выборку уравнениями степенных функций типа τ=Аθ^В+С, где τ - период времени; θ - перепад значений температур; А, В, С - константы аппроксимирующих уравнений, используя константы полученных уравнений, вычисляют коэффициент теплопередачи по формуле

где Н - среднегеометрическая теплопередающая поверхность; Р - мощность источника тепла; A_n, В_n, A_у, B_у - константы аппроксимирующих уравнений; n, у - индексы, соответствующие полному и усеченному рядам аппроксимируемых значений времени и перепадов температур. Технический результат заключается в снижении длительности и трудоемкости испытаний за счет упразднения процесса остывания воздуха в кузове. 1 табл.

Способ определения среднего коэффициента теплопередачи кузова транспортного средства, в котором осуществляют нагрев воздуха внутри кузова посредством источника тепла, замер мощности источника тепла, замер температур воздуха внутри и снаружи кузова и последующий расчет коэффициента теплопередачи, отличающийся тем, что в нем процесс замеров температур начинают в момент включения источника тепла, продолжая нагрев, выполняют одновременные замеры температур воздуха внутри и снаружи кузова в течение минимального времени, необходимого для аппроксимации с заданной точностью изменения мгновенных значений перепада температур, заканчивают замеры задолго до установления стационарного теплового режима внутри кузова, дважды аппроксимируют их полную и усеченную выборку уравнениями степенных функций типа

τ=Аθ^В+С,

где τ - период времени;

θ - перепад значений температур;

А, В, С - константы аппроксимирующих уравнений,

используя константы полученных уравнений, вычисляют коэффициент теплопередачи по формуле

где Н - среднегеометрическая теплопередающая поверхность;

Р - мощность источника тепла;

A_n, В_n, A_у, B_у - константы аппроксимирующих уравнений;

n, у - индексы, соответствующие полному и усеченному рядам аппроксимируемых значений времени и перепадов температур.