СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ КУЗОВА ТРАНСПОРТНЫХ ИЗОТЕРМИЧЕСКИХ СРЕДСТВ Российский патент 2008 года по МПК G01N25/18 

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

Фундаментальным способом определения коэффициента теплопередачи является равновесный, когда размещенными в кузове транспортного изотермического средства источниками тепла температура поднимается до уровня стационарного режима. Этот способ требует продолжительности процесса в несколько суток, большого расхода энергии, и доступен только при опытах в специальных термокамерах. Известные способы нестационарных режимов, как правило, сложны и не дают достаточно точных результатов, сравнительно с равновесным.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения коэффициента теплопередачи транспортного изотермического средства без достижения в нем установившегося режима температур, 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, G01N 25/18, публ. 30.04.92, Бюл. №16).

По существу известный способ предусматривает последовательный нагрев и охлаждение (остывание) воздуха, определение коэффициента теплопередачи при средних температурах этих процессов, использование уравнения теплового баланса в форме регулярного режима, как касательной в расчетных точках.

Этот способ позволяет сократить продолжительность общего процесса до 20-24 часов, но не дает достаточной точности результатов из-за разобщенности нерегулярных и регулярных процессов.

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

Техническая задача - повышение точности результатов и уменьшения трудоемкости аппроксимации опытных кривых.

Техническая задача достигается тем, что в способе определения коэффициента теплопередачи кузова транспортных изотермических средств, включающем последовательный нагрев воздуха внутри транспортного средства посредством источника тепла и охлаждение в течение 10-12 часов с почасовым измерением внутренней и наружной температуры, замер мощности источника тепла в процессе нагрева и охлаждения, определение разности температур с последующим расчетом искомой характеристики, осуществляют исследование четырех часовых интервалов процессов нагрева и охлаждения на отклонение регулярных кривых экспоненциальной функции в полулогарифмических координатах lnΘ-f(τ) от прямых в этих же координатах lnΘ-τ,

где

Θ=t_в-t_н - разность температур внутри (t_в) и снаружи (t_н) транспортного средства;

τ - отсчет времени в час,

затем выбирают два участка на линии нагрева и охлаждения, в наибольшей мере приближенных к прямой регулярного процесса, дифференциальные уравнения теплового баланса на этих участках линеаризуют и в интегральной форме используют для определения искомого коэффициента теплопередачи по формуле

где К - коэффициент теплопередачи;

f(lnθ) - отношение разности натуральных логарифмов значений температурных напоров Θ на границах выбранного участка нагрева к аналогичной разности для участка охлаждения;

Р_н, Р_о (Вт) - мощности источника тепла в процессе нагрева (Р_н) и охлаждения (Р_о);

Н - среднегеометрическая теплопередающая поверхность ограждения (м²);

- среднегеометрические температурные напоры в границах выбранных участков нагрева () и охлаждения (°С). Предлагаемый способ поясняется чертежом, на котором представлены графики процесса нагрева и охлаждения регулярных кривых экспоненциальной функции и прямых в полулогарифмических координатах lnθ-τ,

где

Δ - характеристика отклонения реального процесса от регулярного;

θ=t_в-t_н - разность температур внутри (t_в) и снаружи (t_н) транспортного средства;

τ - отсчет времени в час.

Регулярным режимом процесса теплопроводности называют точное соответствие изменения температурного перепада экспоненциальной функции от температуры. Этот процесс характеризуется линейной зависимостью натурального логарифма разности температур от времени. Как показали специальные исследования, реальные процессы нагрева и охлаждения не содержат крупномасштабных участков регулярных режимов. Поэтому сущность предлагаемого метода состоит в том, чтобы на опытных данных последовательного нагрева и охлаждения выбрать участки, наиболее близкие к регулярному режиму и совместно их использовать для определения искомого коэффициента теплопередачи. Это позволяет, сохранив продолжительность опытов на уровне 20-24 часов, исключить весьма трудоемкую работу по аппроксимации кривых описывающих нестационарные процессы и получить высокую точность результатов.

Процесс нагрева следует осуществлять мощностью 5 и 7 кВт (с учетом мощности вентиляторов), в зависимости от величины поверхности нагрева ограждения, в течение 10-12 часов. Далее мощность снижается до 2-3 кВт и продолжительность охлаждения системы длится также 10-12 часов. Каждый час производятся измерения не менее 12 точек температуры внутри и снаружи транспортной системы и вычисляется разность температур Θ=t_в-t_н.

Пояснение к предлагаемому способу обработки опытных данных произведем, используя результаты испытания рефрижераторного вагона.

Интервалы исследуемых процессов целесообразно брать 4 часа с тем, чтобы располагать опытным значением lnΘ в среднем времени интервала. Для выбора расчетных участков воспользуемся значениями среднего значения lnΘ как полусуммы при регулярном режиме:

и опытного значения lnΘ при среднем времени интервала lnΘ_τ/2 (где τ - отсчет времени в час).

нагреваниеохлаждениеΔτLn^-ΘlnΘ_τ/2ΔΔτLn^-ΘlnΘ_τ/2Δ3-72,95653,02-0,06353-73,3053,30,0054-83,09953,14-0,04054-83,28753,288-0,00055-93,2153,243-0,0285-93.273,260,016-103,32253,33-0,00756-103.2573,250,007

Появление знака минус при величине Δ в интервале 4-8 часов охлаждения указывает на возможные колебания наружной температуры.

Как видно из таблицы с опытными данными, наиболее близким к регулярному режиму при нагревании участок - 6-10 часов и при охлаждении - 4-8 часов.

Для формирования уравнений регулярного режима на выбранных участках используем дифференциальное уравнение теплового баланса, принимая неизменными величину коэффициента теплопередачи К и водяного эквивалента системы W (кузов, внутренний воздух и оборудование).

В процессе нагрева тепловой баланс характеризуется тем, что подведенная мощность - Р_н (н - индекс нагрева) расходуется на повышение энтальпии системы и на передачу тепла окружающей среде:

и условие линейности регулярного режима

где - средняя геометрическая температура интервала (i - индекс времени начала интервала нагрева).

Заменяя и интегрируя, получим:

Процесс охлаждения характеризуется тем, что значительно уменьшенная мощность нагрева и возврат тепла системой расходуются на теплопередачу окружающей среде:

P₀dτ₀+Wdθ₀=KHΘdτ₀

Преобразуя, как и ранее, и интегрируя, имеем (j - индекс, относящийся к интервалу охлаждения):

где

Решая совместно интегральные уравнения регулярных режимов, получаем искомое выражение для определения коэффициента теплопередачи (Δτ_н,i=Δτ_0j)

где

В качестве иллюстрации определим значение К по данным уже использованных опытов:

По данным равновесных испытаний этого же вагона получено значение . Как видно, результаты практически одинаковы.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет существенно сократить время опытов, потребляемую мощность, позволяет исключить трудоемкую аппроксимацию опытных кривых и повысить точность измерения коэффициента теплопередачи.

Использование: для определения коэффициента теплопередачи кузова транспортных изотермических средств. Сущность: заключается в том, что производят последовательный нагрев воздуха внутри транспортного средства посредством источника тепла, охлаждение в течение 10-12 часов с почасовым измерением внутренней и наружной температуры, замер мощности источника тепла в процессе нагрева и охлаждения, определение разности температур с последующим расчетом искомой характеристики, после чего осуществляют исследование четырехчасовых интервалов процессов нагрева и охлаждения на отклонение регулярных кривых экспоненциальной функции lnθ-f(τ) в полулогарифмических координатах от прямых lnθ-τ в этих же координатах, где θ=t_в-t_н - разность температур внутри (t_в) и снаружи (t_н) транспортного средства; τ - отсчет времени в час, затем выбирают два участка на линии нагрева и охлаждения, в наибольшей мере приближенных к прямой регулярного процесса, дифференциальные уравнения теплового баланса на этих участках линеаризуют и в интегральной форме используют для определения искомого коэффициента теплопередачи по определенной математической формуле. Технический результат: повышение точности определения коэффициента теплопередачи кузова транспортных изотермических средств, а также уменьшение трудоемкости аппроксимации опытных кривых. 1 ил.

Способ определения коэффициента теплопередачи кузова транспортных изотермических средств, включающий последовательный нагрев воздуха внутри транспортного средства посредством источника тепла, охлаждение в течение 10-12 ч с почасовым измерением внутренней и наружной температуры, замер мощности источника тепла в процессе нагрева и охлаждения, определение разности температур с последующим расчетом искомой характеристики, отличающийся тем, что в нем осуществляют исследование четырехчасовых интервалов процессов нагрева и охлаждения на отклонение регулярных кривых экспоненциальной функции lnθ-f(τ) в полулогарифмических координатах от прямых lnθ - τ в этих же координатах,

где θ=t_в-t_н - разность температур внутри (t_в) и снаружи (t_н) транспортного средства;

τ - отсчет времени в часах,

затем выбирают два участка на линии нагрева и охлаждения, в наибольшей мере приближенных к прямой регулярного процесса, дифференциальные уравнения теплового баланса на этих участках линеаризуют и в интегральной форме используют для определения искомого коэффициента теплопередачи по формуле

где К - коэффициент теплопередачи;

f(lnθ) - отношение разности натуральных логарифмов значений температурных напоров Θ на границах выбранного участка нагрева к аналогичной разности для участка охлаждения;

Р_н, Р_o (Вт) - мощности источника тепла в процессе нагрева (Р_н) и охлаждения (Р_о);

Н - среднегеометрическая теплопередающая поверхность ограждения (м²);

- среднегеометрические температурные напоры в границах выбранных участков нагрева и охлаждения (°С).