Способ определения среднего коэффициента теплопередачи кузова транспортного средства

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.

 

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.
№замера	Время замера, τn, (ч)	Перепад температур внутри и снаружи вагона, θn, (°с)	lg(τ1 Cn)	lgθn	∑lg(τ1- Cn)	Время замера, τу, (ч)	Перепад температур внутри и снаружи вагона, θу, (°с)	lg(τ1- Су)	lgθу	∑lg(τ1-Су)
1	0	1,53	-0,8520	1,1847	1,3607	0	6,67	-0,0733	0,8241	1,9167
2	1	6,67	0,0571	0,8241	5,5664	1	10,87	0,2659	1,0362	4,4366
3	2	10,87	0,3305	1,0362		2	14,4	0,4540	1,1584
4	3	14,4	0,4970	1,1584	∑lgθn	3	17,62	0,5848	1,2460	∑lgθу
5	4	17,62	0,6171	1,2460	5,7628	4	20,58	0,6853	1,3134	5,5781
6	5	20,58	0,7110	1,3134	8,7205	5	23,22	0,7668	1,3659	7,1982
7	6	23,22	0,7882	1,3659		6	25.51	0,8353	1,4067
8	7	25,51	0,8537	1,4067	В=1,4219	7	27,96	0,8946	1,4465
9	8	27,96	0,9106	1,4465		8	30,14	0,9467	1,4791
10	9	30,14	0,9609	1,4791	А=0,0726	9	31,62	0,9932	1,5000
11	10	31,62	1,0061	1,5000		-	-	А=0,04447 В=1,5554
12	11	33,29	1,0469	1,5223	-	-	-	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.

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.