某輕型裝甲巡邏車空調(diào)制冷量的計(jì)算

王占魁，姜帆

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

某輕型裝甲巡邏車空調(diào)制冷量的計(jì)算

王占魁，姜帆

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章基于穩(wěn)態(tài)傳熱法對(duì)某輕型裝甲巡邏車空調(diào)的制冷量進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算考慮了車輛的使用環(huán)境、鋼板厚度、隔熱材料、乘員人數(shù)等。為了簡(jiǎn)便計(jì)算作者利用matlab編寫了計(jì)算程序。

輕型裝甲巡邏車；制冷量；matlab

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.045

CLC NO.:U469.6 Document Code:B Article ID:1671-7988(2016)01-131-04

前言

本文采用穩(wěn)態(tài)傳熱法近似計(jì)算了圖1某輕型裝甲巡邏車的空調(diào)制冷量。根據(jù)該車使用環(huán)境以及搭載乘員人數(shù)，將室內(nèi)外溫度、太陽輻射強(qiáng)度、空氣的相對(duì)濕度、比焓值、車身鋼板厚度、隔熱材料熱導(dǎo)率、用電設(shè)備功率等，對(duì)空調(diào)制冷量有著影響的參數(shù)都系統(tǒng)的考慮到計(jì)算之中。使用穩(wěn)態(tài)傳熱法近似計(jì)算得到空調(diào)制冷量，與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合度高，但考慮因素較多計(jì)算過程冗雜，參與直接運(yùn)算參數(shù)多達(dá)39項(xiàng)，故作者又借助matlab編寫了空調(diào)計(jì)算程序，使得此類設(shè)計(jì)計(jì)算變得方便。

圖1 4×4裝甲巡邏車

1、車身傳熱方式

車身與外界環(huán)境的熱傳遞方式有三種：導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射。由于外界的條件千變?nèi)f化，汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也不斷變化，它們之間的熱傳遞處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。圖2所示某輕型裝甲巡邏車的熱平衡模型。為了簡(jiǎn)化計(jì)算我們假設(shè)汽車以中速（40km/h,11m/s），在正午時(shí)分向正南方向行駛，汽車運(yùn)行時(shí)整個(gè)傳熱過程是穩(wěn)定的、不發(fā)生變化的，即一種穩(wěn)態(tài)的傳熱方式。

圖2 車身與外界熱交換圖

2、初始條件的確定

該車乘員12名，使用地區(qū)在南方邊境地區(qū)，維度約22.49°，室外溫度35℃，當(dāng)?shù)卮髿鈮?9600Pa，相對(duì)濕度82%，由濕空氣焓濕圖3查詢可知空氣比焓值112kJ/kg，水蒸氣分壓4613Pa，室內(nèi)空氣預(yù)定設(shè)計(jì)為28℃，空氣相對(duì)濕度60%，由濕空氣焓濕圖3查詢可知空氣比焓值59kJ/kg，水蒸氣分壓2017Pa，當(dāng)?shù)厮矫婵傒椛鋸?qiáng)度978 W/m2，垂直面總輻射強(qiáng)度160W/m2，散射輻射強(qiáng)度35 W/m2。

圖3 濕空氣焓濕圖

3、空調(diào)制冷量的計(jì)算

空調(diào)制冷量的計(jì)算即車身熱負(fù)荷的計(jì)算過程，它包括車壁傳入的熱負(fù)荷計(jì)算、玻璃傳入的熱負(fù)荷計(jì)算、新風(fēng)傳入的熱負(fù)荷計(jì)算、乘員散發(fā)的熱量計(jì)算、發(fā)動(dòng)機(jī)室傳入的熱負(fù)荷計(jì)算、車身用電設(shè)備散發(fā)的熱量計(jì)算，以上六部分熱負(fù)荷之和再乘以一個(gè)修正系數(shù)，得到空調(diào)的總熱負(fù)荷即制冷量。

3.1 QB車壁傳入的熱負(fù)荷

車壁傳入的熱負(fù)荷是通過車側(cè)、車頂、車底傳入的熱負(fù)荷之和，它的計(jì)算包括了頂、側(cè)、底三個(gè)面的傳熱系數(shù)、室外綜合溫度計(jì)算，計(jì)算涉及太陽輻射強(qiáng)度、車身鋼板厚度、隔熱材料熱導(dǎo)率等。

3.1.1 車壁傳熱系數(shù)的計(jì)算

表1 參數(shù)輸入

3.1.2 室外車壁綜合溫度的計(jì)算

查閱資料散射輻射Is=35W/m2，垂直面總輻射強(qiáng)度I垂直=160W/m2，水平面總輻射強(qiáng)度I水平=978W/m2，tH室外環(huán)境溫度35℃。表3車壁室外綜合溫度的計(jì)算。

表3 車壁室外綜合溫度

計(jì)算得到頂、側(cè)、底各壁面的傳熱系數(shù)和室外車壁綜合溫度，再根據(jù)各壁的面積通過下面的計(jì)算式可求得由車頂、車側(cè)、車底三個(gè)面?zhèn)魅胲囀覂?nèi)的熱負(fù)荷，進(jìn)一步計(jì)算可得到車壁面?zhèn)魅氲臏囟取?/p>

表4 參數(shù)輸入

表5 計(jì)算結(jié)果

a）車窗玻璃傳入的熱量

表6 參數(shù)輸入

表7 計(jì)算結(jié)果

b）新風(fēng)傳入的熱負(fù)荷

駕駛室新風(fēng)傳入有兩個(gè)途徑：一是門窗縫；二是新風(fēng)系統(tǒng)。對(duì)于沒有換氣機(jī)構(gòu)的車身縫隙起到了部分自然換氣的作用。進(jìn)入的新風(fēng)空氣需要將其降溫處理，空調(diào)制冷量設(shè)計(jì)也必須考慮這部分因素帶來的影響。

3.2 室外新風(fēng)帶入熱量

新鮮空氣量按人體衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)需要確定為20～30m3/(h·人)。室外空氣進(jìn)入車內(nèi)會(huì)帶進(jìn)熱量可按下式計(jì)算。

QV1=0.28·n·V·Rho· (hH-hB)

Rho= 0.00348·B/T-0.00134·Pq/T T=273+tH

表8 參數(shù)輸入

表9 計(jì)算結(jié)果

3.3 漏入空氣帶入熱量

漏入空氣量是由門縫隙漏入車內(nèi)的。根據(jù)有關(guān)資料介紹，當(dāng)汽車車速40km/h,縫隙寬1.5mm時(shí)，漏風(fēng)量為10m3/(h·m)；當(dāng)縫隙寬3mm時(shí)，漏風(fēng)量為17m3/(h·m)。由漏風(fēng)帶入車內(nèi)的熱量按下式計(jì)算。

表10 參數(shù)輸入

表11 計(jì)算結(jié)果

通過以上計(jì)算可得新風(fēng)帶入室內(nèi)的熱為QV= QV1+QV2=3937 +4350=8287 W

a）乘員散發(fā)的熱量

乘員散熱量可按116W/人計(jì)算。

Qp=116·n=116·12=1392W

b）發(fā)動(dòng)機(jī)室傳入的熱負(fù)荷

發(fā)動(dòng)機(jī)室傳入駕駛室的熱量計(jì)算，主要考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)艙與駕駛室相鄰壁面的面積、傳熱系數(shù)、對(duì)流放熱系數(shù)、熱阻、綜合溫度等。

3.4 傳熱系數(shù)的計(jì)算

表12 參數(shù)輸入

表13 計(jì)算結(jié)果

3.5 綜合溫度的計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)壁面室外綜合溫度tze=tH+20=35+20=55℃

通過以上計(jì)算可以得到由發(fā)動(dòng)機(jī)室傳入駕駛室的熱量QE=Ke·Fe· (tze-tB)= 48.3 W,Fe

3.5.1 車身用電設(shè)備散發(fā)的熱量

電動(dòng)機(jī)、儀表燈等發(fā)熱元件的熱量都是構(gòu)成空調(diào)熱負(fù)荷的重要組成部分，所以這部分熱量也應(yīng)納入到設(shè)計(jì)計(jì)算中。這部分計(jì)算主要是將駕駛室內(nèi)的用電設(shè)備功率進(jìn)行相加，再乘以個(gè)效率η（80%～90%）。通過計(jì)算某輕型裝甲巡邏車駕駛室內(nèi)用電設(shè)備的散熱量為QM=400。

將以上QB、QG、QBi、QV、QP、QE、QM計(jì)算完畢后，我們可由空調(diào)熱負(fù)荷平衡計(jì)算式得出該車空調(diào)所需的制冷量。

Q=k(QB+QG+QBi+QV+QP+QE+QM)=1·(211.35+115.7+221.85+82 86+1392+54.33+400)=10681.33W

Q-空調(diào)總熱負(fù)荷；

K-修正系數(shù)1～1.2；

4、Matlab編程

將以上計(jì)算過程通過matlab編寫程序heatload.m。

function [Q]=heatload(x)

tH=x(1);%tH室外溫度，攝氏度

tB=x(2);%tB室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，乘用車24～26，貨車取26～28攝氏度

hH=x(3);%hH車輛使用地方大氣壓B條件室外空氣的比焓值 kJ/kg

hB=x(4);%hB車輛使用地方大氣壓B條件室內(nèi)空氣的比焓值 應(yīng)取室內(nèi)濕度kJ/kg

B=x(5);%B車輛使用地方大氣壓 Pa

pq=x(6);%pq室外水蒸氣分壓力 Pa

deltt1=x(7);%deltt1頂蓋鋼板厚度 m

deltt2=x(8);%deltt2頂蓋隔熱層厚度 m

delts1=x(9);%delts1車側(cè)鋼板厚度m

……

Fgf=x(19);%Fgf前風(fēng)窗玻璃面積 m2

Fgs=x(20);%Fgs車側(cè)玻璃面積，是車身單側(cè)玻璃之和m2

Fgb=x(21);%Fgb后風(fēng)窗玻璃面積 m2

Fgy=x(22);%Fgy陽面玻璃面積可選Fgf或Fgb或一半的Fgs m2

n=x(23);%n乘員人數(shù)

……

aH=8.36+41.8*sqrt(11.1);%室外車身表面對(duì)流放熱系數(shù)，其中11.1是車速40km/h時(shí)

%對(duì)應(yīng)的車速11.1m/s,取值約146W/(m2*K)。。。。。。（視情況可更改）

aB=60;%內(nèi)飾表面的上對(duì)流放熱系數(shù)，室內(nèi)空氣流速在0.25～0.5m/s時(shí)

%取值60W/(m2*K)。。。。。。（視情況可更改）

a2=1.1;%修正系數(shù)1.1～1.25忽略熱橋作用。。。。。。（視情況可更改）

......

QV=QV1+QV2;%新風(fēng)熱負(fù)荷

a1=1;%修正系數(shù)1～1.2。。。。。。（視情況可更改）

Q=a1*(QB+QG+QBi+QE+QM+QP+QV);%駕駛室熱負(fù)荷

在matlab命令窗口輸入已知參數(shù)：

x(1)=35;%室外溫度

x(2)=28;%室內(nèi)溫度

x(3)=112;%室外空氣比焓值

x(4)=59;%室內(nèi)空氣比焓值

x(5)=99600;%當(dāng)?shù)卮髿鈮?/p>

x(6)=4613;%室外水蒸氣分壓力

x(7)=0.003; %頂蓋鋼板厚度

x(8)=0.04; %頂蓋隔熱層厚度

x(9)=0.005; %車側(cè)鋼板厚度

x(10)=0.04; %車側(cè)隔熱層厚度

x(11)=0.006; %地板鋼板厚度

x(12)=0.04; %地板隔熱層厚度

……

x(23)=12;% 乘員人數(shù)

x(24)=15.6; %車門縫長(zhǎng)度長(zhǎng)度 m

再在命令窗口中調(diào)用heatload(x)函數(shù)，即可得到ans =1.0682e+004 如圖4結(jié)果。

圖4 結(jié)果

5、結(jié)語

本文基于穩(wěn)態(tài)傳熱法對(duì)某輕型裝甲巡邏車的空調(diào)制冷量進(jìn)行了計(jì)算，并將理論計(jì)算通過matlab軟件編寫了計(jì)算程序，提高了設(shè)計(jì)工作效率，為同類車型設(shè)計(jì)提供了參考。

[1] 王若平.汽車空調(diào)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2] 張小虞主編.汽車工程手冊(cè)［M］.北京:人民交通出版社,2001.

The Refrigeration Capacity Calculation of Air Conditioner on a Light Armored Patrol Vehicle

Wang Zhankui, Jiang Fan
( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200 )

The paper, based on steady-state heat transfer method, introduced the refrigeration capacity calculation of Air conditioner on a light armored patrol vehicle. The calculation took vehicle working environment, steel plate thickness, thermal insulation materials, and person capacity into account. It provided help for refrigeration capacity calculation by giving a program with matlab.

light armored patrol; vehicle refrigeration capacity; Matlab

U469.6

B

1671-7988(2016)01-131-04

王占魁，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院軍品研究所。姜帆，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院軍品研究所。