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雷诺轿车空调系统制冷热负荷计算书编写侯海次日期2004/10/29校核陈孟湘H期2004/10/31批准:♦设计参数:车外温度tH=4TC相对湿度|=60%车内温度Ib=27C相对湿度由二58%车内成员数N=5人,车内新风量V=N*Vi=5*ll=55m3/h太阳辐射强度tH=40C时,水平面上太阳辐射强度I=100Wm车速v=40km/h.附加说明o计算制冷量时所取的车厢内容积为:V=
2.5X
1.3x
1.09=
3.543m3o车内有二排座位,没有行李箱所取的计算空间如图所示.制冷热负荷计算由于车外温度高于车内,加上太阳辐射的作用,有大量热量会通过车身壁面、车窗等传入车内同时,乘员的汗热和湿热也会使车内温度升高可见,影响车内热负荷的因素很多综合各种因素,车身热平衡的方程式表达如下Qe=Qb+Qg+Qv+Op+Qm+Ql式中%——储备系数,取名=
1.1;Q——制冷机产生的冷量;Qe——车身总热负荷;Ql——车体传入热量;Qg——玻璃传入热量;Qv新风热;QP——人体热;Qm一一用电设备散热量;Ql——车内零件散热量现在分别计算各部分的热负荷
一、通过车身壁面传入的热量车身壁面包括顶板、侧壁面、地板、前围(发动机罩壁在车厢内部分)、后围等几部分组成即车身壁面热负荷表达式为Qr=顶板+Q侧壁面+Q地板+前困+后因■车身壁面多属均匀壁面,因此,它的传热可以按照多层均匀壁面传热计算其中,顶板、侧壁面、地板、后围的传热量计算公式如下Qi=Kj月式中Q——分别表示顶板、侧壁面、地板、后围的传热量;K——分别表示顶板、侧壁面、地板、后围的传热系数£——分别表示顶板、侧壁面、地板、后围的传热面积;tH——车外空气温度,这里取为tH=40C;〃——车内空气温度,这里取为tB=27℃;■对于前围,由于发动机室的温度远高于车外空气温度,所以这里的传热可以单独考虑计算时按照如下公式式中Q——前围的传热量;K一一前围壁面的传热系数;F——前围的传热面积;tF一一发动机室内空气的温度;tK——车内空气温度,这里取为tB=27C;
1、车身壁面传热系数K的计算传热系数K与车身内、外表面放热系数及隔热层热阻有关,由于车身各壁面的条件不同(比如壁面外表面温度、车身隔热措施等差别很大),所以车身各壁面的传热系数匕是不同的要分别计算各部分的传热系数K■对于车顶板、侧壁面、地板、后围,传热系数计算式如下;式中aH——外表面放热系数,与表面相对气流速度有关当车速为v=40km/h时,可取为6146kJ/(m2・h・℃)为——内表面放热系数,在汽车空调状态,可取%七60kJ/nf・h・℃3——隔热材料厚度m4——隔热材料导热系数W/m•Do■对于前围,传热系数可以按照下式计算Kj=-;x7~_L+y^+_LaF4aB式中aF表示发动机侧壁面对流放热系数,取a/.=100kJ/ni・h・C;%——车身内表面放热系数,在汽车空调状态,取%g60kJ/m-h•℃ob一一隔热材料厚度m2——隔热材料导热系数W/m・C⑴、顶板■计算中,对顶板的构成进行了简化,取其厚度为30mm并具有以下结构1mm钢板+24mm空气夹层+5mm内饰板各材料导热系数如下钢板——2=54W/m•C;空气——2=
6.4W/m・℃;内饰板——取经验数据,2=
0.03W/m・℃对于这部分结构,可以按照多层均匀平壁计算,代入各材料厚度及导热系数则有K=X—~~-=!=
14.08kJ/nf-h•℃_!_+£2+_1_L+o.M7+-LaHJ%aR14660■车身顶板处有些结构,金属面直接和内饰板相连,中间没有空气夹层,则该部分构成为1mm钢板+5mm内饰板各部分材料导热系数同上则传热系数为K==—-=r=
14.3kJ/m2•h•℃_L+*+_L4-00464--Lal{J4aB14660顶板的外表面积为F顶=
1.95*
1.00=
1.95肝计算中,取车身侧壁面的1/5为金属面和内饰板直接相连考虑,其余部分按照多层均匀平壁计算则车顶板的传热系数为K顶=江旦=
14.12kj/m2・h・℃F
2、车身侧壁面、后围■由于车身侧壁面和后围结构相近,计算时按照相同结构进行处理将其构成进行了简化,取其厚度为100廊并具有以下结构1mm钢板+94mm空气夹层+5mm内饰板各材料导热系数如下钢板——2=54W/m•℃;空气——A=
6.4W/m・℃;内饰板——取经验数据,2=
0.03W/m•℃o对于这部分结构,可以按照多层均匀平壁计算,代入各材料厚度及导热系数则有Kx=!-——-=1=
13.51kJ/m2•h•℃_L+y^+_LJ_+o.o5o+JLaHocB14660■车身侧壁和后围处有些结构,金属面直接和内饰板相连,中间没有空气夹层则该部分构成为1mm钢板+5mm内饰板各部分材料导热系数同上则传热系数为+y—+--^—+
0.046+-J4al1146车身侧壁面的外表面积为Fw=
2.18*
0.7*2=
3.052后围表面积为Ff=
0.47*
1.33=
0.6301,计算中,取车身侧壁以及后围面积的1/5为金属面和内饰板直接相连考虑,其余部分按照多层均匀平壁计算则车身侧壁面的传热系数为K恻=]3壁kJ/m2・h・CF⑶、地板计算中,对地板的构成进行了简化,取其厚度为6nlm并具有以下结构1mm钢板+10mm隔热材料+5mm地毯各材料导热系数如下钢板——A=54W/m•eC;隔热材料、地毯——取经验数据,%=
0.139W/m・C按照多层均匀平壁计算,代入各材料厚度及导热系数,则有地板的表面积为F地=
2.1*
1.25=
2.625m
204、前围发动机罩壁在车厢内部分按照以下结构组成:1廊钢板+10mm隔热材料其中,各组成部分导热系数如下:钢板——4=54W/m・r;隔热材料的导热系数取为经验数据——A=
0.139W/m•C按多层均匀平壁传热计算K1=-——\--1十I+z.-L+aF4ab式中aF——发动机侧壁面对流放热系数,取巧=100kJ/nf♦h・℃%——车身内表面放热系数,在汽车空调状态,取为g60kJ/nf-h℃o发动机罩壁表面积为Ff=
1.35*
0.4=
0.
542、日照表面综合温度的计算考虑到太阳辐射的作用,通过车身壁面传入的热量由两部分组成I由于车身内外空气的温差,通过车身外表面以对流换热方式从大气中得到的热量Q|=FKtn-Ib2车身外表面从太阳辐射中吸收的热量Q2=FKtc-tH贝廉入的总热量Q=Qi+Q2=FKtc-tB由于太阳辐射使车身外表面温度升高,将太阳辐射强度转化成相当的形式,与车外温度迭加在一起,组成太阳照射表面的综合温度,即1c式中P——车身外表面吸收系数,与表面颜色、粗糙度有关,取为P=
0.9;I——太阳总的辐射强度,I=Id+hId为太阳直射辐射强度,k为太阳散射辐射强度I水平=3600kJ/m2•hI产974kJ/m2•hI产253kJ/ma•ho对于车顶、车侧壁面包括后围,由于太阳射入的角度不同,太阳辐射强度是不同的具体如下tc顶=tH+p顶I顶/Qh+K顶℃其中,I产I水平tc侧=tH+pmIm/3h+K的C其中IIK1+I阴/2对于地板,没有受到太阳辐射的影响,但受到地面反射热以及发动机热的影响,使得地板外表面温度比大气温度高一些可取tc地=3+
2.5℃经计算得到tc地=
42.5℃tc顶=
60.2℃tc『
43.5C
3、车身壁面传热量的计算综上所述可知,顶板、侧壁面包括后围、地板的热负荷包括温差传热和太阳辐射两部分,则用日照表面综合温度代替车外空气温度,它们的传热量分别为Q顶=尸顶K顶L顶b=254WQ侧二FmKwtc«j-tB=231WQ«k=F地K地地”b=209W由于计算过程中有一定近似性,对于顶板、侧壁面、地板的传热可以进行修正,则有QBi=a3Q.1+Q2+Qm=902W式中a3修正系数,取3=13而对于前围,没有受到太阳辐射的作用,只考虑温差传热的影响,通过这部分传入的热量为Q产F前K前tn-tB=670kJ/h=186W式中%——发动机室的空气温度,取*=859则车身壁面传入的总热量为Qb=丁更板+侧壁:面+地板+前阳+后根=[龙+186=1088W
二、通过门窗玻璃传入的热量考虑到太阳辐射,通过门窗玻璃传入的热量由两部分组成Qg=Qgi+Qg21由于车内外温差而传入的热量Qgi Qg尸K玻F玻Oh-Ib2由于太阳辐射通过玻璃传入的热量Qg2yQ;2=SU+p^-USU=F%I+F般-F%IsaH式中rj一一太阳辐射通过玻璃的透入系数,〃=0-84p——玻璃对太阳辐射热吸收系数,0=
0.08S一—遮阳修正系数,取S=
0.97I——车窗外表面的太阳辐射强度,取为I=974kJ/ml•h0Is——车窗外表面的太阳散射辐射强度,取Is=l67kJ/nf•hoU一一车窗的太阳辐射量F%——阳面车窗面积F玻=
1.32*
0.9+
0.9*
0.5+
1.25*
0.47=
2.23maF歧——车窗总面积F坡=
1.24*
0.6+
0.9*
0.5+
1.25*
0.47+F%=
4.01m2K股——玻璃的传热系数,取K玻=23kJ/m2•h・℃aH——外表面放热系数,与表面相对气流速度有关当车速为v=40km/h时,可取a”=146kJ/m2・h•℃o为一一内表面放热系数,在汽车空调状态,可取为g60U/mz-h-C代入相关参数,得到:Qgi=H98kJ/hU=2469kJ/hQG2=2090kJ/hQg=3288kJ/h=913W
三、新风热新风热Qv的计算式Qv=V-hR式中p——空气密度,当a=4TC时,p=
1.128kg/m3oV——车内新风量V=N*Vi=5*ll=55n/h砥、h——车内外空气的焰值当Ih=40C相对湿度]尸60%时,%=115kJ/kgDA;当tB=27℃相对湿度=58%时,/zfl=60kJ/kgDAo得到Qv=3412kJ/h=948W
四、乘员人体散发的热量人体散发的热量与劳动强度、周围空气温度、性别、年龄、衣着等很多因素有关一般按每人每小时发热量418kJ计Qp=418NkJ/h式中N——乘员人数,按照5人计算则有Qp=2090kJ/h=581W
五、车内零件散热量方法一座椅蓄热量由于空调起动时,车内温度很高,则车内座椅等要储存一部分热量这部分热量也应该列入车身热负荷的范围这里取车内初始温度为60℃经过半个小时后降到27C计算座椅放热量Ql=cniAt/t=CpV座椅材料取为泡沫塑料式中:c——泡沫塑料的比热这里取为c=L72kJ/kg・C;p一—泡沫塑料的密度,这里取为p=41kg/m\V——座椅容积,V座椅二
0.247nA
1、鹿——座椅的初始和终了温度,,=60C〃=27Ct座椅放热经过时间,t=
0.5h则座椅放热量为0=
1.72x41x
0.247x60-27/
0.5=319W方法二车内零件散热量考虑车内零件的散热量,可以按照下列公式计算式中历——车内零件热传导率;F所——车内零件表面积;t历——车内零件表面温度,取为[历=32C;tK——车内空气温度,%=27C由于车内零件表面积不易求得,可用试验测得的aF阴值,日本丰田公司测得轿车%%=
376.2kJ/hC这里取此经验数据代入数据,则有
0.=
376.2*32-27=523W计算车身热负荷时,取上述两组数值中较大的一组列入热负荷范畴
六、用电设备散热量这里主要计算鼓风机及音响等用电设备散热量考虑到这些设备的效率,最终求得该部分热量为=44Wo
七、总结车身总热负荷Qe=Ql{+Q
6.+Qv+QP+Qm+Ql=497W空调系统制冷量Q=
4.5KW式中储备系数,取名=
1.1随着新车使用时期的加长,车身表面光亮程度减低、表面粗糙度增大,尘土污垢附着量增加,车身外表面对太阳辐射量的吸收系数增大,则车身吸热量也随之增加另外,新车长期使用后,空调系统中冷凝器外表面会积灰,使得它的换热能力下降考虑诸多因素的影响,在计算了车身总的热负荷的基础上,乘以储备系数%加以修正所以该空调轿车所需配备的空调机组制冷容量可取为
4.5KW。