Температурные условия в кабине машиниста - Влияние температуры и скорости движения воздуха на теплообмен поверхности кабины

Г Л А В А 1У. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФАКТОРОВ НА ТЕПЛООБМЕН КАБИНЫ МАШИНИСТА
§ 4.1. Влияние температуры и скорости движения воздуха на теплообмен кабины машиниста
Как уже ранее отмечалось, что тепловозы эксплуатируются на сети дорог практически при температуре окружающей среды от + 40-45°С до - 50°С. В связи с этим большой практический интерес представляет изучение влияния параметров воздуха внутри кабины, внешней среды и скорости движения тепловоза на теплообмен в кабине машиниста.
В ряде работ 40,43, 44,64, 65, 66, 69 и др. имеется большое количество исследований по изучению теплоотдачи плоской пластины, расположенной вдоль потока жидкости, а также перпендикулярно к его направлению. В результате обобщений полученных данных, авторами названных работ были получены зависимости в критериях подобия. Однако, существующее многообразие геометрических форм теплообменных элементов, используемых в ряде отраслей техники, создает значительные затруднения при аналитических расчетах процесса теплообмена, связанных отчасти с необходимостью учета влияния формы теплообменных элементов на процесс теплоотдачи.
Известно, что для диапазона чисел теплоотдача для плиты при продольном расположении определяется выражением
(33) при поперечном расположении
(34)
для пластины
.(35)
Последнее выражение (35) лишь на 3% отличается от рекомендуемого Б.С. Петуховым, А.А. Детлафом и В.В.Кирилловым. Известно также, что теплообмен тела в турбулентном потоке тем больше, чем меньше его гидродинамическое сопротивление.
Следует отметить, что приведенные зависимости (33,34,35) справедливы для малых разностей температур, т.к. в этом случае не зависит от 17 и отмечается, что второй закон Ньютона строго справедлив лишь для малых разностей температур (не более 5°С).
Известно также [46] , что во многих современных теплотехнических установках теплофизические параметры жидкости (особенно капельные) заметно изменяют свою величину в заданном интервале температур
Примененный в наших исследованиях метод регулярного режима первого рода , основывается на зависимости В связи с этим, полученные в работе зависимости по теплопередаче в критериях подобия (см. ниже) содержат температурный фактордля принятого интервала температурной разности между стенкой и потоком воздуха (10-60°С).

Учитывая сложность проведения экспериментальных исследований теплоотдачи на натурных образцах в реальных условиях эксплуатации, нами было изучено влияние разности температур между внутренней и внешней средой, а также скорости движения тепловоза, на физической модели стенки кабины машиниста. Эта модель, как известно, была выполнена подобной некоторой поверхности кабины тепловоза 2ТЭ10Л(6%] Кроме того, объект исследований оставался неподвижным и обдувался потоком воздуха с различной скоростью. Следует также отметить, что в принятой модели отсутствовали окна, поэтому все исследования и их результаты относились к не- остекленной поверхности.
Заметим, что указанные выше допущения были приняты, исходя из реальных возможностей проведения исследований на аэродинамической трубе в лаборатории МИИТа.
По данным экспериментальных исследований были построены следующие зависимости:)                                      - зависимость охлаждения (нагревания) модели от времени;"
зависимость внешнего среднего коэффициента теплоотдачи от разности температур между стопкой и воздухом и скорости воздушного потока;- изменение
теплоотдачи поверхности модели от числа Ре и температурного фактора;- зависимость внутреннего коэффициента теплоотдачи от разности температур;
- зависимость теплоотдачи внутри модели;
" '                    - зависимость коэффициента теплопередачи от

массовой скорости воздуха.
Обработка опытных данных позволила установить, что охлаждение (нагревание) стенки модели (рис. 34) происходит по экспоненциальному закону. Время охлаждения стенки модели (теми охлаждения) зависит от линейной скорости движения воздуха. Так охлаждение стенки модели, нагретой, примерно, до 74% происходит в 2 раза быстрее при увеличении скорости потока воздуха в 4,3 раза, по сравнению с первоначальной, равной 11,4 м/сек.
Из литературы С-46] известно, что для вагонов в среднем равно 55 ккал/м²ч°С при 9= 60 км/ч (или ц = 17 м/сек.).

В нашем случае при тех же условиях соответственно составляет 38 ккал/м² ч°С.

Для достижения максимальной скорости движения воздуха, рабочий зазор между стенкой модели и верхней крышкой аэродинамической трубы был уменьшен до n= 25 нм. Это обстоятельство в значительной мере изменило аэродинамику обтекания модели стенки по сравнению с реальными условиями в которых движется локомотив,
В связи с вышеизложенным, для выявления влияния толщины воздушного потока на характер обтекания боковой стенки модели кабины, были проведены дополнительные исследования по изучению распределения давления по ее поверхности при Ц - 25 мм и при предельном воздушном зазоре (ограниченный высотой трубы, приблизительно равной 800 мм).
Результаты исследований в области автомодельного режима придля / = 25 мм (рис. 32) показали, что аэродинамика модели характеризуется давлениями в ее лобовой части и разрежением при обтекании боковой поверхности при скоростях соответственно 36,37;33,17;27,17 м/сек. Причем, касательная скорость потока воздуха резко увеличивается в зоне точки 5. Ввиду этого следует ожидать, что боковая поверхность модели (точки 5,6,7) обдувается менее интенсивно и, как следствие, оказывает меньшее влияние на теплообмен данной поверхности по сравнению с лобовой.
Характер аэродинамики (рис. 38) при увеличении рабочей щели до Ά = 800 мм. существенно изменяется. В этом случае в точке 3 зафиксировано разрежение равное Р = -10 мм в.ст.

Резкое увеличение касательной скорости воздушного потока начинается между второй и третьей точками. Точки 4,5 характериэуются большими разрежениями (до Р - - 71 мм в.ст.). Начиная с зоны увеличения скорости воздушного потока и далее для 24,2 м/сек., увеличивается поверхность теплообмена модели, в зоне которой наблюдается разрежение, уменьшающееся в т. 7 до 7 мм в.ст.
Отмеченные выше обстоятельства, а также принятая форма физической модели (геометрически подобной половине ширины кабины тепловоза) изменили характер аэродинамики. Этим и объясняются явно низкие давления воздуха в точке I. Испытания проводились относительно одного и того же давления в рабочей части аэродинамической трубы равном Р= 210 мм в.ст.
На первом этапе математической обработки экспериментальных данных по теплообмену (рис. 36) , нами была установлена зависимость изменения коэффициента теплоотдачи от
В интервале скоростей от 5 до 20 м/сек. ( х 10*5) получена следующая математическая зависимость

(36)
где А - коэффициент.
Значения коэффициента (А) для каждого конкретного случая представлены в табл.

Данная зависимость справедлива для скоростей воздуха от 25 до 50 м/сек. при испытании на модели, что соответствует числу. При этом значения, подсчитанные по полученной нами зависимости (ЗУ), отличаются от экспериментальных данных не более, чем на 12,25%.

Согласно теории локального теплового моделирования, установление гидравлического подобия в модели автоматически приводит к тепловому подобию. На основании сказанного отметим, что обобщенные зависимости (40) и (41) будут справедливы в заданном нами диапазоне скоростей (от 5 м/сек до 50 м/сек) при испытании или от 18 до 180 км/час.

  Так как форма головной части отечественных локомотивов (магистральных) примерно одинакова, то при проектировании кабин полученные зависимости дадут возможность рассчитывать теплоотдачу в указанном выше диапазоне скоростей движения.
Для подсчета коэффициента теплопередачи стенки кабины был определен внутренний коэффициент теплоотдачи ()
от воздуха внутри модели к ее стенке.
Обработка полученной зависимости в критериях подобия представлена на рис. 4.
Здесь в качестве определяющего размера принята высота модели.
Полученные значениядали возможность вы
числить коэффициент теплопередачи стенки модели без изоляции для различных величин массовой скорости воздуха. При этом термическое сопротивление стенки пренебрежимо мало и поэтому в расчете не учитывалось.
Подученные значения коэффициента теплопередачи для неизолированной стальной передней и боковой стенки кабины при различных условиях дают возможность произвести расчет коэффициента теплопередачи ограждения кабины тепловоза  2ТЭ10Л при существующей конструкции.
Ограждение (рис. 4з), как известно, состоит из стального каркаса (4), деревянной обрешетки (5), внутренней (I) и наружной (3) обшивок и теплошумоизоляции (2).
Коэффициент теплопередачи ограждения с учетом тепловых мостиков рассчитывался по методике, изложенной в литературе.
Результаты расчетов для К при L0 = 12 кг/м² сек. сведены в табл. 6.

)

  Таблица

* примечание
Коэффициенты теплопередачи для задней стенки, пола и окон взяты из справочных данных.
Изменение коэффициента теплопередачи в зависимости от массовой скорости движения воздуха и разности температур при существующей конструкции ограждения кабины приведены на рис.  46 , а на рис.  - при тех же условиях, но в качестве теплошумоизоляционного материала в ограждении применен пенополистирол.

Из сравнения зависимостей (рис.  46,47) видно, что применение высокоэффективного теплоизоляционного материала в ограждении кабины существенно (примерно в два раза) снижает средний коэффициент теплопередачи. Отсюда становится ясно, что утечки тепла (теплопритоки в жаркое время года) могут быть сокращены примерно во столько же раз.
Значения коэффициентов теплопередачи для отдельных поверхностей кабины представлены в табл.7.
Из таблицы видно, что применение пенополистирола в ограждении кабины позволяет снизить коэффициент теплопередачи в 3,5 раза для пола и в 1,76 раза для задней стенки.
таким образом, полученные зависимости изменения коэффициента теплопередачи убедительно показывают, что необходимо уже в настоящее время вести разработки по применению высокоэффективных материалов в ограждении кабин машиниста тепловозов. Укладка теплоизоляционных материалов сплошным слоем в ограждении кабины машиниста позволяет существенно упростить технологию сборки кабины машиниста и снизить влияние тепловых мостиков на утечки (притоки) тепла в окружающую среду.