Патент на изобретение №2269768

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ КУЗОВА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

(57) Реферат:

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 =А^В+С, где – период времени; – 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

=А^В+С,

где – период времени;

– 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 – перепад значений температур воздуха внутри и снаружи кузова;

– период времени;

d/d – 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 (d/d; ) 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 d/d 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 d/d=А^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 =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 вычисляется как разность одновременно замеренных температур воздуха внутри и снаружи кузова. Первый раз аппроксимируют уравнением вида =А^B+С полный ряд всех 12 значений от =0 до =11 ч и соответствующих значений , а второй раз усеченный ряд из 10 этих же замеров от =0 до =9 ч, при условии, что нулевому интервалу времени =0 усеченного ряда ставится в соответствие второе значение перепада температур из полного ряда и так последовательно до последнего значения усеченного ряда =9 ч, которому в этом случае будет соответствовать предпоследнее, десятое в полном ряду значение .

Параметрам полного ряда присваивают индекс “n”, а параметрам усеченного ряда – индекс “у” и выполняют обе аппроксимации (см. табл.1).

Таблица 1.
№замера	Время замера, n, (ч)	Перепад температур внутри и снаружи вагона, n, (°с)	lg(1 Cn)	lgn	lg(1– Cn)	Время замера, у, (ч)	Перепад температур внутри и снаружи вагона, у, (°с)	lg(1– Су)	lgу	lg(1-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	lgn	3	17,62	0,5848	1,2460	lgу
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 _rn=1_n12_n; _rу=1_у10_у, где _rn, _rу, _1n, _1у, _12n, _10у – соответственно значения среднегеометрических, первых и последних перепадов температур для полного и усеченного рядов перепадов температур.

_rn и _rу, соответствующие _rn и _rу определяются посредством интерполяции из выражений

где _in и _(in+1), _iу и _(iу+1) – следующие друг за другом пары значений перепадов температур, между которыми находятся соответственно величины _rn и _rу.

_in, _(in+1), _iу, _(iу+1) – значения интервалов времени, соответствующие величинам _in, _(in+1), _iу, _(iу+1) соответственно для полного и усеченного рядов.

Определяются значения коэффициентов С_n и С_у по формулам

Величины среднегеометрических перепадов температур _r, соответствующих им моментов времени _r и коэффициентов С, вычисленных по приведенным выше формулам, соответственно для полного и усеченного рядов измерений составили _rn=7,1368; _rу=14,5256; _rn=1,1111; _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.

Формула изобретения

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

=А^В+С,

где – период времени;

– 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.