ГЛАВА 2
АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КАБИН
2.1. Общая характеристика систем обеспечения теплового режима
Тепловой режим кабин включает в себя совокупность физических состояний, определяемых значениями параметров микроклимата (температуры, влажности, скорости движения воздуха) и их градиентов, величинами и направлением кондуктивных, конвективных и лучистых тепловых потоков. Речь идет о последовательности изменений во времени совокупности физических величин, в зависимости от внешних параметров и условий работы. Следовательно, возникает необходимость стабилизации комфортных условий среды, в которой находится оператор, на уровне допустимых пределов ее изменений [115].
К системам обеспечения теплового режима предъявляются требования, которые можно подразделить на общие и специальные.
К первым относятся:
- минимальное энергопотребление;
- надежность и безопасность в работе;
- минимальная масса;
- простота устройства и небольшая стоимость изготовления;
- ремонтопригодность.
Специальные требования включают функциональные, физико-технические и эксплуатационные.
К функциональным требованиям относятся, главным образом, теплотехнические (допустимые отклонения параметров микроклимата, потери теплоты и т.д.).
К физико-техническим требованиям - механическая прочность, допустимая проницаемость пыли и т.д.
К эксплуатационным требованиям - рациональное размещение оборудования и удобство обслуживания, обеспечение обзора и видимости, автоматизация работы.
Большинство факторов и процессов, определяющих тепловые условия в помещении кабины, имеют случайный характер. Как правило, при анализе режимов теплоснабжения и выполнения соответствующих теплотехнических расчетов принимается во внимание не весь диапазон их вероятных значений, а лишь одно из возможных, а именно - среднестатистическое. Иными словами, случайные величины заменяются детерминированными. Пренебрегать стохастической природой величин, определяющих условия теплового режима, допустимо при незначительном отклонении случайной величины от среднего значения. При более точном анализе основные факторы теплового режима следует делить на стохастические и детерминированные. К вероятностным факторам относятся:
- метеорологические параметры наружного воздуха;
- надежность и режим теплоснабжения;
- режим внутренних теплопоступлений.
К основным детерминированным факторам следует отнести:
- теплопередача нагревательного прибора, воздухообмен помещения;
- теплофизические характеристики материалов ограждающих конструкций;
- значения коэффициентов конвективного и лучистого теплообмена поверхностей помещений.
Приведенное разделение носит условный характер. Оно осуществлено по принципу степени вероятных отклонений случайной величины от среднего значения.
Задачей системы обеспечения микроклимата является формирование требуемых тепловых условий при возможно меньших энергетических затратах. Выполнение этого требования и определяет обобщенный критерий эффективности функционирования системы. Этот критерий должен учитывать не только возможные состояния основных и внутренних факторов, формирующих тепловлажный режим, но так же согласовываться со стохастической природой их проявления. Поэтому обобщенный критерий эффективности является вероятностным.
Очень существенна роль человека в формировании микроклимата, особенно в небольших помещениях. Эта роль может быть активной или пассивной. При неблагоприятных для человека изменениях режима в помещении его поведение обусловлено естественными реакциями адаптации. В этом случае ведущая роль принадлежит физиологическим факторам теплорегуляции. Теплорегулирующая функция организма достаточно эффективна по отношению к нагревающим условиям. Вместе с тем организм человека располагает недостаточной возможностью приспособления к условиям охлаждающего микроклимата.
Отклонение температуры в помещении от желаемого значения в ту или иную сторону вызывает реакцию человека, осуществляемую на эмпирическом уровне. Он воздействует на систему воздухообмена или отопительную систему. Благодаря этой активной деятельности система переходит в состояние, когда для человека создаются приемлемые условия пребывания.
Пассивная роль человека заключается в том, что он сам является источником тепловыделения внутрь помещения. В связи с этим систему обеспечения микроклимата следует рассматривать как биотехническую систему, которая структурно состоит из искусственных, т.е. инженерных объектов, и естественных, включающих человека.
Воздействие человека на микроклимат, в частности, степень влияния теплоотдачи человека на тепловой режим в помещении, растет с уменьшением размеров помещения. Влияние человека на микроклимат особо ощутимо в небольших замкнутых объемах, каковыми являются кабины сельскохозяйственных машин.
Сказанное указывает на значимость задачи определения теплоотдачи телом человека при создании необходимого микроклимата в кабинах.
В общем случае математическое описание теплового режима в помещениях кабин включает три группы уравнений:
- - уравнение теплового баланса отдельных ограждений кабины;
- - уравнение тепловыделений источников теплоты (нагревательных приборов, оператора и т.п.);
- - уравнение теплового баланса воздухообмена в кабине.
2.2. Теплообмен в помещении кабины
Тепловой баланс любой поверхности і помещения кабины определяется уравнением:
Лi+Ki+Ti = 0, (2.1.)
где Лi, Ki, Ti - соответственно лучистая, конвективная и кондуктивная составляющий теплообмена на поверхностях в помещении. Они могут изменяться во времени, иметь различные значения и знак.
Уравнение (2.1.) отражает закон сохранения энергии применительно к процессу теплообмена в помещении. При этом количество тепла, которое воспринимает произвольная поверхность в помещении в результате лучистого и конвективного теплообмена, равно количеству тепла, передаваемого поверхности теплопроводностью. Вследствие эт