轎車熱負荷計算示例

雷諾轎車空調系統(tǒng)制冷熱負荷計算書編寫：侯海焱 日期校核：陳孟湘 日期2004/10/292004/10/31批準：.設計參數(shù)：車外溫度：tH=40r，相對濕度：0=60%車內溫度:tB=27°c，相對濕度:0=58%車內成員數(shù)：N=5人，車內新風量:V=N*V1=5*11=55m3/h太陽輻射強度：tH=40c時，水平面上太陽輻射強度I=1000W/m?車速:v=40km/h.附加說明。計算制冷量時所取的車廂內容積為：V=2.5X1.3X1.09=3.543m3。車內有二排座位，沒有行李箱。所取的計算空間如圖所示：.制冷熱負荷計算由于車外溫度高于車內，加上太陽輻射的作用，有大量熱量會通過車身壁面、車窗等傳入車內。同時，乘員的汗熱和濕熱也會使車內溫度升高?？梢?，影響車內熱負荷的因素很多。綜合各種因素，車身熱平衡的方程式表達如下：+QlQe二QB+￡+QV+QP++Qla1Qe式中：a1Q-儲備系數(shù)，取a式中：a1Q1制冷機產生的冷量；Q——車身總熱負荷；eQ——車體傳入熱量；BQ——玻璃傳入熱量GQV新風熱；Q——人體熱；PQ——用電設備散熱量；MQ——車內零件散熱量。L現(xiàn)在分別計算各部分的熱負荷。一、通過車身壁面?zhèn)魅氲臒崃寇嚿肀诿姘敯?、側壁面、地板、前?發(fā)動機罩壁在車廂內部分)、后圍等幾部分組成。即車身壁面熱負荷表達式為：頂板Q—Q+Q +Q+Q?+Q頂板■車身壁面多屬均勻壁面，，因此，它的傳熱可以按照多層均勻壁面?zhèn)鳠嵊嬎恪Ｖ?，頂板、側壁面、地板、后圍的傳熱量計算公式如下：Q—KF(t-1)iiiHB式中：Q——分別表示頂板、側壁面、地板、后圍的傳熱量；iK——分別表示頂板、側壁面、地板、后圍的傳熱系數(shù)；iF——分別表示頂板、側壁面、地板、后圍的傳熱面積；it——車外空氣溫度，這里取為tH=40r；HHt——車內空氣溫度，這里取為tB=27r；BB■對于前圍，由于發(fā)動機室的溫度遠高于車外空氣溫度，所以這里的傳熱可以單獨考慮。計算時按照如下公式：Q—KF(t-t)i iiFB式中：Q――前圍的傳熱量；iK――前圍壁面的傳熱系數(shù)；iF――前圍的傳熱面積；it――發(fā)動機室內空氣的溫度；Ft——車內空氣溫度，這里取為tB=27r；BB1、車身壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K的計算傳熱系數(shù)K與車身內、外表面放熱系數(shù)及隔熱層熱阻有關，由于車身各壁面的條件不同(比如壁面外表面溫度、車身隔熱措施等差別很大)，所以車身各壁面的傳熱系數(shù)K是不同的。要分別計算各部分的傳熱系數(shù)K。ii■對于車頂板、側壁面、地板、后圍，傳熱系數(shù)計算式如下；K— TOC\o"1-5"\h\zi1 5 1+厶丄+ -a 九aH i B式中：a——外表面放熱系數(shù)，與表面相對氣流速度有關。當車速為v=40km/hH時，可取a~146kJ/(m2?h?€)。

a——內表面放熱系數(shù)，在汽車空調狀態(tài)，可取a~60kJ/(m??h?t)。BB5 隔熱材料厚度(m)。九——隔熱材料導熱系數(shù)W/(m?°c)o■對于前圍，傳熱系數(shù)可以按照下式計算：iB式中：a——表示發(fā)動機側壁面對流放熱系數(shù)，取a=100kJ/(m??h?c);FFa——車身內表面放熱系數(shù)，在汽車空調狀態(tài)，取a~60kJ/(m??h?c)。BB5 隔熱材料厚度(m)。九——隔熱材料導熱系數(shù)W/(m?C)。⑴、頂板■計算中，對頂板的構成進行了簡化，取其厚度為30血。并具有以下結構：1mm鋼板+24mm空氣夾層+5mm內飾板各材料導熱系數(shù)如下：鋼板——九=54W/(m?c);空氣——九=6.4W/(m?c);內飾板——取經(jīng)驗數(shù)據(jù)，九=0.03W/(m?c)。對于這部分結構，可以按照多層均勻平壁計算，代入各材料厚度及導熱系數(shù)則有：K=1y15 1乂ia九aK=1y15 1乂ia九aH iB■車身頂板處有些結構，丄+0.047+—146 60金屬面直接和內飾板相連，中間沒有空氣夾層，則該部分構成為：1mm鋼板+5mm內飾板各部分材料導熱系數(shù)同上。則傳熱系數(shù)為：K=—2 1V5 1 1a 九K=—2 1V5 1 1a 九aH i B頂板的外表面積為F頂=屬面和內飾板直接相連考慮，則車頂板的傳熱系數(shù)為：146 601.95*1.00=1.95m?。則車頂板的傳熱系數(shù)為：146 601.95*1.00=1.95m?。計算中，取車身側壁面的1/5為金其余部分按照多層均勻平壁計算。VKFK二 」=14.12kJ/(m?h?c)頂 F(2)、車身側壁面、后圍

■由于車身側壁面和后圍結構相近，計算時按照相同結構進行處理。將其構成進行了簡化，取其厚度為100血。并具有以下結構:1mm鋼板+94mm空氣夾層+5mm內飾板各材料導熱系數(shù)如下：鋼板——九=54W/(m?t);空氣——九=6.4W/(m?t);內飾板——取經(jīng)驗數(shù)據(jù)，九=0.03W/(m?t)。對于這部分結構，可以按照多層均勻平壁計算，代入各材料厚度及導熱系數(shù)15 15 1+厶-+a 九a二 二13.51kJ/(m??h?t)—+0.050+—146 60HiB■車身側壁和后圍處有些結構，金屬面直接和內飾板相連，中間沒有空氣夾層，則該部分構成為：1mm鋼板+5mm內飾板各部分材料導熱系數(shù)同上。則傳熱系數(shù)為：11K二 二 二14.3kJ/(m??h?t)2 1V8 1 1 1 ' 3+乙—+ +0.046+-a九a146 60HiB車身側壁面的外表面積為F側=(2.18*0.7)*2=3.052m?。后圍表面積為Ff=0.47*1.33=0.63m?。計算中，取車身側壁以及后圍面積的1/5為金屬面和內飾板直接相連考慮，其余部分按照多層均勻平壁計算。工KF則車身側壁面的傳熱系數(shù)為：K二 」=13.67kJ/(m??h?t)側 F(3)、地板計算中，對地板的構成進行了簡化，取其厚度為6m。并具有以下結構:1mm鋼板+10mm隔熱材料+5mm地毯各材料導熱系數(shù)如下：鋼板——九=54W/(m?t);隔熱材料、地毯——取經(jīng)驗數(shù)據(jù)，九=0.139W/(m?t)。按照多層均勻平壁計算，代入各材料厚度及導熱系數(shù)，則有：二18.5kJ/(m?h?t)146+0.030146+0.030+—60HiB地板的表面積為F=2.1*1.25=2.625mo地(4)、前圍發(fā)動機罩壁在車廂內部分按照以下結構組成：1mm鋼板+10mm隔熱材料

其中，各組成部分導熱系數(shù)如下：鋼板——九=54W/(m?°c);隔熱材料的導熱系數(shù)取為經(jīng)驗數(shù)據(jù)——九=0.139W/(m?c)。按多層均勻平壁傳熱計算：K二TOC\o"1-5"\h\z1 1X，o 1+厶i+ -aXa式中：aF式中：aFaB-發(fā)動機側壁面對流放熱系數(shù)，取a=100kJ/(m??h?c)。F車身內表面放熱系數(shù)，在汽車空調狀態(tài)，取a^60kJ/(m?h?c)。11B經(jīng)計算得到：K二 二 二21.4kJ/(m?h?c)1丄+E仝+丄丄+0.02+丄aXa100 60F i B發(fā)動機罩壁表面積為Ff=1.35*0.4=0.54m2。2、日照表面綜合溫度的計算考慮到太陽輻射的作用，通過車身壁面?zhèn)魅氲臒崃坑蓛刹糠纸M成。由于車身內外空氣的溫差，通過車身外表面以對流換熱方式從大氣中得到的熱量：Q1=FK(tH-tB)車身外表面從太陽輻射中吸收的熱量：Q2=FK(tC-tH)則傳入的總熱量：Q=Q1+Q2=FK(tC-tB)由于太陽輻射使車身外表面溫度升高，將太陽輻射強度轉化成相當?shù)男问?，與車外溫度迭加在起，組成太陽照射表面的綜合溫度，即車外溫度迭加在起，組成太陽照射表面的綜合溫度，即tC。+tH+tHa+KH式中：P——車身外表面吸收系數(shù)，與表面顏色、粗糙度有關，取為P=0.9；I——太陽總的輻射強度，I=Id+Is。Id為太陽直射輻射強度，Is為太陽散射輻射強度。I=3600kJ/(m?h)，I=974kJ/(m?h)，I=253kJ/(m?h)。水平 陽 陰對于車頂、車側壁面(包括后圍)，由于太陽射入的角度不同，太陽輻射強度是不同的。具體如下：tc=tH+pI/(aH+K)c其中，I=I頂H頂頂H頂 頂水平tC=tH+pI/(aH+K)c其中，I=(I+I)/2C側Hr側側'h側 側 陽陰/對于地板，沒有受到太陽輻射的影響，但受到地面反射熱以及發(fā)動機熱的影響，使得地板外表面溫度比大氣溫度高一些?？扇。簍c=tH+2.5c地H經(jīng)計算得到：tc=42.5ctc=60.2c tc=43.5c地 頂 側3、車身壁面?zhèn)鳠崃康挠嬎恪鼍C上所述可知，頂板、側壁面(包括后圍)、地板的熱負荷包括溫差傳熱和太陽輻射兩部分，則用日照表面綜合溫度代替車外空氣溫度，它們的傳熱量分別為：Q=FK(tc-tB)=254W頂頂頂c頂BQ=FK(tc-tB)=231W側側側c側BQ=FK(tc-tB)=209W地地地c地B由于計算過程中有一定近似性，對于頂板、側壁面、地板的傳熱可以進行修正，則有：Q=a3(Q+Q+Q)=902WB13頂側地式中：a 修正系數(shù)，取a=1.3。33而對于前圍，沒有受到太陽輻射的作用，只考慮溫差傳熱的影響，通過這部分傳入的熱量為：Q=FK(tF1-tB)=670kJ/h=186W前前前F1B式中：t——發(fā)動機室的空氣溫度，取t=85t。F1 F1則車身壁面?zhèn)魅氲目偀崃繛椋篞二Q+Q+Q+Q+Q二902+186二1088WB頂板側壁面地板前圍后圍二、通過門窗玻璃傳入的熱量考慮到太陽輻射，通過門窗玻璃傳入的熱量由兩部分組成：QG=QG1+QG2由于車內外溫差而傳入的熱量QG1：一 QG1=K玻F玻(tH-tB)由于太陽輻射通過玻璃傳入的熱量QG2：aQ=(nU+PfU)S U=F'玻I+(F玻-F'玻)ISG2 a 玻 玻玻SH式中：n——太陽輻射通過玻璃的透入系數(shù)，n=0.84。P――玻璃對太陽輻射熱吸收系數(shù)，P=0.08oS——遮陽修正系數(shù)，取S=0.97I——車窗外表面的太陽輻射強度，取為I=974kJ/(m??h)。Is 車窗外表面的太陽散射輻射強度，取IS=167kJ/(m??h)。U――車窗的太陽輻射量。F'——陽面車窗面積。F'=1.32*0.9+(0.9*0.5+1.25*0.47)=2.23玻玻F——車窗總面積。F=1.24*0.6+(0.9*0.5+1.25*0.47)+F'=4.01玻 玻 玻K——玻璃的傳熱系數(shù)，取K=23kJ/(m??h?°c)o玻玻a 外表面放熱系數(shù)，與表面相對氣流速度有關。當車速為v=40km/hH時，可取a~146kJ/(m2?h?c)。Ha——內表面放熱系數(shù)，在汽車空調狀態(tài)，可取a~60kJ/(m??h?c)。BB代入相關參數(shù)，得到：QG1=1198kJ/hU=2469kJ/hQG2=2090kJ/hQG=3288kJ/h=913W三、新風熱新風熱QV的計算式：Q廠V-p?叫-化)式中：p 空氣密度，當t=40r時，p=1.128kg/m3。HV——車內新風量：V=N*V]=5*11=55m3/h。h、h——車內外空氣的焓值。HB當tH=40r，相對濕度0=60%時，h=115kJ/kgDA；H當tB=27r，相對濕度$=58%時，h=60kJ/kgDA。BB得到：QV=3412kJ/h=948W。四、 乘員人體散發(fā)的熱量人體散發(fā)的熱量與勞動強度、周圍空氣溫度、性別、年齡、衣著等很多因素有關。一般按每人每小時發(fā)熱量418kJ計。QP=418NkJ/h式中：N――乘員人數(shù)，按照5人計算。則有：QP=2090kJ/h=581W。五、 車內零件散熱量方法一：座椅蓄熱量由于空調起動時，車內溫度很高，則車內座椅等要儲存一部分熱量。這部分熱量也應該列入車身熱負荷的范圍。這里取車內初始溫度為60r，經(jīng)過半個小時后降到27r計算。座椅放熱量：Q=cmAt/t=c-pV-(t-t)/tLB座椅材料取為泡沫塑料。式中：c——泡沫塑料的比熱，這里取為c=1.72kj/(kg?r)；P 泡沫塑料的密度，這里取為p=41kg/m3；V――座椅容積，V=0.247m3；座椅t、t 座椅的初始和終了溫度，t=60r，t=27r。BBt 座椅放熱經(jīng)過時間，t=0.5h。則座椅放熱量為：Q=1.72x41x0.247x(60-27)/0.5=319WL方法二