RU2782205C1 - Климатическая установка транспортного средства, в частности трактора - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к системам охлаждения и обогрева кабин транспортных средств, и может быть использовано преимущественно в системах кондиционирования воздуха кабин тракторов и других транспортно-технологических машин. Климатическая установка включает блок обработки воздуха (1), содержащий установленные в коробчатом корпусе (2) вентилятор (3), имеющий привод от электродвигателя (9), внутренний теплообменник (4), подключенный к жидкостной системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания, и теплообменник испарителя (5), находящийся в циркуляционном контуре совместно с компрессором (14). Коробчатый корпус (2) выполнен с двумя одинаковыми воздуховодами (6) с впускными окнами (7), расположенными симметрично относительно продольной оси его симметрии и установленной в каждом воздуховоде (6) на оси (8), перпендикулярной оси симметрии коробчатого корпуса (2), крыльчаткой вентилятора (3). Передняя торцевая стенка (10) коробчатого корпуса (2) выполнена плоской с выпускным окном (11) в виде щели с центром, расположенным в геометрическом центре передней торцевой стенки (10). Внутренний теплообменник (4) и теплообменник испарителя (5) установлены в коробчатом корпусе (2) последовательно и перпендикулярно продольной оси его симметрии, а циркуляционный контур климатической установки выполнен с компрессором (14) инверторного типа, управляемого контроллером (19). Достигается компактность климатической установки с упрощением управления, надежность в работе. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к транспортному машиностроению, а именно к системам охлаждения и обогрева салонов и кабин транспортных средств, и может быть использовано преимущественно в системах кондиционирования воздуха кабин тракторов и других транспортно-технологических машин.

Известно, что технический прогресс в любой отрасли народного хозяйства меняет роль человека в управлении машиной и выполнении технологических процессов. В настоящее время возрастает роль «человеческого фактора» в сельскохозяйственном производстве. Человек становится активной составной частью системы «человек-машина». В связи с этим при создании новых и модернизации старых транспортно-технологических машин особая роль уделяется обеспечению благоприятных условий труда операторов, управляющих этими машинами.

В современной мировой экономической ситуации остро стоит вопрос о повышении производительности труда операторов транспортно-технологических машин. Важным направлением в повышении производительности труда оператора является улучшение условий труда, которые зависят от климатических показателей внутри кабины транспортно-технологической машины. Одним из самых весомых факторов, влияющим на климатические показатели, является температурный режим. Анализируя нормативные документы на условия труда и требования к кабинам транспортно-технологических машин, выявлено, что оптимальным температурным режимом для комфортных условий труда является температурный режим от +18°С до +23°С. При работе оператора в температурном диапазоне выше +23°С происходит перегрев организма, вследствие чего снижается его работоспособность, снижается производительность и безопасность его труда. При работе ниже +18°С происходит переохлаждение организма, вследствие чего также снижается работоспособность оператора, производительность и безопасность его труда. Неблагоприятные условия труда на рабочем месте транспортно-технологической машины являются главной причиной снижения производительности труда, быстрой утомляемости, профессиональных заболеваний и текучести кадров операторов.

Создание благоприятного микроклимата в кабине транспортно-технологической машины, в частности трактора, является одной из важнейших задач обеспечения оптимальных условий работы операторов, что достигается путем разработки и использования систем кондиционирования воздуха в них.

Существует множество конструкций климатических установок для создания благоприятного микроклимата в кабине транспортного средства.

Известна установка кондиционирования воздуха в кабине трактора (https://studfile.net/. Нормализация микроклимата в кабине трактора и защита в ней воздушной среды от вредных примесей. С. 346-347).

Конструкция установки выполнена на базе хладоновой холодильной машины, которая регулирует температуру поступающего в кабину очищенного воздуха. Система заполняется жидким фреоном под давлением. Воздух перед входом в кабину проходит через фильтр и теплообменник испарителя. Температура охлажденного воздуха регулируется термостатом, который включает и выключает электромагнитную муфту привода компрессора. Вал компрессора приводится во вращение от вала двигателя через клиноременную передачу. Компрессор забирает пары фреона низкого давления из теплообменника испарителя и нагнетает в теплообменник конденсатора. В конденсаторе пары фреона превращаются в жидкий фреон, который через ресивер поступает в теплообменник испарителя. В испарителе жидкий фреон, расширяясь, превращается в парообразный и охлаждается. Воздух, проходя через теплообменник испарителя, охлаждается и поступает в кабину трактора.

Недостатком известной установки кондиционирования воздуха в кабине трактора является громоздкая конструкция и невозможность создания микроклимата в кабине трактора, отвечающего ГОСТ Р ИСО 16121-4-2011.

В современных конструкциях автомобилей широкое распространение получили компактные установки кондиционирования воздуха с центральным совмещенным блоком отопления и охлаждения, блоком воздухозаборника с вентилятором и заслонкой рециркуляции; при этом блок воздухозаборника с вентилятором находится сбоку от блока отопления и охлаждения (https://studfile.net/. С. 343).

Известны климатические установки, размещаемые в автомобилях под подоконным брусом и состоящие из вентилятора, испарителя и теплообменника, помещенных в коробчатый корпус, в котором на верхней, нижней и торцевой стенках выполнены выпускные отверстия с консольно расположенными поворотными заслонками, служащими для распределения воздушных потоков (патент США №5162020, НКИ 454/156, МПК В60Н 1/00, международная заявка WO №00/61395, МПК В60Н 1/00; патент РФ на ПМ №13887, МПК В60Н 1/00, 1999).

Однако при таком размещении заслонок увеличивается длина климатической установки. Кроме того, заслонки вследствие консольного их расположения после открытия создают собой помеху течению обработанного воздуха, увеличивая аэродинамическое сопротивление выходящему потоку воздуха. Это требует увеличения мощности вентилятора, что приводит к увеличению затрат энергии.

Известна климатическая установка, содержащая бесформенный металлический корпус с множеством перегородок, разделяющих воздуховоды, в которых соосно со своими опорами расположены разнообразные поворотные заслонки, имеющие рычажный привод от плавающего диска, подвешенного на кривошипах (заявка Германии №3813116, МПК В60Н 1/00; патент США №5052282, НКИ 454/145).

Известна климатическая установка (патент РФ №2234427, МПК В60Н 1/00, 2001, прототип), содержащая вентилятор, имеющий привод от электродвигателя, испаритель, предназначенный для охлаждения воздуха, находящийся в циркуляционном контуре совместно с компрессором, и воздушно-жидкостный теплообменник для нагрева воздуха, подключенный к жидкостной системе охлаждения двигателя автомобиля, размещенные в коробчатом корпусе, в котором на торцевой стенке на разной высоте расположены выпускные отверстия, перед которыми установлены поворотные заслонки.

Общим недостатком известных климатических установок, в том числе прототипа, является сложная и громоздкая конструкция из-за наличия большого количества поворотных заслонок и системы управления ими. Поворотная заслонка в таких установках используется в качестве регулятора конечной температуры воздуха в кабине транспортного средства. Регулировка положением поворотных заслонок позволяет направлять поток воздуха через испаритель или теплообменник как в полном объеме, так и частично разделяя поток, в зависимости от требуемой температуры в кабине транспортного средства. Управление углом установки поворотной заслонки осуществляется с помощью сервопривода, который, в свою очередь, управляется блоком управления климатической установкой. Из-за наличия в их конструкции подвижных деталей, таких как поворотные заслонки и сервоприводы, которые более всего подвержены выходу из строя, известные климатические установки отличаются невысокой надежностью. Данное обстоятельство особенно важно для транспортно-технологической машины, в частности трактора, в виду специфики условий его работы. При этом использование в конструкции климатических установок компрессора линейного типа с постоянным отбором мощности со шкива коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на компрессор, который работает по принципу включено/выключено, регулировка температурного режима в кабине транспортного средства возможна только с помощью поворотных заслонок. Производительность компрессора в данном случае остается постоянной максимальной, а отключение компрессора осуществляется путем прерывания вращательного движения приводного вала компрессора через электромагнитную муфту. Температура в кабине транспортного средства поднимается постепенно, а при достижении разницы в три градуса между заданной температурой и фактической компрессор снова начинает работать. Такая циклическая работа компрессора является причиной потребления им до 30% больше электроэнергии по сравнению с компрессором инверторного типа.

Вышеописанные недостатки приводят к частому выходу из строя климатической установки, что непременно приводит к снижению производительности труда оператора транспортно-технологической машины, в частности трактора.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в создании компактной климатической установки с простым и удобным управлением, надежной в работе, обеспечивающей оптимальный температурный режим в кабине транспортного средства, в частности, в кабине трактора, отвечающий ГОСТ Р ИСО 16121-4-2011.

Технический результат от решения поставленной задачи заключается в создании компактной климатической установки с простым и удобным управлением, надежной в работе, обеспечивающей оптимальный температурный режим в кабине транспортного средства, в частности, в кабине трактора, отвечающий ГОСТ Р ИСО 16121-4-2011, а именно температурный режим от +18°С до +23°С как в холодное, так и в жаркое время года, при этом максимально оптимальный режим работы климатической установки соответствует температурному режиму +23°С.

Следствием чего является повышение работоспособности, производительности и безопасности труда оператора трактора.

Поставленная в изобретении задача решена тем, что климатическая установка транспортного средства, в частности трактора, включает блок обработки воздуха, который содержит установленные в коробчатом корпусе вентилятор, имеющий привод от электродвигателя, внутренний теплообменник, подключенный к жидкостной системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания, и теплообменник испарителя, находящийся в циркуляционном контуре совместно с компрессором. Задняя торцевая стенка коробчатого корпуса выполнена с возможностью нагнетания воздуха из кабины транспортного средства в коробчатый корпус, а передняя торцевая стенка - с возможностью выпуска воздуха из коробчатого корпуса. Задняя торцевая стенка коробчатого корпуса выполнена с двумя одинаковыми воздуховодами с впускными окнами, расположенными симметрично относительно продольной оси симметрии коробчатого корпуса и установленной в каждом воздуховоде на оси, перпендикулярной продольной оси симметрии коробчатого корпуса, крыльчаткой вентилятора. Передняя торцевая стенка коробчатого корпуса выполнена плоской с выпускным окном в виде щели с центром, расположенным в геометрическом центре передней торцевой стенки. При этом длинная сторона L выпускного окна перпендикулярна продольной оси симметрии коробчатого корпуса, а меньшая его сторона выполнена по дуге окружности с диаметром, равным высоте h щели. Площадь выпускного окна S, его длинная сторона L и высота щели h связаны соотношением:

где

h - высота щели, мм,

L - длинная сторона выпускного окна, мм.

Кроме того, площадь выпускного окна относится к площади передней плоской торцевой стенки как 1:7,5, а к общей площади впускных окон - как 1:2. Внутренний теплообменник и теплообменник испарителя установлены в коробчатом корпусе последовательно и перпендикулярно продольной оси его симметрии, а циркуляционный контур климатической установки выполнен с компрессором инверторного типа, управляемого контроллером.

В предпочтительном исполнении площадь выпускного окна климатической установки составляет 5157 мм². Трубопроводы циркуляционного контура климатической установки заполнены фреоном R134a.

Климатическая установка с компрессором инверторного типа позволяет создать оптимальный температурный режим в кабине транспортного средства, в частности кабине трактора, без использования в конструкции блока обработки воздуха подвижных деталей, таких как поворотные заслонки и сервоприводы, которые более всего подвержены выходу из строя. Кроме того, преимуществом климатической установки с компрессором инверторного типа является работа данной установки и при неработающем двигателе внутреннего сгорания, что невозможно при использовании компрессора линейного типа с приводом от коленчатого вала ДВС.

В ходе разработки новой конструкции климатической установки подтверждена теоретическая гипотеза, заключающаяся в том, что на параметры микроклимата в кабине трактора влияют конструктивные и технологические параметры климатической установки, в связи с чем разработана конструкция блока обработки воздуха: передняя торцевая стенка коробчатого корпуса выполнена плоской с выпускным окном в виде щели с центром, расположенным в геометрическом центре передней торцевой стенки. При этом длинная сторона выпускного окна перпендикулярна продольной оси симметрии коробчатого корпуса, а меньшая его сторона выполнена по дуге окружности с диаметром, равным высоте h щели. Площадь выпускного окна S, его длинная сторона L и высота щели h связаны соотношением: S=h (L+0,8 h), причем площадь выпускного окна S относится к площади передней плоской торцевой стенки как 1:7,5 и составляет в предпочтительном варианте исполнения 5157 мм; задняя стенка коробчатого корпуса выполнена с двумя одинаковыми воздуховодами с впускными окнами, в каждом из которых установлена крыльчатка вентилятора, при этом отношение общей площади впускных окон к площади выпускного окна составляет 2:1. Внутренний теплообменник и теплообменник испарителя расположены в коробчатом корпусе блока обработки воздуха последовательно и перпендикулярно продольной оси его симметрии. Циркуляционный контур климатической установки выполнен с компрессором инверторного типа, управляемого контроллером, а трубопроводы в циркуляционном контуре заполнены фреоном R134a.

Благодаря заявленной конструкции блока обработки воздуха и использованию компрессора инверторного типа в циркуляционном контуре климатической установки созданная климатическая установка компактна, блок обработки воздуха удобно размещается в кабине трактора под приборной панелью и надежно обеспечивает температурный режим воздуха в кабине трактора согласно ГОСТ Р ИСО 16121-4-2011 в любую погоду и время года.

Полезная модель иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 изображена принципиальная схема климатической установки; на фиг.2 изображен блок обработки воздуха, вид спереди; на фиг.3 - то же, разрез по А-А на фиг.2; на фиг.4 то же, разрез по Б-Б на фиг.3; на фиг.5 представлен трехмерный график зависимости температуры в кабине трактора от скорости воздуха на выходе из блока обработки воздуха, площади выпускного окна заявленной конструкции и температуры теплообменника испарителя, на котором оси обозначены через сокращенные буквенные обозначения: S_в.о., мм² - площадь выпускного окна; t_вн., °С - температура теплообменника испарителя; V_вых, м/с - скорость воздуха на выходе из блока обработки воздуха.

Климатическая установка включает блок обработки воздуха 1, установленный в кабине трактора под приборной панелью, который содержит установленные в коробчатом корпусе 2 вентилятор 3, внутренний теплообменник 4 и теплообменник испарителя 5.

Задняя торцевая стенка коробчатого корпуса 2 выполнена с двумя одинаковыми воздуховодами 6 с впускными окнами 7, расположенными симметрично относительно продольной оси его симметрии. В каждом воздуховоде 6 на оси 8, перпендикулярной оси симметрии коробчатого корпуса 2, установлена крыльчатка вентилятора 3. Электродвигатель 9, приводящий в действие крыльчатку вентилятора 3, закреплен на коробчатом корпусе 2 между воздуховодами 6 по оси его симметрии (не показано). Посредством крыльчатки вентилятора 3 воздух из кабины трактора через впускные окна 7 равномерно нагнетается в коробчатый корпус 2.

Передняя торцевая стенка 10 коробчатого корпуса 2 выполнена плоской и снабжена выпускным окном 11. Выпускное окно 11 выполнено в виде щели с центром, расположенным в геометрическом центре передней торцевой стенки 10. При этом длинная сторона L выпускного окна 11 перпендикулярна продольной оси симметрии коробчатого корпуса 2, а меньшая его сторона выполнена по дуге окружности с диаметром, равным высоте h щели. Площадь выпускного окна S, его длинная сторона L и высота щели h связаны соотношением:

где

L - длинная сторона выпускного окна, мм;

h - высота щели, мм.

При этом площадь выпускного окна S относится к площади передней плоской торцевой стенки как 1:7,5 и составляет в предпочтительном варианте исполнения 5157 мм². А соотношение общей площади впускных окон 7 к площади выпускного окна 11 составляет 2:1.

Внутренний теплообменник 4 и теплообменник испарителя 5 установлены в коробчатом корпусе 2 последовательно и перпендикулярно продольной оси его симметрии.

Внутренний теплообменник 4 посредством шлангов 12 подключен к жидкостной системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) 13 и служит для нагрева воздуха в кабине трактора.

Теплообменник испарителя 5 предназначен для охлаждения воздуха в кабине трактора. Компрессор 14, конденсатор 15, осушитель 16, терморегулирующий клапан 17 и теплообменник испарителя 5 соединены медными трубами 18 и образуют циркуляционный контур, внутри которого циркулирует смесь фреона R134a (далее фреон) и небольшого количества компрессорного масла. В заявленной конструкции климатической установки используют компрессор 14 инверторного типа с электрическим приводом.

Общее управление работой климатической установки с компрессором 14 инверторного типа осуществляется контроллером 19, который электрическими проводами 20 соединен с компрессором 14, конденсатором 15, осушителем 16, электродвигателем 9, приводящим в действие вентилятор 3. Задание температуры воздуха в кабине трактора, а также скорости вращения вентилятора 3, прогоняющего воздух из кабины трактора через внутренний теплообменник 4 и теплообменник испарителя 5, производится в ручном режиме. Система автоматического регулирования на базе электрических приборов - регулятора температуры воздуха 21 и регулятора скорости вентилятора 22, контролирует и поддерживает температуру воздуха в кабине трактора и скорость нагнетания воздушного потока из кабины трактора в блок обработки воздуха 1. Скорость вращения рабочего механизма в камере сжатия компрессора 14 задает контроллер 19 (не показано). При достижении заданной температуры в кабине трактора производительность компрессора 14 остается на уровне, необходимом для поддержания установленной в кабине трактора температуры. При изменении температуры в кабине трактора автоматически изменяется производительность климатической установки путем изменения производительности компрессора 14.

При данном исполнении климатической установки регулировка температуры воздуха в кабине трактора происходит за счет изменения производительности компрессора 14, при этом нет необходимости в поворотных заслонках и сервоприводах в конструкции блока обработки воздуха 1.

Контроль температуры теплообменника испарителя 5 осуществляется с помощью цифрового устройства 23.

Заявленная климатическая установка работает следующим образом.

Алгоритм работы климатической установки одинаков в любую погоду и время года.

Оператор в ручном режиме регулятором температуры воздуха 21 устанавливает значение оптимальной температуры воздуха в кабине трактора и одновременно посредством регулятора скорости вращения вентилятора 22 задает скорость вращения крыльчатки вентилятора 3. Терморегулирующий элемент регулятора температуры воздуха 21 замыкает контакты в системе автоматического регулирования температуры воздуха в кабине трактора (не показано). Сигнал о замыкании контактов поступает на контроллер 19, который запускает компрессор 14 с максимальной производительностью с целью быстрого установления в кабине трактора заданной оператором температуры. Одновременно из внутреннего пространства кабины трактора через впускные окна 7 воздуховодов 6 при помощи вращающихся крыльчаток вентилятора 3 равномерно всасывается воздух, который, проходя через внутренний теплообменник 4, нагревается путем забора количества теплоты от охлаждающей жидкости, циркулирующей в жидкостной системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания 13 и поступающей во внутренний теплообменник 4 через шланг 12. На данном этапе воздух достаточно нагрет, поскольку регулировка температуры охлаждающей жидкости ДВС отсутствует. Для охлаждения нагретый воздух проходит через теплообменник испарителя 5, где охлаждается до заданной температуры и через выпускное окно 11 поступает в кабину трактора.

В компрессор 14 из теплообменника испарителя 5 поступает газообразный фреон под низким давлением в 3-5 атмосфер и температурой 10-20°С. В компрессоре фреон сжимается до давления 15-25 атмосфер, в результате чего фреон нагревается до 70-90°С и поступает в теплообменник конденсатора 15, который обдувается воздухом, имеющим температуру ниже температуры фреона, в результате фреон остывает и переходит из газообразной фазы в жидкую с выделением дополнительного тепла. При этом воздух, проходящий через конденсатор 15, нагревается. На выходе из конденсатора 15 фреон находится в жидком состоянии под высоким давлением, температура фреона на 10-20°С выше температуры воздуха в кабине трактора. Из конденсатора 15 теплый фреон через осушитель 16 поступает в терморегулирующий клапан 17, в результате прохождения через который давление фреона понижается до 3-5 атмосфер и фреон остывает. Далее смесь жидкого и газообразного фреона с низким давлением и низкой температурой поступает в теплообменник испарителя 5, который обдувается поступающим через входные окна 7 воздухом из кабины трактора. В теплообменнике испарителя 5 фреон полностью переходит в газообразное состояние, забирая тепло воздуха, поступившего в коробчатый корпус 2 блока обработки воздуха 1, охлаждая его. Далее газообразный фреон с низким давлением поступает на вход компрессора 14 и весь цикл работы циркуляционного контура повторяется.

При достижении заданной температуры воздуха в кабине трактора, соответствующей установленной регулятором температуры воздуха 21, терморегулирующий элемент в системе автоматического регулирования температуры воздуха в кабине трактора размыкает контакты (не показано), о чем сигнал поступает на контроллер 19, который плавно снижает производительность компрессора 14 до 40±2% от максимальной. При повышении температуры терморегулирующий элемент регулятора температуры воздуха 21 размыкает контакты в системе автоматического регулирования температуры воздуха в кабине трактора (не показано), о чем сигнал снова поступает на контроллер 19, который плавно повышает производительность компрессора 14 до 78±2% от максимальной. Величина значений производительности компрессора задана характеристиками конкретного компрессора: производительность используемого в заявленной климатической установке компрессора изменяется в диапазоне значений: 40±2% и 78±2% от максимальной. При достижении заданной температуры воздуха в кабине трактора, установленной регулятором температуры воздуха 21, терморегулирующий элемент снова размыкает контакты в системе автоматического регулирования температуры воздуха в кабине трактора, о чем сигнал поступает на контроллер 19, который плавно снижает производительность электрического компрессора 14 до 40±2% от максимальной. Такой алгоритм работы повторяется в течение всей работы климатической установки.

Созданная климатическая установка компактна. Блок обработки воздуха 1 удобно размещается в кабине трактора под приборной панелью. Благодаря использованию компрессора инверторного типа управление работой климатической установки простое и удобное, исключающее необходимость наличия в конструкции блока обработки воздуха подвижных деталей, таких как поворотные заслонки и сервоприводы, которые более всего подвержены выходу из строя, обеспечивающее надежную работу заявленной климатической установки. Оптимальный температурный режим согласно ГОСТ Р ИСО 16121-4-2011, а именно температурный режим от +18°С до +23°С как в холодное, так и в жаркое время года, при этом максимально оптимальный режим, соответствующий температурному режиму +23°С, заявленной климатической установкой действительно достигают, что доказано проведенными исследованиями, в ходе которых теоретически установлены и экспериментально подтверждены конструктивные и технологические параметры работы климатической установки, соответствующие оптимальному температурному режиму в кабине трактора согласно ГОСТ Р ИСО 16121-4-2011: температура теплообменника испарителя 5 как в холодное, так и теплое время года +20,043°С; скорость выпуска воздуха из блока обработки воздуха 1 через выпускное окно 11 с заявленными конструктивными параметрами составляет 6,2 м/с, что соответствует скорости нагнетания воздуха в коробчатый корпус 2 блока обработки воздуха 1 вентилятором 3 со скоростью 3000 об/мин.

Теоретическая гипотеза подтверждена испытаниями климатической установки в полевых условиях. Расхождение значений параметров в лабораторных и полевых испытаниях составило 3%.

Для проведения экспериментальных исследований авторами разработана лабораторная установка, изготовленная на базе кабины трактора ХТЗ Т-150К и оснащенная заявленной климатической установкой. Кабина трактора разделена на три температурные зоны: зона головы, зона туловища и рук, зона ног. Измерение температуры в кабине трактора осуществляли в разных ее зонах при разных параметрах работы климатической установки с помощью датчиков. Сигналы с датчиков сводились на контроллер Arduino Nano где обрабатывались [Петров С.А., Панов Ю.А., Копаев Е.В. Исследование температурных параметров внутреннего теплообменника климатической установки транспортно-технологической машины с применением цифровых устройств [Текст] /С.А. Петров, Ю.А. Панов, Е.В. Копаев //Наука и молодежь: новые идеи и решения в АПК. Сборник материалов Всероссийских научно-практических конференций. 30 апреля 2021 г. - г. Иваново: Ивановская ГСХА, 2021 - 333-337 с].

Для замера скорости воздуха на выходе из блока обработки воздуха климатической установки использован электронный анемометр Mastech MS 6250 [DHT22 Датчик температуры и влажности [Электронный ресурс]// iArduino [сайт]. [2021]. URL: https://iarduino.ru/shop/Sensory-Datchiki/dht22-datchik-temperatury-i-vlazhnosti.html].

Температура теплообменника испарителя 5 фиксировалась с помощью цифрового устройства 23, состоящего из датчика температуры DS18B20, микроконтроллера Arduino Uno, LCD дисплея и блока аккумуляторов [Цифровой анемометр Mastech MS6250 [Электронный ресурсу/Измерительные приборы Mastech [сайт]. [2021]. URL: http://www.mastech.ru/catalog/special/ms6250.html].

Параметры варьирования скорости воздуха на выходе из блока обработки воздуха 1 обусловлены его конструкцией и приняты равными 5,2 м/с, 6,2 м/с и 7,2 м/с.

Параметры варьирования температуры теплообменника испарителя 5 - от +18°С до +24°С; данный диапазон обусловлен нормативными документами и является оптимальным для оператора.

Варьирование площади выпускного окна И блока обработки воздуха 1 задано, исходя из размера выпускных отверстий существующих конструкций блока обработки воздуха, с градацией 2000 мм², 5000 мм², 8000 мм².

Экспериментальные исследования проведены в 3 этапа:

1. Измерение показателей температуры воздуха в кабине трактора при площади выпускного окна 2000 мм², температуре теплообменника испарителя: +18°С, +21°С и +24°С, и скорости воздуха на выходе из блока обработки воздуха 5,2 м/с.

Измерение показателей температуры воздуха в кабине трактора при площади выпускного окна 2000 мм², температуре теплообменника испарителя +18°С, +21°С и +24°С, и скорости воздуха на выходе из блока обработки воздуха 6,2 м/с.

Измерение показателей температуры воздуха в кабине трактора при площади выпускного окна 2000 мм², температуре теплообменника испарителя +18°С, +21°С и +24°С, и скорости воздуха на выходе из блока обработки воздуха 7,2 м/с.

2. На втором этапе измерения показателей температуры воздуха в кабине трактора проведены при площади выпускного окна 5000 мм². Варьирование параметров температуры теплообменника испарителя и скорости воздуха на выходе из блока обработки воздуха аналогично первому этапу.

3. На третьем этапе измерения показателей температуры воздуха в кабине трактора проведены при площади выпускного окна 8000 мм². Варьирование параметров температуры теплообменника испарителя и скорости воздуха на выходе из блока обработки воздуха аналогично первому и второму этапам.

Замеры произведены в трехкратном повторении. Обработанные данные с контроллера передавались на персональный компьютер, где сводились в таблицу и обобщались, после чего показатели температуры в кабине трактора приводились к показателям температуры наружного воздуха.

На основании полученных данных выведено уравнение математической модели, которое имеет вид:

где

Y, температура воздуха в кабине трактора, °С;

X₁ - площадь выпускного окна, мм²;

Х₂ - скорость воздуха на выходе из блока обработки воздуха, м/с;

Х₃ - температура теплообменника испарителя, °С.

После проверки коэффициентов в уравнении математической модели на значимость с помощью критерия Стьюдента и проверки адекватности математической модели по критерию Фишера преобразованное уравнение математической модели с учетом постоянного фактора, в качестве которого принята скорость воздуха на выходе из блока обработки воздуха, м/с, Х₂=0 (6,2), имеет вид:

где

Y, температура воздуха в кабине трактора, °С;

X₁ - площадь выпускного окна, мм;

Х₃ - температура теплообменника испарителя, °С.

На основании вышеизложенного составлено регрессионное уравнение:

где

Y - температура воздуха в кабине трактора, °С;

X₁ - площадь выпускного окна, мм²;

Х₃ - температура теплообменника испарителя, °С.

На основании регрессионного уравнения построен трехмерный график зависимости температуры воздуха в кабине трактора от скорости воздуха на выходе из блока обработки воздуха, площади выпускного окна и температуры теплообменника испарителя, на котором оси обозначены через сокращенные буквенные обозначения: S_в.о., мм² - площадь выпускного окна; t_вн., °С - температура теплообменника испарителя; V_вых, м/с - скорость воздуха на выходе из блока обработки воздуха (фиг.5).

Анализируя графическую трехмерную зависимость температуры воздуха в кабине трактора от скорости воздуха на выходе из блока обработки воздуха, площади выпускного окна и температуры теплообменника испарителя, видим, что оптимальному температурному режиму в кабине трактора согласно ГОСТ Р ИСО 16121-4-2011 соответствуют следующие значения конструктивных и технологических параметров блока обработки воздуха климатической установки: площадь выпускного окна от 4900 до 7100 мм², температура теплообменника испарителя от +20,0°С до +24°С, скорость воздуха на выходе из блока обработки воздуха от 6,0 до 6,3 м/с. При этом экстремум трехмерной графической зависимости наблюдается при следующих значениях конструктивных и технологических параметрах: площадь выпускного окна составляет 5157 мм², скорость воздуха на выходе из блока обработки воздуха 6,2 м/с, температура теплообменника испарителя - +20,043°С в любую погоду и время года. Данные значения конструктивных и технологических параметров достижимы путем изготовления блока обработки воздуха заявленной конструкции, нагнетания воздуха из кабины трактора в блок обработки воздуха вентилятором со скоростью вращения крыльчатки 3000 об/мин. и использования в климатической установке компрессора инверторного типа, с помощью которого теплообменник испарителя «держит» постоянную температуру +20,043°С.

Таким образом, установлено, что на параметры микроклимата в кабине трактора действительно влияют конструктивные и технологические параметры климатической установки. Как один из самых весомых факторов, влияющий на климатические показатели, оптимальный температурный режим для комфортных условий труда оператора достигнут, благодаря конструкции заявленной климатической установки, а именно температурный режим от +18°С до +23°С как в холодное время года, так и в жаркое, при этом максимально оптимальный режим работы климатической установки соответствует температурному режиму +23°С в кабине трактора, обеспечивая комфортное в ней пребывание. В результате повышается работоспособность, производительность и безопасность труда оператора трактора.

Заявленная климатическая установка промышленно применима. Создан и испытан ее опытный образец. Подтвержден технический результат, заключающийся в возможности создания компактной климатической установки с простым и удобным управлением, надежной в работе, обеспечивающей оптимальный температурный режим в кабине транспортного средства, в частности, в кабине трактора, отвечающий ГОСТ Р ИСО 16121-4-2011, обеспечивая комфортное в ней пребывание. В результате повышения работоспособности оператора трактора производительность его труда выросла в среднем в 2,5 раза.

Заявленная климатическая установка может быть рекомендована для установки ее в кабине трактора и других транспортно-технологических машин.

Claims (8)

1. Климатическая установка транспортного средства, в частности, трактора, включающая блок обработки воздуха, содержащий установленные в коробчатом корпусе вентилятор, имеющий привод от электродвигателя, внутренний теплообменник, подключенный к жидкостной системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания, и теплообменник испарителя, находящийся в циркуляционном контуре совместно с компрессором, при этом задняя торцевая стенка коробчатого корпуса выполнена с возможностью нагнетания воздуха из кабины транспортного средства в коробчатый корпус, а передняя торцевая стенка - с возможностью выпуска воздуха из коробчатого корпуса, отличающаяся тем, что задняя торцевая стенка коробчатого корпуса выполнена с двумя одинаковыми воздуховодами с впускными окнами, расположенными симметрично относительно продольной оси его симметрии и установленной в каждом воздуховоде на оси, перпендикулярной продольной оси симметрии коробчатого корпуса, крыльчаткой вентилятора, передняя торцевая стенка коробчатого корпуса выполнена плоской с выпускным окном в виде щели с центром, расположенным в геометрическом центре передней торцевой стенки, при этом длинная сторона выпускного окна перпендикулярна продольной оси симметрии коробчатого корпуса, а меньшая его сторона выполнена по дуге окружности с диаметром, равным высоте h щели, причем площадь выпускного окна S, длинная его сторона L и высота щели h связаны соотношением:

где

h - высота щели, мм,

L - длинная сторона выпускного окна, мм,

кроме того, площадь выпускного окна относится к площади передней плоской торцевой стенки как 1:7,5, а к общей площади впускных окон - как 1:2, при этом внутренний теплообменник и теплообменник испарителя установлены в коробчатом корпусе последовательно и перпендикулярно продольной оси его симметрии, а циркуляционный контур климатической установки выполнен с компрессором инверторного типа, управляемого контроллером.

2. Климатическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что площадь выпускного окна составляет 5157 мм².

3. Климатическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что трубопроводы циркуляционного контура заполнены фреоном R134a.

Images