轎車熱負(fù)荷計(jì)算示例

雷諾轎車空調(diào)系統(tǒng)制冷熱負(fù)荷計(jì)算書編寫：侯海焱日期：200校核：陳孟湘日期：2004/10/31批準(zhǔn)：設(shè)計(jì)參數(shù)：車外溫度：tH=40℃，相對(duì)濕度：ф=60車內(nèi)溫度：tB=27℃，相對(duì)濕度：ф車內(nèi)成員數(shù)：N=5人，車內(nèi)新風(fēng)量：V=N*V1=5*11=55m3太陽(yáng)輻射強(qiáng)度：tH=40℃時(shí)，水平面上太陽(yáng)輻射強(qiáng)度I車速：v=40km/h附加說(shuō)明。計(jì)算制冷量時(shí)所取的車廂內(nèi)容積為：。車內(nèi)有二排座位，沒有行李箱。所取的計(jì)算空間如圖所示：前窗頂板前窗頂板后窗后排座椅底部地板發(fā)動(dòng)機(jī)罩（在車廂內(nèi)部分）制冷熱負(fù)荷計(jì)算由于車外溫度高于車內(nèi)，加上太陽(yáng)輻射的作用，有大量熱量會(huì)通過車身壁面、車窗等傳入車內(nèi)。同時(shí)，乘員的汗熱和濕熱也會(huì)使車內(nèi)溫度升高?？梢?，影響車內(nèi)熱負(fù)荷的因素很多。綜合各種因素，車身熱平衡的方程式表達(dá)如下：式中：——儲(chǔ)備系數(shù)，?。?.1；——制冷機(jī)產(chǎn)生的冷量； ——車身總熱負(fù)荷； ——車體傳入熱量；——玻璃傳入熱量；——新風(fēng)熱；——人體熱；——用電設(shè)備散熱量；——車內(nèi)零件散熱量?，F(xiàn)在分別計(jì)算各部分的熱負(fù)荷。通過車身壁面?zhèn)魅氲臒崃寇嚿肀诿姘敯?、?cè)壁面、地板、前圍（發(fā)動(dòng)機(jī)罩壁在車廂內(nèi)部分）、后圍等幾部分組成。即車身壁面熱負(fù)荷表達(dá)式為：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?jì)算。其中，頂板、側(cè)壁面、地板、后圍的傳熱量計(jì)算公式如下：式中：——分別表示頂板、側(cè)壁面、地板、后圍的傳熱量；——分別表示頂板、側(cè)壁面、地板、后圍的傳熱系數(shù)；——分別表示頂板、側(cè)壁面、地板、后圍的傳熱面積；——車外空氣溫度，這里取為tH=40℃；——車內(nèi)空氣溫度，這里取為tB=27℃；對(duì)于前圍，由于發(fā)動(dòng)機(jī)室的溫度遠(yuǎn)高于車外空氣溫度，所以這里的傳熱可以單獨(dú)考慮。計(jì)算時(shí)按照如下公式：式中：——前圍的傳熱量；——前圍壁面的傳熱系數(shù)；——前圍的傳熱面積；——發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)空氣的溫度；——車內(nèi)空氣溫度，這里取為tB=27℃；車身壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K的計(jì)算傳熱系數(shù)K與車身內(nèi)、外表面放熱系數(shù)及隔熱層熱阻有關(guān)，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)是不同的。要分別計(jì)算各部分的傳熱系數(shù)。對(duì)于車頂板、側(cè)壁面、地板、后圍，傳熱系數(shù)計(jì)算式如下；式中：——外表面放熱系數(shù)，與表面相對(duì)氣流速度有關(guān)。當(dāng)車速為v=40km/h時(shí)，可取≈146kJ/(㎡·h·℃)?！獌?nèi)表面放熱系數(shù)，在汽車空調(diào)狀態(tài)，可取≈60kJ/(㎡·h·℃)?！魺岵牧虾穸?m)。 ——隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·℃)。對(duì)于前圍，傳熱系數(shù)可以按照下式計(jì)算：式中：——表示發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)壁面對(duì)流放熱系數(shù)，取=100kJ/(㎡·h·℃)；——車身內(nèi)表面放熱系數(shù)，在汽車空調(diào)狀態(tài)，取≈60kJ/(㎡·h·℃)?！魺岵牧虾穸?m)。 ——隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·℃)。(1)、頂板計(jì)算中，對(duì)頂板的構(gòu)成進(jìn)行了簡(jiǎn)化，取其厚度為30㎜。并具有以下結(jié)構(gòu)：1㎜鋼板＋24㎜空氣夾層＋5㎜內(nèi)飾板各材料導(dǎo)熱系數(shù)如下：鋼板——＝54W/(m·℃)；空氣——＝6.4W/(m·℃)；內(nèi)飾板——取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，＝0.03W/(m·℃)。對(duì)于這部分結(jié)構(gòu)，可以按照多層均勻平壁計(jì)算，代入各材料厚度及導(dǎo)熱系數(shù)，則有：kJ/(㎡·h·℃)車身頂板處有些結(jié)構(gòu)，金屬面直接和內(nèi)飾板相連，中間沒有空氣夾層，則該部分構(gòu)成為：1㎜鋼板＋5㎜內(nèi)飾板各部分材料導(dǎo)熱系數(shù)同上。則傳熱系數(shù)為：kJ/(㎡·h·℃)頂板的外表面積為F頂＝1.95*1.00=1.95㎡。計(jì)算中，取車身側(cè)壁面的1/5為金屬面和內(nèi)飾板直接相連考慮，其余部分按照多層均勻平壁計(jì)算。則車頂板的傳熱系數(shù)為：kJ/(㎡·h·℃)(2)、車身側(cè)壁面、后圍由于車身側(cè)壁面和后圍結(jié)構(gòu)相近，計(jì)算時(shí)按照相同結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。將其構(gòu)成進(jìn)行了簡(jiǎn)化，取其厚度為100㎜。并具有以下結(jié)構(gòu)：1㎜鋼板＋94㎜空氣夾層＋5㎜內(nèi)飾板各材料導(dǎo)熱系數(shù)如下：鋼板——＝54W/(m·℃)；空氣——＝6.4W/(m·℃)；內(nèi)飾板——取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，＝0.03W/(m·℃)。對(duì)于這部分結(jié)構(gòu)，可以按照多層均勻平壁計(jì)算，代入各材料厚度及導(dǎo)熱系數(shù)，則有：kJ/(㎡·h·℃)車身側(cè)壁和后圍處有些結(jié)構(gòu)，金屬面直接和內(nèi)飾板相連，中間沒有空氣夾層，則該部分構(gòu)成為：1㎜鋼板＋5㎜內(nèi)飾板各部分材料導(dǎo)熱系數(shù)同上。則傳熱系數(shù)為：kJ/(㎡·h·℃)車身側(cè)壁面的外表面積為F側(cè)＝(2.18*0.7)*2=3.052㎡。后圍表面積為FF＝0.47*1.33＝0.63㎡。計(jì)算中，取車身側(cè)壁以及后圍面積的1/5為金屬面和內(nèi)飾板直接相連考慮，其余部分按照多層均勻平壁計(jì)算。則車身側(cè)壁面的傳熱系數(shù)為：kJ/(㎡·h·℃)(3)、地板計(jì)算中，對(duì)地板的構(gòu)成進(jìn)行了簡(jiǎn)化，取其厚度為6㎜。并具有以下結(jié)構(gòu)：1㎜鋼板＋10㎜隔熱材料＋5㎜地毯各材料導(dǎo)熱系數(shù)如下：鋼板——＝54W/(m·℃)；隔熱材料、地毯——取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，＝0.139W/(m·℃)。按照多層均勻平壁計(jì)算，代入各材料厚度及導(dǎo)熱系數(shù)，則有：kJ/(㎡·h·℃)地板的表面積為F地＝2.1*1.25=2.625㎡。(4)、前圍發(fā)動(dòng)機(jī)罩壁在車廂內(nèi)部分按照以下結(jié)構(gòu)組成：1㎜鋼板＋10㎜隔熱材料其中，各組成部分導(dǎo)熱系數(shù)如下：鋼板——＝54W/(m·℃)；隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)取為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)——＝0.139W/(m·℃)。按多層均勻平壁傳熱計(jì)算：式中：——發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)壁面對(duì)流放熱系數(shù)，取=100kJ/(㎡·h·℃)。——車身內(nèi)表面放熱系數(shù)，在汽車空調(diào)狀態(tài)，取≈60kJ/(㎡·h·℃)。經(jīng)計(jì)算得到：kJ/(㎡·h·℃)發(fā)動(dòng)機(jī)罩壁表面積為FF＝1.35*0.4=0.54㎡。日照表面綜合溫度的計(jì)算考慮到太陽(yáng)輻射的作用，通過車身壁面?zhèn)魅氲臒崃坑蓛刹糠纸M成。(1)由于車身內(nèi)外空氣的溫差，通過車身外表面以對(duì)流換熱方式從大氣中得到的熱量：Q1=FK(tH-tB)(2)車身外表面從太陽(yáng)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(yáng)輻射使車身外表面溫度升高，將太陽(yáng)輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成相當(dāng)?shù)男问?，與車外溫度迭加在一起，組成太陽(yáng)照射表面的綜合溫度，即tC。式中：ρ——車身外表面吸收系數(shù)，與表面顏色、粗糙度有關(guān)，取為ρ=0.9；I——太陽(yáng)總的輻射強(qiáng)度，I=Id+Is。Id為太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度，Is為太陽(yáng)散射輻射強(qiáng)度。I水平=3600kJ/(㎡·h)，I陽(yáng)=974kJ/(㎡·h)，I陰=253kJ/(㎡·h)。對(duì)于車頂、車側(cè)壁面（包括后圍），由于太陽(yáng)射入的角度不同，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度是不同的。具體如下：tc頂=tH+ρ頂I頂/(аH+K頂)℃其中，I頂=I水平tC側(cè)=tH+ρ側(cè)I側(cè)/(аH+K側(cè))℃其中，I側(cè)=(I陽(yáng)+I陰)/2對(duì)于地板，沒有受到太陽(yáng)輻射的影響，但受到地面反射熱以及發(fā)動(dòng)機(jī)熱的影響，使得地板外表面溫度比大氣溫度高一些?？扇。簍c地=tH+2.5經(jīng)計(jì)算得到：tc地=42.5℃tc頂=60.2℃3、車身壁面?zhèn)鳠崃康挠?jì)算綜上所述可知，頂板、側(cè)壁面（包括后圍）、地板的熱負(fù)荷包括溫差傳熱和太陽(yáng)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頂=F頂K頂(tc頂-tB)=254WQ側(cè)=F側(cè)K側(cè)(tc側(cè)-tB)=231WQ地=F地K地(tc地-tB)=209W由于計(jì)算過程中有一定近似性，對(duì)于頂板、側(cè)壁面、地板的傳熱可以進(jìn)行修正，則有：QB1=а3(Q頂+Q側(cè)+Q地)=902W式中：——修正系數(shù)，取=1.3。而對(duì)于前圍，沒有受到太陽(yáng)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前=F前K前(tF1-tB)=670kJ/h=186W式中：——發(fā)動(dòng)機(jī)室的空氣溫度，取=85℃。則車身壁面?zhèn)魅氲目偀崃繛椋憾⑼ㄟ^門窗玻璃傳入的熱量考慮到太陽(yáng)輻射，通過門窗玻璃傳入的熱量由兩部分組成：QG=QG1+QG2(1)由于車內(nèi)外溫差而傳入的熱量QG1：QG1=K玻F玻(tH-tB)(2)由于太陽(yáng)輻射通過玻璃傳入的熱量QG2：U=F’玻I+(F玻-F’玻)IS式中：——太陽(yáng)輻射通過玻璃的透入系數(shù)，=0.84?！Ａ?duì)太陽(yáng)輻射熱吸收系數(shù)，=0.08。——遮陽(yáng)修正系數(shù)，取=0.97I——車窗外表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，取為I=974kJ/(㎡·h)。Is——車窗外表面的太陽(yáng)散射輻射強(qiáng)度，取IS=167kJ/(㎡·h)。U——車窗的太陽(yáng)輻射量。F’?！?yáng)面車窗面積。F’玻＝1.32*0.9+(0.9*0.5+1.25*0.47)=2.23㎡F玻——車窗總面積。F玻＝1.24*0.6+(0.9*0.5+1.25*0.47)+F’玻=4.01㎡K?！ＡУ膫鳠嵯禂?shù)，取K玻=23kJ/(㎡·h·℃)?！獗砻娣艧嵯禂?shù)，與表面相對(duì)氣流速度有關(guān)。當(dāng)車速為v=40km/h時(shí)，可取≈146kJ/(㎡·h·℃)。——內(nèi)表面放熱系數(shù)，在汽車空調(diào)狀態(tài)，可取≈60kJ/(㎡·h·℃)。代入相關(guān)參數(shù)，得到：QG1=1198kJ/hU=2469kJ/hQG2=2090kJ/hQG=3288kJ/h=913W三、新風(fēng)熱新風(fēng)熱QV的計(jì)算式：式中：——空氣密度，當(dāng)=40℃時(shí)，=1.128kg/m3。V——車內(nèi)新風(fēng)量：V=N*V1=5*11=55m3、——車內(nèi)外空氣的焓值。當(dāng)tH=40℃，相對(duì)濕度ф=60%時(shí)，=115kJ/kgDA； 當(dāng)tB=27℃，相對(duì)濕度ф=58%時(shí)，=60kJ/kgDA。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(dòng)強(qiáng)度、周圍空氣溫度、性別、年齡、衣著等很多因素有關(guān)。一般按每人每小時(shí)發(fā)熱量418kJ計(jì)。QP=418NkJ/h式中：N——乘員人數(shù)，按照5人計(jì)算。則有：QP=2090kJ/h=581W。五、車內(nèi)零件散熱量方法一：座椅蓄熱量由于空調(diào)起動(dòng)時(shí)，車內(nèi)溫度很高，則車內(nèi)座椅等要儲(chǔ)存一部分熱量。這部分熱量也應(yīng)該列入車身熱負(fù)荷的范圍。這里取車內(nèi)初始溫度為60℃，經(jīng)過半個(gè)小時(shí)后降到2座椅放熱量：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·℃)；ρ——泡沫塑料的密度，這里取為ρ=41㎏/m3；V——座椅容積，V座椅=0.247m3、——座椅的初始和終了溫度，＝60℃，＝27℃?！畏艧峤?jīng)過時(shí)間，＝0.5h。則座椅放熱量為：方法二：車內(nèi)零件散熱量考慮車內(nèi)零件的散熱量，可以按照下列公式計(jì)算：式中：車內(nèi)零件表面溫度，取為＝32℃；車內(nèi)空氣溫度，＝27℃。由于車內(nèi)零件表面積不易求得，可用試驗(yàn)測(cè)得的值，日本豐田公司測(cè)得轎車＝376.2kJ/(h·℃)。這里取此經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。代入數(shù)據(jù)，則有計(jì)算車身熱負(fù)荷時(shí)，取上述兩組數(shù)值中較大的一組列入熱負(fù)荷范疇。六、用電設(shè)備散熱量這里主要計(jì)算鼓風(fēng)機(jī)及音響等用電設(shè)備