ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В КАБИНЕ МОБИЛЬНЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ

На правах рукописи

Гаврилов Андрей Владимирович

ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА

РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В КАБИНЕ

МОБИЛЬНЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН

Специальность 05.20.01 – технологии
и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Рязань – 2012 г.

Работа выполнена на кафедре «Автотракторные двигатели и теплотехника» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А.Костычева» (ФГБОУ ВПО РГАТУ)

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент

Николай Владимирович Дмитриев

Официальные оппоненты:

Андрей Михайлович Кравченко доктор технических наук, Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище (военный институт) имени генерала армии В. Ф. Маргелова / кафедра «Общепрофессиональных дисциплин», профессор;

Михаил Юрьевич Костенко доктор технических наук,

ФГБОУ ВПО РГАТУ / кафедра

«Безопасности жизнедеятельности», доцент

Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский институт механизации агрохимического обслуживания сельского хозяйства (ГНУ ВНИМС Россельхозакадемии)

Защита состоится «25» мая 2012 года в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 220.057.02 при ФГБОУ ВПО РГАТУ по адресу: 390044, г. Рязань, ул. Костычева, д. 1 в зале заседаний диссертационного совета.

Объявление и автореферат размещены на сайте Министерства образования и науки РФ www.vak2.ed.gov.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО РГАТУ.

Автореферат разослан «24» апреля 2012 г.

Учёный секретарь

Диссертационного совета,

Кандидат технических наук, доцент А. В. Шемякин

101ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффективность использования мобильных с/х машин, напрямую зависит от физического состояния управляющих ими людей. Работоспособность и самочувствие человека в значительной мере определяются состоянием окружающей среды, в которой они находятся в процессе своей деятельности.

Согласно санитарно-гигиеническим нормам в теплое время года температура должна находиться в пределах 21 – 23 °С при влажности 40 – 60 % и скорости воздуха до 0,3 м/с. Перепад температуры воздуха по высоте кабины не должен превышать 5°С. При более низких температурах воздуха наблюдается переохлаждение организма; при более высоких наступает физическое утомление, замедляется реакция механизатора, появляются ошибки в управлении машиной.

Температура воздуха является основополагающим параметром для контроля и управления микроклиматам и определяет его влажность и допустимую скорость потока.

Существующие технологии и технические средства регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин недостаточно эффективны, так как при работе используют энергию двигателя внутреннего сгорания (ДВС), что негативно сказывается на его топливной экономичности.

Для регулирования температуры воздуха в кабине можно использовать энергию испаряющегося сжиженного нефтяного газа (СНГ), который используется для питания ДВС. Использование СНГ в качестве хладагента позволяет достигнуть эффективного охлаждения воздуха в кабине и избавляет от необходимости использовать ДВС для привода вспомогательных механизмов, ввиду отсутствия последних.

Разработка технологии и технических средств регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин с использованием энергии испаряющегося СНГ, улучшающих условия труда механизаторов без существенных энергетических и материальных затрат, является актуальной научной задачей.

Разработка технологии и технических средств регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин велась в 2008 – 2011 гг. в лабораториях кафедры «Автотракторные двигатели и теплотехника» ФГБОУ ВПО РГАТУ и машинно-тракторных парках ООО «Жёлобово» Сараевского района и ОАО «Аграрий» Касимовского района Рязанской области.

Цель работы. Повышение работоспособности механизатора путем улучшения условий труда за счет применения установки, позволяющей регулировать температуру воздуха в кабине мобильной с/х машины, с обоснованием параметров и режимов ее работы.

Объект исследования. Система регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин.

Предмет исследования. Закономерности процесса регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин.

Методика исследования. Достижение поставленной цели осуществлялось за счет теоретических и экспериментальных исследований.

Теоретическое исследование состояло в определении факторов и получении зависимостей, позволяющих установить конструктивные и технологические параметры установки регулирования температуры воздуха, определяющие режимы ее работы.

Экспериментальные исследования заключались в получении математической модели исследуемого процесса регулирования температуры воздуха и определении оптимальных параметров и режимов работы установки в лабораторных условиях. Также проводились производственные испытания технологии и технических средств регулирования температуры воздуха в кабине, для подтверждения достоверности сделанных в результате теоретических исследований выводов и полученной в результате эксперимента математической модели.

Исследования проводились на специально изготовленной лабораторной установке, с использованием стандартных и частных методик и способов планирования эксперимента. А также опытных образцах установки, предназначенных для монтажа в конкретную машину. Обработка результатов полученных экспериментальных данных осуществлялась методами математической статистики и с использованием ЭВМ.

Научная новизна заключается в теоретическом обосновании возможности использовании энергии испарения СНГ для регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин, а также, определении параметров и режимов работы установки реализующей эту возможность. Новизна технических решений подтверждена патентами Российской Федерации № 2384715 на изобретение и № 83293 на полезную модель.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная технология и технические средства регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин позволяет улучшить условия труда механизаторов, повысить производительность их труда и снизить количество аварий без дополнительных энергетических затрат.

Производственная проверка показала эффективность разработанной технологии и технических средств регулирования температуры воздуха в кабине. Результаты исследований внедрены в хозяйствах ООО «Жёлобово» Сараевского района и ОАО «Аграрий» Касимовского района Рязанской области.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-практических конференция ФГБОУ ВПО РГАТУ (2008-2011 гг.), и на международной научно-практической конференции «Вавиловские чтения 2010» Саратовского государственного аграрного университета (2010 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 3 статьях, одна из которых опубликована в издании, рекомендованном ВАК, имеются свидетельства на изобретение и полезную модель.

Защищаемые положения.

• конструктивно-технологическая схема установки для регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин;
• теоретическое обоснование и экспериментально установленные зависимости параметров и режимов работы установки регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин;
• технология регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из аннотации, введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок, 9 таблиц и 13 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, научная задача, практический результат и положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ способов регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин» на основе анализа литературных источников был выполнен анализ условий труда механизаторов. Микроклимат производственных помещений, которым является кабина мобильной с/х машины, включает в себя следующие его параметры: температуру, влажность, скорость движения, чистоту, содержание запахов, давление, газовый состав и ионный состав. При этом каждый из указанных параметров в различной степени оказывает влияние на организм человека.

Можно выделить три самых значимых параметра микроклимата: температура, влажность и скорость потоков воздуха в кабине. На значения этих параметров накладывают жесткие нормы санитарно-гигиенические правила.

В холодное время года температура должна быть 18-20 °С при относительной влажности 40 - 60 % и скорости воздуха до 0,2 м/с, в теплое время года температура 21-23 °С при влажности 40 - 60 % и скорости воздуха до 0,3 м/с. Перепад температуры воздуха по высоте кабины не должен превышать 5°С. При более низких температурах воздуха наблюдается переохлаждение организма; при более высоких температурах наступает физическое утомление, замедляется реакция механизатора, появляются ошибки в управлении машиной.

Анализ существующих способов регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин показал, что каждому из них свойственны определенные недостатки.

Так, на настоящий момент большинство установок регулирования температуры воздуха построены на основе так называемого компрессорного охлаждения. Суть его заключается в испарении сжиженного хладагента в испарителе, установленном в кабине машины. Установки, использующие данный способ нашли распространение вследствие своей высокой эффективности, однако, им свойственен существенный недостаток - это отбор мощности от двигателя на привод компрессора и охлаждающих вентиляторов, который приводит к увеличению расхода топлива двигателем до 20%.

Испарение, как физический процесс, является неотъемлемой частью работы системы питания ДВС газом.

В штатной системе питания сжиженным нефтяным газом его, перед подачей в цилиндры двигателя полностью испаряют, при этом теплота, необходимая для испарения, поглощается из системы охлаждения двигателя. Но эту же теплоту можно брать и из кабины машины, установив в ней специальный теплообменник. В этом случае будет проходить необходимый процесс испарения газа и, в то же время, снижаться температура воздуха в кабине.

В связи с этим, в задачи настоящего исследования включены:

1. На основании известных технических решений и результатов исследований выявить перспективные направления в создании технологии регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин.
2. Разработать конструкцию установки регулирования температуры воздуха в кабине, позволяющую повысить качество условий труда механизатора.
3. Теоретически обосновать возможность использования явления фазового перехода «жидкость-газ» СНГ для регулирования температуры воздуха в кабине мобильных с/х машин и установить оптимальные параметры работы установки, использующей этот процесс.
4. Разработать технологию улучшения условий труда механизаторов, путем использования установки регулирования температуры воздуха в кабине.
5. Привести экономическое обоснование целесообразности внедрения разрабатываемой технологии и технических средств.

Во второй главе «Теоретические исследования процесса регулирования температуры воздуха» определены факторы и получены зависимости, позволяющие установить конструктивные и технологические параметры установки регулирования температуры воздуха, определяющие режимы ее работы.

Чтобы определить, какое количество тепла необходимо отводить из кабины необходимо проанализировать все источники тепла, с которыми она взаимодействует.

Тепловой баланс воздуха в рабочем пространстве кабины определяется уравнением:

, 23

где – тепловой поток от находящихся в кабине людей, Вт;

– тепловой поток, поступающий через прозрачные
ограждения, Вт;

– тепловой поток, поступающий через непрозрачные
ограждения, Вт;

– тепловой поток, поступающий от двигателя и трансмиссии, Вт;

– тепловой поток, поступающий от электрооборудования, Вт;

– тепловой поток, отводимый из кабины установкой регулирования температуры, Вт.

Теплообмен воздуха в кабине с окружающей средой состоит из следующих компонентов:

• конвективного теплообмена на наружной поверхности ограждающих конструкций кабины;
• радиационного теплообмена наружных поверхностей кабины с окружающей средой;
• конвективного теплообмена внутренней поверхности ограждения кабины;
• радиационного теплообмена на внутренней поверхности ограждения кабины.

Для каждого компонента составлены параметрические таблицы, которые позволяют составить уравнение теплового баланса для конкретной кабины, и определить количество тепла, которое необходимо отводить из кабины в процессе работы машины.

Общая схема установки, осуществляющей регулирование температуры воздуха в кабине, представлена на рис. 1.

Система работает следующим образом. СНГ находится в газовом баллоне 1 в сжиженном состоянии. Газ поступает к магистральному электромагнитному клапану 3. После открытия магистрального электромагнитного клапана 3 газ поступает по трубопроводу в испаритель 8. Под воздействием жидкости из системы охлаждения двигателя, СНГ переходит в газообразное состояние. Затем газ поступает в редуктор 7, где давление снижается до близкого к атмосферному. Из редуктора 7 газ подается в смеситель 9, откуда газо-воздушная смесь поступает в цилиндры двигателя.

Рис. 1. Схема установки регулирования температуры в кабине: 1 – баллон с газом; 2 – регулирующий орган с иглой-дозатором и шаговым электродвигателем; 3 – магистральный электромагнитный клапан; 4 – дополнительный испаритель; 5 – вентилятор; 6 – электронный блок управления; 7 – газовый редуктор; 8 – основной испаритель; 9 – смеситель; 10 – электромагнитный клапан дополнительного испарителя.

Дополнительный испаритель 4 подключается через отдельный электромагнитный клапан 10, а на входе основного испарителя устанавливается регулирующий орган – игла-дозатор и шаговый электродвигатель 2, управляемый электронным блоком 6. По сигналам электронного блока игла-дозатор перемещается и проходное сечение канала основного испарителя. При этом будет изменяться количество газа, прошедшего через дополнительный испаритель, тем самым будет меняться степень охлаждения воздуха. Такое конструктивное решение позволяет поддерживать постоянство количества газа, необходимого для питания ДВС. В режимах максимального охлаждения, либо режимах работы ДВС близких к холостому ходу (игла-дозатор полностью закрывает канал основного испарителя) предусмотрена возможность полного исключения из работы дополнительного испарителя при помощи электромагнитного клапана 10. В этом случае весь газ, расходуемый двигателем, проходит через основной испаритель.

При открытии дополнительного электромагнитного клапана 6, часть газа, минуя испаритель 3, поступает в дополнительный испаритель 7, где под действием теплого воздуха из кабины газ переходит из жидкого состояния в газообразное. Далее газ движется по прежней схеме. За счет испарения газа поверхность испарителя охлаждается, охлаждая при этом окружающий воздух, который принудительно, при помощи вентилятора подается в кабину. Новизна предлагаемой установки подтверждена патентом на полезную модель RU №83293 U1. МПК F02B 43/02. Опубл. 27.05.2009 Бюл. №15.

Процесс регулирования температуры установкой, определяется рядом контролируемых управляемых (пропускная способность дополнительного испарителя и производительность вентилятора), контролируемых неуправляемых (расход газа ДВС) и неуправляемых (состав СНГ, запыленность воздуха) параметров.

Максимальное количество теплоты, которое можно поглотить при помощи предложенной установки ограничивается максимальным расходом газа ДВС и определяется зависимостью:

, 45

где - эффективное давление, МПа;

- объем двигателя, л;

- частота вращения коленчатого вала, об/мин;

- низшая удельная теплота сгорания СНГ, ;

- эффективный КПД;

- коэффициент тактности.

Эффективно использовать энергию расширяющегося газа можно, обеспечив максимально полный теплообмен между ним и воздухом в кабине мобильной с/х машины.

Это позволяет сделать испаритель, представленный на рис. 2.

Испаритель выполнен в виде двойного змеевикового теплообменника 1, на входе в который установлена дросселирующая вставка 2. Дросселирующая вставка обеспечивает перепад давления газа и интенсифицирует процесс испарения.

Рис. 2. Дополнительный испаритель: 1 – змеевиковый теплообменник; 2 – дросселирующая вставка.

Выражение, определяющее площадь теплообмена, выглядит следующим образом:

, 67

где – удельная теплоемкость смеси газов, ;

– расход газа, кг/ч;

– температура газа на выходе из теплообменника, ;

– температура газа на входе в теплообменник, .

- коэффициент теплоотдачи,.

- температурный напор.

Коэффициент теплоотдачи определяется свойствами материала теплообменника и режимом теплообмен:

, 89

где – коэффициент теплоотдачи газа стенке змеевика, ;

– коэффициент теплоотдачи стенки змеевика

среде кабины,;

– толщина трубки змеевикового теплообменника, мм;

– коэффициент теплопроводности материала

теплообменника, ;