Operation modes of local water evaporative air cooler cabins of self-propelled vehicles with regard to individual operators and variability of temperature conditions

Full Text

Одним из средств нормализации теплового состояния операторов самоходных машин в теплый период года является локальный водоиспарительный воздухоохладитель [1-7]. Ре- жим работы такого аппарата, характеризующийся подачей воздуха L в область "голова- грудь" человека и степенью Еа снижения его температуры, выбирается, исходя из условия отведения от тела выделяемой организмом теплоты Qч . При оценке функционального качества опытной модели созданного в МАДИ такого аппарата [1] с постоянной L= 120 м3/ч в ре- зультате эксперимента было выявлено, что из 20 испытуемых мужчин и женщин 85% дали положительную оценку локальному охлаждению. Это приемлемо согласно методике [8], но такой относительно высокий показатель все же не в полной мере отвечает перспективному направлению [9] в части удовлетворения возможно большего числа операторов с помощью индивидуального аппарата. Указанное вызывает необходимость проведения соответствую- щего исследования, и здесь прежде всего требуется учитывать следующее. В статье отмечается, что значения тепловыделений человека Qч по ГОСТ 12.1.005- 88 ориентированы на "стандартную персону", т.е. на "условного" человека, под которым подразумевается оператор массой mч = 70 кг. Однако считается [10], что это приемлемо лишь для системы кондиционирования помещений значительного объема (концертные за- лы, спортивные комплексы, кинотеатры и др.), когда в них присутствует большое количество людей. Если же система предназначена для небольших помещений (каюты, купе-люкс, каби- ны и т.п.), то она должна обеспечивать тепловой комфорт не "условного", а конкретного находящегося здесь человека, особенно если помещение одноместное. Таким образом, в нашем случае речь идет об индивидуальной тепловой защите оператора, связанной с его массой, от которой зависят тепловыделения организма. Их величину для операторов-мужчин предлагается [10] определять по выражению: Qч  mч  Ач  (1 ч ), Вт где Ач - показатель активности деятельности оператора, зависящий от ее вида, Вт/кг; ηч - безразмерный показатель эффективности деятельности. Приняв по данным [10] для оператора транспортного средства при выполнении им работы средней тяжести Ач = 2,8 Вт/кг и ηч  0 , получим Qч  2,8 mч . Отметим, что по данным [11] тепловыделения женщин составляет 85% от тепловыде- лений мужчин при одинаковой их массе. Результаты соответствующего расчета тепловыделений при наиболее характерных зна- чениях массы операторов mч = 60...90 кг [10] представлены в таблице 1. Полные тепловыделения операторов в зависимости от их массы и пола при выполнении работы средней тяжести Таблица 1 Отметим, что по ГОСТ 12.1.005-88 для "условного" оператора-мужчины массой 70 кг при выполнении им работы средней тяжести его полные тепловыделения составляют 175...232 Вт, а по "Справочнику проектировщика" [12] - 200 Вт, что достаточно близко к значению Qч=196 Вт по таблице 1. Это свидетельствует о правомерности использования вы- ражения (2) в нашем случае. Созданный в МАМИ усовершенствованный локальный воздухоохладитель [13] облада- ет следующими функциональными показателями: режим повышенной подачи воздуха Lmax = 125 м3/ч (0,035 м3/с); режим пониженной подачи воздуха Lmin = 100 м3/ч (0,028 м3/с); коэффициент эффективности снижения температуры воздуха Еa= 0,66. Оценим, в какой мере такой аппарат отвечает условию обеспечения нормализации теп- лового состояния операторов по таблице 1. Для этого используем соответствующие извест- ные математические выражения при расчете необходимых функциональных параметров, что представлено далее. Тепловое состояние оператора нормализуется, если будет обеспечен достаточный отвод выделяемой его организмом теплоты Qч в обдувающий открытую поверхность его тела по- ток охлажденного воздуха, который должен обладать необходимой ассимилирующей спо- собностью, зависящей от холодопроизводительности аппарата Qо. В нашем случае она определяется по выражению [9]: Qо  ср а  L  (t  tа ), Вт где ср  1005 Дж/(кг×°С) теплоемкость воздуха; а плотность воздуха при температуре ta, кг/м3; L - подача воздуха из аппарата, м3/с; t и tа - температура воздуха по сухому термо- метру соответственно начальная и на выходе из аппарата, С . Преобразовав это выражение и приняв Qо=Qч, получим формулу для определения ми- нимально необходимой подачи L для нормализации теплового состояния оператора: Q  м3  L  ч ,   (1) ср  а  L  (t  tа ) Величина Eа определяется по выражению:  с  Е  (t  tа ) , (2) м а (t  t ) где tм - начальная температура обрабатываемого воздуха по мокрому термометру,°С. Преобразовав выражение (2), при указанном выше значении мулу для определения величины tа : Еа  0,66 получим форtа  t  0, 66 (t  tм ) . (3) Как установлено [1], при локальном обдуве оператора неохлажденным воздухом при его повышенной скорости нормализация теплового состояния возможна лишь при темпера- туре до 28°С, а при более высокой наружной температуре t необходимо охлаждение. В связи с этим, на первом этапе нашего исследования примем для открытой кабины машины исход- ные температурно-влажностные условия, соответствующие стандартным климатическим па- раметрам для г. Москвы [14]: t = 28,5°С и tм= 19°С. Тогда по формуле (3) определим, что ta = 3 22,2°С. Приняв при этой температуре a = 1,196 кг/м , по выражению (1) для "условного" оператора-мужчины с массой mч= 70 кг при Qч = 196 Вт (по таблице 1), найдем, что L = 0,0259 м3/с (93 м3/ч). Проведя аналогичным образом расчеты для операторов-мужчин с дру- гой массой тела, а также учитывая, что тепловыделения операторов-женщин составляют 0,85 тепловыделений мужчин, получим данные, приведенные в таблице 2. Минимально необходимая подача воздуха локального охладителя для операторов в кабине самоходных машин Таблица 2 Сравнение величин подачи воздуха из локального воздухоохладителя МАМИ с данными таблицы 2 для операторов-мужчин свидетельствует о следующем. Подача воздуха из ап- парата Lmax= 125 м3/ч близка к оптимальной лишь для обеспечения теплового баланса Qo=Qч оператора-мужчины массой 90 кг. Однако она является избыточной при их массе 60...80 кг. Что же касается операторов-женщин, то для всех Lmax=125 м3/ч является избыточной. Как указывалось ранее, в аппарате МАМИ предусмотрен режим подачи Lmin=100 м3/ч. Он практически приемлем для операторов-мужчин массой 70 и 80 кг, но избыточен при мас- се 60 кг и недостаточен при массе 90 кг. Для операторов-женщин такой режим приемлем только при массе 90 кг, но избыточен при массе 60...80 кг. Таким образом, можно заключить, что для эффективного использования единого аппа- рата на практике подача воздуха должна иметь бесступенчатую (плавную) регулировку от 68 до 120 м3/ч, исходя из субъективной реакции оператора. При этом с учетом современной тенденции автоматического управления техническими системами [15] регулирование режимов подачи не должно быть ручным, чтобы не отвлекать оператора от выполнения им его основной функции по обеспечению безопасной эксплуатации машины. Поэтому дальнейшей, однако выходящей за рамки настоящей статьи, задачей должно явиться усовершенствование конструкции локального воздухоохладителя в части автоматизации его работы. Современ- ный же уровень электроники и микропроцессорной техники в установках кондиционирова- ния воздуха помещений стационарных и мобильных объектов (система "климат-контроль") позволит решить такую задачу. Рассмотренный этап оценки функционирования локального охладителя проводился на примере его использования в климатических условиях Средней полосы России при t = 28,5°С. Поскольку же аппарат может эксплуатироваться и в других регионах страны с более высокой температурой и учитывая, что в течение дневной рабочей смены она изменяется, на втором этапе нашего исследования необходимо оценить, как это отразится на действии си- стемы "воздухоохладитель-оператор”. В таблице 3 представлены результаты расчета изменения холодопроизводительности аппарата Qо при постоянной L = 93 м3/ч применительно к оператору массой 70 кг при Qч= 196 Вт в процессе работы машины в Южном регионе страны в течение дневной рабочей смены [16]. Отметим, что по данным [11] величина полных тепловыделений человека явля- ется постоянной при температуре воздуха t = 20°С и выше. Изменение холодопроизводительности локального аппарата в течение дневной рабочей смены Таблица 3 Из приведенного следует, что аппарат в диапазоне t = 29,0...37,3 °С при Qо=217...340 Вт обладает достаточным потенциалом для ассимиляции теплоизбытков Qч= 196 Вт. Однако ве- личина Qо здесь является избыточной, и, на первый взгляд, требуется регулирование подачи воздуха, чтобы обеспечить баланс Qо = Qч. Вместе с тем необходимо учитывать следующее. По данным [1] ассимилирующая способность воздуха при его локальной подаче опре- деляется выражением: Qаc  1, 07 2,5 10,3 в  (tч  tм ) , где: в - скорость движения воздуха около тела оператора, м/с, обусловленная подачей L; tч  35 °С - температура обдуваемой поверхности тела оператора, свидетельствующая o его нормальном тепловом состоянии. Из этой формулы следует, что при постоянной в (т.е. при L=const) Qаc зависит от величины ассимиляционного перепада температур Δtaс=35 - ta. При этом, чем меньше значение tа по сравнению с tч , тем интенсивнее будет отводиться теплота от тела оператора, и наоборот, при возрастании tа отвод теплоты замедляется. Если же Δtaс сохраняет постоянное значение, то Qаc  const, по таблице 3. т.е. она теоретически не будет зависеть от внешней температуры tа Поскольку ранее была дана оценка работы аппарата при t  28,5 °С для условий г. Москвы (практически на уровне t = 29°С по табл. 3), в дальнейшем будем рассматривать режимы работы аппарата при более высокой температуре t = 34,8...37,3°С, поскольку здесь имеет место существенное повышение Qо= 304...340 Вт. По данным таблицы 3 среднее значение ta в этом случае составляет 25,5°С. Отклонение от этой величины ta = 24,9°С при t = 34,8°С составляет 2,4%, а tа = 26,3°С при t = 37,3°С - 3,1%, что несущественно. Это с практической точки зрения позволяет считать в нашем слу- чае Δtaс= const. Следовательно, здесь при изменении t специальное регулирование подачи воздуха охладителя не требуется. Несколько же повышенная при этом в силу естественного саморегулирования аппарата [16, 17] его холодопроизводительность служит гарантией надежного отведения теплоты от оператора. Вместе с тем встает вопрос, в какой мере насадка воздухоохладителя может обеспечить принятую нами постоянную степень снижения температуры Еа = 0,66 при переменной L в диапазоне от 68 до 120 м3/ч по табл. 2 (т.е. при изменении ее величины в 1,76 раза) и колеба- нии начальной температуры от 28,5 до 37,3°С. Как показали результаты исследования [18], это осуществимо, поскольку для интенсифицированной насадки колебание начальной темпе- ратуры обрабатываемого воздуха в рабочем диапазоне 25...40°С и изменение его расхода в 2 раза от первоначального практически не оказывает влияния на величину Еа конкретного ап- парата.

About the authors

V. A. Mikhailov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: ostashkov@bk.ru
Dr.Eng.

M. I. Dmitriev

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: ostashkov@bk.ru
Ph.D.

B. A. Ivobotenko

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: ostashkov@bk.ru
Dr.Eng.

References

Supplementary files