Designing innovative local water evaporative air cooler for tractor cabins

Full Text

Как показывают исследования [1-4], в последнее время уделяется определенное внимание к использованию в помещениях стационарных и мобильных объектов воздухоохладителей локального действия как рационального решения задачи нормализации теплового состояния операторов с учётом особенностей их организма и специфики работы. Применительно к водителю самоходных машин (тракторов, строительно-дорожных машин, грузовых автомобилей, автобусов и др.) установлено [1, 2], что наиболее приемлемым здесь является водоиспарительный адиабатный воздухоохладитель с орошаемой насадкой с единой производительностью на уровне 110-130 м3/ч для всех кабин при степени снижения температуры воздуха за счет испарительного охлаждения воды, характеризующейся коэффициентом эффективности Еа = 0,65-0,7. Поскольку указанный тип аппарата представляет практический интерес для решения задачи по нормализации теплового состояния оператора трактора, встает вопрос о необходимости разработки его приемлемой конструкции. При создании такого агрегата как технической системы важно выбрать наиболее подходящие составляющие элементы его подсистем (аппарата водоиспарительного действия, вентилятора, устройства контроля, водяного насоса, воздухораспределителя и т.п.). Отметим, что под рациональным (оптимальным) понимается такой вариант изделий, который при минимальных затратах в сфере его производства и эксплуатации полностью (или почти полностью) удовлетворяет потребности при выполнении им назначенной функции [5]. В машиностроении распространена унификация, служащая научно-обоснованным методом создания рациональной номенклатуры изделий многократного применения. Одним из основных направлений развития современной техники, использующим унификацию, является разработка технических систем, в основу конструирования которых положен принцип агрегатно-модульного построения изделий. Это позволяет обобщить ранее разработанные изолированные конструктивные и технологические решения и свести их в новую единую техническую систему с соблюдением преемственности путем заимствования составных частей создаваемого изделия из других конструкций предшествующих разработок. Указанное положено нами в методологию создания конструкции инновационного локального воздухоохладителя. За рубежом для расширения рынка сбыта локальные водоиспарительные воздухоохладители выпускаются как изделия двойного назначения [4]: на напряжение постоянного тока для машин и на напряжение переменного тока для стационарных объектов (США, Франция, Германия, Швейцария, Китай). Автомобильная модификация охладителя при его энергозатратах от 45 до 70 Вт (в зависимости от модели) позволяет аппарату несколько часов функционировать при отключённом ДВС машины. Стоимость такого аппарата составляет порядка 95-110 долларов США, что доступно даже рядовому сельскому жителю России. В жаркий период года фермер может использовать аппарат в кабине трактора любой модели и года выпуска, а в остальное время - применять в домашних условиях для вентиляции и увлажнения воздуха (особенно необходимого зимой) в бытовом помещении. В качестве прототипа при разработке инновационного отечественного локального воздухоохладителя используем устройство «Ваву Cool», разработанное фирмой «SАМА» (Франция) в расчёте как на питание 12 В постоянного тока, так и на 220 В переменного тока [4]. Аппарат имеет энергозатраты 50 Вт, сухую массу 5 кг при объёме заливаемой воды 3 л, габаритные размеры 220x450x450 мм. Для осуществления работы аппарата при указанных напряжениях он снабжен встроенным выпрямителем с переменного на постоянный ток. На основе этого и с учётом результатов исследований [1, 2] можно сформулировать следующие технические требования к конструкции тракторного локального воздухоохладителя, приведенные ниже. 1. Питание аппарата должно осуществляться как от бортовой электросети трактора с номинальным напряжением 12 В, так и от бытовой сети переменного тока с напряжением 220 В. 2. Максимальная потребляемая охладителем мощность не должна превышать 50 Вт. 3. Производительность по воздуху аппарата должна осуществляться на двух режимах: максимальная на уровне 120 м3/ч, минимальная на уровне 90 м3/ч при эффективности охлаждения Еа = 0,65-0,7. 4. В качестве аппарата для тепловлажностной обработки воздуха при водоиспарительном охлаждении следует использовать отработанную в конструктивном и технологическом отношениях отечественную интенсифицированную насадку регулярной структуры, выполненную из пластин микропористой пластмассы. 5. Объём ёмкости для воды в охладителе должен быть не менее 3 л. 6. Для подачи воздуха в аппарат следует использовать низконапорный электровентилятор, регулируемый на два указанных выше режима его подачи. 7. Для подачи воды на орошение насадки следует использовать погружной насос. 8. Аппарат должен быть снабжен указателем уровня воды в емкости и устройством для отключения водяного насоса при достижении критически низкого уровня, а также сигнализацией, оповещающей оператора о прекращении работы насоса. 9. Аппарат должен быть снабжен выключателем для изменения режимов работы, вентилятора и выключателем водяного насоса. 10. Аппарат должен быть оборудован поворотными жалюзийными распределителями для регулирования направления потока охлаждённого воздуха. 11. Габаритные размеры аппарата должны быть не более 490 мм по высоте, 270 мм по ширине и 280 мм по глубине (длине). 12. Корпус аппарата должен быть выполнен из пластмассы. 13. Масса аппарата в снаряженном состоянии не должна превышать 8 кг. 14. С учётом сохранения в кабинах тракторов нормируемого уровня шума 80 дБА уровень звука аппарата в режиме максимальной подачи воздуха не должен превышать 70 дБА. Ранее указывалось, что стоимость подобных изделий за рубежом составляет не более 110 долларов США. Такая относительно низкая цена продукции достигнута лишь при ее массовом выпуске, если количество изделий исчисляется сотнями тысяч штук в год. В СССР, когда выпуск тракторов достигал порядка 600 тысяч единиц в год, рентабельность созданных в рамках унифицированного типажа СИСТЕМЫ нормализации микроклимата [5] воздухоохладителей (кондиционеров) кабин могла быть обеспечена при их производстве не менее 100 тысяч штук в год. В настоящее же время производство отечественных тракторов на два порядка ниже указанной цифры. Поэтому и встаёт вопрос о расширении номенклатуры локальных воздухоохладителей, что с учётом зарубежного опыта может быть достигнуто за счет их двойного применения. Однако необходимо определиться с базовой модификацией аппарата, отдавая приоритет модели, которая должна эксплуатироваться самое продолжительное время в течение года с возможностью ее трансформирования в другую. Известно, что продолжительность теплого сезона, когда необходимо охлаждать воздух в кабине, на территории России не превышает 100 дней [4]. В то же время в бытовых условиях существует потребность в аппаратах для увлажнения воздуха (осень, зима, весна). Поэтому будет логичным, если базовая модель водоиспарительного воздухоохладителя (адиабатного увлажнителя) будет рассчитана на питание от сети переменного тока напряжением 220 В. Что же касается модификации аппарата на питание от электросети трактора напряжением 12 В, то в настоящее время с применением в кабинах машин различных приборов, вызвавших необходимость использования напряжения питания 220 В переменного тока, промышленностью стали выпускаться преобразователи (инвенторы) с 12 В постоянного тока на 220 В переменного тока. Например, модель 1N100W фирмы «AVS ENERGY» на 12/220 В имеет габаритные размеры 90х65х35мм и массу порядка 0,15 кг. Важным здесь является то, что инвентор является подсистемой машины и подключается в гнездо прикуривателя, а в корпусе самого инвентора имеется розетка для вилки шнура потребителя. Другое обстоятельство, говорящее в пользу разработки базовой модели охладителя на напряжение 220 В, заключается в следующем. В системах отопления машин обеспечение режимов работы вентилятора осуществляется путем его питания или напрямую от бортовой сети (максимальная подача), или через резисторы (уменьшенная подача). Однако этот приём использовать в нашем случае (при напряжении 12 В) нецелесообразно, поскольку при работе резистора выделяется теплота, воздух поэтому нагревается, и в итоге степень его охлаждения снижается. При переменном же напряжении 220 В для осуществления режима уменьшенной подачи воздуха в электроцепь вентилятора вводится соответствующий конденсатор, который при своей работе не влияет на температуру воздушного потока. Что же касается вентилятора на 220 В, то промышленностью предлагается широкая гамма различных моделей осевых вентиляторов различной производительности, основным назначением которых является обдув теплообменников электронных приборов. Анализ показал, что в нашем случае из перечня таких изделий может быть использован вентилятор типа ЕС1725А2НВТ (разработка - США, производство - Китай), имеющий габаритные размеры 172x150x51 мм при потребляемой мощности 40 Вт. Относительно другого энергопотребляющего узла аппарата, которым является водяной насос, укажем, что промышленностью также предлагается их многочисленная номенклатура для декоративных фонтанчиков и аквариумов, и для нас подходящим является миниатюрный погружной насос «Mini-Water-Pump» Jebao AP-300 (разработка - США, производстве - Китай) с потребляемой мощностью 2,5 Вт. Ответственным узлом аппарата, предопределяющим эффективность тепловлажностной обработки воздуха, является орошаемая насадка регулярной структуры. Ранее разработанные её конструкции [6] были рассчитаны на применение в аппаратах радиального (центробежного) вентилятора [5] и поэтому обладают повышенным аэродинамическим сопротивлением, что нежелательно при использовании в инновационной разработке указанного выше осевого вентилятора, уступающего по аэродинамической характеристике центробежному вентилятору. Поэтому создана новая насадка [7], принципиальное устройство которой и схема формирования в ней воздушных каналов показаны на рисунке 1. Насадка представляет собой пакет пластин толщиной δ, снабженных вертикальными и горизонтальными выступами треугольного сечения высотой hв. При наложении таких пластин друг на друга вершинами выступов образуются воздушные каналы шириной bp. Выбор конструктивных параметров насадки и её функциональных показателей осуществляется с помощью математических выражений [7]: ; (1) ; (2) ; (3) ; (4) . (5) Здесь l – длина (глубина) насадки по ходу потока воздуха, м; F - площадь поверхности испарения пластин в насадке, м2; L – объемный расход воздуха через насадку, м3/с; v скорость воздуха в каналах насадки, м/с; ∆рвл аэродинамическое сопротивление насадки с учётом взаимодействия потоков воздуха и орошающей сверху воды, Па; B = Gw/G - коэффициент орошения (Gw - массовый расход воды через насадку, кг/ч; G - массовый расход воздуха, кг/ч); nв - число вертикальных выступов по ходу потока воздуха, шт; nк -число воздушных каналов в насадке, шт; h - высота насадки, м; b - общая ширина насадки, м. Рисунок 1. Формирование насадки регулярной структуры из пластин мипласта: а - общая схема; б - структура воздушного канала; 1 - поток воздуха; 2 вертикальные выступы пластины; 3 - горизонтальные выступы пластины; 4 воздушный канал; 5 - поток орошающей воды Определение указанных параметров насадки в нашем случае решается при максимальной подаче воздуха Lmaх = 130 м3/ч, среднем значении эффективности Еа = 0,675 и принятых по данным [7] h = 0,15 м, b = 1,5 м/с, В = 0,9, bp = 4·10-3м, nb = 3, δ = 0,7·10-3 м. В результате получено: l = 0,07 м, F = 0,84 м2, ∆рвл = 27,1 Па, nк = 40 шт., b = 0,188 м. Это приемлемо как с точки зрения аэродинамического сопротивления насадки в части использования осевого вентилятора, так и по её габаритным размерам (70x150x188 мм) по условиям размещения в аппарате. Еще один важнейший аспект при создании инновационного локального охладителя обусловлен необходимостью иметь современный пластмассовый корпус, который позволил бы разместить в нём требуемые агрегаты и придал изделию товарный вид, отвечающий требованиям дизайна [8]. Если идти по пути создания оригинальной конструкции корпуса в расчете на изготовление путем литья под давлением, то это повлечет за собой необходимость разработки дорогостоящих прессформ с привязкой их к соответствующим литьевым машинам, что сразу же делает нереальным освоение производства аппарата при создавшихся условиях рыночной экономики в отрасли тракторного машиностроения. Поэтому целесообразным здесь является заимствование подходящего для нашего случая освоенного изделия другого назначения с его необходимой доработкой с помощью универсального оборудования. Анализ показал, что здесь можно базироваться на таком бытовом объекте, как контейнер для канцелярского мусора ХАПС объемом 15 л (производство ООО «М-пластика», Россия), пластмассовые детали которого (бак, крышка, верхняя рамка) удобны для доработки применительно к корпусу охладителя и к тому же производятся в различной цветовой гамме, что дает возможность разнообразить внешний вид изделия. Что же касается остальных комплектующих элементов аппарата, то существует разнообразная их элементная база для автомобилей и бытового использования, которая дает возможность достаточно легко выбрать необходимые для разработки составляющие (конденсатор, звуковой сигнализатор, датчик уровня воды, реле, выключатели, уплотнителя, воздухораспределители и т.п.). На основе изложенного разработан, изготовлен и испытан в лабораторных условиях образец локального инновационного водоиспарительного воздухоохладителя, конструктивная схема которого представлена на рисунке 2. Рисунок 2. Конструктивная схема локального аппарата На рисунке 2: 1 - водяной насос; 2 - нагнетательный шланг; 3 корпус; 4 - насадка; 5 - входная решетка; 6 - сетчатый воздушный фильтр; 7 тёплый воздушный поток; 8 -водораспределитель; 9 - поток орошающей воды; 10 крынка насадки; 11 - перегородка корпуса; 12 - вилка электрошнура; 13 - тумблер вентилятора; 14 - тумблер водяного насоса; 15 - поворотный воздухораспределитель; 16 - охлаждённый воздушный поток; 17 - осевой вентилятор; 18 - крышка; 19 - заливная горловина; 20 - колпачок заливной горловины; 21-втулка; 22 - поддон насадки; 23 - указатель верхнего уровня воды; 24 - прозрачный шланг контроля уровня и слива воды; 25 - уплотнитель шланга В корпусе 3 аппарата установлена насадка 4, размещенная между поддоном 22 и крышкой 10, в передней части которой со стороны воздушного потока 7, поступающего внутрь через входную решетку 5 с сетчатым фильтром 6, смонтирован водораспределитель 8, откуда на фронтальную часть насадки 4 тонкими струями поступает поток 9 орошающей воды, подаваемой по нагнетательному шлангу 2 насосом 1, погруженным в воду, залитую в корпус 3 аппарата через горловину 19, закрытую в рабочем режиме завинчивающимся колпачком 20. Уровень воды контролируется с помощью прозрачного гибкого шланга 24, нижний конец которого герметично закреплён в нижней части корпуса 3 с помощью уплотнителя 25. На шланге 24 установлено цветное кольцо - указатель 23 верхнего уровня воды, который виден через его прозрачные стенки. Шланг 24 служит также в качестве сливного, если его верхний конец вытащить из втулки 21, через отверстие в которой он свободно проходит, и опустить в какую-либо вспомогательную ёмкость. В верхней части корпуса 3 на наклонной перегородке 11 смонтирован осевой вентилятор 17, а сам корпус закрыт крышкой 18, на которой напротив колеса вентилятора установлены поворотные воздухораспределители 15 (на схеме показан только один из трёх имеющихся) с наклонными жалюзи для направления обработанного воздушного потока 16 на человека, а также размещены тумблер 14 водяного насоса 1 и тумблер 13 вентилятора 17. Для соединения аппарата с электросетью напряжением 220 В служит электрошнур с вилкой 12. Аппарат снабжен системой защиты насоса (не показана) от выхода его из строя в случае попытки включения при отсутствии воды или недостаточного её уровня в корпусе 3. При такой нештатной ситуации насос автоматически отключается от электросети, и одновременно включается звуковой сигнал, извещающий об этом потребителя. Как следует из приведенного, в стенках бака контейнера ХАПС, являющегося корпусом 3 аппарата, необходимо выполнить прямоугольный проём под размеры сетчатого воздушного фильтра 6 и круглые отверстия под заливную горловину 19 и закрепления в них втулки 21 и уплотнителя 25. В крышке же и в верхней рамке контейнера ХАПС, образующих в сборе крышку 18 аппарата, необходимо выполнить круглые отверстия для монтажа воздухораспределителей 15 и уплотнителя для ввода электрошнура с вилкой 12, а также двух прямоугольных отверстий для фиксации в них тумблеров 13 и 14. Кроме этого, в указанных деталях контейнера ХАПС необходимо просверлить необходимые отверстия для монтажных винтов и саморезов, скрепляющих элементы аппарата. Как отмечалось, такая доработка исходных деталей ХАПС может быть произведена с помощью простейшего универсального оборудования специалистами средней квалификации. В подтверждение этому Михайловым В.А. в домашних условиях изготовлена партия локальных воздухоохладителей в количестве 15 штук для оценки их работоспособности и эффективности использования различными потребителями. В этом плане стоит отметить, что один из образцов аппарата испытывался в МАДИ (ГТУ) и получил положительную оценку [9]. Второй образец используется в учебном процессе в Университете машиностроения при изучении дисциплины «Процессы и аппараты очистки атмосферных выбросов» [10]. В таблице 1 представлены конструктивные и функциональные характеристики инновационного локального аппарата. Таблица 1 Технические характеристики локального воздухоохладителя Показатель Значение Производительность по воздуху, м3/ч: - при нормальном режиме 125 - при пониженном режиме 100 Температурный коэффициент эффективности Еа 0,66 Номинальное напряжение, В: - переменный ток 220 - постоянный ток 12 Максимальная потребляемая мощность, Вт 45 Габаритные размеры, мм: - ширина 258 - глубина 274 - высота 474 Масса (сухая), кг 3,6 Количество заливаемой воды, л 4,0 Максимальный уровень звука, дБА 58 В заключении укажем, что опыт изготовления партии инновационных локальных воздухоохладителей показал: в силу конструктивной и технологической отработки их можно на достаточно качественном уровне производить на малом предприятии (например на территории Университета машиностроения), поскольку для этого нет необходимости в уникальном оборудовании и специальных цеховых помещениях.

About the authors

V. A. Mikhailov

Moscow State Unviersity of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: avt@mami.ru
Dr.Eng., Prof.; +7-495-223-05-23, ext. 1587

N. N. Sharipova

Moscow State Unviersity of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: avt@mami.ru
Ph.D.; +7-495-223-05-23, ext. 1587

E. V. Klimova

Moscow State Unviersity of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: avt@mami.ru
+7-495-223-05-23, ext. 1587

References

Supplementary files