宿營車車箱氣暖加熱裝置設計

黃功平 袁亮

一汽解放汽車有限公司 吉林長春 130011

宿營車車箱氣暖加熱裝置設計

黃功平 袁亮

一汽解放汽車有限公司 吉林長春 130011

1 前言

在野外執行抗洪、搶險、救援或在市區執行維穩等任務時，為了保障人員的安全及身體健康，提供溫暖舒適的宿營場所，特在載貨汽車的基礎上開發了一款集物資轉運及野外宿營功能于一體的多功能載貨式宿營車，并裝備了一種新型的車箱氣暖加熱裝置，該裝置可使車箱內溫度均勻上升，溫升最高可達37℃，非常適合在我國北方地區使用。該車箱氣暖加熱系統已獲批國家實用新型專利，專利號：ZL 2014 2 0457997.9。

2 與水式加熱裝置對比

水式加熱裝置通過加熱器燃燒柴油產生的熱量加熱發動機的冷卻液，水泵將高溫冷卻液輸送到車箱的散熱器，通過散熱器加熱車箱冷空氣進行取暖，水式加熱裝置布置如圖1所示。由于散熱器集中布置在車箱前部，需要通過風扇將熱空氣吹向車箱各處，這樣就會出現加熱不均勻，吹風速度快等問題，無法滿足乘員冬季宿營時的舒適性要求。

新設計的氣暖加熱裝置正好解決了上述問題。其工作過程為：兩組氣暖加熱器燃燒柴油產生熱量用以加熱車箱內的冷空氣，熱空氣通過風道吹到車箱各處，車箱內溫度均勻、溫升速度快、熱風風速低、噪聲小、燃燒充分、熱效率高，舒適性大幅提高。

3 設計與開發

3.1 裝置組成及在整車上的布置

氣暖加熱裝置由蓄電池、油箱、加熱器、控制面板、風道等組成。裝置布置如圖2所示，空氣加熱器電磁泵、車箱獨立供電蓄電池等安裝在底盤上，電磁泵從車輛左側油箱取油。兩組空氣加熱器橫向布置在車箱前板處，用防護罩進行保護。風道總成分別布置在車箱左右兩側的邊板處，從車箱前端延伸至車箱尾端，風道與對應的空氣加熱器通過過渡軟管連接。控制開關布置在車箱前板上部左、右側的車箱照明燈附近。氣暖加熱裝置組成如圖3所示。

3.2 選型計算[1]

3.2.1 加熱器選型

3.2.1.1 熱平衡關系

加熱器主要為加熱車箱內空氣提供熱量，要在克服通過車輛外表面向外界環境散熱的同時，使車箱內空氣溫度保持在合理范圍內，這時的熱平衡關系可表示為：

式中，Wk為加熱器功率，kW；t為加熱時間，s；Q1為車箱壁面導熱散失的熱量；Q2為車箱換氣散失的熱量；Q3為預熱車箱空氣所需熱量。

3.2.1.2 車箱導熱散失的熱量

車箱導熱散失的熱量公式：

式中，Kp為車箱平均傳熱系數，W/(㎡·℃)；S為車箱總體散熱面積，㎡；ΔT為車箱內外溫度差，℃，取ΔT=35℃；t為加熱時間，h，t=0.5 h；Ki為車箱各壁面傳熱系數，W/(㎡·℃)；Si為車箱各壁面的傳熱面積，㎡，篷布為76.5 ㎡，木板和鐵板均為18 ㎡；S為車箱總體散熱面積，㎡，由于箱體薄，內外表面積近似相等，取S=112.5㎡。

式中，αn為內壁散熱系數，由于車箱內空氣屬于強制循環，取αn=23 W/(㎡·℃)；δi為車箱各壁面隔熱材料厚度，m，篷布厚度為0.012 m，箱體木板厚度為0.025 m，箱體鐵板厚度為0.002 m；λi為車箱各壁面隔熱材料傳熱系數，W/(㎡·℃)，篷布為0.03 W/(㎡·℃)，木板為0.38 W/(㎡·℃)，鐵板為50 W/(㎡·℃)；αw為箱體外壁散熱系數，當車箱外空氣流速V＜2.56 m/s時，αw=29 W/(㎡·℃)[2]。

由式(5)得出，車箱各壁面傳熱系數分別為K篷布=2.1 W/(㎡·℃)，K木板= 7.15 W/(㎡·℃)，K鐵板=14.29 W/(㎡·℃)。由式(3)、(4)得出，Kp= 4.86 W/(㎡·℃)，Q1=9 563.63 kJ。

3.2.1.3 車箱換氣散失的熱量

車箱換氣散失的熱量公式：

式中，β為箱體漏氣附加散熱系數，由于箱體密封性差，β=1。

由式(6)得出，車箱換氣散失的熱量Q2=9 563.63 kJ。

3.2.1.4 預熱車箱空氣所需熱量

預熱車箱空氣所需的熱量公式：式中，Cp為空氣的比熱容，1.01kJ/(kg·℃)，m為車箱內空氣質量，m=80.68 kg。

由式(7)得出，預熱車箱空氣所需熱量Q3=2 852 kJ。

3.2.1.5 所需總熱量

由式(1)得出，所需總熱量Q總=21 979.26 kJ。

3.2.1.6 加熱器功率

由式(2)得出，加熱器功率（30 min車箱達到平衡溫度）Wk= Q總/t=12.21 kW。

國內某加熱器廠家的可選機型如表1所示。

表1 加熱器型號及參數

根據計算結果，選擇兩個型號為FJH-7D的加熱器，發熱功率：2×7 kW＞12.21 kW，符合計算要求。

3.2.2 風道設計

在車箱地板兩側布置風道。單側風道由前后兩段組成，長為5 690 mm，兩側帶出風口共20組，如圖4所示。風道設計為等腰梯形截面，結構穩定，在其兩個腰面上開有出風口，可以將熱風向斜上方向吹出，避免直吹乘員的頭部。風道上安裝有滑塊，可獨立調節出風口風量大小。為防止風道過熱燙傷乘員，在風道及滑塊之間加裝了環保型的隔熱材料，如圖5所示。

應用CFD分析軟件對風道各出風口的風速進行模擬計算[3]，結果如圖6、7所示，出口的平均風速為5.8 m/s，從前至后風速均勻、緩慢增大。

4 樣車性能測試

4.1 宿營車箱加熱裝置性能測試

為驗證車箱氣暖加熱裝置在不同環境溫度的性能，設計人員分別在車間內和室外空曠場地對樣車進行了三次測試。首先根據經驗分別在車箱前部和后部各確定三個測量點，測量點的選取如圖9所示。第一次測試時車箱底板未密封，第二次測試時車箱底板鋪單層帆布密封，第三次測試時車箱底板鋪薄棉被密封。三次測試數據整理如圖11所示，試驗結果如表2所示。

表2 車箱氣暖加熱裝置性能測試表

以第二次測試為例，對六個測溫點測得的試驗數據進行處理，測試結果如圖12所示。

測試結果顯示，車箱前部、后部溫度差為2～4℃，溫度均勻，符合宿營需求。

4.2 加熱器噪聲試驗[4]

噪聲測定：要求車箱換氣扇打開。

a. 測量點選取：如照圖11所示，選取測量點；

b. 記聲儀放置：由于現行無此類宿營車型關于車箱噪聲的相關標準，車輛在使用中基本用途與臥鋪客車類似，故在測量加熱系統噪聲時，選擇參考GB/T 25982-2010中對臥姿、坐姿的記聲儀放置高度的要求，記聲儀應分別放置在距車箱底板高(0.20±0.02) m處及(1.10±0.05) m處；測量加熱器噪聲時，記聲儀應放置放在加熱器風機軸線上距風機外邊緣(0.10±0.02)m處，記聲儀放置高度如圖13所示；

c. 分三種工況對系統進行噪聲測量。

試驗結果如表3所示。結果顯示，車箱內噪聲符合GB/T 25982-2010《客車車內噪聲限值及測量方法》中規定噪聲限值≤72 dB(A)的要求。

表3 車箱噪聲試驗結果表 單位:dB(A)

5 結語

該宿營車車箱獨立氣暖加熱裝置，經過樣車測試，可以有效提升車輛野外宿營的低溫環境適應性，特別適合在我國北方地區冬季使用。但該車也存在不足，由于車箱采用鐵木混合結構，箱板結合處存在縫隙，車箱內外空氣對流嚴重，熱量損失較大。在后續產品升級中需要進一步對車箱密封性及車箱材質方面進行研究改善。

[1] 徐達,蔣崇賢.專用汽車結構與設計[M].北京:北京理工大學出版社,1998.

[2] 崔靖.專用汽車設計[M].西安:陜西科學技術出版社,1989.

[3] 李明,李明高. STAR-CCM+與流場計算[M].北京:機械工業出版社,2011.

[4] GB/T 25982-2010.客車車內噪聲限值及測量方法[S].

Carriage Air Heating Device Design in Camping Truck

HUANG Gong-ping et al

針對用戶在北方冬季野外宿營時，使用宿營車供暖的需求，設計了一種利用氣暖加熱器加熱空氣，并通過風機和風道傳送到車箱各處以均勻加熱宿營車箱的新型加熱裝置。本裝置安裝空間小，實車改制方便，實施費用低，大幅提升了宿營車的野外環境適應性。

宿營車箱 氣暖加熱裝置 性能測試 選型計算

When using camping truck in winter in the northern China, heating carriage is required. New camping truck carriage heating device was designed to heat air, and hot air would to transmit around the carriage through the duct. This device requires small installation space, convenient to modify and low cost, which improves the environmental adaptability of camping.

camping truck carriage;warm air heating device;performance test; selection calculation

U469.6+93.03

A

1004-0226(2016)11-0098-04

黃功平，男，1979年生，高級工程師，現從事專用汽車研發及技術管理工作。

2016-08-26