宿營(yíng)車車箱氣暖加熱裝置設(shè)計(jì)

黃功平 袁亮

一汽解放汽車有限公司 吉林長(zhǎng)春 130011

宿營(yíng)車車箱氣暖加熱裝置設(shè)計(jì)

黃功平 袁亮

一汽解放汽車有限公司 吉林長(zhǎng)春 130011

1 前言

在野外執(zhí)行抗洪、搶險(xiǎn)、救援或在市區(qū)執(zhí)行維穩(wěn)等任務(wù)時(shí)，為了保障人員的安全及身體健康，提供溫暖舒適的宿營(yíng)場(chǎng)所，特在載貨汽車的基礎(chǔ)上開發(fā)了一款集物資轉(zhuǎn)運(yùn)及野外宿營(yíng)功能于一體的多功能載貨式宿營(yíng)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(nèi)溫度均勻上升，溫升最高可達(dá)37℃，非常適合在我國(guó)北方地區(qū)使用。該車箱氣暖加熱系統(tǒng)已獲批國(guó)家實(shí)用新型專利，專利號(hào)：ZL 2014 2 0457997.9。

2 與水式加熱裝置對(duì)比

水式加熱裝置通過加熱器燃燒柴油產(chǎn)生的熱量加熱發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)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(fēng)扇將熱空氣吹向車箱各處，這樣就會(huì)出現(xiàn)加熱不均勻，吹風(fēng)速度快等問題，無法滿足乘員冬季宿營(yíng)時(shí)的舒適性要求。

新設(shè)計(jì)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(chǎn)生熱量用以加熱車箱內(nèi)的冷空氣，熱空氣通過風(fēng)道吹到車箱各處，車箱內(nèi)溫度均勻、溫升速度快、熱風(fēng)風(fēng)速低、噪聲小、燃燒充分、熱效率高，舒適性大幅提高。

3 設(shè)計(jì)與開發(fā)

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(fēng)道等組成。裝置布置如圖2所示，空氣加熱器電磁泵、車箱獨(dú)立供電蓄電池等安裝在底盤上，電磁泵從車輛左側(cè)油箱取油。兩組空氣加熱器橫向布置在車箱前板處，用防護(hù)罩進(jìn)行保護(hù)。風(fēng)道總成分別布置在車箱左右兩側(cè)的邊板處，從車箱前端延伸至車箱尾端，風(fēng)道與對(duì)應(yīng)的空氣加熱器通過過渡軟管連接。控制開關(guān)布置在車箱前板上部左、右側(cè)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(jì)算[1]

3.2.1 加熱器選型

3.2.1.1 熱平衡關(guān)系

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

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

3.2.1.2 車箱導(dǎo)熱散失的熱量

車箱導(dǎo)熱散失的熱量公式：

式中，Kp為車箱平均傳熱系數(shù)，W/(㎡·℃)；S為車箱總體散熱面積，㎡；ΔT為車箱內(nèi)外溫度差，℃，取ΔT=35℃；t為加熱時(shí)間，h，t=0.5 h；Ki為車箱各壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，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(nèi)外表面積近似相等，取S=112.5㎡。

式中，αn為內(nèi)壁散熱系數(shù)，由于車箱內(nèi)空氣屬于強(qiáng)制循環(huán)，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(shù)，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(shù)，當(dāng)車箱外空氣流速V＜2.56 m/s時(shí)，αw=29 W/(㎡·℃)[2]。

由式(5)得出，車箱各壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)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(shù)，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(yù)熱車箱空氣所需熱量

預(yù)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(nèi)空氣質(zhì)量，m=80.68 kg。

由式(7)得出，預(yù)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(dá)到平衡溫度）Wk= Q總/t=12.21 kW。

國(guó)內(nèi)某加熱器廠家的可選機(jī)型如表1所示。

表1 加熱器型號(hào)及參數(shù)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇兩個(gè)型號(hào)為FJH-7D的加熱器，發(fā)熱功率：2×7 kW＞12.21 kW，符合計(jì)算要求。

3.2.2 風(fēng)道設(shè)計(jì)

在車箱地板兩側(cè)布置風(fēng)道。單側(cè)風(fēng)道由前后兩段組成，長(zhǎng)為5 690 mm，兩側(cè)帶出風(fēng)口共20組，如圖4所示。風(fēng)道設(shè)計(jì)為等腰梯形截面，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在其兩個(gè)腰面上開有出風(fēng)口，可以將熱風(fēng)向斜上方向吹出，避免直吹乘員的頭部。風(fēng)道上安裝有滑塊，可獨(dú)立調(diào)節(jié)出風(fēng)口風(fēng)量大小。為防止風(fēng)道過熱燙傷乘員，在風(fēng)道及滑塊之間加裝了環(huán)保型的隔熱材料，如圖5所示。

應(yīng)用CFD分析軟件對(duì)風(fēng)道各出風(fēng)口的風(fēng)速進(jìn)行模擬計(jì)算[3]，結(jié)果如圖6、7所示，出口的平均風(fēng)速為5.8 m/s，從前至后風(fēng)速均勻、緩慢增大。

4 樣車性能測(cè)試

4.1 宿營(yíng)車箱加熱裝置性能測(cè)試

為驗(yàn)證車箱氣暖加熱裝置在不同環(huán)境溫度的性能，設(shè)計(jì)人員分別在車間內(nèi)和室外空曠場(chǎng)地對(duì)樣車進(jìn)行了三次測(cè)試。首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分別在車箱前部和后部各確定三個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)的選取如圖9所示。第一次測(cè)試時(shí)車箱底板未密封，第二次測(cè)試時(shí)車箱底板鋪單層帆布密封，第三次測(cè)試時(shí)車箱底板鋪薄棉被密封。三次測(cè)試數(shù)據(jù)整理如圖11所示，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 車箱氣暖加熱裝置性能測(cè)試表

以第二次測(cè)試為例，對(duì)六個(gè)測(cè)溫點(diǎn)測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

測(cè)試結(jié)果顯示，車箱前部、后部溫度差為2～4℃，溫度均勻，符合宿營(yíng)需求。

4.2 加熱器噪聲試驗(yàn)[4]

噪聲測(cè)定：要求車箱換氣扇打開。

a. 測(cè)量點(diǎn)選取：如照?qǐng)D11所示，選取測(cè)量點(diǎn)；

b. 記聲儀放置：由于現(xiàn)行無此類宿營(yíng)車型關(guān)于車箱噪聲的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，車輛在使用中基本用途與臥鋪客車類似，故在測(cè)量加熱系統(tǒng)噪聲時(shí)，選擇參考GB/T 25982-2010中對(duì)臥姿、坐姿的記聲儀放置高度的要求，記聲儀應(yīng)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(cè)量加熱器噪聲時(shí)，記聲儀應(yīng)放置放在加熱器風(fēng)機(jī)軸線上距風(fēng)機(jī)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行噪聲測(cè)量。

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。結(jié)果顯示，車箱內(nèi)噪聲符合GB/T 25982-2010《客車車內(nèi)噪聲限值及測(cè)量方法》中規(guī)定噪聲限值≤72 dB(A)的要求。

表3 車箱噪聲試驗(yàn)結(jié)果表 單位:dB(A)

5 結(jié)語

該宿營(yíng)車車箱獨(dú)立氣暖加熱裝置，經(jīng)過樣車測(cè)試，可以有效提升車輛野外宿營(yíng)的低溫環(huán)境適應(yīng)性，特別適合在我國(guó)北方地區(qū)冬季使用。但該車也存在不足，由于車箱采用鐵木混合結(jié)構(gòu)，箱板結(jié)合處存在縫隙，車箱內(nèi)外空氣對(duì)流嚴(yán)重，熱量損失較大。在后續(xù)產(chǎn)品升級(jí)中需要進(jìn)一步對(duì)車箱密封性及車箱材質(zhì)方面進(jìn)行研究改善。

[1] 徐達(dá),蔣崇賢.專用汽車結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1998.

[2] 崔靖.專用汽車設(shè)計(jì)[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1989.

[3] 李明,李明高. STAR-CCM+與流場(chǎng)計(jì)算[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[4] GB/T 25982-2010.客車車內(nèi)噪聲限值及測(cè)量方法[S].

Carriage Air Heating Device Design in Camping Truck

HUANG Gong-ping et al

針對(duì)用戶在北方冬季野外宿營(yíng)時(shí)，使用宿營(yíng)車供暖的需求，設(shè)計(jì)了一種利用氣暖加熱器加熱空氣，并通過風(fēng)機(jī)和風(fēng)道傳送到車箱各處以均勻加熱宿營(yíng)車箱的新型加熱裝置。本裝置安裝空間小，實(shí)車改制方便，實(shí)施費(fèi)用低，大幅提升了宿營(yíng)車的野外環(huán)境適應(yīng)性。

宿營(yíng)車箱 氣暖加熱裝置 性能測(cè)試 選型計(jì)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(jí)工程師，現(xiàn)從事專用汽車研發(fā)及技術(shù)管理工作。

2016-08-26