關于工程車輛駕駛艙采暖功率計算的探討

2018-03-12 05:13:41王海庭

汽車電器 2018年2期

王海庭

（江蘇柳工機械有限公司，江蘇鎮江 212005）

隨著社會的發展和國內基礎建設的不斷推進，以及后期維護配套設施的不斷完善，越來越多的鄉村及市政應用了更多的工程機械。工程機械也發展得越來越適應全國范圍不同地域和不同環境的要求。工程機械的操作手也對整機的舒適性要求越來越高。例如冬季采暖這項指標已被絕大多數人認識到。

下面以挖掘裝載機作為研究對象，共同了解一下這類工程機械的駕駛艙采暖需要考慮哪些方面。

挖掘裝載機的駕駛艙與家用小汽車的車廂環境考慮的因素大致是相仿的，通過研究汽車車廂的受熱平衡，來模擬挖掘裝載機駕駛艙的制熱負荷。但是由于挖掘裝載機本身是工程機械，所以有其特有的客觀因素需要區別對待。

國內大多數工程機械廠家在挖掘裝載機的駕駛艙設計制造方面，結構基本較為接近，都是由金屬骨架、表面蒙皮、鋼化玻璃、內部的塑料或紡織裝飾件、PE發泡保溫材料、駕駛艙地墊和電器元件等構成，所以整個駕駛艙的采暖功率比較難以精確計算。

在核定駕駛艙的采暖功率時，會采用前人的經驗，事先對環境因素進行預設定及一些特定條件進行簡化。

1 駕駛艙制熱負荷的分類及取值

通常情況下，駕駛艙與外界環境的熱能量傳遞有導熱、對流和輻射3種類型。

一般情況下，外部環境是在時刻不斷變化的，并且機器在工作時，其周圍環境也是不斷變化的，它們之間的熱能傳遞也處于非常不穩定的狀態。

在中國適合冬季鏟掘作業的地區，環境溫度一般人為設定在-12℃。由于冬天的土質在受凍結冰后很硬，不太適合進行鏟掘作業，但是考慮到施工進度等方面問題，大多數情況下在-12℃以下還是會有人員進行野外施工。因此，本文設定的冬季野外環境溫度為-15℃。

根據適合人員工作的舒適溫度為16～25℃的要求，我們進行了綜合評估，既要考慮到人員的舒適性，也要考慮到整機的運行功耗。根據CE標準規定，要求在寒冷環境下，能夠將駕駛艙內溫度提升至并保持于18℃及以上，并且供熱系統應至少具有在30 min內升溫25℃的加熱能力。綜合評定后，將駕駛艙內的基礎環境溫度設在18℃左右，設定完成后就需要對駕駛艙內部進行加溫了。

雖然供暖會使駕駛艙內溫度迅速提高，但是供暖一旦停止，必然會通過熱傳遞由高溫向低溫傳熱，很快駕駛艙內部熱量就會被外界的環境溫度同化。所以還需要持續地向駕駛艙內加熱，來平衡駕駛艙內的舒適溫度區域向低溫區域的熱傳遞消耗，保證操作者的舒適性。

為了了解駕駛艙的熱消耗，必須知道哪些方面會對駕駛艙的熱能產生消耗（包括正消耗和負消耗）。

從傳熱方面，必須考慮到：①外部環境與駕駛艙的覆蓋件形成的熱傳遞；②通過玻璃與駕駛艙造成熱量傳遞的下降；③漏風或新風對駕駛艙造成的熱量損失；④機器本身的熱輻射對駕駛艙采暖造成的影響； ⑤駕駛人員身體、駕駛艙內用電器件散發的熱量對駕駛艙升溫的貢獻等。

與上面的這些影響相關的因素如鐵件與玻璃的傳熱系數、空氣密度等參數值，預先可在其他工具書中查得，在下文中會直接給出，不再進行詳細說明。

按照以上的分析，本文規定采暖系統的熱消耗能量一般由以下幾部分構成

式中：QH——駕駛艙實際制熱功率；K——功率儲備系數，取1.1～1.5；Q′H——駕駛艙計算制熱功率；Qa——駕駛艙頂部消耗的熱功率；Qb——通過玻璃導熱消耗的熱功率；Qc——駕駛艙四周消耗的熱功率；Qd——駕駛艙受熱區域消耗的熱功率；Qe——冷空氣傳入駕駛艙消耗的熱功率；Q′p——人體散發的熱功率；Qf——駕駛艙前風窗除霜消耗的熱功率。

一般情況，設定如下：駕駛艙內舒適溫度為tb=16～18℃，外部環境溫度一般地區取值：tH=-15℃，此溫度可以根據具體的實際環境溫度值進行設定。

1）駕駛艙頂部消耗的熱功率Qa一般是由駕駛艙頂部外表面鐵皮、油漆組成，內部有一些頂內飾，由于工程機械內飾的隔溫性能較差，可以與頂蒙皮綜合一起考慮。所以利用以下公式可以算出駕駛艙頂部消耗熱功率Qa

式中：Qa——駕駛艙頂部消耗熱功率，W；Ka——駕駛艙頂部的傳熱系數，一般取值為1.5 W/（m2·K），此值為經驗值，讀者可以根據實際情況查找資料進行完善，或者根據汽車的車身頂部傳熱系數公式計算；Fa——駕駛艙頂部面積，m2；Δta——駕駛艙頂部內外空氣溫差℃。駕駛艙內頂部溫度一般應在室內平均溫度上增加5～10 ℃，主要是根據一般情況下熱氣流上升的原則而定的。如果遇到非常寒冷的地區，可以根據實測來確定駕駛艙內頂部溫度值。

2）通過玻璃導熱消耗的熱功率Qb駕駛艙四周的玻璃窗和玻璃門由內部向外部傳熱，使得駕駛艙內的熱能損失的功率。采用以下公式進行計算

式中：Qb——通過玻璃導熱消耗的熱功率，W；Kb——駕駛艙玻璃的傳熱系數，一般取值為6.4 W/（m2·K）；Fb——駕駛艙四周的玻璃面積，m2；Δtb——駕駛艙內的舒適溫度與外部環境的溫差，℃。

3）駕駛艙四周消耗的熱功率Qc由駕駛艙四周外表面鐵皮、油漆組成，內部有一些內飾，由于工程機械內飾的隔溫性能較差，可以與四周金屬圍板蒙皮綜合一起考慮。所以利用以下公式可以算出駕駛艙四周金屬圍板消耗負荷

式中：Qc——駕駛艙四周消耗的熱功率，W；Fc——駕駛艙四周金屬圍板面積，m2；Kc——傳熱系數，是駕駛艙四周金屬圍板的傳熱系數，一般取值為1.5 W/（m2·K）；Δtc——駕駛艙內的舒適溫度與外部環境的溫差，℃。

4）駕駛艙受熱區域消耗的熱功率Qd由發熱部件或發動機艙，與駕駛艙相接觸的面積或輻射的面積，所產生的熱消耗。此面積在寒冷的冬季時，是向駕駛艙進行加溫，但是由于環境及結構的影響，不可能將100%的熱能傳遞給駕駛艙，只能減少駕駛艙向外的熱輻射。此時駕駛艙此部分的溫度會比外部環境溫度高8～10℃左右。利用以下公式可以算出駕駛艙受熱區域消耗的負荷

式中：Qd——駕駛艙受熱區域消耗的熱功率，W；Fd——駕駛艙受熱區域面積，m2；Δtd——駕駛艙內外靠近地板處的溫差，℃，可以用駕駛艙內部的舒適溫度值減去駕駛艙受輻射部分的外部環境溫度算出；Kd——傳熱系數，一般取值為8.14 W/（m2·K）。

5）冷空氣傳入駕駛艙消耗的熱功率Qe主要是由新風和整機運動過程中的漏風造成的熱量損失。新風是人為送入外部的新鮮空氣進入密閉的駕駛艙內，提供駕駛員充足的氧氣需求，保證人員正常呼吸所用。漏風是指由于駕駛艙的密閉性不好，在整機運動或靜止時，外界的冷空氣通過縫隙進入到駕駛艙內部。所以利用以下公式可以算出駕駛艙受外界冷空氣傳入消耗的負荷

式中：Qe——冷空氣傳入駕駛艙消耗的熱功率，W；Ge——進入到駕駛艙的新風和漏風量的總和，m3/h；ρ——空氣密度，kg/m3，一般取值1.29；C——空氣熱比容，kJ/kg風量，一般取值1.007；△te——駕駛艙內的舒適溫度與外部環境的溫差，℃。

6）人體散發的熱功率 Q′p人體的散熱能力與自身的性別、穿衣多少、年齡、勞動強度、周圍環境溫度等多種客觀條件都有關系。一般資料推薦駕駛員按照145 W/人計，乘員按116 W/人計。因研究的是工程機械駕駛室，駕駛人員只有1人，并且在冬季，人員穿著較厚，人體溫度被厚衣物保持，所以取值為116W。計算公式如下

由于人體的散熱對于采暖有一定的貢獻，所以在計算采暖功率時需要將其減去。

7）駕駛艙前風窗除霜消耗的熱功率Qf在冬季的霜雪天氣，駕駛艙的擋風玻璃上一般都會結霜，影響視線，必須清除才能工作。利用以下公式可以算出駕駛艙前風窗除霜消耗的負荷

式中：Qf——駕駛艙前風窗除霜消耗的熱功率，W；Gf——除霜風量，m3/h，先要根據選用的前除霜出風風口的外形，計算出風口的實際面積，根據鼓風機的排量，計算出風口的風速，通過出風口面積×風速×時間，計算出除霜風量；ρ——空氣密度，kg/m3，一般取值1.29；C——空氣熱比容，kJ/kg風量，一般取值1.007；△tf——駕駛艙內的溫度與外部環境的溫差，℃。

所以駕駛艙制熱負荷構成：Q′H＝Qa＋Qb＋Qc＋Qd＋Qe＋Q′p＋Qf，QH＝K×Q′H。

通過以上理論計算得出駕駛艙制熱負荷。