轿车热负荷计算示例

雷诺轿车空调系统制冷热负荷计算书编写：侯海焱 日期校核：陈孟湘 日期2004/10/292004/10/31批准：.设计参数：车外温度：tH=40r，相对湿度：0=60%车内温度:tB=27°c，相对湿度:0=58%车内成员数：N=5人，车内新风量:V=N*V1=5*11=55m3/h太阳辐射强度：tH=40c时，水平面上太阳辐射强度I=1000W/m?车速:v=40km/h.附加说明。计算制冷量时所取的车厢内容积为：V=2.5X1.3X1.09=3.543m3。车内有二排座位，没有行李箱。所取的计算空间如图所示：.制冷热负荷计算由于车外温度高于车内，加上太阳辐射的作用，有大量热量会通过车身壁面、车窗等传入车内。同时，乘员的汗热和湿热也会使车内温度升高。可见，影响车内热负荷的因素很多。综合各种因素，车身热平衡的方程式表达如下：+QlQe二QB+£+QV+QP++Qla1Qe式中：a1Q-储备系数，取a式中：a1Q1制冷机产生的冷量；Q——车身总热负荷；eQ——车体传入热量；BQ——玻璃传入热量GQV新风热；Q——人体热；PQ——用电设备散热量；MQ——车内零件散热量。L现在分别计算各部分的热负荷。一、通过车身壁面传入的热量车身壁面包括顶板、侧壁面、地板、前围(发动机罩壁在车厢内部分)、后围等几部分组成。即车身壁面热负荷表达式为：顶板Q—Q+Q +Q+Q»+Q顶板■车身壁面多属均匀壁面，，因此，它的传热可以按照多层均匀壁面传热计算。中，顶板、侧壁面、地板、后围的传热量计算公式如下：Q—KF(t-1)iiiHB式中：Q——分别表示顶板、侧壁面、地板、后围的传热量；iK——分别表示顶板、侧壁面、地板、后围的传热系数；iF——分别表示顶板、侧壁面、地板、后围的传热面积；it——车外空气温度，这里取为tH=40r；HHt——车内空气温度，这里取为tB=27r；BB■对于前围，由于发动机室的温度远高于车外空气温度，所以这里的传热可以单独考虑。计算时按照如下公式：Q—KF(t-t)i iiFB式中：Q――前围的传热量；iK――前围壁面的传热系数；iF――前围的传热面积；it――发动机室内空气的温度；Ft——车内空气温度，这里取为tB=27r；BB1、车身壁面传热系数K的计算传热系数K与车身内、外表面放热系数及隔热层热阻有关，由于车身各壁面的条件不同(比如壁面外表面温度、车身隔热措施等差别很大)，所以车身各壁面的传热系数K是不同的。要分别计算各部分的传热系数K。ii■对于车顶板、侧壁面、地板、后围，传热系数计算式如下；K— TOC\o"1-5"\h\zi1 5 1+厶丄+ -a 九aH i B式中：a——外表面放热系数，与表面相对气流速度有关。当车速为v=40km/hH时，可取a~146kJ/(m2・h・€)。

a——内表面放热系数，在汽车空调状态，可取a~60kJ/(m?・h・t)。BB5 隔热材料厚度(m)。九——隔热材料导热系数W/(m・°c)o■对于前围，传热系数可以按照下式计算：iB式中：a——表示发动机侧壁面对流放热系数，取a=100kJ/(m?・h・c);FFa——车身内表面放热系数，在汽车空调状态，取a~60kJ/(m?・h・c)。BB5 隔热材料厚度(m)。九——隔热材料导热系数W/(m・C)。⑴、顶板■计算中，对顶板的构成进行了简化，取其厚度为30血。并具有以下结构：1mm钢板+24mm空气夹层+5mm内饰板各材料导热系数如下：钢板——九=54W/(m・c);空气——九=6.4W/(m・c);内饰板——取经验数据，九=0.03W/(m・c)。对于这部分结构，可以按照多层均匀平壁计算，代入各材料厚度及导热系数则有：K=1y15 1乂ia九aK=1y15 1乂ia九aH iB■车身顶板处有些结构，丄+0.047+—146 60金属面直接和内饰板相连，中间没有空气夹层，则该部分构成为：1mm钢板+5mm内饰板各部分材料导热系数同上。则传热系数为：K=—2 1V5 1 1a 九K=—2 1V5 1 1a 九aH i B顶板的外表面积为F顶=属面和内饰板直接相连考虑，则车顶板的传热系数为：146 601.95*1.00=1.95m?。则车顶板的传热系数为：146 601.95*1.00=1.95m?。计算中，取车身侧壁面的1/5为金其余部分按照多层均匀平壁计算。VKFK二 」=14.12kJ/(m・h・c)顶 F(2)、车身侧壁面、后围

■由于车身侧壁面和后围结构相近，计算时按照相同结构进行处理。将其构成进行了简化，取其厚度为100血。并具有以下结构:1mm钢板+94mm空气夹层+5mm内饰板各材料导热系数如下：钢板——九=54W/(m・t);空气——九=6.4W/(m・t);内饰板——取经验数据，九=0.03W/(m・t)。对于这部分结构，可以按照多层均匀平壁计算，代入各材料厚度及导热系数15 15 1+厶-+a 九a二 二13.51kJ/(m?・h・t)—+0.050+—146 60HiB■车身侧壁和后围处有些结构，金属面直接和内饰板相连，中间没有空气夹层，则该部分构成为：1mm钢板+5mm内饰板各部分材料导热系数同上。则传热系数为：11K二 二 二14.3kJ/(m?・h・t)2 1V8 1 1 1 ' 3+乙—+ +0.046+-a九a146 60HiB车身侧壁面的外表面积为F侧=(2.18*0.7)*2=3.052m?。后围表面积为Ff=0.47*1.33=0.63m?。计算中，取车身侧壁以及后围面积的1/5为金属面和内饰板直接相连考虑，其余部分按照多层均匀平壁计算。工KF则车身侧壁面的传热系数为：K二 」=13.67kJ/(m?・h・t)侧 F(3)、地板计算中，对地板的构成进行了简化，取其厚度为6m。并具有以下结构:1mm钢板+10mm隔热材料+5mm地毯各材料导热系数如下：钢板——九=54W/(m・t);隔热材料、地毯——取经验数据，九=0.139W/(m・t)。按照多层均匀平壁计算，代入各材料厚度及导热系数，则有：二18.5kJ/(m・h・t)146+0.030146+0.030+—60HiB地板的表面积为F=2.1*1.25=2.625mo地(4)、前围发动机罩壁在车厢内部分按照以下结构组成：1mm钢板+10mm隔热材料

其中，各组成部分导热系数如下：钢板——九=54W/(m・°c);隔热材料的导热系数取为经验数据——九=0.139W/(m・c)。按多层均匀平壁传热计算：K二TOC\o"1-5"\h\z1 1X，o 1+厶i+ -aXa式中：aF式中：aFaB-发动机侧壁面对流放热系数，取a=100kJ/(m?・h・c)。F车身内表面放热系数，在汽车空调状态，取a^60kJ/(m・h・c)。11B经计算得到：K二 二 二21.4kJ/(m・h・c)1丄+E仝+丄丄+0.02+丄aXa100 60F i B发动机罩壁表面积为Ff=1.35*0.4=0.54m2。2、日照表面综合温度的计算考虑到太阳辐射的作用，通过车身壁面传入的热量由两部分组成。由于车身内外空气的温差，通过车身外表面以对流换热方式从大气中得到的热量：Q1=FK(tH-tB)车身外表面从太阳辐射中吸收的热量：Q2=FK(tC-tH)则传入的总热量：Q=Q1+Q2=FK(tC-tB)由于太阳辐射使车身外表面温度升高，将太阳辐射强度转化成相当的形式，与车外温度迭加在起，组成太阳照射表面的综合温度，即车外温度迭加在起，组成太阳照射表面的综合温度，即tC。+tH+tHa+KH式中：P——车身外表面吸收系数，与表面颜色、粗糙度有关，取为P=0.9；I——太阳总的辐射强度，I=Id+Is。Id为太阳直射辐射强度，Is为太阳散射辐射强度。I=3600kJ/(m・h)，I=974kJ/(m・h)，I=253kJ/(m・h)。水平 阳 阴对于车顶、车侧壁面(包括后围)，由于太阳射入的角度不同，太阳辐射强度是不同的。具体如下：tc=tH+pI/(aH+K)c其中，I=I顶H顶顶H顶 顶水平tC=tH+pI/(aH+K)c其中，I=(I+I)/2C侧Hr侧侧'h侧 侧 阳阴/对于地板，没有受到太阳辐射的影响，但受到地面反射热以及发动机热的影响，使得地板外表面温度比大气温度高一些。可取：tc=tH+2.5c地H经计算得到：tc=42.5ctc=60.2c tc=43.5c地 顶 侧3、车身壁面传热量的计算■综上所述可知，顶板、侧壁面(包括后围)、地板的热负荷包括温差传热和太阳辐射两部分，则用日照表面综合温度代替车外空气温度，它们的传热量分别为：Q=FK(tc-tB)=254W顶顶顶c顶BQ=FK(tc-tB)=231W侧侧侧c侧BQ=FK(tc-tB)=209W地地地c地B由于计算过程中有一定近似性，对于顶板、侧壁面、地板的传热可以进行修正，则有：Q=a3(Q+Q+Q)=902WB13顶侧地式中：a 修正系数，取a=1.3。33而对于前围，没有受到太阳辐射的作用，只考虑温差传热的影响，通过这部分传入的热量为：Q=FK(tF1-tB)=670kJ/h=186W前前前F1B式中：t——发动机室的空气温度，取t=85t。F1 F1则车身壁面传入的总热量为：Q二Q+Q+Q+Q+Q二902+186二1088WB顶板侧壁面地板前围后围二、通过门窗玻璃传入的热量考虑到太阳辐射，通过门窗玻璃传入的热量由两部分组成：QG=QG1+QG2由于车内外温差而传入的热量QG1：一 QG1=K玻F玻(tH-tB)由于太阳辐射通过玻璃传入的热量QG2：aQ=(nU+PfU)S U=F'玻I+(F玻-F'玻)ISG2 a 玻 玻玻SH式中：n——太阳辐射通过玻璃的透入系数，n=0.84。P――玻璃对太阳辐射热吸收系数，P=0.08oS——遮阳修正系数，取S=0.97I——车窗外表面的太阳辐射强度，取为I=974kJ/(m?・h)。Is 车窗外表面的太阳散射辐射强度，取IS=167kJ/(m?・h)。U――车窗的太阳辐射量。F'——阳面车窗面积。F'=1.32*0.9+(0.9*0.5+1.25*0.47)=2.23玻玻F——车窗总面积。F=1.24*0.6+(0.9*0.5+1.25*0.47)+F'=4.01玻 玻 玻K——玻璃的传热系数，取K=23kJ/(m?・h・°c)o玻玻a 外表面放热系数，与表面相对气流速度有关。当车速为v=40km/hH时，可取a~146kJ/(m2・h・c)。Ha——内表面放热系数，在汽车空调状态，可取a~60kJ/(m?・h・c)。BB代入相关参数，得到：QG1=1198kJ/hU=2469kJ/hQG2=2090kJ/hQG=3288kJ/h=913W三、新风热新风热QV的计算式：Q厂V-p•叫-化)式中：p 空气密度，当t=40r时，p=1.128kg/m3。HV——车内新风量：V=N*V]=5*11=55m3/h。h、h——车内外空气的焓值。HB当tH=40r，相对湿度0=60%时，h=115kJ/kgDA；H当tB=27r，相对湿度$=58%时，h=60kJ/kgDA。BB得到：QV=3412kJ/h=948W。四、 乘员人体散发的热量人体散发的热量与劳动强度、周围空气温度、性别、年龄、衣着等很多因素有关。一般按每人每小时发热量418kJ计。QP=418NkJ/h式中：N――乘员人数，按照5人计算。则有：QP=2090kJ/h=581W。五、 车内零件散热量方法一：座椅蓄热量由于空调起动时，车内温度很高，则车内座椅等要储存一部分热量。这部分热量也应该列入车身热负荷的范围。这里取车内初始温度为60r，经过半个小时后降到27r计算。座椅放热量：Q=cmAt/t=c-pV-(t-t)/tLB座椅材料取为泡沫塑料。式中：c——泡沫塑料的比热，这里取为c=1.72kj/(kg・r)；P 泡沫塑料的密度，这里取为p=41kg/m3；V――座椅容积，V=0.247m3；座椅t、t 座椅的初始和终了温度，t=60r，t=27r。BBt 座椅放热经过时间，t=0.5h。则座椅放热量为：Q=1.72x41x0.247x(60-27)/0.5=319WL方法二