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：2004/10/29校核：陈孟湘 日期：2004/10/31扑匕准：♦设计参数:车外温度：％=40℃,相对湿度：巾=60%车内温度：tB=27℃,相对湿度：巾=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=40℃时，水平面上太阳辐射强度I=1000W/m2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：Qe=Qb+QG+Qv+Qp+QM+QLQ=aQ式中：％——储备系数：取ar1.1；Q1——制冷机产生的冷量；Q——车身总热负荷；Q——车体传入热量；Qg——玻璃传入热量；QV 新风热；Qp——人体热；qm——用电设备散热量；QMM——车内零件散热量。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：Qb=Q顶板+°侧壁面+Q地板+"围+Q后围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。其中，顶板、侧壁面、地板、后围的传热量计算公式如下：Q=KF(tH-tB)式中：Q——分别表示顶板、'侧壁面、、地板、后围的传热量；K——分别表示顶板、侧壁面、地板、后围的传热系数；F——分别表示顶板、侧壁面、地板、后围的传热面积；t：——车外空气温度，这里取为tH=40℃；tH——车内空气温度，这里取为tB=27℃；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(tF-Q式中：Q——前围的传热量；‘''FbK——前围壁面的传热系数；F1——前围的传热面积；tlF——发动机室内空气的温度；；——车内空气温度，这里取为tB=27℃；1、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。对于车顶板、侧壁面、地板、后围，传热系数计算式如下；K二 ，1 5 1 +Z-i-+ a 九a式中：aH——外表面放热系数，,与表面相对气流速度有关。当车速为v=40km/h时，可取ah\146kJ/(m?・h・℃)。

a——内表面放热系数，在汽车空调状态，可取a^60kJ/(^•h・℃)。5B——隔热材料厚度(m)。 B九一一隔热材料导热系数W/(m・℃)。■对于前围，传热系数可以按照下式计算：式中：af——表示发动机侧壁面对流放热系数，取af=100kJ/(m?-h・℃)；a：——车身内表面放热系数，在汽车空调状态:取a§'60kJ/(m?-h・℃)。5B——隔热材料厚度(m)。 B九一一隔热材料导热系数W/(m・℃)。(1)、顶板■计算中，对顶板的构成进行了简化，取其厚度为30的。并具有以下结构：1mm钢板+24丽空气夹层+5mm内饰板各材料导热系数如下：钢板一一九=54W/(m•r)；空气——九=6.4W/(m•℃)；内饰板一一取经验数据，九=0.03W/(m・℃)。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=—： 1 1t5 1 +" -T-i-+ aK=—： 1 1t5 1 +" -T-i-+ a入a■车身顶板处有些,结构:—+0.047+—金属面直接和内饰板相连，中间没有空气夹层，则该部TOC\o"1-5"\h\z146 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：1m钢板+5m内饰板=14.3kJ/(=14.3kJ/(m?-h・℃)A+Z2+±上+0.046+工a九a146 60H iB顶板的外表面积为F顶=属面和内饰板直接相连考虑，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:1.95*1.00=1.95m2。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。ZKFF^=14.12kJ/(m-h•r)(2)、车身侧壁面、后围各材料导热系数如下:对于这部分结构，则有：11T's-各材料导热系数如下:对于这部分结构，则有：11T's- +Z-i-+a九H i11 1———+0.050+-a146 60B=13.51kJ/(m?-h・℃)■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100m。并具有以下结构：1m钢板+94m空气夹层+5m内饰板钢板 九=54W/(m•r)；空气——九=6.4W/(m•r)；内饰板一一取经验数据，九=0.03W/(m・℃)。可以按照多层均匀平壁计算，代入各材料厚度及导热系数，■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=14.3kJ/(=14.3kJ/(m?-h・℃)A+二+±A+0.046+上a九a146 60H iB车身侧壁面的外表面积为F侧=(2.18*0.7)*2=3.052m二后围表面积为FF=0.47*1.33=0.63近。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。则车身侧壁面的传热系数为：K则车身侧壁面的传热系数为：K侧工KF=13.67kJ/(m?-h・℃)(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：1m钢板+10m隔热材料+5m地毯各材料导热系数如下：钢板一一九=54W/(m•r)；隔热材料、地毯一一取经验数据，九=0.139W/(m・℃)。按照多层均匀平壁计算，代入各材料厚度及导热系数，则有：11K1- —r=n r=18.5kJ/(m?,h•℃)—+L―+——+0.030+一TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"a九a146 60H iB地板的表面积为F地=2.1*1.25=2.625m?。⑷、前围 地发动机罩壁在车厢内部分按照以下结构组成：1m钢板+10m隔热材料

其中，各组成部分导热系数如下：钢板 九=54W/(m•r)；隔热材料的导热系数取为经验数据一一九=0.139W/(m・℃)。按多层均匀平壁传热计算：K=-——工一-1 1v。 1 +Z-i-+ a九a式中：aFaB-发动机侧壁面对流放热系数，取式中：aFaB-发动机侧壁面对流放热系数，取af=100kJ/(m?・h・℃)。车身内表面放热系数，在汽车空调状态，取a'60kJ/(m?-h・℃)。经计算得到：K=11~L~~:-^-- +'―二+a九F i11 1——+0.02+-a100 60BB=21.4kJ/(m?-h・℃)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。(1)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)(2)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，与车外温度迭加在一起，组成太阳照射表面的综合温度，即tC。pI--——十1a+KHH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。1d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)。对于车顶：车侧壁面(包括后由)，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：位顶=%邛顶1顶/(aH+K顶)℃其中，1顶=I水平tC侧=%+。侧1侧4aH+K侧)℃其中，【侧=(I阳+I阴)/2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地=tH+2.5℃经计算得到：tc地=42.5℃tc顶=60.2℃ tc侧=43.5℃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顶二F顶K顶(tc顶一％)=254WQ:F侧K侧(tc侧一%)6Qt产地K地(tc地-%)=209W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：Qbi^Q顶+Q侧+Q地)=902W式中：a§——修正系数，取a3T.3。■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(*&)=670kJ/h=186W前前前F1B式中：二一一发动机室的空气温度，取/]=85℃。■则车身壁面传入的总热量为： FQB=Q顶板+。侧壁面+Q地板+Q前围+Q后围二902+186二108.二、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(1)由于车内外温差而传入的热量qG1：Qg1=K玻F玻(tH-%)⑵由于太阳辐射通过玻璃传入的热量qG2：U=U=F’玻I+(F玻一F’H式中：n——太阳辐射通过玻璃的透入系数，n=0.84。式中：P——玻璃对太阳辐射热吸收系数，P=0.08。S——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/(m2・h)。Is——车窗外表面的太阳散射辐射强度，取IS=167kJ/(m2・h)。U——车窗的太阳辐射量。F,玻——阳面车窗面积。F,玻=1.32*0.9+(0.9*0.5+1.25*0.47)=2.23^F玻——车窗总面积。F玻=1.24*0.6+(0.9*0.5+1.25*0.47)+F,玻=4.01^K——玻璃的传热系数，取K=23kJ/(m?・h・℃)。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/(m?・h・℃)。a——内表面放热系数，在汽车空调状态，可取a'60kJ/(m?・h・℃)。代入相关参数，得到：QG1=1198kJ/h BU=2469kJ/h QG2=2090kJ/hQg=3288kJ/h=913W三、新风热新风热QV的计算式：QV=V-p-(hH-hB)式中：p——空气密度，当t=40℃时，,p=1.128kg/m3oV——车内新风量：V=N*V]=5*11=55m3/h。hH、hB——车内外空气的焓值。“当tH:40℃,相对湿度巾=60%时，h=115kJ/kgDA；当tB=27℃，相对湿度巾=58%时，h=60kJ/kgDA。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。贝U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60℃，经过半个小时后降到27℃计算。座椅放热量：Q=cmAt/t=c-pV-(t-1)/t座椅材料取为泡沫塑料。 B式中：c——泡沫塑料的比热，这里取为c=1.72kJ/(kg・℃)；P——泡沫塑料的密度，这里取为p=41kg/m3；V——座椅容积，V座椅=0.247m3；t、tB 座椅的初始和终了温度，t=60℃,tB=27℃。t 座椅放热经过时间，t=0.5h。则座椅放热量为：Ql=1.72x41x