Расчет системы отопления автомобиля

Система отопления автомобиля

Тонкий металл кузова легковой машины или кабины грузовика моментально реагирует на колебания атмосферной температуры. Летом в салоне температура может повыситься до 40 – 50 градусов. Зимой температура в салоне или кабине отличается от наружного мороза на 2 -3 градуса. Водители и пассажиры автотранспорта спасаются от летнего перегрева, включая кондиционер или открывая окна. Зимой обеспечить нормальную температуру в салоне может только система отопления автомобиля. В климатических условиях России нормальная работа автомобильного отопителя актуальна две трети года.

Принцип работы автомобильного отопителя

В истории автомобиля существовали даже такие виды отопления салона, как компактные угольные и дровяные печи, газовые лампы. Позже для отопления использовались выхлопные газы. Автомобилестроители практически отказались от водяного отопления салона, которое применялось в некоторых моделях пассажирских автобусов. Нагретая вода, циркулирующая по трубопроводам под креслами и на стенах салона, быстро охлаждалась, отопительная система отличалась низким КПД.

Современные отопительные системы преимущественно используют жидкость охлаждения двигателя для обогрева салона, с ее помощью, нагретым и отфильтрованным атмосферным воздухом. Для принудительного забора воздуха используется вентилятор. Воздух нагревается теплоотдачей работающего автомобильного двигателя, интенсивность его подачи регулируется в ручном или автоматическом режиме.

Нормально функционирующий автомобильный отопитель, который водители называют просто «печкой», зимой нагревает воздух в салоне до 20 – 25 градусов тепла. Дополнительной функцией автомобильной печки становится прогрев запотевших или заледеневших стекол машины, оттаивание примерзших стеклоочистителей.

Виды отопительных систем

В общем виде автомобильные печки разделяют на штатные (установленные автопроизводителем) и дополнительные, которые владельцы машин устанавливают самостоятельно. У большинства иномарок автомобильный отопитель собран в едином блоке с кондиционером, составляя климатическую систему.

Конструкция штатных систем отопления

Стационарная система отопления автомобиля с двигателем внутреннего сгорания (дизельным или бензиновым), в качестве источника тепла использует рабочий нагрев мотора.

У большинства отопительных систем вентилятор забора воздуха и теплообменник (радиатор печки) устанавливаются перед перегородкой моторного отсека. Отводящим и подводящим трубопроводами теплообменник соединен с системой охлаждения автомобильного двигателя. Атмосферный воздух, нагнетаемый вентилятором, при проходе через соты радиатора нагревается. После этого подогретый воздух проходит через салонный фильтр и по трубопроводам подается на вентиляционные дефлекторы салона.

Система охлаждения двигателя

У различных моделей авто дефлекторы располагаются в центральной консоли, в центре и по бокам «торпедо», под лобовым стеклом, могут выходить в ногах задних пассажиров. Обычная температура работающего двигателя в 90 градусов обеспечивает нагрев воздуха, подаваемого в салон, до 30 – 35 градусов.

Важным качеством отопительной системы становится регулировка подачи теплого воздуха. Сила подачи воздуха регулируется поворотом регулятора или нажатием кнопки с пиктограммой вентилятора (у систем кондиционирования).

Ручные регулировки направления воздуха в стороны заслонками дефлектора очень приблизительны. Гораздо точнее работают регулировки климатических установок. После установки водителем нужной температуры в бортовом компьютере, блок управления климат-контроля по температурным датчикам через сервоприводы автоматически регулирует положение открытия или закрытия заслонок.

Устройство современного отопителя салона с кондиционером

Отопительные системы многих моделей авто могут использовать прямой и рециркуляционный режимы подачи нагретого воздуха. Режим рециркуляции работает при закрытой основной заслонке забора воздуха. В такой позиции втяжной вентилятор отопительной системы использует только объем воздуха из салона. При этом увеличивается температура воздуха, в салоне пропадают неприятные запахи дорожной пыли, автомобильных выхлопов.

Наиболее эффективно рециркуляционный режим работает в автоматических установках климат-контроля. Блок управления климатом, ориентируясь на показания газоанализаторов, автоматически включает режим рециркуляции при обнаружении вредных веществ в атмосферном воздухе. Так же автоматически режим рециркуляции отключается, если повышается процент углекислого газа в салоне от дыхания пассажиров.

Автономные отопители салона

Кроме функций отопления при включенном двигателе, в ряде случае необходимо обеспечить предварительный обогрев салона и прогрев двигателя. Для этого на грузовики и легковые модели устанавливают автономные отопители и предпусковые подогреватели. Среди качественных производителей автономных отопителей выделяются бренды Webasto, Eberspacher, российская марка «Планар».

Несмотря на недоверие владельцев легковых машин к автономным отопителям, польза такого прибора очевидна. При его применении не нужен холостой прогрев двигателя, что приносит значительную экономию горючего. Используя дистанционное включение автономного обогревателя, водитель садится за руль в теплый салон с чистыми стеклами и готовыми к работе «дворниками». Снижается износ мотора за счет отказа от холодного пуска с охлажденным маслом.

Для грузовиков в ряде стран Евросоюза автономные отопители законодательно признаны обязательным оборудованием. Без них водителям магистральных грузовиков запрещено ночевать или отдыхать в кабинах на придорожных стоянках и грузовых паркингах. Таким образом европейские власти борются с дополнительными выбросами вредных выхлопов работающих двигателей в атмосферу, снижают уровень шумов.

Чаще всего автономные обогреватели работают на основном топливе двигателя. Поэтому их модели разделяют на бензиновые, дизельные, газовые. По конструкции эти обогреватели подобны.

Все модели, собранные в отдельном компактном корпусе, используют:

• герметичную камеру сгорания;
• трубопровод подачи горючего от штатного топливного бака;
• нагнетатель воздуха;
• циркуляционный насос;
• теплообменник;
• свечу зажигания или накала;
• датчик перегрева;
• блок управления.

Бензиновые подогреватели воздуха для легковых машин более компактны. При мощности, достигающей 46 кВт, их можно установить под капотом автомобиля. Дизельные отопители и предпусковые жидкостные подогреватели двигателя для грузовиков отличаются большей мощностью (до 82 кВт) и размерами.

Электрический автономный обогреватель не использует автомобильное топливо, работает по принципу тепловентилятора. Отопительное устройство часто называют автофеном. В герметичном керамическом корпусе установлены втяжной и вытяжной вентиляторы, электрическая спираль или керамические элементы, нагревающие воздух. У автономного электрического фена, питающегося от аккумулятора через прикуриватель, мощность недостаточна, чтобы полноценно отапливать салон, поэтому его используют как дополнительный источник обогрева.

Стационарный электрический обогреватель подобной конструкции, работающий от бортовой электросети, стал основой отопительной системы электромобилей. Именно он обеспечивает тепловой комфорт в салоне, встроенный в блок климатической системы и дополненный обогревом всех кресел машины.

Обслуживание и ремонт отопительных систем легкового автотранспорта

Самостоятельное обслуживание отопительных систем легковых автомашин обычно сводится в замене салонного фильтра, который нужно менять через 7000 – 15000 километров пробега (в зависимости от запыленности местности, загазованности городской атмосферы). Процедура замены может быть довольно сложной, так как требует разборки перчаточного ящика или педалей управления.

Замена салонного как и воздушного фильтров рекомендуется менять на реже одного раза в 15 тыс.км.

Типичные неисправности печки обычно проявляются одновременно с ухудшением работы охлаждения двигателя и связаны с засорением радиаторов грязью, пылью, тополиным пухом. Самостоятельная очистка радиаторов грубыми механическими способами не рекомендуется, так как тонкий металл теплообменника легко повредить. При обращении в автосервис механики очищают радиаторы сжатым воздухом или водной струей с соблюдением максимально возможных давлений. При более сложных поломках штатного или автономного отопителя лучше воспользоваться помощью квалифицированных специалистов.

Ремонт отопительной системы может потребовать замену:

• радиатора (при механическом износе сот, течах антифриза);
• крыльчатки или электродвигателя вентилятора;
• патрубков и тройников;
• элементов электрической схемы управления (резисторов, контроллеров, термодатчиков);
• микроредукторов приводов заслонок;
• кранов отопителя;
• сервоприводов воздушных заслонок;
• клапанов рециркуляции;
• переключателей режимов работы.

Все демонтажные и монтажные работы с отопительной системой нужно проводить по технологическим картам производителя. Ремонт требует точной диагностики, знания расположения узлов системы, методов разборки и сборки. Квалифицированные автосервисы одновременно с ремонтом печки проводят дезинфекцию салона и воздушных вентиляционных каналов, промывают радиатор.

Источник статьи: http://autoleek.ru/jelektrooborudovanie/sistemy-komforta/sistema-otopleniya-avtomobilya.html

Расчет теплового баланса салона транспортного средства

Тепловой баланс салона автомобиля составляется для расчета необходимой теплопроизводительности системы отопления. Он учитывает теплоту, подводимую в салон и отводимую от него. Влияние в зимний период солнечной радиации из-за ее небольшой величины не учитывается, поэтому уравнение теплового баланса имеет следующий вид:

, (5.1)

где Q₀ – теплопроизводительность системы отопления;

Q_r – тепловой поток, поступающий в салон от водителя и пассажиров;

Q_g – тепловой поток, поступающий в салон от двигателя;

Q_c – тепловой поток, отводимый через пол, потолок, стенки и стекла салона;

Q_в – тепловой поток, удаляемый из салона вместе с выходящим наружу воздухом.

В большинстве автомобилей и автобусов двигатель расположен вне салона, отделен от него перегородками. Поэтому значение Q_g весьма мало. Для упрощения расчета им можно пренебречь. Ввиду малости, можно также пренебречь и величиной Q_r. В результате уравнение теплового баланса упрощается:

, (5.2)

Непрозрачные стенки салонов современных автомобилей состоят из нескольких слоев: металлической обшивки, антикоррозийного покрытия, термоизоляционного и противошумного слоев, гидроизоляционного пленочного покрытия. Тепловой поток, передаваемый через многослойную плоскую стенку, зависит от разности температур и условий теплообмена воздуха внутри помещения и снаружи, от свойств материалов и толщины каждого слоя (особенно термоизоляционного).

В общем случае, если стенки кабины состоят из n различных участков, то

, (5.3)

где k_i – коэффициент теплопередачи i-ого участка; F_i – площадь i-ого участка ; ∆t – разность температур воздуха внутри салона и снаружи.

Коэффициент теплопередачи i-ого участка определяется следующим образом:

, (5.4)

где α_вi и α_нi – коэффициенты теплоотдачи соответсвенно на внутренней и наружной поверхностях участка стенки; m – число слоев на данном участке; δ_i, λ_i – соответственно толщина и коэффициент теплопроводности i-го слоя.

Движение воздуха вдоль наружных поверхностей салона автомобиля имеет сложный характер. При движении автомобиля (или при стоянке на ветру) наблюдается неравномерное распределение скоростей вдоль боковых поверхностей, образование вихрей сзади автомобиля, его кабины и перед лобовым стеклом. Детальный учет этих факторов делает точное определение α_нi весьма сложным. К тому же при изменении скорости и направления движения автомобиля и ветра α_нi изменяются. Для упрощения расчетов в данной работе рекомендуется определить средний коэффициент теплоотдачи α_н по наружной поверхности кабины и считать, что он одинаков для всех ее участков, т. е. α_нi = α_н.

Для определения средних коэффициентов теплоотдачи при вынужденном обтекании плоских поверхностей потоком воздуха необходимо воспользоваться указаниями п. 9.1.1.

Внутри салона скорости движения воздуха весьма малы (не более 0,3 м/с по санитарным соображениям) и неравномерно распределены по объему. При столь малых скоростях процесс теплоотдачи на внутренней поверхности кабины обусловлен практически только естественной конвекцией. Коэффициенты теплоотдачи α_вi малы по сравнению с α_н и различны на различных участках. Например, α_в на поверхностях стекол будут больше, чем на поверхностях многослойных стенок, т. к. разность температур поверхностей и воздуха в первом случае больше, чем во втором. В данной работе с целью упрощения принято, что коэффициенты теплоотдачи на различных участках внутренней поверхности кабины одинаковы, т.е. α_вi = α_{в .} Из практики известно, что в подобных случаях α_в лежит в пределах от 6 до 20 Вт/(м 2 ·К ). Рекомендуется принять для фургона α_в = 6÷12 Вт/(м 2 ·К ) (утечки минимальны и скорость воздуха близка к нулю), а для кабины грузовика и салона автобуса α_в = 12÷20 Вт/(м 2 ·К ) (воздух периодически обновляется).

Интенсивность обновления воздуха в салоне определяется кратностью циркуляции Z, т. е. числом полных смен воздуха за один час. По санитарным нормам Z = 7÷11 ч -1 _. В фургоне, как правило, обновление воздуха связано с его утечками и, в этом случае, Z = 0,5÷1,5 ч -1 _.

Тепловой поток Q_в, удаляемый из кабины с выходящим наружу воздухом, определяется следующим образом:

, (5.5) где – средняя массовая изобарная теплоемкость воздуха (кДж/(кг·К)) в диапазоне температур отt_нар до t_вн ( в данной работе, учитывая значения температур, можно использовать C_pв при 0 ○ С);

A_в – объемный расход воздуха (м 3 /с);

ρ_в – плотность воздуха в салоне (кг/м 3 );

t_вн и t_нар – температуры воздуха внутри и снаружи салона ( ○ С).

Объемный расход воздуха составит:

, (5.6)

где V – объем рассматриваемого салона автомобиля (м 3 );

Z – кратность циркуляцию (ч -1 ).

Плотность воздуха в салоне определяется с помощью уравнения состояния идеального газа:

, (5.7)

где В – атмосферное давление (Па);

R = 287 Дж/(кг·К) – удельная газовая постоянная воздуха;

T_вн= t_вн + 273 – температура воздуха внутри помещения (К).

После того, как определены потери теплоты через стенки салона Q_c и с уходящим воздухом Q_в, из уравнения (5.2) можно найти потребную теплопроизводительность системы отопления Q₀ .

Источник статьи: http://studfile.net/preview/5881767/page:3/