Название: Тепловое проектирование кабин самолетов - Учеб. пособие. (В. А. Спарин)

Жанр: Технические

Просмотров: 1409


2.1.3. тепловые потоки через внешнее

и внутреннее ограждения гермокабины

В общем случае внешнее ограждение кабины находится в условиях лучисто-конвективного теплообмена с внешней и внутренней средами. Для удобства определения теплового потока через внешнее ограждение кабины Qогрн его полная поверхность разделяется на следующие однородные по условиям лучистого теплообмена поверхности

 

 

(рис. 2.3):

Рис. 2.3. Схема разделения внешней поверхности ограждения кабины на одно-      родные тепловые участки

 

I – верхняя поверхность, облучаемая прямым солнечным излучением;

II – боковая поверхность, облучаемая прямым и отраженным от Земли солнечными излучениями;

III – боковая поверхность, затененная от солнечного излучения;

IV – нижняя поверхность, облучаемая собственным излучением Земли и отраженным от Земли солнечным излучением.

Каждая из перечисленных поверхностей разбивается, в свою очередь, на однородные по теплофизическим  свойствам участки ограждения: остекленные и неостекленные, с разной толщиной теплоизоляции, с воздушными прослойками и т.д.

Внутреннее ограждение кабины находится в условиях теплообмена как с воздухом в рассматриваемой кабине, так и с воздухом в смежной кабине (отсеке). При определении теплового потока через внутреннее ограждение его поверхность также разбивается на отдельные участки: пол, потолок, гермошпангоуты, перегородки. Количество участков внутреннего ограждения зависит от типа самолета, конструкции кабины и схемы ее компоновки на летательном аппарате (рис. 2.4.).

Общий тепловой поток через полное ограждение кабины Qогр находится суммированием тепловых потоков через ее внутреннее и внешнее ограждения:

                     (2.39)

 

 

а

 

б

 

Рис. 2.4. Схемы компоновки гермокабин на пассажирском (а) и маневренном (б) самолетах:

1 – кабина экипажа (пилота); 2 – пассажирская кабина; 3 – пол кабины; 4 – потолок кабины; 5 – гермошпангоут; б – внутреннее ограждение кабины пилота; 7 – перегородка; 8 – обтекатель антенны; 9 – гермоотсек с БРЭО; 10 – багажный отсек; 11 – техотсек; 12 – негерметичный отсек передней стойки шасси; 13 –                                                    отсек двигателя

 

где i, j – номера участков внешнего и внутреннего ограждений; n, m – количество участков, на которые разбиты внешнее и внутреннее ограждения кабины.

А. Тепловой поток через внешнее ограждение кабины

Тепловой поток через участок ограждения кабины, подвергаемый солнечному и земному излучениям и излучающий тепловой поток в атмосферу, удобно определять через температуру внешней поверхности участка ограждения tс1 (рис.2.5).

                     (2.40)

где Fогрн– поверхность внешнего ограждения кабины;

                   (2.41)

– неполный коэффициент теплопередачи без учета теплового сопротивления металлической обшивки фюзеляжа и декоративной обшивки

 

 

Рис. 2.5. К расчету температуры внешней поверхности ограждения кабины

 

кабины; dиз, lиз – толщина и коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции внешнего ограждения, lиз находится из табл. П3 по выбранному материалу теплоизоляции; aкб – коэффициент теплоотдачи между внутренней поверхностью ограждения и воздухом кабины, принимается aкб = 6…10 Вт/(м2×К). Для остекленных участков внешнего ограждения dиз, lиз заменяются на dост, lост – толщину и коэффициент теплопроводности материала остекления, а Fогрн – на Fост – поверхность остекленного участка ограждения кабины.

Температура внешней поверхности tс1 участка ограждения может быть определена из уравнения теплового баланса для этой поверхности

                         (2.42)

После подстановки выражений (2.1), (2.36), (2.37), (2.40) в уравнение (2.42) и преобразований получим

         (2.43)

Уравнение (2.43) является нелинейным относительно температуры tc1 и может быть решено методом простой итерации. За начальное приближение корня можно принять . Подставляя принятое значение в правую часть уравнения (2.43), получим новое приближение  Повторяя этот процесс несколько раз, можно получить значение температуры с любой степенью точности. Критерием сходимости итерационного процесса является условие близости значений температур двух последовательных итераций , где, например, e = 0,1 °C. Тепловой поток через участок внешнего ограждения кабины определяется из выражения (2.40) после подстановки в него значения температуры tc1, найденного из уравнения (2.43).

В тех случаях, когда собственным излучением поверхности можно пренебречь, тепловой поток через участок ограждения на солнечной стороне находится по формуле

                        (2.44)

где           (2.45)

Первый член уравнения (2.44) учитывает теплопритоки через ограждающую конструкцию за счет разности температур наружного и кабинного воздуха, а второй – дополнительные теплопритоки от лучистых тепловых потоков.

При расчетах требуемой максимальной теплопроизводительности СКВ и тепловых потоков через участки ограждения кабины на теневой стороне ЛА теплопритоки от прямого и отраженного от Земли солнечных излучений не учитываются. В этих случаях в уравнении (2.42) принимается Qл=0. Если при этом можно пренебречь и собственным излучением внешней поверхности ограждения (стоянка и полет у Земли при М<1), то тепловой поток через наружное ограждение кабины определяется уравнением теплопередачи

                   (2.46)

где коэффициент теплопередачи Когрн находится по формуле (2.45).

Б. Тепловой поток через внутреннее ограждение кабины

Тепловой поток через потолок кабины. Расчетная схема теплопередачи через потолочную конструкцию кабины показана на рис. 2.6. При установке потолка образуется сегментообразная  воздушная прослойка между потолочными панелями и внешним ограждением кабины, покрытым теплоизоляцией. В соответствии с расчетной схемой тепловой поток через потолок Qпот может быть найден в результате расчета теплопередачи через многослойную стенку, состоящую из потолочной панели, воздушной прослойки, теплоизоляции и обшивки фюзеляжа. Для упрощения расчета реальная многослойная стенка заменяется плоской. С этой целью сегментообразная воздушная прослойка преобразуется в плоскую эквивалентную прослойку путем построения на потолочной панели прямоугольника с такой высотой  (рис.2.7), при которой его площадь будет равна площади

 

 

сегментообразной прослойки.

 

Рис. 2.6. Расчетная схема потолочной части кабины

 

 

Рис. 2.7. Эквивалентная плоская воздушная прослойка

 

Длина дуги l при заданном центральном угле j в градусах (рис. 2.6)

                    (2.47)

Длина хорды (ширина потолка)

                                   (2.48)

где h – стрела сегмента.

Площадь сегмента

                          (2.49)

Эквивалентная толщина воздушной прослойки определяется из условия равенства площадей сегментообразной и плоской  прослоек

                (2.50)

Средняя температура воздуха в прослойке

                             (2.51)

где tпот = tк ± (5…10)°С – температура поверхности потолка со стороны воздушной прослойки; знак "+" соответствует режиму охлаждения кабины, а знак "–" – режиму обогрева; tиз – температура поверхности теплоизоляции со стороны воздушной прослойки.

Для избежания конденсации влаги на поверхности теплоизоляции температура tиз должна быть выше температуры точки росы воздуха на этой поверхности. Если в результате расчета tиз окажется ниже точки росы, то необходимо увеличить толщину теплоизоляции потолочной части кабины и повторить расчет. В первом приближении можно принять, что температура tиз должна быть не ниже +5 °С при любом режиме полета самолета в зимнее время года.

Коэффициент конвекции в воздушной прослойке при GrPr>103 и tпот > tиз

                          (2.52)

где m, Pr – физические параметры воздуха, находятся из табл. ПI при температуре tср; r=Рк/[R(tср+273)] – плотность воздуха в прослойке; Рк – давление воздуха в прослойке, принятое равным давлению воздуха в кабине; g = 9,81 м/с  – ускорение свободного падения; b=1/(tср+273) – коэффициент объемного расширения воздуха.

При Gr·Pr £ 103 или при tпот < tиз свободная конвекция в воздушной прослойке не учитывается и коэффициент конвекции принимается eк = 1.

В случае Gr·Pr £ 103 возможны локальные свободно-конвективные течения воздуха в прослойке из-за неравномерного распределения температуры по внешней поверхности обшивки фюзеляжа. Влияние локальных течений воздуха на теплообмен в прослойке можно учесть увеличением коэффициента конвекции на 20 \% (eк = 1,2). Эквивалентный коэффициент теплопроводности воздуха в прослойке

                                     (2.53)

где l– коэффициент теплопроводности воздуха в прослойке, находится из табл. ПI при tср.

Плотность теплового потока, передаваемого через воздушную прослойку свободной конвекцией и теплопроводностью,

                                  (2.54)

Плотность потока излучения, передаваемого через прослойку,

                   (2.55)

где eпр=(1/eпот+1/eиз–1)–1 – приведенная степень черноты потолка и теплоизоляции; eпот, eиз – степень черноты соответственно материала потолочной панели и теплоизоляции.

Плотность теплового потока при лучисто-конвективном теплообмене между потолком и теплоизоляцией

                            (2.56)

где lэф=lэкв+dэкв·aл – эффективный коэффициент теплопроводности воздушной прослойки; – коэффициент теплоотдачи излучением в прослойке.

Коэффициент теплопередачи от  воздуха кабины к наружному воздуху через потолок (без учета теплового сопротивления металлической обшивки фюзеляжа и лучистого внешнего теплообмена)

                          (2.57)

где aкбпот – коэффициент теплоотдачи между потолком и воздухом в кабине, принимается aкбпот = 1,3aкб, если тепловой поток направлен вверх к потолку (tк > tпот); aкбпот = 0,7aкб, если тепловой поток направлен вниз от потолка (tпот > tк). Кроме этого, в каждом рассмотренном случае значение aкбпот нужно увеличить на 25 \% с учетом турбулизации воздуха около потолка; dпот, lпот – толщина и коэффициент теплопроводности материала потолочной панели; толщина и коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции внешнего ограждения кабины,  находится из табл. П3.

Тепловой поток через потолок кабины

                               (2.58)

где Fпот = aLпот – площадь потолка в кабине, Lпот – длина потолка

в кабине.

Тепловой поток через пол кабины. Гермокабина (фюзеляж) делится плоскостью пола на верхнюю и нижнюю (подпольную) части. В подпольной части фюзеляжа обычно располагаются технические и багажно-грузовые отсеки. Пол пассажирских кабин выполняется из отдельных панелей. Каждая панель представляет собой слоистую конструкцию из двух листов фанеры толщиной 1,5…3,0 мм, между которыми находится заполнитель из пенопласта, армированный фанерными ребрами. Общая толщина панели 15 мм.

 

 

Если высота подпольной части фюзеляжа относительно невелика и воздух не поступает в нее из кабины, то для описания процесса теплопереноса в подпольной части можно использовать модель горизонтальной замкнутой воздушной прослойки. Расчетная схема теплопередачи через пол кабины показана на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Расчетная схема подпольной части кабины

 

Коэффициент теплопередачи от воздуха кабины к наружному воздуху через пол и подпольную часть фюзеляжа (без учета теплового сопротивления металлической обшивки и лучистого внешнего теплообмена)

                          (2.59)

где aкбпол – коэффициент теплоотдачи между полом и воздухом в кабине, принимается aкбпол = 1,3×aкб, если тепловой поток направлен снизу вверх (tпол > tк); aкбпол = 0,7aкб, если тепловой поток через пол направлен сверху вниз (tк > tпол). Кроме этого, в каждом рассмотренном случае значение aкбпол нужно увеличить на 25 \% с учетом турбулизации воздуха у пола; dпол, lпол – толщина и коэффициент теплопроводности материала панелей пола; – толщина и коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции на внешнем ограждении в подпольной части фюзеляжа,  находится из табл. П3. Параметры  определяются так же, как аналогичные параметры для воздушной потолочной прослойки.

Тепловой поток через пол кабины

                            (2.60)

где Fпол – площадь пола кабины.

Если под полом кабины находятся несколько отсеков, то общий тепловой поток через пол складывается из тепловых потоков  через части настила пола, граничащие с этими отсеками,

                                    (2.61)

где n – число отсеков под полом кабины.

Подпись: Рис. 2.9. Расчетная схема вентилируемой           подпольной части кабины

Если воздух из кабины поступает в подпольную часть фюзеляжа (отсек), то тепловой режим отсека зависит от теплового потока через внешнее ограждение отсека Qогрн, теплового потока, вносимого в отсек воздухом из пассажирских салонов и кабины экипажа Qвоз, а также от теплового потока через панели пола Qпол (рис .2.9).

Тепловой поток через внешнее ограждение отсека

       (2.62)

где tотс – среднее значение температуры воздуха в отсеке; – площадь поверхности внешнего ограждения отсека;  – коэффициент теплопередачи внешнего ограждения (без учета теплового сопротивления металлической обшивки и лучистого внешнего теплообмена); aотс – коэффициент теплоотдачи между внутренней поверхностью ограждения и воздухом в отсеке, который приближенно принимается aотс = aкб ;  –  толщина и коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции на внешнем ограждении отсека.

Тепловой поток, поступающий в отсек с воздухом из пассажирских салонов и кабины экипажа,

                                (2.63)

где Gвоз – расход воздуха, поступающего в рассматриваемый отсек; tкпол – температура воздуха, поступающего из салонов и кабины экипажа в отсек (принимается tкпол = tк + (1…2) °С).

Тепловой поток через пол кабины

                                       (2.64)

где  – коэффициент теплопередачи пола кабины.

Уравнение теплового баланса для воздуха в подпольном отсеке

в установившемся режиме при принятых направлениях тепловых

потоков

                             (2.65)

Подставляя выражения (2.62)…(2.64) в уравнение теплового баланса (2.65) и решая его относительно tотс, получим выражение для определения температуры воздуха в подпольном отсеке

                       (2.66)

Тепловой поток через пол кабины определяется из выражения (2.64) после подстановки в него значения температуры воздуха в отсеке, найденного из уравнения (2.66).

Если под полом кабины имеется несколько отсеков, то общий тепловой поток через пол кабины находится из уравнения (2.61).

В случае, когда воздух из пассажирских салонов не поступает в подпольную часть фюзеляжа и процесс теплопереноса в ней не может быть представлен моделью горизонтальной замкнутой воздушной прослойки, тепловой поток через пол находится через температуру воздуха в отсеке с использованием уравнения теплового баланса (2.65) при Qвоз = 0.

Подставляя уравнения (2.62) и (2.64) в уравнение теплового баланса (2.67) и решая его относительно температуры воздуха в подпольном отсеке, получим

                                          (2.67)

                                  (2.68)

Тепловой поток через пол кабины находится из уравнения (2.64) после подстановки в него найденного значения tотс из уравнения (2.68).

Тепловые потоки через другие внутренние ограждения  (гермошпангоуты, перегородки между смежными частями кабины с разными температурами воздуха) в случае необходимости определяются по уравнению

                                    (2.69

где  – коэффициент теплопередачи внутреннего ограждения; tсм – температура воздуха в смежном отсеке или в смежной части кабины; Fогрвн – поверхность внутреннего ограждения; dогр, lогр – толщина и коэффициент теплопроводности материала ограждения;  – толщина и коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции внутреннего ограждения, если она предусмотрена; aсм – коэффициент теплоотдачи от внутреннего ограждения к воздуху в смежном отсеке или в смежной части кабины.

В приближенных расчетах тепловые потоки через внутренние ограждения кабины можно не учитывать, при разности температур воздуха в ней и в смежной кабине (отсеке) менее 10 °С. Например, тепловой поток через перегородку между кабинами пассажиров и экипажа.

2.2. Внутренние источники теплоты и влаги

2.2.1. Тепло- и влаговыделения экипажа и пассажиров

Интенсивность тепло- и влаговыделения экипажем и пассажирами зависит от микроклимата в кабине и характера выполняемой ими работы. Общий тепловой поток, выделяемый пассажирами,

                (2.70)

где nп – расчетное количество пассажиров в салонах самолета; qп – явный тепловой поток, выделяемый одним человеком, находится из графика рис. П3.

Общее количество влаги, выделяемое пассажирами

                       (2.71)

где gвл – количество влаги, выделяемое одним человеком, находится из графика рис. П3.

Общие тепло- и влаговыделения членов экипажа в количестве nэк находятся аналогично по формулам (2.70), (2.71).