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

Жанр: Технические

Просмотров: 1409

4.1. тепловой баланс кабины с панельной термостабилизацией

При установившемся тепловом режиме кабины требуемые тепло и холодопроизводительности системы кондиционирования воздуха  определяются из уравнения теплового баланса кабины

                        (4.1)

где Qогрн – тепловой поток через боковые участки внешнего ограждения кабины, не защищенные тепловыми панелями, или через верхнюю часть ограждения кабины, если в ней не предусмотрен потолок.

Тепловые потоки в правой части уравнения (4.1) определяются по уравнениям разд. 2.

Располагаемая производительность системы кондиционирования  складывается из производительностей панельной системы и системы вентиляции

                               (4.2)

где Q2 – тепловой поток через внутреннюю стенку панели, находится по зависимости (4.14); Gпан – массовый расход воздуха, подаваемого в панели кабины для ее обогрева или охлаждения; tп2– температура воздуха на выходе из панелей в кабину, принимается tп2=tк ± (0…8)°С в зависимости от внешних и внутренних тепловых условий. Остальные параметры имеют тот же смысл, что и в уравнении (3.2).

Общий массовый расход воздуха Gп = Gпан + Gх, подаваемого в кабину, предварительно рассчитывается по уравнению (3.3). Соотношение между расходами панельного Gпан и холодного (вентиляционного) Gх воздуха может изменяться в зависимости от внутренних и внешних тепловых условий.

Расхождение между требуемой и располагаемой производительностями системы кондиционирования воздуха dQскв определяется по уравнению (3.4). Если расхождение между сравниваемыми производительностями dQскв £ 3 \%, то расчет теплового режима кабины заканчивается, а полученные значения параметров Gпан, Gх, tх и температуры воздуха на входе в панель tп1 используются в качестве исходных данных при выборе и расчете СКВ. При большем расхождении задают новые значения параметров Gпан, Gх, tп2, tх в уравнении (4.2), повторяя расчет до выполнения условия dQскв £ 3 \%. При этом требуемый общий расход воздуха Gп, подаваемого в кабину, может превысить его предварительное значение, вычисленное по уравнению (3.3).

4.2. Тепловой расчет панелей кабины

4.2.1 Расчет требуемой температуры воздуха, подаваемого в панели кабины

Целью теплового расчета панели является определение тепловых потоков, передаваемых через ее стенки, и требуемой температуры воздуха на входе в панель.

При расчете заданными являются следующие исходные данные: параметры кабинного воздуха, температура наружной поверхности обшивки фюзеляжа, температура воздуха на выходе из панелей и расход воздуха через них, конструкция панели с геометрическими размерами и теплофизическими свойствами материалов конструкции.

Расчетная схема тепловой панели показана на рис. 4.2. Рассматривается одномерный стационарный процесс теплопереда-чи через панель при следующих допущениях: лучистый теплообмен в канале панели, а также тепловые сопротивления металли-ческой обшивки фюзеляжа и декоративной обшивки панелей в расчетах не учитываются.

Математическая модель процесса передачи тепла в элементе панели с боковой поверхностью dF в соответствии с принятыми допущениями имеет следующий вид:

- дифференциальное уравнение теплового потока, передаваемого через внешнее ограждение кабины к воздуху в канале панели,

                               (4.3)

- дифференциальное уравнение теплового потока, передаваемого от воздуха в кабине к воздуху в панели,

                               (4.4)

- дифференциальное уравнение теплового потока, переносимого воздухом в канале панели,

                                                             (4.5)

- уравнение теплового баланса воздуха в канале панели

                            (4.6)

граничные условия: при F = 0  tп = tп1 ,  при F = Fп  tп = tп2 .

Здесь К1  и К2  коэффициенты теплопередачи соответственно внешнего ограждения кабины и внутренней стенки панели

               (4.7)

tп – температура воздуха в выделенном элементе панели; tп1, tп2 – температуры воздуха на входе и на выходе из панели; aп – коэффициент теплоотдачи для воздуха в канале панели, определяется по формуле (4.22); Gп1 = Gпан/n – расход воздуха в панели; n – общее число панелей в кабине; dиз1, lиз2 – толщина и коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции внешнего ограждения кабины; d1 = = 3…8 мм, l1 = 0,2…0,4 Вт/(м·К) – толщина и коэффициент теплопроводности материала внутренней (декоративной) стенки панели.

Знаки правой части уравнения (4.6) соответствуют направлениям тепловых потоков, принятым на расчетной схеме.

Введя новую переменную

             ,                    (4.8)

преобразуем уравнение (4.6) в уравнение с разделяющимися переменными и проинтегрируем его в пределах

                                          (4.9)

где  при F = 0    

при F = Fп  

Интегрируя выражение (4.9), получим

                                     (4.10)

Переходя к первоначальным переменным, найдем зависимости для определения температуры воздуха на входе и на выходе из панели:

                                              (4.11)

где                

Fп = lпbп – поверхность тепловой панели; lп – длина канала панели; bп = 0.5 м – ширина канала панели, равная шагу установки шпангоутов. При работе панели в режиме обогрева температура воздуха на ее входе tп1 не должна превышать 50…80 °С.

Температура воздуха в канале панели при текущем значении поверхности F может быть найдена из зависимости (4.11) при Fп = F

                                                   (4.12)

Подставив выражение (4.12) в уравнения (4.3), (4.4) и проинтегрировав их по поверхности панели, получим зависимости для тепловых потоков, передаваемых через внешнее ограждение кабины,

                                (4.13)

и через внутреннюю стенку канала панели

             .              (4.14)

Тепловой поток, воспринимаемый (отдаваемый) воздухом в канале панели

                                    (4.15)

Зависимости (4.11)…(4.15) могут быть использованы и для расчета обратных панелей при следующих обозначениях: tп1 – температура воздуха, поступающего в панель из салона; tп2 – температура воздуха на выходе из панели.

4.2.2. Определение коэффициента теплоотдачи в канале панели

Теплофизические параметры воздуха в панели mп и lп находятся из табл. ПI при средней температуре воздуха в панели tпср = 0.5 (tп1 + tп2).

Средняя плотность воздуха в панели

                              (4.16)

где Pпср – среднее давление воздуха в панели, принимается равным давлению воздуха в кабине Рк.

Площадь проходного сечения прямоугольного канала панели

                                                   (4.17)

здесь c = 10…20 мм – высота сечения канала панели.

Эквивалентный диаметр канала панели

                                     (4.18)

или при b >> c,  dэ =  2c.

Скорость воздуха в канале панели

                                     (4.19)

Число Рейнольдса

                                             (4.20)

Число Нуссельта

                при 0 < Reп £ 3000,             (4.21)

                при Re ³ 5000.

Задавать течение воздуха в панели в переходном режиме (3000< < Reп < 5000) не рекомендуется, так как в этом случае теплоотдача нестабильна и может значительно изменяться при одном  и том же числе Reп.

Средний коэффициент теплоотдачи при движении воздуха  в канале панели

                                     (4.22)