宿营车车箱气暖加热装置设计

黄功平 袁亮

一汽解放汽车有限公司 吉林长春 130011

宿营车车箱气暖加热装置设计

黄功平 袁亮

一汽解放汽车有限公司 吉林长春 130011

1 前言

在野外执行抗洪、抢险、救援或在市区执行维稳等任务时，为了保障人员的安全及身体健康，提供温暖舒适的宿营场所，特在载货汽车的基础上开发了一款集物资转运及野外宿营功能于一体的多功能载货式宿营车，并装备了一种新型的车箱气暖加热装置，该装置可使车箱内温度均匀上升，温升最高可达37℃，非常适合在我国北方地区使用。该车箱气暖加热系统已获批国家实用新型专利，专利号：ZL 2014 2 0457997.9。

2 与水式加热装置对比

水式加热装置通过加热器燃烧柴油产生的热量加热发动机的冷却液，水泵将高温冷却液输送到车箱的散热器，通过散热器加热车箱冷空气进行取暖，水式加热装置布置如图1所示。由于散热器集中布置在车箱前部，需要通过风扇将热空气吹向车箱各处，这样就会出现加热不均匀，吹风速度快等问题，无法满足乘员冬季宿营时的舒适性要求。

新设计的气暖加热装置正好解决了上述问题。其工作过程为：两组气暖加热器燃烧柴油产生热量用以加热车箱内的冷空气，热空气通过风道吹到车箱各处，车箱内温度均匀、温升速度快、热风风速低、噪声小、燃烧充分、热效率高，舒适性大幅提高。

3 设计与开发

3.1 装置组成及在整车上的布置

气暖加热装置由蓄电池、油箱、加热器、控制面板、风道等组成。装置布置如图2所示，空气加热器电磁泵、车箱独立供电蓄电池等安装在底盘上，电磁泵从车辆左侧油箱取油。两组空气加热器横向布置在车箱前板处，用防护罩进行保护。风道总成分别布置在车箱左右两侧的边板处，从车箱前端延伸至车箱尾端，风道与对应的空气加热器通过过渡软管连接。控制开关布置在车箱前板上部左、右侧的车箱照明灯附近。气暖加热装置组成如图3所示。

3.2 选型计算[1]

3.2.1 加热器选型

3.2.1.1 热平衡关系

加热器主要为加热车箱内空气提供热量，要在克服通过车辆外表面向外界环境散热的同时，使车箱内空气温度保持在合理范围内，这时的热平衡关系可表示为：

式中，Wk为加热器功率，kW；t为加热时间，s；Q1为车箱壁面导热散失的热量；Q2为车箱换气散失的热量；Q3为预热车箱空气所需热量。

3.2.1.2 车箱导热散失的热量

车箱导热散失的热量公式：

式中，Kp为车箱平均传热系数，W/(㎡·℃)；S为车箱总体散热面积，㎡；ΔT为车箱内外温度差，℃，取ΔT=35℃；t为加热时间，h，t=0.5 h；Ki为车箱各壁面传热系数，W/(㎡·℃)；Si为车箱各壁面的传热面积，㎡，篷布为76.5 ㎡，木板和铁板均为18 ㎡；S为车箱总体散热面积，㎡，由于箱体薄，内外表面积近似相等，取S=112.5㎡。

式中，αn为内壁散热系数，由于车箱内空气属于强制循环，取αn=23 W/(㎡·℃)；δi为车箱各壁面隔热材料厚度，m，篷布厚度为0.012 m，箱体木板厚度为0.025 m，箱体铁板厚度为0.002 m；λi为车箱各壁面隔热材料传热系数，W/(㎡·℃)，篷布为0.03 W/(㎡·℃)，木板为0.38 W/(㎡·℃)，铁板为50 W/(㎡·℃)；αw为箱体外壁散热系数，当车箱外空气流速V＜2.56 m/s时，αw=29 W/(㎡·℃)[2]。

由式(5)得出，车箱各壁面传热系数分别为K篷布=2.1 W/(㎡·℃)，K木板= 7.15 W/(㎡·℃)，K铁板=14.29 W/(㎡·℃)。由式(3)、(4)得出，Kp= 4.86 W/(㎡·℃)，Q1=9 563.63 kJ。

3.2.1.3 车箱换气散失的热量

车箱换气散失的热量公式：

式中，β为箱体漏气附加散热系数，由于箱体密封性差，β=1。

由式(6)得出，车箱换气散失的热量Q2=9 563.63 kJ。

3.2.1.4 预热车箱空气所需热量

预热车箱空气所需的热量公式：式中，Cp为空气的比热容，1.01kJ/(kg·℃)，m为车箱内空气质量，m=80.68 kg。

由式(7)得出，预热车箱空气所需热量Q3=2 852 kJ。

3.2.1.5 所需总热量

由式(1)得出，所需总热量Q总=21 979.26 kJ。

3.2.1.6 加热器功率

由式(2)得出，加热器功率（30 min车箱达到平衡温度）Wk= Q总/t=12.21 kW。

国内某加热器厂家的可选机型如表1所示。

表1 加热器型号及参数

根据计算结果，选择两个型号为FJH-7D的加热器，发热功率：2×7 kW＞12.21 kW，符合计算要求。

3.2.2 风道设计

在车箱地板两侧布置风道。单侧风道由前后两段组成，长为5 690 mm，两侧带出风口共20组，如图4所示。风道设计为等腰梯形截面，结构稳定，在其两个腰面上开有出风口，可以将热风向斜上方向吹出，避免直吹乘员的头部。风道上安装有滑块，可独立调节出风口风量大小。为防止风道过热烫伤乘员，在风道及滑块之间加装了环保型的隔热材料，如图5所示。

应用CFD分析软件对风道各出风口的风速进行模拟计算[3]，结果如图6、7所示，出口的平均风速为5.8 m/s，从前至后风速均匀、缓慢增大。

4 样车性能测试

4.1 宿营车箱加热装置性能测试

为验证车箱气暖加热装置在不同环境温度的性能，设计人员分别在车间内和室外空旷场地对样车进行了三次测试。首先根据经验分别在车箱前部和后部各确定三个测量点，测量点的选取如图9所示。第一次测试时车箱底板未密封，第二次测试时车箱底板铺单层帆布密封，第三次测试时车箱底板铺薄棉被密封。三次测试数据整理如图11所示，试验结果如表2所示。

表2 车箱气暖加热装置性能测试表

以第二次测试为例，对六个测温点测得的试验数据进行处理，测试结果如图12所示。

测试结果显示，车箱前部、后部温度差为2～4℃，温度均匀，符合宿营需求。

4.2 加热器噪声试验[4]

噪声测定：要求车箱换气扇打开。

a. 测量点选取：如照图11所示，选取测量点；

b. 记声仪放置：由于现行无此类宿营车型关于车箱噪声的相关标准，车辆在使用中基本用途与卧铺客车类似，故在测量加热系统噪声时，选择参考GB/T 25982-2010中对卧姿、坐姿的记声仪放置高度的要求，记声仪应分别放置在距车箱底板高(0.20±0.02) m处及(1.10±0.05) m处；测量加热器噪声时，记声仪应放置放在加热器风机轴线上距风机外边缘(0.10±0.02)m处，记声仪放置高度如图13所示；

c. 分三种工况对系统进行噪声测量。

试验结果如表3所示。结果显示，车箱内噪声符合GB/T 25982-2010《客车车内噪声限值及测量方法》中规定噪声限值≤72 dB(A)的要求。

表3 车箱噪声试验结果表 单位:dB(A)

5 结语

该宿营车车箱独立气暖加热装置，经过样车测试，可以有效提升车辆野外宿营的低温环境适应性，特别适合在我国北方地区冬季使用。但该车也存在不足，由于车箱采用铁木混合结构，箱板结合处存在缝隙，车箱内外空气对流严重，热量损失较大。在后续产品升级中需要进一步对车箱密封性及车箱材质方面进行研究改善。

[1] 徐达,蒋崇贤.专用汽车结构与设计[M].北京:北京理工大学出版社,1998.

[2] 崔靖.专用汽车设计[M].西安:陕西科学技术出版社,1989.

[3] 李明,李明高. STAR-CCM+与流场计算[M].北京:机械工业出版社,2011.

[4] GB/T 25982-2010.客车车内噪声限值及测量方法[S].

Carriage Air Heating Device Design in Camping Truck

HUANG Gong-ping et al

针对用户在北方冬季野外宿营时，使用宿营车供暖的需求，设计了一种利用气暖加热器加热空气，并通过风机和风道传送到车箱各处以均匀加热宿营车箱的新型加热装置。本装置安装空间小，实车改制方便，实施费用低，大幅提升了宿营车的野外环境适应性。

宿营车箱 气暖加热装置 性能测试 选型计算

When using camping truck in winter in the northern China, heating carriage is required. New camping truck carriage heating device was designed to heat air, and hot air would to transmit around the carriage through the duct. This device requires small installation space, convenient to modify and low cost, which improves the environmental adaptability of camping.

camping truck carriage;warm air heating device;performance test; selection calculation

U469.6+93.03

A

1004-0226(2016)11-0098-04

黄功平，男，1979年生，高级工程师，现从事专用汽车研发及技术管理工作。

2016-08-26