冷板冷藏车整车传热系数的计算分析

    1 前言

    我国疆域辽阔,货物运输量大,铁路货运在货物运输过程中发挥了巨大作用,其中蔬菜、水果等食品运输主要依赖各种铁路冷藏车。随着社会经济的发展,人民生活水平的不断提高,我国食品运输量日益增加,因此我国在上世纪末开发、生产了机械冷板冷藏列车[1]。目前,设计人员对冷板冷藏车车体传热负荷的确定是凭借经验,对不同的运行车速,其整车传热系数基本不变,就实际情况而言,传热系数与车体运行速度、车内温度、车体当量面积等有关。本文将就这一问题进行探讨。

    2 冷板冷藏车当量面积的求解

    图1是冷板冷藏车断面尺寸示意图,车体长度方向是16米。

    将整个车体隔热壁划分为六个典型结构块(分别是车顶、车底、前端、后端、左侧及右侧),分别将这六个朝向的外表面面积与内表面面积的乘积开平方就得到相应的当量面积。根据图1所列的几何尺寸计算得到这六个结构块的当量面积分别是:车顶面积57.18 m²,车底面积48.73 m²,左侧面积43.23 m²,右侧面积43.23 m^2,前端面积8.72 m²,后端面积8.72 m²。

    3 车体内表面的对流换热系数的计算

    车体内表面的对流换热属于自然对流,其侧面四面可以看作是自然对流空气与竖直平板之间的对流换热,其对流平均换热系数为α1;上、下顶面可以看作是自然对流空气与水平平板之间的对流换热,其对流平均换热系数为α2,下面简单叙述一下如何求取这两个对流换热系数。

    3.1 对流平均换热系数α1的求解

    流体流过竖直平板时,车内竖直面的瑞利数计算式[2]:

Ra = AL³ΔT (1)

    式中:Ra—瑞利数;

    A—系数,仅决定于流体的温度和种类;

    L—表面的特征尺度(定形尺度),米;

    ΔT—表面和静止流体之间的驱动温差,K。

    就冷板冷藏车而言,车厢内空气温度一般在0℃以下,因此取A=2.02×10⁸(1/(m3.K))[2],车体内壁面与空气的温差取2℃,特征尺寸L取2.7 m,计算得到Ra=9.344×10⁹。麦克阿当综合大量实验数据,推荐了竖直平板对流体的自然对流换热曲线,当瑞利数大于109时,其努谢尔特数的计算公式是[2]:

    式中:α—平均对流换热系数,W/(m2•K);

    Km—空气的导热系数,W/(m•K);

    Nu—努谢尔特数。

    对空气而言,导热系数λm= 0. 023W/(m•K)[3],代入上式得A1=2.2W/(m²•K)。

    3.2 对流平均换热系数的求解

    对于车体上、下顶面,取Am=2.02×10⁸(1/(m³•K)),L=2.7 m,ΔT=2 K,依据公式(1)计算得:Ra=2.02×10⁸×2.7³×2=7.95×10⁹