Mathematical Model of Unsteady Heat Transfer of Passenger Car with Heating System
Loading...
Date
2018
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Дніпро
Abstract
EN: Purpose. The existing mathematical models of unsteady heat processes in a passenger car do not fully reflect the thermal processes, occurring in the car wits a heating system. In addition, unsteady heat processes are often studied in steady regime, when the heat fluxes and the parameters of the thermal circuit are constant and do not depend on time. In connection with the emergence of more effective technical solutions to the life support system there is a need for creating a new mathematical apparatus, which would allow taking into account these features and their influence on the course of unsteady heat processes throughout the travel time. The purpose of this work is to create a mathematical model of the heat regime of a passenger car with a heating system that takes into account the unsteady heat processes. Methodology. To achieve this task the author composed a system of differential equations, describing unsteady heat processes during the heating of a passenger car. For the solution of the composed system of equations, the author used the method of elementary balances. Findings. The paper presents the developed numerical algorithm and computer program for simulation of transitional heat processes in a locomotive traction passenger car, which allows taking into account the various constructive solutions of the life support system of passenger cars and to simulate unsteady heat processes at any stage of the trip. Originality. For the first time the author developed a mathematical model of heat processes in a car with a heating system, that unlike existing models, allows to investigate the unsteady heat engineering performance in the cabin of the car under different operating conditions and compare the work of various life support systems from the point of view their constructive solutions. Practical value. The work presented the developed mathematical model of the unsteady heat regime of the passenger car with a heating system to estimate the efficiency of unsteady, transitional temperature states in passenger cars, taking into account the design features of the heating system and the regulatory requirements. This allows the development and implementation of optimal technical characteristics of heating appliances and the construction of an algorithm for controlling their operation in accordance with operating conditions, taking into account the thermal inertia of the car in the transitional modes of heating, on the basis of mathematical modeling.
UK: Мета. Існуючі математичні моделі нестаціонарних теплових процесів у пасажирському вагоні не в повній мірі відображають процеси, що відбуваються при використанні системи опалення. Крім того, нестаціонарні теплові процеси найчастіше досліджувалися в стаціонарному режимі, коли потоки та параметри теплового контуру постійні та не залежать від часу. У зв’язку з появою більш ефективних технічних рішень системи життєзабезпечення виникла потреба й у створенні нового математичного апарату, який давав би змогу врахувати ці особливості та їх вплив на перебіг нестаціонарних теплових процесів протягом усього рейсу. Мета даної роботи – створення математичної моделі теплового режиму пасажирського вагона з системою опалення, що враховує нестаціонарність теплових процесів. Методика. Для реалізації поставленої задачі методом моделювання була створена система диференціальних рівнянь, які описують нестаціонарні теплові процеси при опаленні пасажирського вагона; для розв’язання складеної системи рівнянь використовувався метод елементарних балансів. Результати. Розроблено розрахунковий алгоритм та створено комп’ютерну програму для моделювання перехідних теплових процесів у пасажирському вагоні локомотивної тяги, що дозволяє враховувати різні конструктивні рішення системи життєзабезпечення пасажирських вагонів та здійснювати моделювання нестаціонарних теплових процесів на будь-якому етапі рейсу. Наукова новизна. Вперше розроблено математичну модель теплових процесів у вагоні з системою опалення, що дозволяє, на відміну від існуючих моделей, досліджувати нестаціонарність теплотехнічного стану в салоні вагона за різних умов експлуатації та порівнювати роботу різних систем життєзабезпечення з точки зору їх конструктивних рішень. Практична значимість. Розроблена математична модель нестаціонарного теплового режиму пасажирського вагона з системою опалення для оцінки ефективності нестаціонарних перехідних температурних станів у приміщеннях пасажирського вагону з урахуванням особливостей конструкції системи опалення та нормативних вимог. Це дозволяє здійснювати розробку й реалізацію оптимальних технічних характеристик приладів опалення та побудову алгоритму керування їх роботою відповідно до умов експлуатації, у тому числі з урахуванням теплової інерції вагону при перехідних режимах роботи системи опалення шляхом математичного моделювання.
RU: Цель. Существующие математические модели нестационарных тепловых процессов в пассажирском вагоне не в полной мере отражают процессы, протекающие при использовании системы отопления. Кроме того, нестационарные тепловые процессы чаще всего исследовались в стационарном режиме, когда потоки и параметры теплового контура постоянные, не зависящие от времени. В связи с появлением более эффективных технических решений системы жизнеобеспечения возникла необходимость в создании нового математического аппарата, который давал бы возможность учесть эти особенности и их влияние на ход нестационарных тепловых процессов в течение всего времени рейса. Цель данной работы – создание математической модели теплового режима пассажирского вагона с системой отопления, учитывающую нестационарность тепловых процессов. Методика. Для реализации поставленной задачи методом моделирования была создана система дифференциальных уравнений, которые описывают нестационарные тепловые процессы при отоплении пассажирского вагона; для решения составленной системы уравнений использовался метод элементарных балансов. Результаты. Разработан расчетный алгоритм и создана компьютерная программа для моделирования переходных тепловых процессов в пассажирском вагоне локомотивной тяги, позволяющая учитывать различные конструктивные решения системы жизнеобеспечения пассажирских вагонов и осуществлять моделирование нестационарных тепловых процессов на любом этапе рейса. Научная новизна. Впервые разработана математическая модель тепловых процессов в вагоне с системой отопления, позволяющая, в отличие от существующих моделей, исследовать нестационарность теплотехнического состояния в салоне вагона при различных условиях эксплуатации и сравнивать работу различных систем жизнеобеспечения с точки зрения их конструктивных решений. Практическая значимость. Разработана математическая модель нестационарного теплового режима пассажирского вагона с системой отопления для оценки эффективности нестационарных переходных температурных состояний в помещениях пассажирского вагона с учетом особенностей конструкции системы отопления и нормативных требований. Это позволяет осуществлять разработку и реализацию оптимальных технических характеристик приборов отопления и построения алгоритма управления их работой в соответствии с условиями эксплуатации, в том числе с учетом тепловой инерции вагона при переходных режимах работы системы отопления путем математического моделирования.
UK: Мета. Існуючі математичні моделі нестаціонарних теплових процесів у пасажирському вагоні не в повній мірі відображають процеси, що відбуваються при використанні системи опалення. Крім того, нестаціонарні теплові процеси найчастіше досліджувалися в стаціонарному режимі, коли потоки та параметри теплового контуру постійні та не залежать від часу. У зв’язку з появою більш ефективних технічних рішень системи життєзабезпечення виникла потреба й у створенні нового математичного апарату, який давав би змогу врахувати ці особливості та їх вплив на перебіг нестаціонарних теплових процесів протягом усього рейсу. Мета даної роботи – створення математичної моделі теплового режиму пасажирського вагона з системою опалення, що враховує нестаціонарність теплових процесів. Методика. Для реалізації поставленої задачі методом моделювання була створена система диференціальних рівнянь, які описують нестаціонарні теплові процеси при опаленні пасажирського вагона; для розв’язання складеної системи рівнянь використовувався метод елементарних балансів. Результати. Розроблено розрахунковий алгоритм та створено комп’ютерну програму для моделювання перехідних теплових процесів у пасажирському вагоні локомотивної тяги, що дозволяє враховувати різні конструктивні рішення системи життєзабезпечення пасажирських вагонів та здійснювати моделювання нестаціонарних теплових процесів на будь-якому етапі рейсу. Наукова новизна. Вперше розроблено математичну модель теплових процесів у вагоні з системою опалення, що дозволяє, на відміну від існуючих моделей, досліджувати нестаціонарність теплотехнічного стану в салоні вагона за різних умов експлуатації та порівнювати роботу різних систем життєзабезпечення з точки зору їх конструктивних рішень. Практична значимість. Розроблена математична модель нестаціонарного теплового режиму пасажирського вагона з системою опалення для оцінки ефективності нестаціонарних перехідних температурних станів у приміщеннях пасажирського вагону з урахуванням особливостей конструкції системи опалення та нормативних вимог. Це дозволяє здійснювати розробку й реалізацію оптимальних технічних характеристик приладів опалення та побудову алгоритму керування їх роботою відповідно до умов експлуатації, у тому числі з урахуванням теплової інерції вагону при перехідних режимах роботи системи опалення шляхом математичного моделювання.
RU: Цель. Существующие математические модели нестационарных тепловых процессов в пассажирском вагоне не в полной мере отражают процессы, протекающие при использовании системы отопления. Кроме того, нестационарные тепловые процессы чаще всего исследовались в стационарном режиме, когда потоки и параметры теплового контура постоянные, не зависящие от времени. В связи с появлением более эффективных технических решений системы жизнеобеспечения возникла необходимость в создании нового математического аппарата, который давал бы возможность учесть эти особенности и их влияние на ход нестационарных тепловых процессов в течение всего времени рейса. Цель данной работы – создание математической модели теплового режима пассажирского вагона с системой отопления, учитывающую нестационарность тепловых процессов. Методика. Для реализации поставленной задачи методом моделирования была создана система дифференциальных уравнений, которые описывают нестационарные тепловые процессы при отоплении пассажирского вагона; для решения составленной системы уравнений использовался метод элементарных балансов. Результаты. Разработан расчетный алгоритм и создана компьютерная программа для моделирования переходных тепловых процессов в пассажирском вагоне локомотивной тяги, позволяющая учитывать различные конструктивные решения системы жизнеобеспечения пассажирских вагонов и осуществлять моделирование нестационарных тепловых процессов на любом этапе рейса. Научная новизна. Впервые разработана математическая модель тепловых процессов в вагоне с системой отопления, позволяющая, в отличие от существующих моделей, исследовать нестационарность теплотехнического состояния в салоне вагона при различных условиях эксплуатации и сравнивать работу различных систем жизнеобеспечения с точки зрения их конструктивных решений. Практическая значимость. Разработана математическая модель нестационарного теплового режима пассажирского вагона с системой отопления для оценки эффективности нестационарных переходных температурных состояний в помещениях пассажирского вагона с учетом особенностей конструкции системы отопления и нормативных требований. Это позволяет осуществлять разработку и реализацию оптимальных технических характеристик приборов отопления и построения алгоритма управления их работой в соответствии с условиями эксплуатации, в том числе с учетом тепловой инерции вагона при переходных режимах работы системы отопления путем математического моделирования.
Description
E. Biloshytskyi: ORCID 0000-0002-2424-8479
Keywords
mathematical modelling, passenger car, unsteady heat processes, heating system, математичне моделювання, пасажирський вагон, нестаціонарні теплові процеси, система опалення, математическое моделирование, пассажирский вагон, нестационарные тепловые процессы, система отопления, ПКТБ
Citation
Biloshytskyi, E. Mathematical Model of Unsteady Heat Transfer of Passenger Car with Heating System / E. Biloshytskyi // Наука та прогрес транспорту. – 2018. – № 1 (73). – С. 121–130. – doi: 10.15802/stp2018/123409.