IMK – 14. OKTOBAR A.D. KRUŠEVAC
KONSTRUKTIVNI PARAMETRI TOPLOTNE INTERAKCIJE IZMEĐU
ČOVEKA I KABINE
mr Dragan Ružić1, dipl. inž. maš., prof. dr Ferenc Časnji1
Kategorizacija rada: STRUČNI RAD
ADRESA:
1) Fakultet tehničkih nauka Novi Sad, Departman za
mehanizaciju i konstrukciono mašinstvo, Katedra za
motore i vozila, Trg Dositeja Obradovića 6, 21000
Novi Sad
REZIME: Traktorska kabina treba da rukovaocu obezbedi bezbedno i udobno okruženje. Jedan od aspekata
ergonomičnosti su i mikroklimatski uslovi u kabini, kao veoma bitan uticaj na efikasnost i bezbednost celog
sistema čovek-mašina. U okviru ovog rada, kao uticajni faktori na toplotni osećaj čoveka u kabini traktora,
izdvojene su toplotne karakteristike materijala primenjenih za izradu kabina, geometrija unutrašnjosti kabine i
izvođenje sistema za razvođenje vazduha. Analiza je izvršena nad uzorkom kabina traktora srednje kategorije.
Cilj rada je identifikacija i analiza najvažnijih parametara, što bi ujedno moglo da predstavlja podloge pri
projektovanju kabine za određeni traktor sa aspekta minimizacije nepovoljnog uticaja na rukovaoca. Rezultati
su pokazali da su najuticajniji činilac zastakljene površine kabine, zbog svoje veličine i toplotnih i solarnih
karakteristika. Sledi da bi se izborom odgovarajućih osobina zastakljenih površina kabine moglo postići
značajno smanjenje toplotnog opterećenja rukovaoca, ali i same kabine. Sistem za distribuciju vazduha, kao
aktivni deo kabine u toplotnoj interakciji takođe ima važnu ulogu u odvođenju toplote od tela rukovaoca.
KLJUČNE REČI: traktor, kabina, mikroklima, toplotni osećaj rukovaoca
UVOD
Ergonomija kabine je ključni činilac u
obezbeĎivanju njegovog optimalnog radnog
učinka, ali lako može narušiti efikasnost sistema
okolina-mašina-čovek, kada čovek postane
najslabija karika u lancu. Mikroklimatska
ergonomija u kabini je važan činilac za zdravlje
i radnu sposobnost traktoriste, indirektno i za
bezbednost u radu i u saobraćaju. U kabini
traktora mogu vladati ekstremni klimatski
uslovi, sa veoma visokim temperaturama
vazduha, zajedno sa dejstvom ostalih
nepovoljnih uticaja (zagaĎenost vazduha
prašinom i izduvnim gasovima pogonskog
motora, a ponekad i kapljicama hemijskih
sredstava).
Uslovi potrebni za ostvarenje toplotnog
komfora su približno isti kao i u bilo kom
drugom zatvorenom objektu. Standardi za
toplotni komfor nalažu odreĎene granice i
kombinacije mikroklimatskih (temperature
vazduha i površina, brzina vazduha i relativna
vlažnost) i individualnih (oblačenje i aktivnost)
parametara koji bi trebali da za prosečnu
populaciju predstavljaju uslove koji obezbeĎuju
toplotni komfor. Dakle, jedna od zaštitinih uloga
kabine je i postizanje i održavanje traženih
mikroklimatskih uslova, uz što manju osetljivost
na spoljašnje uslove. Zato se čovek, mašina (u
ovom slučaju kabina poljoprivrednog traktora) i
okolina nalaze u neprestanoj toplotnoj interakciji
(slika 1):
Okolina ima uticaje na kabinu i na sistem za
kondicioniranje vazduha preko
- temperature, vlažnosti i brzine vazduha,
- sastava vazduha (sadržaj čestica...), i
- intenziteta zračenja sunca.
Kabina traktora
- pasivno stvara mikroklimatske uslove kao
rezultat interakcije njenih osobina i spoljašnjih
uslova, i
- aktivno
deluje
putem
sistema
za
kondicioniranje vazduha, isporučujući vazduh
odreĎenih karakteristika u zonu rukovaoca.
Čovek reaguje i utiče tako što
- odaje toplotu i vlagu, i
- podešava odeću i upravlja
kondicioniranja vazduha.
IMK – 14 Istraživanje i razvoj, Godina XVII, Broj (41), 4/2011
sistemom
85
IMK – 14. OKTOBAR A.D. KRUŠEVAC
Slika 1. Toplotna interakcija između čoveka, kabine i okoline. tao – temperatura spoljašnjeg vazduha, RH –
relativna vlažnost vazduha, Gs – intenzitet zračenja sunca, taHVAC – temperatura vazduha na izlazu iz sistema za
kondicioniranje vazduha, va – brzina vazduha, ma – maseni protok vazduha, tai – temperatura unutrašnjeg
vazduha, tr – temperatura zračenja unutrašnjih površina, qM – osetna toplota koju oslobađa čovekovo telo, mH2O
– vodena para koju oslobađa čovekovo telo, τs – koeficijent solarne transparencije stakla, qPT – toplotni fluks od
pogonskog agregata
Detaljna ispitivanja mikroklimatskih uslova i uticaja
različitih izvedbi ventilacije su predstavljena u [12],
[14], gde je zaključeno da postoje razlike u
toplotnom osećaju rukovaoca izmeĎu različitih
sistema razvoĎenja vazduha pod istim ostalim
uslovima. Analize ergonomskih karakteristika
traktora srednje snage su date u [5] i [6]. Istraživanja
novijeg datuma dostupna iz literaturnih izvora su
mahom usmerena na oblast putničkih vozila.
S obzirom da, za razliku od buke i vibracija, toplotni
procesi u sistemu kabine ne zavise u tolikoj meri od
radnog procesa traktora, nego gotovo isključivo od
spoljašnjih toplotnih uslova, u okviru ovog rada je
kabina posmatrana kao zasebna celina. Za potrebe
ovog rada analizirane su karakteristike kabina
traktora srednje snage, pri čemu je obuhvaćeno
ukupno 26 različitih kabina koje se ugraĎuju u 90
modela od 11 proizvoĎača traktora točkaša. Nakon
prikaza opštih karakteristika kabina, izvršena je
analiza uticajnih konstruktivnih parametara na
toplotnu interakciju, na osnovu čega su doneta
zaključna razmatranja.
OPŠTE KARAKTERISTIKE KABINA
TRAKTORA SREDNJE KATEGORIJE
Na osnovu raspoložive dokumentacije i pregledom
pojedinih poljoprivrednih traktora koji su u ponudi
na našem tržištu, napravljen je sažet pregled stanja u
86
pogledu toplotnih karakteristika materijala kabina i
izvedbi sistema za normalizaciju mikroklime.
Traktori iz uzorka su koncepcije 4WD, snage motora
od 40,5 do 155 kW, mase izmeĎu 2750 i 8410 kg i
razmaka osovina u rasponu od 2055 do 3089 mm.
Analiza je pokazala da je modul kabine traktora
srednje kategorije konstruktivno sličan, na prvom
mestu po geometriji i primenjenim materijalima, dok
razlike postoje u opremljenosti i izvoĎenju sistema
razvoda vazduha.
Osnovni materijal rama kabine su čelični profili i
lim, a četiri ili šest stubova čine osnovu zaštitne
strukture [16]. Velik deo omotača kabine (oko 60%
ukupne površine) su stakla, po pravilu kaljena i
tonirana. Krov kabine može ujedno služiti i za
smeštaj sistema ventilacije i klimatizacije. Kabine su
standardno ili opciono opremljene sistemom za
klimatizaciju vazduha. Sistem za klimatizaciju radi
na istom principu kao i konvencionalni sistem koji se
primenjuje na motornim vozilima, i procenjeno je da
može da angažuje 4 – 6 kW od traktorskog motora,
što predstavlja 2,5 – 15% od nazivne snage motora
ove kategorije traktora.
UTICAJNI PARAMETRI
INTERAKCIJU
NA
TOPLOTNU
IMK – 14 Istraživanje i razvoj, Godina XVII, Broj (41), 4/2011
IMK – 14. OKTOBAR A.D. KRUŠEVAC
Posmatrajući toplotnu interakciju izmeĎu kabine i
čoveka, polazna tačka je uticaj mikroklimatskih
uslova u kabini na čoveka, na osnovu koje će doći do
reakcije čovekovog organizma, termoregulacijom i
ponašanjem. Reakcija čovekovog termoregulacionog
sistema u toplim uslovima je širenje perifernih krvnih
sudova, zatim lučenje znoja. Reakcija ponašanjem je
podešavanje odeće, prozora, zaštite od sunca,
ventilacije i klima-ureĎaja.
Mikroklimatski uslovi u kabini deluju na čoveka
putem osnovnih parametara: temperatura vazduha,
temperatura zračenja okolnih površina, brzina
vazduha i relativna vlažnost. U toplim uslovima je
dejstvo zračenja sunca dominantan faktor u procesu
dotoka toplote u kabinu, čiji toplotni fluks kroz stakla
višestruko nadmašuje ostale mehanizme prenosa
toplote kroz omotač kabine. Direktno dejstvo sunca
na traktoristu kroz stakla i otvore kabine utiče na
pogoršanje toplotnog komfora zbog apsorpcije
toplotne energije sunca koja dovodi do povećanja
temperature kože i odeće. Uticaj će zavisiti od
apsorptivnosti odeće i kože za propušteni deo spektra
kroz stakla. Pored toga, zbog efekta staklene bašte
kod zatvorene kabine izložene suncu i pri umereno
toplim uslovima dolazi do porasta temperature
unutrašnjih površina i vazduha na vrednosti koje
prevazilaze spoljašnje uslove. U najboljem slučaju,
kontrolu mikroklimatskih uslova u kabini je moguće
vršiti ubacivanjem kondicioniranog vazduha, snižene
temperature i vlažnosti, koji spušta unutrašnju
temperaturu vazduha, ali i omogućava direktno
hlaĎenje rukovaoca, što mora biti pod njegovom
kontrolom.
Stoga, konstrukcija kabine po tom osnovu ima
sledeće zadatke: da umanji dotok toplote u
unutrašnjost i, što će biti razmotreno u okviru ovog
rada, da umanji prenos toplote ka rukovaocu te
omogući efikasno i udobno rashlaĎivanje rukovaoca.
Konstruktivne karakteristike koje imaju uticaja na
navedene procese su materijali unutrašnjosti kabine i
stakla, geometrija kabine i izvedba sistema za
distribuciju vazduha.
Toplotne karakteristike materijala kabine
Unutrašnje površine kabina traktora iz posmatranog
uzorka čine staklene površine i površine od veštačkih
materijala: tavanica, pod, unutrašnji blatobrani i
centralna konzola sa instrument tablom. Osim
pojedinih delova stubova, veće metalne bojene
površine u unutrašnjosti se praktično ne mogu sresti
u savremenim traktorskim kabinama.
Kako stakla spadaju u polutransparentni materijal, u
pogledu toplotnog i svetlosnog zračenja, ona
propuštaju jedan deo spektra sunčevog zračenja.
Pored toga, staklo zagrejano na neku temperaturu
emituje toplotu dugotalasnim zračenjem, čiji
intenzitet zavisi od emisivnosti njegove površine.
Tonirana stakla, koja se kod analiziranih traktorskih
kabina uobičajeno primenjuju, imaju manji
koeficijent propustljivosti direktnog sunčevog
zračenja (τs ≈ 0,5), u poreĎenju sa netoniranim
staklom (τs > 0,8), pri čemu je koeficijent apsorpcije
sunčevog zračenja veći nego što je to kod netoniranih
stakala (αs ≈ 0,45 u odnosu na αs ≈ 0,08) [2], [24]. Te
osobine važe ako upadni ugao sunčevog zračenja ne
odstupa više od 30° od normale, dok se pri povećanju
odstupanja propustljivost smanjuje uz povećanje
reflektivnosti. Kako je nagib bočnih stakala
analiziranih kabina do oko 10°, a vetrobrana do oko
20°, uzimajući u obzir prosečnu oblačnost u mesecu
julu na teritoriji centralne Vojvodine [8], maksimalno
propuštanje solarne energije bi se dešavalo u
prepodnevnim ili popodnevnim časovima u iznosu od
oko 300 W/m2 za tonirana, a za oko 60% više za
netonirana stakla.
Sledi, da u pogledu dejstva propuštenog sunčevog
zračenja na rukovaoca, tonirana stakla imaju
povoljnije osobine i umanjuju dotok toplote ka telu
rukovaoca zbog zračenja sunca i za više od 60%.
MeĎutim, toniranjem se umanjuje i propustljivost
vidljivog dela spektra, pa se iz zahteva za potrebnom
vidljivosti ne primenjuju stakla sa propustljivosti
svetla manjim od 75%. Tonirana stakla spadaju u
apsorptivna stakla, pa se zbog apsorbovane energije
temperatura stakla podiže iznad temperature
spoljašnjeg vazduha. Zbog toga do izražaja dolazi i
relativno visoka toplotna emisivnost stakla (ε = 0,9
za obično staklo, za koje postoje podaci [1]).
Njegova mala selektivna propustljivost dalekog
infracrvenog zračenja koje potiče od ugrejanih
unutrašnjih površina upravo vodi ka efektu staklene
bašte u kabini. Prema tome, ukupna energije
propuštena kroz staklo biće jednaka sumi direktno
propuštenog zračenja i dugotalasnog zračenja stakla
prema unutrašnjosti kabine. Emisija stakla
zagrejanog na 50°C iznosi oko 55 W/m2. Zbog velike
površine stakala i malog rastojanja od tela rukovaoca,
to je vrednost koju čovekov organizam oseća kao
dodatno toplotno opterećenje, čak i kada direktno
zračenje sunca prestane, sve dok se temperatura
unutašnje površine stakla ne smanji na nivo
temperature površine čovekovog tela.
Kako su stakla generalno nepropusna za ultraljubičasti deo spektra, a vidljivi deo i bliski
infracrveni deo spektra nose skoro po polovinu
energije [2], rešenje koje je našlo primenu u
putničkim automobilima je primena spektralno
selektivnih stakala. Spektralno selektivna stakla
IMK – 14 Istraživanje i razvoj, Godina XVII, Broj (41), 4/2011
87
IMK – 14. OKTOBAR A.D. KRUŠEVAC
reflektuju u što većoj meri infracrveni deo spektra
sunčevog zračenja, uz manje ometanje prolaza
vidljivog svetla. Primenjuju se dva metoda, sa IC
reflektivnim slojem i sa IC apsorptivnim meĎuslojem
Error! Reference source not found.. Kod IC
reflektivnih stakala sa propustljivošću IC zračenja
manjim od 20%, propustljivost energije je 46%, pri
čemu će i temperatura stakla biti niža nego kod
apsorptivnog stakla [24].
Neprovidne površine unutrašnjosti kabine takoĎe
mogu imati povišenu temperaturu: tavanica zbog
prolaza toplote kroz krov kabine zagrejan sunčevim
zračenjem, pod kabine zbog zagrevanja toplotom od
dela pogonskog agregata koji se nalazi ispod kabine
(kod niže klase traktora transmisija "zadire" jednim
delom u prostor kabine) i sve površine izložene
zagrevanju dejstvom sunčevog zračenja propuštenog
kroz stakla. Ove površine oslobaĎaju toplotu ka
hladnijem unutrašnjem vazduhu, zrače prema
rukovaocu (što će zavisiti i od njihove relativne
geometrije) ali i postoji direktno dejstvo prenosa
toplote kondukcijom, koja u ekstremnim slučajevima
može rezultirati pojavom opekotina na koži u
kontaktu sa pojedinim ugrejanim površinama
(granica bola za temperaturu kože je 45°C, dok
pojedine površine izložene sunčevom zračenju kroz
stakla mogu dostići i preko 80°C!). Konvencionalno
traktorsko sedište deluje kao toplotni izolator u
smislu oslobaĎanja toplote iz čovekovog tela, i u
teoriji se uračunava u toplotnu izolaciju odeće
(dodaje se 0,2 Clo [11]). Posmatrajući proces na
površini kontakta sedišta i čovekovog tela, lokalna
temperatura kože će dostići nekomfornu temperaturu
od oko 36°C, dok će oslobaĎanje i isparavanje vlage
biti ometeno [18].
Emisivnost
nemetalnih
hrapavih
materijala
unutrašnjih obloga kabine je visoka i bliska jedinici
[3]. Odeća takoĎe ima visoku emisivnost (εclo = 0,95
– 1,0 [17]), kao i ljudska koža (εskin = 0,97 [10]). Za
odreĎivanje prenosa toplote zračenjem na bazi
razlike temperature površina, može se koristiti i
pojednostavljeni izraz:
qr  hr (t surf  t skin ) , W/m2,
gde je hr koeficijent prenosa toplote zračenjem [10]:
2
2
hr      (Tsurf  Tskin )(Tsurf
 Tskin
) , W/m2K.
Za ljudsko telo u tipičnim sobnim uslovima
osrednjena vrednost je hr = 4,7 W/m2K, što znači da
će u okruženju sa zagrejanim okolnim površinama
biti i veći [7], [17]. Kako je to isti red veličine kao i
koeficijent konvekcije (hc = 3,1 W/m2K za prirodnu
88
konvekciju, raste sa povećanjem brzine vazduha
[17]), temperatura okolnih površina će imati
približno isti uticaj kao i temperatura vazduha.
Iz tog razloga se kod analiziranih traktora uočavaju
sledeće mere za smanjenje temperature tih površina.
Krov kabine se pravi da ima malu solarnu
apsorptivnost, na prvom mestu svojom svetlom
bojom. Po pravilu u krovu kabine je meĎuprostor u
koji je smešten sistem za razvoĎenje vazduha i
isparivač klima-ureĎaja, ako postoji. Ispod poda
kabine se kod nekih traktora postavlja materijal koji
reflektuje toplotu pogonskog agregata, ujedno
poboljšavajući i toplotno-zvučnu izolaciju. Napredno
rešenje za poboljšanje direktnog hlaĎenja tela je
primena ventilisanih sedišta, koja za sada ima
primenu samo u traktorima viših kategorija, kao
dodatna oprema.
Sa aspekta prelaznih režima, prilikom rashlaĎivanja
zagrejane kabine, od značaja je i toplotni kapacitet
materijala unutrašnjosti, od čega će zavisiti vreme
potrebno da se temperatura površina spusti na nižu
vrednost. Toplotni kapacitet je proizvod specifične
toplote materije i njene mase, ali bi smanjenje mase
nemetalnih materijala u unutrašnjosti neophodnih za
izolaciju buke i vibracija (sedište, podna presvlaka i
sl.) bilo nepovoljno sa tih ergonomskih aspekata.
Geometrija i dimenzije unutrašnjosti kabine
Konfiguracija unutrašnjosti kabina je kod
posmatranog uzorka traktora veoma slična. U
pogledu veličine kabine, dužine kabina se nalaze u
rasponu 1,40 – 1,77 m, širine 1,38 – 1,70 m i visine
1,45 – 1,80 m. Najveći koeficijenti korelacije se
zapažaju izmeĎu širine kabine i mase traktora (0,741)
i izmeĎu dužine kabine i razmaka osovina (0,498),
dok dužina i širina kabine koreliraju sa koeficijentom
0,434. Visina kabine ima slabu korelaciju sa bilo
kojim od parametara. Pored toga što veći traktori
imaju i veću kabinu, inače je tendencija razvoja
kabina usmerena ka povećanju njenih dimenzija u
cilju poboljšanja ergonomičnosti radnog prostora.
Posmatrajući izloženost zračenju sunca propuštenom
kroz stakla kabine kao najintenzivniji dobitak
toplote, zaštita od direktnog zračenja sunca je u
suprotnosti sa potrebama za što boljom vidljivosti sa
mesta traktoriste, izraženog preko sume uglova
vidnog polja u horizontalnoj i vertikalnoj ravni [24],
koja očigledno ima prioritet. TakoĎe će bolju zaštitu
pružati kabina sa nižim i većim krovom, ali pod
uslovom da se zadovolji minimalna visina tavanice
definisana relevantnim standardom za minimalne
dimenzije radnog prostora traktoriste.
IMK – 14 Istraživanje i razvoj, Godina XVII, Broj (41), 4/2011
IMK – 14. OKTOBAR A.D. KRUŠEVAC
Geometrijski faktori uzajamnog zračenja (tzv. faktori
ugla, [17]) izmeĎu površine čovekovog tela i
unutrašnjih površina kabine, teško se u ovom slučaju
mogu generalisati i analizirati u pogedu uticaja
veličine i oblika kabine na toplotno opterećenje usled
dugotalasnog toplotnog zračenja sa površina.
Unutrašnje površine kabine nisu ravne i faktori
pogleda bi se morali odreĎivati za svaki slučaj
posebno, a za kabine sličnih oblika i dimenzija u
navedenim granicama, ovaj oblik razmene toplote je
ipak višestruko manji od direktnog zračenja sunca. Iz
obrazaca za odreĎivanje faktora ugla i teorije prenosa
toplote zračenjem, površina odreĎenih dimenzija i
emisivnosti, zagrejana na neku temperaturu će
predavati veći toplotni fluks ako je bliža rukovaocu i
ako je njena površina veća. Odatle sledi da je
povoljnije da su površine udaljenije od rukovaoca
(prostranija kabina), i naravno, na temperaturi što
bližoj temperaturi unutrašnjeg vazduha.
Slika. 2. Primer gornjeg razvoda vazduha na
traktoru Deutz Agrofarm
Izvođenje sistema za distribuciju vazduha
Sistem za distribuciju vazduha ima zadatak da
pripremljen spoljašnji vazduh (prečišćen, rashlaĎen i
sa izdvojenom vlagom, ako postoji klima-ureĎaj)
ubaci u unutrašnjost kabine. Ubacivanjem vazduha
(time i odreĎenom presurizacijom kabine) iz kabine
izlazi "stari vazduh", čime se ujedno obnavlja vazduh
odreĎenim intenzitetom i odvodi toplota, da bi se
smanjila ili održala neka željena temperatura
unutrašnjosti.
Osnovni zadatak sistema razvoĎenja vazduha je da
najpre omogući odvoĎenje toplote sa tela traktoriste,
pogodnim usmeravanjima više mlazova vazduha
preko njegove površine. Istom prilikom, odvodiće se
i toplota iz unutrašnjosti kabine (toplota u
unutrašnjem vazduhu i u materijalima unutrašnjosti).
Neophodno je obezbediti i direktan dotok svežeg
vazduha u zonu disanja, ali i izbeći negativne pojave
u vidu promaje, posebno u oblasti očiju traktoriste.
Zato se uvek ostavlja mogućnost podešavanja pravca
i brzine struje vazduha iz duvaljki [19], [20], [22].
Sistemi za distribuciju vazduha kod analiziranih
traktorskih kabina se mogu podeliti na gornji razvod
(kada su otvori - duvaljke sistema ventilacije na
tavanici) i na prednji razvod, kod kojeg su izlazni
otvori postavljeni na centralnu konzolu komandne
table, slika 2 i 3. Sistem distribucije vazduha može
biti i kombinovan, kada su primenjene obe verzije.
Retko, kod nekih traktora najviše klase iz uzorka
postoje i duvaljke postavljene sa strane rukovaoca.
Slika. 3. Primer prednjeg razvoda vazduha na
traktoru Valtra, serija T
Sistem za ventilaciju kabine ubacuje vazduh
posredstvom radijalnih ventilatora. S obzirom da
konkretni podaci o protoku ventilatora u ovom
uzorku traktora nisu bili na raspolaganju, vrednosti
koje se sreću kod takve vrste ventilatora dostupnih na
tržištu su veće od 300 m3/h, što prelazi tražene
vrednosti dobave svežeg vazduha po osobi. Upravo
zbog većeg protoka i prečnika izlaznih otvora
duvaljki reda veličine 50 do 75 mm, moguće je da
kod gornjeg razvoda vazduha, koji se nalazi blizu
glave rukovaoca, doĎe do pojave neželjenih struja
vazduha visoke brzine za datu temperaturu vazduha.
Standard ASHRAE 55-2009 kao moguće vrednosti
navodi brzine vazduha u izotermnim uslovima do 1,2
m/s (ali za lokalne temperature vazduha od 28 do
31°C [22]), dakle znatno iznad ranije usvojenih
preporučljivih brzina vazduha [11]. Uslov za tako
velike vrednosti brzina vazduha jeste da ona bude
pod kontrolom izložene osobe. Eksperimenti
izvedeni u neizotermnim uslovima su pokazali da se
preferirana brzina vazduha smanjuje ukoliko se
IMK – 14 Istraživanje i razvoj, Godina XVII, Broj (41), 4/2011
89
IMK – 14. OKTOBAR A.D. KRUŠEVAC
povećava razlika temperatura hladnije struje vazduha
i okolnog vazduha [15].
propuštenog zračenja i izolacijom toplote od
strane pogonskog agregata.
- Sistem za distribuciju kondicioniranog
vazduha mora biti takav da je prvenstveno
pogodan za hlaĎenje tela traktoriste, pa je
potrebno da postoji i gornji i prednji razvod
vazduha. Radi izbegavanja smetnji zbog
promaje i iritacije očiju i zbog inter- i
intraindividualnih razlika, distribucija vazduha
mora biti podesiva u širokim granicama i pod
kontrolom traktoriste. Osim toga, sistem za
distribuciju vazduha konstruktivno treba da je
izveden tako da omogući strujanje vazduha i
preko stakala (odmagljivanje i hlaĎenje) kao i
kontrolisanu recirkulaciju vazduha (zbog
uštede energije i sprečavanja prodora štetnih
materija iz okruženja).
Na osnovu empirijskih izraza za srednji koeficijent
konvektivnog prenosa toplote za celo telo, da bi
struja vazduha prodrla kroz struju prirodne
konvekcije oko tela mora da na mestu kontakta sa
površinom tela ima najmanje 0,2 m/s [15], [17]. Zato
kod izvedbe sa gornjim razvodom, donji deo tela
nema mogućnosti za efikasno odvoĎenje toplote
konvekcijom, jer se brzina mlaza vazduha menja
obrnuto
proporcionalno kvadratnom korenu
udaljenosti od otvora duvaljke. Sa druge strane, pri
malim izlaznim brzinama rashlaĎenog vazduha, zbog
tendencije spuštanja hladnijeg vazduha, gornji razvod
bi trebao da ima ravnomernije temperaturno polje u
kabini.
ZAKLJUČAK
Kabine savremenih traktora su veoma slične po
svojoj konstrukciji i primenjenim materijalima, i
ergonomske karakteristike su im na visokom nivou.
Ipak, uočava se da kod pojedinih kabina traktora
postoji prostor za konstruktivno poboljšanje
mikroklimatskih uslova. Na tom polju značajnu
ulogu imaju i konstruktivne karakteristike kabine, ne
samo učinak sistema za kondicioniranje vazduha.
Analizom toplotnih karakteristika čovekog tela u
sprezi sa toplotnim procesima koji vladaju u kabini
traktora u toplim uslovima, došlo se do sledećih
zaključaka koji se mogu primeniti i kao smernice pri
projektovanju kabine ili njenih komponenti:
- Najintenzivniji dotok toplote je zračenje sunca
propušteno kroz stakla kabine, 5 do 10 puta
veće od ostalih načina prenosa toplote.
Izborom apsorbujućih (toniranih) ili još bolje
selektivno reflektivnih stakala moguće je
značajno umanjiti toplotno opterećenje
traktoriste, ali i snagu potrebnu za pogon
klimatizera. OdreĎeni geometrijski parametri
kabine kao što je krov veće površine (sa
prepustima) i uspravnija stakla takoĎe donekle
doprinose smanjenju tog vida toplotnog
opterećenja.
- S obzirom na zahteve za što veće neometano
vidno polje, traktorista mora imati mogućnost
upotrebe i podešavanja unutrašnjih suncobrana
na svim staklenim površinama.
- Emisivnost unutrašnjih površina kabine, tj.
veštačkih materijala i stakala, visoka je i odatle
sledi da je temperaturu tih površina potrebno
svesti na što manju vrednost. To je moguće
uraditi primenom svetlijih materijala (zbog
manja solarne apsorptivnosti), smanjenjem
90
Prikazani pristup se bazira na teoretskim analizama
prenosa toplote sa toplotnim karakteristikama
materijala iz različitih literaturnih izvora, zbog čega
je neophodno, radi detaljnije analize, modelirati
kabinu sa traktoristom, toplotne procese i strujanje
vazduha, te uz odgovarajuću eksperimentalnu
verifikaciju stvoriti uslove za analizu i optimizaciju
celokupnog sistema.
ZAHVALNICA
Ovo istraživanje je uraĎeno u okviru rada na projektu
TR35041 "Istraživanje bezbednosti vozila kao dela
kibernetskog sistema Vozač-Vozilo-Okruženje",
finansiranog od strane Ministarstva za nauku i
tehnološki razvoj Republike Srbije.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
ASHRAE Fundamentals Handbook (1997).
Chapter 3 – Heat transfer
ASHRAE Fundamentals Handbook, (1997)
Chapter 29 – Fenestration
ASHRAE Fundamentals Handbook, (1997)
Chapter 36 – Physical properties of materials
Bridger S. (2003). Introduction to
Ergonomics, Taylor & Francis, London
Časnji F. (1986) Ergonomski aspekti razvoja
poljoprivrednih traktora, elaborat o radu i
rezultatima rada na naučno-istraživačkom
projektu "Istraživanje i razvoj poljoprivrednih
traktora", Fakultet tehničkih nauka Novi Sad,
Institut za mehanizaciju, 1981-1986.
Časnji F., Ružić D., Muzikravić V.,
Poznanović N., Stojić B. (2003) Ergonomske
karakteristike savremenih traktora snage 60120 kW, Traktori i pogonske mašine, 8(4), 7 12.
IMK – 14 Istraživanje i razvoj, Godina XVII, Broj (41), 4/2011
IMK – 14. OKTOBAR A.D. KRUŠEVAC
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
De Dear R., Arens E., Hui Z., Oguro M.
(1997). Convective and radiative heat transfer
coefficients for individual human body
segments, Int J Biometeorol 40:141–156.
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps3/pvest.p
hp, pristupljeno u maju 2011.
Human Interaction with Machines (2005).
Proceedings of the 6th International
Workshop, Shanghai JiaoTong University
Incropera F. P., DeWitt D. P. (1981).
Fundamentals of heat and mass transfer, John
Wiley & Sons, New York
ISO 7730 (1994). Moderate thermal
environment- Determination of the PMV and
PPD indices and specification of the
conditions for thermal comfort
Jahns G. von, Janssen J. (1982).
Klimatizierung von Fahrerkabinen
landwirtschaftlicher Fahrzeuge, Grundl.
Landtechnik 32, 164 – 171.
Janošević D. (2008). Inženjerski dizajn
mobilnih mašina, časopis IMK-14
Istraživanje i razvoj, 28-29 (1-2), 119 – 126.
Janssen J. (1984). Luftführung in
Fahrerkabinen unter dem Gesichtspunkt der
thermischen Behaglichkeit, Grundl.
Landtechnik 34 (5), 198 - 205.
Melikov A., Cermak R., Majer M. (2002).
Personalized ventilation: evaluation of
different air terminal devices, Energy and
Buildings 34, 829–836.
Mitić S. (2004). Uticaj zaštitnih struktura
traktora na povećanje bezbednosti rukovalaca
u eksploataciji, Istraživanja i projektovanja za
privredu (4, 5), 41 – 49.
Parsons K. (2003). Human thermal
environments: The effects of hot, moderate
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
and cold environments on human health,
comfort and performance, 2nd ed. Taylor &
Francis, London
Petrović V., Vukas Svetlana (2010). R&D
tractors from apects of ergonomy and design,
proceedings of International Congress Motor
Vehicles & Motors 2010, Kragujevac, 355361
Ružić D., Časnji F. (2010). Poboljšanje
mikroklime u kabini primenom lokalizovane
distribucije vazduha, časopis Poljoprivredna
tehnika, 35(1), 39 – 47.
Ružić D., Časnji F. (2011). Personalized
ventilation concept in mobile machinery cab,
International Journal for Vehicle Mechanics,
Engines and Transportation Systems, 1(37),
7 – 22.
Ružić D. (2006). Uticaj klimatizacije na
toplotni komfor u putničkom automobilu,
magistarski rad, Fakultet tehničkih nauka
Novi Sad
Ružić D. (2010). Improvement of thermal
comfort in a passenger car by localized air
distribution, 11th International Symposium
"Interdisciplinary Regional Research ISIRR
2010", Szeged 13-15 October, Abstracts, 210
– 210.
Ružić, D., Časnji F., Muzikravić V. (2007).
Karakteristike stakla kao faktor od uticaja na
mikroklimu u traktorskoj kabini, Traktori i
pogonske mašine, 4(12), 92 – 97.
Saint-Gobain Sekurit (2003) Glazing Manual
UN ECE Regulation No. 71 (1987) – Driver's
field of vision of agricultural tractors, United
Nations, Geneva
IMK – 14 Istraživanje i razvoj, Godina XVII, Broj (41), 4/2011
91
IMK – 14. OKTOBAR A.D. KRUŠEVAC
DESIGN PARAMETERS OF THERMAL INTERACTION BETWEEN AN OPERATOR AND A CAB
ABSTRACT: An agricultural tractor cab needs to obtain safe and comfortable environment for an operator.
Microclimate conditions are one of ergonomic aspects which are very important factors in human-machine
system safety and efficiency. Within the scope of this paper, the cabs of middle-sized tractor range are analyzed
and the thermal sensation influencing factors that are considered are thermal characteristics of cab's materials,
internal geometry and design of air distribution system.
The aim of the paper is to identify and analyse the most important parameters, in the same time making the basis
for the design of a cab for certain tractor, from the point of view of adverse influences of thermal load on the
operator. The result showed that the cab glazing is the most important factor, due to its size and thermal and
solar characteristics. Consequently, significant reduction in operator as well as the cab thermal load could be
achieved by the choice of proper glass characteristics. Air distribution system also has an important role in
operator's body heat release.
KEYWORDS: tractor, cab, microclimate, operator's thermal sensation
92
IMK – 14 Istraživanje i razvoj, Godina XVII, Broj (41), 4/2011
Download

konstruktivni parametri toplotne interakcije između čoveka i