СОЛНЦЕЗАЩИТНОЕ СЪЕМНОЕ ПОКРЫВАЛО САЛОНА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к транспортным средствам, преимущественно к автомобилям.
Существуют солнцезащитные покрытия, уменьшающие в основном лучистый поток (инсоляцию) с одновременным охлаждением поверхности салона за счет испарительного эффекта влаги.
Недостатками существующих покрытий является сложность конструкции, привязка к автономной системе увлажнения в виде трубок и специальных каналов, тяжеловесность и сравнительно высокая стоимость, необходимость применения электронных систем регулирования и управления.
Указанные недостатки в значительной мере могут быть отнесены к примерам-аналогам, включенным в источники информации: патент ФРГ №887010, кл. 63 С 74, 1953; патент США №3961181, кл. 250-208, опубл. В 1976 г.; патент Франции №2168331. кл. B60J 3/00, опубл. в 1973 г., А.С. SU №1169844, кл. В60Н 1/32, 30.07.85, бюл. №28, А.И. Гавриченко и др.
Применение водоиспарительного принципа охлаждения воздуха или других газов вполне обосновано для определенного диапазона температур как средство с наименьшими энергозатратами и достаточно простое в принципиальном техническом исполнении.
Организация защиты салона от наиболее мощной инсоляции с одновременным охлаждением за счет испарительного эффекта может осуществляться гидрофильным пористым покрытием с гарантированной локальной пористостью и фитильностью.
Известно устройство, взятое за прототип, «Солнцезащитное покрытие кабины транспортного средства» - А.С. SU №138186, кл. B60J 3/00, опубл. в 2014 г., содержащее трехслойную накладку, каждой слой которой имеет разную объемную пористость и система увлажнения выполнена управляемой в зависимости от интенсивности инсоляции и температуры воздуха в кабине, для подачи воды под внутренней слой покрытия использован насос штатной системы омывателя стекол кабины; при этом покрытие выполнено легкосъемным.
Недостатками прототипа являются:
а) использование штатной системы омывания стекол и существенная неравномерность подачи воды к различным участкам испаряющего гидрофильного слоя;
б) сравнительная дороговизна;
г) необходимость обеспечения эффективности испарительного эффекта с помощью автоматического регулирования электронным блоком управления, что приводит к удорожанию всего покрытия.
Для преодоления указанных недостатков, а также повышения эффективности эксплуатационных свойств, предлагается солнцезащитное съемное покрывало крыши салона транспортного средства, устанавливаемое на время его стоянки, устройство которого приведено ниже.
Задача полезной модели - повышение эффективности и эксплуатационной стабильности охлаждения салона транспортного средства путем применения солнцезащитного покрывала предлагаемой конструкции, снижение сложности его изготовления, а также повышение удобства эксплуатации за счет однократного увлажнения на планируемый период стоянки.
Техническим результатом полезной модели является увеличение эффективности охлаждения крыши и боковых поверхностей салона транспортного средства и значительное упрощение использования покрывала в процессе эксплуатации за счет однократности увлажнения.
Технический результат достигается тем, что солнцезащитное съемное покрывало салона транспортного средства, содержащее двухслойную накладку из пористых материалов, обладающих гидрофильными свойствами, первый слой накладки выполнен из особо высокогидрофильного материала, поглощающая способность которого составляет величину не менее 400…500% по объему, например, хлопковые очесы, а толщина гидрофильного слоя выбрана так, что объем содержащейся в нем жидкости достаточен для испарения в течение всего времени нахождения транспортного средства под воздействием инсоляции на стоянке и определяется по выражению
конв.
ост
2
где  - сумма инсоляционных потоков за часовые промежутки, соответствующие времени постановки транспортного средства в начальный момент действия инсоляции до времени окончания инсоляции τ через каждый час определяется по нормативным документам; q - теплота воспринимаемая покрытием транспортного средства в процессе конвективного теплообмена с внешней средой;  - теплота испарения воды, К - коэффициент, учитывающий остаточное влагоиспарение и разлив воды в процессе испарения, а толщина первого слоя на площадь покрывала (ƒ) 1 м определяется по выражению
влага
гигроскоп.
ост
разлива
п
где G - массовое количество воды, компенсирующее все избытки инсоляции, кг; G - масса влаги проходящей через поры; G - масса влаги, оставшаяся после испарения в порах; G - масса воды, учитывающая потери на разлив; σ - объемная пористость, при этом второй слой выполняется из материала с объемной пористостью не менее 75…80% и размером пор 1,5…4 мм с отражательной способностью не менее 40%, а толщина слоя определяется по выражению
S
возд
i
imax
1
2
1
2
где P - парциальное давление насыщения на границе первого и второго слоев в начальной зоне испарения; Р - парциальное давление окружающего воздуха при максимальном инсоляционном потоке q=q определяется по h-d диаграмме;  - количество водяного пара при максимальной инсоляции; μ, μ - коэффициенты паропроницаемости первого и второго слоев. Сущность технического результата заключается в обеспечении одноразового смачивания покрывала за счет объема воды, определяемого по выражению (1), распределяемого на внутреннем слое толщиной δ, определяемой по выражению (2) и регламентирования скорости испарения воды слоем пористого материала толщиной δ, определяемой по выражению (3).
Гидрофильный материал, способный вобрать и удерживать влагу по объему по сухой массе в несколько раз, превышающим собственный, состоит из полимолекулярных нитевидных волокон, сложным образом переплетенных между собой так, что их структура проявляет некоторую механическую связь. Она достаточно весома как в условно сухом, так и в увлажненном состоянии. В первом состоянии волокна уплотнены, поры сжаты, хемособционные межмолекулярные связи активированы, клубковые образования и сгустки многочислены. Если материал листовой и приблизительно плоский, его толщина минимальна.
При полном увлажнении развиваются силы смачивания, которые генерируют распирающее действие за счет внедряющихся молекул воды, и материал начинает набухать, вбирая влагу до тех пор, пока не установится равновесие удерживающих сил и гравитации.
Очевидно, обратный процесс, т.е. обезвоживание, вероятнее всего будет проходить по обратной фазовой структурной симметрии и с достаточным гистерезисом, что хорошо известно из практики. Поэтому за основу рабочей гипотезы для математического моделирования процесса правильно принять это квазистационарное испарение влаги практически с поверхности такого гидрофильного материала, поскольку при потере влаги неизбежно смыкание и уплотнение наружных волокон при одновременном продолжении нахождения этих волокон в смоченном состоянии. В силу этого процесс испарения влаги из супергидрофильного слоя может вполне считаться квазистационарным. Это избавляет исследователя-аналитика от  применения весьма сложных и неудобных для практических целей методик нестационарного тепломассопереноса и, прежде всего, для случая испарения под слоем материала с регламентированной пористостью и паропроницаемостью.
Используемый в предлагаемой полезной модели второй слой предназначен в данном случае для обеспечения необходимой скорости испарения, что растягивает весь процесс на запрограммированный период при однократной «заправке» водой гидрофильного слоя.
Диффузионное уравнение поглощения за счет теплоты фазового перехода потока инсоляции, конвекции и теплопередачи изнутри салона может быть записано выражением
П
конв
2
2
2
где  - теплота испарения воды, G - масса испаряющегося пара, кг;  - инсоляционный поток, Вт/м; q - конвективный поток, Вт/м; k - коэффициент теплопередачи Вт/мК; τ - время действия потока инсоляции.
В предпосылке к полезной модели целесообразно положить, что скорость испарения может быть подобрана так, что фазовый переход будет обеспечивать достаточно строго и только лишь падающую солнечную энергию, т.е. инсоляцию. Тогда с учетом этого интегральная форма уравнения (4) позволяет определить массу воды, необходимую для термической нейтрализации теплопоступлений, показывает только лишь инсоляцию и конвекцию.
Влагоемкость определяется по выражению
влага
где G - масса влаги;  - масса абсолютно сухого вещества.
П
Г
Гидрофильный слой находится в состоянии воздушно-сухой массы, при которой в нем присутствуют заполненные воздухом поры и свободная гигроскопическая влага. Пористость σ и гигроскопичность w вполне доступны для элементарных практических расчетов.
Объем сухих волокон может быть найден через плотность абсолютно сухого вещества  определяется экспериментально .
Толщина гидрофильного слоя выбрана так, что объем содержащейся в нем жидкости достаточен для испарения в течение всего времени нахождения транспортного средства под воздействием инсоляции на стоянке при этом гидрофильный слой увлажняется водой объемом, определяемым по выражению
конв.
конв
нар
ис.воды
нар
ис.воды
ветер
возд
0,8
0,43
а
где  - сумма инсоляционных потоков за часовые промежутки, соответствующие времени постановки транспортного средства в начальный момент действия инсоляции до времени окончания инсоляции τ через каждый час определяется по нормативным документам (СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика / Минстрой России. - М.: ГП ЦПП, 1996, - С. 131, приложение); q - теплота воспринимаемая покрытием транспортного средства в процессе конвективного теплообмена с внешней средой определяется через критериальное уравнение вида q=α⋅(t-t), где α - коэффициент теплоотдачи; t - температура наружного слоя, t - температура испаряющейся воды; , критерий Нуссельта Nu=0,023RePr (Re - критерий Рейнольдса, Рr - критерий Прандтля);  W - скорость господствующих ветров, которая может определяться по нормативным документам при расчете вентиляции;  - определяющий геометрический размер; λ - коэффициент теплопроводности воздуха; ν - кинематическая вязкость, определяется по справочным данным; , где  - коэффициент температуропроводности. Допустимо определить коэффициент теплоотдачи по упрощенной формуле .
ост
В формуле (1)  - теплота испарения воды,  кДж/кг, t - температура воды; К - коэффициент, учитывающий остаточное влагоиспарение (содержание влаги после испарения) и разлив воды в процессе испарения.
2
2
возд. cyx
волокон cyx.
пор
волокон сух
пор
пор
п
возд. сух
возд. сух
пор
п
п
зап.
пор
гигроскоп
зап.
влага
влага.
влага
влага
i
Толщина гидрофильного слоя определяется через пористость. Объем воздушно-сухого материала, покрывающее площадь 1 м может быть представлен выражением V = V + V, где V - объем сухих волокон; V - объем пор, V = σ⋅V и V = V/σ, где σ - пористость. Все поры заполняются влагой с учетом коэффициента заполнения К и гигроскопичности, т.е. (V-V)К = G = V, где G = V. определяется по сумме инсоляционных потоков за все часовые промежутки (q). В итоге толщина первого слоя на площадь покрывала (ƒ) 1 м определяется по выражению
влага
гигроскоп.
ост
разлива
п
где G - массовое количество воды, компенсирующее все избытки инсоляции, кг; G - масса гигроскопической влаги; G - масса влаги, оставшаяся после испарения в порах; G - масса воды, учитывающая потери на разлив; σ - объемная пористость.
Второй слой выполняется из материала с объемной пористостью не менее 75…80% и размером пор 1,5…4 мм с отражательной способностью не менее 40%.
Необходимо в определенной мере учесть не стационарность процесса, как самой инсоляции, так и непостоянство внешней конвекции, а так же конвективной и концентрационной диффузии в окружающем воздухе, в котором меняются температура, скорость движения ветра, парциальное давление водяных паров и т.д. Поэтому для определения толщины второго слоя покрытия предлагается использование уравнения переноса субстанции (для нашего случая - водяного пара) в виде
2
3
S
возд
i
imax
1
2
где  - количество водяного пара при максимальной инсоляции; площадь покрывала ƒ=1 м; изменение времени действия инсоляции Δτ = 1 ч = 3,6⋅10 с; P - парциальное давление насыщения на границе первого и второго слоев в начальной зоне испарения; Р - парциальное давление окружающего воздуха при максимальном инсоляционном потоке q=q определяется по h-d диаграмме; μ, μ - коэффициенты паропроницаемости первого и второго слоев, . Наличие в выражении (6) члена  объясняется необходимостью учета сопротивления паропроницаемости нижнего слоя по мере освобождения его от воды в процессе испарения. С учетом этого толщина второго слоя определяется по выражению
На фиг. 1 схематически изображено устройство съемного солнцезащитного покрывало салона транспортного средства, общий вид; на фиг. 2 - разрез А-А, двуслойная накладка.
Слой (1) накладывается на крышу (4) и боковые поверхности, обтягивается и крепится простейшими средствами (3) (фиксаторы, присоски, липучки, механические зацепы и др.) к поверхности транспортного средства. Первоначально укладывается первый слой и равномерно увлажняется водой, объемом, определяемым из условия анализа энергии инсоляции по формуле (1). Затем укладывается второй слой (2) солнцезащитного покрывала.
Покрывало должно иметь конфигурацию, соответствующую индивидуальной геометрии салона транспортного средства и обладать облегающим свойством, покрывая все светопрозрачные проемы.
Устройство работает следующим образом. При интенсивной инсоляции нагревается, прежде всего, солнцезащитный слой (2), частично отражающий лучистый поток, основная часть которого нагревает этот слой и высокогидрофильный слой (1), содержащий влагу, которая начинает испаряться с границы соприкосновения этих слоев. Теплота фазового перехода воды поглощает определенное количество тепловой энергии и стабилизирует температуру в зависимости от интенсивности процесса испарения. Массоперенос влаги лимитируется паропроницаемостью верхнего слоя (2) и обеспечивает сбалансированную температуру, как всего покрывала, так и крыши салона и содержащегося под крышей воздуха. Чем выше паропроницаемость верхнего слоя, тем ниже температура всей системы.