Удосконалення систем променевого опалення виробничих приміщень

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

УДК 697.9

Удосконалення систем променевого опалення виробничих приміщень

Спеціальність 05.23.03 - вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Авдєєва Світлана Михайлівна

Харків - 2008



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Редько Олександр Федорович

Завідувач кафедри теплогазопостачання, вентиляції та використання теплових вторинних енергоресурсів Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Міністерство освіти і науки України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Іродов В'ячеслав Федорович, директор виробничого підприємства «Енергокомплекс»;

кандидат технічних наук Шушляков Дмитро Олександровович, доцент кафедри теплохолодопостачання Харківської національної академії міського господарства, Міністерство освіти і науки України.

Захист відбудеться « 9 » квітня 2008р.об 11⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.64.056.03 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002,м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий « 3 »березня 2008р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради М.І.Колотило



АНОТАЦІЯ

Авдєєва С.М. «Удосконалення систем променевого опалення виробничих приміщень»: - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03- Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, 2007.

Дисертація присвячена вирішенню однієї з проблем енергозбереження - удосконаленню променевих систем опалення. Технічні рішення щодо вдосконалення променевих систем з використанням панелей захищені (подані заявки на одержання патентів).

Результати експериментальних досліджень температурних режимів виробничих приміщень при опаленні світлими випромінювачами з панелями показали їх ефективність і відповідність характеристик санітарно-гігієнічним вимогам. Наводиться графічна залежність висоти розміщення випромінювачів від їх теплової потужності.

Результати чисельних досліджень показали вплив на ефективність систем опалювання геометричних розмірів і конфігурації системи «випромінювач - панель», теплотехнічних параметрів панелі, наявність теплоізоляції на стінках випромінювача. Одержана регресійна залежність для розрахунку теплової потужності випромінювачів у системі променевого опалення. потужність енергозбереження опалення випромінювач

Отримано результати чисельних досліджень процесів теплопереносення в системі променевого обігріву відкритого майданчика.

Розроблена математична модель системи обігріву використана під час виконання чисельних досліджень температурного режиму залізничної платформи. Показано, що при температурі повітря 0ч -10 ⁰С можливий обігрів платформи світлими випромінювачами за умови вітрозахисту.

Розроблено рекомендації щодо проектування систем газового променевого опалення виробничих приміщень.

Ключові слова: газове променеве опалення, випромінюючі панелі, виробниче приміщення, ефективність, удосконалення.



АННОТАЦИЯ

Авдеева С.М. Усовершенствование систем лучистого отопления производственных помещений: - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03 - Вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Харьков,2007.

Диссертация посвящена решению одной из проблем энергосбережения - усовершенствованию систем газового лучистого отопления производственных помещений. Разработаны технические решения по применению светлых высокотемпературных излучателей с панелями. Результаты выполненных экспериментальных и численных исследований позволили обосновать применение светлых газовых излучателей с панелями в системах отопления производственных помещений.

Показано, что плотность облучения рабочей зоны может быть снижена до предельно допустимых значений, отвечающих санитарно- гигиеническим требованиям.

Получены аналитические соотношения для расчета средних и предельных значений температурных панелей в зависимости от высоты их установки и геометрических размеров.

Получено уравнение регрессии для определения требуемой тепловой мощности в зависимости от тепловых потерь через ограждающие конструкции, высоты помещения и соотношения ширины и высоты помещения.

Выполненные численные исследования позволили определить рациональные геометрические параметры системы «излучатель- панель», теплотехнические свойства материала панели, наличие теплоизоляции под излучателем.

Разработана математическая модель теплопереноса при лучистом газовом обогреве открытой площадки. Выполнены численные исследования по составленному плану эксперимента.

Показано, что при определенных условиях можно обеспечить обогрев открытого пространства (например ,платформы железнодорожного вокзала) при температуре окружающего воздуха до минус 10°С и ветрозащите площадки.

Приводятся рекомендации по проектированию лучистых систем газового отопления с излучающими панелями.

Приводятся результаты внедрения рекомендаций и методики теплотехнического расчета системы лучистого газового отопления с излучающими панелями.

Ключевые слова: лучистые системы, отопление, излучающие панели, эффективность, усовершенствование.



ANNOTATION

Avdeeva S. M. Improvement of gas radiant heating systems for industrial lodgings.

Thesis for gaining Candidate of Sciences (Engineering) degree on specialty : 05.23.03- ventilation , illumination and heat- gas supply.

The thesis is devoted to the solution of the important energy conservation problem- to the rise of efficiency of radiant heating systems for industrial lodgings.

The technical methods for improvement of the constructive elements of heating system with the application of radiating panels are represented. The possibility to use light high temperature paneled radiators for heating of the industrial zones with protracted stay of people. Besides the density of radiation at industrial zone does not exceed the permissible limits according to the sanitary demands.

The mathematical model of heat transference process in the radiant heating system with panels is developed. The numerical research of radiant heating system is carried out. The comparison of estimated and experimental figures on temperature regulations of lodgings is demonstrated.

The recommendations on designing of radiant systems of heating of industrial lodgings are worked out.

The numerical research of radiant heating system for open platforms is carried out.

Key words: radiant systems, heating, radiating panels, efficiency, and improvement.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. У теперішній час ведеться пошук оптимальних технічних рішень щодо створення систем опалення різних виробничих приміщень, які мають значні габаритні розміри, відкритих майданчиків різного призначення (суднобудівельні й судноремонтні заводи, об'єкти залізничного транспорту, металургійної промисловості, спортивні майданчики, кав'ярні і т.д.).

За кордоном і в Україні найбільш широкого застосування набуває газове променеве опалення виробничих приміщень висотою більше 5 - 6м.

Порівняно з водяними і повітряними системами опалення променева система має ряд переваг: забезпечується нагрів та комфортні умови в робочій нижній зоні приміщення при зниженні температури повітря в приміщенні на 4-6°С, внаслідок чого знижуються витрати газу на систему опалення на 25-30 %.

Газові променеві обігрівачі закордонних фірм (США, Німеччини, Італії, Чехії і т.д.), а також підприємств України (Інститут газу НАН України, фірми Харкова, Дніпропетровська, Чернівців і т.д.) характеризуються простотою конструкцій і системи експлуатації. При цьому їхня вартість і надійність залежить від використовуваних матеріалів трубчастих і точкових випромінювачів, а також від прийнятого проектного рішення. Досвід експлуатації даних систем указує на те, що дані системи мають деякі недоліки, що знижують ефективність їхнього застосування: середня інтенсивність опромінення робочої зони під нагрівачем перевищує санітарно-гігієнічні норми; підвищується температура огороджуючих конструкцій і, як наслідок, збільшуються тепловтрати будинку, застосування світлих випромінювачів потребує подачі в приміщення близько 30м3/год свіжого повітря на кВт установленої потужності випромінювання і т.д.

При цьому, практично відсутні методики розрахунку променевого опалення із застосуванням різного обладнання і методи техніко-економічного порівняння прийнятих проектних рішень. Установлене технічне обладнання повинно відповідати санітарно-гігієнічним нормам у всьому діапазоні роботи випромінювачів.

Для забезпечення комфортних умов у робочій зоні під час проектування необхідно враховувати безліч факторів, зокрема, потужність і розміри випромінювачів, температурний режим випромінювачів і висоту їхнього розміщення, габаритні розміри приміщення, теплотехнічні параметри огороджуючих конструкцій, розташування технологічних зон, інтенсивність повітрообміну і т.д.

У теперішній час під час вибору потужності і кількості випромінювачів враховуються лише тепловтрати будинку. Існуючі методи й методики вимагають зміни і доробки для підвищення точності опису фізичних процесів, що відбуваються в системах променево - конвективного опалення, і повноти врахування різних факторів. Комплексний аналіз процесів як тих, що проектуються, так і діючих систем опалення, може дати уяву про їхній дійсний стан і шляхи вдосконалення.

Значні внески у розробку й дослідження систем променевого опалення дозволяють краще використати теплоту палива, що згорає, підвищує їх техніко-економічні й економічні характеристики. Однак дані системи досліджені недостатньо повно. Тому розробка й удосконалення систем газового променевого опалення, методик їхнього розрахунку з урахуванням умов комфортності є актуальними й практично важливими завданнями, чому й присвячена дана робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота відповідає основним напрямкам наукових досліджень кафедри теплогазопостачання, вентиляції і використання теплових вторинних енергоресурсів ХДТУБА. Робота виконана відповідно до розділів держбюджетних науково-дослідних робіт кафедри і відповідає завданням, поставленим у національній Енергетичній програмі України до 2010 року - програмі «Енергозбереження».

Метою роботи є проведення досліджень газових променевих систем опалення й розробка рекомендацій щодо їх вдосконалення. Для досягнення поставленої мети намічено вирішити такі завдання наукового дослідження:

- проаналізувати, узагальнити й удосконалити конструктивні і режимні параметри газових систем променевого опалення виробничих приміщень;

- проаналізувати процеси й ефективність систем променевого опалення і розробити рекомендації щодо їх вдосконалення.

Об'єктом наукового дослідження є система газового променевого опалення.

Предметом дослідження є залежності температури повітря й щільності опромінення робочої зони виробничого приміщення.

Методи наукового дослідження.

Для побудови математичної моделі системи газового променевого опалення використовувалися аналіз, узагальнення й доповнення існуючих теоретичних та експериментальних досліджень, методи тепломасоперенесення й аеродинаміки.

Наукова новизна роботи.

Розроблена й розвинена система математичних моделей і методик для створення, аналізу й удосконалення систем газового променевого опалення приміщень виробничих будівель. Розроблено вдосконалену систему газового променевого опалення з конструктивними особливостями, які впливають на її ефективність. У процесі створення й реалізації цих методів і засобів отримані наступні нові наукові результати:

- створена математична модель системи газового променево-панельного опалення приміщень;

- розроблена методика розрахунку системи газового променево-панельного опалення виробничого приміщення;

- розроблені рекомендації щодо вдосконалення системи променевого опалення;

- отримана залежність для розрахунку температурного режиму відкритого (напіввідкритого) майданчика в умовах газового променевого опалення;

У цілому розроблені методики й рекомендації дозволяють вирішувати завдання під час проектування й удосконалюванення систем газового променевого опалення, що має важливе значення для економіки України.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблені на базі уточнених методів розвинені узагальнені математичні дослідженя дозволяють одержати:

- дані для вибору конструктивних і режимних параметрів, систем, що проектуються, газового опалення виробничих приміщень;

- дані для розробки рекомендацій щодо температурного режиму променевих випромінювачів.

Уцілому отримані результати, методика й рекомендації можуть бути використані під час проектування, удосконалення й аналізу діючого устаткування в системах газового променевого опалення.

Достовірність та обґрунтованість результатів підтверджується відповідним узгодженням даних, отриманих на математичних моделях з даними експериментальних досліджень інших авторів.

Результати теоретичних досліджень даної роботи використовуються в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури в навчальному курсі дисципліни «Опалення», впроваджені на ВАТ заводі «Свет шахтера».

Апробація роботи.

Основні положення дисертаційної роботи доповідались на науково-технічних конференціях викладачів ХДТУБА (2003-2007рр.), II Кримській науково-технічній конференції «Геометричне й комп'ютерне моделювання : енергозбереження ,екологія, дизайн», м. Сімферополь - м. Київ, 2005;

ІІ міжнародній науково - практичній конференції «Сучасні наукові досягнення -2006» ,м. Дніпропетровськ, 2006; міжнародних конференціях UKR-Power 2006 і 2007 «Проблеми енергозбереження, безпеки, екології в промисловій комунальній енергетиці», м. Ялта - м. Київ .

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 6 друкованих праць у виданнях, затверджених ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури, що містить 123 найменування вітчизняних та іноземних авторів. Загальний обсяг її становить 169 сторінки, у тому числі 70 рисунків і 10 таблиць.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дослідження, сформульовані мета й завдання дослідження, наукова новизна й практична значимість роботи.

У першому розділі наведений літературний огляд результатів досліджень з вдосконалення систем променевого опалення й аналіз стану проблеми. Подається докладний аналіз робіт і досліджень, спрямованих на підвищення дослідження променевих систем опалення виробничих приміщень, що мають великий об'єм (10000-50000м³), значні габаритні розміри.

Особлива увага приділяється методикам розрахунку теплової потужності променевих систем опалення та найбільш перспективному способу розрахунку теплової потужності, в яких автори прагнуть визначити теплову потужність опалювальних приладів з допомогою розв`язання системи рівнянь променево-конвективного теплообміну в виробничому приміщенні.

Вирішення цих проблем широко представлено в роботах відомих учених (В.Н.Богословського, А.К.Родіна, Ж.В.Мирзояна, М.И.Кіссіна, Г.В.Колпакова, А.Н.Сканаві, Л.А.Тіліна, А.Ф.Строй, А.А.Худенка, А.Г.Блох, Ю.А.Журавльова, Л.Н.Рижкова, А.Міссенара, Н.Адаама, А.Кольмара та ін.)

Розглянуто й проаналізовано математичні моделі розрахунку теплового режиму приміщень урахуванням умов теплового комфорту. Але в різних роботах пропонуються різні критерії умов комфортності та методи їх визначення. Приймаються різні допущення і не враховуються різні фактори. У даний час практично відсутні аналітичні залежності для розрахунку теплової потужності системи променевого опалення й температури повітря по висоті приміщення.

Існуючі графічні залежності для визначення граничної температури випромінюючих панелей залежно від висоти розміщення й площі панелі наведені для низькотемпературних водяних систем опалення.

Під час проектування систем променевого опалення мало уваги приділяється визначенню щільності опромінення падаючим променевим потоком робочої зони з урахуванням максимально допустимих санітарно-гігієнічних вимог. З іншого боку, в деяких рекомендаціях указується на неприпустимість застосування світлих високотемпературних газових випромінювачів у системах опалення робочих зон із тривалим перебуванням людей через високі значення щільності падаючого променевого потоку.

Виконано порівняння ефективності повітряного й променевого газового опалення. Показано обмеження застосування променевого опалення: певні значення геометричних параметрів будівель, теплотехнічні властивості огороджуючих конструкцій, інтенсивність повітрообміну в приміщенні та інші параметри.

На основі виконаного аналізу розрахунково-теоретичних і експериментальних робіт сформульовані завдання даного дослідження.

У другому розділі наводиться описання системи газового променевого опалення з випромінюючими панелями. Застосування панелей забезпечує зниження щільності падаючого променевого потоку в робочій зоні до значень санітарно-гігієнічних вимог і більш рівномірний температурний режим повітря в приміщенні.

Схема системи газового променево-панельного опалення подана на рис.1. Система газового променево-панельного опалення містить лінійні або точкові, розташовані в лінію, випромінювачі 1 з керамічною насадкою, на поверхні якої спалюється газоподібне паливо (природний газ). Температура поверхні випромінювача становить 850-950 ⁰С. Газ подається по газопроводу до пальника випромінювача. Існує система безпеки й регулювання. Теплова енергія передається від випромінювача до нижньої панелі 3. Висота установки нижньої панелі визначається з умов припустимої температури й припустимої щільності променевого потоку і становить 3 - 5м. Температура поверхні панелі з урахуванням санітарно-гігієнічних вимог становить 40-150 ⁰С.

Верхня панель 2, розташована над випромінювачем 1 , відбиває променеву енергію від випромінювача й перевипромінює на нижню панель 3. Панелі виконані з полірованого алюмінію.

Таким чином, у приміщення, що опалюється, подається додатково

20-25% теплової енергії, якщо тепловтрати відбуваються через дах будинку. При цьому верхня панель 2 із зовнішньої сторони має теплоізоляцію 8. Для підвищення ефективності системи опалення між панелями розташований перфорований повітропровід 5 для відбору нагрітого повітря й подачі за допомогою вентилятора 6 у нижню зону опалювального приміщення. Для регулювання температури повітря, що подається, повітропровід містить повітрозабірний пристрій 4 з шибером 7, які розташовані нижче нижньої панелі 3. При високому вмісті шкідливих домішок (СО, СН₄ й ін.) у повітрі між панелями 2 й 3 частина повітря подається в рекуперативний теплообмінник і викидається в атмосферу, нагріваючи атмосферне повітря, що надходить. Таким чином, більш повне використання променевої теплової енергії за рахунок розміщення панелі 2, розташованої над випромінювачем 1, і перевипромінювання на нижню панель 3 , а також відбору нагрітого повітря з об'єму між панелями 2 й 3 і подачі його в нижню зону приміщення, що опалюється, забезпечує рівномірний температурний режим по висоті й площі приміщення та комфортні умови в робочій зоні опалювального приміщення. Приводиться методика й результати вимірів температурного режиму повітря у виробничому приміщенні.

Результати температурних вимірів: у виробничому приміщенні були встановлені світлі випромінювачі потужністю 23 кВт на висоті 8м. Нижче на 1м від випромінювача був закріплений металевий екран (рис.1). Розміри екрана становлять 1м х 2м. Екран виконаний зі сталі товщиною 1мм. Температура підлоги (бетон з керамзитовим утеплювачем) змінюється від 14 до 16 ⁰С безпосередньо під випромінювачем, і від 8 до 10 ⁰С поблизу зовнішньої стіни через 0,5 - 1 години роботи випромінювачів.

Температура огороджувальних стін змінилася від 5-7^оС до 10 - 12 ⁰С протягом робочого часу. Більш низькі значення температур мають скляні огородження (5-8⁰С), що пояснюється конструкцією вікон, низьким термічним опором, інфільтрацією холодного повітря.

Температура внутрішнього повітря у виробничому приміщенні змінювалася від 8-10 ⁰С до значень 28-32 ⁰С поблизу світлого випромінювача й до значень 16-18 ⁰С під світлим випромінювачем з екраном. Температура повітря змінюється також по висоті приміщення. Найбільші коливання температури спостерігаються поблизу підлоги, температура змінюється на 7-9 ⁰С. На висоті 1,5-2,5м коливання температури повітря менше й досягає 3-4 ⁰С. У робочій зоні безпосередньо під випромінювачем (світлим, світлим з екраном, темним) коливання температури повітря становлять 2-3⁰С, що задовольняє санітарно-гігієнічним вимогам. Застосування металевих екранів під час використання світлих випромінювачів дозволяє забезпечити кращі комфортні умови в робочій зоні. Вимірювання виконувалися при різній температурі навколишнього повітря в 2005-2007рр. температура повітря змінювалася від 0 ⁰С до мінус 18 ⁰С. Характер зміни температурного режиму виробничого приміщення аналогічний при різних значеннях температури зовнішнього повітря. При цьому змінювалася теплова потужність випромінювачів. Виконувалися виміри температури повітря термометром без захисного футляра. Вимірювана температура під світлим випромінювачем на рівні 1,8-2,0м від підлоги склала 35-40 ⁰С, що викликає дискомфорт. За наявності металевого екрана температура повітря знижується до 22-27⁰С (термометр без футляра) і 16-18 ⁰С (термометр із футляром).

Вивчався розподіл температури по поверхні нагрівальної панелі. Комфортні умови в приміщенні, що опалюється променевими панелями залежать від розподілу температур на стельовій панелі й поверхні підлоги.

Залежно від висоти розташування випромінювачів і ширини панелі буде спостерігатися максимальна температура панелі. Розподіл температури має хвилеподібний характер з максимальним значенням температури по вертикалі, що проходить через центр випромінювача, а мінімальним значенням у середині інтервалу між випромінювачами. Різниця між максимальною й мінімальною температурами значно більша для стельової панелі, ніж для підлоги, так як поблизу підлоги більше виражений вплив конвективного теплообміну.

І з урахуванням фізіологічних вимог, більш важлива середня температура панелі, різниця між максимальною й мінімальною температурами панелі має менше значення максимальної температури t_мах.

Розподіл температур по поверхні стельової панелі й підлоги визначає теплові відчуття людини. Граничні температури нагрівальних поверхонь, що встановлюються за фізіологічними потребами, відповідають граничному тепловому режиму системи, а в інших випадках температура нагрівальних поверхонь буде нижчою за допустиму. Комфортні умови при променевому панельному опаленні можуть перевищувати температуру навколишнього середовища, для того щоб викликати граничну температурну радіаційну температуру на рівні голови або ніг людини, що перебуває під центром випромінюючої поверхні. Так як радіаційна температура залежить від тілесного кута, під яким від ступні до голови людини видно поверхню нагріву (при одній і тій же температурі випромінювання панелі), то допустима температура панелі буде тим вища, чим більша висота приміщення й висота установлення панелі. Результати досліджень приміщення й висота установки панелі. Результати досліджень показують, що значення температури може бути високим для випромінюючої панелі в залежності від висоти приміщення та площі панелі.

Наведено графічні залежності фізіологічно граничної температури стельової панелі в залежності від висоти приміщення й площі панелі. Наведено залежності для розрахунку кутових коефіцієнтів випромінюючих панелей з різною геометричною формою.

Середня температура випромінюючої поверхні визначається згідно з виразом:

,

де: t_пр - гранична температура панелі, що визначається за графіком в залежності від висоти розміщення панелі і її площі; n - відстань між осями панелей, см;

У третьому розділі наводиться опис математичної моделі променево - конвективного теплообміну при газовому променево-панельному опаленні.

В основу математичної моделі тривимірного нестаціонарного руху й складного теплообміну в елементах системи променево-панельного опалення покладена система усереднених за Рейнольдсом рівнянь Навье-Стокса, доповнена рівнянням радіаційного переносу. Для побудови аналога системи диференціальних рівнянь використано метод кінцевих об'ємів.

Рівняння збереження маси й кількості руху в векторній формі запису має вигляд:



, (2)

(3)

Рівняння збереження енергії:

, (4)

Теплоперенесення у металевих огородженнях здійснюється за законом Фур'є:

(5)

Для замикання системи усереднених рівнянь за Рейнольдсом використана k-е модель турбулентності. Записуються рівняння переносення кінетичної енергії турбулентності k і швидкості її дисипації е .

Зв'язок між термодинамічними змінними встановлюється рівнянням стану суміші ідеальних газів :

(6)

Залежність термодинамічних і теплофізичних властивостей газової суміші від температури враховується за допомогою апроксимуючих формул і закону Дальтона.

Для визначення вихідного члена S_rad у рівнянні (4) використовується модель переносення випромінювання. На противагу конвективному й дифузійному переносенням змінних руху, теплове випромінювання є електромагнітним явищем і тому не обмежене переносенням молекул. У фізичному просторі, дискретизованому методом кінцевих об'ємів, це означає, що кожен об'єм перебуває у взаємодії не тільки з його безпосередніми сусідами, але з усіма видимими елементами.

Допускаючи,що середовище є сірим і відкидаючи зміни інтенсивності випромінювання внаслідок розсіювання, рівняння переносення випромінювання можна записати таким чином:

, (7)

де k_a - коефіцієнт випромінювання;

I_b - інтенсивність випромінювання абсолютно чорного тіла.

Ліва частина інтегрально - диференціального рівняння (3-6) описує зміну інтенсивності випромінювання I у положенні на відрізку ds у напрямку вектора . Інтенсивність випромінювання в загальному випадку змінюється під дією членів правої частини рівняння (3-6), що описують збільшення інтенсивності внаслідок власного випромінювання середовища й зменшення інтенсивності внаслідок поглинання середовищем променевої енергії.

Граничні умови. Система рівнянь (2-7) доповнюється відповідними граничними умовами для незалежних змінних. Використовуються наступні типи границь:

«Стінка». Присутність стінок значно впливає на турбулентні рухи. Під час русу в'язкого газу на непроникній стінці повинні бути задані температура стінки або величина теплового потоку через стінку й природні умови «прилипання», припускаємо, що: u_j = 0, k = 0 й . Тому замість умов «прилипання» для описування турбулентного граничного шару використовуються функції стінки - набір напівемпіричних функцій, що пов'язують значення незалежних змінних у центрі пристінного розрахункового осередку (точці Р) зі значеннями відповідних змінних на стінці, базованих на припущенні Лаундера й Сполдинга.

Граничні умови перенесення променевої енергії визначають інтенсивність випромінювання, що з'являється від замкнуненої порожнини розрахункового об'єму в положенні в напрямку . При сірому дифузійному випромінюванні з поверхонь стінок граничні умови інтенсивності випромінювання визначаються таким чином:

, (8)

де е - коефіцієнт теплового випромінювання (ступінь чорности);

у- постійна Стефана - Больцмана;

- одиничний вектор, нормальний до стінки.

Той факт, що теплові промені падають на стінку не перпендикулярно їй, ураховується включенням скалярного добутку до інтеграла в правій частині рівняння (8). Інтегрування за всіма тілесними кутами dЩ виконується по площі напівсфери 2р.

«Симетрія». Граничні умови дзеркальної симетрії використовуються, якщо геометрія й структура руху мають властивості симетрії. На площині симетрії нормальна швидкість потоку і нормальні градієнти всіх незалежних змінних дорівнюють нулю, а напрямок «відбитого» теплового променя відповідає вхідному напрямку , обумовленому виразом

.

.



Використання умов симетрії дозволяє вдвічі скоротити розрахунки.

У четвертому розділі наведені результати чисельного дослідження. План обчислювального експерименту наведений у табл. 1. Варіювалися форма короба, його розміри, матеріал стінок та умови теплоізоляції. У всіх розрахунках температура верхньої стінки приймалася рівною 900 єС, радіаційна температура навколишнього середовища +10єС. Розрахункові області покривалися нерівномірними структурованими сітками, утвореними одним шаром гексаедральних осередків. Кількість розрахункових осередків у варіантах №№ 1, 1.а, 4 - 7, 7.а, 7.б склало 1575, у варіанті №2 - 3225, у варіанті №3 - 4725. Кутова дискретизація розрахункової області виконана по двадцятьма напрямкам з пікселізацією 3 пікселя на контрольний кут. Стаціонарний розв?язок відшукувався методом установлення за часом. Крок інтегрування за часом рівнявся 0,1сек.

У якості оптимального може бути запропонований перевипромінюючий короб трапецієвидної форми шириною 1800мм і висотою 1000мм, виготовлений з листової сталі товщиною 1мм із теплоізольованою замикаючою стінкою (варіант №7.а).

Розподіл температури повітря. Розрахунки виконані для систем «випромінювач-панель» різної геометричної конфігурації. Частина випромінюючої панелі, розташована під кутом до випромінювача, має більш низьку температуру, ніж у центрі, досягаючи значень 530-470 ⁰С. Температура в центрі випромінюючої панелі досягає значень 600-700 ⁰С. Бічні сторони панелі також мають високу температуру, що збільшує теплові втрати. Більш сприятливі умови має система трапецієподібної форми, так як бічна поверхня перевипромінює теплову енергію на нижню площину.

– варіант №7а (л_{з. ст} = л_{н. ст} = 16,27 Вт/(м·°с) (сталь), д_{з. ст} = д_{н. ст} = 1 мм, що замикаюча стінка теплоізольована (л_з = 0)); _ - варіант №7б (л_{з. ст} = л_{н. ст} = 202,4 Вт/(м·°С) (алюміній), д_{з. ст} = д_{н. ст} = 1 мм, замикаюча стінка теплоізольована (л_з = 0)); х - випромінювач; о - нижня стінка; ?- замикаюча стінка

Розподіл швидкості повітря. Розподіл ліній потоку повітря й значення швидкості в системі «випромінювач-панель» показує, що інтенсивна циркуляція повітря в системі спостерігається також у системі трапецієподібної форми. Значення швидкості повітря змінюються від 0 до 0,2 м/с. У системах прямокутної форми спостерігаються застійні зони в русі повітря.

Виконано розрахунки температурних полів у системі з випромінювачем при цьому виготовлена з різного матеріалу бічна стінка.

У варіанті №1 (л_{з. ст.} =0), тобто при наявності теплоізоляції на бічній стінці, температура повітря в системі більш висока (600-780?С), ніж у випадку л_{з. ст} (варіант №1.а).

Розташування ліній потоку в системі «випромінювач-панель» указує на більш інтенсивний рух повітря поблизу бічної стінки в варіанті №1.а, що викликано більш інтенсивним відводом теплоти.

Показано вплив відстані між випромінювачем і панеллю (від 0,25 до 2,0м) при значенні половини довжини панелі 0,45м і 0,9м.

Як видно, температура повітря в системі (варіант №1,4,5) більш висока, а температура панелі становить 520-550?С, відповідно в варіантах №6,7,8-(550-600?С). Щільність падаючого випромінювання на бічні замикаючі стінки у варіантах №1,4,5 також вища й становить 75000-125000 Вт/м ². Наведено значення температури панелі, виготовленої зі сталі (л=16,27 Вт/мК) товщиною 1мм при теплоізоляції бічної стінки. Температура панелі становить 400-450 ⁰С.

Вплив теплоізоляції поверхні. Показано значення температури стінок системи, панель випромінювача виконана з алюмінію (л=202,4 Вт/мК) товщиною 1мм, бічна стінка також теплоізольована. Температура панелі сталевої стінки трохи вища за 475 ^оС (алюмінієвої - дорівнює близько 450 ^оС). Спостерігається передача теплоти теплопровідністю уздовж панелі, що й приводить до зниження температури панелі, і підтверджується даними значень швидкості повітря в системі.

Розподіл щільності променевого потоку в системі «випромінювач-панель». Значення щільності променевого потоку на бічну поверхню показують можливі тепловтрати в системі. Показано, що на розподіл щільності потоку падаючого випромінювання впливають геометричні параметри (розміри випромінювача й панелі, відстань між випромінювачем і панеллю), конфігурація системи, матеріал панелі й наявність теплової ізоляції на бічній стінці та інші фактори. Показано, що по осі випромінювача щільність падаючого потоку випромінювання має максимальні значення, а під кутом (з його збільшенням) щільність теплового потоку зменшується.

У результаті обробки дослідних даних отримано рівняння регресії для розрахунку необхідної теплової потужності системи променевого опалення.

У п'ятому розділі наведені результати моделювання теплоперенесення під час обігріву відкритих майданчиків. Приймемо за вихідний об'єкт дослідження гетерогенну (неоднорідну) фізичну систему - частину простору, зайняту рухливим газоподібним середовищем (повітрям) і твердими тілами (випромінювачем, людьми й огороджувальними конструкціями).Ця фізична система має певні границі, що відокремлюють її від навколишнього середовища. Такими границями є умовні проникні границі у вигляді контрольних поверхонь.

Виконаємо декомпозицію гетерогенної фізичної системи на три гомогенні (однорідні) фізичні підсистеми: частина простору, зайнята рухливим газоподібним середовищем (повітрям); частина простору, що містить поверхневі шари твердих тіл (випромінювача, людей і огороджувальних конструкцій); частина простору, що містить тверді тіла вцілому (випромінювач, людей і огороджувальні конструкції).

Фізичною моделлю першої підсистеми є суцільне текуче середовище (континіум) з неоднорідними термічними умовами на границях.

Фізичною моделлю другої підсистеми є замкнена система випромінюючих один на одного неізотермічних твердих поверхонь. Незамкнена система приводиться до замкненої за допомогою умовних поверхонь, що володіють властивостями чорного тіла при Т = 0. Поводження даної фізичної моделі може бути описано методами радіаційного теплообміну.

Фізичною моделлю третьої підсистеми є тверде тіло в загальному випадку з неоднорідними термічними умовами на границях і внутрішніх джерелах теплоти. Її поводження може бути описане методами теплопровідності. Останню підсистему можна не моделювати, якщо покласти границі твердих тіл адіабатичними.

Декомпозиція вихідної фізичної системи й прийнятих фізичних моделей базуються на наступних припущеннях: сухе повітря можна зі значним наближенням розглядати як діатермічне (променепрозоре) середовище; більшість конструкційних і будівельних твердих тіл при помітних товщинах шару речовини (метали - від 0,001мм; діелектрики - від 1мм) практично непрозорі для теплових променів, тому можна вважати, що радіаційна взаємодія із твердим тілом відбувається безпосередньо на його поверхні.

За вищенаведеними припущеннями, випромінювання є лише граничною умовою для процесу конвективного теплообміну усередині повітряного середовища з одного боку, і для процесу теплопровідності всередині твердих тіл - з іншого. Цей висновок є основою для синтезу з розглянутих вище фізичних підсистем та їхніх моделей, математичної моделі радіаційного опалення приміщень і відкритих просторів.

Математичне поставлення завдання. Складний теплообмін описується системою рівнянь, які складаються з рівнянь енергії, руху й суцільності, до яких додаються умови однозначності. Конкретний вигляд цих рівнянь залежить від додаткових припущень, прийнятих відносно характеру випромінювання, характеру руху середовища, його теплофізичних і радіаційних властивостей.

В основі математичної моделі тривимірного турбулентного квазістаціонарного дозвукового руху повітря лежить повна система рівнянь Нав'є - Стокса нестисливого газу, усереднена за Рейнольдсом.

Система диференціальних рівнянь в похідних частки доповнюється наступними граничними умовами: на вхідних границях задається величина й напрямок швидкості, температура й параметри турбулентності газу; на поверхні твердих тіл задаються умови прилипання й величина сумарного теплового потоку; на вихідній границі задається величина статичного тиску газу.

Променевий теплообмін між твердими тілами, розділеними діатермічним середовищем, моделюється методом ефективних потоків випромінювання. У випадку замкненої системи, що складається з

N-ізотермічних дифузно-сірих поверхонь, потік результуючого випромінювання Q_i i-ї поверхні визначається з рівняння

,

де - площа i-ї поверхні; е_i - ступінь чорності i-ї поверхні;

у₀ - постійна Стефана-Больцмана, Вт/(м²·К⁴); Т_i - температура i-ї поверхні; E_{эф, i} - щільність потоку результуючого випромінювання, Вт/м².

Значення E_{эф, i} знаходяться із системи лінійних неоднорідних алгебраїчних рівнянь вигляду

,i=1…N,

де ц_ij , - частка енергії випромінювання, що потрапляє з поверхні на поверхню j (кутовий коефіцієнт).

Число рівнянь N дорівнює числу невідомих E_{эф, j}. Значення е_i, T_i і кутових коефіцієнтів кожної пари поверхонь вважаються відомими.

Кутовий коефіцієнт ц_ij відображає геометричні особливості розміщення поверхонь ц і j в просторі і визначається виразом

,

де А_i - площа поверхні i, м²; А_j - площа поверхні j, м²; R - відстань між елементарними майданчиками i й j, м; - кут між нормаллю і радіус-вектором ; - кут між нормаллю і радіус-вектором .

Дану модель випромінювання можна використати і в випадку неізотермічних поверхонь, приблизно розбивши їх на ізотермічні ділянки, а також у випадку незамкнунех систем, якщо замкнути їх уявними поверхнями з ефективними радіаційними властивостями.

Для одержання наближеного розв?ку з заданими граничними умовами використовується чисельний кінцево-різнісний алгоритм, заснований на методі контрольного об'єму .

Математичне планування обчислювального експерименту. Проведемо за допомогою описаної вище методики параметричне дослідження ефективності радіаційного опалення відкритого простору на прикладі залізничної платформи. Шуканими величинами є поле температур і швидкостей повітря у вузлах розрахункової сітки, в тому числі, температура поверхні одягу людини. У якості змінних параметрів виберемо висоту підвіски пальника, швидкість і кут набігання вітру, відношення температури випромінюючої поверхні пальника до температури повітря. Діапазони зміни перемінних параметрів представлені в таблиці:

Результати чисельного розв?яння. Результати чисельного дослідження показали істотну відмінність процесів обігріву відкритих (напіввідкритих) майданчиків від опалення замкнених виробничих приміщень. Інтенсивний повітрообмін відкритих майданчиків, обумовлений температурою навколишнього повітря, швидкістю й напрямком вітру, є основним несприятливим впливаючим параметром. Відмінністю системи опалення відкритих майданчиків є також відсутність огороджуючих конструкцій, які,перевипромінюючи теплоту створюють комфортні умови в робочій зоні. А також тим, що підлога майданчика не нагрівається до високої температури й конвективним теплом не обігріває робочу зону. Основний потік теплоти, що надходить у робочу зону ? це променевий потік від газових нагрівачів, що обігріває одяг і поверхню людини. У роботі виконане чисельне моделювання променквого теплоперенесення в системі обігріву відкритого майданчика - перон залізничного вокзалу не захищений від вітру при температурі повітря від мінус 10 до плюс 10 ^оС і швидкості вітру від 0,5 до 5м/с. Деякі результати подані на рис.5 Температура поверхні голови людини (висота 175см) спостерігається вище 0 ^оС при різних параметрах системи обігріву. При цьому швидкість вітру змінювалася від 0,5 до 5м/с при температурі повітря 0 ⁰С. Температура поверхні людини наближається до температури 0 ⁰С (273К) при зниженій потужності (температура поверхні випромінювача дорівнює 900К) і швидкість вітру 5м/с при напрямку руху вітру уздовж платформи. При зниженні швидкості вітру до 0,5м/с температура поверхні підвищується до 303-315К.

Температурні поля по площі платформи показані на рисунку 5. Температура повітря -10 ⁰С (263К), швидкість вітру ? 0,5м/с. Як видно, в зоні опромінення температура поверхні змінюється від 269-270К до 271-272К, тобто від 0 до -3 ⁰С.

Отримані дані показують, що в різних точках розташування людини на платформі, температура поверхні на відстані 2м від осі випромінювача, спостерігається зниження температури поверхні до 263К (-10?С).

Температурні поля у вертикальній площині платформи з напрямком руху вітру вздовж платформи й різними значенями швидкості й температури випромінювачів. Видно, що поблизу поверхні платформи в тіньовій зоні обтікання людини повітрям спостерігається більш висока температура, що досягає значень 267-269К и 271-273К. Найбільш сприятливий варіант показаний на рис 5. Температурне поле вздовж платформи змінюється і температура становить 263К (-10 ⁰С). Тільки поблизу випромінювачів температура повітря підвищується до 273К (0 ⁰С). При цьому температура нагрівача становить 900⁰С, а швидкість вітру ? 5м/с.

Поле швидкостей руху повітря уздовж платформи показує, що в зоні обтікання людини швидкість знижується до 0,2-0,5м/с.

У результаті обробки дослідних даних отримано рівняння для розрахунку на умовній поверхні голови людини, що перебуває на платформі залежно від впливаючих факторів.



ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Виконані експериментальні, аналітичні й чисельні дослідження процесів теплопереносення в системах променево-панельного опалення виробничих приміщень дозволяють зробити наступні висновки:

1) обґрунтовано можливість застосування високотемпературних світлих випромінювачів з використанням плоских металевих панелей для опалення робочих зон виробничих приміщень;

2) розроблено інженерну методику розрахунку температурного режиму елементів системи газового променево-панельного опалення, оцінки щільності теплового потоку;

3) у результаті експериментальних досліджень температурного режиму виробничого приміщення встановлено, що нерівномірність температури повітря по висоті робочої зони досягає 3-4 ^оС;

4) розроблено положення й порядок теплового розрахунку в системі газового променево-панельного опалення;

5) розроблено математичну модель процесів променевого й конвективного теплопереносення в елементах системи газового променево-панельного опалення;

6) у результаті чисельних досліджень установлені раціональні геометричні параметри високотемпературних світлих випромінювачів з панелями, висота їх розміщення й температурні параметри поверхні випромінювачів;

7) розроблено математичну модель процесів променевого теплопереносу в системі опалення відкритих майданчиків (будівельно-монтажні ділянки, суднобудівні й судноремонтні заводи, вокзали й перони, спортивні майданчики, кав'ярні і таке ін.);

8) у результаті чисельного дослідження (на прикладі перону залізничного вокзалу) системи обігріву відкритого майданчика в інтервалі температур навколишнього повітря (-10…10 ⁰С) установлені теплова потужність і температура поверхні випромінювачів, висота їхнього розміщення й схема розташування при швидкості вітру від 0,5 до 5м/с і різному напрямку його руху; отримано емпіричне рівняння для розрахунку температури в зоні знаходження людей;

9) обґрунтовано можливість застосування високотемпературних світлих випромінювачів для обігріву відкритих майданчиків при температурі навколишнього повітря до -10 ⁰С і відповідному повітряному захисті.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Моделювання процесів радіаційного опалення відкритих площадок.// Авдєєва С.М., Редько А.А. Збірник наукових праць. Спецвипуск. «Геометричне та комп'ютерне моделювання: енергозбереження, экологія, дизайн » м. Сімферополь - с. Новий свєт КНУТіД, 2005р. С.200-204

2. Радіаційне опалення відкритих площадок.// Авдєєва С.М., Редько А.А. Сборник научных трудов ПГАСА.-том 45.-Днепропетровск: ПГАСА-2006.-С.122-124

3. Розподіл температури й щільності променевого потоку у виробничому приміщенні з випромінюючими пальниками.// Авдеева С.М, Редько А.А. Матеріали міжнародної конференції UKR-POWER 2006 «Проблеми енергозбереження безпеки екології в промисловій комунальній енергетиці » стор.38-40. Асоціація теплоенергетичних компаній України. м. Київ-2006р.

4. Ефективність газового радіаційного опалення відкритих майданчиків.// Авдеева С.М, Редько А.А. Матеріали міжнародної конференції UKR-POWER 2007 «Проблеми енергозбереження безпеки екології в промисловій комунальній енергетиці » стор.37-39. Асоціація теплоенергетичних компаній України. м. Київ.-2007р.

5. Система газового панельно-променевого опалення виробничого приміщення.// Авдєєва С.М, Редько А.О., Болотських М.М. Збірник наукових праць ХДТУБА.- «Науковий вісник будівництва» - 2007. - вып.43.-С.219-222.

6. Пристрій для променевого опалення // Заявка №а 200709494 від 21.08.07.- Авдєєва С.М, Редько А.О., Болотських М.М.

Размещено на Allbest.ru

...