Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський державний технічний університет

будівництва та архітектури

Припотень Юлія Костянтинівна

УДК 697.9

Вдосконалення методів розрахунку та розробка конструктивних елементів для систем опалення за допомогою високотемпературних газових випромінювачів

05.23.03 - Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків, 2001 р.

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Полтавському державному технічному університеті імені Юрія Кондратюка

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Строй Анатолій Федорович

завідуючий кафедрою теплогазопостачання та вентиляції Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор Іродов Вячеслав Федорович; професор кафедри теплотехніки та газопостачання Придніпровської академії будівництва та архітектури, Міністерства освіти і науки України

- кандидат технічних наук, доцент Шушляков Олександр Васильович, доцент кафедри теплогазопостачання, вентиляції та використання теплових вторинних ресурсів Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури, Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа: Київський національний університет будівництва і архітектури, кафедра теплотехніки, Міністерство освіти і науки України.

Захист відбудеться 17 жовтня 2001 р. об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.056.003 у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури, Міністерства освіти і науки України 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 14 вересня 2001 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

к.т.н., професор Колотило М.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дисертація присвячена дослідженню процесів формування мікроклімату у виробничих приміщеннях з променевим газовим опаленням.

Найбільш розповсюдженими системами опалення у виробничих приміщеннях на теперішній час є повітряна та водяна системи опалення. Порівняно з цими системами опалення застосування променевого газового опалення може дати значну економію. Але недоліки променевого газового опалення, а також недосконалість методів розрахунку перешкоджають розповсюдженню таких систем. Зокрема, існуючі методи розрахунку не дають можливості врахувати всі фактори, що впливають на створення мікроклімату приміщення, і оптимізувати його процес.

Актуальність роботи. В умовах обмеженості паливно-енергетичних ресурсів особливу актуальність набуває питання їх економії. В даний час на Україні намічається тенденція до більш широкого розповсюдження децентралізованого теплопостачання. Головними перевагами децентралізованого теплопостачання є зменшення витрат на транспортування теплоти та більша надійність його роботи.

Одним із найбільш перспективних шляхів зниження витрат на опалення та вентиляцію виробничих приміщень є перехід до децентралізованого газового променевого опалення. Інфрачервоне газове опалення дозволяє підтримувати комфортні умови у приміщенні при менших витратах палива. Особливо вагому економію можна отримати у приміщеннях, які використовуються періодично, у приміщеннях, на загальній площі яких необхідно створити різні температурні умови, а також у приміщеннях, які мають значну висоту. Незважаючи на суттєві переваги, застосування інфрачервоного опалення поки що не набуло широкого розповсюдження.

Існуючі методи розрахунку направлені на визначення потужності тільки системи опалення і не дають можливості проаналізувати та оптимізувати спільну роботу систем опалення та вентиляції в приміщенні. В дисертаційній роботі виконаний більш детальний, порівняно з раніше проведеними дослідженнями, аналіз теплового та повітряного режиму приміщень, створена методика розрахунку системи променевого опалення та вентиляції приміщень та розроблені рекомендації по ліквідації найбільш суттєвих недоліків променевого газового опалення.

Звязок роботи з науковими програмами.

Дисертаційна робота виконана у відповідності з планом держбюджетних науково-дослідних робіт Полтавського державного технічного університету імені Ю. Кондратюка.

Мета та завдання дослідження

Метою дисертаційної роботи є створення удосконаленого методу розрахунку та розробка окремих конструктивних елементів системи формування мікроклімату у виробничих приміщеннях, які опалюються за допомогою високотемпературних газових випромінювачів. Це дасть змогу значно зменшити сумарні витрати на опалення та вентиляцію в ряді виробничих приміщень.

Для досягнення мети були поставлені та вирішені такі завдання:

проаналізувати існуючі методи оцінки теплового стану людини і методи розрахунку променевих систем опалення;

визначити та обґрунтувати найпридатніший для інфрачервоного опалення критерій комфортності та розробити математичну модель, що описує формування мікроклімату у виробничому приміщенні;

розробити метод розрахунку отриманої моделі, яка складається з нелінійних рівнянь;

проаналізувати особливості та створити методи розрахунку особливих випадків променевого опалення (локального обігріву);

проаналізувати вплив окремих факторів на тепловий режим приміщення;

проаналізувати процес створення повітряного режиму приміщення при різних системах вентиляції;

розробити алгоритм і програми для розрахунку теплового і повітряного режимів приміщень;

розробити та оптимізувати конструкцію місцевого відсмоктувача, провести його експериментальні дослідження;

проаналізувати сумісну роботу інфрачервоного газового опалення та вентиляції на протязі опалювального періоду.

Методи дослідження: теоретичні дослідження проводилися методами математичного та фізичного моделювання теплового та повітряного режиму приміщення, що опалюється за допомогою високотемпературних випромінювачів. Проводився комп'ютерний розрахунок математичних моделей. Експериментальні дослідження проводилися на лабораторному стенді. Для обробки інформації, складання програм, оформлення дисертації використовувалася ПЕОМ PENTIUM II.

Наукова новизна одержаних результатів.

Для променевих систем опалення запропонований новий критерій комфортності, який одержано на основі аналізу теплового балансу людини, що опромінюється.

Розроблена математична модель теплового режиму приміщення, яка враховує особливості інфрачервоного опалення: пряме опромінення людини та поверхонь, напрямок теплових потоків від нагрітих поверхонь огороджуючих конструкцій до внутрішнього та зовнішнього повітря, можливість створення різних температурних умов на загальній площі приміщення при забезпеченні комфортного стану людини.

Розроблена математична модель теплоповiтряного режиму, яка додатково враховує взаємозвязок систем променевого опалення та вентиляції приміщення. Розглянуто особливості розрахунку теплоповітряного режиму при використанні місцевої вентиляції.

Практичне значення роботи.

Розроблений і оптимізований місцевий відсмоктувач для пальника інфрачервоного випромінювання, який забирає мінімум повітря з приміщення, і дає можливість знизити витрати на систему вентиляції.

Створені алгоритм та програма для ЕОМ для розрахунку сумісної роботи променевого опалення та вентиляції приміщення.

На основі аналізу теплового та повітряного режиму розроблені інженерні рекомендації для визначення: типу приміщень, в яких застосування подібних систем найвигідніше; оптимальної схеми розміщення пальників, оптимального виду системи вентиляції.

Особистий внесок автора

У роботі [3] автором запропоновано: при променевому опаленні замість температури приміщення, яка характеризується співвідношенням радіаційної температури та температури повітря використовувати інший критерій комфортності. Запропонований критерій комфортності визначається на основі аналізу комфортного теплового балансу людини.

У роботах [2-4] автором розроблена математична модель формування комфортного теплового та теплоповітряного режиму в приміщенні. Вона враховує всі особливості променевого опалення.

У роботі [1] автором одержана фізична модель, яка характеризує формування конвективної течії біля випромінюючого насадка пальника.

Апробація роботи. Загальні положення дисертації та її результатів доповідались та обговорювались на науково-технічних конференціях у Полтавському державному технічному університеті імені Ю.Кондратюка в 1997-2001 рр.

Публікації. За матеріалами дисертації надруковано шість друкованих праць п'ять статей у виданнях, які є фаховими для даної спеціальності, та 1 теза доповіді на науковій конференції.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновків, переліку використаної літератури та додатків.

Результати досліджень, основні теоретичні та практичні положення дисертації викладено на 147 сторінках. Основна частина включає також 54 ілюстрації, список літератури складається із 108 джерел. Додатки А, Б, В включають фрагменти теоретичних та експериментальних досліджень і акт впровадження роботи та загалом складають 11 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладено основні питання, яким присвячена робота, приведено обґрунтування актуальності теми дисертації, мета та завдання досліджень, наукова новизна і практичне її значення. Також подана характеристика особистого внеску автора, апробації дисертації, її структура та загальний зміст.

У першому розділі аналізується сучасний стан питання й ставляться задачі досліджень.

Значний вклад у розвиток основ променевого опалення внесли Мачкаши Л., Богословський В.Н., Левін А.М., Родін А.К., Худенко А.А., Ковальов А.Е., Брюханов О.Н., Иссерлін А.С., Харін В.В., Северинець Г.Н., Міссенар А. та інші, над питаннями комфортного теплового стану людини працювали Фангер П.О, Банхіді А., Кренко Ф.А., Мак-Інтайр Д.А. та інші.

У приміщеннях для короткочасного або періодичного використання, в приміщеннях, на площі яких необхідно створити різні температурні умови, а також у приміщеннях значної висоти найбільш перспективною, як показав аналіз виконаних раніше досліджень, є система променевого опалення за допомогою високотемпературних інфрачервоних випромінювачів.

Проаналізовано відомі способи оцінки комфортності стану людини при променевому опаленні. Найчастіше для оцінки комфортного стану рекомендують застосовувати критерій комфортності у вигляді нормованої температури приміщення. В залежності від рекомендацій того чи іншого автора, цей критерій може обєднувати два чи більше параметрів з наступних: температури повітря та внутрішньої поверхні огороджуючих конструкцій, рухливості повітря та його вологості. Через ширший, ніж при конвективному опаленні, спектр внутрішніх умов, його застосування для інфрачервоного опалення веде до деяких помилок. Для розробки критерію комфортності, який найбільш придатний для променевих систем опалення, в дисертаційній роботі використано дослідження Фангера П.О., які базуються на різнобічному аналізі теплового балансу людини.

В цьому розділі проаналізовано також методи розрахунку променевого газового опалення. Головною метою, яку ставили автори при створенні методів розрахунку, було визначення кількості пальників, базуючись на більш або менш приблизній оцінці потужності системи опалення. Для ряду розрахунків, наприклад оптимізаційних, цей підхід недостатньо точний.

Також в першому розділі розглянуто особливості основних видів системи вентиляції, які можуть застосовуватися в приміщеннях з променевим опаленням; їх переваги та недоліки. Проаналізовано відомі конструкції місцевих відсмоктувачів для пальників інфрачервоного випромінювання.

Проведений аналіз дозволив сформулювати основну мету та задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі розглядається тепловий режим приміщення.

Для приміщень з інфрачервоним опаленням на основі рівняння теплового балансу людини та умов комфортності:

tлюд = 35.7 - 0.032• M(1-з), (1)

Qп = 0.49[M•(1-з)-50], (2)

де tлюд - температура шкіри людини, М теплопродукція людини, Вт/м2, к.к.д. людини, Qп - тепловтрати потовиділенням, Вт/м2,

запропонованих датським вченим Фангером П.О. одержано критерій комфортності людини, який має вигляд:

Kк = 10.69 + M(0.53519 (1 ) 0.1664) + pв (0.41 + 0.0027M) + tв 0.0014M) = кkод (tод tв) + р (tод tр) qлюд (3)

де pв парціальний тиск пари у повітрі приміщення, мм.рт.ст, tв температура повітря в приміщенні, 0С, к коефіцієнт конвективної тепловіддачі людини, Вт/м2 0С, kод коефіцієнт, який враховує вплив одягу, tод температура одягу; 0С р коефіцієнт променевої тепловіддачі людини, Вт/м2 0С, tр радіаційна температура приміщення, 0С; qлюд опроміненість людини з боку системи опалення, Вт/м2.

Цей критерій встановлює комфортний рівень явних тепловтрат людини. Також він розглядає окремі теплові потоки від людини у оточуюче середовище, що полегшує аналіз загального теплового стану людини, яка отримує теплоту інфрачервоним опроміненням.

Для спрощення визначення критерію комфортності в характерних випадках складений графік, на якому показана залежність критерію комфортності від температури повітря в приміщенні з відносною вологістю 50% при різному фізичному навантаженні людини (рис.1).

Рівняння (1) є необхідною, але не достатньою умовою комфортності. При променевому опаленні повинні виконуватись також додаткові умови:

опроміненість голови не повинна перевищувати qгол 233 12.9 tв, Вт/м2, якщо середня температура внутрішніх поверхонь та повітря в межах 9 14 0С, та qгол р (tгол tр) 11.6 Вт/м2 в усіх інших випадках;

вертикальна асиметрія не повинна бути більшою, ніж 4 0С;

горизонтальна асиметрія 10 0С.

Для аналізу та комплексної оцінки теплового режиму приміщення запропоновано математичну модель, яка враховує всі особливості променевого газового опалення, а саме: спрямування теплового потоку від пальника до внутрішніх поверхонь огороджуючих конструкцій, а звідти до внутрішнього повітря за рахунок конвекції та назовні за рахунок теплопровідності; пряме опромінення пальником людини та поверхонь приміщення; наявність вентиляції. Математична модель враховує променеві та конвективні теплові потоки в приміщенні (рис. 2) й складається з ряду рівнянь теплового балансу, кількість яких визначається кількістю характерних огороджуючих конструкцій.

У найпростішому випадку, для приміщення, розташованого в одноповерховій будівлі, необхідно записати:

1. Рівняння теплового балансу внутрішньої поверхні зовнішньої стіни

УQ1-і + Q1-в +Q1-з = Qп-1 + Qлюд-1 + Qпр-1

2. Рівняння теплового балансу внутрішньої поверхні внутрішньої стіни

УQ2-і + Q2-в = Qп-2 + Qлюд-2 + Qпр-2

3. Рівняння теплового балансу внутрішньої поверхні підлоги

УQ3-і + Q3-в +Q3-з = Qп-3 + Qлюд-3 + Qпр-3

4. Рівняння теплового балансу внутрішньої поверхні стелі

УQ4-і + Q4-в +Q4-з = Qп-4 + Qлюд-4 + Qпр-4

5. Рівняння теплового балансу внутрішнього повітря

Qв-1 + Qв-2 + Qв-3 + Qв-4 = [Qп-в] + Qлюд-в + Qпр-в

6. Рівняння комфортного стану людини

Qлюд-і +Qлюд-в Qп-люд = {10.69 + M(0.5352 (1 - ) - 0.1664) + pв(0.41 + 0.0027M) + 0.0014M tв}Fлюдnлюд ,

7. Рівняння теплового балансу пальника:

Qп = Qп-і + [Qп-в].

де Qj-і сумарний тепловий потік, що передається від поверхні j всім поверхням приміщення за рахунок взаємоопромінення, Вт; Qi-з - тепло, що віддає назовні і-та огороджуюча конструкція, Вт; Qi-в - тепло, яке і-та конструкція передає внутрішньому повітрю, Вт; Qп-і - тепло, яке і-та конструкція отримує від пальника, Вт; Qп-в - тепло, що передається від пальника до внутрішнього повітря, Вт; Qлюд-і - тепло, яке і-та конструкція отримує від людини, Вт; Qпр-і - тепло, яке і-та конструкція отримує від внутрішнього джерела теплоти, Вт.

Таким чином, математична модель складається з n+3 рівнянь теплового балансу, n - кількість огороджуючих конструкцій.

При складанні системи рівнянь введені слідуючі припущення: розподіл температури на кожній поверхні рівномірний, викривлення температурного поля на стиках елементів не враховується; променеві теплові потоки не поглинаються повітрям; ступінь чорноти всіх поверхонь приміщення настільки високий, що багаторазовим віддзеркаленням променевих потоків можна зневажити.

Використавши відомі залежності для визначення окремих теплових потоків отримаємо слідуючу систему рівнянь:

(4)

де k/і неповний, тобто такий, що не враховує опір теплопередачі від внутрішньої поверхні огороджуючої конструкції до внутрішнього повітря, коефіцієнт теплопередачі і-того огородження, Вт/м2 0С; tі, tп, tв, tз температура відповідно внутрішньої поверхні і-тої огороджуючої конструкції, пальника, внутрішнього та зовнішнього повітря, 0С; С0 коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, С0 = 5.67•10-8 Вт/м2 0К; b температурний коефіцієнт; пр приведений коефіцієнт чорноти; i-j коефіцієнт опроміненості поверхні і з боку поверхні j; і конвективний коефіцієнт тепловіддачі і-тої поверхні, Вт/м2 0С; Qв.р.і частка променевої тепловіддачі внутрішнього джерела теплоти, що отримує і-та поверхня, Вт/м2; n кількість огороджуючих конструкцій; Fі площа поверхні і-того огородження, м2; с теплоємкість повітря, кДж/кг 0С; Gв повітрообмін приміщення, кг/год; tп.в. температура припливного повітря, 0С; Qв.к. конвективна частина внутрішніх тепловиділень, Вт; Qп теплова потужність пальника, Вт.

Для вирішення отриманої системи нелінійних рівнянь запропоновано застосувати метод, який скомбіновано з метода Гауса та метода ітерацій. Така комбінація дозволяє отримати рішення найкоротшим шляхом. В другому розділі розроблений алгоритм та програма для розрахунку математичної моделі, яка характеризує тепловий режим в приміщенні.

При розрахунку локального опалення необхідно враховувати нерівномірність поля температур опроміненої поверхні. Для цього необхідно окремо розрахувати температурне поле опроміненої поверхні та її теплообмін з іншими поверхнями та людиною, а потім використати розроблену систему рівнянь (4).

Третій розділ присвячений аналізу теплоповітряного режиму в приміщенні.

Аналіз повітряного режиму приміщень, що опалюються за допомогою високотемпературних випромінювачів, та його звязків з тепловим режимом дав можливість розробити математичну модель теплоповітряного режиму, яка має вигляд:

(5)

де Vг кількість газу, яку потребують пальники, м3/год ; Gп.в., Gух відповідно кількість приточного та витяжного повітря, кг/год; Qн.р. - нижча теплота спалювання газу, Дж/м3; - густина вуглекислого газу, кг/м3, кількість вуглекислого газу, яка виділиться при спалюванні 1 м3 газу, м3/м3; сп.в., сух концентрація його відповідно у приточному та у витяжному повітрі, кг/м3 ; Рп.в., ух - розрахунковий перепад тиску відповідно для приточної та витяжної частини вентиляції, Па; Sп.в., Sух - характеристика повітропроводів відповідно приточної та витяжної частини вентиляції, Па/(кг/год)2.

В цій системи перші n+3 рівняння характеризують тепловий режим приміщення, n+4-те рівняння рівняння повітряного балансу приміщення, n+5-те рівняння рівняння балансу шкідливої речовини, n+6-те та n+7-ме рівняння, що характеризують кількість повітря, яке надходить та відводиться з приміщення.

За допомогою цієї системи рівнянь були розраховані витрати на опалення та вентиляцію ряду виробничих приміщень. Результати розрахунків для відносно невеликого приміщення площею в 100 м2, розташованого в частині одноповерхової будівлі, приведено в таблиці 1.

Таблиця 1.

Сумарні витрати на опалення та вентиляцію виробничого приміщення

Тип системи вентиляції	Повітрообмін,	Витрати теплоти, Вт, на
	кг/год	опалення	вентиляцію	додаткові	сумарні
Механічна загальна	951	9380	8321	Nел=500	17701
Природна загальна	3464	11040.5	18676		29716
Природна місцева	100	9107	677.2	Qпс= 3100	12912

Після аналізу результатів цих розрахунків можна зробити такі висновки:

1. Значно зменшити повітрообмін в приміщенні можна при застосуванні місцевих відсмоктувачів. Однак, при цьому теплота продуктів спалювання не потрапить у приміщення. Дані розрахунків свідчать, що сумарні витрати теплоти на опалення та місцеву вентиляцію найменші, якщо повітрообмін зменшиться вдвічі у порівнянні з загальнообмінною механічною вентиляцією.

2. Витрати теплоти на нагрів припливного повітря при природній вентиляції значно вищі за витрати при механічній вентиляції. Тому використання гравітаційної загальнообмінної вентиляції доцільне тільки у окремих випадках, наприклад, у приміщеннях із зниженими вимогами до якості повітря.

Аналіз роботи системи вентиляції з місцевими відсмоктувачами свідчить, що значна кількість повітря надходить у приміщення за рахунок неорганізованої фільтрації. Розрахунок повітропроникнення відомими методами приводить до деяких неточностей, оскільки одні автори розглядають фільтрацію крізь вікна та двері як рух крізь наскрізний отвір, описуючи його квадратичною залежністю, що не зовсім відповідає дійсності; інші пропонують залежності тільки для відомих типів вікон зі значним ущільненням. Режим руху повітря при фільтрації залежить від загального повітряного режиму приміщення і на початковій стадії невідомий. Тому постала необхідність знайти узагальнене рівняння, що описує рух повітря крізь щілини неутеплених вікон та дверей.

Його було знайдено в вигляді:

, (6)

де bщ довжина щілини, S/ незмінна частина опору щілини. В таблиці 2 приведено значення коефіцієнту S/ та показника ступеню х, при глибині щілини 1.5 см, середній температурі повітря в ній -50С.

Таблиця 2.

Характеристика щілини.

Для неутепленого вікна

Еквівалентний діаметр щілини, dекв, мм	1	2	3
Незмінна частина опору S/, Па/(кг/год)х	0.6779	0.049375	0.013356
Показник ступеню х	1.3958	1.712	1.8247

Для дверей

Еквівалентний діаметр щілини, dекв, мм	1	2	3
Незмінна частина опору S/, Па/(кг/год)х	0.4201	0.021409	0.0054045
Показник ступеню х	1.4033	1.767	1.88823

Четвертий розділ присвячений лабораторним дослідженням місцевого відсмоктувача для пальника інфрачервоного випромінювання.

Був проаналізований рух продуктів спалювання вздовж випромінюючого насадка пальника та запропонована конструкція місцевого відсмоктувача (рис. 3.). Вона складається з рамки-тримача, бокових обмежувачів та переходу до витяжного повітропроводу. Приймальний отвір розташований перпендикулярно випромінюючому насадку при будь-якому його розташуванні. Основна мета експериментальних досліджень - оптимізувати конструкцію місцевого відсмоктувача та розмір приймального отвору.

Досліджувалась робота пальника інфрачервоного випромінювання типу “Унифицированная” потужністю 3.5 кВт в режимі нормального та мінімального горіння. В ході експерименту розмір приймального отвору змінювався від 2.5 до 10 см.

По результатам експериментальних досліджень товщину конвективної течії можна визначити по формулі:

, (7)

де а довжина випромінюючого насадка, кут розкриття течії, який було визначено в ході експерименту. Він дорівнює 11-160 для вертикального пальника, 14-180 для пальника, нахиленого під кутом 450 (більше значення відповідає більшій потужності пальника).

Далі були визначені параметри роботи пальника: коефіцієнт підсмоктування:

Кпідсм = Gух/Gпс, (8)

та питомий тепловий потік:

qвідсм = Qвідсм /Fвідсм, Вт/м2, (9)

де Gпс - кількість продуктів спалювання, м3/год, Qвідсм, Fвідсм - відповідно тепловий потік та площа відсмоктувача.

Результати експерименту приведено в таблиці 3.

Таблиця 3.

Параметри роботи відсмоктувача.

Ширина	в режимі нормального горіння	в режимі мінімального горіння
приймального отвору, см	Коефіцієнт підсмоктування Gух/Gпс	Питомий тепловий потік, Вт/м2	Коефіцієнт підсмок-тування Gух/Gпс	Питомий тепловий потік, Вт/м2
2.5	4.36	1814	4.1	1512
3.5	4.17	1973	4.1	1466
6	4.8	1655	3.35	1575
8	3.9	2034	3.78	1700
10	4.6	1903	3.43	1661

Як можна помітити, оптимальна робота відсмоктувача, коли температура найбільша, а кількість суміші продуктів спалювання та повітря, яка відводиться, - найменша, спостерігається, при розмірах приймального отвору близьких до розмірів конвективної течії.

У п'ятому розділі приведені результати розрахунків, виконаних за допомогою розробленої математичній моделі та конкретні інженерні рекомендації для проектування та експлуатації систем опалення за допомогою інфрачервоних випромінювачів.

Для визначення області застосування таких систем та аналізу впливу окремих факторів був проведений числовий експеримент. У приміщені, яке має форму куба з довжиною ребра а, було визначено, яку кількість теплоти необхідно підвести до приладів системи водяного опалення (з температурою поверхні приладів 82 0С); до приладів панельно-променевого опалення (t = 100 0С); та до приладів газового променевого опалення з каталітичними (t = 400 0С), низькотемпературними (t = 500 0С), та інфрачервоними (t = 1000 0С) випромінювачами. В усіх випадках комфортний тепловий стан людини підтримувався на всій площі приміщення. В ході числового експерименту змінювалися: 1) розміри приміщення від а = 3 м до а = 18 м; 2) кут нахилу пальника від 0 до 900 ; 3) фізичне навантаження людини та 4) рухливість повітря в приміщенні.

Результати експерименту, які характеризують зменшення теплової потужності променевого опалення у порівнянні з водяним приведено на рис. 4.

За результатами розрахунку можна зробити висновок, що у випадку, коли комфортний тепловий стан людини підтримується на всій площі приміщення, більша економія спостерігається у невеликих квадратних приміщеннях. Це обумовлено зменшенням опроміненості людини при збільшенні відстані до пальника. Тому за допомогою одного пальника доцільно обігрівати до 70 м2 площі приміщення. При збільшенні рухливості повітря економія зменшується на 3-5%, при збільшенні фізичної активності на 5-6%.

Якщо комфортний тепловий стан забезпечується тільки на окремих робочих місцях, то можна одержати значно більшу економію, теплові затрати можуть зменшитися в 1.5-2 рази.

Також у п'ятому розділі була проаналізована сумісна робота системи вентиляції та інфрачервоного опалення на протязі року. Оскільки діапазон регулювання пальників (Qmax / Qmin = 1.6) значно менший за діапазон зміни потужності системи опалення (Qmax / Qmin = 4), регулювати потужність системи опалення доводиться за рахунок відключення частини пальників. При цьому не можна збільшувати крок пальників більше максимального, при якому на всій площі приміщення створюються допустимі умови.

Потужність системи вентиляції залежить від потужності системи опалення і також повинна мати широкі межі регулювання. Місцева вентиляція майже не потребує регулювання, оскільки при зменшенні потужності пальника пропорційно зменшується й потужність місцевого відсмоктувача, при відключенні пальника відповідна нитка системи вентиляції закривається.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Запропоновано новий критерій комфортності, який ширше, ніж уживана “температура приміщення”, враховує параметри мікроклімату приміщення. Він встановлює комфортний рівень явних тепловтрат людини.

Розроблена математична модель формування теплового режиму, яка враховує променеві та конвективні теплові потоки в приміщенні, комфортність стану людини та витрати теплоти на вентиляцію приміщення. Розроблено алгоритм та програма для розрахунку отриманої математичної моделі.

Створено алгоритм і програму для розрахунку локального опалення, яка додатково враховує нерівномірність температурного поля опромінених поверхонь.

4. Розроблено методику аналізу схем розміщення пальників у приміщенні, яка дозволяє без громіздких розрахунків вибрати найвигідніші для даного приміщення варіанти.

5. Проведено числовий експеримент. За його результатами можна стверджувати, що найбільший вплив на потужність системи опалення мають опроміненість людини пальником, співвідношення опалюваної та неопалюваної площі (для локального обігріву), співвідношення сторін приміщення та кут нахилу пальника.

6. Розроблена математична модель формування теплоповітряного режиму при загальнообмінній та місцевій вентиляції. Вона додатково враховує звязок між повітряним та тепловим режимом, особливості розподілу теплоти продуктів спалювання.

7. Проаналізовано сумарні витрати теплоти при різних видах вентиляції. Найменші витрати спостерігаються при застосуванні місцевої вентиляції, найбільші - при застосуванні загальнообмінної природної вентиляції.

8. Запропонована нова конструкція місцевого відсмоктувача. Проведено її експериментальне дослідження. Визначена кількість суміші повітря Gв та димових газів Gп.с., яка повинна відводитися відсмоктувачем: Gв + Gп.с. = 3.5-4.7 Gп.с..

9. Одержано узагальнене рівняння для розрахунку процесу фільтрації повітря в приміщення.

10. Результати досліджень було використано при проектуванні системи газового променевого опалення з місцевою вентиляцією для гранітного цеху в м. Житомир. Очікується зменшення витрат на опалення та вентиляцію в 2.1 рази.

Перелік публікацій

1. Ю.К. Припотень. Розробка та розрахунок засобів для відведення продуктів спалювання від інфрачервоного пальника // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво) /Полт. держ. техн. ун-т ім. Ю. Кондратюка. Полтава, 1999.Вип. 3. - с. 175-182.

2. А.Ф. Строй, Ю.К.Припотень. Техніко-економічне обґрунтування та визначення галузі застосування променевого газового опалення // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво)/ Полт. держ. техн. ун-т ім. Ю. Кондратюка. Полтава, 1999.Вип. 4.- с. 113-121.

3. А.Ф. Строй, Ю.К.Припотень. Критерий комфортности и методика определения мощности различнх систем отопления /котехнологии и ресурсосбережение. 2000. №2. - с. 69-72.

4. Припотень Ю.К. Аналіз методик розрахунку фільтрації повітря та їх оцінка // Коммунальное хозяйство городов. К.: “Техника”, 2000. с.160-165.

5. Припотень Ю.К. Особенности расчета локального отопления с помощью источников инфракрасного излучения// Науковий вісник будівництва/ Харків, ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2001 Вип. 12. с 61-65.

6. Строй А.Ф., Припотень Ю.К. Техніко-економічне обґрунтування використання променевих систем опалення у виробничих приміщеннях/ Тези доповідей 50-ї наукової конференції. Полтава, 1998. - стр. 221.

АНОТАЦІЯ

Припотень Ю.К. Вдосконалення методів розрахунку та розробка конструктивних елементів для систем опалення за допомогою високотемпературних газових випромінювачів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового стуреня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03 - вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. - Харківський державний університет будівництва і архітектури, Харків, 2001.

Дисертація присвячена процесу формування теплового та повітряного режиму у виробничих приміщеннях при опаленні їх за допомогою інфрачервоних випромінювачів. У дисертації розглянуто процес формування комфортних умов у приміщенні при променевій системі опалення та запропоновано критерій комфортності, проаналізовано особливості сприйняття людиною інфрачервоного випромінювання. Розроблена математична модель, яка дає можливість розрахувати тепловий та повітряний режим приміщення, опалюваного за допомогою інфрачервоних випромінювачів. Вона враховує основні теплові потоки в приміщенні, взаємозв'язок теплового та повітряного режиму приміщення та комфортність стану людини. Розроблений алгоритм та складена програма розрахунку математичної моделі. Оцінений повітряний режим приміщення при різних способах організації вентиляції. Розроблена, оптимізована й експериментально досліджена конструкція місцевого відсмоктувача, яка дає змогу відводити продукти спалювання з найменшою кількістю повітря приміщення та з найвищою температурою.

Ключові слова: комфортний тепловий баланс, опроміненість людини, повітряний режим, місцевий відсмоктувач.

повітряний тепловий приміщення інфрачервоний

АННОТАЦИЯ

Припотень Ю.К. Усовершенствование методов расчета и разработка конструктивных элементов для систем отопления при помощи высокотемпературных излучателей.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03 - вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. - Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2001.

Диссертация посвящена вопросам формирования теплового и воздушного режима в производственных помещениях, отапливаемых при помощи инфракрасных излучателей. Наиболее перспективным путем экономии тепловой энергии в ряде производственных помещений является переход на автономное децентрализованное отопление, в частности на обогрев при помощи высокотемпературных излучателей. Можно назвать ряд помещений, в которых использование инфракрасного обогрева особенно выгодно, по сравнению с водяным или воздушным отоплением. Это помещения с частично используемой площадью, помещения периодического и кратковременного использования, помещения значительной высоты и т.п. Существующие методы расчета не дают возможности рассчитать и оптимизировать тепловоздушный режим помещения с инфракрасным отоплением за счет недостаточного учета ряда факторов.

В диссертации рассмотрен процесс формирования комфортных условий в помещении при лучистой системе отопления. Предложен критерий комфортности, полученный путем анализа теплового состояния человека, подвергающегося облучению. Проанализированы особенности восприятия человеком инфракрасного излучения. Выделены ограничения, налагаемые на место расположения и мощность горелок.

Разработана математическая модель, которая дает возможность рассчитать тепловой и воздушный режим помещения, отапливаемого при помощи высокотемпературных излучателей. Она учитывает основные тепловые потоки в помещении, взаимосвязь теплового и воздушного режима и комфортность состояния человека. Математическая модель состоит из уравнений теплового баланса внутренней поверхности каждого ограждения, теплового баланса воздуха в помещении, уравнения, характеризующего состояние человека, уравнения воздушного баланса помещения, уравнения баланса вредного вещества, определяющего воздухообмен, и уравнений, описывающих проникание воздуха в помещение и удаление его как системой вентиляции, так через отверстия и неплотности ограждений. Составлены программы расчета теплового режима помещения для общего GAUSS и локального обогрева LOC, тепловоздушного режима с подбором параметров заданного типа системы вентиляции, суммарной мощности горелок, с учетом степени комфортности состояния человека (оптимального или допустимого) DOUBLE.

При помощи разработанной математической модели оценен воздушный режим помещения при разных способах организации вентиляции. Сделан вывод о том, что при отсутствии значительных выделений вредных веществ наиболее выгодной является местная вентиляция с использованием местных автономных отсосов возле каждой горелки.

Разработана, оптимизирована и экспериментально исследована конструкция местного отсоса, которая дает возможность отводить продукты сжигания с добавлением наименьшего количества воздуха помещения, с наивысшей температурой. Особенностью конструкции разработанного отсоса является то, что приемное отверстие располагается перпендикулярно плоскости излучающего насадка при любом его положении. Отсос пригоден для горелок с углом наклона к горизонту до 700. Найден оптимальный размер приемного отверстия, параметры работы предложенной конструкции при различных режимах работы горелки.

Предложено обобщенное уравнение для расчета инфильтрации воздуха в помещение. Оно базируется на анализе уравнений движения жидкости по “короткому” трубопроводу и позволяет учесть такой фактор, как неквадратичность зависимости, описывающей воздухопроницание через неутепленное окно.

Проведен факторный эксперимент для помещения с разными типами системы отопления (водяная, воздушная, панельно-лучистая, при помощи высокотемпературных излучателей). Были найдены помещения, в которых использование инфракрасного отопления приводит к наибольшему эффекту, а также возможный эффект от его применения как при общем, так и при местном обогреве.

Была проанализирована совместная работа отопления и вентиляции на протяжении отопительного периода. Составлены графики изменения характеристики системы общеобменной вентиляции в зависимости от температуры наружного воздуха.

Результаты исследований были использованы при проектировании системы газового лучистого отопления с местной вентиляцией

Ключевые слова: комфортный тепловой баланс человека, облученность человека, воздушный режим, местный отсос.

SUMMARY

Pripoten Y.K. Improvement of methods of calculation and working out constructive elements for heating system with the help of high temperature gas radiator. - Manuscript.

The dissertation is the manuscript for a candidate's degree of technical science on speciality - 05.23.03 - ventilation, lighting, heat and gas supply. Kharkiv, 2001.

The dissertation is devoted to forming of a heat and air regime in industrial premises, what is heated with the help of infrared radiators. In the dissertation the processes of comfort condition forming in premises with radiation heat system and offered the comfort criterion is consider , a feature of human's perception of infrared radiation is analyzed. Mathematical model, what gives a possibility to calculate heat and air regimes of premises with infrared radiators is worked out. Also this model takes account of main heat flow in premises, interdependence of heat and air regime of premises and human comfort state. Algorithm is worked out and program of mathematical model calculation is composed. Air regime of premises with different ventilation system is evaluated. The construction of local suck device, what gives a possibility to move out products of combustion with minimal quantity of inside air and with maximal temperature is worked out, optimized and experimentally researched.

Keywords: comfort heat balance, human's irradiation, heat and air regime, local suck device.

Размещено на Allbest.ru

...