|
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
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.
Зв′язок 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 взаємозв′язок 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 об′єднувати 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, η – к.к.д. людини, Qп – тепловтрати потовиділенням, Вт/м2,
запропонованих датським вченим Фангером П.О. одержано критерій комфортності людини, який має вигляд:
де pв – парціальний тиск пари у повітрі приміщення, мм.рт.ст, tв – температура повітря в приміщенні, 0С, αк – коефіцієнт конвективної тепловіддачі людини, Вт/м2 0С, kод – коефіцієнт, який враховує вплив одягу, tод – температура одягу; 0С αр – 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).
Рис.1. Залежність критерію комфортності людини від температури приміщення при відносній вологості 50%.
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 ≤ αр (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.
Рис. 2. Схема теплових потоків у приміщенні, опалюваному за допомогою пальників інфрачервоного випромінювання. 1-4 – огороджуючі конструкції, 5 – внутрішнє джерело теплоти, 6 – людина, 7 – пальник.
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
ΣQлюд-і +Qлюд-в – Qп-люд = {10.69 + M(0.5352 (1 - η) - 0.1664) + pв(0.41 + 0.0027M) + 0.0014M tв}Fлюдnлюд ,
7. Рівняння теплового балансу пальника:
Qп = ΣQп-і + [Qп-в].
де ΣQj-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; εпр – приведений коефіцієнт чорноти; φi-j – коефіцієнт опроміненості поверхні і з боку поверхні j; αі– 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 зв′язків 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 ; ΔРп.в., ΔΡух – 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
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
Для дверей
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.
Рис. 3. Схема місцевого відсмоктувача. 1 – рамка-тримач, 2 – боковини, 3 – приймальний отвір, 4 – перехід до стандартного діаметру.
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, α – 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.
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.
| 
