Введение к работе
Актуальность проблемы. В последнее время, в связи с наметившейся тенденцией к росту объёмов промышленного производства в России, наблюдается устойчивый рост потребления топливно-энергетических ресурсов. В связи с этим является принципиально важным проведение исследований, направленных на максимально возможное снижение затрат энергии при отоплении производственных помещений. Одним из способов снижения энергетических затрат является децентрализация источников теплоснабжения, имеющих ряд преимуществ перед централизованными. К ним можно отнести снижение потерь в теплосетях, возможность более оперативной регулировки подачи тепла и Др. Это требует тщательного исследования характеристик применяемых децентрализованных систем, т.к. наряду с несомненными достоинствами им присущи определённые недостатки. Целесообразность данного исследования заключается в необходимости более глубокого изучения конструктивных характеристик и методов расчёта газоиспользуюших систем лучистого отопления (СЛО) с радиационными трубами, которые в последнее время получают всё большее распространение среди децентрализованных источников теплоснабжения.
Чтобы полнее использовать резервы энергосбережения СЛО, необходимо применять методы расчета, основанные на характерных особенностях лучистого обогрева производственных объектов. В настоящее время в основном применяются способы расчетов конвективных систем с последующим введением некоторых поправок. Вследствие этого затруднительно совместить требование соблюдения необходимых характеристик обогреваемых объектов, таких как величина облучения, температурная неравномерность обогреваемых поверхностей, температура и подвижность воздуха, теплопотери через ограждения и т.д., с минимизацией затрат энергии на отопление производственных помещений.
Одним из направлений повышения энергоэффективности СЛО явлется увеличение лучистого КПД излучателей, для чего необходимо изменить долю их конвективной и лучистой теплоотдачи. Чтобы достичь этого посредством технически приемлемых и не слишком усложненных способов, определить конструктивные недостатки излучателей и пути совершенствования условий теплообмена, необходимы теоретические исследования лучистого теплообмена радиационных труб и облучаемых поверхностей, а также численные исследования радиационно-конвективного теплообмена в пространстве, обогреваемом трубными излучателями. Для верификации результатов теоретических и численных исследований необходимы соответствующие экспериментальные исследования. Существующие отечественные и зарубежные методы определения
эффективности СЛО и лучистого КПД радиационных труб разработаны недостаточно для объективной оценки их теплотехнических характеристик. Это затрудняет проведение исследований подобных систем с целью их оптимизации и совершенствования конструкций. Поэтому разработка объективных методов определения эффективности СЛО и исследование на этой основе процессов теплообмена в зонах, обогреваемых радиационными трубами, являются актуальными.
Цель работы: разработка способов снижения энергетических затрат в системах лучистого отопления промышленных объектов и совершенствование методов их расчёта.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
разработка метода определения энергетической освещённости производственных площадок произвольной формы, обогреваемых трубными излучателями;
разработка алгоритма и метода численного решения задач лучисто-конвективного теплообмена в замкнутом объёме с радиационными трубами;
проведение численных исследований теплообмена в замкнутом объёме с одним и несколькими излучателями при различных габаритных и установочных размерах;
проведение экспериментальных исследований теплообмена в замкнутом объёме и открытом пространстве с излучающими трубами в поле интерферометра сдвига;
разработка программы расшифровки интерферограмм сдвига;
проведение численных исследований лучисто-конвективного теплообмена в замкнутом объёме с излучателями, нахождение доли лучистой и конвективной теплоотдачи и распределения температуры на ограждениях;
разработка модернизированных конструкций трубных излучателей;
разработка рекомендаций по методам расчета и применению газовых излучающих труб для обогрева производственных объектов.
Научная новизна работы:
- разработан метод определения и проведён теоретический расчет
энергетической освещённости горизонтальной площадки произвольной формы от
сложной излучающей поверхности (трубного излучателя с рефлектором);
разработана схема численного решения задач лучисто-конвективного теплообмена трубного излучателя в замкнутом объёме;
проведено численное исследование полей скоростей и температуры в замкнутом пространстве с трубным излучателем, определены доли конвективной и лучистой теплоотдачи в зависимости от его конструктивных параметров и
геометрических характеристик объёма, в котором он находится, как факторов, оказывающих наибольшее влияние на увеличение лучистого КПД излучателя;
экспериментально определены параметры конвективных струй над трубными излучателями как теплоисточниками сложной формы в неограниченном пространстве и закрытой области; получены зависимости распределения температуры на ограждениях помещения с лучистой системой отопления и выявлены зоны повышенной температуры; найдены зависимости доли конвективной теплоотдачи излучателя и температуры пола от расстояния между излучателем и перекрытием;
проведено экспериментальное определение параметров конвективных потоков в замкнутом объёме как оптических неоднородностей в поле интерферометра сдвига;
определены формы и установочные размеры дополнительных элементов (ритардеров и панелей) излучателей и разработаны новые технические решения конструкции трубных излучателей;
выполнено теоретическое и опытное определение величины снижения энергетических затрат при использовании излучателей.
Практическое значение работы:
определены поля температуры и скорости в замкнутом объеме с трубным излучателем, энтальпия уходящего из-под экрана воздуха; найдены зоны повышенных теплопотерь ограждений; зависимости распределения температуры на ограждениях от высоты установки и мощности излучателя;
разработана модернизированная конструкция излучающих труб с энергосберегающими элементами - панелями и ритардерами, обеспечивающими снижение энергетических затрат соответственно на 7,9 и 8,5%;
разработан способ исследования конвективных потоков от теплоисточников в замкнутом объёме при помощи интерферометра сдвига;
разработана и отлажена программа ДИС-3.0 для расшифровки интерферограмм сдвига;
найдены зависимости характеристик теплообмена в замкнутом объёме с излучателями от их установочных размеров и размеров обогреваемой зоны;
разработаны рекомендации по расчету и применению систем отопления производственных объектов с использованием газовых излучающих труб.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулироваїіньїх в диссертации, подтверждается тем, что они основаны на известных положениях естественных и технических наук, в т.ч. фундаментальных законах лучистого и конвективного теплообмена; подтверждаются сходимостью результатов численного эксперимента, теоретических и экспериментальных исследований; согласуются с известным
опытом создания систем отопления промышленных зданий с излучающими панелями и совершенствования радиационных труб. Автор защищает:
зависимости распределения температуры ограждений от высоты установки и мощности излучателя, закономерности изменения температуры и скорости потоков в замкнутом объеме, обогреваемом одним и несколькими трубными излучателями;
результаты определения доли конвективной теплоотдачи радиационных труб по данным численного расчёта;
результаты теоретического и экспериментального определения температуры и лучистого потока на ограждениях при работе излучающих труб;
рекомендации по совершенствованию конструкций излучающих труб и методов расчёта СЛО.
Реализация результатов работы:
Работа выполнялась в рамках ФЦНТП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002 - 2006гг. (гос. контракт с ФАНИ № 02.444.11.73 41).
Рекомендации по применению газовых излучающих труб для обогрева производственных объектов внедрены ООО «ТатГазСельКомплект» при монтаже системы отопления на предприятии ООО «Глас - Маркет» (г. Казань), техническая документация по реконструкции системы отопления кирпичного завода с модифицированными излучателями принята к внедрению администрацией МО «Параньгинский район» (Республика Марий Эл), предложение по использованию модифицированных излучателей с ритардером принято к внедрению на Приборостроительном заводе г. Бугульмы РТ с экономическим эффектом 48 тыс. руб. на 1000 м2. Проект зонного обогрева производственных площадок Казанского АБЗ на основе модифицированных газоиспользующих излучателей (комп. SYSTEMA, Италия, Падуя) принят к внедрению ОАО «Проектно - ремонтно-строительное объединение ТАТАВТОДОР» с экономическим эффектом 271 тыс. руб. на 1000 м2 (с учётом снижения затрат на сооружение ограждений), что составит в целом по ПРСО «ТАТАВТОДОР» 6240 тыс. руб. в год.
Методика расчёта используется при курсовом и дипломном проектировании, а также в лекционных курсах «Отопление», «Теплоснабжение», «Газоснабжение», «Основы систем ТГВ» для специальностей 290700, 290200.
Личное участие автора в получении результатов научных исследований, изложенных в диссертации:
- выполнен теоретический расчёт энергетической освещённости
горизонтальной площадки произвольной формы;
самостоятельно спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, представляющая модель трубного излучателя в замкнутом объёме и открытом пространстве, установленного в поле зрения интерферометра сдвига;
проведены численные и экспериментальные исследования лучисто-конвективного теплообмена в замкнутом объёме и открытом пространстве.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на ежегодных Республиканских научных конференциях Казанского государственного архитектурно-строительного университета (2003-2006гг.); Всероссийской научной конференции «Современные аспекты экологии и экологического образования», Казань, 2005 г.; Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды», Волгоград, 2006г.; Национальной конференции по теплоэнергетике РАН, Казань, 2006г.; V Школе-семинаре молодых учёных и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова по проблемам тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении, Казань, 2006г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 163 страницы, содержит 10 таблиц, 61 рисунок; список использованной литературы содержит 144 наименования.
