Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории и практики использования газовых инфракрасных излучателей для формирования микроклимата производственных помещений 26
Глава 2. Экспериментальные исследования температурных полей поверхностей и температуры внутреннего воздуха в производственных помещениях при работе газовых инфракрасных излучателей 47
2.1. Исследования распределения температуры воздуха над поверхностью пола. помещения
2.3. Исследование здания
Глава 3. Экспериментальное определение распределения плотности потока излучения при работе газовых инфракрасных излучателей 114
Глава 4. Математическое моделирование сопряжённого теплопереноса в системе с радиационным источником нагрева 142
4.1 Теплоперенос в закрытой системе с радиационным источником нагрева 144
4.2 Теплоперенос в системе с одной открытой границей и радиационным источником нагрева 158
4.3 Анализ применения современных строительных материалов в для крупногабаритных производственных помещений 164
4.4 Распределение тепловой энергии между газом и ограждающими конструкциями 171
4.5 Сопряжённый теплоперенос при работе газовых инфракрасных излучателей, смещённых относительно верхней границы обогреваемой области 175
4.6 Влияние расположения ГИИ на тепловые режимы в крупногабаритных помещениях 184
4.7 Анализ влияния теплоотвода с поверхности ограждающей конструкции на тепловые режимы производственных помещений 194
Глава 5. Примеры разработки лучистых систем отопления для производственных объектов с использованием разработанного в диссертации подхода 200
7.1 Объекты базы Управления аварийно-восстановительного ремонта ООО «Пермтрансгаз», пос. Волковский, Удмуртия... .202
7.2 Объекты ОАО «Запсибгазпром», г. Тюмень 213
8. Рекомендации по использованию результатов, полученных при выполнении
9. Заключение..
10. Литература.
- Исследования распределения температуры воздуха над поверхностью пола. помещения
- Экспериментальное определение распределения плотности потока излучения при работе газовых инфракрасных излучателей
- Анализ применения современных строительных материалов в для крупногабаритных производственных помещений
- Объекты ОАО «Запсибгазпром», г. Тюмень
Введение к работе
Актуальность темы. Актуальность энергосбережения в России подтвердилась принятием в ноябре 2009 г. Федерального закона «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» и вслед за ним Государственной программы РФ «Энергосбережение и повышение энергоэффективности на период до 2020 года», утвержденной Распоряжением Правительства РФ от 27 декабря 2010 г. № 2446-р с изменениями и дополнениями от 18.08.11 и 16.02.13 г. г.
Необходимость энергосбережения усилилась в последние годы по разным причинам: расточительное расходование энергии и резкий рост тарифов на энергоресурсы, наметившийся подъем промышленного производства в России и др. Вступление России во Всемирную торговую организацию (ВТО) влечёт за собой выравнивание внутренних и внешних цен на энергоносители, а это по некоторым сведениям - повышение (до 8 раз) цен на природный газ и электроэнергию.
Одним из важнейших этапов реализации программы энергосбережения является научное обоснование решений задач формирования оптимального микроклимата в производственных помещениях.
Современные архитектурные и конструктивные решения элементов промышленных зданий из облегченных конструкций требуют использования новых энергоэффективных и энергосберегающих систем отопления. Из-за несовершенства систем отопления зданий, особенно производственных, имеет место значительный (в ряде случаев до 50%) перерасход топлива и неудовлетворительные условия теплового комфорта в помещениях. В современных рыночных условиях возрастает доля автономных источников теплоснабжения.
Развитие теплотехники создаёт реальные предпосылки использования новых технических устройств, систем и технологий. В настоящее время становится целесообразным установка энергоэффективных автономных систем лучистого отопления (как электрических, так и газовых) в общественных и промышленных зданиях.
Решение задач создания оптимальных условий микроклимата в рабочей зоне промышленного помещения и экономии топливно-энергетических ресурсов при использовании газовых инфракрасных излучателей (ГИИ) неразрывно связано с необходимостью изучения процесса сложного теплопереноса в областях с многослойными ограждающими конструкциями, кровлей и габаритным оборудованием.
В настоящее время недостаточно разработаны методы расчёта, связывающие результаты экспериментальных исследований и современную теорию теплопереноса. Необходима общая теория, опирающаяся на результаты анализа и обобщения результатов экспериментальных исследований основных закономерностей теплопереноса в условиях работы высокотемпературных ГИИ.
Создание научно-технических основ формирования микроклимата промышленных объектов с локальными лучистыми источниками нагрева, принимая во внимание широкую сферу возможных приложений, является актуальной научно-технической проблемой.
Степень проработанности темы исследования. Основным фактором при выборе темы диссертационного исследования послужили работы таких учёных и инженеров, как Б.С. Ициксон, А.К. Родин, Ю.А. Суринов, В.Н. Богословский, А.Н. Сканави, Ж. В. Мирзоян, О.Н. Брюханов, Д.Я. Вигдорчик, М.А. Маевский, А.М. Левин, М.Б. Равич., Л.Д. Богуславский, А. Миссенар, А. Мачкаши, Л. Банхиди и др., посвящённые конструктивным особенностям ГИИ и возможности их применения для отопления зданий. К числу наиболее общих и эффективных методов исследования и расчета радиационного теплообмена, разработанных в нашей стране, относятся обобщенные зональные методы. Классиками зональных методов расчета считают Ю. А. Суринова, А. С. Невского, В. Н. Адрианова и их последователей: Ю.А. Журавлева, В. Г. Лисиенко, С. П. Деткова, С. А. Крупенникова и В. В. Бухмирова. В строительной теплофизике многие задачи анализа тепловых режимов объектов теплоснабжения решаются с использованием простых балансных моделей в виде систем обыкновенных дифференциальных уравнений, не учитывающих возможную пространственную неоднородность температурных полей области нагрева. При этом мало внимания уделяется восходящим конвективным потокам, формирующим температурное поле в объёме помещения.
Для анализа теплового режима помещений при работе ГИИ необходимо разработать физические и математические модели, учитывающие основные механизмы теплопереноса и особенности формирования микроклимата при лучистом отоплении, согласующиеся с результатами экспериментов и натурных испытаний.
Методологические основы исследования.
Методологической основой исследования послужили работы учёных и
инженеров в области лучистого отопления. В работе использовались как
эмпирические, так и теоретические методы исследования. К эмпирическим
методам относятся: изучение литературы, документов и результатов
деятельности предшественников в области лучистого отопления
производственных зданий; наблюдение за работой лучистых систем отопления;
измерение параметров действующих систем; экспертная оценка параметров. В
результате выявилась необходимость нового подхода к процессу формирования
теплового режима помещений, обогреваемых высокотемпературными газовыми
инфракрасными излучателями. Была построена физическая модель
формирования теплового режима помещений, учитывающая конвективную
природу формирования температурного поля с учётом теплоотвода в
ограждающие конструкции. Модель обосновывалась проведёнными
экспериментами.
Теоретические методы исследования заключались в разработке
математической модели процесса формирования теплового режима помещений,
обогреваемых высокотемпературными ГИИ, с использованием
дифференциальных уравнений в частных производных в сопряжённой постановке и численной реализации поставленных задач.
Целью диссертационной работы является разработка научно-технических основ формирования микроклимата промышленных объектов с системами отопления на базе высокотемпературных газовых инфракрасных излучателей.
Достижение этой цели сопряжено с решением следующих задач:
-разработка методик экспериментальных исследований процессов теплопереноса в помещениях промышленных объектов с лучистыми системами отопления;
-экспериментальные исследования основных закономерностей
теплопереноса в условиях нагрева локальных объёмов газовыми
инфракрасными излучателями;
-разработка физических моделей процессов теплопереноса в помещениях промышленных объектов с лучистыми системами отопления;
-разработка нового подхода к формированию микроклимата
промышленных объектов с локальными лучистыми источниками нагрева;
-разработка математической модели сопряжённого конвективно-
кондуктивного теплообмена в области с источником радиационного нагрева в рамках модели свободной конвекции и теплопроводности для воздуха и теплопроводности для ограждающих конструкций;
-численное исследование основных закономерностей процессов
теплопереноса в помещениях с лучистыми системами отопления;
-разработка на основании анализа и обобщения результатов
экспериментальных и теоретических исследований научно-технических основ формирования микроклимата промышленных объектов с локальными лучистыми источниками нагрева;
-разработка по результатам экспериментальных и теоретических исследований методик выбора параметров лучистых систем отопления помещений промышленных объектов;
-разработка систем лучистого отопления помещений производственных объектов, обеспечивающих нормируемые параметры микроклимата;
-внедрение систем лучистого отопления в группе промышленных объектов Западной Сибири;
-разработка рекомендаций для проектных и производственных
организаций по расчёту и эксплуатации системы отопления на базе ГИИ и по устройству или реконструкции существующих конструкций кровель, оптимальному размещению ГИИ по высоте с учетом излучения в рабочую зону и зону между излучателями и покрытием, выбору конструкции и единичной мощности ГИИ.
Предмет и объект исследований. Объект исследований -
производственные помещения, в которых в качестве источников тепла используются газовые инфракрасные излучатели. Предмет исследований -
формирование микроклимата в помещении с лучистыми системами отопления с учётом конвективного теплообмена и теплоотвода в ограждающие конструкции.
Научная новизна. В работе впервые:
-разработаны методики экспериментальных исследований процессов теплопереноса в помещениях промышленных объектов с лучистыми системами отопления с использованием современной приборной базы;
-экспериментально изучено влияние работы газовых горелок
инфракрасного излучения на формирование температурных полей в зонах нагрева модельных объектов и в малой окрестности горелок инфракрасного излучения;
-разработана физическая модель процессов теплопереноса в помещениях промышленных объектов с лучистыми системами отопления с учётом теплоотдачи при свободной конвекции;
-разработан новый подход к формированию микроклимата
промышленных объектов с локальными лучистыми источниками нагрева, основанный на необходимости учёта конвективного теплообмена и теплоотвода в ограждающие конструкции и конструкции кровель производственных зданий;
-разработана математическая модель сопряжённого конвективно-кондуктивного теплообмена в области с источником радиационного нагрева в рамках свободной конвекции и кондукции для воздуха и теплопроводности для ограждающих конструкций;
-разработана методика численного решения сопряжённых задач теплопереноса в помещения с источником теплоты - газовой горелкой инфракрасного излучения, численно исследованы основные закономерности процессов теплопереноса в помещениях с лучистыми системами отопления;
разработан новый комплексный метод проведения теплотехнического тепловизионного измерения влияния ГИИ на теплозащитные свойства покрытий, экспериментально изучено влияние теплового потока от газовых горелок инфракрасного излучения на теплотехнические свойства покрытий производственных зданий;
-по результатам экспериментальных и теоретических исследований разработаны методики выбора параметров лучистых систем отопления помещений промышленных объектов;
-на основании анализа и обобщения результатов экспериментальных теоретических и исследований разработаны научно-технические основы формирования микроклимата промышленных объектов с локальными лучистыми источниками нагрева;
-разработаны и внедрены системы лучистого отопления на группе
промышленных объектов, обеспечивающие нормируемые параметры
микроклимата;
-разработаны рекомендации для проектных и производственных организаций по расчёту и эксплуатации системы отопления на базе ГИИ и по устройству или реконструкции кровель, оптимальному размещению ГИИ по
высоте с учетом излучения в рабочую зону и зону между излучателями и покрытием, выбору конструкции и единичной мощности ГИИ.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том,
что она является научно обоснованной системой знаний для проектирования
конкретных устройств систем радиационного отопления производственных
зданий и сооружений, применение которой обеспечивает снижение расхода
тепловой энергии для отопления в среднем на 30…40% и материальных
ресурсов на устройство систем отопления в среднем на 10…15% по сравнению
с наиболее современными системами конвективного отопления
производственных зданий. Впервые экспериментально обоснована
конвективная природа формирования теплового режима в объёме
обогреваемого помещения и необходимость учёта теплоотвода в ограждающие конструкции при расчёте систем лучистого отопления. Разработаны не имеющие аналогов математические модели формирования теплового режима помещения при лучистом отоплении. Численное моделирование позволило установить основные закономерности процесса формирования микроклимата промышленных объектов с локальными лучистыми источниками нагрева.
Основные положения диссертации используются автором при чтении курсов лекций "Инженерный эксперимент", «Проектирование и расчёт энергосберегающих систем теплогазоснабжения» для магистров направления 270800 «Строительство» по программе: «Системы теплогазоснабжения и вентиляции, энергоаудит».
Достоверность результатов подтверждается обоснованием принятых
допущений при проведении теоретических исследований анализом
погрешности результатов эксперимента; использованием современных методов проведения экспериментальных исследований на основе поверенного сертифицированного измерительного оборудования; сравнением результатов исследований, полученных теоретически и в экспериментах и с результатами других исследователей.
На защиту выносятся:
результаты экспериментальных исследований, обосновывающие новый подход к моделированию тепловых режимов помещений с системами отопления на базе ГИИ;
эмпирические зависимости, описывающие температурные поля в рабочей зоне помещения, обогреваемого газовыми инфракрасными излучателями;
экспериментальные зависимости, описывающие температурные поля в верхней части и на поверхностях помещения, обогреваемого ГИИ;
эмпирические зависимости, отражающих влияние лучистого отопления на теплозащитные свойства покрытий;
новый подход к формированию микроклимата производственных помещений, обогреваемых газовыми инфракрасными излучателями;
математическая модель, описывающая существенно нестационарные и неоднородные поля температур и тепловых потоков в области нагрева газовыми инфракрасными излучателями;
результаты численных исследований сопряжённого теплопереноса в области нагрева газовыми инфракрасными излучателями;
рекомендации по проектированию систем радиационного отопления.
Личный вклад автора. Диссертант разработал новый подход к формированию микроклимата промышленных объектов с локальными лучистыми источниками нагрева, основанный на необходимости учёта конвективного теплообмена и теплоотвода в ограждающие конструкции. При непосредственном участии автора экспериментально определены эмпирические зависимости, отражающих влияние лучистого отопления на температурный режим в рабочей зоне и на теплозащитные свойства покрытий.
Автор сформулировал новые физические представления о
рассматриваемых явлениях и процессах и разработал математические постановки всех решенных задач. Под руководством Куриленко Н.И. разработаны и внедрены системы лучистого отопления, обеспечивающие нормируемые параметры микроклимата, на группе промышленных объектов.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Отраженные в диссертации научные положения соответствуют области исследования (п. 3 «Создание и развитие эффективных методов расчёта и экспериментальных исследований систем теплоснабжения» и п. 5 «Тепловой режим здания различного назначения, тепломассобмен в ограждениях и разработка методов расчёта энергосбережения в зданиях») специальности 05.23.03 – Теплоснабжение. вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и по номенклатуре специальностей научных работников «Технические науки».
Апробация работы. Доклады по диссертации обсуждались на научных
семинарах кафедр промышленной теплоэнергетики и теплогазоснабжения,
вентиляции и кондиционирования Тюменского государственного
архитектурно-строительного университета, на научном семинаре кафедры тепло- газоснабжения Томского государственного архитектурно-строительного университета, а также на следующих конференциях:
Международная научно-практическая конференция, ОАО «Мега-Групп», г. Тюмень, 2004 г.; Международная практическая конференция «Реконструкция Санкт-Петербург – 2005», г. Санкт-Петербург, 2005 г.; Всероссийская научно-практическая конференция «Энергосберегающие технологии, оборудование и материалы при строительстве объектов в Западной Сибири», Тюменская государственная архитектурно-строительная академия, г. Тюмень, 2005 г.; Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири», Тюменский государственный архитектурно-строительный университет, г. Тюмень, 2008 г.; III Международная научно-техническая конференция «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции», Московский государственный строительный университет, г. Москва, 2009 г.; II Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» Национальный
исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, 06-08
октября 2011 г.; III Всероссийская научная конференция с международным
участием «Теплофизические основы энергетических технологий»
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г.
Томск, 06-08 октября 2012 г.; XIV Минский международный форум по тепло- и
массообмену, Институт тепло- и массообмена им. Лыкова, г. Минск, 10-13
сентября 2012 г.; международная научно-практическая конференция
«Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в
условиях Западной Сибири», Тюменский государственный архитектурно-
строительный университет, г. Тюмень, 15 апреля 2014 г.; 10-й Международный
научный симпозиум «Передовые технические системы и технологии» (ИТСТ-
2014), 12 – 20 сентября 2014 г., г. Севастополь, Крым, Россия; IV
Всероссийская научная конференция с международным участием
«Теплофизические основы энергетических технологий» Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, 15-17 октября 2014 г.; международная научная школа-семинар «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования». Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск, 22-23 апреля 2015 г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 38 печатных работах, из которых 11 статей в журналах, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций.
На технические решения по способу измерения интегрального коэффициента излучения поверхности теплозащитных материалов и источнику направленного инфракрасного излучения получены патенты, соответственно, № 2468360 и № 2497044.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Диссертация содержит: 237 страниц текста, 130 рисунков, 24 таблиц, список литературы из 134 наименований.
Исследования распределения температуры воздуха над поверхностью пола. помещения
Одним из наиболее перспективных по энергоэффективным и экономическим показателям является лучистый (радиационный) способ отопления производственных помещений, т. е передача тепловой энергии от её источника (генератора) к объекту за счет излучения [14 - 22].
Еще в XIX веке предпринимались попытки с помощью лучистой системы отопления уйти от недостатков традиционной конвективной: необходимость устройства в отапливаемых помещениях нагревательных приборов, занимающих часть полезной площади; трудность очистки поверхностей самих нагревательных приборов от пыли и накипи; неравномерность распределения температуры воздуха как по высоте, так и в поперечном направлении помещения и т. д.
В начале XX века стала интенсивно развиваться «Теория отопления лучеиспускающими поверхностями». Из работ, посвященных теоретическим обоснованиям расчётов систем лучистого отопления и опубликованным в иностранной технической периодике в те годы, наиболее значимы [23 - 26].
Известно, что любая система отопления должна создавать благоприятный для человека микроклимат - в первую очередь тепловую обстановку [14]. Дополнительно к этому необходимо соблюдение определенных санитарно-гигиенических требований в рабочей зоне [27]. В промышленных зданиях требуется поддерживать необходимый для человека и технологических процессов микроклимат. Конструкции наружных ограждений во многих случаях недостаточно препятствуют теплоотводу из отапливаемых помещений в условиях интенсивного охлаждающего воздействия внешней среды. Нормативные тепловые режимы обеспечиваются за счет работы систем отопления.
Исходной базой для развития радиационного отопления в России были результаты исследований К.Л. Боброва [28], С.А. Оцепа [29], В.Н. Богословского [14, 30], А.К. Родина [10, 11, 31], А.Е. Малышевой [32], Ф. Колмара и В. Лизе [33], А. Мачкаши [34], Л. Банхиди [20], Р. Брохерта [35], П. Фангера [21] и других исследователей. Усилия большинства из этих авторов были направлены на исследование панельно-лучистых (низкотемпературных) систем отопления.
Более широкому распространению лучистого отопления в недавнем прошлом препятствовало несколько факторов. Во-первых, данный способ отопления требовал больших капитальных вложений. Например, в одноэтажных промышленных зданиях удельные капитальные затраты на установку экранов лучистого отопления почти в 4 раза выше по сравнению отоплением воздушными агрегатами, и в два раза выше, чем при воздушном отоплении, совмещённом с вентиляцией [10].
Во-вторых, было принято считать, что в помещениях с повышенной необходимостью искусственной вентиляции (там, где работает персонал) нецелесообразно применять лучистое отопление. Причина - потери теплоты, за счет конвекции при скорости движения воздуха более 0.5 м/с нельзя компенсировать только лучистым отоплением. Для этого необходима подача горячего воздуха, что требует очень высоких капитальных затрат как на лучистое отопление, так и централизованную подачу горячего воздуха.
В-третьих, не были проработаны вопросы расчёта теплового режима персонала. В связи с этим предполагалось, что есть ограничения по скоростям движения горячего воздуха. Действующие нормативы расчёта теплоощущения персонала (например, диаграммы Кренко [36]) были завышенными, т. е. допускалась такая низкая температура нагревательных устройств, что часто последние не обеспечивали возможности восполнения теплопотерь.
Однако, в настоящее время вышеперечисленные проблемы, да и многие другие (менее значимые), стали не актуальны. Обоснована возможность экономии 30-40 % энергии и допустимость комбинации лучистого отопления с вентиляцией [37]. Удалось решить важные вопросы, связанные с расчётом тепловых режимов персонала. Несмотря на то, что есть ещё нерешённые задачи в этой сфере, достигнута возможность более точной оценки теплоощущений человека. Микроклимат помещения, в котором работает система отопления, в основном характеризуется следующими параметрами: температурой воздуха tB, радиационной температурой tR, скоростью движения DB И относительной влажностью воздуха фв [38].
Изучению санитарно-гигиенических аспектов радиационного теплообмена человека с окружающей средой посвящены работы А.Е. Малышевой [32], Н.К. Пономаревой [39] и др. Установлена возможность снижения температуры воздуха при лучистом отоплении без нарушения условия теплового комфорта. Такой температурный режим в рабочей зоне [14] и более равномерное распределение температуры по высоте помещения позволяет уменьшить (по сравнению с конвективной системой отопления) расход тепловой энергии на обогрев здания [40].
С.А. Оцепом [29] и Л.А. Тилиным [41] предпринята попытка определить сочетания tB и tR, соответствующие состоянию теплового комфорта человека, находящегося в покое, исходя из анализа уравнения теплового баланса тела человека. Однако расчеты не были подтверждены экспериментальными исследованиями, что привело, как показал В.Н. Богословский [30], к завышенным значениям температур в помещении по сравнению с температурами, реально соответствующими условиям теплового комфорта.
Е.А.Насоновым [42] предложено проводить оценку радиационного режима нагреваемого объема воздуха с помощью «изорад» (линий с равной плотностью потока теплового излучения) по степени неравномерности поля лучистой энергии. Неравномерность определяется по отклонениям максимального (и минимального) значения плотности потока лучистого тепла в данной точке от средневзвешенного по помещению. Оценка соблюдения условий теплового комфорта базировалась на экспериментальных данных физиолого-гигиенических испытаний Ф. Кренко [36], А. Миссенара [43], полученных применительно к условиям систем отопления социальных объектов.
Экспериментальное определение распределения плотности потока излучения при работе газовых инфракрасных излучателей
В ходе экспериментов зафиксировано систематическое превышение температуры воздуха в точке на расстоянии 1.0 м от проекции центра излучателя на поверхность пола относительно температуры в точке под центром излучателя.
Этот эффект обусловлен тем, что у горелок инфракрасного излучения с керамическими излучающими поверхностями интенсивность излучения в различных направлениях по полусфере от нормали к излучающей поверхности не одинакова [57]. На близких расстояниях от излучающей поверхности плотность излучения меньше, чем под углом 75 и 45. При приближении к краям плоскости горелки плотность излучения снижается. Этим объясняется некоторое увеличение температуры пола на отдельных участках.
Были проведены эксперименты в модельных зданиях при сопоставимых условиях с большим количеством датчиков температуры.
Во второй серии экспериментов отопление модельного помещения осуществлялось «светлыми» газовыми инфракрасными излучателями «ТехноШванк - 20», тепловой мощностью 15,4 кВт.
Измерение температуры поверхности пола проводились одновременно как в продольном, так и в поперечном направлении в двадцати одной точке (21 датчик: 11 - вдоль продольной оси и 10 - вдоль поперечной оси) при разной высоте подвески излучателей.
Высота подвески излучателей менялась от 3,0 м до 5,0 м. Измерения выполнялись в нестационарном и стационарном режимах. Шаг между датчиками - 10,0 см. Эксперименты выполнялись в помещении высотой 12,5 м. Пол был выполнен из монолитного железобетона, стены и перекрытие - из «сэндвич»-панелей. Относительная влажность воздуха составляла 48 %, скорость его движения - 0,1 м/с.
Измерения температуры воздуха и поверхности пола проводились одновременно как в продольном, так и в поперечном направлении относительно излучателя. Датчики температуры устанавливались в двадцати одной точке на расстоянии 10,0 см друг от друга.
На рисунке 2.9 показан общий вид помещения, в котором проводились эксперименты. Рисунок 2.9 - Модельное здание, в котором проводились эксперименты Схема расположения датчиков представлена на рисунке 2.10. На рисунках 2.11 - 2.12, 2.18 - 2.19, 2.25 - 2.26 показано изменение температуры во времени в контролируемых точках пола, на рисунках 2.13 - 2.14, 2.19 - 2.20, 2.26 - 2.27 - изменение распределения температуры пола по мере удаления от центра излучателя до выхода на стационар. Нижние зависимости на перечисленных рисунках отражают изменение температуры до выхода на стационар в рабочей зоне на расстоянии 1,5 м от пола.
Во-первых, температура воздуха на высоте 1,5 м от пола ниже на 2-3 градуса температуры в точке пола, соответствующей перпендикуляру к поверхности последнего, проходящему через датчики № 11 и № 12. Этот результат иллюстрирует механизм нагрева воздуха в помещении, обогреваемом за счёт работы ГИИ. Такое распределение температур по высоте соответствует механизму естественной конвекции, когда нагретый при взаимодействии с «горячей» поверхностью пола воздух поднимается вверх, охлаждаясь при этом.
Во-вторых, флуктуации показаний датчика № 12 иллюстрируют движение воздуха, скорость которого очевидно изменяется во времени. Соответствующим образом измеряется и температура на 0,5 -4,0 градуса. Аналогичных флуктуации показаний датчиков, установленных на поверхности пола, не зарегистрировано, что, очевидно, обусловлено большей тепловой инерционностью материала пола по сравнению с воздухом. Сравнение представленных на рисунках 2.11 и 2.12 распределений температур позволяет сделать два важных вывода по механизму теплопереноса в рассматриваемых условиях работы ГИИ.
Первый - температуры поверхности пола на одинаковых расстояниях от центра симметрии на эту поверхность в направлениях X и Y практически не отличаются. Но при этом температуры воздуха в местах расположения датчиков № 12 и № 23 (рисунок 2.10) в идентичные моменты времени отличаются почти на 3.0 градуса. Последнее иллюстрирует, во-первых, пространственное распределение температуры в достаточно типичном модельном помещении при работе системы лучистого отопления. Очевидно, что неоднородность температурных полей такого масштаба (2-3 градуса) нельзя игнорировать при анализе микроклимата производственных помещений. Этот фактор, безусловно, является значимым. Кроме того, такие отклонения температур иллюстрируют и протекание достаточно интенсивного процесса естественной конвекции воздуха в области, нагреваемой излучателем.
Распределения температуры на рисунке 2.13 показывают нестапионарность процесса формирования температурного поля нагревающей помещение поверхности в рассматриваемых условиях в интервале изменения времени от начала работы до 80-й минуты
Кроме того, хорошо видна неоднородность температурного поля по направлению X, которую при анализе микроклимата также нельзя не учитывать. Отклонения в 2 градуса являются значимыми при любых методиках расчёта параметров микроклимата производственных помещений. Характер распределений t(x), установленных по результатам экспериментов, достаточно наглядно отражает специфику распределения плотности потока излучения при работе ГИИ. Неоднородность температур по координатному направлению X является также фактором интенсификации процессов естественной конвекции воздуха в пристенной области.
Также следует отметить, что неоднородность температурного поля с ростом времени проявляется всё более и более отчётливо, что иллюстрирует нестационарность исследуемого процесса теплопереноса в условиях работы ГИИ.
Анализ применения современных строительных материалов в для крупногабаритных производственных помещений
Можно отметить, что флуктуации температур воздуха, регистрируемые датчиком № 23, много меньше аналогичных флуктуации показаний датчика № 12 (следует из сравнения рисунков 2.11 и 2.12). Такое отличие кривых t(x) в точках, расположенных на достаточно небольшом удалении одной от другой, иллюстрирует влияние восходящих потоков нагретого воздуха. Можно сделать вывод о целесообразности учёта при моделировании процессов теплопереноса в рассматриваемых условиях термогравитационной конвекции. Отклонения температуры воздуха на 4 градуса являются безусловно значимыми при анализе микроклимата в рабочей зоне. Кроме того, учёт возможного роста температур воздуха на 3 - 5 градусов создаёт предпосылки для снижения затрат энергии как на работу непосредственно ГИИ, так и системы вентиляции производственных помещений.
Можно сделать вывод, что результаты выполненных крупномасштабных экспериментальных исследований дают основания для реализации комплекса мероприятий по энергосбережению при проектировании систем лучистого отопления производственных помещений. Как будет показано в дальнейшем, системы отопления на основе ГИИ имеют большой потенциал энергосбережения.
Распределения температуры поверхности пола как по направлению X, так и по направлению Y, также иллюстрирует влияние термогравитационной конвекции на температурные поля в рассматриваемой системе. Хорошо видны локальные максимумы температуры (например, в соответствии с рисунком 2.13) вблизи границ проекции ГИИ на плоскость пола. Распределения t(x) показывают, что интенсивность нагрева в разных точках поверхности пола непосредственно под излучателем разная. При этом с ростом времени характер распределения сохраняется, что свидетельствует об устойчивости регистрируемых распределений t(x). В то же время, с ростом t происходит выравнивание температур, что наглядно иллюстрирует нестационарность процесса теплопереноса в рассматриваемой системе, обусловленную, очевидно, отводом энергии в бетон и её аккумуляцией. С ростом времени происходит прогрев прилегающего к поверхности полового покрытия тонкого слоя бетона по всем трём координатным направлениям. Соответственно, с изменением т происходит выравнивание температуры по поверхности пола.
Основная роль в получении значений температур поверхности ограждающих конструкций уделялась термоэлектрическим преобразователям «ТХК». Однако в ряде случаев использовался тепловизор Testo 880-3. Это было обусловлено большим объемом проводимых экспериментальных исследований.
Следует отметить, что проведение тепловизионных измерений на объектах с лучистой системой отопления крайне затруднительно, так как тепловизоры фиксируют температуру, которая формируется под действием высокотемпературных излучателей. В этих условиях тепловизионный метод не гарантирует высокой точности. Результаты теплового дистанционного бесконтактного измерения температуры поверхности недостаточно точно отражают действительные температуры поверхности [84].
В свою очередь, использование термоэлектрических преобразователей при измерениях в условиях работы ГИИ также затруднительно, так как датчики обладают своей индивидуальной излучательной способностью, что сказывается в конечном итоге на их показаниях.
Для устранения возможных расхождений измеренных величин от истинных, был использован метод, при котором проводилась взаимная калибровка контактных и бесконтактных измерительных устройств, а также исследовалось влияние отдельных факторов на общий характер теплообмена в здании.
Измерения выполнялись в центре симметрии объекта между излучателями на одинаковом расстоянии один от другого и непосредственно под излучателями. Последние подвешивались к фермам перекрытия параллельно полу и наклонно к стенам на различных высотах. Измерения проводились через заданные интервалы времени в зимний период времени при температурах наружного воздуха от -5 до -42 С включительно.
Установочная мощность радиационной системы отопления в проведённых экспериментах составляла 300,0 кВт. Доля тепловой энергии, отдаваемой излучением, была близка к 57 % от общей выделяемой теплоты. Установлено, что в непосредственной близости от излучателей температура воздуха за счет теплопередачи от рефлекторов и уходящих газов достигает высоких значений (до 350 С). В результате проведенных экспериментов получены распределения температур (в таблице 2.2 приведены типичные).
Первичная статистическая обработка результатов экспериментов показала, что выборочное среднее (таблица 2.2) равно t= 19,05 С при несмещённой оценке среднеквадратичного отклонения S=2,01. Можно сделать вывод, что 95% экспериментальных значений температур находятся в интервале (15,03; 23,07).
Объекты ОАО «Запсибгазпром», г. Тюмень
Как показывают проведенные экспериментальные исследования, учет влияния процессов естественной конвекции на формирование микроклимата рабочей зоны возможен опытным путем, но при достаточно больших затратах времени и средств на испытания систем лучистого отопления. Поэтому целесообразна разработка математической модели рассматриваемого процесса сопряженного (во многих реально значимых вариантах, например, при расположении рабочих зон вблизи ограждающих конструкций) теплообмена с учетом всего комплекса значимых процессов теплопереноса в условиях работы систем лучистого отопления (излучения, теплопроводности и конвекции), а также методов решения соответствующих задач теплопереноса.
Также на основании анализа и обобщения выполненных экспериментальных исследований можно сформулировать новый подход к разработке систем лучистого отопления, обеспечивающих регламентный микроклимат промышленных объектов.
Основные отличия сформулированного подхода от принятых при анализе микроклимата в помещениях с системами «конвективного» отопления заключаются в следующих новых положениях: 1. Доминирующими являются процессы термогравитационной конвекции при движении нагретого воздуха, который рассматривался как диатермичная для инфракрасного излучения среда (предполагалось, что воздух не содержит частиц пыли и капель воды). 2. Движение воздуха является следствием нагрева излучением приповерхностного слоя пола помещения. 3. Теплоотвод в ограждающие конструкции и аккумуляция теплоты в них влечет за собой изменения температуры газовой среды и параметров теплопереноса (местных коэффициентов теплоотдачи) в рабочей зоне помещения.
Возможны два варианта практической реализации этого нового подхода. Первый - на основании полученных в результате специальных экспериментов температурных полей. Выбор основного параметра микроклимата - температуры в такой постановке проводился исходя не из анализа баланса теплоты во всем помещении в предположении, что вся энергия излучения расходуется на нагрев воздуха, и поиске эмпирического коэффициента, обеспечивающего корреляционную связь между потоком лучистой энергии и температурой воздуха. Выбор температуры поверхности объект теплоснабжения (Гп) проводился по результатам итерационной процедуры ее вычисления при использовании уравнения теплового баланса на поверхности этого объекта, в качестве математической модели процесса.
Тепловой баланс на поверхности объекта нагрева в этом случае в соответствии с основными положениями [14] можно представить в виде: где q - плотность теплового потока, «падающего» на работающего, Вт/м2, Тп - температура поверхности одежды и головного убора работающего, К, Тв-температура воздуха в рабочей зоне, К, пр - приведённая степень черноты поверхности одежды работающего, а - постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м2трад), а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2трад).
При постановке задачи основным допущением являлась гипотеза об отсутствии стока тепла через поверхность раздела «воздух - объект» во внутренний объем последнего. Это допущение вполне обосновано в связи с тем, что температуры воздуха, соответствующие регламентному микроклимату, много меньше (на 10-15С) реальных температур объекта.
При этом исходными данными для расчета были тепловой поток от излучателей в рабочей зоне (определяется экспериментально для типичных условий работы систем лучистого отопления) и температура воздуха в этой зоне, также определяемая экспериментально для определенного типа инфракрасных излучателей. Решение уравнения (1) может быть проведено методом Ньютона или простых итераций.
Если полученные в результате расчетов значения Тп не соответствуют нормативным требованиям, то проводится расчет при больших (или меньших) значениях q. Для реализации такого рода итерационного цикла расчетов необходимо по результатам предварительно проведенных экспериментов получение аппроксимационной связи TB=f(q) с использованием математического аппарата обработки результатов экспериментальных исследований, приведенного в главах 2 и 3.
Возможна организация итерационного цикла с любой заранее заданной надежностью результатов вычисления температуры поверхности объекта. В результате может быть достигнут эффект реального значимого энергосбережения для любого варианта конструкции промышленного объекта.
На рисунке 4 приводится пример распределения температуры поверхности одежды при различной плотности теплового потока для различных температур внутреннего воздуха.
По результатам численного анализа большой группы вариантов мощности используемых излучателей и условий их работы показана возможность достоверной оценки численных значении основной характеристики микроклимата - температуры поверхности объекта.
Представляет интерес разработка математической модели процесса теплопереноса в рассматриваемых условиях и методов решения соответствующих задач. В этом случае объем необходимых для выбора мощности излучателей (и схемы их расположения) экспериментов может быть существенно сокращен (возможно до минимума при хорошем соответствии экспериментальных и полученных в результате математического моделирования значений температуры воздуха). В главе 4 приведены результаты исследований по созданию такой математической модели.
Выводы. На формирование температурных полей и, соответственно, микроклимата производственных помещений с системами лучистого отопления существенное влияние оказывает конвективный механизм теплопереноса.
На основании анализа и обобщения выполненных экспериментальных исследований сформулирован новый подход к разработке систем лучистого отопления, обеспечивающих регламентный микроклимат промышленных объектов, заключающийся в учёте термогравитационной конвекции при движении нагретого воздуха и теплоотвода в ограждающие конструкции и аккумуляция теплоты в них. Движение воздуха является следствием нагрева излучением приповерхностного слоя пола помещения. Представляет интерес разработка математической модели процесса теплопереноса в рассматриваемых условиях и методов решения соответствующих задач.