«Разработка моделей тепломассообмена и методов расчета тепловлажностного режима теплицы при лучистом отоплении» Павлов Михаил Васильевич

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Для круглогодичного выращивания сельскохозяйственной продукции в закрытом грунте обычно на практике используются промышленные теплицы. Рассматриваемые объекты агропромышленного комплекса (АПК), особенно расположенные в северной части нашей страны, должны быть обеспечены системами искусственного обогрева. В настоящее время, наряду с традиционными системами отопления (водяными, паровыми, воздушными), все большое внимание привлекают системы, работающие на базе инновационных технологий, которые не нуждаются во внешних источниках тепловой энергии (котельных или ТЭЦ), могут быть обеспечены системой автоматизированного контроля и управления, малогабаритны и энер-гоэффективны. В отличие от альтернативных способов обогрева теплиц, работающих на основе возобновляемых источников энергии (Солнца, геотермальных вод, биомассы и т. п.), системы лучистого отопления стабильны в теплоснабжении культивационных сооружений, так как их функционирование не зависит ни от географических условий, ни от переменных факторов окружающей среды.

Несмотря на неоспоримые преимущества системы лучистого отопления: искусственный источник инфракрасного излучения; концентрация тепловой энергии в нижней зоне помещения, где находятся почва и выращиваемые в ней растения; сокращение потребления энергоресурсов до 40 % в сравнении с традиционным (конвективным) обогревом; получение углекислого газа (CO₂ ) для

подкормки растений при работе газовых инфракрасных излучателей (ГИИ) и др., на данный момент времени не существует целостной методики ее расчета, которая бы рассматривала не только тепло-, но и массообменные процессы, происходящие в теплице, с учетом особенностей самого вида отопления.

Степень разработанности темы исследования. Теоретическими основами работы являются научные исследования советских, российских и зарубежных ученых (в алфавитном порядке): А. А. Андреевский, В. Н. Богословский, В. И. Бодров, Н. Н. Болотских, И. О. Волков, С. А. Голяк, В. Ф. Дроздов, Л. М. Дыскин, А. И. Еремкин, П. Н. Каменев, В. М. Каравайков, В. В. Климов, М. И. Курпан, А. М. Моисеенко, А. М. Пенджиев, В. К. Савин, В. М. Свистунов, А. Н. Сканави, Ю. А. Табунщиков, A. Kavga, P. Knies, I. Konstas, T. Panidis, M. Teitel и др., труды которых посвящены построению теории теплового и влажностного режимов зданий и сооружений, а также создания методик расчета систем отопления.

Цель диссертационного исследования заключается в разработке моделей тепломассообмена и методов расчета для проектирования системы лучистого отопления теплицы, предназначенной для поддержания требуемого теп-ловлажностного режима почвы при изменяющихся внешних факторах.

Задачи диссертационного исследования:

1. Провести анализ существующих методик расчета систем лучистого отопления зданий и сооружений, определить их достоинства и недостатки.

2. Разработать математические модели лучистого отопления теплицы, которые бы учитывали происходящие в ней основные тепло- и массообменные

процессы при стационарных и нестационарных условиях, а также саму специфику инфракрасного обогрева.

3. Разработать алгоритм решения системы взаимосвязанных уравнений тепломассопереноса, лежащей в основе стационарной математической модели лучистого отопления теплицы.

4. Выполнить верификацию математической модели лучистого отопления теплицы на экспериментальной установке «Инфракрасный нагрев почвы».

5. Исследовать с помощью математической модели влияние различных факторов на параметры лучистого отопления теплицы.

6. Разработать на основе полученной математической модели инженерную методику расчета системы лучистого отопления теплицы.

7. Оценить эффективность использования теплоты продуктов сгорания газообразного топлива, сброшенных непосредственно в помещение, при лучистом отоплении теплицы с газовыми инфракрасными излучателями (ГИИ).

8. Выполнить технико-экономическое сравнение лучистого отопления с применением газовых (ГИИ) и электрических (ЭИИ) инфракрасных излучателей, а также традиционного (конвективного) обогрева теплицы.

Объект исследования – система лучистого отопления промышленной теплицы с потолочными инфракрасными излучателями.

Предмет исследования – зависимости параметров работы системы лучистого отопления теплицы от ее конструктивных особенностей, теплопогло-щающих свойств и температуры почвенного покрова, факторов окружающей среды в условиях вентиляции помещения и орошения почвы.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Разработаны математические модели лучистого отопления теплицы, описывающие тепловлажностный режим почвы.

2. Получена система взаимосвязанных уравнений теплового и материального балансов теплицы, ее ограждения и почвы, лежащая в основе стационарной математической модели лучистого отопления теплицы.

3. Разработан алгоритм решения системы взаимосвязанных уравнений теплового и материального балансов теплицы, ее ограждения и почвы.

4. Получены выражения для расчета результирующих лучистых потоков для поверхностей почвы и ограждения теплицы в условиях работы точечного инфракрасного излучателя, учитывающие многократные отражения теплового излучения от этих поверхностей, а также самооблучения ограждения теплицы.

5. На основе проведенных экспериментальных исследований тепловлаж-ностного режима почвы при лучистом обогреве установлена адекватность разработанной нестационарной математической модели.

6. Получены закономерности, описывающие влияние различных факторов на параметры лучистого отопления теплицы.

Методологической основой диссертационного исследования служат теоретические положения по расчету систем отопления и вентиляции зданий и сооружений; теория тепломассообмена; теоретические основы теплотехники (термодинамики); теория математического моделирования; методы планирования экспериментальных исследований.

В качестве источников информации использованы действующие нормативные документы в исследуемой области (государственные стандарты и своды правил), стандарты организаций, научные публикации (статьи) и патенты на изобретения, а также учебные и справочные материалы.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.03 – Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирования воздуха, газоснабжение и освещение, а именно п. 3. «Создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований систем теплоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха, газоснабжения, освещения, защиты от шума».

Теоретическая значимость исследования заключается в разработке математических моделей лучистого отопления помещения, адаптированных для культивационных сооружений на примере теплиц.

Практическая значимость исследования заключается в следующем:

7. Разработана методика расчета системы лучистого отопления теплицы, обеспечивающей заданный тепловлажностный режим почвы.

8. Разработана инженерная методика расчета системы лучистого отопления теплицы, предназначенная для определения суммарной тепловой мощности инфракрасных излучателей и расчетного расхода воды на полив почвы.

9. Разработанные стационарная математическая модель и инженерная методика расчета, а также полученные закономерности могут быть в дальнейшем использованы при создании нормативной методики расчета системы лучистого отопления теплицы с потолочными инфракрасными излучателями.

10. Предложен способ повышения эффективности системы лучистого отопления теплицы с помощью газовых инфракрасных излучателей (ГИИ), основанный на использовании теплоты продуктов сгорания газообразного топлива, сброшенных непосредственно в помещение. Так, на примере промышленной теплицы «Фермер 7.5» компании ООО «Воля» (Красногорский район, Московская область) при расчетных условиях для города Вологды в случае реализации энергосберегающего мероприятия показаны увеличение температуры внутреннего воздуха на 4,3 ^о С, снижение требуемой мощности лучистого отопления на 13,9 % и сокращение необходимого расхода воды на полив почвы на 15,3 % в сравнении с электрическим инфракрасным обогревом (ЭИИ).

11. Установлена энергетическая и экономическая эффективность применения газовых инфракрасных излучателей (ГИИ) для лучистого отопления теплицы по отношению к электрическому инфракрасному (ЭИИ) и традиционному обогреву. При использовании ГИИ годовой расход тепловой энергии в сравнении с традиционным отоплением может быть сокращен на 28,9 %. При этом годовые денежные затраты на лучистое отопление с ГИИ оказались на 77,6 % меньше, чем при традиционном отоплении, и на 83,8 % – чем при работе ЭИИ.

Личный вклад автора. Постановка задачи (совместно с научным руководителем); разработка нестационарной математической модели лучистого отопления теплицы и ее экспериментальная верификация (участие в проведе-

нии эксперимента); программное решение верифицированной математической модели; анализ полученных расчетных и экспериментальных результатов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования представлены на III и IV Ежегодных смотрах-сессиях аспирантов и молодых ученых по отраслям наук (город Вологда, 18–19 ноября 2009 г., 15–16 декабря 2010 г.); на VIII и IX Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука – региону» (город Вологда, 26 февраля 2010 г., 25 февраля 2011 г.); на Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи – регионам» (город Вологда, 22–23 апреля 2010 г., 21–22 апреля 2011 г.); на IV, V и VIII Академических чтениях «Актуальные вопросы строительной физики: энергосбережение, надежность, экологическая безопасность», посвященных памяти академика Г. Л. Осипова (город Москва, 3–5 июля 2012 г., 2–4 июля 2013 г., 3–5 июля 2017 г.).

Положения, выносимые на защиту:

12. Нестационарная математическая модель лучистого отопления теплицы.

13. Стационарная математическая модель лучистого отопления теплицы, включающую в себя систему взаимосвязанных уравнений теплового и материального балансов теплицы, ее ограждения и почвы.

14. Результаты верификации математической модели лучистого отопления теплицы на экспериментальной установке «Инфракрасный нагрев почвы».

15. Закономерности влияния различных факторов окружающей среды, показателей теплицы и почвы на параметры лучистого отопления теплицы.

16. Инженерная методика расчета системы лучистого отопления теплицы.

17. Оценка энергетической эффективности способа лучистого отопления теплицы с применением газовых инфракрасных излучателей (ГИИ), основанного на использовании теплоты продуктов сгорания газообразного топлива.

18. Оценка технико-экономической эффективности лучистого отопления теплицы с использованием в качестве источников теплоты газовых инфракрасных излучателей (ГИИ) в сравнении с электрическим инфракрасным (ЭИИ) и традиционным (конвективным) обогревом.

Достоверность результатов диссертационного исследования подтверждается использованием фундаментальных положений по расчету систем отопления и вентиляции зданий и сооружений; применением современной системы автоматизированного проектирования (САПР); удовлетворительной сходимостью экспериментальных данных, полученных с помощью высокоточных измерительных приборов (средств измерения), и теоретических результатов, найденных путем решения разработанной математической модели.

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования представлены в 13 публикациях, в том числе в 7 статьях, опубликованных в реферируемых журналах из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами по каждой из них и заключения. Диссертация содержит 207 страниц машинописного текста, 13 таблиц, 38 рисунков, 93 формулы, 10 приложений и список литературы из 143 наименований.