Метод розрахунку і раціональні параметри інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

УДК 697.245

Спеціальність 05.23.03 - Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

МЕТОД РОЗРАХУНКУ І РАЦІОНАЛЬНІ ПАРАМЕТРИ ІНФРАЧЕРВОНИХ ТРУБЧАСТИХ ГАЗОВИХ ОБІГРІВАЧІВ

Солод

Леонтіна Валеріївна

Харків

2011



ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана в ДВНЗ "Придніпровська державна академія будівництва та архітектури" Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

ІРОДОВ В'ЯЧЕСЛАВ ФЕДОРОВИЧ,

ДВНЗ "Придніпровська державна академія будівництва та архітектури"

завідувач кафедри теплотехніки та газопостачання.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

СТРОЙ АНАТОЛІЙ ФЕДОРОВИЧ,

Полтавський національний технічний університет

ім. Ю. Кондратюка,

завідувач кафедри теплогазопостачання і вентиляції;

кандидат технічних наук, доцент

КНИШ ЛЮДМИЛА ІВАНІВНА,

Дніпропетровський національний університет

ім. О. Гончара,

доцент кафедри аерогідромеханіки та енергомасопереносу.

Захист відбудеться "22" червня 2011 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.03 у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий травня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., доцент

О.В. Гвоздецький



ВСТУП

Актуальність роботи. Для нинішнього етапу розвитку теплопостачання актуальним напрямком є розумна децентралізація систем. Це досягається як за рахунок використання традиційних джерел теплопостачання меншої потужності, так і за рахунок застосування відносно нових джерел. До числа останніх варто віднести інфрачервоні трубчасті газові обігрівачі, які одночасно є джерелами теплопостачання та опалювальними приладами. Ефективність застосування цих обігрівачів обумовлена двома основними факторами. По-перше, наявністю помітної променистої складової в тепловому потоці, який генерується обігрівачами, що дозволяє підтримувати більш низьку температуру внутрішнього повітря при дотриманні комфортних умов в опалювальних приміщеннях. По-друге, наявністю повітря із продуктами згоряння газу як теплоносія, що дозволяє динамічно регулювати теплове навантаження при переході від робочого часу до неробочого часу й навпаки.

Актуальність досліджень обумовлена великими можливостями застосування інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів як енергозберігаючого й досить дешевого устаткування для промислових і сільськогосподарських підприємств України. У той же час, відсутність надійних методів розрахунку інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів, і методів визначення їх раціональних параметрів ускладнює роботу з конструювання таких обігрівачів і будівельного проектування систем повітряно-променистого опалення з ними.

Таким чином, удосконалення методів розрахунку і визначення раціональних параметрів інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів є досить актуальною й практично значимою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до Комплексної програми "Енергетична стратегія України до 2030 року", затвердженою Кабінетом Міністрів України от 01.03.2006 р. № 145-р, розділ "Пріоритетні напрямки й обсяги енергозбереження, потенціал розвитку нетрадиційних і відновлювальних джерел енергії до 2030 року", а також за планом кафедри теплотехніки та газопостачання ДВНЗ "Придніпровська державна академія будівництва та архітектури", держбюджетної науково-дослідної роботи "Методи та засоби підвищення ефективності і надійності теплогазопостачання" (№ держреєстрації 011U002632).

Мета і задачі роботи. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності роботи інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів шляхом удосконалення методів їхнього розрахунку і визначення раціональних параметрів їх роботи.

Для досягнення поставленої мети ставилися наступні задачі:

1. Проаналізувати особливості інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів і раніше виконані дослідження з їхнього розрахунку.

2. Розробити математичну модель інфрачервоного трубчастого газового обігрівача як математичну модель гідравлічного ланцюга з розподіленими й регульованими параметрами.

3. На основі розробленої математичної моделі сформулювати задачі розрахунку:

- тепловий і гідравлічний розрахунок інфрачервоного трубчастого газового обігрівача;

- розрахунок температурних подовжень трубчастої поверхні інфрачервоного трубчастого газового обігрівача;

4. Сформулювати задачу визначення раціональних параметрів інфрачервоного трубчастого газового обігрівача.

5. Розробити методи рішення задач розрахунку і визначення раціональних параметрів інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів.

6. Виконати експериментальні дослідження інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів і перевірити достовірність розроблених математичних моделей і методу розрахунку.

7. Забезпечити практичне використання результатів дисертації в практиці будівельного проектування й конструювання інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів.

Об'єкт дослідження - інфрачервоний трубчастий газовий обігрівач як газовий опалювальний прилад систем повітряно-променистого опалення.

Предмет дослідження - теплові і гідравлічні режими роботи інфрачервоного трубчастого газового обігрівача як гідравлічного ланцюга з розподіленими й регульованими параметрами.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження ґрунтуються на дедуктивному підході із залученням загальних законів збереження маси, руху й енергії. Сформульовані задачі розрахунку і визначення раціональних параметрів вирішуються методами еволюційного пошуку найбільш переважних рішень, для яких доведена відповідна збіжність ітераційного процесу.

Експериментальні дослідження виконувалися на реальних об'єктах - інфрачервоних трубчастих газових обігрівачах, установлених на діючих системах опалення й на стендах при їхніх випробуваннях.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше побудована математична модель інфрачервоного трубчастого газового обігрівача як гідравлічного ланцюга з розподіленими й регульованими параметрами;

- сформульовано нові задачі розрахунку і визначення раціональних параметрів інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів, включаючи тепловий і гідравлічний розрахунок обігрівача, розрахунок температурних подовжень трубчастої поверхні обігрівача;

- отримані методи чисельного рішення задач розрахунку і визначення раціональних параметрів інфрачервоного трубчастого газового обігрівача на основі еволюційного пошуку найбільш переважних рішень;

- експериментально доведена достовірність розробленої математичної моделі інфрачервоного трубчастого газового обігрівача як гідравлічного ланцюга та методу його розрахунку.

Практичне значення отриманих результатів:

Розроблено математичну модель інфрачервоного трубчастого газового обігрівача, що може бути використана для подальших наукових досліджень систем повітряно-променистого опалення;

Розроблені алгоритми і програми теплового й гідравлічного розрахунку інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів, розрахунку температурних подовжень трубчастої поверхні обігрівача, які можна застосовувати при будівельному проектуванні систем повітряно-променистого опалення й при конструюванні інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів для прогнозування параметрів їхньої роботи;

Розроблені методи випробувань інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів, які ввійшли в стандарт ТУ У 29.2-13440098-001-2002 і використовуються при проведенні державних приймальних і періодичних випробувань продукції, що випускає КНВП "Енергокомплекс", м. Дніпропетровськ;

Розроблені методи і програми розрахунку впровадженні при проектуванні й будівництві систем повітряно-променистого опалення, виконаних ТОВ "Неон", м. Дніпропетровськ і іншими підприємствами.

Особистий внесок дисертанта. Всі основні результати досліджень і висновки отримані автором самостійно. У роботах, які опубліковані в співавторстві, автором особисто виконане наступне:

- розроблена математична модель інфрачервоного трубчастого газового обігрівача як модель гідравлічного ланцюга з розподіленими й регульованими параметрами;

- сформульовані задачі розрахунку теплового і гідравлічного режиму роботи обігрівача та розрахунку температурних подовжень трубчастої частини обігрівача;

- розроблені методи розрахунку і визначення раціональних параметрів інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів;

- проведені експериментальні дослідження, що підтверджують достовірність розробленої математичної моделі й методу розрахунку інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів.

Апробація результатів роботи. Основні наукові результати дисертаційної роботи доповідалися на науково-технічних конференціях викладачів і співробітників ДВНЗ "Придніпровська державна академія будівництва та архітектури", (2003-2005 р.р.), Міжнародному науково-практичному семінарі "Теорія й практика виробництва й застосування ячеістого бетону в будівництві" (м. Дніпропетровськ, 2003 р.), Міжнародній науковій конференції "Проблеми сучасного матеріалознавства. Стародубовські читання - 2003" (м. Дніпропетровськ, 2003 р.), Науковому семінарі кафедри "Аерогідромеханіки" Дніпропетровського національного університету ім. О. Гончара (2005 р.), ІІ Міжнародній науково-практичній конференції "Безпека життєдіяльності в XXІ столітті" (м. Дніпропетровськ, 2010 р.), VІІІ Міжнародній науково-практичній конференції "Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем" (м. Дніпропетровськ, 2010 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 8 друкованих робіт у різних виданнях України, в тому числі 7 у спеціалізованих виданнях, регламентованих ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 187 найменувань, 2 додатків і вміщує 37 рисунків та 13 таблиць по тексту, усього 108 сторінок. Робота викладена на 108 сторінках машинописного тексту, включаючи малюнки (37) і таблиці (13), містить 2 додатка загальним обсягом 7 сторінок.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі, визначені об'єкт і предмет досліджень, наукова новизна й практичне значення роботи, позначені методи досліджень.

Перший розділ присвячений аналізу літературних джерел про об'єкт і предмет досліджень, а також науковій і методичній основі для виконання дійсного дослідження.

Розробкою методів розрахунку систем газового променистого опалення в цілому займалися багато авторів: А. Мачкаши, А. Банхіді, Богословський В.М., Оцеп С.А., Родін А. К., Сканаві А.М., П. Фангер, Іванов В.В., Мирзоян Ж.В., Худенко А.А., Іссерлін А. С., Левін О.М., Строй А. Ф., Редько О.Ф., Авдєєва С.М., Випанасенко С.І., Северинець Г.М., Семернін А.М., Іциксон Б.С., Припотень Ю. К., Болотських М.М., Михайлова Л.Ю., Шиванов В.В., Gіalanella J., Holzbecher K., Dolega U. та ін. Відомі дослідження присвячені питанням забезпечення теплового режиму в приміщеннях з газовим променистим опаленням, розрахункам потужності системи газового променистого опалення, питанням розміщення обігрівачів.

Однак, очевидна недостатність надійних методів розрахунку інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів (ІТГО), як опалювальних приладів і визначення раціональних параметрів їх роботи, внаслідок чого застосування ІТГО не завжди досить ефективно. Показана актуальність і необхідність розробки таких методів.

Поряд з роботами з розрахунку систем газового променистого опалення, науковою основою досліджень стали також праці по теплогазопостачанню промислових об'єктів, теплообмінному устаткуванню й опалювальним системам таких учених як, Іонін О.О., Розкін М.Я., Губар В.Ф., Долінський А.А., Корбут В.П., Росковшенко Ю.К., Слесаренко А.П., Маляренко В.А., Кошельник В.М., Лук'янов О.В., Петраш В.Д., Соколов В.І., Малкін Е.С., Шишко Г.Г., Стоянов Ф.А., Тарадай О.М., Капцов І.І., Зайцев О.М., Шелудченко В.І. та ін., а також роботи з математичного моделювання, розрахунку гідромеханічних процесів, процесів спалювання і променистого теплообміну Вуліса Л.А., Абрамовича Г.Н., Єршина Ш.А., Карпа І.М., Яріна Л.П., Сігала І.Я., Цвєткова С.В., Хруща В.Ю., Рядно О.А., Давидсона В.Є., Кочубея О.О., Книш Л.І., Міхєєва М.О., Філімонова С.С., Хрустальова Б.А.

Вихідні положення даного дослідження це загальні закони збереження маси, руху, тепло- і масообміну, основні закони теплового випромінювання. Для рішення поставлених у даній роботі задач зачіпаються деякі аспекти теплової теорії горіння, основи аеродинамічної теорії газового смолоскипа. Як науково-методична база для моделювання ІТГО в роботі використовуються методи моделювання та розрахунку трубопровідних і гідравлічних систем, слідуючи працям Пухова Г.Є., Меренкова А.П., Хасильова В.Я., Кулика М.М., Кондращенко В.Я., Новицького М.М., Сенновой О.В., Тевяшева А.Д., Євдокімова А.Г., Михайленко В.М і ін. Задачі розрахунку і визначення раціональних параметрів ІТГО вирішуються методами еволюційного пошуку найбільш переважних рішень, заснованими на роботах Івахненко О.Г., Растригіна Л.А., Букатовой І.Л. та ін.

У другому розділі представлена розробка математичної моделі інфрачервоного трубчастого газового обігрівача як гідравлічного ланцюга з розподіленими й регульованими параметрами.

При побудові математичної моделі прийняті наступні допущення.

1. Областю дослідження є: по довжині - область від зрізу газового сопла до виходу з витяжного вентилятора; у поперечному напрямку - область газоповітряної суміші усередині випромінюючої труби й оточуючий трубу простір приміщення, що обігрівається.

2. Плин і температурний режим розглядаються як стаціонарні й одномірні.

Досліджуються такі гідравлічні й теплові параметри: швидкість газу й повітря на зрізі газового сопла; швидкість руху й тиск газоповітряного середовища усередині випромінюючої труби; тиск на зрізі газового сопла й на вході витяжного вентилятора; діючий напір вентилятора; щільність і температура газоповітряної суміші, що рухається усередині випромінюючої труби; щільності горючого газу й повітря при нормальних умовах; температури газу й повітря на вході в ІТГО; нижча теплота згоряння горючого газу; внутрішня температура опалювального приміщення.

В об'єкті моделювання виділені наступні характерні області:

- область горіння горючого газу в спутному потоці повітря на початковій ділянці випромінюючої труби;

- область руху й теплообміну однорідної газоповітряної суміші усередині випромінюючої труби, починаючи від перетину повного згоряння газу до витяжного вентилятора;

- область витяжного вентилятора;

- область переміщення приточного повітря усередині газопальникового блоку, починаючи від входу в цей блок до зрізу газового сопла.

Математичне моделювання гідравлічних і теплових режимів випромінюючої труби ІТГО.

Рівняння збереження маси:

(1)

де - щільність газоповітряної суміші, кг/м³; w - середня лінійна швидкість руху газоповітряної суміші по випромінюючій трубі, м/с; F - площа поперечного переріза труби, м².

Рівняння стану газоповітряної суміші у вигляді рівняння стану ідеального газу:

(2)

де р, Т - абсолютні тиск та температура газоповітряної суміші в даному перетині випромінюючої труби, Па, К; R - газова постійна, залежна від складу газоповітряної суміші після повного згоряння горючого газу, Дж/кг К.

Рівняння руху газоповітряної суміші усередині випромінюючої труби:

(3)

де dp - перепад тиску при плині газоповітряної суміші у випромінюючій трубі на ділянці довжиною dx; - коефіцієнт тертя; D - внутрішній діаметр труби, м.

Рівняння теплового балансу для елементарної ділянки випромінюючої труби довжиною dx у даному перетині.

- тепловий потік від газоповітряної суміші до стінки випромінюючої труби, переданий конвекцією, Вт:

(4)

де

- коефіцієнт тепловіддачі від потоку газоповітряної суміші до стінки труби, Вт/м² К;

- температура внутрішньої поверхні стінки труби в даному перетині.

- тепловий потік від внутрішньої поверхні стінки випромінюючої труби до зовнішньої поверхні, переданий теплопровідністю, Вт:

(5)

де , , - відповідно коефіцієнт теплопровідності матеріалу, Вт/м К; товщина, м та температура зовнішньої поверхні стінки випромінюючої труби, К.

- тепловий потік випромінюванням від поверхні випромінюючої труби в навколишнє середовище опалювального приміщення, Вт:

(6)

де - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, Вт/м² К⁴; - ступінь чорноти матеріалу зовнішньої поверхні випромінюючої труби; - абсолютна температура навколишнього середовища в опалювальному приміщенні, К.

- тепловий потік від зовнішньої стінки випромінюючої труби в навколишній простір опалювального приміщення, переданий конвекцією, Вт:

(7)

Зміна теплової енергії потоку газоповітряної суміші, що рухається:

(8)

де - теплоємність при постійному тиску газоповітряної суміші, Дж/кг К.

Для стаціонарного теплового режиму маємо:

(9)

(10)

Система рівнянь (1) - (10) представляє математичну модель випромінюючої труби ІТГО, починаючи від перетину повного згоряння горючого газу до витяжного вентилятора. Початковими умовами для даної системи будуть значення основних параметрів у перетині повного згоряння горючого газу, тобто значення w, p, , T, , .

Математичне моделювання гідравлічних і теплових режимів випромінюючої труби ІТГО на початковій ділянці

Математична модель випромінюючої труби на початковій ділянці являє собою сукупність рівнянь (1) - (10) з однією зміною - у рівняння збереження енергії (8) додається тепловий потік , так що, рівняння прийме вид:

при (8^*)

Де - тепловий потік, що надходить у газоповітряну суміш при згорянні горючого газу, Вт:

, (11)

де - площа поверхні смолоскипа, м²; - радіус фронту горіння, м; - довжина зони горіння газу, які можуть бути визначені за допомогою емпіричних рівнянь.

Математичне моделювання гідравлічного режиму роботи витяжного вентилятора. Найважливішою характеристикою роботи вентилятора є його напірно-видаткова характеристика, яку можна представити у вигляді залежності:

(12)

де - активний напір вентилятора, Па; - витрата газоповітряної суміші через вентилятор; - відома функція для обраної пари "вентилятор-електродвигун".

Математичне моделювання ІТГО як єдиного цілого у вигляді математичної моделі гідравлічного ланцюга з регульованими параметрами

Математична модель ІТГО являє собою сукупність математичних моделей: початкової ділянки випромінюючої труби, починаючи від зрізу газового сопла до перетину кінця смолоскипа горіння; основної ділянки випромінюючої труби, починаючи від перетину кінця смолоскипа горіння до витяжного вентилятора; витяжного вентилятора в парі з обраним електродвигуном.

Таким чином, математична модель ІТГО як єдиного цілого - сукупність рівнянь:

(1)-(8^* )-(10)-(11) при ;

(1)-(10) при ;

(12) при , - загальна довжина трубчастої частини ІТГО.

Перераховані рівняння математичної моделі доповнюються природною умовою для сумарних втрат тиску в ІТГО (рівнянням другого закону Кирхгофа для ІТГО як гідравлічного ланцюга):

(13)

де під інтегралом - втрати тиску на тертя по шляху руху газоповітряної суміші в ІТГО, _i - сума втрат тиску в місцевих опорах по шляху руху газоповітряної суміші, включаючи втрату тиску повітря в газопальниковому блоці від входу повітря до зрізу газового сопла, - напір витяжного вентилятора ІТГО.

У третьому розділі на підставі розробленої математичної моделі ІТГО сформульовані задачі розрахунку теплового й гідравлічного режиму роботи обігрівачів, а також задача визначення раціональних параметрів ІТГО.

Задача теплового й гідравлічного розрахунку інфрачервоного трубчастого газового обігрівача. З такою постановкою задачі зіткається конструктор (розроблювач) ІТГО, а також проектувальник системи повітряно-променистого опалення при можливому варіюванні трубчастої частини обігрівача, його довжини й конфігурації, при можливій заміні витяжного вентилятора й т.п.

Вважаємо заданими наступні параметри: внутрішня температура опалювального приміщення; теплова потужність ІТГО; склад горючого газу; діаметр газового сопла; діаметр, довжина, матеріал і товщина стінки труби випромінювача; пара "вентилятор-електродвигун" для витяжного вентилятора; конфігурація ІТГО (лінійна, Г-образна, U-образна й т.п.)

Потрібно визначити: витрату повітря на ІТГО; витрату газоповітряної суміші й напір вентилятора; розподіл тиску по довжині ІТГО й втрати тиску на місцевих опорах; розподіл температури газоповітряної суміші й температури стінки випромінюючої труби по довжині ІТГО; лінійну щільність теплового потоку й загальний тепловий потік, від ІТГО в опалювальне приміщення, і їхні окремі складові - конвективну й променисту; к.к.д. ІТГО.

Задача зводиться до спільного рішення системи рівнянь:

(1)-(8^* )-(10)-(11) при ;

(1)-(10) при ;

(12) при .

(13) - для всієї гідравлічної системи ІТГО.

Тобто, сформульована задача конструкторського розрахунку зводиться до інтегрування системи звичайних диференціальних рівнянь, але з тією особливістю, що невідомими є ціла сукупність початкових параметрів, так що інтегрувати систему диференціальних рівнянь одним із класичних способів не представляється можливим.

Розрахунок температурних подовжень трубчастої поверхні при роботі обігрівача При розрахунку температурних подовжень уважаються відомими ті ж вихідні дані, що й у задачі розрахунку теплових і гідравлічних параметрів ІТГО. До числа параметрів, які необхідно визначити додається величина температурного подовження.

Оскільки заздалегідь невідомо, які будуть прийняті опори й кріплення для ІТГО, то доцільно розраховувати деякі змінні значення температурних подовжень, починаючи від деякого умовно виділеного початку - крапки a у системі лінійної координати до крапки b.

Величина температурного подовження на ділянці (a, b):

(14)

де T(x) - розподіл температури трубчастої поверхні на ділянці (a, b); - коефіцієнт температурного розширення для матеріалу труби, мм/м ^оС.

Формула (14) дає можливість обчислювати температурні подовження на довільних ділянках трубчастої частини й планувати вибір опор і кріплень.

Постановка задачі визначення раціональних параметрів інфрачервоного трубчастого газового обігрівача. При конструюванні ІТГО, а також при проектуванні систем повітряно-променистого опалення виникає потреба вибору цілого ряду параметрів, що визначають техніко-економічні показники роботи ІТГО.

Обігрівач, що має раціональні параметри, безумовно повинен відповідати математичній моделі ІТГО. Якщо допустиме варіювання деяких параметрів ІТГО, то з усієї сукупності можливих параметрів потрібно вибрати такі параметри ІТГО які у деякому сенсі будуть найбільш привабливими. У роботі привабливість рішення визначається наявністю бінарного відношення вибору - правилу згідно з яким для двох рішень, що порівнюються можна обрати більш привабливе.

У задачі пошуку раціонального (найбільш переважного рішення) на безлічі припустимих рішень потрібно знайти рішення , таке, що для всіх , виконується , де - задане бінарне відношення вибору. Побудова бінарного відношення вибору - аналог вибору критерію за яким визначаються раціональні параметри - це суб'єктивне рішення, що залежить від того хто обирає і поставлених ним задач. Можуть становити інтерес при визначенні раціональних параметрів наступні критерії:

- Критерій максимуму к.к.д. інфрачервоного трубчастого газового обігрівача

де - загальний тепловий потік, що надходить в опалювальне приміщення від обігрівача, який включає променистий тепловий потік і конвективний тепловий потік .

У цьому випадку бінарне відношення вибору можна представити у вигляді .

- Критерій максимуму к.к.д. променистої складової ІТГО

.

У цьому випадку бінарне відношення вибору можна представити у вигляді

.

- Критерій мінімуму наведених витрат на створення й експлуатацію системи опалення з інфрачервоним трубчастим газовим обігрівачем

де П - наведені витрати, грн.; Т - розрахунковий строк окупності капітальних витрат, рік; Е - експлуатаційні витрати, грн./рік;.

У цьому випадку бінарне відношення вибору можна представити у вигляді .

Таким чином, задача визначення раціональних параметрів ІТГО зводиться до пошуку такого рішення на безлічі припустимих рішень , що задовольняє системі диференціальних рівнянь (1)-(13), а також є найбільш переважним по відношенню вибору .

У четвертому розділі показано перетворення математичної моделі ІТГО до виду, зручного для чисельного інтегрування та викладений метод одержання чисельних рішень задачі конструкторського розрахунку і визначення раціональних параметрів інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів на основі еволюційного випадкового пошуку.

Розрахунок теплового й гідравлічного режиму інфрачервоного трубчастого газового обігрівача як гідравлічного ланцюга. Задача зводиться до спільного рішення системи рівнянь (1)-(13). При такому розрахунку витрата повітря заздалегідь не відома. Вона визначається в результаті розрахунку. При цьому використовується алгоритм еволюційного пошуку, де вибір рішень здійснюється за критерієм виконання закону Кирхгофа для гідравлічного ланцюга: зовнішнє повітря - газовий пальник - трубчастий нагрівач - вентилятор - зовнішнє повітря.

На рис. 1 проілюстрований процес еволюційного пошуку рішення задачі розрахунку ІТГО як гідравлічного ланцюга.

Рис. 1. Процес еволюційного пошуку рішення задачі розрахунку ІТГО як гідравлічного ланцюга, Х1, Х2, Х3 - вітки еволюційного випадкового пошуку

Рішення задачі теплового й гідравлічного розрахунку інфрачервоного трубчастого газового обігрівача при відомих початкових параметрах. При заданій витраті повітря (або сумарній витраті газоповітряної суміші) задача вирішується чисельним інтегруванням системи рівнянь (1)-(12) за методом Ейлера. Як приклад, приведемо результати (рис. 2, 3) рішення поставленої задачі при наступних параметрах: = 500 м³/ч, = 12 м/с, = 0,65 кг/м³ - відповідно сумарна витрата, початкова швидкість та початкова щільність газоповітряної суміші; = 10,3 м³/ч - витрата газу; = 18+273 К - внутрішня температура опалювального приміщення; = 0,011 м - діаметр газового сопла; = 0,15 м, = 48 м, = 0,0012 м - відповідно діаметр, довжина та товщина стінки труби - випромінювача лінійної конфігурації = 0,7 - ступінь чорноти матеріалу труби.

Рис.2. Результати розрахунку розподілу параметрів газоповітряної суміші по довжині ІТГО

Рис. 3. Результати розрахунку теплового потоку та ККД по довжині ІТГО

Розрахунок температурних подовжень трубчастої поверхні по довжині обігрівача. При цьому розрахунку задані ті ж вихідні дані, що й у задачі розрахунку теплових і гідравлічних параметрів ІТГО, а також коефіцієнт температурного розширення матеріалу труби. Розрахунок ведеться по ділянках по формулі (14).

Визначення раціональних параметрів інфрачервоного трубчастого газового обігрівача. Проведення варіантних розрахунків теплових і гідравлічних режимів роботи ІТГО дає можливість на їхній основі просто вибрати найбільш переважне рішення. У той же час на основі еволюційного пошуку можна побудувати алгоритми автоматичного вибору раціональних параметрів. Отже, потрібно знайти невідомі величини, які б забезпечили розрахункові значення теплового й гідравлічного режиму, що задовольняють математичної моделі ІТГО у вигляді системи рівнянь (1)-(12), а також були б найбільш переважним рішенням на безлічі припустимих рішень по деякому заданому правилу вибору. Правило вибору найбільш переважних рішень задається функцією вибору.

У роботі наведені результати вирішення наступних задач визначення раціональних параметрів.

- Визначення раціональної довжини трубчастої частини обігрівача, яка забезпечує мінімум наведених витрат на створення та експлуатацію ІТГО .

- Визначення раціонального коефіцієнту надлишку повітря, який забезпечує максимум к.к.д. ІТГО .

- Визначення раціонального коефіцієнту надлишку повітря, який забезпечує максимум к.к.д. ІТГО при обмеженні максимальної температури поверхні обігрівача .

- Визначення раціональних довжин ділянок трубчастої частини обігрівача вироблених з різних матеріалів (l₁, l₂). Критерієм є мінімальні наведені витрати при обмеженнях на к.к.д. та температуру поверхні на ділянках не більше деяких допустимих значень , (,).

У табл. 1 приводяться результати рішення останньої з перелічених вище задач.

Таблиця 1

Результати рішення задачі вибору раціональних довжин ділянок трубчастої частини обігрівача

№ гілки еволюційного пошуку	, м	, м	Наведені витрати, грн.	- штрафна функція для обмежнь
1	5,64	42,7	77485	0
2	5,64	42,7	77486	0
3	5,64	42,7	77486	0

П'ятий розділ присвячений експериментальним дослідженням інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів і перевірці достовірності розроблених методів математичного моделювання й розрахунку.

Для проведення досліджень була розроблена методика експериментальних досліджень ІТГО, в якості експериментальних установок використовувались ІТГО в діючих системах повітряно-променистого опалення.

Розроблена методика експериментального дослідження ІТГО включає методику прямого й непрямого виміру параметрів, що цікавлять.

Параметри прямого виміру це: V_Г, Р_г, Т_г - відповідно об'ємна витрата, тиск і температура природного газу; D_в, , - відповідно внутрішній діаметр, товщина стінки і температура поверхні труби-випромінювача; - об'ємні (мольні) концентрації компонентів природного газу; - об'ємні (мольні) концентрації компонентів газоповітряної суміші, Х - лінійна координата.

На рис. 4 наведена схема - алгоритм розрахунку експериментальних параметрів ІТГО.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Схема - алгоритм розрахунку експериментальних параметрів ІТГО.

М1 - масова витрата природного газу на систему,

М2факт - фактична витрата повітря, що подається на газопальниковий блок,

М2теор - витрата повітря теоретично необхідна по реакції горіння.

Розроблена методика застосовувалася для дослідження ІТГО в системах повітряно-променистого опалення діючих підприємств, а також при державних випробуваннях ІТГО. За допомогою цієї методики отримані експериментальні параметри ІТГО, що були зіставлені з розрахунковими параметрами для підтвердження надійності розроблених математичних моделей та методу розрахунку.

На рис. 5, 6 представлене зіставлення результатів розрахунку температури поверхні труби-випромінювача (tрасч.) з експериментальними даними (tэксп.).

Рис. 5. Зіставлення результатів розрахунку температури поверхні труби-випромінювача з експериментальними даними досліджень ІТГО в системі променистого опалення майстерні заводу «Темп»

Рис. 6. Зіставлення результатів розрахунку температури поверхні труби-випромінювача з експериментальними даними, отриманими при дослідженні ІТГО на експериментальному стенді

Аналогічні результати приводяться по дослідженню ІТГО в 3-х системах повітряно-променистого опалення в приміщенні цеху підприємства "Фактор-энерго".

Зіставлення експериментальних і розрахункових результатів свідчить про їх узгодженість.

Шостий розділ присвячений практичному використанню результатів з розрахунку і визначення раціональних параметрів інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів.

Наукові результати даної роботи використовувались при проектуванні й будівництві систем повітряно-променистого опалення ряда об'єктів. Результати математичного моделювання ІТГО використовувалися при тепловому й гідравлічному розрахунках ІТГО в процесі їхнього проектування й будівництва, виконаних підприємством ТОВ "Неон", м. Дніпропетровськ.

Методика експериментальних досліджень ІТГО впроваджена підприємством КНПП "Энергокомплекс", м. Дніпропетровськ при розробці розділу "Методи випробувань" Технічних умов ТУ У 29.2-13440098-001-2002 "Пальник газовий ДВМ-25м" із трубами для променистого опалення й використовується при проведенні робочих і державних випробувань ІТГО, розроблених підприємством.



ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена задача підвищення ефективності використання газового палива в системах повітряно-променистого опалення з інфрачервоними трубчастими газовими обігрівачами шляхом удосконалення методів їх розрахунку і визначення раціональних параметрів їх роботи. При рішенні задачі отримані наступні результати.

1. Розроблено математичну модель ІТГО як модель гідравлічного ланцюга з розподіленими й регульованими параметрами, що містить у собі математичну модель основної ділянки трубчастого обігрівача, модель початкової ділянки обігрівача від зрізу газового сопла до перетину повного згоряння газового смолоскипа, модель аеродинамічної характеристики витяжного вентилятора. Математична модель трубчастого нагрівача являє собою систему звичайних нелінійних диференціальних рівнянь. Замикаючою умовою моделювання ІТГО як гідравлічного ланцюга є умова виконання другого закону Кирхгофа в інтегральному вигляді.

2. Сформульовано нові задачі розрахунку і визначення раціональних параметрів ІТГО, а саме:

- розрахунок теплового й гідравлічного режиму роботи ІТГО при відомих загальних витратах газу й повітря;

- розрахунок теплового й гідравлічного режиму роботи ІТГО при відомих конструктивних параметрах ІТГО й заданій витраті газу (витрата повітря визначається в результаті розрахунку);

- розрахунок температурних подовжень трубчастого нагрівача за результатами розрахунку температурного режиму трубчастої поверхні;

- визначення раціональних параметрів ІТГО, як задача вибору найбільш переважних рішень по сформульованому відношенню вибору.

3. Розроблено методи рішення задач розрахунку і визначення раціональних параметрів ІТГО, при цьому:

- метод розрахунку теплового й гідравлічного режиму трубчастого нагрівача будується на основі алгоритму чисельного інтегрування звичайних диференціальних рівнянь;

- метод розрахунку теплового й гідравлічного режиму ІТГО в цілому будується на основі алгоритму еволюційного випадкового пошуку, з вибором найкращих рішень за критерієм виконання другого закону Кирхгофа для ІТГО як гідравлічного ланцюга;

- метод визначення раціональних параметрів також будується на основі алгоритму еволюційного випадкового пошуку, у якому відношення вибору найбільш переважних рішень враховує вимоги, що висунуті до шуканого рішення.

4. Розроблено методику експериментального дослідження ІТГО, яка включає методику прямого й непрямого виміру параметрів, що цікавлять. Методика прийнятна як на стадії випробувань ІТГО при їхній розробці, так і на стадії налагоджувальних робіт і при створенні систем повітряно-променистого опалення. Методика використовувалась при розробці розділу «Методи випробувань» у технічних умовах ТУ У 29.2-13440098-001-2002 «Пальник газовий ДВМ-25м» із трубами для променистого опалення КНВП «Енергокомплекс», м. Дніпропетровськ.

5. Проведено експериментальні дослідження й виконано зіставлення розрахункових і експериментальних значень теплового режиму ІТГО в системах повітряно-променистого опалення на діючих об'єктах. Показано, що спостерігається задовільне узгодження розрахункових і експериментальних результатів, що говорить про достовірність розробок по моделюванню й розрахунку ІТГО.

6. Розроблені методи теплового й гідравлічного розрахунку ІТГО, розрахунку температурних подовжень трубчастої поверхні обігрівача рекомендуються до застосування при конструюванні ІТГО й проектуванні систем повітряно-променистого опалення з ІТГО. Результати математичного моделювання використовувались при тепловому й гідравлічному розрахунках ІТГО в процесі їхнього проектування й будівництва, виконаних підприємством ТОВ «Неон», м. Дніпропетровськ для цілого ряду об'єктів на території України.

7. Розроблений метод рішення задачі визначення раціональних параметрів ІТГО рекомендується для використання проектними й експлуатуючими організаціями при ухваленні рішення про вибір параметрів, що визначають техніко-економічні показники роботи ІТГО.

8. Розроблена методика експериментальних досліджень рекомендується до використання на підприємствах - виробниках ІТГО при проведенні державних приймальних і періодичних випробувань продукції, що випускається.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Иродов В.Ф. Математическое моделирование элементарного участка системы воздушно-лучистого отопления / В.Ф. Иродов, Л.В. Солод, А.В. Кобыща // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 2001. - № 4. С. 41-46.

Особистий внесок автора: розроблено математичну модель гідравлічних і теплових режимів випромінюючої труби інфрачервоного трубчастого газового обігрівача

2. Иродов В.Ф. Экспериментальное исследование низкотемпературных систем воздушно-лучистого отопления на природном газе / В.Ф. Иродов, Л.В. Солод // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 2001. - № 6. - С. 20-24.

Особистий внесок автора: розроблено методику експериментального дослідження та представлено результати експериментальних досліджень, інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів.

3. Иродов В.Ф. Технико-экономическое обоснование применения системы воздушно-лучистого отопления на газовом топливе для отопления производственного помещения / В.Ф. Иродов, Л.В. Солод // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 2002. - № 3. - С. 30-33.

Особистий внесок автора: проведено відповідні розрахунки для техніко-економічного обґрунтування застосування системи повітряно-променистого опалення з інфрачервоними трубчастими газовими обігрівачами.

4. Солод Л.В. Энергосберегающая система обогрева в камерах тепловой обработки бетонных изделий / Л.В. Солод, Ю.В. Дудкина // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 2003. - № 3-5. - С. 131-135.

Особистий внесок автора: запропоновано енергозберігаючу систему обігріву для теплової обробки виробів з бетону на основі інфрачервоного трубчастого газового обігрівача.

5. Иродов В.Ф. Использование метода случайного поиска для решения задачи расчета тепловых и аэродинамических параметров при синтезе систем воздушно-лучистого отопления на газовом топливе / В.Ф. Иродов, Л.В. Солод // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 2003. - № 6. - С. 32-38.

Особистий внесок автора: запропоновано використання методу випадкового пошуку для розрахунку теплових та гідравлічних параметрів інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів як опалювальних приладів в системі повітряно-променистого опалення.

6. Солод Л.В. Повышение эффективности работы термических производств за счет использования вторичных тепловых ресурсов в системе воздушно-лучистого отопления / Л.В. Солод, Ю.В. Дудкина // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. науч. трудов. Днепропетровск: ПГАСиА, 2003. - Вып. 2, ч. 2. - С. 252-256.

Особистий внесок автора: запропоновано технічне рішення по використанню вторинних теплових ресурсів після термічних печей в системі повітряно-променистого опалення виробничих приміщень.

7. Иродов В.Ф. Математическое моделирование и расчет инфракрасного трубчатого газового обогревателя / В.Ф. Иродов, Л.В. Солод // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. науч. трудов. Дніпропетровськ: ДВНЗ ПДАБтаА, 2010. - Вып. 52, ч.1. - С. 130-132.

Особистий внесок автора: розроблено математичну модель інфрачервоного трубчастого газового обігрівача як гідравлічного ланцюга та алгоритм чисельного розрахунку теплових і гідравлічних параметрів роботи обігрівача.

8. Иродов В.Ф. Оптимизация конструктивных параметров инфракрасных трубчатых газовых обогревателей / В.Ф. Иродов, Л.В. Солод, В.В. Ткачева // Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем : VIII міжнар. наук.-практ. конф., 10-12 нояб. 2010 г. : тези доповідей. - Дніпропетровський національний університет ім. Олеся Гончара, 2010. - С. 89-90.

Особистий внесок автора: розроблено метод оптимізації конструктивних параметрів інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів на основі еволюційного пошуку найбільш переважних рішень.



АНОТАЦІЯ

Солод Л.В. Метод розрахунку і раціональні параметри інфрачервоних трубчастих газових обігрівачів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03 - Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. - Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2011.

Побудовано математичну модель інфрачервоного трубчастого газового обігрівача (ІТГО). Сформульовано і вирішено задачі розрахунку і визначення раціональних параметрів ІТГО. Запропоновано метод розв'язання поставлених задач.

Представлені результати експериментальних досліджень і зіставлення розрахункових і експериментальних значень теплового режиму ІТГО.

Наукові результати роботи впроваджені на підприємствах Дніпропетровська в процесі проектування, будівництва і випробувань ІТГО.

Поширення використання розроблених методів розрахунку і визначення раціональних параметрів ІТГО, методики їх експериментального дослідження при розробці, проектуванні та експлуатації ІТГО дозволить істотно підвищити ефективність їх роботи.

Ключові слова: інфрачервоний трубчастий газовий обігрівач, метод розрахунку, гідравлічний ланцюг, раціональні параметри.



АННОТАЦИЯ

Солод Л.В. Метод расчета и рациональные параметры инфракрасных трубчатых газовых обогревателей. - Рукопись.

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, 2011.

В диссертационной работе решена актуальная научная и практическая задача повышения эффективности работы инфракрасных трубчатых газовых обогревателей (ИТГО) путем совершенствования методов их расчета и определения рациональных параметров. Проанализированы особенности ИТГО и ранее выполненные исследования по их расчету. На основе анализа определена недостаточность научного исследования ИТГО как отопительного прибора в системах воздушно-лучистого отопления.

Построена математическая модель ИТГО как гидравлической цепи с распределенными и регулируемыми параметрами. Разработаны математические модели отдельных составляющих ИТГО на основании уравнений сохранения массы, движения и энергии, уравнений теплового баланса. Составляющие ИТГО впервые рассматриваются как единое целое, используя представление о гидравлической цепи. На основе разработанной математической модели сформулированы новые задачи теплового и гидравлического расчета ИТГО, расчета температурных удлинений трубчатой поверхности ИТГО, задача определения его рациональных параметров. Решение таких задач необходимо при разработке обогревателей, при проектировании систем воздушно-лучистого отопления с ними, при выборе параметров, определяющих технико-экономические показатели работы ИТГО.

Получены методы и представлены результаты решения задач теплового и гидравлического расчета ИТГО, расчета температурных удлинений трубчатой поверхности по длине обогревателя, определения рациональных параметров ИТГО. При заданном расходе воздуха (или суммарном расходе газовоздушной смеси) задача теплового и гидравлического расчета ИТГО решается численным интегрированием системы уравнений математической модели ИТГО без включения уравнения гидравлического режима работы вытяжного вентилятора. Аналогично решается задача расчета температурных удлинений трубчатой поверхности по длине обогревателя. При неизвестном расходе воздуха задача теплового и гидравлического расчета ИТГО решается на основе алгоритма эволюционного случайного поиска, с выбором наилучших решений по критерию выполнения второго закона Кирхгофа для ИТГО как гидравлической цепи в целом. Задача определения рациональных параметров ИТГО также решается на основе алгоритма эволюционного случайного поиска, с выбором наилучших решений удовлетворяющих системе уравнений математической модели ИТГО, и являющихся наиболее предпочтительными по определенному правилу выбора (критерию рационализации).

В работе выполнен большой объем экспериментальных исследований инфракрасных трубчатых газовых обогревателей с целью проверки достоверности разработанных математических моделей и метода расчета. Экспериментальные исследования выполнялись на реальных объектах - ИТГО, установленных на действующих системах отопления и на стендах при их испытаниях. Разработана методика экспериментального исследования ИТГО, включающая методику прямого и косвенного измерения интересующих параметров. Представлены результаты экспериментальных исследований и сопоставление расчетных и экспериментальных значений теплового режима ИТГО в системах воздушно-лучистого отопления на действующих объектах. Показано, что наблюдается удовлетворительное согласование расчетных и экспериментальных результатов, что говорит о достоверности разработок по моделированию и расчету ИТГО.

Научные результаты данной работы использовались при проектировании и строительстве систем воздушно-лучистого отопления ряда объектов. Результаты математического моделирования ИТГО внедрены предприятием ООО «Неон», г. Днепропетровск при тепловом и гидравлическом расчетах ИТГО в процессе их проектирования и строительства. Методика экспериментального исследования внедрена при разработке раздела «Методы испытаний» в технических условиях ТУ У 29.2-13440098-001-2002 «Горелка газовая ДВМ-25м» с трубами для лучистого отопления КНПП «Энергокомплекс», г. Днепропетровск и использовалась при проведении рабочих и государственных испытаний ИТГО, разработанных предприятием, а также при проведении контрольных испытаний горелки газовой ДВМ-25м в комплекте с трубами для инфракрасного отопления ГХП Сертификационный испытательный центр отопительного оборудования.

Дальнейшее расширение использования разработанных методов расчета и определения рациональных параметров инфракрасных трубчатых газовых обогревателей, а также методики их экспериментального исследования при разработке, проектировании и эксплуатации ИТГО позволит существенно повысить эффективность их работы.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: инфракрасный трубчатый газовый обогреватель, метод расчета, гидравлическая цепь, рациональные параметры.



ABSTRACT

Solod L.V. The method of calculating and rational parameters of infrared tube gas heaters. - the Manuscript.

The thesis is submitted to obtain the Candidate of science degree technical (Ph.D), on specialty 05.23.03 - ventilation, illumination and heat and gas supply. - Kharkov state technical university of construction and architecture, Kharkov, 2011.

A mathematical model of the infrared tube gas heater (ITGH) has been built. The tasks of the calculation and determination rational parameters ITGH have been formulated and solved. The method of the decision of these tasks is offered.

Results of the experimental research and comparisons of calculated and experimental values of the thermal regime ITGH is presented.

The scientific results of the work are implemented in enterprises of Dnipropetrovs'k in the process of designing, building and testing ITGH.

Dissemination of the using the designed methods of calculation and determination of rational parameters ITGH, methods of their experimental research in the development, design and operation ITGH will allow greatly to raise efficiency of their work.

Key words: infrared tube gas heater, method of calculating, hydraulic chain, rational parameters.

Размещено на Allbest.ru