Підвищення ефективності систем опалення газовими трубчастими інфрачервоними нагрівачами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.23.03 - Вентиляція, освітлення і теплогазопостачання

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ СИСТЕМ ОПАЛЕННЯ ГАЗОВИМИ ТРУБЧАСТИМИ ІНФРАЧЕРВОНИМИ НАГРІВАЧАМИ

Болотських Микола Миколайович

Харків - 2009

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

енергетичний опалення мікроклімат інфрачервоний

Актуальність теми. Для опалення виробничих приміщень щорічно витрачається велика кількість енергетичних ресурсів. В умовах їхньої обмеженості і високої вартості проблема енергозбереження для нашої країни є актуальною. У якості одного з перспективних способів зниження енергетичних витрат прийнята децентралізація джерел теплопостачання. Із цією метою останнім часом все більше поширення одержує променеве опалення з використанням газових трубчастих інфрачервоних нагрівачів. Незважаючи на ряд досить істотних переваг, цей вид опалення в Україні й країнах СНД ще не знайшов широкого і ефективного застосування. Для подальшого розширення сфери ефективного використання систем газового опалення виробничих приміщень трубчастими нагрівачами необхідно додатково провести комплекс теоретичних і експериментальних досліджень, що дозволить одержати експериментально-перевірену методику їхнього розрахунку, що забезпечує одержання комфортних параметрів мікроклімату на робочих місцях при мінімальних енерговитратах. Крім того, необхідно продовжити роботи з удосконалення конструкцій інфрачервоних трубчастих нагрівачів у напрямку підвищення їхньої енергетичної ефективності. Цим дослідженням і присвячується дана дисертаційна робота. Її тема є актуальною, тому що результати таких досліджень необхідні в цей час і найближчу перспективу у зв'язку із наявними проблемами світової економічної кризи, у тому числі й енергетичної.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до Комплексної програми «Енергетична стратегія України до 2030 року», затвердженої Кабінетом Міністрів України від 1 березня 2006 р., № 145-р. Автор дисертації є відповідальним виконавцем по держбюджетній науково-дослідній темі «Променисто-повітряне газове опалення виробничих приміщень» (№ держреєстрації 0109 U 003149РК), що виконується на кафедрі теплогазопостачання, вентиляції та використання теплових вторинних енергоресурсів у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури.

Мета та задачі дослідження

Метою дисертаційної роботи є зниження енергетичних витрат при опаленні виробничих приміщень газовими трубчастими інфрачервоними нагрівачами шляхом удосконалення методики їхнього розрахунку і конструкцій.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

- досліджувати в реальних виробничих умовах фактичний стан і характер зміни параметрів мікроклімату в приміщеннях, що опалюються за допомогою газових трубчастих інфрачервоних нагрівачів;

- розробити більш досконалі фізичну і математичну моделі теплового режиму у виробничих приміщеннях, що опалюються газовими трубчастими інфрачервоними нагрівачами;

- одержати необхідні аналітичні залежності і розробити нову методику розрахунку величин і характеру розподілу температури на зовнішній поверхні випромінюючих труб інфрачервоних нагрівачів;

- одержати аналітичні залежності і розробити нову методику розрахунку інтенсивності опромінення на рівні голови людини в робочій зоні приміщення, що опалюється газовими трубчастими інфрачервоними нагрівачами;

- розробити вдосконалену методику розрахунку систем опалення газовими трубчастими інфрачервоними нагрівачами для забезпечення комфортних параметрів мікроклімату в приміщенні, відповідно до вимог ДСТ, при мінімальних енерговитратах;

- удосконалити методику експериментальних досліджень за рахунок створення і застосування вимірювального комплексу і комп'ютерної програми для автоматизованого, тривалого і безперервного контролю, записи і побудови графіків зміни температури повітря одночасно в декількох точках приміщення при використанні енергозберігаючих режимів експлуатації систем інфрачервоного опалення;

- удосконалити конструкцію трубчастого газового інфрачервоного нагрівача з метою забезпечення використання для цілей опалення теплого повітря, що збирається при його експлуатації у верхній частині приміщення (між верхньою поверхнею відбивача і покрівлею).

Об'єкт дослідження - система опалення виробничих приміщень із застосуванням газових трубчастих інфрачервоних нагрівачів.

Предмет дослідження - параметри мікроклімату у виробничих приміщеннях, що опалюються газовими трубчастими інфрачервоними нагрівачами.

Методи дослідження.

При виконанні дисертаційної роботи проводилися теоретичні і експериментальні дослідження, що включають у себе аналітичний огляд і узагальнення відомих наукових і технічних результатів, фізичне і математичне моделювання, аналітичні висновки, натурні експериментальні дослідження на виробничих підприємствах м. Харкова з використанням новітніх вимірювальних приладів, обробку і узагальнення результатів досліджень.

Наукова новизна отриманих у дисертації результатів полягає в:

- одержанні необхідних відомостей про характер зміни параметрів мікроклімату в робочій зоні виробничих приміщень, що опалюються з використанням трубчастих інфрачервоних нагрівачів;

- розробці більш досконалих фізичної і математичної моделей теплового режиму у виробничому приміщенні, що опалюється газовими трубчастими інфрачервоними нагрівачами;

- розробці експериментально-перевірених аналітичних залежностей і нової методики розрахунку температури зовнішньої поверхні випромінюючих труб інфрачервоних нагрівачів уздовж їх осей;

- розробці експериментально-перевірених аналітичних залежностей і нової методики розрахунку інтенсивностей опромінення на рівні голови людини в будь-якій точці робочої зони приміщення, що опалюється за допомогою газових трубчастих інфрачервоних нагрівачів;

- розробці вдосконаленої методики розрахунку систем опалення виробничих приміщень газовими трубчастими інфрачервоними нагрівачами.

Практичне значення отриманих результатів полягає в:

- розробці комп'ютерних програм для розрахунку інтенсивності опромінення на рівні голови людини в будь-якій точці приміщення, що опалюється трубчастими інфрачервоними нагрівачами;

- розробці методики експертизи проектних рішень опалення виробничих приміщень системою газових трубчастих інфрачервоних нагрівачів на предмет дотримання вимог ДСТ по припустимій інтенсивності опромінення і оптимальній температурі;

- розробці конструкції вдосконаленого газового трубчастого інфрачервоного нагрівача на базі Патенту України на винахід № 87028 від 10.06.2009 р., що забезпечує використання для цілей обігріву робочої зони теплого повітря, що збирається при його експлуатації у верхній частині приміщення;

- удосконаленні методики експериментальних досліджень за рахунок застосування вимірювального комплексу і комп'ютерної програми для автоматизованого, тривалого і безперервного контролю, записи і побудови графіків зміни температури повітря одночасно в декількох точках приміщення при використанні енергозберігаючих режимів експлуатації систем інфрачервоного опалення;

- впровадженні вдосконаленої методики розрахунку і конструкції інфрачервоного трубчастого нагрівача в проектну практику, при розробці проекту інфрачервоного опалення приміщення авторемонтної майстерні Безлюдівської промислової площадки ВАТ «Харківгаз».

Достовірність і обґрунтованість наукових положень, рекомендацій і висновків, що містяться в дисертаційній роботі, підтверджується результатами експериментальних робіт, проведених автором на натурних системах інфрачервоного опалення на п'ятьох підприємствах м. Харкова. Отримані результати добре узгоджуються з новітніми тенденціями і досягненнями вітчизняної й закордонної науки і практики у галузі енергозбереження.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на щорічних науково-технічних конференціях викладачів, співробітників і представників виробництва в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури (2006 - 2009 р.р.), на III-й міжнародної наукової конференції «Ресурс i безпека експлуатацiї конструкцiй, будiвель i споруд» (29-31 жовтня 2007 р., Харкiв), III міжнародному науковому семінарі «Методи пiдвищення ресурсу мiських iнфраструктур» (15-17 жовтня, 2008, Харкiв) і 5-й Міжнародній науково-практичній конференції «Новини від добрата наука - 2009» (м. Софія, Болгарія, 17-25 травня, 2009р.).

Публікації. Основні положення і результати роботи опубліковані у восьми друкованих працях, з яких 6 - статті у виданнях, затверджених ВАК України, 1 - Патент України на винахід і 1 - матеріали Міжнародної науково-практичної конференції.

Особистий внесок дисертанта. Всі основні результати досліджень і висновки отримані автором самостійно. У роботах, опублікованих у співавторстві, особисто автором:

- досліджено характер зміни параметрів мікроклімату в робочій зоні приміщень, що опалюються газовими трубчастими інфрачервоними нагрівачами;

- розроблено більш досконалі фізичні і математичні моделі формування теплового режиму у виробничому приміщенні, що опалюється газовими трубчастими нагрівачами;

- розроблено методики розрахунку температури поверхонь випромінюючих труб нагрівачів і інтенсивності опромінення в будь-якій точці робочої зони опалювального приміщення;

- проведено всі експериментальні роботи, оброблені отримані дані, зіставлені з теоретичними, зроблені необхідні висновки.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із введення, чотирьох розділів основної частини, загальних висновків, списку використаних літературних джерел з 208 найменувань. Робота викладена на 153 сторінках машинописного тексту, включаючи 83 малюнки і 5 таблиць, містить 6 додатків загальним обсягом 25 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і основні задачі досліджень, наведені наукова новизна і практичне значення, зазначені зв'язок роботи з науковими програмами, відомості про апробації роботи і публікаціях.

У першому розділі виконано аналіз літературних джерел по темі дослідження.

В Україні і за кордоном дослідженнями інфрачервоного опалення займаються вже тривалий час. Найбільший внесок у розвиток теорії і практики цього виду опалення внесли вчені: В.Н. Богословський, В.Н. Сканави, А.К. Родін, Ж.В. Мирзоян, Р.Н. Шумилов, А.А. Худенко, В.Ф. Іродов, А.М. Семернін, С.Д. Семерніна, А.А. Левченко, А.Ф. Строй, А. Банхиді, Л. Мачкаши, П. Фангер, Л.Ю. Михайлова, В.В. Шиванов, Ю.К. Припотень, Б.М. Зиганшин, Ю.В. Хацкевич, А.А. Котенко, Г.Ф.Алексєєв, В.В. Дрепин, І.Г. Яковлева та ін. Більша частина досліджень цих авторів присвячена системам опалення високотемпературними «світлими» газовими нагрівачами і лише проф.В.Ф.Іродів, А.М.Семернин разом зі своїми колегами і декілька інших авторів свої праці присвятили дослідженням систем газових трубчастих («темних») інфрачервоних нагрівачів. У зв'язку із цим, багато опублікованих методик розрахунку базуються на дослідженнях «світлих» інфрачервоних нагрівачів. Розрахунок систем опалення із трубчастими нагрівачами по цих методиках дає можливість лише приблизно підбирати їх кількість і потужність.

Багато авторів при розрахунках інтенсивність опромінення в просторі, що опалюється, приймають як середню величину по площі приміщення і порівнюють її із припустимою. Такий підхід при розрахунку і оцінці систем опалення із трубчастими нагрівачами, що мають значну в порівнянні з «світлими» нагрівачами довжину випромінюючих труб з нерівномірним розподілом температури зовнішньої поверхні уздовж їхніх осей, неприпустимий, тому що в межах робочої зони приміщення інтенсивність опромінення змінюється досить істотно і ніякому усередненню не повинна піддаватися. Крім того, величина припустимої інтенсивності опромінення в робочій зоні в рекомендаціях різних авторів, а також у нормативних документах різних країн не однакова і відрізняється істотно.

У зв'язку із зазначеними обставинами існуючі методи розрахунку систем опалення трубчастими інфрачервоними нагрівачами необхідно далі вдосконалювати в напрямку забезпечення нормативних комфортних параметрів мікроклімату в робочій зоні приміщення при мінімальних енерговитратах.

У другому розділі розроблені фізична й математична моделі теплового режиму в приміщеннях, що опалюються, досліджений розподіл температури на поверхнях випромінюючих труб, а також інтенсивності опромінення в будь-якій точці робочого простору, що опалюється.

Моделі розроблені для двох систем опалення, обладнаних нагрівачами, що випускаються серійно (існуюча система опалення), і вдосконаленими трубчастими нагрівачами (перспективна система опалення). За участю автора роботи розроблений удосконалений трубчастий нагрівач (Патент України на винахід № 87028 від 10.06.2009р.), обладнаний спеціальним зонтом з канальним вентилятором, що забезпечує вловлювання нагрітого повітря у верхній зоні приміщення (над нагрівачем) і спрямування його в робочу зону.

Фізичні моделі для цих двох варіантів представлені на рис. 1.

Рис. 1. Фізичні моделі теплового режиму при опаленні приміщень: а) - трубчастими інфрачервоними нагрівачами, що серійно випускаються; б) - удосконаленими трубчастими нагрівачами: 1 - ліва стіна; 2 - права стіна; 3 - підлога; 4 - газові інфрачервоні нагрівачі; 5 - устаткування; 6 - стеля; 7 - спеціальні зонти нагрівачів.

Ці моделі наочно показують особливості формування теплового режиму при інфрачервоному опаленні виробничих приміщень із використанням трубчастих нагрівачів різної конструкції.

Для одержання математичних моделей теплового режиму в приміщенні для цих двох варіантів опалення складемо системи рівнянь теплових балансів. Для варіанта опалення трубчастими інфрачервоними нагрівачами, що випускають серійно, система рівнянь теплових балансів може бути записана у вигляді:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

Для випадку опалення приміщення вдосконаленими трубчастими нагрівачами система рівнянь теплових балансів має вигляд:

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(9)

(10)

У представлених системах рівнянь прийняті наступні позначення: тп - теплові втрати; тги - трубчастий газовий випромінювач; пт - стеля; пл - підлога; ст - стіна; в - повітря; л - променистий; к - конвективний; ст. 1, ст. 2, ст. 3 і ст. 4 - стіна перша, друга, третя і четверта; нс - зовнішнє середовище; об - устаткування; и - інфільтраційний; вт - вентиляція; q₀ - теплова потужність системи опалення; - поглинання теплового випромінювання вологим повітрям; t_эф - температура тепловідчуття людини, °С; t_в - температура повітря в приміщенні, °С; 0,0716 - експериментальний коефіцієнт, отриманий західнонімецькою фірмою «Шванк», (м²·єС)/Вт; - максимальна інтенсивність опромінення, Вт/м²; [q] - допустимі значення інтенсивності опромінення, Вт/м²; [t_орt] - оптимальна температура повітря, регламентована Дст 12.1.005-88 залежно від періоду року і категорії робіт, виконуваних у приміщені, °С.

Граничними умовами для цих рівнянь є наступні. Рівняння (1)ч(18) описують теплові баланси: (1) і (11) - на поверхні стелі; (2) ч (6) і (12)ч(16) - на поверхнях всіх огороджуючих стін і підлоги; (7) і (17) - інфрачервоних нагрівачів; (8) і (18) - повітря в приміщенні. Рівняння (9) описує співвідношення між фактичним і значенням, що допускається Дст 12.1.005-88, інтенсивності опромінення в робочій зоні опалювального приміщення і названо нами рівнянням радіаційного комфорту. Рівняння (10) являє собою баланс температур тепловідчуття людини і припустимої Дст оптимальною температурою в робочій зоні приміщення і названо нами рівнянням теплового комфорту.

Наведені системи рівнянь теплових балансів є більш досконалими і відрізняються від відомих опублікованих систем балансів наступними особливостями:

1. Враховано специфіку опалення приміщення трубчастими інфрачервоними нагрівачами (мінливість температури поверхні випромінюючої труби уздовж її осі, нерівномірність розподілу інтенсивності опромінення в робочій зоні).

2. У систему теплових балансів включено вперше два рівняння радіаційного (9) і теплового (10) комфорту, покликані забезпечувати дотримання вимог Дст 12.1.005-88 по створенню оптимальних параметрів мікроклімату в робочій зоні приміщення, що опалюється, при мінімальних енерговитратах.

3. У системі балансів в основі розрахунку вперше прийнято максимальне сумарне значення інтенсивності опромінення на рівні голови людини в робочій зоні замість середнього значення опромінення поверхні підлоги приміщення, що приймалося раніше практично в більшості відомих методик розрахунку.

У роботі прийнято наступні допущення:

1. Ступінь чорноти всіх внутрішніх поверхонь виробничих приміщень має високі значення, що дозволяють зневажити відбиттям від них променистих потоків.

2. Теплове випромінювання з поверхні нагрівача у верхню зону приміщення досить мале ().

3. Повітряне середовище в приміщенні розглядається як дифузно-сірий мало поглинаючий теплове випромінювання газ ().

4. Теплові потоки до людини і від неї у виробничому приміщенні, що має більші розміри, по своїй абсолютній величині, в порівнянні з основними потоками тепла невеликі, тому вони в рівняннях теплових балансів не враховуються.

З урахуванням цих допущень системи рівнянь теплових балансів можуть бути істотно спрощені.

Величини витрат тепла (Q), включених у наведені вище системи рівнянь теплових балансів, можуть бути визначені по наступних формулах. Тепло, передане променистим шляхом від нагрівача

, (19)

де с_о - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, (Вт/(м²·К); о_1-2 - наведений ступінь чорноти поверхонь, що беруть участь у теплообміні; Н_1-2 - взаємна площа випромінювання поверхонь, м²; Т₁(L) - температура поверхні випромінюючої труби, К; Т₂ - температура теплосприймаючої поверхні, К.

Конвективний тепловий потік від конструкцій, що огороджують, до повітря приміщення

(20)

де б - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²·К); F_с - площа поверхні стіни, м²; t_ст.1 - температура внутрішньої поверхні стіни, що огороджує, °С; - розрахункова температура повітря в приміщенні, °С.

Втрати тепла через конструкції, що огороджують

, (21)

де F_о - розрахункова площа конструкції, що огороджує, м²; R - опір теплопередачі конструкції, що огороджує, м²·°С/Вт; t_н.с. - розрахункова температура зовнішнього повітря, °С; n - коефіцієнт, що враховує положення зовнішньої поверхні конструкції, що огороджує; в - додаткові втрати теплоти в долях від основних втрат, що визначаються по БНіПу 2.04.05-91 (Змінення № 1).

Витрата тепла на нагрівання повітря, що інфільтрується

(22)

де G - витрата повітря, що інфільтрується, кг/год.; с - питома теплоємність повітря, дорівнює 1 кДж/(кг·°С); К - коефіцієнт, прийнятий по БНіПу 2.04-05-91.

Підставляючи залежності (19)ч(22) у системи рівнянь балансів (1)ч(18), одержуємо повні математичні моделі теплового стану приміщення з інфрачервоним опаленням двома типами трубчастих нагрівачів. Ці моделі в даній роботі використовуються для аналізу теплового режиму і виведення необхідних розрахункових залежностей.

Рішення представлених вище систем рівнянь у загальному виді громіздко і трудомістко. Їх доцільно вирішувати для конкретних приміщень, а також конструкцій і схем застосування трубчастих інфрачервоних нагрівачів. Якщо буде необхідність у проведенні орієнтовних розрахунків, температуру поверхні випромінюючої труби приймають як середнє значення між початковою та кінцевою. Для одержання необхідних залежностей і методики більш точного розрахунку температури зовнішньої поверхні випромінюючої труби в дисертаційній роботі проведені спеціальні дослідження, сутність яких приводиться нижче.

При роботі трубчастого інфрачервоного нагрівача відбувається складний теплообмін. Продукти згоряння газу, пересуваючись уздовж випромінюючої труби нагрівача, радіаційним і конвективним способами віддають тепло внутрішньої поверхні труби. Потім воно за рахунок теплопровідності передається зовнішньої поверхні труби і лише потім це тепло шляхом радіаційного і конвективного теплообміну передається в опалювальне приміщення.

На підставі закону Ньютона-Ріхмана диференціальне рівняння теплопередачі від гарячих продуктів згоряння в опалювальне приміщення може бути записане у вигляді

W·dt = - К_Т (t - t_в) · dl, (23)

де W = G_пс · - загальна теплоємність продуктів згоряння, Вт/К; G_пс - масова витрата продуктів згоряння, кг/с; - середня теплоємність продуктів згоряння, Дж/(кг·К); К_Т - місцевий коефіцієнт теплопередачі на одиницю довжини, Вт/м; t - температура продуктів згоряння, єС; t_в - температура повітря в приміщенні, єС.

Коефіцієнт внутрішньої тепловіддачі

б_В = б_вк + б_вл, (24)

,

де б_вк - коефіцієнт внутрішньої конвективної тепловіддачі;

б_вл- коефіцієнт внутрішньої променевої тепловіддачі; Nu - критерій Нуссельта; л - коефіцієнт теплопровідності теплоносія, Вт/(м·К); d₁ - внутрішній діаметр труби, м; Re - число Рейнольдса; Pr - число Прандтля; о_e - поправочний коефіцієнт.

де - наведений ступінь чорноти; t₁ - температура стінки труби, °С.

Внутрішній термічний опір R_В = 1/(б_В·рd₁). (25)

Коефіцієнт зовнішньої тепловіддачі б_н = б_нк + б_нл. (26)

Коефіцієнт зовнішньої конвективної тепловіддачі

, (27)

Nu = 0,46 Gr^0,25,

Gr = g · (t₁ - t_в) d₂³ /(t_в + 273) ·н²,

де л_в - коефіцієнт теплопровідності повітря, Вт/(м·К); d₂ - зовнішній діаметр труби, м; Gr - число Грасгофа; g - прискорення вільного падіння, м/с²; н - кінематична в'язкість повітря (при t_в), м²/с.

Коефіцієнт зовнішньої променевої тепловіддачі

б_нл = о · 5,67(Т₁⁴ - Т_в⁴)/(t₁ - t_в),

де о - ступінь чорноти зовнішньої поверхні труби.

Наявність відбивача в нагрівачі приводить до повернення трубі частини випромененого нею тепла, що враховується виправленням, що зменшує радіаційну складову зовнішнього коефіцієнта тепловіддачі

,

де ц₁₂ - частка тепла, повернутого відбивачем трубі; S* - ширина відбивача, м.

Скоригований коефіцієнт зовнішньої променевої тепловіддачі

'.

Зовнішній термічний опір

R_н = 1/(б_н рd₂) (28)

Місцевий коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м·К)

К_Т = 1/(R_н+ R_в). (29)

Для рішення диференціального рівняння (23), з урахуванням отриманих вище залежностей, скористаємося чисельним методом Адамса (програма оdе 113) у системі МАТLАВ 7. З використанням вбудованої мови програмування в системі МАТLАВ 7 для рішення цього рівняння в роботі розроблені алгоритм та спеціальна комп'ютерна програма. Вихідними даними для розрахунку є довжина, внутрішній та зовнішній діаметри випромінюючої труби, ширина відбивача, відстань від осі труби до плоскості відбивача, температури теплоносія на початковій ділянці труби і повітря в приміщенні, об'ємна витрата продуктів згоряння. На рис. 2 наведено графік, побудований для нагрівачів з довжиною труби 8 м і діаметром 100 мм. Витрата газу прийнята рівною 5 м³/год., а температура продуктів згоряння на початку труби рівною 800 °С.

Інтенсивність опромінення на рівні голови людини

,

де Q_1-2 - кількість теплоти, переданої нагрівачем променистим шляхом, обумовлене з вираження (19), Вт; f₂ - площа голови людини, м².

Приймаючи t₂ = 37°С, з урахуванням формули (19), одержуємо

. (30)

Заміняємо випромінюючу поверхню нагрівача уздовж його осі нескінченною кількістю елементарних площадок (dF₁) з рівномірним розподілом температури на кожній з них. У цьому випадку елементарна взаємна площа випромінювання довільно орієнтованих площадок dF₁ і dF₂ визначається з формули

, (31)

де в₁ і в₂ - кути між напрямком випромінювання і нормалями до цих елементарних площадок; R_1-2 - відстань між центрами елементарних площадок dF₁ і dF₂, м.

Взаємна площа випромінювання при цьому визначається формулою

. (32)

Розглядаючи схему променевого теплообміну між двома довільно орієнтованими елементарними площадками, приймаючи о_1-2 = 1, нехтуючи площею F₂ у порівнянні з F₁ і опускаючи проміжні висновки, що базуються на відомих і опублікованих в літературі прийомах, можна записати рівняння інтенсивності опромінення на рівні голови людини у вигляді

(33)

де Дх і Дz - різниці відповідних координат центрів елементарних площадок, м; б - кут нахилу площини нагрівача.

Уводячи відносну поточну площу поверхні нагрівача , де F_1общ. - загальна площа нагрівача, м², і приймаючи для спрощення коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла с₀ = 5,67 Вт/(м²·К), рівняння (33) може бути записано у вигляді

 (34)

Величина F_1общ. = S*·L, де S* - ширина відбивача, м. Запровадимо поточну координату l уздовж осі нагрівача l. Тоді відносна поточна координата буде .

З урахуванням цих замін і позначень рівняння (34) може бути записане у вигляді

(35)

де h - висота підвіски нагрівача, що відраховується від рівня голови людини, м; ДУ - поперечне відхилення голови людини від осі нагрівача, м; ДХ - поздовжня відстань від голови людини до точки приєднання пальника до нагрівача, м.

Для одержання значень інтенсивності опромінення необхідно вирішити інтеграл (35). Із цією метою скористаємося пакетом програм чисельного інтегрування по методу Симпсона в системі МАТLАВ 7. З використанням вбудованої мови програмування в системі МАТLАВ 7 за участю автора роботи розроблені алгоритм і спеціальна комп'ютерна програма розрахунку інтенсивності опромінення на рівні голови людини одним трубчастим інфрачервоним нагрівачем. Ця програма дозволяє розраховувати величини і будувати графіки і поверхні розподілу інтенсивності опромінення. При розрахунку інтенсивності опромінення використовуються згадані вище методика і комп'ютерна програма розрахунку температури зовнішньої поверхні труби. Додатковими вихідними даними для розрахунку є: довжина і ширина відбивача, висота підвісу і кут нахилу нагрівача.

Для прийнятих раніше вихідних даних побудовані графік і поверхня розподілу інтенсивності опромінення на рівні голови людини уздовж осі нагрівача.

З використанням методу суперпозиції розроблено також методика і комп'ютерна програма розрахунку і побудови епюр сумарного опромінення на рівні голови людини у будь-якій точці приміщення при опаленні його декількома трубчастими інфрачервоними нагрівачами. На рис. 4, для прикладу, наведена епюра сумарної інтенсивності опромінення у поперечному перетині приміщення шириною 20 м, що опалюється двома горизонтальними трубчастими нагрівачами, підвішеними на відстані 5 м від стін.

Третій розділ дисертації присвячений експериментальним дослідженням систем опалення трубчастими інфрачервоними нагрівачами і розробці вдосконаленої методики їхнього розрахунку. Ці дослідження проводилися з метою: а) вивчення фактичного стану і характеру зміни параметрів мікроклімату в робочій зоні приміщень, що опалюються за допомогою трубчастих інфрачервоних нагрівачів; б) накопичення фактичних даних для зіставлення їх з результатами теоретичних досліджень.

Експерименти проводилися в м. Харкові у виробничих приміщеннях заводів «Турбоатом», ім. Фрунзе, «Свет Шахтера», машинобудівного підприємства ПП «Спецкран» і Харківській кондитерській фабриці. При проведенні експериментальних робіт використовувалися наступні прилади: радіометр переносний РАТ-2П-Кварц-41 - для виміру інтенсивності опромінення (погрішність - не більш ±6%); фото-пірометр Ray МХ6 Photo Temp - для виміру температури поверхні випромінюючих труб і конструкцій, що огороджують (погрішність - ±0,75%); термометр технічний рідинний ТТЖ-М - для виміру температури повітря (погрішність - не більш ±0,3°С); переносний психрометр механічний МВ-4-2 м - для виміру відносної вологості повітря в приміщенні (погрішність - ±0,5%); переносний кататермометр АГП-01 - для виміру швидкості руху повітря в приміщенні (погрішність - ±0,007м/с). Прилади пройшли державну перевірку в органах Стандартметрології, визнані придатними і допущені до експлуатації. З метою виключення випадкових помилок при проведенні експериментів, виміри параметрів у кожній точці проводилися тричі і для подальших досліджень у роботі приймалися їхні середні значення.

У періоди застосування енергозберігаючих технологій експлуатації систем опалення трубчастими інфрачервоними нагрівачами для безперервного виміру і фіксації температур повітря у восьми точках приміщення, що опалюється, використовувався спеціальний вимірювальний комплекс. Цей комплекс містить у собі персональний комп'ютер, модуль збору даних J-7018, перетворювач інтерфейсів J-7520, термопари ТХА-2-2К і з'єднувальні провода.

Аналіз накопичених експериментальних даних, у тому числі і наведених вище графіків, переконливо підтверджує висновок про те, що при сталому режимі роботи трубчастих нагрівачів температура повітря в робочій зоні, внаслідок інтенсивного конвективного теплообміну, практично стабільна. Уздовж осей нагрівачів по всій їх довжині на рівні голови людини вона відрізняється не більше, ніж на 2°С, а градієнт температури по висоті при цьому не перевищує 0,5 - 0,6 °С.

Експериментальні дослідження характеру змінення інтенсивності опромінення у робочій зоні на заводі ім. Фрунзе проводились з використанням математичних методів планування експериментів. Обробка результатів попередніх експериментів методом найменших квадратів показала, що залежність інтенсивності опромінення від координат будь-якої точки робочої зони приміщення не лінійна. У зв'язку з цім прийнято рішення апроксимувати її поліномом другого степеня:

у = а₀+а₁х₁+а₂х₂+а₃х₃+а₁₂х₁х₂+а₁₃х₁х₃+а₂₃х₂х₃+а₁₁х₁²+ а₂₂х₂²+а₃₃х₃²_. (36)

Планування експеріменту виконувалось наступним чином. Найбільш значимими факторами були прийняті координати точок робочої зони приміщення, що опалюється Х, У и Z, тобто z₁=X, z₂=Y, z₃= Z. Межі змінень цих факторів були прийняті наступними:

z_1min=X_min = 1м, z_lmax=X_max= 9м, z_2min=Y_min = 1м, z_2max=Y_max=9м, z_3min=Z_min = 0,25м, z_3max= Z_max= 2,25м.

При цьому основний рівень кожного фактора дорівнював:

а інтервали варіювання: Дz_l = z_lmax - z₀₁ = ДX, Дz₂ = z_2max - z₀₂ = ДY, Дz₃ = z_3max - z₀₃ = Д Z.

Після кодування факторів , , була складена таблиця основних характеристик плана експерименту. Потім з використанням центрального ортогонального композиційного планування повного трьохфакторного експерименту складена матриця, в яку були занесені результати замірів інтенсивності опромінення в п'ятнадцяті точках робочої зони на висотах: 0,25; 1,25; 2,25 и 2,5 м від підлоги.

З використанням даних цієї матриці визначилися відповідні коефіцієнти регресії, середні значення построкових дисперсій, а також робилась оцінка відтворюваності опитів по критерію Кохрена (G). При цьому розрахункове значення G_р = 0,182, а табличне G_т = 0,33. Таким чином була дотримана умова G_Р<G_Т і тому виміри вважаються відтворюваними.

Потім по спеціальним формулам визначалась дисперсія коефіцієнтів регресії і розраховувались значення критерію Стьюдента. При порівнянні їх з табличними значеннями виявлялися незначущі коефіцієнти а_і. З урахуванням цього після відповідних перетворень було отримано рівняння регресії у вигляді

у = 57,6 - 7,02х₁ + 9,9 х₂ - 1,07 х₁х₃ - 3,77х₁² - 25,19х₂²+ 2,55х₃². (37)

Оцінка адекватності математичної моделі здійснювалась по критерію Фішера. При цьому дослідний критерій Фішера визначався з вираження К_Fо=, де Д_А - дисперсія адекватності; Д_С - середня дисперсія всього експерименту.

, ,

де n = 15 - число дослідів; m=3 - число повторювань кожного опиту; d=7 - число коефіцієнтів рівняння регресії; у_іт і у_іэ - поточне і середнє значення замірів в і-том експерименті.

Зробивши відповідні обчислювання, було отримано: Д_А = 70,87 и Д_С = 36,98. При цьому дослідний критерій Фішера дорівнював К_F0 = 1,92, а табличний для довірчої імовірності 0,95 склав К_FТ = 3,0. Оскільки К_F0 < К_FТ, то модель адекватна.

Потім отримане рівняння регресії було переведено в натуральну систему координат. Після відповідних підстанов і перетворень рівняння (37) було записано у вигляді

 (38)

Рівняння (38) дозволяє підрахувати величину інтенсивності опромінення у будь-якої точці робочої зони приміщення, що опалюється, а також будувати різноманітні графіки і поверхні розподілення інтенсивності опромінення. Як приклад, на рис. 7 приведена поверхня розподілення інтенсивності опромінення на висоті 2 м при змінені Х в межах від 0 до 10 м (паралельно осі нагрівача) і У від 0 до 10 м (по обидві сторони від осі нагрівача).

Аналіз накопичених на різних підприємствах експериментальних даних, а також приведеної поверхні, показує, що при роботі трубчастих нагрівачів інтенсивність опромінення в різних точках робочої зони як уздовж їх осей, так і по висоті, відрізняється дуже істотно. Її максимальне значення на рівні голови людини відповідає точкам, розташованим уздовж осей нагрівачів на відстані 1ч2 м від місця установки газового пальника. Ця обставина пояснюється тим, що при роботі трубчастих нагрівачів різних конструкцій і потужностей на первісних ділянках от місця установки газових пальників довжиною до 1ч2 м в опромінюючих трубах поширюється палаючий факел. При цьому теплообмін палаючого факела і гарячих продуктів згоряння із внутрішньою поверхнею труби не ідентичний. Через це максимум інтенсивності опромінення, що відповідає максимуму температури зовнішньої поверхні труби, і перебуває на відстані 1-2 м від початку випромінюючої труби.

На всіх згаданих вище підприємствах при проведенні експериментів виконувалися виміри відносної вологості та швидкості руху повітря в приміщеннях, що опалюються. Обробка даних вимірів дозволила зробити висновок про те, що при використанні трубчастих нагрівачів відносна вологість і швидкість руху повітря при природній вентиляції в межах робочого дня змінюється не істотно і перебуває в межах припустимих Дст 12.1.005-88.

Проведені експериментальні дослідження дозволили також перевірити відповідність результатів теоретичних досліджень практичним даним. З використанням розроблених формул, методик і комп'ютерних програм проведені відповідні розрахунки і побудови теоретичних графіків розподілу температури на нижній зовнішній поверхні випромінюючої труби для умов Харківської кондитерської фабрики і розподілу інтенсивності опромінення для умов машинобудівного підприємства ПП «Спецкран». На цих графіках нанесені точками фактично отримані експериментальні дані.

Зіставлення експериментальних і теоретичних значень температури зовнішньої поверхні випромінюючої труби і інтенсивності опромінення показує, що середнє їхнє відхилення становить, відповідно, 5,64% і 5,3%. З обліком цього та результатів інших зіставлень можна зробити висновок про те, що розроблені формули, методики і комп'ютерні програми можуть бути використані для інженерних розрахунків систем опалення трубчастими інфрачервоними нагрівачами.

На базі результатів виконаних теоретичних і експериментальних досліджень систем опалення трубчастими інфрачервоними нагрівачами з урахуванням ряду рекомендацій і висновків, отриманих інститутом газу НАН України, а також професорами В.Ф. Іродовим і Р.Н. Шуміловим, розроблена вдосконалена методика розрахунку.

Згідно алгоритму методики перші п'ять етапів розрахунку виконуються за аналогією з раніше загальноприйнятою методикою, тобто спочатку виконуються розрахунки тепловтрат через всі конструкції, що огороджують (перекриття, стіни, підлога). При цьому розрахункову температуру повітря в приміщенні через наявність променистої добавки необхідно приймати на 3ч5 °С нижче, ніж при конвективному опаленні. Потім розраховуються втрати тепла на повітрообмін. На базі сумарних втрат тепла через огородження і на повітрообмін розраховується загальна теплова потужність системи інфрачервоного опалення і вибираються тип і кількість нагрівачів, їх параметри, а також схема розташування в приміщенні.

Потім з використанням розроблених в даної дисертаційної роботі формул і комп'ютерних програм розраховуються і будуються графіки розподілення температури на зовнішній поверхні випромінюючої труби, інтенсивності опромінення на рівні голови людини, а також епюри сумарного опромінення в приміщенні в перетині, розташованому на відстані 2 м від газового пальника по осі нагрівача.

На базі аналізу отриманих даних виявляється максимальне значення інтенсивності опромінення і зіставляється з припустимим по ДСТу [q]. При цьому повинна виконуватись умова . У випадку >[q] змінюються міцність або інші параметри нагрівачів і їх підвіски і розрахунок повторюється.

Після досягнення по формулі (10) обчислюється значення комфортної температури t_эф. Якщо t_эф знаходиться у межах оптимальних величин, вказаних в ДСТе, розрахунок припиняється, в протилежному випадку змінюється величина розрахункової температури повітря в приміщені і весь розрахунок повторюється.

Наведенна вдосконалена методика дозволяє за допомогою розроблених формул і комп'ютерних програм виконати оперативно необхідні розрахунки для забезпечення в приміщенні оптимальної температури повітря, значення інтенсивності опромінення нижче припустимого за Дст і вибрати параметри нагрівачів з мінімально необхідною потужністю. Це дозволяє скоротити витрати газу на зайві нагрівання повітря і підтримку невиправдано високих інтенсивностей опромінення в приміщенні, що опалюється.

Четвертий розділ присвячений питанням удосконалення конструкцій трубчастих нагрівачів і реалізації на практиці результатів досліджень. Описано запропоновану за участю автора принципову схему нового інфрачервоного трубчастого нагрівача.

З використанням цього винаходу розроблена конструкція вдосконаленого трубчастого нагрівача, що містить у собі випромінювач із пальником, спеціальний зонт і канальний вентилятор. Зонт із вентилятором призначений для вловлювання нагрітого повітря, що збирається у верхній частині приміщення між нагрівачем і покрівлею приміщення і спрямування його по трубопроводу в робочу зону.

Цей удосконалений нагрівач ВАТ «Харківгаз» прийнятий до впровадження для опалення приміщення авторемонтної майстерні на Безлюдівській промисловій площадці в м. Харкові.

За участю автора даної роботи розроблено також проект інфрачервоного опалення цієї майстерні. При розробці проекту автором, з використанням наведеної вище вдосконаленої методики, виконані необхідні розрахунки і дани пропозиції по енергозбереженню.

За рахунок заміни конвективного опалення на інфрачервоне з використанням нагрівачів, що випускають серійно, у приміщенні авторемонтної майстерні досягається річна економія 32 463 м³ газу (скорочується витрата на 44,2%), зменшуються експлуатаційні витрати на 41 тис. грн. рік (у цінах 2008 р.). Крім того, у випадку використання вдосконалених конструкцій нагрівачів можна додатково заощадити 11100 м³ газу в рік. Розроблений проект ВАТ «Харківгаз» прийнятий до реалізації.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У реальних умовах на підприємствах експериментальним шляхом досліджено фактичний стан і характер зміни параметрів мікроклімату в різних точках приміщень, що опалюються за допомогою газових інфрачервоних нагрівачів.

2. Установлено, що при сталому режимі роботи трубчастих інфрачервоних нагрівачів температура повітря в робочій зоні практично стабільна. Уздовж осей нагрівачів по всій їх довжині на рівні голови людини вона відрізняється не більше, ніж на 2°С, а градієнт температури по висоті при цьому не перевищує 0,5-0,6°С.

3. Доказано, що при роботі трубчастих інфрачервоних нагрівачів інтенсивність опромінення в різних точках робочої зони як уздовж їх осей, так і по висоті в порівнянні з «світлими» нагрівачами відрізняється по величині досить істотно. Максимальні значення інтенсивності опромінення на рівні голови людини відповідають точкам, що розташовані уздовж осей нагрівачів на відстанях 1ч2 м від місць установки газових пальників.

4. Удосконалено фізичні і математичні моделі формування теплового режиму у виробничих приміщеннях великої кубатури, опалювальних газовими трубчастими інфрачервоними нагрівачами, що дозволяє вирішувати конкретні завдання створення комфортних умов у цих приміщеннях і визначати необхідні параметри таких систем опалення.

5. Отримано експериментально-перевірені залежності і розроблено нові методики і комп'ютерні програми для розрахунку і подання в графічному виді розподілу температури по поверхні випромінюючої труби нагрівача уздовж його осі і інтенсивностей опромінення на рівні голови людини в будь-якій точці робочої зони приміщення, що опалюється.

6. Розроблено методику і комп'ютерну програму розрахунку і подання в графічному виді епюр сумарної інтенсивності опромінення в приміщеннях, опалювальних системою інфрачервоних трубчастих газових нагрівачів.

7. Розроблено вдосконалену методику розрахунку систем опалення газовими трубчастими інфрачервоними нагрівачами, що забезпечує досягнення на практиці комфортних параметрів мікроклімату в приміщеннях (відповідно до вимог Дст 12.1.005-88) при мінімальних енерговитратах. Дана методика може бути використана для оцінки (експертизи) прийнятих рішень по опаленню приміщень трубчастими нагрівачами на предмет дотримання вимог Дст 12.1.005-88 по оптимальній температурі та інтенсивності опромінення.

8. Удосконалено методику експериментальних досліджень за рахунок створення й застосування вимірювального комплексу і комп'ютерної програми для автоматизованого, тривалого і безперервного контролю, записи і побудови графіків зміни температури повітря одночасно у різних точках приміщення при використанні енергозберігаючих режимів експлуатації систем опалення трубчастими інфрачервоними нагрівачами.

9. Розроблено конструкцію вдосконаленого трубчастого інфрачервоного нагрівача, що забезпечує використання для цілей опалення теплого повітря, що збирається при його експлуатації у верхній частині приміщення (між верхньою поверхнею відбивача і покрівлею).

10. Розроблені методика розрахунку систем опалення трубчастими інфрачервоними нагрівачами і конструкція трубчастого нагрівача впроваджені в практику проектування опалення приміщення авторемонтній майстерні Безлюдівської промислової площадки ВАТ «Харківгаз». Застосування системи опалення трубчастими інфрачервоними нагрівачами, що серійно випускаються, замість конвективного способу в приміщенні Безлюдівської авторемонтної майстерні дозволяє на 44, 2% скоротити витрати енергоресурсів, заощадити 32463 м³ природного газу в рік, зменшити експлуатаційні витрати на 41 тис. грн. (у цінах 2008 р.). Крім того, у випадку використання в цій майстерні нагрівачів удосконаленої конструкції можна ще додатково заощадити 11100 м³ газу в рік.

11. Удосконалені методика розрахунку систем інфрачервоного опалення і конструкція трубчастого нагрівача рекомендуються для подальшого використання як при проектуванні, так і експлуатації систем опалення виробничих приміщень.

ЛІТЕРАТУРА

Основні положення дисертації опубліковані в роботах:

1. Болотских Н.Н. Совершенствование метода экспериментального исследования распределения температур в помещении с лучевыми газовыми обогревателями / Н.Н. Болотских, Ю.В. Журавлев, В.Е. Корсун // Науковий вiсник будiвництва. Вип. 41. - Харкiв: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2007. - с. 276- 279.

2. Болотских Н.Н. Система газового панельно-лучистого отопления производственного помещения /С.М. Авдеева, А.А. Редько, Н.Н. Болотских// Науковий вiсник будiвництва. Вип. 43. - Харкiв: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2007. - с. 219-222.

3. Болотских Н.Н. Пути повышения эффективности применения «темных» инфракрасных излучателей/ И.А.Редько, Н.Н. Болотских//Науковий вiсник будiвництва. Вип. 49. - Харкiв: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2008. - с. 172-179.

4. Болотских Н.Н. Экспериментальные исследования плотности теплового потока при лучисто-воздушном отоплении производственного помещения / А.Ф. Редько, Н.Н. Болотских, А.А. Редько, Н.Г. Емельяненко// Науковий вiсник будiвництва. Вип. 52. - Харкiв: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2009. - с. 328- 338.

5. Болотских Н.Н. Экспериментальные исследования параметров микроклимата в производственном помещении, отапливаемом темными газовыми инфракрасными излучателями /А.Ф. Редько, Н.Н. Болотских // Ж. «Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит». - 2009, № 4, с. 42-49.

6. Болотских Н.Н. Расчет интенсивности облучения в производственных помещениях, отапливаемых темными газовыми инфракрасными нагревателями /А.Ф. Редько, Н.Г.Ланцберг, Н.Н. Болотских// Ж. «Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит». - 2009, № 5, с. 55-64.

7. Болотських М.М. Патент України на винахід № 87028, с 2, F24D 10/00, F24D 15/00, F24С 15/00. Пристрій для променевого опалювання. Державний департамент інтелектуальної власності МОН України /А.О. Редько, М.М. Болотських// Бюл. №11, 10.06.2009.

8. Болотских Н.Н. Определение плотности теплового потока в производственных помещениях, отапливаемых с помощью темных газовых инфракрасных нагревателей. /Н.Н. Болотских//. Материалы 5-й Международной научно-технической конференции «Новини от добрата наука - 2009», том 18 «Технологии», Болгария, г. София, «БялГРАД-БГ» ООД, 2009. С. 65-72.

Размещено на Allbest.ru