Удк.697.7

Болотских Н.Н. 

Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ, ОТАПЛИВАЕМЫХ С ПОМОЩЬЮ ТЕМНЫХ ГАЗОВЫХ ИНФРАКРАСНЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ

 

В докладе освещены основные сведения о разработанной новой методике и компьютерных программах расчета плотности теплового потока в производственных помещениях, отапливаемых темными газовыми инфракрасными обогревателями, приведены конкретные примеры расчетов с их применением, даны рекомендации по их дальнейшему использованию в практике проектирования и эксплуатации таких систем отопления.

 

Одним из основных параметров микроклимата в производственных помещениях, отапливаемых с помощью инфракрасных нагревателей, является плотность теплового потока (интенсивность облучения). Величина этого параметра ограничивается соответствующими нормативными документами (ГОСТами, СНиПами и Санитарными нормами и правилами). К сожалению,  величины допустимой интенсивности облучения, содержащиеся в этих нормативных документах, в различных странах неодинаковы. Кроме того, подходы к расчету этого весьма важного параметра  также различны. Чаще всего рассчитывается средняя величина этого параметра по всей отапливаемой площади пола. Вместе с тем, как показали проведенные нами экспериментальные исследования на ряде промышленных предприятий г. Харькова, интенсивности облучения в различных точках отапливаемого пространства существенно отличаются друг от друга. Поэтому расчет облученности следует вести не по среднему показателю, а из условия выявления мест с максимальными значениями интенсивности облучения при принятой конкретной схеме отопления.

Для отопления производственных помещений в последние годы все большее применение находят энергосберегающие автономные системы с применением темных газовых трубчатых инфракрасных нагревателей.

Для расчета интенсивности облучения при использовании таких систем отопления в Харьковском государственном техническом университете строительства и архитектуры разработана новая экспериментально проверенная методика и компьютерные программы.

В отличие от светлых у темных нагревателей температура излучающей поверхности не постоянна. На поверхности излучающей трубы вдоль ее оси она изменяется  от максимальных значений (≈ 400°С) до минимальных (≈ 180°С). Поэтому при разработке методики расчета излучающая труба нами рассматривалась  как последовательность бесконечного числа излучающих элементов, имеющих постоянную температуру [1].

Согласно закона Стефана-Больцмана количество теплоты, передаваемой излучением, может быть определено по выражению [2,3]

                           ,                              (1)                      

где со = 5,6703  Вт/(м2∙К) –  излучательная способность абсолютно черного тела; ξ1-2 – приведенная степень черноты участвующих в теплообмене поверхностей; Н1-2 – взаимная площадь излучения поверхностей, м2; Т1 – температура излучающей поверхности, К; Т2 – температура тепловоспринимающей поверхности, К.

Приведенная степень черноты определяется по формуле

                             ,                        (2)

где ξ1 – степень черноты излучающей поверхности; ξ2 – степень черноты тепловоспринимающей  поверхности; F1 – площадь поверхности излучения, м2; F2 – площадь тепловоспринимающей поверхности, м2.

При отоплении производственных помещений с помощью темных инфракрасных нагревателей в лучистом обмене участвуют две интересующие нас поверхности: 1 –  поверхность излучателя (f1) и 2 –  поверхность головы человека (площадь поперечного сечения –  f2).

Плотность лучистого теплового потока (интенсивность облучения) определяется по выражению

                                                .                                             (3)

Используя известные приемы стереометрии, изложенные в [2,3], а также принимая для упрощения вывода температуру поверхности головы человека равной 37°С ( Т2 = 273 + 37 = 310°К) и форму головы человека шарообразной с площадью сечения f2 = 0,03 м2, после соответствующих преобразований получаем упрощенное выражение для подсчета интенсивности облучения в виде [2]

                                           ,                             (4)

где  - высота элементарного участка излучателя, отсчитываемая от уровня головы человека, м; - расстояние между центрами двух, участвующих в теплообмене, площадок, м;      t1 – температура излучающей поверхности, °С.

Формула (4) справедлива для светлых (точечных или панельных) инфракрасных нагревателей либо для любых элементарных участков поверхности излучающей трубы  темных инфракрасных нагревателей. С учетом полученных в [2,3] зависимостей формулу для определения интенсивности облучения на уровне головы человека темным инфракрасным нагревателем можно записать в виде интеграла

                  (5)

где h – высота подвеса нагревателя, отсчитываемая от уровня облучаемого объекта, м; α  - угол наклона плоскости излучателя к горизонтали, град; ΔZ – продольное расстояние от облучаемого объекта до точки  подсоединения горелки к излучателю, м; Δу – поперечное отклонение облучаемого объекта от оси излучателя, м; ; l –  текущая координата вдоль оси излучателя, м; L – длина трубы  излучателя, м; S – ширина отражателя, м; ξ1 – степень черноты излучающей трубы; t(х') – текущая температура поверхности излучающей трубы, °С.

При включении темных инфракрасных нагревателей происходит сложный  теплообмен. Продукты сгорания газа нагревают внутреннюю поверхность излучающей трубы. Затем за счет теплопроводности нагревается наружная поверхность излучающей трубы. И, наконец, последняя отдает тепло лучистым путем, а  частично и путем конвекции, отапливаемому пространству.

Величину температуры t(х') можно получить  с использованием известных классических зависимостей сложного теплообмена [4,5,6], а также закона Ньютона-Рихмана [5], записанного в виде дифференциального уравнения теплоотдачи

                                     W·dt = – КТ (t – tо) dl ,                                    (6)

где  W – расходная теплоемкость продуктов сгорания, Вт/К

;

Gnc – массовый расход продуктов сгорания, кг/с; – средняя теплоемкость продуктов сгорания, Дж/кг·К; КТ – местный коэффициент теплоотдачи от потока продуктов сгорания к стенке трубы на единицу длины, Вт/м; t – температура продуктов сгорания, °С; tо – температура окружающей среды продуктов сгорания газа, °С.

Для решения этого уравнения, а также получения величин и характера распределения температуры по наружной поверхности излучающей трубы вдоль ее оси в системе МАТLАВ 7 [7] составлена компьютерная программа. На рис. 1 приведен график распределения температуры (кривая 2), построенный с помощью этой программы для реального  темного инфракрасного обогревателя, используемого для отопления цеха по производству печенья Харьковской кондитерской фабрики. Мощность этого обогревателя – 30 кВт, длина 10 м, диаметр трубы – 102 м и высота его подвески – 4,5 м.

Рис. 1. Графики изменения  температуры вдоль оси излучающей трубы:

1 – продуктов сгорания; 2 – ее наружной поверхности; 3 – окружающего воздуха в отапливаемом помещении.

Для   расчета  интенсивности  облучения  необходимо решить  уравнение (5). Точное интегрирование этого уравнения невозможно. Поэтому для его решения используем метод численного интегрирования Симпсона в системе МАТLАВ 7 [7]. На базе выше приведенных формул и методов разработана специальная  компьютерная программа расчета интенсивностей облучения одним темным инфракрасным нагревателем и построения соответствующих графиков и поверхностей облученности. На рис. 2 представлен график облученности на уровне головы человека вдоль оси излучателя, построенный для реального обогревателя, используемого для целей отопления цеха машиностроительного предприятия «Спецкран». Мощность этого обогревателя – 30 кВт и высота его подвески – 3,5 м.

Рис. 2. График изменения интенсивности облучения на уровне головы человека вдоль оси излучателя

Компьютерная программа позволяет также рассчитывать и строить поверхности распределения интенсивностей облучения на уровне головы человека по территории отапливаемого помещения.  На рис. 3, для примера, приведена поверхность распределения интенсивностей облучения, построенная для инфракрасного нагревателя ТL.Е-23 «SOLARTUBE» длиной 8 м.

Рис. 3. Поверхность распределения интенсивностей облучения на уровне головы человека вдоль оси нагревателя

С использованием метода суперпозиции (наложения) также разработана программа расчета и построения эпюр интенсивности облучения при отоплении производственных помещений с применением нескольких инфракрасных обогревателей.

На рис. 4,  для примера, приведена эпюра суммарной интенсивности облучения на уровне головы человека в помещении шириной 20 м, отапливаемом  двумя  темными нагревателями, подвешенными на расстоянии 5 м  от стен (поперечное сечение).

 

Рис. 4. Эпюра суммарной интенсивности облучения на уровне головы человека в помещении, отапливаемом двумя темными инфракрасными нагревателями (поперечное сечение помещения по середине излучателя)

 

С целью проверки достоверности полученных зависимостей и программ в реальных производственных условиях были проведены обширные специальные экспериментальные исследования. Некоторые из них приводятся ниже.

На  Харьковской кондитерской фабрике с помощью фотопирометра МХ-6 были проведены замеры температуры поверхности излучающей трубы. Эти данные замеров нанесены точками на теоретический график, представленный на рис. 1 (кривая 2).

Кроме  того, на машиностроительном предприятии «Спецкран» с помощью радиометра РАТ-2П-Кварц-41 были  произведены замеры интенсивности облучения на уровне головы человека вдоль оси излучателя. Эти данные замеров также нанесены точками на теоретический график, представленный на рис. 2.

Как видно из рассмотрения рисунков (Рис. 1 и 2),  сходимость  теоретических данных с экспериментальными на большей части длины нагревателей  удовлетворительная. Расхождение экспериментальных и теоретических значений интенсивности облучения на участке, расположенном на расстоянии 2-4 м от горелки (Рис. 2),  объясняется тем, что вследствие длительной эксплуатации нагревателя и наличия на этом участке цеха достаточного  количества источников пыли и различных паров излучающая труба и рефлектор были сильно загрязнены. Поэтому несмотря на хорошее совпадение теоретических и экспериментальных значений температуры наружной поверхности излучающей трубы (Рис. 1, кривая 2) фактическая излучательная способность нагревателя в этом месте оказалась ниже теоретической.

Кроме того, на участке длиной около 1 м (вдоль оси трубы, начиная от горелки) на  обоих графиках (рис. 1 и 2) заметно существенное несовпадение теоретических и экспериментальных данных. Это обстоятельство объясняется следующим. На этом коротком участке излучающей трубы длинной около 1 м еще распространяется горящий факел (мягкое, вытянутое вдоль пламя), образовавшийся в горелке.

Доказано [8], что по своей физической природе теплоотдача  факела не идентична с теплоотдачей продуктов сгорания, перемещающихся вдоль излучающей трубы. Поэтому аналитические зависимости и методика расчета температуры поверхности трубы и интенсивности излучения на этом коротком участке должны быть другими.

Учитывая то, что максимум  температуры, а, следовательно, и максимум интенсивности облучения наступают в конце этого периода «стабилизации» факела, то при выполнении инженерных расчетов систем лучисто-воздушного отопления с помощью темных инфракрасных нагревателей с достаточной степенью точности можно использовать приведенные выше формулы и компьютерные программы, так как конечной целью всех этих расчетов есть поиск максимальных значений, прежде  всего интенсивности облучения.

Разработанные  формулы и компьютерные программы могут быть использованы для выполнения инженерных расчетов, как при проектировании, так и при  эксплуатации систем лучисто-воздушного отопления с применением темных инфракрасных нагревателей. При этом во всех случаях следует иметь в виду то, что  полученные значения интенсивности облучения в рабочей зоне должны быть всегда ниже нормативных значений.  

ВЫВОДЫ:

1.     Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что при использовании для целей отопления темных инфракрасных обогревателей  значения интенсивности облучения на уровне головы человека в различных точках рабочего пространства существенно отличаются друг от друга.

2.     При проектировании и эксплуатации систем отопления с использованием темных газовых инфракрасных нагревателей следует больше уделить внимания параметру интенсивность облучения. Его  величина всегда должна  не  превышать нормативные значения.

3.     Для расчета величины интенсивность облучения в любой точке рабочего пространства помещения, отапливаемого с помощью темных инфракрасных нагревателей, разработаны необходимые аналитические зависимости, методика и компьютерные программы. Их достоверность подтверждена экспериментальными данными, полученными на ряде предприятий в г. Харькове.

4.     Разработанные методика и компьютерные программы могут быть использованы для выполнения инженерных расчетов как при проектировании, так и при эксплуатации систем отопления с помощью темных инфракрасных нагревателей. Они могут быть  также использованы для экспертизы принятых проектных решений на предмет соблюдения требований нормативных документов по интенсивности облучения.

 

ЛИТЕРАТУРА.

 

1. Иродов В.Ф. Математическое моделирование элементарного участка системы воздушно-лучистого отопления /В.Ф. Иродов, Л.В.Солод, А.В.Кобыща // Вiсн. Приднiпров. держ. акад. буд-ва та архiтектури. – 2001. – № 4. – с.41-46.

2.          Шумилов Р.Н., Толстова Ю.И., Поммер  А.А. Совершенствование методики расчета лучистого отопления// Материалы международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». М.: МГСУ, 2005, с. 107-112.

3.          Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с.

4. Алабовский А.Н., Недужный И.А. Техническая термодинамика и теплопередача. – К.: Вища школа, 1990. – 255 с.

5. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.: Энергия, 1977. – 344 с.

6. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. – М.: Энергоиздат, 1990. – 367 с.

7. Алексеев Е.Р.,  Чеснокова  О.В.   MATLAB 7. – М.: НТ   Пресс,  2006.  – 464 с.

8. Безуглов А.Е. Стохастическая модель теплового излучения от факела горящей жидкости // Науковий вiсник будiвництва. – Харкiв: ХДТУБА, ХОТВ Академiї будiвництва України, 2008. – вип. № 50. – с. 207-210.