Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

Пятачков Виктор Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ

РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНОГО ОТОПЛЕНИЯ

ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция,

кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Пенза Ц 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования

Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова

Научный руководитель:                доктор технических наук, профессор

                 Голяк Сергей Алексеевич

Официальные оппоненты:        доктор технических наук, профессор

кафедры городского хозяйства и строительства

ФАОУ ДПО Государственная академия повышения квалификации и переподготовки кадров для строительства и жилищно-коммунального комплекса

       Брюханов Олег Николаевич

 

         кандидат технических наук, профессор

кафедры ТГВ ФГБОУ ВПО Пензенский государственный

университет архитектуры и строительства

Прохоров Сергей Григорьевич

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Оренбургский государственный университет

Защита состоится л 22   мая  2012 г. в л 14.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.184.02 при ФГБОУ ВПО Пензенский государственный университет архитектуры и строительства по адресу: 440028, г. Пенза, ул. Г. Титова, 28, корпус 1, конференц-зал, тел./факс +7(8412) 48-74-76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Пензенский государственный университет архитектуры и строительства.

Автореферат разослан л 20   апреля  2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета                                                                                                                                                Алексеева Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные производственные помещения характеризуются большими объемами: высота - более 5 м, площадь - более 100 м2. Основную часть в них занимает технологическое оборудование. Местонахождение и время пребывания производственного персонала в этих помещениях носит неравномерный характер.

Конвективные системы отопления для таких помещений, по оценкам специалистов, недостаточно эффективны с точки зрения создания комфортных условий для персонала и по технико-экономическим показателям.

Эти обстоятельства требуют использования новых - более эффективных решений в области радиационно-конвективных систем отопления, на основе газовых инфракрасных излучателей.

Системы радиационно-конвективного отопления позволяют получить в производственном помещении необходимые параметры микроклимата с меньшими затратами энергоресурсов. Их преимущество состоит в передаче большей части тепловой энергии от теплогенератора в зону обогрева электромагнитным излучением.

Задача создания системы радиационно-конвективного отопления, совмещающей требования по обеспечению нормируемых параметров микроклимата в помещении и энергоэффективности, для рассматриваемого типа помещений, окончательно не решена.

Актуальным является разработка новых решений радиационно-конвективных систем отопления, обеспечивающих требуемое качество микроклимата в месте нахождения производственного персонала, технологического оборудования и снижение энергозатрат.

Цель работы - повышение технической эффективности и снижение энергозатрат систем радиационно-конвективного отопления на основе газовых инфракрасных излучателей.

Задачи исследования:

  • провести анализ существующих систем отопления и обогрева с применением высокоинтенсивных и низкоинтенсивных газовых инфракрасных излучателей для определения направлений их совершенствования;
  • разработать радиационно-конвективную систему отопления с применением в качестве нагревательных приборов высокоинтенсивных и низкоинтенсивных газовых инфракрасных излучателей;
  • выполнить уточнение методики расчета систем радиационно-конвективного отопления;
  • усовершенствовать конструкцию высокоинтенсивного газового инфракрасного излучателя на основе регулируемого элемента рефлектора;
  • выполнить технико-экономическую оценку результатов проведенных исследований.

Объектом исследования являются системы радиационно-конвективного отопления производственных помещений большого объема.

Предметом исследования являются газовые инфракрасные излучатели.

Научная новизна:

  • теоретически обосновано и практически подтверждено влияние источников излучения на эффективность функционирования систем радиационно-конвективного отопления;
  • разработана методика выбора источников излучения в системах радиационно-конвективного отопления;
  • получена математическая зависимость для определения температуры воздуха в производственном помещении при установке газовых инфракрасных излучателей с отражательными пластинами.

Практическая значимость и реализация диссертации:

  • предложен и апробирован способ рационального применения высокоинтенсивных газовых инфракрасных излучателей в сочетании с низкоинтенсивными, что повышает техническую эффективность системы радиационно-конвективного отопления, снижает ее стоимость на 4050 % и уменьшает эксплуатационные затраты на 2030 %;
  • определены рациональные режимы работы низкоинтенсивных газовых инфракрасных излучателей;
  • разработана конструкция газового инфракрасного излучателя с энергосберегающим элементом, повышающим качество обогрева и позволяющим регулировать направление инфракрасного излучения, что обеспечивает снижение энергетических затрат на одной установке до 5 %;
  • разработаны рекомендации для проектирования систем радиационно-конвективного отопления с использованием высокоинтенсивных и низкоинтенсивных газовых инфракрасных излучателей;
  • результаты работы внедрены на предприятии ЗАО Магнитогорскгазстрой, г. Магнитогорск, Челябинская область с подтвержденным экономическим эффектом, который за один отопительный сезон составил более 340 тыс. рублей в ценах 2011 г.;
  • научно-практические результаты работы включены в учебно-методические материалы для студентов специальности Теплогазоснабжение и вентиляция, а также  используются при чтении дисциплин  Отопление, Теплогазоснабжение и вентиляция в Магнитогорском государственном техническом университете.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

  • на 65-й научно-технической конференции Инновации молодых ученых г. Магнитогорск, МГТУ, 2007 г.,
  • на Международной научно-технической конференции Актуальные проблемы современного строительства г. Пенза, ПГУАС, 2007 г.,
  • на XII Международной научно-технической конференции Проблемы строительного комплекса России г. Уфа, УГНТУ, 2008 г.,
  • на Х Уральской научно-практической конференции Строительство и образование г. Екатеринбург, УПИ, 2008 г.,
  • на 10-й Всероссийской научно-практической конференции Энергетики и металлурги настоящему и будущему России г. Магнитогорск, МГТУ, 2009 г.,
  • на III заключительном туре всероссийского конкурса дипломных проектов и работ, г. Волгоград, ВолгГАСУ, 2009 г.,
  • International scientific conference УModern high technologiesФ, Egypt, 2010 г.,
  • на Всероссийской научно-практической конференции Теплогазоснабжение: состояние, проблемы, перспективы, г. Оренбург, ОГУ, 2011 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 25 научных работ, из них по теме диссертации 15, в том числе 4 статьи в журналах из перечня ВАК и 1 патент Российской Федерации.

Методы исследований: анализ и обобщение опыта использования газовых инфракрасных излучателей в системах радиационно-конвективного отопления, экспериментальные исследования, методы математической статистики.

Достоверность полученных результатов основана на комплексном характере исследований, корректном применении известных фундаментальных законов, и подтверждается использованием сертифицированного поверенного измерительного оборудования, удовлетворительным совпадением результатов полученных расчетных и экспериментальных данных, положительными результатами опытно-промышленной эксплуатации технических разработок автора.

ичный вклад автора заключается в выборе темы диссертации, формулировке цели и основных задач, проведении теоретических и экспериментальных исследований, с последующим анализом полученных результатов. Самостоятельно проведена апробация усовершенствованной системы радиационно-конвективного отопления и осуществлено ее внедрение в производство и в учебный процесс.

На защиту выносятся:

  • разработанная система радиационно-конвективного отопления с использованием высокоинтенсивных и низкоинтенсивных газовых инфракрасных излучателей;
  • уточненные уравнения теплового баланса помещений с использованием коэффициента загруженности нагревательных приборов;
  • усовершенствованная конструкция высокоинтенсивного газового инфракрасного излучателя, повышающая качество обогрева зданий и сооружений, позволяющая регулировать направление отраженного инфракрасного излучения;
  • методика выбора источников излучения систем радиационно-конвективного отопления.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка из 111 наименований и 6 приложений. Полный объем диссертации 173 страница, включая 58 рисунков и 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены научная новизна и практическая значимость работы, данные о внедрении и апробации результатов исследования.

В первой главе выполнен анализ отечественного и зарубежного опыта по рассматриваемым вопросам.

Решениям задач совершенствования систем отопления посвящены работы таких ученых как: Богословский В.Н., Сканави А.Н., Еремкин А.И., Кувшинов Ю.Я., Гусев В.М., Ионин А.А., Староверов И.Г. и др.

Вопросам исследования и разработки систем радиационно-конвективного отопления (РКО) посвятили свои работы отечественные и зарубежные ученые, такие как: Равич М.Б., Брюханов О.Н., Миссенар Ф.А., Брамсон М.А., Богомолов А.И., Вигдорчик Д.Я., Маевский М.А., Банхиди Л., Мачкаши А., Родин А.К., Фангер П.О., Прохоров С.Г. и другие авторы.

Существующие системы радиационно-конвективного отопления состоят только из высокоинтенсивных светлых (ВГИИ) или низкоинтенсивных темных газовых инфракрасных излучателей (НГИИ).

Применяющиеся методики расчета установочной мощности радиационно-конвективных систем отопления на основе ГИИ, как показывает анализ, не обеспечивают стабильность их работы. Эти методики не учитывают необходимость ограничения времени непрерывной работы низкоинтенсивных темных газовых инфракрасных излучателей.

Анализ научно-исследовательской, нормативной и технической литературы показал, что системы отопления, использующие в качестве источников отопления газовые инфракрасные излучатели, сравнительно недавно начали широко применяться в производственных помещениях большого объема. Следовательно, возникает необходимость уточнения методики расчета систем радиационно-конвективного отопления с учетом типов инфракрасных излучателей и возможности их совместного применения.

Проведенный анализ показал, что на производственных объектах для обеспечения условий теплового комфорта производственного персонала целесообразно применять газовые инфракрасные излучатели (ГИИ), при этом необходимо обеспечить допустимый уровень теплового излучения. Для учета варьируемых условий работы производственных объектов, размещения технологического оборудования, возможности возникновения неоднородных температурных полей необходимо учитывать конвективный теплообмен внутри помещений. Существующие радиационно-конвективные системы отопления на основе ГИИ, как показывает анализ, требуют совершенствования в отношении определения режима их работы.

Методика расчета систем радиационно-конвективного отопления с использованием ГИИ, исходя из проведенного анализа, должна включать в себя:

  • разработку системы отопления производственного объекта с учетом его архитектурно-строительных и технологических особенностей;
  • разработку схемы отопления на основе двух типов ГИИ для обеспечения нормативных параметров микроклимата;
  • расчет установочной мощности системы радиационно-конвективного отопления;
  • определение необходимого числа инфракрасных излучателей с учетом режима их работы;
  • учет времени нахождения производственного персонала в рабочей зоне.

Во второй главе исследованы теоретические основы функционирования радиационно-конвективных систем отопления с применением в качестве нагревательных приборов газовых инфракрасных излучателей, а также выявлены особенности режимов работы высокоинтенсивных и низкоинтенсивных излучателей.

Газовые инфракрасные излучатели, которые наиболее широко применяются в практических условиях, делятся на два типа:

  • первый - низкоинтенсивный или тёмный ГИИ, температура теплоотдающей поверхности от 100 до 550 С;
  • второй тип - высокоинтенсивный ГИИ или светлый, температура его теплоотдающей поверхности от 800 до 1200 С.

Светлые газовые инфракрасные излучатели значительно дешевле по сравнению с темными. Эксплуатационные затраты у этого типа излучателей меньше, а теплоотдача излучением по сравнению с НГИИ более высокая. В действующих в настоящее время в России нормативных документах существуют ограничения по допустимой плотности теплового потока.

Существующие методики расчёта систем радиационно-конвективного отопления не учитывают возможность комбинирования двух типов нагревательных приборов в системах отопления производственных помещений большого объема. Результаты теоретических исследований были рассмотрены на примере действующих цехов ОАО Магнитогорский металлургический комбинат (ОАО ММК). Полученные результаты являлись исходными данными для разработки новых систем радиационно-конвективного отопления.

В диссертации разработана схема радиационно-конвективной системы отопления с учетом времени пребывания производственного персонала на рабочих местах. Ремонтная зона (а) (F=580 м2) является местом с постоянными рабочими местами. При обогреве зоны с постоянными рабочими местами НГИИ, обеспечивается комфортная температура с соблюдением санитарных норм. Над технологическим оборудованием и в зонах кратковременного пребывания производственного персонала (общая F=4935 м2) требуемая температура обеспечивается ВГИИ.

Высота цеха у боковых ограждающих конструкций Н=16000 мм. В связи с большой высотой помещения нагревательные приборы (а) размещены на боковых и торцевых стенах, высота размещения Н=68 м (рис. 1). При увеличении высоты подвеса (б), как показывают исследования, возрастает установочная мощность системы отопления, а значит, увеличиваются капитальные затраты, расход газа, а вместе с ними и эксплуатационные расходы в целом.

В производственном помещении находится ремонтная зона, где рабочие во время ремонтов находятся 8095 % рабочего времени. Анализ исследований показал, что допустимым для длительного пребывания производственного персонала в помещении, обогреваемом ВГИИ, является значение плотности потока теплового излучения от 36 до 130 Вт/м2, расхождение значений в диапазоне объясняется различием в методиках физиолого-гигиенических исследований.

В связи с этим схема, с применением только ВГИИ, не может быть реализована, т.к. плотность теплового излучения в этом случае превышает 150 Вт/м2, что возможно только в местах кратковременного пребывания производственного персонала - менее 2 часов непрерывно, или менее 50 % рабочего времени. В связи с этим предложена система отопления с применением различных типов излучателей, которая соответствует существующим нормам и является в настоящее время новым этапом оптимизации систем радиационно-конвективного отопления, повышающим их эффективность.

Над ремонтной площадкой размещаются НГИИ, у которых более равномерно распределяется тепловое излучение и его максимальное значение не превышает 150 Вт/м2.

Как показали выполненные нами исследования, в производственных помещениях большой высоты, наиболее эффективным является размещение нагревательных приборов на высоте 67 м от пола. Крепить излучатели при этом можно только к ограждающим конструкциям и под углом к полу, т.к. основная часть производственных помещений имеет кран-балки.

Анализируя характер потоков инфракрасного излучения, было установлено, что при размещении газовых инфракрасных излучателей (ГИИ) под углом к горизонтальной площадке (полу), часть отраженного от рефлектора (а) дисперсного излучения попадает на холодную кровлю и стены, что приводит к увеличению теплопотерь (рис. 1, 2).

Рис.1. Схема потоков инфракрасного излучения в производственном помещении, обогреваемом серийными ГИИ: а - расположение ГИИ на ограждающих конструкциях; б - расположение ГИИ под кровлей

При горизонтальном размещении ГИИ (б) когда Y=0; а1=d=0, часть основного и часть отраженного от рефлектора излучения попадает на холодные стены, что приводит к увеличению теплопотерь через стены (рис. 1, 3). Разработанный алгоритм проектирования радиационно-конвективной системы отопления на основе уточнения параметров УТБ позволяет выбрать оптимальную схему отопления.

Рис. 2. Схема взаимного расположения излучателя и элементарной площадки

Рис. 3. Схема взаимного расположения излучателя и облучаемой поверхности при Y=0; а1=d=0

Как показал проведенный нами анализ, в существующих на сегодняшний день методиках расчёта установочной мощности систем радиационно-конвективного отопления не учитывается режим работы НГИИ. Это, в свою очередь, при понижении температуры наружного воздуха приводит к сокращению срока эксплуатации и преждевременному выходу их из строя. Поэтому, в расчете установочной мощности системы радиационно-конвективного отопления необходимо учитывать ограничения времени непрерывной работы НГИИ и обеспечить оптимальную периодичность работы излучателей. Для этого было введено понятие коэффициент загруженности нагревательных приборов.

Задача была решена с помощью приведенных уравнений теплового баланса (УТБ):

, Вт,                                                                                                                  (1)

где: - теплопоступления, Вт, - теплопотери, Вт.

, Вт,                                                                                        (2)

где - коэффициент загруженности НГИИ; - суммарные теплопоступления от газовых инфракрасных излучателей, Вт; - общие тепловыделения в производственном помещении: от технологического оборудования, освещения, технологических процессов, производственного персонала и пр., Вт.

, Вт,                                                                                               (3)

где - теплопотери через ограждающие конструкции, Вт; - затраты теплоты на нагрев воздуха поступающего в помещение снаружи за счет инфильтрации и вентиляции, Вт; - потери теплоты на нагрев производственных изделий, оборудования, материалов, транспортных средств, поступающих в производственное помещение снаружи, Вт.

Коэффициент загруженности определяется по формуле:

       ,       (4)

где Тпд - предельно допустимое количество часов работы НГИИ в сутки (устанавливается в зависимости от класса оборудования в диапазоне от 16,8 до 21,6 часов в сутки);

Тф - фактическое количество часов работы НГИИ в сутки.

Коэффициент загруженности в уравнение теплового баланса вводится при >1, если фактическое количество часов работы НГИИ превышает допустимое, т.е. Тф> Тпд .

Коэффициент загруженности можно определить по графику на рис. 4.

Рис. 4. График зависимости коэффициента загруженности НГИИ от фактического количества часов работы НГИИ

В результате проведенных исследований установлено, что для учета технологических и конструктивных особенностей при проектировании радиационно-конвективных систем отопления с использованием ВГИИ и НГИИ, а также их комбинаций, необходимо учитывать такие факторы, как взаимное расположение излучающей и нагреваемой поверхностей, время пребывания производственного персонала в помещениях, коэффициент загруженности НГИИ, а также мощность системы отопления.

Для совершенствования системы радиационно-конвективного отопления, с учетом уточнения параметров УТБ, была составлена блок-схема (рис.5).

Блок-схема разработана с учетом расчета установочной мощности систем радиационно-конвективного отопления, в которых применяются газовые инфракрасные излучатели, поэтапного уточнения параметров теплового баланса помещений, хронометрического анализа технологической схемы, а также функционального анализа комбинированной системы отопления на основе ГИИ.

Рис. 5. Блок-схема разработки радиационно-конвективной системы отопления на основе уточнения параметров УТБ

Разработанный алгоритм проектирования радиационно-конвективной системы отопления на основе уточнения параметров УТБ позволяет выбрать оптимальную схему отопления.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию функционирования ГИИ в радиационно-конвективных системах отопления производственных зданий большого объема.

В качестве рабочей, была выдвинута гипотеза о том, что совершенствование системы радиационно-конвективного отопления производственных объектов при помощи разработанной нами методики позволит существенно повысить техническую эффективность и снизить энергозатраты на создание требуемых условий микроклимата в производственных помещениях большого объема. Данная методика включает в себя:

  • применение на практике рациональных режимов работы темных газовых инфракрасных излучателей;
  • введение в уравнение теплового баланса коэффициента загруженности инфракрасных излучателей;
  • применение алгоритма разработки радиационно-конвективной системы отопления на основе уточнения параметров УТБ;
  • проверочный расчет на допустимость интенсивности теплового излучения;
  • внедрение на практике запатентованной полезной модели стенового инфракрасного излучателя.

Экспериментальные исследования проводились с использованием оборудования  ЗАО Магнитогорскгазстрой, обслуживающем по договорам подряда производственные цеха ОАО Магнитогорский металлургический комбинат. В качестве основной экспериментальной площадки было выбрано здание грязных оборотных циклов водоснабжения сортового цеха ОАО ММК. До проведения эксперимента и на первом этапе эксперимента в нем было установлено 30 светлых ВГИИ мощностью 46 кВт каждый (рис. 6).

Рис 6. Схема системы отопления цеха с использованием светлых газовых инфракрасных излучателей (I этап): а - ремонтная зона, б - помещение для хранения инструментов и оборудования, в - офисы и подсобные помещения, г - светлые высокоинтенсивные газовые инфракрасные излучатели, д - зона установки флокуляторов, е - зона установки насосного оборудования

Для оценки эффективности предложенной методики совершенствования системы радиационно-конвективного отопления были выбраны такие параметры, как: распределение по высоте температуры внутри производственного помещения, часовой расход газа (м3/час) и расход электроэнергии (кВт-час). При измерении температуры внутри помещения на разной высоте применялся прибор Термогигрометр "ТКА-ПКМ". Для измерений температуры наружных ограждающих конструкций использовался пирометр Raytek ST.

Для более точной проверки теоретических исследований, замеры производились в дни, когда реальные климатические условия были наиболее приближены к расчетным.

Эксперимент проводился в три этапа:

I этап - 2006-2007 г. - проведение контрольных замеров в экспериментальном здании с системой радиационно-конвективной отопления с установленными ВГИИ на уровне 10 м, разработка гипотезы исследования, теоретическое обоснование эксперимента.

II этап - 2008-2009 г. - проектирование и монтаж радиационно-конвективной системы отопления, проведение замеров в экспериментальном здании с комбинированной радиационно-конвективной системой отопления с установленными 14 ВГИИ на уровне 10 м, 8 - на высоте 6 м, и НГИИ стандартной конструкции на уровне 10 м, корректировка рабочей гипотезы, разработка полезной модели ВГИИ настенного типа, разработка методов технико-экономического обоснования проведенного исследования. На данном этапе в здании было установлено 22 ВГИИ 46 кВт в комбинации с 10 НГИИ мощностью 50 кВт (рис.7).

Рис. 7. Схема системы отопления цеха с использованием в качестве нагревательных приборов двух типов газовых инфракрасных излучателей (II этап): а - ремонтная зона, б - помещение для хранения инструментов и оборудования, в - офисы и подсобные помещения, г - газовые инфракрасные излучатели, д - зона установки флокуляторов, е - зона установки насосного оборудования

III этап - 2010-2011 г. - статистическая обработка и технико-экономическое обоснование результатов исследования.

На исследуемом объекте, оборудованном системой отопления на основе ГИИ, с интервалом по высоте 1м, произведены многоуровневые замеры температуры воздуха внутри помещения при различных температурах наружного воздуха и различных схемах радиационно-конвективной системы отопления, которые позволили:

  • подтвердить стабильность работы спроектированной в соответствии с разработанной методикой радиационно-конвективной системы отопления;
  • установить точное соответствие фактической температуры воздуха в помещении расчетной температуре;
  • определить критические точки в распределении температур внутри производственного помещения (на уровне 0,3 м от пола, на уровне установки ГИИ и под кровлей цеха);
  • выявить характер распределения локальных температур по высоте здания производственного назначения (рис.8).

Проведенные исследования показали, что радиационно-конвективная система отопления с применением только ГИИ светлого типа, установленных под кровлей здания большой высоты (более 10м), является малоэффективной для обеспечения комфортных условий в рабочей зоне. Комбинированная радиационно-конвективная система отопления, использующая как ВГИИ, так и НГИИ, позволяет обеспечить оптимальные комфортные условия труда, но при этом имеет существенный недостаток - образование тепловой подушки под кровлей здания. В тоже самое время, применение ВГИИ настенного типа взамен НГИИ, позволяет существенно (на 12 С) снизить этот эффект.

Для оценки достоверности полученных результатов был применен автоматический расчет t-критерия Стьюдента (tЭмп=32,4) для малых выборок, который подтвердил достоверность полученных результатов.

Для определения температуры ограждающих конструкций стен замеры выполнялись на 8 уровнях: 1) 0; 2) 500 мм; 3) 1000 мм; 4) 2000 мм; 5) 3000 мм; 6) 6000 мм; 7) 7000 мм;

8) 10000 мм.

Проведенные исследования показали, что радиационно-конвективная система отопления с применением только ВГИИ светлого типа, установленных под кровлей здания большой высоты (более 10 м) является малоэффективной для обеспечения комфортных условий в рабочей зоне, комбинированная радиационно-конвективная система отопления, использующая как ВГИИ, так и НГИИ, позволяет обеспечить оптимальные комфортные условия труда, но при этом имеет существенный недостаток - образование тепловой подушки под кровлей здания, в то время, как применение ВГИИ настенного типа взамен НГИИ, позволяет существенно (на 12 0С) снизить этот эффект.

Рис. 8. График изменения температуры по высоте здания производственного назначения, оборудованного системой отопления на основе газовых инфракрасных излучателей

В связи с тем, что при комбинированной радиационно-конвективной системе отопления, может быть значительно снижена температура наружных стен, а, следовательно, и теплопотери здания, и затраты на отопление, при проведении эксперимента рассмотрено изменение температуры ограждений (C) от высоты (м) здания производственного назначения. Замеры проводились на уровне пола, 0,3 м, 1 м, 2 м, 3 м, 6 м , 7 м и 10 м. Уровень установки настенных ВГИИ на высоте 6 м, уровень установки потолочных ВГИИ - 10 м.

Для оценки тесноты связи между t и h использовался выборочный коэффициент корреляции R, значения которого лежали в интервале от 0,98 до 0,99.

Эмпирические зависимости температуры t от h получены по методу наименьших квадратов для линейной зависимости c использованием пакета прикладных программ Math Lab (пакет статистика), после стандартной подготовки экспериментальных данных. В качестве целевой функции использовался полином 4Цй степени (, , , , - коэффициенты функции, h - высота измерения) и получены оптимальные адекватные зависимости.

На рис. 9 показана развертка угла 1 здания производственного назначения и представлены значения температур на одном из угловых участков поверхностей здания.

Рис. 9. Развертка угла здания производственного назначения с усредненными экспериментальными точками замеров температур ограждающих конструкций и элементами технологического оборудования

Данные, полученные в результате этих измерений и их среднее значение (СЗ) по вертикалям (В1, В2, В3) здания производственного назначения, занесены в табл. 13.

На рис. 10-12 представлены характерные графики изменения температуры по ребру угла (В2) и на участках примыкания слева (В1) и справа (В3), из которых видно, что они имеют различный вид. А именно, по ребру угла максимальная температура, имевшая место на момент проведения экспериментов - наименьшая из трех и равная +6 оС. Слева от ребра - температура выше, чем по ребру угла (+12 оС), но ниже, чем температура на участке примыкания справа от ребра угла - +14 оС.

Таблица 1.

Изменение температуры ограждающих конструкций (В1)

№

С

С

С

С

1

0

-5,07

-5,54

-4,87

-5,16

2

0,5

0,19

0,24

-0,12

0,10

3

1

3,14

3,09

2,54

2,92

4

2

3,95

3,69

4,08

3,91

5

3

5,13

5,01

4,46

4,87

6

6

5,77

6,35

6,04

6,05

7

7

5,48

4,07

4,93

5,16

8

10

12,10

11,73

12,26

12,03

29,50

29,88

Рис. 10. График экспериментальных и теоретических значений температур ограждающих конструкций (В1)

Оптимальная адекватная зависимость температуры от высоты измерения t=f(h) по ребру угла (В1) имеет вид:

,  (5)

Таблица 2.

Изменение температуры ограждающих конструкций (В2)

№

С

С

С

С

1

0

-4,53

-5,41

-5,28

-5,07

2

0,5

-3,06

-3,17

-2,71

-2,98

3

1

-1,75

-2,34

-1,98

-2,02

4

2

-1,31

-0,92

-0,99

-1,07

5

3

0,03

0,29

-0,07

0,08

6

6

4,03

5,79

5,05

4,97

7

7

7,58

6,60

6,76

6,98

8

10

5,40

6,12

6,54

6,02

29,50

6,90

Рис. 11. График экспериментальных и теоретических значений температур ограждающих конструкций (В2)

Оптимальная адекватная зависимость t=f(h)  по ребру угла (В2):

, (6)

Таблица 3.

Изменение температуры ограждающих конструкций (В3)

№

С

С

С

С

1

0

-6,53

-7,23

-7,04

-6,93

2

0,5

-3,01

-3,29

-2,92

-3,07

3

1

-1,28

-1,01

-0,71

-1,00

4

2

-2,31

-2,09

-1,48

-1,96

5

3

-1,16

-1,35

-0,62

-1,04

6

6

1,49

1,12

0,46

1,02

7

7

10,06

10,11

9,02

9,73

8

10

13,87

14,54

13,76

14,06

29,50

10,80

Рис. 12. График экспериментальных и теоретических значений температур ограждающих конструкций (В3)

Оптимальная адекватная зависимость t=f(h) по ребру угла (В3):

, (7)

Относительно минимальных температур, которые представлены на графиках, можно отметить следующее. Самая низкая температура имела место справа от ребра угла на расстоянии 2м - - 7 оС. На самом ребре - - 5 оС, а слева от ребра угла также -5 оС.

В процессе исследований были определены радиационная и конвективная составляющие теплоотдачи ВГИИ, распределение температур по ограждающим конструкциям в зоне работы излучателя, а также снижение эффективности, из-за потерь с дисперсным излучением при установке ГИИ под углом к горизонтальной обогреваемой зоне.

Выполненные эксперименты и расчеты, позволили определить направление и способы усовершенствования конструкции излучателя. Для повышения эффективности и регулирования направления дисперсного излучения в зону обогрева излучатель оборудован дополнительным элементом, прямоугольной пластиной-отражателем, внутренняя поверхность которой изготовлена из полированного материала, хорошо отражающего излучение ИК-диапазона, наружная поверхность которой может быть теплоизолирована (рис. 13).

Рис. 13. Полезная модель № 78557 Стеновой инфракрасный излучатель: 1 - блок подачи горючего газа; 2 - камера распределения смеси газ-воздух; 3 - перфорированные керамические насадки; 4 - рефлектор; 5 - пластина-отражатель

Дополнительный элемент, при установке излучателя под углом к горизонтальной площадке позволяет направить излучение в зону обогрева; путем регулировки обеспечить требуемую равномерность облучения горизонтальной площадки, что позволяет уменьшить тепловой напор на кровлю и верхний пояс стен (рис. 14).

Рис. 14. Схема потоков инфракрасного излучения в производственном помещении, обогреваемом с использованием  ВГИИ с отражательными пластинами (полезная модель № 78557): а - расположение ВГИИ на ограждающих конструкциях; б - расположение ВГИИ под кровлей

Была выведена следующая зависимость для определения температуры любой i-ой точки помещения при обогреве с помощью светлого газового инфракрасного излучателя настенного типа:

  , Вт/м2, (8)

 

где: - температура i-ой точки внутри производственного помещения;

- объем отапливаемого здания по внешнему обмеру, м3;

- расчетная разность температуры для основных помещений здания, C;

- продольное расстояние от i-ой точки помещения до точки подсоединения горелки к излучателю, м;

- расстояние от i-ой точки до центра излучающей панели, м;

- расчетные теплопотери здания, Вт;

- высота от уровня пола до i-ой точки помещения, м;

- температура излучающей поверхности ВГИИ, C;

- площадь поверхности излучения панели ВГИИ, в разработанной модели

  , м2; (9)

- длина поверхности излучения панели ВГИИ, м;

- ширина поверхности излучения панели ВГИИ, м;

- высота пластины-отражателя в разработанной конструкции, м;

- угол отклонения пластины отражателя от вертикали.

Сравнение результатов вычисления температуры i-ой точки помещения с экспериментальными замерами в этой же точке, дало погрешность не более 5%, что свидетельствует о достоверности полученной зависимости.

В четвертой главе приведено технико-экономическое обоснование результатов исследований. Анализ проведенного экспериментального исследования подтвердил рабочую гипотезу об эффективности предложенной методики совершенствования систем радиационно-конвективного отопления в производственных помещениях большого объема.

Технико-экономическая оценка разработанной конструкции стенового инфракрасного излучателя подтвердила ее экономическую эффективность. Условно-годовой экономический эффект от внедрения полезной модели ВГИИ настенного типа составляет 61,029 тыс. руб. Затраты на внедрение полезной модели, основываясь на выполненных исследованиях, достаточно быстро окупаются.

Экономический эффект от внедрения разработанных систем радиационно-конвективного отопления на основе совместного применения высокоинтенсивных и низкоинтенсивных газовых излучателей обеспечивается снижением затрат на систему отопления на 5560 % и эксплуатационных расходов на 2830 %, в отличие от применения одного типа газовых инфракрасных излучателей. После внедрения разработанной системы радиационно-конвективного отопления в ЗАО Магнитогорскгазстрой экономический эффект за один отопительный сезон составил более 340 тыс. рублей в ценах 2011 г.

Основные выводы

На основе совершенствования систем радиационно-конвективного отопления и конструкции газовых инфракрасных излучателей в диссертации дано новое решение научно-практической задачи обогрева зданий и сооружений, имеющее существенное значение при проектировании и эксплуатации систем радиационно-конвективного отопления.

1. Установлено, что при разработке систем отопления с повышенными требованиями энергосбережения, экологичности, безопасности работы, а также надежности и долговечности, в системе отопления более целесообразно применение различных типов источников излучения: в зонах постоянного пребывания производственного персонала - НГИИ, в зонах кратковременного пребывания производственного персонала - ВГИИ потолочного и настенного типов.

2. Разработана методика определения и выбора источников излучения в системе радиационно-конвективного отопления, которая позволяет проектировать системы отопления с применением различных типов газовых инфракрасных излучателей, учитывающая особенности зданий и сооружений, времени пребывания производственного персонала.

3. Получен поправочный коэффициент загруженности, для расчета установочной мощности системы РКО с использованием в качестве нагревательных приборов НГИИ.

4. Разработана система регулирования направления инфракрасного излучения на основе новой конструкции ВГИИ которая позволяет снизить затраты на тепловую энергию до 5 % и обеспечить необходимое распределение энергии по облучаемой поверхности. Получена адекватная  математическая зависимость для определения температуры воздуха в производственном помещении при установке светлых газовых инфракрасных излучателей настенного типа с отражательными пластинами.

5. Выполнена оценка экономической эффективности применения ВГИИ совместно с НГИИ, что обеспечивает снижение затрат на устройство системы на 5560 % и эксплуатационных расходов на 2830 %, в отличие от применения одного типа газовых инфракрасных излучателей. Экономический эффект от внедрения разработанной системы радиационно-конвективного отопления в ЗАО Магнитогорскгазстрой за один отопительный сезон составил более 340 тыс. рублей в ценах 2011 г.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

(* - публикации в изданиях, рекомендованных ВАК)

  1. Пятачков В.В. Инфракрасные излучатели рациональные схемы их комбинированного применения [Текст] / С.А. Голяк, В.В. Пятачков // Инновации молодых ученых: сб. докладов 65-й науч.-техн. конф. - Магнитогорск: МГТУ, 2007 г. - С. 102-104.
  2. Пятачков В.В. Технико-экономическое сравнение инфракрасных газовых излучателей в зависимости от их единичной мощности [Текст] / С.А. Голяк, В.В. Пятачков // Актуальные проблемы современного строительства: сб. тез. докладов междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ПГУАС, 2007 г. - С. 98-99.
  3. Пятачков В.В. Исследования области применения ГИИ в промышленном производстве, строительстве и технологических процессах (установках) [Текст] / С.А. Голяк, В.В. Пятачков // Проблемы строительного комплекса России: материалы XII междунар. науч.-техн. конф. - Уфа: УГНТУ, 2008 г. - С. 28-29.
  4. Пятачков В.В. Оптимизация схем радиационно-конвективного отопления на основе газовых инфракрасных излучателей [Текст] / С.А. Голяк, В.В. Пятачков // Строительство и образование: сборник науч. трудов. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2008 г. - № 10 - С. 189-190.
  5. Пятачков В.В. Стеновой инфракрасный излучатель // Патент России № 78557, 07.07.2008 г. Бюл. № 33.
  6. Пятачков В.В. Изучение преимуществ ИК-систем при создании микроклимата производственных помещений [Текст] / С.А. Голяк, В.В. Пятачков // Энергетики и металлурги настоящему и будущему России: материалы 10-й всероссийской науч.-практ. конф. - Магнитогорск: МГТУ, 2009 г. - С. 89-91.
  7. Пятачков В.В. Экспериментальное определение температур на гониальных участках поверхностей производственного здания, отапливаемого газовыми инфракрасными излучателями [Текст] / С.А. Голяк, В.В. Пятачков // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. - Волгоград: 2009 г. - Выпуск 14 (33). - С. 132-135.*
  8. Пятачков В.В. Экспериментальное исследование распределения температур в зонах обслуживании технологического оборудования в зданиях производственного назначения отапливаемых газовыми инфракрасными излучателями [Текст] / С.А. Голяк, В.В. Пятачков // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. - Волгоград: 2009 г. - Выпуск 14 (33). - С. 136-138. *
  9. Pyatachkov V.V. Features of thermal balance of premises with systems of heating on the basis of gas infra-red radiators [Text] / S.A. Golyak, V.V. Pyatachkov // Rpt. оf International scientific conference УModern high technologiesФ. - Egypt: 2010 г. - P. 8.
  10. Пятачков В.В. Способ повышения экономической эффективности систем радиационно-конвективного отопления на основе газовых инфракрасных излучателей [Текст] / С.А. Голяк, В.В. Пятачков // Главный энергетик. - Москва: 2010 г. - №4. - С. 56-58. *
  11. Пятачков В.В. Технико-экономическая эффективность систем радиационно-конвективного отопления на основе газовых инфракрасных излучателей [Текст] / С.А. Голяк, В.В. Пятачков // Энергобезопасность и энергосбережение. - Москва: 2010 г. - №3. - С. 22-24. *
  12. Пятачков В.В. Уточнение параметров теплового баланса зданий с системами радиационно-конвективного отопления [Текст] / С.А. Голяк, В.В. Пятачков // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 68-й межрегиональной науч. техн. конф. - Магнитогорск: МГТУ, 2010 г. - С. 41-44.
  13. Пятачков В.В. Алгоритм разработки радиационно-конвективной системы отопления на основе уточнения параметров уравнения теплового баланса [Текст] / В.В. Пятачков // Молодежь. Наука. Будущее: сб. науч. трудов студентов. - Магнитогорск: МГТУ, 2010 г. - Выпуск 10. Том 1. - С. 162-164.
  14. Пятачков В.В. Повышение энергоэффективности радиационно-конвективных систем отопления промышленных предприятий [Текст] / В.В. Пятачков // Молодежь. Наука. Будущее: сб. науч. трудов студентов. - Магнитогорск: МГТУ, 2010 г. - Выпуск 10. Том 1. - С. 164-167.
  15. Пятачков В.В. Модернизация радиационно-конвективных систем отопления на основе совершенствования конструкции газовых инфракрасных излучателей [Текст] / С.А. Голяк, В.В. Пятачков // Теплогазоснабжение: состояние, проблемы, перспективы - Оренбург: ОГУ, 2011 г. - С. 11-12.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ

РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНОГО ОТОПЛЕНИЯ

ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Пятачков Виктор Владимирович

05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха,

газоснабжение и освещение

Автореферат

Подписано к печати 18.04.2012 г. Формат 60×84 1/16

       Бумага офсетная №2. Печать - ризограф. Объем 1 усл. печ. л.

       Тираж 100 экз. Заказ № 231.

Типография Печать и Копия

Отпечатано в цехе ризографии

454000, г. Челябинск, ул. Худякова, 15.

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям