CC BY
126
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 5 (47)
ЕКСПЛУАТАЦ1Я ТА РЕМОНТ ЗАСОБ1В ТРАНСПОРТУ
УДК [725.1:613.47-026.912]:628.1'17
В. Ф. ИВИН1*, Б. Е. БОДНАРЬ2
1 Каф. «Теплотехника», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. + 38 (056) 373 15 87
2Каф. «Локомотивы», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 34, эл. почта bodnar@nz.diit.edu.ua
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОТКРЫТЫХ ПЛАВАТЕЛЬНЫХ БАССЕЙНОВ
Цель. Экономия энергоресурсов является основной задачей современной энергетики и различных энергопотребляющих устройств. К энергоемким устройствам относятся открытые плавательные бассейны, для поддержания рабочего состояния которых требуется значительное количество тепловой энергии, особенно в зимнее время. В работе ставится задача существенного снижения теплопотерь открытых плавательных бассейнов на примере плавательного бассейна ДНУЖТа. Методика. Используется методика определения массо- и теплопотерь на основе критериальных уравнений теории тепло- и массообмена. Результаты. В работе выполнены расчеты реальных тепловых потерь бассейна ДНУЖТа для различных времен года, как для условий естественной конвекции, так и для вынужденного движения воздуха над свободной поверхностью воды. Показано, что для условий адиабатного испарения воды с поверхности бассейна в зимнее время при обдуве ветром теплопотери могут доходить до 2 кВт/м2 поверхности. Для их снижения в работе предлагается на время, когда бассейн не используется по назначению, покрывать поверхность воды специальным материалом с малой теплопроводностью на основе пористого полиэтилена. Это позволит снизить реальные теплопотери как минимум в 5-6 раз. Научная новизна. Решение важной эколого-энергетической проблемы благодаря снижению потерь тепла бассейном в различные времена года и соответственно уменьшению выбросов энергогенерирующих предприятий. Практическая значимость. В работе показано, что покрытие поверхности бассейна низкотеплопроводным легкомонтируемым покрытием позволит снизить реальные теплопотери как минимум в 5-6 раз и уменьшить вредные выбросы электростанций, вырабатывающих энергию для подогрева бассейна.
Ключевые слова: энергосбережение; экономия энергоресурсов; открытые плавательные бассейны; загрязнения окружающей среды
Введение
В связи с существенным повышением цен на энергоносители в мире и в Украине особенно остро встают вопросы их экономичного использования. В качестве примера рассмотрим использование энергоносителей при эксплуатации открытого плавательного бассейна ДНУЖТа.
Согласно нормам для обеспечения рабочего состояния такого типа бассейнов среднегодовая
температура воды должна поддерживаться на уровне 26 °С. Температура же окружающего воздуха над свободной поверхностью воды в бассейне ДНУЖТа в зависимости от времени года изменяется в условиях Днепропетровска от - 23 до + 24 °С [9]. Такой большой перепад температур приводит к значительным потерям тепла со свободной поверхности бассейна и, как следствие, к значительному перерасходу природного газа, сжигаемого для поддержания бассейна в рабочем состоянии.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 5 (47)
Анализ общих теплопотерь открытых бассейнов показал, что если теплопотери за счет контакта воды с чашей бассейна практически невозможно уменьшить без существенной доработки их конструкций, то теплопотери с открытого зеркала бассейна за счет конвекции, теплового излучения и массообмена можно значительно снизить.
Одним из путей уменьшения этих потерь может быть сооружение над бассейном крытого стационарного помещения, что является очень дорогостоящим мероприятием и уменьшает эстетическое удовольствие от плавания под открытым небом, особенно в зимнее время. Другой, более дешевый путь заключается в покрытии зеркала бассейна специальным низкотеплопроводным энергосберегающим материалом на время, когда бассейн ДНУЖТа не используется по прямому назначению.
Цель
Целью настоящей работы является оценка реальных теплопотерь со свободной поверхности бассейна ДНУЖТа и оценка снижения этих потерь путем покрытия его специальным энергосберегающим материалом.
Оценка теплопотерь с поверхности бассейна в зависимости от времени года и состояния воздушной среды над ним показала, что их можно разделить на три составляющие:
- при естественной конвекции;
- при вынужденной конвекции;
- при испарении жидкости с зеркала бассейна.
В соответствии с этим в работе выполнена
оценка влияния каждой из этих составляющих.
Методика
В работе используется методика определения массо- и теплопотерь на основе критериальных уравнений теории тепло- и массообмена.
Результаты
Теплопотери бассейна за счет естественной конвекции. Данные теплопотери были оценены по формуле О. В. Нестеренко [7]
Nu = 5(ArPr)
0,104
(1)
критерий Архимеда; Pr - число Прандтля, V
Pr = — (a - коэффициент температуропровод-
ности воздуха).
Ar = Ga
Pb -Pf
Pb -Pf
Pb v2 Pb
где Оа - критерий Галилея, Оа = —~ (§ - ускорение силы тяжести; V - кинематический коэффициент вязкости воздуха); рв и рр -плотность окружающего воздуха и воздуха в пограничном слое (вода-воздух) соответственно.
Расчеты выполнялись для зеркала бассейна площадью ^ = В х I = 10 х 25 м, температуры поверхности зеркала = 27 °С в диапазоне изменения температуры окружающего воздуха от + 23 до - 24 °С (минимум для Днепропетровска) [11, 12].
В целях применимости для расчетов формулы (1), которая справедлива в диапазоне изменения произведения 3 -106 < Лг • Рг < 2 -108, расчеты проводились для элементарной ширины зеркала бассейна Ь = 0,25 м и длины I = 25,0 м. В последующем полученные результаты расчетов суммировались для всей поверхности бассейна.
Результаты расчетов зависимости коэффициентов теплоотдачи ас от воды к воздуху в расчетном интервале температур для элементарной ячейки зеркала бассейна представлены на рис. 1.
Свободная конвекция (,Х. ; кВт а, Вт/(м2*град)
50
40
30
20
10
\ X
\ Ха
Ф X X
\
\ X
Х X
го 10 1 0 2 0 3
3,5
3,25
3,0
2,75
2,5
U С
al
где Nu - критерий Нуссельта, Nu = —; Ar -
X
a-ifU) и Q,-f(U)
Рис. 1
a
3
3
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального унiверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 5 (47)
Там же представлена величина суммарных теплопотерь всех элементарных ячеек бассейна за счет естественной конвекции в том же интервале температур, которые оценивались по формуле Ньютона [1-5, 8, 10, 13]
Q, = «c F (tw -в ) ,
(2)
где и tъ - температуры поверхности воды и окружающего воздуха соответственно.
Теплопотери при вынужденном движении воздуха над свободной поверхностью воды. Коэффициенты теплоотдачи для данных условий оценивались по критериальным зависимостям, справедливым для процессов адиабатного испарения воды [7]
Nu = 0,027Re°;9 Pr° '33 Gu01756,
(3)
где Ои - температурный фактор, Ои = —^-
тр
(Тр - абсолютная температура поверхности воды, К) или параметрический критерий.
Результаты расчетов зависимости коэффициента теплоотдачи ак = /от воды к воздуху в расчетном интервале температур представлены на рис. 2.
Рис. 2
На рис. 3 представлена величина теплопотерь зеркала бассейна за счет вынужденной конвекции в том же интервале температур, что и для случая теплопотерь при естественной конвекции.
Расчеты теплопотерь для различных скоростей обдува ветром поверхности бассейна выполнялись по закону Ньютона-Рихмана
а =акр ((р -в) ,
где средний коэффициент конвективной тепло-
отдачи от свободной поверхности воды к воздуху при вынужденной конвекции определялся как
Nu-X
а„ =-
b
(4)
где Ь - минимальный размер элементарной ячейки поверхности бассейна.
Вьнсуждесшая конвекция
р. кВт
100
300
200
I00
х
.... \ 5 м/с
С w—3
—_w-
t./C
-25 -15 -5 +5 -15 -25
о-ад
Рис. 3
Анализ полученных в результате расчетов величин теплопотерь с поверхности зеркала бассейна ДНУЖТа в расчетном диапазоне температур окружающего воздуха г. Днепропетровска показал, что даже в спокойную погоду в зимнее время они могут составлять 40...50 кВт, а при обдуве ветром доходить до 300 кВт. В пересчете на единицу площади бассейна эти потери доходят до 2 кВт/м2. А если учесть еще и неадиабатичность протекания процессов теплообмена зеркала бассейна с окружающей средой, сопровождающегося процессом испарения жидкости, то величины теп-лопотерь могут еще более возрасти.
Исходя из этого, в работе была проведена оценка ожидаемых теплопотерь бассейна с учетом использования теплозащитного покрытия.
Расчет теплопотерь бассейна, покрытого теплоизолирующим материалом (вспененный полиэтилен). Вспененный полиэтилен выпускается в виде рулонов длиной 1,2/1,5 м, шириной 40/70 м и толщиной 10, 15 и 20 мм. Удельная плотность р = 30 кг/м3. Диапазон рабочих температур - 50.+ 105 °С. Коэффициент теплопроводности Х = 0,040 Вт/м град.
Такие благоприятные теплофизические характеристики вполне могут быть использованы для уменьшения теплопотерь бассейна
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 5 (47)
ДНУЖТа путем покрытия зеркала бассейна рулонным вспененным полиэтиленом в ночное и в неиспользуемое для плавания время.
Применение данного покрытия сразу исключит из перечня вышеприведенных теплопо-терь потери за счет испарения жидкости. Исходя из этого, процесс передачи тепла от зеркала воды бассейна через покрытие в окружающий воздух можно представить как теплопередачу от воды к воздуху через разделяющую стенку.
Оценка теплопотерь бассейна с учетом покрытия его теплоизолирующим материалом выполнялась по зависимости
Q = kF (tF - tB)
(5)
где к - коэффициент теплопередачи от воды к воздуху; р - площадь зеркала бассейна; tв и 1Р - температуры воды и воздуха.
Коэффициент теплопередачи рассчитывался по зависимости
k = -
1
az
8
Y
(6)
а„
k =
1
5 1 '
— + —
X ав
(7)
Коэффициенты теплоотдачи от покрытия к воздуху определялись по зависимости
Nu = 0,032 Re
0,8
(8)
wl
где Яе = — - критерий Рейнольдса (где I -
V
длина бассейна).
Результаты расчетов ожидаемых коэффициентов теплоотдачи от покрытия в зависимости от температуры окружающего воздуха и скоро -
сти обдува покрытия ветром представлены на рис. 4, а на рис. 5 приведены теплопотери бассейна, покрытого теплоизолирующим материалом, в зависимости от толщины покрытия.
а, Вт/(м2хгрзд) 20 т
15
10
t=-2 4 °С
""\t=: 12 "С
//
W, м/с
1 2 3 oc=f(w)
Рис. 4
Q, кВт
10,0
30,0
где ар и ав - коэффициенты теплоотдачи от воды к покрытию и от покрытия к воздуху, Вт/м2-град.; 5 - толщина покрытия, м.; X - коэффициент теплопроводности покрытия, Вт/м град.
Так как коэффициент теплоотдачи к воздуху ав второго порядка малости по сравнению с коэффициентом теплоотдачи к воде ар, то им можно пренебречь и зависимость (6) примет вид:
20,0
Ър
/ с
W. м/с
5)
Рис. 5
Научная новизна и практическая значимость
Предложен способ защиты открытых подогреваемых плавательных бассейнов от тепловых потерь с помощью специального теплоизолирующего покрытия.
Применение его позволит в несколько раз снизить тепловые потери бассейнов, уменьшить расход тепла на их подогрев и снизить тепловое загрязнение окружающей среды.
Выводы
Сравнение расчетных теплопотерь открыто -го бассейна и бассейна с теплоизолирующим покрытием показало, что использование его может на порядок уменьшить теплопотери.
X
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 5 (47)
А если учесть, что время полезной эксплуатации бассейна к времени простоя составляет величину порядка 50 %, то реальные потери тепла бассейном ДНУЖТа могут быть уменьшены как минимум в 5-6 раз.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Исаченко, В. П. Теплопередача / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. - М. : Энергия, 1981. - 416 с.
2. Кутателадзе, С. С. Основы теории теплообмена / С. С Кутателадзе. - М.; Л. : Машгиз, 1962. -456 с.
3. Лабай, В. И. Тепломассообмен / В. И. Лабай. -Львов : Триада Плюс, 1998. - 256 с.
4. Лыков, А. В. Тепломассообмен. Справочник /
A. В. Лыков. - М. : Энергия, 1965. - 560 с.
5. Мак-Адамс, В. Х. Теплопередача /
B. Х. Мак-Адамс. - М. : Металлургиздат, 1961. - 686 с.
6. Михеев, М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. - М. : Энергия, 1977. - 343 с.
7. Нестеренко, А. В. Основы термодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха / А. В. Нестеренко. - М. : Высшая шк., 1971. - 460 с.
8. Осипова, В. А. Теория подобия и размеренно-стей, моделирование и аналогия в тепловых
В. Ф. 1ВШ1*, Б. е. БОДНАР2
1 Каф. «Теплотехнжа», Дшпропетровський нацюнальний ушверситет затзничного транспорту iменi академжа
В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дншропетровськ, Украша, 49010, тел. +38 (056) 373 15 87
2Каф. «Локомотиви», Дншропетровський нацюнальний ушверситет залiзничного транспорту iменi академжа
В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дншропетровськ, Украша, 49010, тел. +38 (056) 373 15 34, ел. пошта bodnar@nz.diit.edu.ua
ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ П1Д ЧАС ЕКСПЛУАТАЦП В1ДКРИТИХ ПЛАВАЛЬНИХ БАСЕЙН1В
Мета. Економiя енергоресурав е основним завданням сучасно! енергетики. До енергоемних пристро1в належать вiдкритi плавальш басейни, для шдтримання робочого стану яких потрiбна значна к1льк1сть тепло-во! енергп, особливо в зимовий час. У робот ставиться завдання суттевого зниження тепловтрат вiдкритих плавальних басейнiв на прикладi плавального басейну ДНУЗТу. Методика. Використовуеться методика ви-значення масо- i тепловтрат на основi критерiальних рiвнянь теори тепло- i масообмiну. Результати. У ро-ботi виконано розрахунки реальних теплових втрат басейна ДНУЗТа для рiзних пiр року, як для умов при-родно! конвекцп, так i для вимушеного руху повiтря над вшьною поверхнею води. Показано, що для умов адiабатного випаровування води з поверхш басейну в зимовий час у разi обдування вггром тепловтрати мо-жуть доходити до 2 кВт/м2 поверхнi. Для !х зниження в роботi пропонуеться на час, коли басейн не використовуеться за призначенням, покривати поверхню води в басейш спещальним матерiалом з малою теплопро-вiднiстю на основi пористого полiетилену. Показано, що впровадження цих заходiв дозволить знизити реа-льнi тепловтрати басейну як мшмум у 5-6 разiв. Наукова новизна. Виршення важливо! еколого-енергетично! проблеми завдяки зниженню втрат тепла басейном у рiзнi пори року й вщповвдно зменшенню
процессах / В. А. Осипова. - М. : МЭИ, 1962. -115 с.
9. Справочник по теплоснабжению и вентиляции : в 2 т. / под общ. ред. Р. В. Щекина. -К. : Буд1вельник, 1976. - 2 т.
10. Теория тепломассообмена / под ред. А. И. Леонтьева. - М. : Высшая шк., 1979. - 495 с.
11. Теплотехнический справочник : в 2 т. / под общ. ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. -М. : Энергия, 1975-1976. - 2 т.
12. Чиркин, В. С. Теплофизические свойства веществ / В. С. Чиркин. - М. : Физматгиз, 1959. -356 с.
13. Эккерт, Э. Р. Теория тепло- и массообмена / Э. Р. Эккерт, Р. М. Дрейк. - М. : Госэнергоиз-дат, 1961. - 680 с.
14. An overview of heat transfer enhancement methods and new perspectives: Focus on active methods using electroactive materials / L. Leal, M. Miscevic, P. Lavieille et al. // Intern. J. of Heat and Mass Transfer. - 2013. - Vol. 61. -P. 505-524.
15. Heat Transfer-A Review of 2004 Literature / R. J. Goldstein, W. E. Ibele, S. V. Patankar et al. // Intern. J. of Heat and Mass Transfer. - 2010. -Vol. 53, iss. 21. - P. 4397-4447.
16. Tsung-Lin, Liu. Boiling heat transfer of co- and counter-current microchannel heat exchangers with gas heating / Liu Tsung-Lin, Ben-Ran Fu, Chin Pan // Intern. J. of Heat and Mass Transfer. -2013. -Vol. 56, iss. 1-2. - P. 20-29.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 5 (47)
виквдв енергогенеруючих пiдприeмств. Практична значимкть. У робот показано, що покриття поверхш басейну низькотеплопроввдним покриттям, легким у монтаж!, дозволяе знизити реальнi тепловтрати як мь тмум у 5-6 разiв i зменшити шкiдливi викиди електростанцiй, як! виробляють енерпю для тдцршу басейна.
Ключовi слова: енергозбереження; економiя енергоресyрсiв; вдарит плавальнi басейни; забруднення на-вколишнього середовища
V. F. IVIN1*, B. YE. BODNAR2
1 Dep. «Heating engineering», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. + 38 (056) 373 15 87
2Dep. «Locomotives», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 34, e-mail bodnar@nz.diit.edu.ua
ENERGY SAVING AT OPERATION OF OUTDOOR SWIMMING POOLS
Purpose. Energy saving is a major problem in modern power engineering and various energy-consuming devices. They include outdoor swimming pools. In order to maintain them in working condition, especially in winter period, it takes significant amount of thermal energy. Task of heat loss substantial decrease in open swimming pools is considered in the article (on DNURT example). Methodology. The method of determining the mass and heat loss on the basis of criteria equations of heat and mass transfer theory is used. Findings. Calculations of the actual DNURT pool heat loss for different seasons, as for natural convection both for air forced motion above the free water surface are performed. It is shown that for the adiabatic evaporation conditions of water from the pool in winter during blow-off with wind the heat loss can be up to 2 kW/m2 on surface. To reduce these losses it is offered to cover water surface in a pool with a special material with low thermal conductivity on the basis of porous polyethylene during the time when the pool is not used for other purposes. It is shown that the implementation of these standards will reduce the actual heat loss, at least 5-6 times. Originality. The solution of important environmental and energy problem thanks to reducing heat losses by the pool in different times of a year and correspondingly lower emissions of power generating enterprises. Practical value. It is shown that the coating surface of the pool with poorly heat-conducting and easy to install coating will let, at a minimum, to reduce the actual heat loss on 5-6 times and reduce the emissions of power plants generating energy for pool heating.
Keywords: energy saving; energy supply economy; outdoor swimming pools; environmental pollution
REFERENCES
1. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Teploperedacha [Heat transfer]. Moscow, Energiya Publ., 1981. 416 p.
2. Kutateladze S.S. Osnovy teorii teploobmena [Fundamentals of the theory of heat transfer]. Moscow, Leningrad, Mashgiz Publ., 1962. 456 p.
3. Labay V. I. Teplomassoobmen [Heat and Mass Transfer]. Lviv , Triada Plus Publ., 1998. 256 p.
4. Lykov A.V. Teplomassoobmen. Spravochnik [Heat and Mass Transfer. Thermal guide]. Moscow, Energiya Publ., 1965. 560 p.
5. Mak-Adams V.H. Teploperedacha [Heat transfer]. Moscow, Metallurgizdat Publ., 1961. 686 p.
6. Mikheyev M.A., Mikheyeva I.M. Osnovy teploperedachi [Fundamentals of Heat Transfer]. Moscow, Energiya Publ., 1977. 343 p.
7. Nesterenko A.V. Osnovy termodinamicheskikh raschetov ventilyatsii i konditsionirovaniya vozdukha [Fundamentals of thermodynamic calculations of ventilation and air-conditioning]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1971. 460 p.
8. Osipova V.A. Teoriya podobiya i razmerennostey, modelirovaniye i analogiya v teplovykh protsessakh [Similarity theory and regularity, analogy and modeling in thermal processes]. Moscow, MEI Publ., 1962. 115 p.
9. Shchekin R.V. Spravochnik po teplosnabzheniyu i ventilyatsii. V 2-kh tomakh [Handbook of heating and ventilation. Volume 1, 2]. Kyiv, Budivelnik Publ., 1976.
10. Leontyev A.I. Teoriya teplomassoobmena [Theory of Heat and Mass Transfer]. Moscow, Vysshaya Shkola Publ., 1979. 495 p.
11. Yurenev V.N., Lebedev P.D. Teplotekhnicheskiy spravochnik. V 2-kh tomakh [Thermal guide. Volume 1, 2]. Moscow, Energiya Publ., 1975-1976.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, вип. 5 (47)
12. Chirkin V.S. Teplofizicheskiye svoystva veshchestv [Thermo-physical properties of materials]. Moscow, Fizmatgiz Publ., 1959. 356 p.
13. Ekkert Ye.R., Dreyk R.M. Teoriya teplo- i massoobmena [Theory of Heat and Mass Transfer]. Moscow, Gosenergoizdat Publ., 1961. 680 p.
14. Leal L., Miscevic M., Lavieille P. An overview of heat transfer enhancement methods and new perspectives: Focus on active methods using electroactive materials. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, vol. 61, pp. 505-524.
15. Goldstein R.J., Ibele W.E., Patankar S.V. Heat Transfer-A Review of 2004 Literature. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010, vol. 53, issue 21, pp. 4397-4447.
16. Tsung-Lin Liu, Ben-Ran Fu, Chin Pan. Boiling heat transfer of co- and counter-current microchannel heat exchangers with gas heating. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, vol. 56, issue 1-2, pp. 20-29.
Статья рекомендована к публикации д.т.н., проф. С. З. Полищуком (Украина); д.т.н.,
проф. Н. Н. Беляевым (Украина)
Поступила в редколлегию 15.08.2013
Принята к печати 04.09.2013
