CC BY
2
УДК 697.383
Ирина Сергеевна Просвирина
ГАОУ АО ВО «Астраханский государственный архитектурно-строительный университет», старший преподаватель кафедры инженерных систем и экологии, Россия, Астрахань, e-mail: isp15@yandex.ru
Павел Викторович Яковлев
ФГБОУВО «Санкт-Петербургский горный университет», доктор технических наук, профессор, профессор кафедры теплотехники и теплоэнергетики, Россия, Санкт-Петербург, e-mail: astra137@mail.ru
Исследование параметров воздуха при сушке крупноблочных металлических конструкций в сушильной камере тентового типа
Авторское резюме
Состояние вопроса. Одним из этапов изготовления крупноблочных металлических конструкций является их окрашивание с последующей сушкой. Особенность этого процесса заключается в необходимости поддержания температуры, определяемой особенностями краски, что затруднительно при низких температурах окружающего воздуха. Решением проблемы является применение передвижной сушильной камеры тентового типа на этапе высыхания окрашенной детали на месте ее сборки. При этом управление процессом сушки возможно за счет изменения места размещения тепловентилятора и вытяжной вентиляции, производительности вентилятора калорифера и температуры подаваемого воздуха. Решение этой технологической задачи и стало целью нашего исследования. Материалы и методы. В исследовании использованы методы численного моделирования и экспериментального исследования. В качестве инструмента моделирования применен программный комплекс SOLIDWORKS и офисные пакеты программ статистической обработки данных.
Результаты. Выявлено, что распределение температур в укрытии зависит от термического сопротивления стенок сушильной камеры, главной характеристики вентилятора калорифера, размеров камеры и окрашенного модуля, зазоров между стенками, температур окружающей среды и воздуха, поступающего из калорифера, параметров вентилятора, способов размещения вентилятора и вытяжной вентиляции. При расчете учитывались аэродинамическое сопротивление сушильной камеры с размещенной в ней деталью, влияние свободной конвекции, потери теплоты и особенности распределения воздуха внутри укрытия. На основе полученных результатов предложена методика расчета, позволяющая определить понижение температуры внутри камеры относительно температуры воздуха, поступающего из калорифера. Для автоматизации расчетов разработана программа по определению параметров воздуха после нагрева тепловентилятором.
Выводы. Совокупность полученных результатов позволяет решить важную практическую задачу обеспечения высокого качества окрасочных работ в укрытиях тентового типа при разнообразных климатических условиях, в том числе при отрицательных температурах окружающей среды, за счет достоверного прогноза неравномерности температурного поля в окрасочной камере. Разработанная методика предназначена для оперативного подбора параметров калориферов, в том числе: подачи вентилятора; мощности нагревательного элемента; температуры воздуха на выходе из калорифера в зависимости от температуры окружающей среды; допустимого диапазона изменения температур краски; геометрических параметров тентового укрытия и окрашенного изделия. Научная ценность исследования заключается в результатах исследования смешанной конвекции в тентовом укрытии, выявленных существенных закономерностях процесса и полученном критериальном уравнении для расчета диапазона температур лакокрасочного покрытия изделия в камере. Полученные результаты позволяют определить пути дальнейшего повышения энергоэффективности и совершенствования конструкции тентовых укрытий.
Ключевые слова: сушильная камера, тентовое укрытие, тепломассообмен, температурное поле, смешанная конвекция, воздушное отопление, калорифер
Irina Sergeevna Prosvirina
Astrakhan State University of Architecture and Civil Engineering, Senior Lecturer of Engineering Systems and Ecology Department, Russia, Astrakhan, e-mail: isp15@yandex.ru
Pavel Viktorovich Yakovlev
St. Petersburg Mining University, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Professor of Heat Engineering and Heat Power Engineering Department, Russia, Saint-Petersburg, e-mail: astra137@mail.ru
Study of air parameters during drying of large-block metal structures
in a tent-type drying chamber
Abstract
Background. One of the stages in the manufacture of large-block metal structures is their coloring followed by drying. A feature of this process is the need to maintain a temperature determined by the characteristics of the paint, which is diffi-
© Просвирина И.С., Яковлев П.В., 2023 Вестник ИГЭУ, 2023, вып. 2, с. 13-18.
cult at low ambient temperatures. The solution of the problem is the use of a tent-type mobile drying chamber at the stage of drying the painted part at the place of its assembly. At the same time, the drying process can be controlled by changing the location of the fan heater and exhaust ventilation, changing the performance of the heater fan and the temperature of the supplied air. The solution of this technological problem is the goal of the study.
Materials and methods. The study uses the methods of numerical modeling and experimental studies. As a modeling tool, the SOLIDWORKS software package and office packages for statistical data processing have been used. Results. It is found out that the distribution of temperatures in the shelter depends on the thermal resistance of the walls of the drying chamber, the main characteristic of the heater fan, the dimensions of the chamber and the painted module, the gaps between the walls, the ambient temperature and the air coming from the heater, the fan parameters, the fan placement methods and draft ventilation. The calculation considers the aerodynamic resistance of the drying chamber with the part placed in it, the influence of free convection, heat loss and features of air distribution inside the shelter. Based on the results obtained, the authors proposed a calculation method that allows determining the temperature decrease inside the chamber relative to the temperature of the air coming from the heater. To automate the calculation results, a program has been developed to determine the parameters of air after heating with a fan heater.
Conclusions. The results obtained makes it possible to solve an important practical problem of ensuring high quality of painting works in a tent-type shelters under various climatic conditions, including negative ambient temperatures due to a reliable forecast of the uneven temperature field in the painting chamber. The developed technique is designed for the rapid selection of heaters, including the supply of a fan, the power of the heating element, and the air temperature at the outlet of the heater depending on the ambient temperature, the permissible range of temperature changes of the paint, the geometric parameters of the tent shelter and the painted product. The scientific value of the study is the results of the study of mixed convection in the tent shelter, the revealed essential regularities of the process and the obtained criterion equation to calculate the temperature range of the paint coating of the product in the chamber. The obtained results have determined the ways to further increase of energy efficiency and to improve the design of tent shelters.
Key words: drying chamber, tent shelter, heat and mass transfer, temperature field, mixed convection, air heating, heater
DOI: 10.17588/2072-2672.2023.2.013-018
Введение. Изготовление многих промышленных объектов, в том числе достаточно крупных, осуществляется непрерывно, в том числе в зимний период. При низких температурах воздуха для каждого из производственных процессов решается задача адаптации оборудования и производственного процесса к работе в неблагоприятных климатических условиях. Окрашивание и сушка небольших объектов легко производится в производственных помещениях, но корпуса морских или речных судов, модули нефтяных платформ в силу их больших размеров окрашиваются и сушатся на открытых площадках. Следует отметить, что в процессе сушки необходимо поддерживать температуру, определяемую особенностями краски. Решением проблемы поддержания необходимой температуры при сушке стало применение временных укрытий тентового типа [1], размещаемых на открытых площадках вокруг окрашиваемого объекта.
Особенностями тентового укрытия являются большие размеры, малое термическое сопротивление тканевых или полимерных оболочек тента и использование калориферов, которые нагнетают воздух в тент для создания необходимой температуры. Система воздушного отопления также удаляет испаряющийся из краски растворитель. Основным недостатком воздушного отопления является значительное изменение температуры воздуха из-за его малой плотности и теплоемкости. Большая площадь поверхности тента и интенсивный теплообмен приводят к неравномерности температуры окрашенной поверхности и в связи с этим высокой вероятности появления дефектов краски.
Ошибки в выборе калорифера и вентилятора, мест размещения калорифера и вытяжной вентиляции недопустимы. При недостаточной производительности вентилятора и калорифера может быть нарушен технологический режим сушки, а при избытке производительности возрастают потери энергии [2]. Решение задачи оптимизации и подбора оборудования сушильных камер тентового типа и является целью нашего исследования.
Методы исследования. Полученные результаты являются результатом сочетания экспериментального метода исследования и численного моделирования процесса теплообмена в тентовом укрытии [3]. Численная модель позволила исследовать влияние на температурное поле большого числа влияющих параметров. Валидация результатов расчетов выполнялась их сравнением с полученными экспериментально данными о температуре и скорости движения воздуха в контрольных точках.
Результаты исследования. Задача получения всего поля скоростей и температур в тентовом укрытии не стояла, так как процесс сушки определяется только условиями на поверхности окрашенной детали. Очевидно, что максимальная температура будет в точке ввода горячего воздуха из калорифера, а наибольшие проблемы могут возникать при понижении температуры окрашенной поверхности до значения ниже, чем допускается для краски. В связи с этим нами была разработана методика расчета минимальной температуры на поверхности окрашенного модуля.
3D-модель представляет собой тентовое укрытие с установленной в нем крупногабаритной
металлической конструкцией на опорах, обеспечивающих проход воздуха между полом и модулем. Воздух в укрытие подается через низ боковой стенки с помощью калорифера, остывший и загрязненный парами растворителя воздух отводится через вентиляционные отверстия. Схема расчетной модели представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема распределения потоков воздуха в сушильной камере: 1 - окрашенный модуль; 2 - тепло-вентилятор; 3 - тентовое укрытие; 4 - вытяжное отверстие
Исследования выполнялись для различных схем размещения калорифера и вентиляционных отверстий в целях выбора оптимального варианта при минимальной стоимости оборудования.
Существующие сушильные камеры чаще всего реализуют подвод горячего воздуха от калорифера в нижней части с отводом воздуха в верхней части шатрового укрытия. Это наиболее удобная схема с точки зрения монтажа укрытия, но для обеспечения качества лакокрасочного укрытия наиболее важным параметром является минимизация перепадов температур в объеме камеры при сохранении заданных температурных режимов сушки и минимизации потерь тепла. Для выбора оптимальной схемы выполнен сравнительный анализ различных схем сушки детали с одинаковыми параметрами укрытия.
Нагрев воздуха в сушильной камере осуществляется дизельным теплогенератором, размещенным снаружи посередине наибольшей стороны шатрового укрытия. Для удаления загрязненного воздуха в виде паров растворителя, выделяемых при сушке окрашенной детали, предусмотрены два отверстия.
Рассматривались 4 варианта размещения вытяжных отверстий удаления воздуха из тентового укрытия:
вариант 1 - отверстия расположены сверху на расстоянии 1,5 м от верха шатрового укрытия на стенке приточного отверстия;
вариант 2 - отверстия расположены сверху на расстоянии 1,5 м от верха шатрового укрытия на противоположной стенке;
вариант 3 - отверстия расположены снизу на расстоянии 1,5 м от пола шатрового укрытия на стенке приточного отверстия;
вариант 4 - отверстия расположены снизу на расстоянии 1,5 м от пола шатрового укрытия на противоположной стенке.
В модели учтены: сложная геометрия детали, включая ее установку при окрашивании и сушке на временные опоры; термическое сопротивление стенки шатра; нестационарность теплового процесса остывания воздуха, а также сочетание вынужденной и свободной конвекции воздуха в камере [4]. За материал тента принят полистирол, материал окрашенной детали -конструкционная сталь.
При решении задачи формирования температурных полей в шатровом укрытии задавались следующими начальными и граничными условиями.
Граничное условие первого рода состоит в задании распределения температуры по поверхности судовой детали в любой момент времени. В нашем случае температура на поверхности детали постоянна на протяжении всего процесса теплообмена и равна 20 °С (по рекомендованным параметрам сушки [5]).
Пространственное краевое условие третьего рода связывает температуру твердой стенки с температурой окружающей среды через заданное значение коэффициента теплоотдачи от стенки к этой среде. На внешней стенке рассматривалось граничное условие, заданное коэффициентом теплопередачи, которое с учетом теплопроводности материала тента составило 15 Вт/(м -К).
Так как поверхность тента имеет практически такую же температуру, что и наружный воздух, вблизи ограждающей конструкции возникает свободная конвекция, поднимающая теплые потоки внутреннего воздуха вверх. Нагрев воздуха происходит с помощью тепло-вентилятора, который создает в помещении вынужденную конвекцию.
При обтекании окрашенной детали судна потоком воздуха передача тепла от воздуха к твердому телу происходит по закону теплопроводности, т.е. имеет место теплообмен, соответствующий граничному условию четвертого рода.
Отличительной особенностью заданных граничных условий является зависимость подачи вентилятора калорифера от аэродинамического сопротивления сушильной камеры. Так как скорость на входе определяется потерями давления в воздушном тракте, на границе может быть задана только главная характеристика самого вентилятора.
Таким образом в тентовом укрытии присутствует сложный теплообмен, который возможно описать граничным условием третьего рода - заданием коэффициента теплопередачи с учетом теплопроводности материала тента. Температура воздуха задается граничными условиями первого рода и составляет, по рекомендациям технологии сушки, 20 °С, в выпускных отверстиях воздух имеет атмосферное давление.
В [6] представлены результаты исследования, которые показали, что при удалении воздуха снизу формируется четко выраженный восходящий поток, собирающийся в верхней части камеры и определяющий более высокую температуру по объему камеры. При удалении воздуха из верхней части (как это в настоящее время делается на многих предприятиях) восходящий нагретый поток воздуха удаляется, вследствие чего понижается средняя температура во всем объеме камеры. Таким образом, наиболее оптимальным вариантом распределения температурных потоков является вариант 4.
Особенностью распределения потоков воздуха является влияние свободной (гравитационной) и вынужденной конвекций [7-9]. Теплый воздух из калорифера поднимается вверх, а холодный опускается вниз (рис. 2, 3). В связи с этим поверхность окрашенной детали имеет высокую температуру в зоне подачи воздуха из калорифера и со стороны верхних поверхностей. Нижняя и боковые части детали имеют низкие температуры.
Сравнение распределения температур на передней и задней стенках окрашенной детали показано на рис. 4.
б)
Рис. 2. Распределение температур текучей среды: а - на передней стенке; б - на задней стенке
Рис. 3. Траектории движения и температура воздуха в тентовом укрытии
Рис. 4. Распределение температур на передней и задней стенках окрашенной детали: 1 - на задней стенке; 2 - на передней стенке
Анализ полученного распределения температур (рис. 4) показывает, что со стороны задней стенки преобладает свободная конвекция и температура вдоль всей задней стенки близка к постоянной, на температуру передней стенки в центральной части влияет струя воздуха от калорифера. И если на удалении от калорифера справа и слева температуры близки к температуре задней стенки, то приток воздуха к области высокой температуры со стороны пола понижает температуру рядом со струей воздуха из калорифера.
Анализируя особенности формирования температурного поля в тентовой сушильной камере, можно сделать вывод, что свободное (гравитационное) движение воздуха усиливает неравномерность температур по высоте окрашиваемой детали. Вынужденное движение воздуха от калорифера приводит к перемешиванию воздуха и выравниванию температур.
Поставленная задача выравнивания температур по всей поверхности окрашенной детали определяет необходимость выбора калорифера с вентилятором с высокой производительностью и давлением. Однако этот способ выравнивания температур приведет к большому количеству подаваемого и удаляемого из сушильной камеры нагретого воздуха, увеличивая потери теплоты и снижая энергоэффективность.
Выбор калорифера с вентилятором с низкой производительностью снизит потери в окружающую среду, но также увеличит неравномерность поля температур на поверхности окрашенной детали, возможно превышая пределы изменения температур, допустимые для краски.
В результате исследования были выделены параметры, влияющие на неравномерность поля температур в тентовом укрытии [10]. Поле температур формируется в результате
действия двух основных процессов: свободной (гравитационной) и вынужденной конвекции. Интенсивность свободной конвекции зависит от теплообмена между воздухом в камере и воздухом окружающей среды, расстояния между окрашенной деталью и стенкой тента, а также от высоты тента. Вынужденная конвекция определяется производительностью вентилятора, диаметром канала вентилятора и расстоянием между полом и дном окрашенной детали. Учитывая, что производительность вентилятора зависит от падения давления при движении воздуха в тентовой камере с окрашенной деталью, расчет должен учесть аэродинамическое сопротивление сушильной камеры с размещенной в ней деталью. Как отмечалось выше, в расчете учитываются влияние свободной конвекции, потери теплоты и особенности распределения воздуха внутри укрытия.
В ходе численного моделирования были определены минимальные и максимальные Т^ температуры окрашенной детали, средняя температура воздуха внутри шатра и безразмерная температура, определяемая как
0 _ Ттах Тт1п
" Т - Т '
' вент 'н
где Твент - температура воздуха на выходе из тепловентилятора; Тн - температура наружного воздуха.
На рис. 5 приведены графики изменения безразмерной температуры в зависимости от высоты шатрового укрытия для разных зазоров между полом и днищем окрашенной детали. Анализ графиков показывает, что при разных
температурах наружного воздуха наблюдается смешанная конвекция внутри замкнутой полости, причем при минимальной и максимальной высоте она незначительная, а при средней - наибольшая. Это связано с тем, что при минимальной высоте шатра на распределение температур мало влияет вынужденная конвекция, а при максимальной высоте - свободная конвекция.
На основе полученных результатов нами была предложена расчетная зависимость, позволяющая определить понижение температуры внутри камеры относительно температуры воздуха, поступающего из калорифера, в виде критериального уравнения:
4
© = 9'(0,0003 Ра2/3 + 0,41 Ра1/3 + 3,2 )х
0,98Н-4 I-10-16 Л 1
0,12Н-0,3 10-9 | Ре2 +
Ре3 -
(2)
-54-9'2 + 64-9'-(16 - б'2 -20-9' + 6))х
х Н + 0,5 Л
-10-4 I Ре+ 6,6
-10-
где 9' = (Твн - Тнар)/(Твент - Тер) - безразмерный коэффициент; Твн, Тнар, Твент - температуры внутреннего, наружного и на выходе из тепло-вентилятора воздуха соответственно; Ra - критерий подобия Релей; Re - критерий подобия Рейнольдса; Н - высота тентового укрытия; Л -зазор между окрашиваемым модулем и полом.
х
V
+
/
Выводы. В результате исследования распределения температур по всему объему сушильной камеры установлено, что нагрев воздуха с помощью теплогенератора позволяет получить температуру воздуха внутри тентового укрытия на уровне 20±1°С; наряду с этим аэродинамическое сопротивление камеры и способ отвода воздуха влияют на все параметры камеры, что требует учета при подборе калориферов.
Полученное критериальное уравнение позволяет определить понижение температуры внутри камеры относительно температуры воздуха на выходе из калорифера. Предложенная программа для автоматизации расчета по полученному уравнению позволяет определять параметры воздуха внутри сушильной камеры тентового типа [11].
Список литературы
1. НЕАТЕХ СТРОЙ. Строительство быстро-возводимых каркасно-тентовых зданий [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://neateh-stroy.ru/about/
2. Ahamed M.S., Guo H.Q., Tanino K. Development of a thermal model for simulating of supplemental heaters requirements in a Chinese-style solar greenhouses // Computers and Electronics in Agriculture. - 2018. - Vol. 150. - Р. 235-244. DOI: 10.1016/j. compag 2018. 04. 025.
3. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и механики жидкости. - М.: Энер-гоатомиздат, 1984. - 152 с.
4. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. - М.: Машгиз, 1962. - 456 с.
5. Искра Е.В. Справочник по окраске судов и металлических конструкций. - Л.: Судостроение, 1980. - 320 с.
6. Яковлев П.В., Просвирина И.С. Численное моделирование температурных полей в шатровом укрытии для сушки судовых корпусных деталей // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. - 2017. -Т. 9, № 3. - С. 597-602. DOI: 10.21821/2309-51802017-9-3-597-602.
7. Sapounas A.A. Prediction the spatial air temperature distribution of an experimental greenhouse using geostatistical methods // Acta Horticulture. - 2008. -№ 801. - С. 495-500.
8. Bojaca C.R., Gil R., Gomez S., Cooman A. Schrevens Analysis of greenhouse air temperature distribution using geostatistical methods // Transactions ASABE. - 2009. - № 52. - С. 957-968.
9. Юнг М.Ф., Озел Т. Смешанная свободная и вынужденная конвекция при обтекании короткого вертикального цилиндра ламинарным горизонтальным потоком // Труды амер. о-ва инж.-мех. Сер. С, Теплопередача. - 1985. - № 1. - С. 213.
10. Яковлев П.В., Просвирина И.С. Исследование температурных режимов в сушильных камерах тентового типа // Журнал С.О.К. - 2022. - № 4. -С. 44-47.
11. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2021615817. Определение параметров воздуха в сушильной камере шатрового типа / И.С. Просвирина, П.В. Яковлев; зарег. в реестре программ для ЭВМ 13.04.2021.
References
1. NEATEKh STROY Stroitel'stvo byst-rovozvodimykh karkasno-tentovykh zdaniy. Available at: https://neateh-stroy. ru/about/
2. Ahamed, M.S., Guo, H.Q., Tanino, K. Development of a thermal model for simulating of supplemental heaters requirements in a Chinese-style solar greenhouses. Computers and Electronics in Agriculture, 2018, vol. 150, рр. 235-244.
3. Patankar, S. Chislennye metody resheniya zadach teploobmena i mekhaniki zhidkosti [Numerical methods for solving problems of heat transfer and fluid mechanics]. Moscow: Energoatomizdat, 1984. 152 р.
4. Kutateladze, S.S. Osnovy teorii teploobmena [Fundamentals of the theory of heat transfer]. Moscow: Mashgiz, 1962. 456 р.
5. Iskra, E.V. Spravochnik po okraske sudov i metallicheskikh konstruktsiy [Handbook on the painting of ships and metal structures]. Leningrad: Sudo-stroenie, 1980. 320 р.
6. Yakovlev, P.V., Prosvirina, I.S. Chislennoe modelirovanie temperaturnykh poley v shatrovom ukrytii dlya sushki sudovykh korpusnykh detaley [Numerical simulation of temperature fields in a tent shelter for drying ship hull parts]. Vestnik gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota, 2017, vol. 9, no. 3, рр. 597-602.
7. Sapounas, A.A. Prediction the spatial air temperature distribution of an experimental greenhouse using geostatistical methods. Acta Horti-culture,
2008, no. 801, рр. 495-500.
8. Bojaca, C.R., Gil, R., Gomez, S., Cooman, A. Schrevens Analysis of greenhouse air temperature distribution using geostatistical methods. Transactions ASABE,
2009, no. 52, рр. 957-968.
9. Yung, M.F., Ozel, T. Smeshannaya svobodnaya i vynuzhdennaya konvektsiya pri obtekanii korotkogo vertikal'nogo tsilindra laminarnym gorizontal'nym potokom [Mixed free and forced convection when a laminar horizontal flow flows around a short vertical cylinder]. Trudy amerikanskogo obshchestva inzhenerov-mekhanikov, ser. S, Teploperedacha, 1985, no. 1, р. 213.
10. Yakovlev, P.V., Prosvirina, I.S. Issledovanie temperaturnykh rezhimov v sushil'nykh kamerakh ten-tovogo tipa [Investigation of temperature conditions in tent-type drying chambers]. Zhurnal S.O.K., 2022, no. 4, рр. 44-47.
11. Prosvirina, I.S., Yakovlev, P.V. Opredelenie parametrov vozdukha v sushil'noy kamere shatrovogo tipa. Svidetel'stvo o registratsii programmy dlya EVM № 2021615817 [Certificate of Software Registration no. 2021615817], 2021.
