ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛОТНОСТИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА ПРИ РАБОТЕ ГАЗОВЫХ ИНФРАКРАСНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

Исследование плотности теплового потока при работе газовых инфракрасных излучателей

Куриленко Николай Ильич,

к.ф.-м.н., доцент кафедры Теплогазоснабжения и вентиляции, ФГБОУ ВО Тюменский индустриальный университет, kurilenkoni@tyuiu.ru

Ермолаев Антон Николаевич,

к.т.н, главный эксперт Института экологической и сельскохозяйственной биологии ФГАОУ вО Тюменский индустриальный университет, ermolaevan@tyuiu.ru

Михайлова Лариса Юрьевна,

к.т.н, доцент кафедры Теплогазоснабжения ФГБОУ ВО Тюменский индустриальный mihajlovalj@tyuiu.ru

и вентиляции, университет,

Фомина Валентина Викторовна,

к.т.н., доцент кафедры Бизнес-информатики и математики, ФГБОУ ВО Тюменский индустриальный университет, г.Тюмень, fominavv@tyuiu.ru

Представлены результаты экспериментальных исследований распределения плотности теплового потока в рабочей зоне при работе газовых инфракрасных излучателей. Разработана методика проведения эксперимента по определению уровня облучения рабочей зоны производственного помещения большой высоты. Проведён сравнительный анализ работы нескольких типичных газовых инфракрасных излучателей. Установлена существенная неоднородность облучения рабочей зоны. На основании экспериментальных исследований построены эпюры облучения практически для всех излучателей, применяемых в настоящее время в России для обогрева рабочих зон. Выделены особенности формирования плотности теплового потока в рабочей зоне при работе инфракрасных излучателей. Выполнена первичная статистическая обработка полученных результатов всех проведённых экспериментов. Средствами корреляционного и регрессионного анализа смоделировано нелинейное уравнение парной регрессии зависимости распределения плотности теплового потока от излучателя для помещений большой высоты.

Ключевые слова: излучение, плотность теплового потока, газовые инфракрасные излучатели, распределение плотности теплового потока.

Введение

Одним из важнейших этапов реализации программы энергосбережения в России является научное обоснование решений задач формирования оптимального микроклимата в производственных помещениях. Развитие теплотехники создаёт реальные предпосылки использования новых технических устройств, систем и технологий для обеспечения теплового режима промышленных объектов.

В настоящее время повышенное внимание стало уделяться и системам лучистого обогрева (как электрических, так и газовых) жилых и производственных помещений, т.к. эффективность таких систем отопления по сравнению с традиционным воздушным и водяным постоянно подтверждается [1]. В настоящее время нормативная документация допускает применение газового инфракрасного обогрева для отопления зданий больших объемов, а также открытых площадок.

Учитывая значительный потенциал газового инфракрасного обогрева, все больше и больше зданий оборудуются энергоэффективной системой отопления с применением в качестве отопительных приборов высокотемпературных (светлых) газовых инфракрасных излучателей (ГИИ).

С применением газовых инфракрасных излучателей в помещениях с высотой потолка от 4 м и выше существует возможность очень существенно, до 50 %, а в некоторых случаях и до 70% [2,3,4], сократить эксплуатационные затраты на энергоносители.

Постановка задачи и методы решения

При расчёте и конструировании ГИИ необходимо определить теплотехнические характеристики излучателя: температуру поверхности излучения при соответствующей плотности энергии (удельной тепловой мощности), мощность, «лучистый» коэффициент полезного действия и эпюры облучения. Получить расчётным путем все необходимые для проектирования систем и установок радиационного обогрева параметры и характеристики ГИИ практически нельзя. Некоторые из них определяют экспериментальным путём или при стендовых исследованиях опытной конструкции [5].

Принято считать, что основной задачей, которую необходимо решить при выполнении проектных работ, является расчет установочной мощности системы отопления с ГИИ [6]. В действительности при проектировании и эксплуатации систем лучистого отопления необходимо знать не только общетехнические показатели, присущие всем газовым горелкам (тепловую мощность, рабочее давление и расход газа), но и лучистую характеристику - распределение плотности теплового потока (облученности) от излучателя, которая зависит от температуры, линейных размеров и формы излучающей поверхности, а также от особенностей конструкции рефлектора. Её дают эпюры облучения ГИИ.

X X

о

го А с.

X

го т

о

ю

2 О

м

сч

0 сч

01

о ш m

X

3

<

m О X X

В работе [7] приведено определение значения плотности потока теплового излучения с помощью аналитических зависимостей для определения коэффициентов облучённости. Практика показывает, что характер распределения облучённости, полученный расчётным и экспериментальным путём, существенно различен. Показано, что пренебрежение фактическим распределением теплового излучения вносит погрешность (до 2030%) в расчётную величину лучистого теплообмена между взаимно перпендикулярными неметаллическими поверхностями.

При практическом проектировании лучистого отопления определение мест размещения и высоты подвеса ГИИ предусматривается из условий расположения рабочих мест, конструктивных особенностей помещения, наличия в помещении крана/кран-балки и других технологических сооружений. СП 60.13330.2012 регламентируется максимальная интенсивность инфракрасного облучения рабочего места. Поэтому необходимо заранее знать допустимую высоту подвески излучателя соответствующей мощности. Определение интенсивности теплового облучения - процесс достаточно сложный и трудоемкий. Этим, по-видимому, объясняется отсутствие эпюр облучения в паспортах современных излучателей, серийно выпускаемых промышленностью.

Определение интенсивности теплового потока экспериментальным путем - процесс достаточно сложный и трудоемкий. Этим, по-видимому, объясняется отсутствие эпюр облучения в паспортах современных излучателей, серийно выпускаемых промышленностью.

На основании экспериментальных исследований авторами построены эпюры облучения практически для всех излучателей, применяемых в настоящее время в России для обогрева рабочих зон.

При проведении исследований учитывались рекомендации А.М. Левина [8] и А.К. Родина [5] по методике экспериментов. Регистрировались значения плотности потока излучения, распределённые по направлениям продольной и поперечной осей излучателя.

Результаты

Для примера в таблицах 1-4 приведены результаты измерения плотности излучения по этим координатным направлениям светлого газового инфракрасного излучателя тепловой мощностью 20 кВт при высоте подвески 6,0 м и 10,0 м.

Таблица 1

Распределение плотности теплового потока от излучателя мощностью 20 кВт по направлению продольной оси из-

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0,0 78,5 80,2 79,4 70,1 78,1 76,4 80,5 79,7 78,8 78,6

0,5 70,4 72,0 71,5 69,4 72,1 76,4 72,1 68,9 70,8 71,8

1,0 65,6 66,2 67,6 63,1 63,8 69,3 62,4 65,7 65,8 63,1

1,5 61,1 61,8 58,6 62,0 58,1 63,9 59,3 60,7 61,1 59,2

2,0 50,1 52,3 55,2 49,2 52,1 48,2 49,6 53,8 49,1 50,5

2,5 40,2 40,0 42,6 37,1 39,8 44,6 39,1 40,1 42,0 40,6

3,0 30,8 39,2 33,5 29,1 30,5 33,9 28,9 34,8 30,2 30,4

3,5 21,4 25,1 24,2 20,6 23,5 21,8 21,6 22,5 23,0 24,5

4,0 19,3 22,0 20,5 18,1 19,4 20,1 20,1 19,6 20,4 21,8

4,5 14,1 15,1 14,3 12,5 13,0 15,8 16,5 14,5 13,8 13,6

5,0 12,5 12,5 12,1 12,5 13,0 10,8 11,4 14,0 12,1 12,6

5,5 10,4 12,1 12,1 10,0 10,8 10,5 10,8 10,5 10,2 10,1

6,0 9,6 9,0 10,0 9,1 8,6 10,6 9,4 9,8 8,8 9,1

6,5 8,1 8,5 8,0 8,4 8,4 8,1 9,0 8,1 8,0 8,1

7,0 8,0 8,0 8,0 7,0 8,1 7,6 7,0 8,1 8,0 8,0

Таблица 2

Распределение плотности теплового потока от излучателя мощностью 20 кВт по направлению поперечной оси излучателя при высоте подвески 10 м(Вт/м2 )

L-и 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0,0 78,5 80,2 79,4 70,1 78,1 76,4 80,5 79,7 78,8 78,6

0,5 73,4 75,0 77,5 71,4 72,1 74,4 73,1 75,0 73,8 72,2

1,0 65,4 66,2 67,6 65,1 63,8 64,3 65,1 63,7 65,8 64,1

1,5 60,1 56,8 62,5 62,0 59,0 57,9 58,4 60,7 59,1 57,1

2,0 50,1 49,3 50,4 49,2 50,0 48,4 49,8 51,7 50,2 50,1

2,5 40,1 40,3 40,3 42,2 44,2 43,2 38,1 39,8 40,2 40,5

3,0 30,6 30,0 28,6 34,1 32,3 28,1 30,1 34,3 29,1 31,6

3,5 21,1 22,6 20,9 22,2 19,7 23,0 20,1 20,5 21,6 21,1

4,0 19,4 20,1 18,5 18,6 19,3 20,1 19,6 20,6 17,1 19,1

4,5 14,3 13,3 15,0 13,9 14,8 14,0 14,1 14,2 14,8 13,9

5,0 12,0 10,9 12,6 12,0 12,6 12,1 13,8 12,5 12,8 13,2

5,5 10,2 10,7 10,9 10,8 10,1 10,5 10,0 10,0 10,1 10,5

6,0 8,6 8,2 8,5 8,6 8,1 8,2 8,2 8,1 8,4 8,2

6,5 7,8 7,0 7,9 7,6 6,9 6,9 8,0 7,6 7,1 8,0

7,0 6,6 5,7 6,8 6,9 7,0 7,0 8,0 7,0 6,0 7,0

Таблица 3

Распределение плотности теплового потока от излучателя мощностью 20 кВт по направлению продольной оси излучателя при высоте подвески 6 м ( Вт/м2 )

U-м 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 218,0 218,1 217,3 216,1 214,0 220,0 219,2 218,6 219,6 218,6

0,5 195,0 199,0 197,0 194,1 195,8 198,2 194,2 195,0 193,2 197,0

1,0 181,7 177,9 180,3 180,3 182,4 175,2 184,6 178,6 182,1 185,4

1,5 169,2 169,6 170,3 168,2 169,6 167,2 168,6 169,4 172,2 167,1

2,0 138,8 139,8 138,9 140,2 137,3 135,6 138,7 139,4 134,2 140,2

2,5 111,4 110,5 112,1 110,8 110,4 108,5 111,5 112,2 112,2 110,6

3,0 85,3 84,0 86,2 85,8 83,5 82,3 87,6 88,5 84,1 85,0

3,5 58,4 57,4 56,8 57,0 56,4 59,0 57,5 56,3 58,0 55,9

4,0 53,5 53,4 55,2 52,1 52,8 55,4 52,1 54,5 53,2 52,4

4,5 39.9 38.9 40.2 38,2 37.2 37,6 40.5 40.6 38.4 40.1

5,0 34,6 33,2 35,4 33,2 32,6 34,1 36,2 36,3 35,2 34,4

5,5 29,0 28,1 28,9 29,3 28,2 27,8 30,2 30,0 30,0 29,2

6,0 26,6 25,5 26,8 27,2 27,0 27,0 26,8 25,0 25,8 27,0

6,5 23.2 22,5 23,0 24,0 22.8 23,4 23,2 23,0 22,8 23,0

7,0 20,2 19,2 20,0 21,5 18,4 19,4 19,2 20,0 18,3 22,8

Таблица 4

Распределение плотности теплового потока от излучателя мощностью 20 кВт по направлению поперечной оси излучателя при высоте подвески 6 м (Вт/м2 )

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

0 218,0 218,1 217,3 216,1 214,0 220,0 219,2 218,6 219,6 218,6

0,5 204,1 203,4 205,0 199,1 205,8 203,2 204,2 205,0 202,8 207,0

1 170,5 171,8 170,3 170,3 172,4 169,2 174,6 172,6 172,1 173,4

1,5 166,5 165,1 166,3 163,2 166,6 163,2 168,6 167,4 166,2 167,1

2 139,3 140,1 138,9 141,2 137,3 139,6 138,7 140,4 139,2 140,2

2,5 111,1 110,4 110,1 112,8 109,4 109,5 111,5 110,2 111,2 110,6

3 85,1 85,2 84,0 85,8 83,2 86,3 87,6 86,5 82,1 85,0

3,5 58,3 55,2 56,8 57,0 59,4 59,0 57,5 56,3 56,9 58,2

4 53,8 53,2 52,8 51,1 52,8 55,4 52,1 54,5 51,2 52,4

4,5 39,8 38,2 40,2 39,2 37,2 38,6 40,5 40,6 38,4 40,1

5 33,1 33,5 32,4 33,2 32,6 32,1 34,2 33,3 35,2 33,4

5,5 28,3 25,4 28,9 27,1 28,5 29,5 29,5 27,5 28,0 28,2

6 24,1 24,6 25,2 23,8 23,5 22,4 26,2 25,5 24,8 23,2

6,5 21,6 22,1 19,8 20,5 20,5 20,4 23,1 20,5 21,8 20,2

7 18,3 18,5 18,8 17,5 17,8 16,9 18,7 20,0 16,7 19,1

Здесь точка L=0 соответствует проекции центра излучателя на плоскость пола.

При проведении экспериментальных исследований использовался прибор компенсационного типа (радиометр) - «Аргус-03»» неселективный, который предназначен для измерения плотности теплового потока в

диапазоне от 1 до 2000 Вт/м2 (в спектральном диапазоне от 0,5 до 20.0 мкм)

Радиометр «Аргус-03» состоит из измерительной головки и индикаторного блока. Принцип работы этого прибора основан на преобразовании потока излучения, создаваемого источником (в данном случае ГИИ) в непрерывный электрический сигнал, пропорциональный плотности теплового потока излучения. Электрический сигнал затем преобразуется в цифровой код, индуцируемый на цифровом табло индикаторного блока. Термоэлемент непосредственно фиксирует плотность теплового потока излучения на поверхности радиометра и пола модельного объекта. Показания прибора идентифицируются в единицах Вт/м2.

Измерения проводились в следующей последовательности: измерительную головку устанавливали в месте измерения удельного лучистого теплового потока, индикаторный блок размещался в месте, удобном для снятия показаний с индикаторного табло, закрывалась приемная головка, измерялось и записывалось «темновое» значение плотности теплового потока излучения для дальнейшего вычисления удельного лучистого теплового потока. Затем открывалась измерительная головка.

Расчёт величины удельного лучистого потока Цл, измеренной радиометром, выполнялся по формуле: цл = д° - где и Цз - показания радиометра при

его открытой и закрытой головке.

Измерения плотности потока теплового излучения проводились в плоскостях, параллельных плоскости пола модельного помещения при температуре наружного воздуха от минус 5 до минус 30 °С .

Выполнена математическая обработка [9] всех результатов проведённых экспериментов.

Ниже (рис. 1) приведены результаты корреляционного и регрессионного анализа экспериментальных данных для ГИИ-20 на высоте 10 м.

В результате построено нелинейное уравнение регрессии вида

ц = -0ДХ4 + 1,17! - 6,33Х2 -17,83! + 201,46 + е

где е — погрешность аппроксимации.

Установлено, что чем выше уровень расположения ГИИ, тем равномернее распределение локальных тепловых потоков в рабочей зоне и тем ниже их амплитуда в эпицентре теплового пятна. Под тепловым пятном понимается участок обогреваемой поверхности, на который падает не менее 10 Вт/м2 от исследуемого ГИИ. Полученная функциональная аппроксимирующая зависимость диаметра теплового пятна под ГИИ от мощности в рассмотренном диапазоне характеристик близка к логарифмической (рис. 2).

i' - j

а

♦г' / У

✓ / f \

Рисунок 1. Регрессионная кривая q(L)

Я, м

9

s 7 б

5 10 15 20 25 за 35 Q, КВТ

Рисунок 2. Радиус (R, м) теплового пятна в рабочей зоне при использовании ГИИ различной мощности (Q, кВт)

Согласно СП60.13330.2012 максимальная интенсивность инфракрасного облучения рабочего места не

должна превышать 150 Вт/м2. В результате экспериментальных исследований установлена оптимальная высота подвески излучателей:

5 кВт - 4 м («120 Вт/м2);

10 кВт - 6 м («106 Вт/м2);

15 кВт - 7 м («117 Вт/м2);

20 кВт - 8 м («120 Вт/м2);

30 кВт - 9 м («115 Вт/м2);

40 кВт - 10 м («150 Вт/м2).

Результаты исследования можно использовать для определения оптимальной высоты подвеса излучателей, допустимой плотности теплового потока и расстояний между излучателями при различных вариантах их установки при практическом проектировании.

Заключение

Полученные результаты иллюстрируют возможность оптимизации процессов распределения теплового потока в горизонтальном направлении по площади пола и рабочей зоны при работе газовых инфракрасных излучателей за счет варьирования их положения и тепловой мощности. На основании результатов выполненных экспериментальных исследований можно сделать вывод о перспективности использования разработанного подхода для анализа тепловых режимов объектов, обогреваемых инфракрасными излучателями.

Литература

1.Z. Tian, J.A. Love, Energy performance optimization of radiantslabcool in guessing building simulation and field measurements, EnergyBuild. 41 (2009) 320-330.

2.Давлятчин Р.Р., Куриленко Н.И. Лучисто-конвективный теплообмен газовых инфракрасных излучателей с многослойной конструкцией кровли // Приволжский научный журнал (Нижний Новгород). 2009. № 2. С. 7478.

3.Куриленко Н.И, Давлятчин Р.Р. Теплообмен газовых инфракрасных излучателей с многослойной конструкцией кровли//Вестник ТГАСУ. 2009. №4. С. 132— 141.

4.Краснощек, Б.Н. Прирученное солнце: водяные потолочные панели лучистого отопления «Панель» / Б. Н. Краснощек// Энергосбережение. - 2017. - № 1.С.20 - 21

5. P. Rohdin, B. Moshfegh, Numerical modelling of industrial indoor environments: A comparison between

X X

о

го А с.

X

го m

о

ю

2 О

м

different turbulence models and supply systems supported by field measurements // Building and Environment, Volume 46, Issue 11, November 2011, Pages 2365-2374.

6. Пятачков, В. В. Совершенствование систем ради-ационно-конвективного отопления производственных объектов: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.03 / Пятачков Виктор Владимирович. - Магнитогорск, 2012. - 170 с.

7. Сперроу Э.М. Теплообмен излучением / Э.М. Сперроу, Р.Д. Сесс. - М.: Энергия, 1971. - 282 с.

8. Левин, М.А. Принципы рационального сжигания газа / - А.М. Левин. - Л.: Недра, 1977. - 247 с.

9. Фёрстер, Э. Методы корреляционного и регрессионного анализа / Э. Фёрстер, Б. Рёнц - М.: - Финансы и статистика, 1981. - 302 с.

Study of density of heat flow when operating gas infrared radiators Kurylenko N.I., Ermolaev A.N., Mikhailova L.Yu., Fomina V.V.

Industrial University of Tyumen

JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90

The results of experimental studies of the heat flux density distribution in the working area during the operation of gas infrared emitters are presented. A technique has been developed for conducting an experiment to determine the level of irradiation in the working area of a high-altitude production facility. A comparative analysis of the operation of several typical gas infrared emitters is carried out. A significant inhomogeneity of the irradiation of the working area has been established. On the basis of experimental studies, irradiation diagrams were constructed for almost all emitters currently used in Russia for heating working areas. The features of the formation of the heat flux density in the working area during the operation of infrared emitters are highlighted. The primary statistical processing of the obtained results of all the experiments has been carried out. By means of correlation and regression analysis a nonlinear equation of pair regression of the dependence of the heat flux density distribution on the radiator for rooms of great height has been modeled.

Keywords: radiation, heat flux density, gas infrared emitters, heat flux density distribution.

References

1.Z. Tian, J.A. Love, Energy performance optimization of radiantslabcool in guessing building simulation and field measurements, EnergyBuild. 41 (2009) 320-330.

2. Davlyatchin R.R., Kurylenko N.I., Radiant-convective heat exchange of gas

infrared emitters with a multilayer roof structure // Privolzhsky scientific journal (Nizhny Novgorod). 2009. No. 2. S. 74-78.

3. Kurylenko N.I., Davlyatchin R.R., Heat exchange of gas infrared emitters

with a multi-layer roof structure // Bulletin of TSASU. 2009. No. 4. P. 132141.

4. Krasnoshchek B.N., The tamed sun: water ceiling panels of radiant heating

"Panel" / BN Krasnoshchek // Energosberezhenie. - 2017. - No. 1.S.20 -21

5. P. Rohdin, B. Moshfegh, Numerical modelling of industrial indoor

environments: A comparison between different turbulence models and supply systems supported by field measurements // Building and Environment, Volume 46, Issue 11, November 2011, Pages 2365-2374.

6. Pyatachkov V.V., Improvement of systems of radiation-convective heating

of industrial facilities: dis. ... Cand. tech. Sciences: 05.23.03 / Pyatachkov Viktor Vladimirovich. - Magnitogorsk, 2012 .- 170 p.

7. Sparrow E.M., Heat exchange by radiation / E.M. Sparrow, R.D. Sess. - M

.: Energiya, 1971. - 282 p.

8. Levin M.A., Principles of rational gas combustion / - A.M. Levin. - L .: Nedra,

1977 .- 247 p.

9. E. Foerster, Methods of correlation and regression analysis / E. Foerster,

B. Rontz - M .: - Finance and statistics, 1981. - 302 p.

СЧ

0

es

01

О Ш

m

X

3

<

m О X X