Исследование теплоотдачи отопительного прибора системы теплоснабжения полевого госпиталя, функционирующего в условиях чрезвычайных ситуаций Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 536.3

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ОТОПИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПОЛЕВОГО ГОСПИТАЛЯ, ФУНКЦИОНИРУЮЩЕГО В УСЛОВИЯХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ

Магистр техн. наук КАЧАР И. Л.

Белорусский национальный технический университет

Представленный материал является результатом экспериментальных исследований системы теплоснабжения мобильного полевого медицинского учреждения, где в качестве источника используется теплогенератор ВТГ-2,2 с приводом от источника энергии, не зависящего от внешних условий.

Эксперимент проводился с использованием мягкого отопительного прибора (рис. 1 [1]) в соответствии с планом эксперимента, разработанным согласно с [2, 3] при установившемся тепловом режиме. Такой эксперимент представляет значительный интерес при условии естественной конвекции в горизонтальной щели (рис. 1 [4]). В подобных условиях отопительный прибор (рис. 1) располагается на горизонтальной поверхности (рис. 1б).

а

^ -46 °С

Рис. 1. Общий вид отопительного прибора (а) и расчетная схема (б): I - характерный размер; 4, % - соответственно температуры теплоотдающей и тепловоспринимающей поверхностей

Как видно из рис. 1а, опыты (в соответствии с планом эксперимента [2]) выполнялись в десяти точках и были связаны с измерением температур теплоотдающей и тепловоспринимающей поверхностей, а также температуры в щели. В качестве инструментария использовались бесконтактный пирометр AR852B и хромель-копелевые термопары.

Результаты эксперимента представлены в табл. 1.

Для оценки теплоотдачи от поверхности отопительного прибора рассчитаем коэффициент теплоотдачи.

Определим среднюю температуру по поверхности отопительного прибора

Т7_ ^ + ... +

'п 1 г. •>

Таблица 1

Результаты измерений температуры теплоотдающей поверхности отопительного прибора

IЯ

Точка Температура поверхности

изме- отопительного прибора в щели

рения со стороны воздуха, °С

1 66,5

2 75

3 77

4 80

5 85

6 80

7 76

8 69

9 69

10 65

где ..., - площади ячеек сетки, где производились измерения.

Имеем ТЛ = 74 °С. Определяющим размером будем считать размер щели: I = 0,05 м.

Определим физические свойства воздуха вблизи поверхности отопительного прибора: р = 1,085 кг/м3 -плотность воздуха; ср = 1,007 кДж/(кгК) - удельная теплоемкость воздуха; X = 0,028 Вт/(м К) - теплопроводность воздуха; V = 1,783-10-5 м2/с - коэффициент кинематической вязкости; Яе _ — - критерий Рейнольдса, где

V

w - скорость воздуха, w = 0,1 м/с.

Имеем Яе = 0,1 0,05 _ 280,432 < 5 -105 - режим течения в погранич-1,783 -10-5

ном слое ламинарный.

А также критерий Прандтля

Рг ,

где а - коэффициент температуропроводности, м /с,

X 0,028 ....... 2

а _ -

ерр 1,007 -103 -1,085

_ 2,578 -10-5 м2/с.

Тогда:

1 783 -10-5 &3

рг _ 1,783 10 _ 0,692; Ог _р АТ, 2,578 -10-5 V2

(1)

где в - коэффициент объемного расширения газа, 1/К; g = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения; АТ _ Т11 - Тв = 74 - 52 = 22 °С - разность температур поверхности отопительного прибора и воздуха.

,-т „ 1 г Л Тв 74 + 52

При условии, что р_--, будем иметь АТт _-

АТт + 273 2 2

= 63 °С; В_-1- = 2,976-10-3 1/К; Ог_2,976-10-3 9,81 -0,053 -22 =

63 + 273 (1,783-10-5)2

= 2,526-105.

Воспользуемся критериальным уравнением для инженерных расчетов по определению коэффициента теплоотдачи в условиях естественной конвекции в области давлений 760-5-10-2 мм рт. ст. [4]

Шт _ 1,53(Сг-Рг)тт16 _ 1,53-(2,526-105 - 0,692)016 _ 10,555. (2)

Находим коэффициент теплоотдачи а для свободной поверхности (рис. 1а)

а

№ „X 10,555 • 0,028

а = -

I

0,05

= 5,942 Вт/(м2К).

Схема теплообмена в щели представлена на рис. 1б. В нашем случае в качестве определяющего размера принимаем размер щели I = 0,05 м, а в качестве определяющей температуры - температуру

поверхности, на которой располагается отопительный прибор (^ = 46 °С).

Результаты обработки опытных данных сведены в табл. 2. Они устанавливают зависимость между критериями подобия Ки, Сг, Рг (рис. 2).

Таблица 2

Обработка результатов экспериментов (горизонтальная щель)

0,77

Измерения в точках (рис. 1а) Температура поверхности, °С Значение Значение 18(СгРг)

1 66,5 0,692 5,248

2 75 0,729 5,394

3 77 0,736 5,421

4 80 0,745 5,459

5 85 0,759 5,516

6 80 0,745 5,459

7 76 0,732 5,408

8 69 0,704 5,297

9 69 0,704 5,297

10 65 0,684 5,216

2

5.2 5.3 5,4 5.5 5,6

1§<СгРг)

Рис. 2. График зависимости ^Ыи = = Х^(Ог-Рг)) по данным обработки эксперимента (горизонтальная щель)

Для нахождения функции ^Ыи воспользуемся формулой для ориентированной вниз горячей поверхности в холодной среде [4]

Ыи = 0,24(0г-Рг)0,25, (3)

где 4103 < (СгРг) < 3106.

Точки, являющиеся результатом обработки данных опыта, практически укладываются на одну прямую линию. Запишем математически уравнение для линии, соответствующей значениям произведения ^(СгРг) = 5,216-5,516. Тогда

^Ыи = а0 + а^Сгг-Рг). (4)

Определение коэффициентов при неизвестных выполним по методу наименьших квадратов [2]

X (18 Ких - 1вКи )2 = X (18 Ких - а0 - а ¡е(Сг • Рг))2,

где 18Ких - обработанные экспериментальные данные (табл. 2).

Очевидно, что данная сумма зависит от коэффициентов а0 и а,. Для того чтобы эта сумма была минимальной, необходимо соблюдение условий а0 = 0 и а, = 0:

д

—X (18 Ких - 18Ыи ) = -2Х (18 Ких - аа - а, 1е(Сг • Рг)) = 0;

да,

д ?

—Х( 18Ких -18Ки) = -2Х( 18Ких - а0 - а, 18(Сг • Рг)) 18(Сг • Рг) = 0.

Отсюда имеем:

а0N + а 11в(Сг - Рг) _1^их;

а011в(Сг - Рг) + а111в(Сг - Рг)2 _ I (^(Сг - Рг) - 1е Ких ),

где N = 10 - общее число данных.

Значения и ^(Сг-Рг) отсчитываются от их средних значений

и 1в(Сг - Рг).

Тогда:

аN + ах I [1е(Сг - Рг) - ^(Сг - Рг) ] _ I (^ия - ¡¡К); < а01 [1в(Сг - Рг) - 1е(Сг - Рг) ] + а I [1е(Сг - Рг) - 18(Сг - Рг) ]2 _ (7) _ I [1в(Сг - Рг) - 1е(Сг - Рг)] - (1е шя - ).

Решая данную систему уравнений в МаШСАБ 15, находим коэффициенты при неизвестных:

а0 _-0,628;

а _ 0,251.

Найденные значения подставляем в (5)

^и = -0,628 + 0,251-^(Сг-Рг).

В окончательном виде расчетное критериальное уравнение запишется

Ш = 0,236(Сг-Рг)0,251. (9)

Выражение (9) позволяет производить расчеты интенсивности теплообмена в условиях естественной конвекции в ограниченном пространстве (горизонтальная щель).

В Ы В О Д Ы

1. Исследована теплоотдача отопительного прибора системы теплоснабжения мобильного полевого медицинского учреждения, функционирующего в условиях чрезвычайных ситуаций.

2. Определен коэффициент теплоотдачи от свободной поверхности отопительного прибора.

3. Получено критериальное уравнение для расчета интенсивности теплообмена в условиях естественной конвекции в ограниченном пространстве (горизонтальная щель).

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Т е п л о с н а б ж е н и е полевого госпиталя, функционирующего в условиях чрезвычайных ситуаций / А. П. Несенчук [и др.] // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2011. - № 3. - С. 91-93.

2. Д л и н, А. М. Математическая статистика в технике / А. М. Длин. - М.: Советская наука, 1958. - 465 с.

3. Н е с е н ч у к, А. П. Исследование конвективного теплообмена в вакууме в условиях естественной конвекции: автореф. ... дис. канд. техн. наук. - Минск: БПИ, 1962.

4. А к е л ь е в, В. Д. Тепло- и массообмен в ограниченных пространствах строительных конструкций и сооружений / В. Д. Акельев; под общ. ред. А. П. Несенчука. - Минск: БНТУ, 2010. - 317 с.

Представлена кафедрой ПТЭ и Т Поступила 13.05.2011