Комплексное энергетическое обследование промышленной теплоэнергетической системы «Источник энергии - приемник» и учебно-административного здания Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

плиты остается примерно на одном и том же уровне, равном температуре окружающей среды для данного периода. Для периодов подогрева и охлаждения характер температурных полей аналогичен экспериментальным данным (рис. 1). В период изотермической выдержки температура бетона продолжает увеличиваться, но гораздо медленнее, чем в период подогрева. Это можно объяснить экзотермией цемента.

Из рис. 2 (линии 2, 3) видно, что температурное поле симметричное, выравнивание температур между поверхностью и центром плиты происходит только к середине периода изотермической выдержки, а в период охлаждения перепад температур остается постоянным до конца тепловой обработки. Чтобы избежать градиентов температур в период охлаждения, можно рекомендовать заменить этот период частично или полностью термосной выдержкой.

Модель позволяет исследовать поля температур и влагосодержаний в твердеющем бетоне и выбирать режим тепловой обработки, соответствующий наиболее благоприятным условиям.

Список литературы

1. Александровский, C.B. Расчет бетонных и железобетонных конструкций на изменения температуры и влажности с учетом ползучести / C.B. Александровский. - М.: Стройиздат, 1966.

2. Запорожец, И.Д. Тепловыделение бетона / И.Д. Запорожец, С.Д. Окороков, A.A. Парайский. - Л.: Стройиздат, 1967.

3. Комохов, П.Г. Структурная механика и теплофизика легкого бетона / П.Г. Комохов, B.C. Грызлов. - Вологда: Изд-во Вологодского научного центра, 1992.

4. Кучеренко, A.A. Тепловые установки заводов сборного железобетона. Проектирование и примеры расчета / A.A. Кучеренко. - Киев, 1977.

5. Лыков, A.B. Теория теплопроводности / A.B. Лыков. -М.: Высш. шк., 1967.

6. Лыков, A.B. Тепломассообмен: справочник / A.B. Лыков. -М.: Энергия, 1978.

7. Марьямов, Н.Б. Тепловая обработка изделий на заводах сборного железобетона (процессы и установки) / Н.Б. Марьямов. - М.: Стройиздат, 1970.

УДК 620.9: 621.1

В.И. Игонин, Д.Ф. Карпов, М.В. Павлов

КОМПЛЕКСНОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ - ПРИЕМНИК» И УЧЕБНО-АДМИНИСТРАТИВНОГО ЗДАНИЯ

В статье предложен алгоритм проведения комплексного тепловизионного энергетического обследования промышленной теплоэнергетической системы «источник энергии - приемник» и учебно-административного здания на базе современного парка измерительных приборов и программного обеспечения. По результатам исследований разработаны рекомендации по энерго- и ресурсосбережению, позволяющие существенно снизить энергетические затраты на обеспечение жизненного цикла исследуемых объектов.

Промышленная теплоэнергетическая система, тепловой неразрушающий контроль, источник энергии - приемник, энергосбережение, тепловизионное энергетическое обследование, термическое сопротивление, температурное поле, ведомость предполагаемых дефектов.

The paper considers an algorithm of carrying out complex thermal visional inspection of an industrial heat power system "energy source - receiver" in an educational building using modern measuring devices and the software. According to the research results, the paper provides recommendations on energy conservation and resource-saving allowing essentially to lower power expenses for maintenance of investigated objects life cycle.

Industrial heat power system, thermal non-destroying control, energy source - receiver, energy saving, thermal vision inspection, thermal resistance, temperature field, list of prospective defects.

Энергетическая стратегия России [14] и новый федеральный закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности...» [8] направлены на решение этих проблем. К основным вопросам, рассматриваемым в [8], [14], относятся следующие мероприятия: энергосбережение в теплоэнергетических комплексах и жилищно-коммунальном хозяйстве; энергосбережение в энергоемких отраслях промышленности; проведение мониторингов, энергетических обследований, энергетических аудитов и т.д. Последние являются наиболее ёмкими и

ценными энергосберегающими мероприятиями.

Повышение эффективности использования тепловой энергии становится в настоящее время одним из приоритетных направлений науки и техники. Проведение реконструкции эксплуатируемого фонда с учетом нормативных требований по энергопотреблению позволяет сократить в среднем до 40 % условного топлива [13]. Одним из необходимых этапов работы на этом пути является проведение теплового контроля и определение фактических теплотехнических характеристик строительных конструкций в условиях

их эксплуатации. Для определения фактического значения термического сопротивления ограждающих конструкций, согласно нормативным требованиям [2], [3], можно использовать два метода - натурные испытания и тепловизионные обследования здания. На наш взгляд, в данной ситуации предпочтителен комплексный подход: использование контактных измерений в эталонных («реперных») зонах по поверхности стены и тепловизионный контроль, который позволяет обследовать всё здание, а не отдельные его элементы, и выявить области температур, превышающих нормативные значения.

Одной из серьезных проблем является определение погрешности показаний приборов теплового контроля. Результаты энергетического обследования, не соответствующие реальной картине энергетического состояния объекта, могут привести к заведомо ложным энергосберегающим рекомендациям и, как правило, необоснованным денежным затратам.

По окончании обследования разрабатывается заключение по оптимальному способу реконструкции строительного объекта с целью приведения в соответствие всех перечисленных выше показателей с действующей нормативной документацией.

Целью настоящей работы является достоверная оценка энергетического состояния объектов теплопо-требления с помощью комплексного энергетического мониторинга. В работе приведены результаты исследования двух энергообъектов: промышленной теплоэнергетической системы «источник энергии - приёмник» (далее ПТЭС) и учебно-административного здания (далее УАЗ).

Тепловизионное обследование ПТЭС на примере лабораторной установки «инфракрасный излучатель - кирпичная стенка» проводилось 30 апреля 2010 г. с 13.30 до 18.30 в три этапа с дискретностью в 180 минут. Замеры температурного поля всех поверхностей приемника теплоты осуществлялись с помощью запатентованного способа [9].

На рис. 1 представлена натурная реализация способа теплового неразрушающего контроля рабочего тела [1], [6], [7]. На поверхность кирпичной стенки (2) с помощью нескольких бесконтактных источников инфракрасного излучения (1), подключенных к электрической сети, падает тепловой поток заданной мощности. В зависимости от задачи исследований тепловой поток может быть любой наперед заданной функцией во времени и пространстве. По мере распространения теплового потока изменяется интенсивность теплового излучения, исходящего от поверхностей кирпичной стенки (2). Сканер тепловизора регистрирует инфракрасное излучение как от передней поверхности, ближайшей к сканеру, так и от остальных поверхностей с помощью системы отражающих зеркал (4), расположенных под углом к оси сканера. Также сканер тепловизора регистрирует инфракрасное излучение от самих излучателей (1). Видеосигнал от сканера тепловизора поступает на ПК (5) для обработки информации и её дальнейшего хранения.

Перемещением зеркал (4) и изменением их наклона относительно кирпичной стенки (2) в пределах зоны видимости тепловизора можно добиться того, что на термограмме будут присутствовать тепловые изображения всех поверхностей кирпичной стенки

(2). В итоге благодаря системе зеркальных отражателей (4) имеем объемное решение поставленной задачи.

Принципиальная схема лабораторно-эксперимен-тальной установки приведена на рис. 2. Три инфракрасных излучателя (1) марки ЭЛК 1011 работают от электрической сети. Максимальная мощность одного излучателя - 1000 Вт. Энергию электромагнитного излучения принимает поверхность керамической кирпичной стенки (2). Температуру поверхностей и толщи приемника отслеживает система хромель-алюмелевых термопар (3), подключенных к аналого-цифровому преобразователю (далее АЦП). Аналоговый сигнал с термопар поступает на блок АЦП (4). В первом модуле (1-7018) сигнал преобразуется в цифровой посредством сигма-дельта преобразователя, далее этот сигнал через кабель 118-485 подается на распределительный модуль (5). Конвертер посредством кабеля ЯБ 485 соединен с персональным компьютером, на мониторе которого в режиме реального времени выводятся экспериментальные графики изменения температур в заданных координатных точках.

Во время тепловизионного обследования лабораторной установки «источник энергии - приемник» дополнительно проводились замеры температуры в заданных точках системы контактным способом. Оценку адекватности полученных термограмм реальному температурному состоянию поверхностей кирпичной стенки (2) в текущий момент времени можно проводить с помощью фиксированной системы откалиброванных хромель-алюмелевых термопар

(3), которые замеряют температуру рабочего тела в заданных точках в режиме реального времени.

Координатная схема расположения термопар в ПТЭС приведена на рис. 3. В табл. 1 приведены результаты обработки в программной среде БАТ-Яерог12009 термограмм тепловизионного обследования лабораторной установки на первом этапе исследования с помощью инфракрасного тепловизора БОБ Но1РтсЮ.

Оценка правдоподобности термограмм (табл. 1) реализована посредством графической программы SigmaPlot и математического редактора МаЙгСАБ [5]. Данное программное обеспечение позволяет строить плоские (контурные) температурные поля в цветовой палитре. Сопоставление полученных результатов теплового энергетического обследования приемника теплоты разрушающим и неразрушаю-щим методом позволит оценить правдоподобность полученных результатов выполненной работы. Тепловые изображения тепловизора и плоские температурные поля, построенные в программных средах, занесены в табл. 2.

Рис. 1. Устройство для реализации [9]:

1 - инфракрасный излучатель; 2 - кирпичная стенка; 3 - система хромель-алюмелевых термопар; 4 - система зеркальных отражателей; 5 - персональный компьютер сокращения: СВЗ - самое верхнее зеркало, ВЗ - верхнее зеркало, ЛЗ - левое зеркало, ПЗ - правое зеркало

На компьютер

/и Электрическая сеть

Рис. 2. Лабораторно-экспериментальная установка «источник энергии - приемник» (ПТЭС):

1 - электрический инфракрасный излучатель; 2 - керамическая кирпичная стенка; 3 - хромель-алюмелевые термопары; 4 - аналого-цифровой преобразователь; 5 - конвертер

А

А-А

Т6'

Л

1/

/

Иг

Т7

Фрагмент тч

тз- 2 \ ТО ТУ

1 \| / 1/ 1

1 • / * 1 .

И/ "^2\Т4

«ГЧ.

1 • 1 • 1

/1 |\

/ \

15/ \Г£

Б -Б

Тб 2 4 Т5 Т7

\ I г~ г~

| \| 1 1/

1 • 1/ • 1

1 1*1

1 » 1 » 1

1 ............../ 1\............

те/ \П'

№ тер- Координаты : № тер- Координаты

мопары (х, у, ¿} мопары :

0, 0,0 120, 125, -55

15, о.о г: 120, -125. -65

30,0,0 0,125, 65

60. 0.0 0,-125,65

90,0,0 : 0, 125,-65

|ЩННИ| 120, 0, 0 0. -125. -65

120,125, 65 воздух

120,-125,65. 7" воздух

Рис. 3. Схема размещения термопар ПТЭС:

1 - инфракрасный излучатель; 2 - кирпичная стенка; 3 - система хромель-алюмелевых термопар

Результаты тепловизионного обследования ПТЭС

Таблица 1

Обозначение

Данные тепловизионной съемки

Гистограмма анализа температурного поля

Основные показатели

свз

вз

лз

X = о

Х= 120

47.870 -45 ■40

32,«С Н1

"г-

■¡■и 1

■ИМИ

гада

48,91'С

г

зз.втс

К1

V •

г т \ I

I У

____________■ИИИИИИ

-60

-45 Е-40

Е-35-

зз.тте

8(4 1

83,5-С ;зо

-70 90

зг.зге

* \ г"^«

103.8ГС -100

36.ГС К1

щт

■ . I.. ■ Л ' . ■ -

60 гб» 0

1. Максимальная температура гтах=47,9°С.

2. Минимальная температура ¿шт = 40,2 °С.

3. Средняя температура г,« = 42,8 °С

40.2 417 42.5 43.2 44 44,3 45,5 46,3 47,1 47.3 Мз*47.3 Шл:402 4*М42.3 1Н1-331

1. Максимальная температура ¿„их = 48,9 °С.

2. Минимальная температура = 39,5 °С.

3. Средняя температура ^ауе 43,7 С

33,5 40,4 41,4 42.2 432 44.2 45.1 45,1 47 47,3 43,9 Ши48,3 Ые-,33.! **г.43,7 131-301

1. Максимальная температура = 60,5 °С.

2. Минимальная температура Гтш = 50,2 °С.

3. Средняя температура = 55,8 С

53,2 £1,2 52.2 53,2 54 3 55.3 53,3 57.4 53.4 5Э.4 50,5 ШК605 1,5.11.502 '.С'55 3 Ш-501

71,4 733 75 7М 774 73,3 73.6 81 32 2 33.5 Ш1335 Ш1.71.4 *МГ77А «1-501

1. Максимальная температура /тах=83,5°С.

2. Минимальная температура ¿тт = 71,4 °С.

3. Средняя температура (ате = 77,4°С

1. Максимальная температура гтах = 103,9 °С.

2. Минимальная температура = 38,7 °С.

3. Средняя температура

95,8 С

33.7 45 2 51,7 532 34,7 71 3 77.3 34.3 500 97 3 133.1 ШХ10Э9 ШГ33.7 й ^1-231

1. Максимальная температура /тах= 83,0 °С.

2. Минимальная температура ггат = 32,6 °С.

3. Средняя температура Гауе = 44,8 °С

32,5 37.6 42.5 47.; 52.7 57.3 523 67,3 72,3 77,3 92 3 ШЧ83.0 1.1П.32.3 ■ 44 !; Ш-201

Примечание. Термограммы построены по следующим параметрам окружающей среды: 1 - относительная влажность воздуха ф = 50%; 2 - расстояние сканера тепловизора до объекта 1 = 2,0 м; 3 - излучательная способность кирпича а = 0,75.

Таблица 2

Тепловизионные и расчетно-экспериментальные термограммы ПТЭС

Примечание. Термограммы построены по следующим параметрам окружающей среды: 1 - относительная влажность воздуха <р = 50%; 2 - расстояние сканера тепловизора до объекта / = 2,0 м; 3 - излучательная способность кирпича о = 0,75.

Погрешность тепловизионной съемки по табл. 2 составила ±10 % , что является допустимым значением для проведения достоверного тепловизионного обследования.

Тепловизионное энергетическое обследование УАЗ проводилось 31 марта 2010 г. Теплосъемка производилась как снаружи, так и внутри здания (в аудиториях и вспомогательных помещениях). Некоторые результаты тепловизионного обследования представлены в табл. 3.

Требуемое термическое сопротивление теплопередаче , м2 • °С/Вт, наружных ограждений здания (стен, покрытий, окон, балконных дверей и т.д.) следует определять по действующим стандартам [4], [10] - [12]. Для наружных стен УАЗ расчетно-экспериментальным путем определили =0,0003х

х5567 + 1,2 = 2,87 м2-°СУВт.

Фактическое термическое сопротивление наружной стены УАЗ , м2 • °С/Вт находится через выражение

1 'т. 1

«т. М , S1.1T ¡т _ «т.

фактический температурный перепад между температурой внутреннего воздуха цах и температурой

внутренней поверхности ^ ограждающей конструкции, °С.

Относительное отклонение фактического термического сопротивления ограждающей конструкции от нормативного (оптимального) рассчитывается по формуле, %:

р — /?'3е5 §я = ——т—— • 100 .

Я,

где ¿¡п, - фактическая температура в помещении, ; ~~ температура наружного воздуха; -

гсц

Отклонение термического сопротивления теплопередаче помещения соответствующего этажа УАЗ от нормативного значения наглядно демонстрирует серия диаграмм (рис. 4).

В работе проведено энергетическое обследование ПТЭС и УАЗ. По результатам первого обследования проведена оценка достоверности показаний тепловизора (погрешность ±10 %) в сравнении с показаниями термопар. По итогам тепловизионного обследования УАЗ интервал отклонений от величины ^ составил 1,5; 71,6 %, который является показателем излишнего расхода тепла зданием. Рекомендуется проведение утепления (по критерию цена / качество) зон УАЗ со сверхнормативными тепловыми потерями.

Таблица 3

Результаты тепловизионного энергетического обследования УАЗ

Наименование участка Данные тепловизионной съемки Ведомость предполагаемых дефектов

1 2 3

Снаружи здания (фасад)

Наружная поверхность свегопрозрачного ограждения здания шяшщштштшк^яштшттяшш 1 1 7 МЗС: -14 -12 -10 -8 зге 1Й1 Высокие тепловые потери через подоконную область

Торцевая сторона здания (верхние этажи) Равнозначные тепловые потери по всей площади ограждающей конструкции

Оранжерея вгс 15 10 5 0 .З'С Высокие тепловые потери через подкровельную область фасада

Стеклянная кровля оранжереи ля^ия V . •-'л,. Л^'Ч^Й-'Щ ■ «ОДЯ 2,5 96-е -20 -15 -.10 -5 С Я Высокие тепловые потери через оконные рамы кровли

Коридор ~~~' ■ - • V * 'ШШЯШЯвШЯ^ 23 -1. 1 24'С -го -15 -10 -5 -0 ВоС =11 Высокие тепловые потери через локальные высокотеплопроводные зоны кровли

Окончание

1 2 3

Внутри здания

Отопительные приборы в холле

Аудитория № 312

^ Г: ¡( ' *

у (11

А И ,! :! ; Ч :! I .:! I

-'■ШЭШЯШШ 'Я

'Ж' у! " 41 зге

Ш; -40

К!»:» •« ¡1 -35

1 -30

Ш- ! -25

Г1 " н

г,' ■ Нн -20

' . 19.96'С

1Я1

Шестая секция чугунно-секцион-ного радиатора засорена

Без дефектов

Примечание. Термограммы построены по следующим параметрам окружающей среды: 1 - относительная влажность наружного воздуха <р = 85 %; 2 - расстояние сканера тепловизора до объекта / = 3,0 - 20,0 м; 3 - излучательная способность штукатурки а = 0,91 и стекла а = 0,94.

: I

71.,«

1-й лгаж

■ ■ 16.6.

-1

мл

! Л

п

1,8

: 1

М.9

-ид

55.3

3-й этаж

■-- 49.0 ——

■ ■:

• ----- •

рИ ,- 1

51.9

л

4-й этаж

Рис. 4. Отклонение термического сопротивления теплопередаче от нормативного значения УАЗ Список литературы

1. Будадин, О.Н. Тепловой неразрушающий контроль изделий / О.Н. Будадин, А.И. Потапов, В.И. Колганов и др. - М.: Наука, 2002.

2. ГОСТ 26254-84. Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций. - Введ. 01.01.85. - М.: Изд-во стандартов, 1985.

3. ГОСТ 26629-85. Здания и сооружения. Метод тепло-визионного контроля качества теплоизоляции ограждаю-

щих конструкций. - Введ. 01.07.86. - М.: Изд-во стандартов, 1986.

4. ГОСТ 30494-96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. - Введ. 01.03.99. -М., 1999.

5. Кирьянов, Д.В. MathCAD 14 / Д.В. Кирьянов. - СПб.: БХВ-Петербург, 2007.

6. Клюев, В.В. Неразрушающий контроль и диагностика: справочник / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, A.B. Ковалев и др. - М.: Машиностроение, 2005.

7. Клюев, В.В. 16-я Междунар. конференция по нераз-рушающему контролю (Монреаль, Канада, 30 августа - 3 сентября 2004 г.) / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, Ю.В. Ланге и др. // Контроль. Диагностика. - 2005 - № 1. - С. 3 - 22.

8. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности, о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: федер. закон от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ // Ведомости Федерального Собрания Российской Федерации. - 2009.

9. Патент 2379668, Российская Федерация, (51) МПК G01N 25/18 (2006.01). Способ теплового неразрушающего

контроля рабочего тела / Игонин В.И., Карпов Д.Ф.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет» (ВоГТУ). -№2008140634; заявл. 13.10.2008 г.; опубл. 20.01.2010 г., бюл. № 2.

10. Свод правил по проектированию и строительству: проектирование тепловой защиты зданий: СП 23-101-04: введ. 01.06.04. - М.: ФГУП ЦПП, 2004.

11. Строительные нормы и правила. Строительная климатология: СНиП 23-01-99: введ. 01.01.2000. - М.: ФГУП ЦПП, 2000.

12. Строительные нормы и правила: тепловая защита зданий: СНиП 23-02-2003 / Госстрой России. - Введ. 01.10.03. -М„ 2003.

13. Троицкий, Т.Е. Энергетическое обследование - способ реального энергосбережения и получения дополнительной прибыли: учеб. пособие / Т.Е. Троицкий, О.Н. Марков, В.И. Будадин и др. - М., 2002.

14. Энергетическая стратегия России на период до 2030 г.: постановление Правительства Российской Федерации от 13.11.2009 № 1715-р.

УДК 669.001.5:669.04

З.К. Кабаков, М.А. Пахолкова ОДНОМЕРНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОХЛАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛА В КОВШЕ

В статье изложена одномерная математическая модель, описывающая процессы охлаждения металла в сталеразливоч-ном ковше при внепечной обработке, выполнено сравнение результатов моделирования с разработанной ранее более сложной двумерной моделью. Результаты сравнения показали, что одномерная модель достаточно точно описывает тепловые процессы в ковше.

Математическая модель, ковш, охлаждение металла, внепечная обработка.

The paper describes one-dimensional mathematical model of the processes of metal cooling in the ladle during out-of-fiirnace processing and compares modelling results with the previously developed a more complex two-dimensional model. The comparison shows that one-dimensional model quite accurately describes the thermal processes in the ladle.

Mathematical model, ladle, cooling metal, out-of-fiirnace procesing.

В настоящее время в сталеразливочных ковшах осуществляется значительное число технологических операций по внепечной обработке стали с целью получения заданного химического состава и чистоты металла по неметаллическим включениям. В процессе этих операций температура металла в ковше изменяется. В связи с этим важное значение приобретает задача прогнозирования динамики изменения температуры в ковше при обработке металла. Для этого ранее была разработана двумерная математическая модель, описывающая процессы охлаждения металла при транспортировке и продувке в 350-тонном ста-леразливочном ковше [1]. Модель включала две подмодели: «Сталь» и «Шлак». Данная модель является довольно громоздкой для ее реализации на языке программирования Turbo Pascal. Кроме того, для уменьшения погрешности расчета затвердевания шлака требуется увеличение количества узлов в расчетной сетке по высоте шлака более 50. При этом продолжительность расчета значительно возрастает. Также установлено, что распределение температуры

метала по высоте ковша существенно неравномерно по сравнению с распределением температуры по радиусу ковша.

В связи с этим разработана одномерная математическая модель. Переход от двумерной модели [1] к одномерной осуществлен следующим образом.

Подмодель «Сталь» [1] включает уравнение теплопроводности

с р.

дТ=±

dt dz

S<t> 1

эт\ . 1

dz

Э г

. ВТ

(i)

где 0 < г < ¿к, 0 < г < й, 0 <г<Н- область интегрирования уравнения (1); с - теплоемкость стали; р -плотность стали; - эффективный коэффициент теплопроводности стали, с помощью которого учитывается движение металла; Я и Я - радиус и высота объема стали.

Принимая распределение температуры металла по радиусу ковша близким к равномерному, умножим