CC BY
20
УДК 625.056/086:678.842.1 Р.Т. Емельянов, А.Ф. Александрова,
Г.В. Игнатьев, В.К. Шмидт
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ТЕПЛОПРОВОДА СИСТЕМЫ
ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
R.T. Emelyanov, A.F. Alexandrova, G.V. Ignatyev, V.K. Schmidt
THE SIMULATION OF DYNAMIC MODES OF THE HEAT PIPE OF HEATING SYSTEM
Емельянов Р.Т. - д-р техн. наук, проф. каф. строительных материалов и технологии строительства Инженерно-строительного института Сибирского федерального университета, г. Красноярск. E-mail: [email protected] Александрова А.Ф. - асп. каф. строительных материалов и технологии строительства Инженерно-строительного института Сибирского федерального университета, г. Красноярск. E-mail: [email protected]
Игнатьев Г.В. - канд. техн. наук, доц., зав. каф. строительных материалов и технологии строительства Инженерно-строительного института Сибирского федерального университета, г. Красноярск. E-mail: [email protected] Шмидт В.К. - канд. техн. наук, доц. каф. строительных материалов и технологии строительства Инженерно-строительного института Сибирского федерального университета, г. Красноярск. E-mail: [email protected]
Важнейшим фактором повышения энергетической эффективности теплоснабжения зданий является качество работы гидротранспортных комплексов. Она сопровождается различного рода переходными процессами, которые характеризуются значительными изменениями давления, расхода, гидравлической мощности, скорости движения жидкости и т.д., в зависимости от объемного расхода воды при перепаде давления 105 Па. Изменение коэффициента перепускного клапана ведет к изменению таких параметров, как перепад давления и расход теплоносителя через клапан. Все это существенно снижает стабильность температурного режима гидротранспортной системы. Одним из способов снижения динамических процессов служит стабилизация температурного режима тру-
Emelyanov R.T. - Dr. Techn. Sci., Prof., Chair of Construction Materials and Technology of Construction, Construction Institute, Siberian Federal University, Krasnoyarsk. E-mail: [email protected]
Alexandrova A.F. - Post-Graduate Student, Chair of Construction Materials and Technology of Construction, Construction Institute, Siberian Federal University, Krasnoyarsk. E-mail: [email protected]
Ignatyev G.V. - Cand. Techn. Sci., Assoc. Prof., Chair of Construction Materials and Technology of Construction, Construction Institute, Siberian Federal University, Krasnoyarsk. E-mail: [email protected]
Shmidt V.K. - Cand. Techn. Sci., Assoc. Prof., Chair of Construction Materials and Technology of Construction, Construction Institute, Siberian Federal University, Krasnoyarsk. E-mail: [email protected]
бопроводной системы теплоснабжения, которая уменьшает перепады давлений и температуры теплоносителя. В работе приведено математическое моделирование динамических режимов теплопровода системы теплоснабжения. Моделирование выполнено на основе анализа структуры трансцендентных передаточных функций. Разработана блок-схема теплопровода в Matlab-Simulink. Разработанная математическая модель теплопровода использована для выполнения процессов моделирования системы теплоснабжения в условиях переходных процессов и позволяет получить количественные характеристики параметров, влияющих на гидравлическую устойчивость в части влияния скорости потока на температурный режим системы теплоснабжения зданий. Недогрев теплоносителя за
счет увеличения скорости потока компенсируется увеличением коэффициента теплоотдачи.
Ключевые слова: энергосбережение, тепловая энергия, моделирование, тепловой баланс, система теплоснабжения.
The most important factor of increasing power efficiency of heat supply of buildings is the quality of work of hydrotransport complexes. It is followed by different transition processes characterized by considerable changes of pressure, expense, hydraulic power, liquid movement speed, etc., depending on the consumption of water volume at the pressure difference of 105 PA. The change of coefficient of waste valve conducts to change of such parameters, as pressure difference and the expense of the heat carrier via the valve. All this significantly reduces the stability of temperature condition of hydrotransport system. One of the ways of decreasing dynamic processes is the stabilization of temperature conditions of pipeline system of heat supply reducing the differences of pressure and temperature of the heat carrier. Mathematical modeling of dynamic modes of heat conductor of the system of heat supply is given in the study. The modeling is executed on the basis of the structure of transcendental transfer functions analysis. The flowchart of heat conductor is developed in Matlab-Simulink. The developed mathematical model of heat conductor is used for the processes of modeling the system of heat supply performance in the conditions of transition processes and allows receiving quantitative characteristics of the parameters influencing hydraulic stability regarding the influence of the speed of the stream on the temperature condition of the system of buildings heat supply. Underheating of the heat carrier at the expense of increase in the speed of the stream is compensated by the increase in heat transfer coefficient.
Keywords: energy saving, thermal energy, simulation, thermal balance, heat supply system.
Введение. Важнейшим фактором повышения энергетической эффективности теплоснабжения зданий является качество работы гидротранспортных комплексов, которая сопровождается различного рода переходными процесса-
ми, характеризующимися значительными изменениями давления, расхода, гидравлической мощности, скорости движения жидкости и т.д. [1, 2]. Гидротранспортные комплексы представляют собой сложную энергоемкую систему, включающую насосные агрегаты с различными схемами соединения, гидродинамическую сеть, характеризующуюся наличием противодавления, нелинейностей, обусловленных местными сопротивлениями (задвижками, вентилями, обратными клапанами, разветвлениями трубопровода и т.п.), различными свойствами перемещаемой среды [3, 4].
За характеристику современной арматуры принята пропускная способность (терморегуляторы, регуляторы расхода теплоносителя, балансировочные клапаны и др.) в зависимости от объемного расхода воды при перепаде давления 105 Па. Изменение коэффициента перепускного клапана ведет к изменению таких параметров, как перепад давления и расход теплоносителя через клапан. Все это существенно снижает стабильность температурного режима гидротранспортной системы [5, 6]. Одним из способов снижения динамических процессов служит стабилизация температурного режима трубопроводной системы теплоснабжения, которая уменьшает перепады давлений и температуры теплоносителя [7, 8].
Существенную долю в исследовании динамических режимов тепловой сети занимает математическое моделирование. Известно несколько методов математического моделирования таких динамических режимов. Моделирование на анализе структуры трансцендентных передаточных функций позволяет исследовать динамику теплового состояния трубопроводной системы теплоснабжения, изменяющейся по длине элемента температурой греющего агента [9, 10].
Цель исследований. Определить влияние скорости течения теплоносителя на температуру в теплопроводе при скачкообразном и ступенчатом изменении скорости потока.
Методы и результаты исследований. На рисунке 1 приведена расчетная схема теплового баланса теплопровода при скачкообразном и ступенчатом изменении скорости потока.
Рис. 1. Расчетная схема теплового баланса теплопровода при скачкообразном и ступенчатом изменении скорости потока: х - текущая координата аппарата, м; I - длина аппарата, м; V -постоянная скорость, м/с; Т1 - температура стенки трубы системы отопления, °С; Т2 - температура теплоносителя, °С; q - удельный тепловой поток, Вт
м
Для моделирования процесса передачи тарного кольца стенки трубопровода за время М
температуры в теплопроводе составлен диф- [8]
ференциальный тепловой баланс для элемен-
п(й2 - й2) сгУг-^-¿х ' ЛТ2 =
= а12(в1 — в2) 1 пй ■ йх ■ (И + а32пО ■ йх ■ (Т3 — Т2) ■ (И,
(1)
где сс - удельная теплоемкость жидкости,
кДж кг ^
——; Y2 - плотность теплоносителя, —; й -
кгК м
наружный диаметр трубы, м; d - внутренний
Вт
редачи теплоносителя трубе, 1 - текущее
м К
время, с.
Тепловой баланс описывается дифферен-
диаметр трубы, м; а 12 - коэффициент теплопе- циальными уравнениями в частных производных (2), (3) с краевыми и начальными условия-
ми [7].
^ = ¿(71-72) + *-* ;
71 (х,0) = 772 (х,0) = 0; 7\ ( 0,0 = Д( 0 ; 72 1 - * - * ( 0 = ( 0■
(2)
(3)
(4)
Здесь Д( 0 ,/3(0 и 0 - произвольные этом температура теплоносителя - величина,
функции времени. не зависящая от координаты х и изменяющаяся
Решение системы (2)-(4) выполнено относи- только во времени. Получаем решение системы тельно температуры Т1 потока жидкости. При
(*
или
х М(р)\
И
(5)
где р - независимая переменная; x - текущая длина теплопровода.
Передаточная функция звена теплопровода определяется следующим образом:
W1=1/M(p). (7)
(8)
^2 =ехр(-;-;р)-ехр(-;;;—)-ехр
где е х р( -|р) - чистое запаздывание, < ехр ( - ^ ■ - постоянный коэффициент.
Проведя деление M(p)/N(pj, получим
м(р) №(р)
V
'12
(9)
Таким образом, функция звена теплопровода определится по формуле
Т?.л Тл
>(р Н
г).
(10)
Т21 т23'1
При моделировании были взяты следующие значения: постоянные времени - ^2^21^23=1
(Р) =
/з (Р)
■ +
(2,62р+1)(0,38р+1)
Таким образом, получим звено теплопровода с трансцендентной передаточной функцией
и время запаздывания - т 0 = - - = 1 с. При этом выражение (6) примет вид
7з(р) 1 x 0,3 68 ■ехр (-р)^ехр(^). (11)
(2,62р+1)(0,38р+1)
(—) =
\0,5р+1/
1 +
0,5
' +
0,5
+ ■
0,5
(0,5р+1) (0,5р+1)2 (0,5р+1)
+
(12)
Каждый член уравнения (12) представляет собой апериодическое звено п-го порядка, поэтому погрешность определится
Д < ехр (//)-( 1+ £ + £ + £+. • •). (13)
На рисунке 2 представлена схема моделирования системы по изменению скорости потока скорости потока в Matlab-Simulink.
Результаты моделирования по изменению скорости потока теплоносителя приведены на рисунке 3.
Результаты моделирования показали, что при изменении скорости потока на 1,0 м/с температура в теплопроводе повышается на 0,5°С. При изменении скорости потока на 0,5 м/с температура в теплопроводе уменьшается, что может вызвать недогрев теплоносителя. В целом недогрев теплоносителя за счет увеличения скорости потока компенсируется увеличением коэффициента теплоотдачи.
Рис. 2. Схема моделирования по изменению скорости потока: 1 - блок-схема уравнения (2); 2 - блок-схема уравнения (3)
1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 Вре мя, с
Рис. 3. Изменение скорости потока на 0,1м/с
На рисунке 4 приведены зависимости изменения температуры при скачкообразном возмущении ¡3 и Ь .
0.7
у = 0Д3221пМ +0.4209 Р1 = 0,3392
ш
0.3
0.2
—Г"
4
-1
Время, с
Рис. 4. Реакции системы (2)-(4) на единичные скачкообразные возмущения по функции 1з и Ь
Заключение. Разработанная математиче- характеристики параметров, влияющих на гид-
ская модель теплопровода используется для равлическую устойчивость в части влияния ско-
выполнения процессов моделирования системы рости потока на температурный режим системы
теплоснабжения в условиях переходных про- теплоснабжения зданий. цессов и позволяет получить количественные
Литература
1. Цыганкова А.В., Клиндух Н.Ю., Шилкин С.В. Моделирование гидропривода в среде «Matlab-Simulink» // Вестник КрасГАУ. -2013. - № 11. - С. 243-249.
2. Цыганкова А.В., Емельянов Р.Т, Липовка Ю.Л. Термодинамический анализ трубопроводной системы отопления // Вестник КрасГАУ. - 2014. - № 11. - С. 182-186.
3. Потокораспределения трубопроводной системы отопления при независимом подключении циркуляционного насоса / А.В. Цыганкова, Р.Т. Емельянов, Ю.Л. Липовка [и др.] // Вестник КрасГАУ. - 2014. - № 12. -С. 200-204.
4. Цыганкова А.В. Сокращение потерь тепловой энергии в тепловых сетях // Мат-лы Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием студентов, магистров, аспирантов, молодых ученых (6-9 февраля 2014 г.) / под ред. С.А. Белых. - Братск, 2014. -С. 102-104.
5. Цыганкова А.В. Моделирование процессов гидросистемы регулируемых трубопроводных систем // Проспект Свободный-2015: мат-лы науч. конф., посвященной 70-летию Великой Победы (15-25 апреля 2015 г.) / отв. ред. Е.И. Костоглодова. - Красноярск: Изд-во СФУ, 2015. - URL: http://conf.sfu-kras. ru/sites/mn2015/index. html.
6. Цыганкова А.В., Сташин А.М. Стабилизация температурного режима образовательных учреждений // Формирование человеческого капитала ресурсами системы образования: мат-лы III Всерос. конф. - Красноярск, 2016. - С. 149-151.
7. Липовка Ю.Л., Панфилов В.И. О системном подходе к проблеме энергосбережения города // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: мат-лы VII Всерос. науч.-практ. конф. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. - С. 98-101.
8. Математическое моделирование потоко-распределения на тепловых пунктах / Ю.Л. Липовка, В.И. Панфилов, А.Ю. Липовка [и др.] // Энергосбережение и водоподго-товка. - 2008. - № 3. - С. 65-67.
9. Побат С.В., Тихонов А.Ф. Автоматизация инженерных систем теплоснабжения жилых
и промышленных зданий // Механизация строительства. - 2009. - № 11. - С. 18-21.
10. Пырков В.В. Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика. - Киев: Таю справи, 2005. -304 с.
Literatura
1. Cygankova A.V., Klinduh N.Ju., Shilkin S.V. Modelirovanie gidroprivoda v srede «Matlab-Simulink» // Vestnik KrasGAU. - 2013. -№ 11. - S. 243-249.
2. Cygankova A.V., Emeljanov R.T., Lipovka Ju.L. Termodinamicheskij analiz truboprovodnoj sistemy otoplenija // Vestnik KrasGAU. - 2014. - № 11. - S. 182-186.
3. Potokoraspredelenija truboprovodnoj sistemy otoplenija pri nezavisimom podkljuchenii cirkuljacionnogo nasosa / A.V. Cygankova, R.T. Emeljanov, Ju.L. Lipovka [i dr.] // Vestnik KrasGAU. - 2014. - № 12. - S. 200-204.
4. Cygankova A.V. Sokrashhenie poter' teplovoj jenergii v teplovyh setjah // Mat-ly Vseros. nauch.-tehn. konf. s mezhdunar. uchastiem studentov, magistrov, aspirantov, molodyh uchenyh (6-9 fevralja 2014 g.) / pod red. S.A. Belyh. - Bratsk, 2014. - S. 102-104.
5. Cygankova A.V. Modelirovanie processov gidrosistemy reguliruemyh truboprovodnyh sistem // Prospekt Svobodnyj-2015: mat-ly nauch. konf., posvjashhennoj 70-letiju Velikoj Pobedy (15-25 aprelja 2015 g.) / otv. red. E.I. Kostoglodova. - Krasnojarsk: Izd-vo SFU, 2015. - URL: http://conf.sfu-kras. ru/sites/mn2015/index. html.
6. Cygankova A.V., Stashin A.M. Stabilizacija temperaturnogo rezhima obrazovatel'nyh uchrezhdenij // Formirovanie chelovecheskogo kapitala resursami sistemy obrazovanija: mat-ly III Vseros. konf. - Krasnojarsk, 2016. -S. 149-151.
7. Lipovka Ju.L., Panfilov V.I. O sistemnom podhode k probleme jenergosberezhenija goroda // Jenergojeffektivnost' sistem zhizneobespechenija goroda: mat-ly VII Vseros. nauch.-prakt. konf. - Krasnojarsk: IPC KGTU, 2006. - S. 98-101.
8. Matematicheskoe modelirovanie potokoraspredelenija na teplovyh punktah /
Ju.L. Lipovka, V.I. Panfilov, A.Ju. Lipovka [i dr.] // Jenergosberezhenie i vodopodgo-tovka. - 2008. - № 3. - S. 65-67.
9. Pobat S.V., Tihonov A.F. Avtomatizacija inzhenernyh sistem teplosnabzhenija zhilyh i
promyshlennyh zdanij // Mehanizacija stroitel'stva. - 2009. - № 11. - S. 18-21.
10. Pyrkov V.V. Gidravlicheskoe regulirovanie sistem otoplenija i ohlazhdenija. Teorija i praktika. - Kiev: Taki spravi, 2005. - 304 s.
УДК 628.161:66.065.512 В.А. Ермолаев
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНЫХ РЕЖИМОВ НА ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ХРАНЕНИЯ СУХОГО СЫРНОГО ПРОДУКТА
V.A. Ermolaev
THE RESEARCH OF INFLUENCE OF TEMPERATURE MOISTURE CONDITIONS ON THE DURATION OF DRY CHEESE PRODUCT STORAGE
Ермолаев В.А. - д-р техн. наук, доц. каф. при-родообустройства и химической экологии Кемеровского государственного сельскохозяйственного института, г. Кемерово. E-mail: [email protected]
Работа посвящена анализу влияния темпе-ратурно-влажностных режимов на интенсивность протекания биохимических процессов в сухом продукте. В качестве объекта исследования выступал обезвоженный сыр марки «Голландский». Упаковку продукта осуществляли двумя способами: в бумажные и в комбинированные пакеты на основе полиэтилена и алюминиевой фольги в условиях вакуума. Исследовано влияние температурно-влажностных режимов на органолептическую оценку продукта. На протяжении 16 месяцев хранения органолептическая оценка продукта снижается на 2-5 баллов. Установлена преждевременная порча продукта, упакованного в бумажные пакеты, в условиях хранения при относительной влажности воздуха 90 % и температуре 20±2°С. При указанном режиме хранения за 6 месяцев содержание влаги увеличилось на 2,1 %, за 14 месяцев - на 3,2 %. В случае упаковки в комбинированные пакеты изменение содержания влаги в сухом сыре в течение предварительных сроков годности происходило не более чем на 0,1-0,4 %. Иссле-
Ermolaev V.A. - Dr. Techn. Sci., Assoc. Prof., Chair of Environmental Engineering and Chemical Ecology, Kemerovo State Agricultural Institute, Kemerovo. E-mail: [email protected]
дованы микробиологические показатели продукта в процессе хранения. Обнаружено, что величина КМАФАнМ продукта в течение сроков годности при всех температурно-влажностных режимах и способах упаковки составляет менее 1-104 КОЕ/г. Бактерии группы кишечной палочки (БГКП) и патогенные микроорганизмы, в том числе сальмонеллы, не были обнаружены в течение установленных сроков годности, а количество плесеней и дрожжей в обезвоженном продукте составляло менее 20 КОЕ/г. Установлено, что сухой сыр можно хранить при всех исследованных тем-пературно-влажностных режимах, кроме режима с повышенной относительной влажностью воздуха (90 %). Установлены сроки хранения сухого сыра, которые в зависимости от условий хранения составляют 12-16 месяцев.
Ключевые слова: сухой сыр, температура, влажность, сроки годности.
The study is devoted to the analysis of influence of temperature moisture conditions on the intensity
