CC BY
92
УДК 621. 59/56
Совершенствование методики проектирования систем холодоснабжения открытых спортивных сооружений сезонной эксплуатации
Проф. Эглит А. Я. [email protected] Киссер К.В. [email protected] Университет ИТМО 921002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9
В настоящий момент калорический расчет открытого ледового поля (катка) ведется по энциклопедическому справочнику «Холодильная техника», в свою очередь возникает ряд вопросов касающихся относительно коэффициента теплоотдачи, скорости ветра, температуры воздуха, влажности воздуха и коэффициента обратного величине испарения. В данной статье проведен анализ влияния климатических параметров для г.Алматы (Республика Казахстан) таких как скорость ветра, солнечная радиация, влажность воздуха, температура воздуха, которые непосредственно влияют на суммарный тепловой поток, предлагается альтернативная методика расчета теплопритоков для открытых искусственных катков сезонной эксплуатации, а также рассмотрен расчет тепловой нагрузки на холодильное оборудование. Данные полученные в ходе исследования могут быть использованы для теплового расчета открытого ледового поля проектными организациями.
Ключевые слова: тепловой расчет, суммарный теплоприток, открытый искусственный каток.
Improving methods of designing cooling systems outdoor sports facilities
seasonal operation
Prof. Eglit A. Ya. [email protected] Kisser K.V. [email protected] University ITMO 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9
Currently caloric calculation of open ice field (rink) is performed based on Encyclopedic Handbook "Refrigeration", in turn, these are number of questions raised concerning relative heat transfer coefficient, wind speed, air temperature, air humidity, and an inverse magnitude evaporation coefficient. In the given article an analyzes of the influence of climatic parameters for the Almaty city (Kazakhstan) such as wind speed, solar radiation, air humidity, air temperature, which directly affect the total heat flow is performed, an alternate design procedure of heat influxes for artificial open ice rinks with seasonal operation is offered as well as that a thermal load calculation for refrigeration equipment is considered. The data received during research can be used for thermal calculation of open ice field by design organizations.
Keywords: thermal calculation, the total heat gain, open artificial ice rink.
В настоящее время открытые искусственные катки рассчитывают по энциклопедическому справочнику «Холодильная техника» [3], но при расчете
теплопритоков по данному справочнику возникает ряд вопросов о коэффициенте теплоотдачи, скорости ветра, температуре воздуха, влажности и коэффициенте обратном величине испарения.
Согласно [3], расчет теплопритоков принято рассчитывать по следующим формулам:
1) из окружающего воздуха (без учета конденсации влаги):
2)
41 = а(Рв - Ъ), Вт/м2
л
где: а=6-8 ккал/м •час - коэффициент теплоотдачи ко льду от воздуха при скорости его не выше 2 м/с [3];
tв - температура воздуха над поверхностью льда, °С;
^ - температура льда на поверхности катка, °С.
Температура воздуха над поверхностью льда рассчитывается по формуле:
~ ^ср 0*25Ъабстах, С
С учетом естественной конвекции воздуха над ледовым полем конвективный коэффициент теплопередачи аконв может быть также рассчитан по следующей формуле [1] : _
®КОНв д/^в '
Коэффициент теплоотдачи ко льду от воздуха а , и в каком диапазоне скоростей, то можно предположить, что расчет коэффициент теплоотдачи ко льду от воздуха мог быть рассчитан по следующей формуле [4]:
а = 8,5д0'7 ,Вт/(м2 -К)
где: и - средняя скорость движения воздуха, м.
Так же для открытых катков с учетом вынужденной конвекции, вызванной ветром над ледовым полем, коэффициент теплоотдачи ко льду от воздуха рассчитывается по формуле [1], [4]:
Л/
аконв = 0,037 • ^ '°в0,8 ■1~0,2, Вт/(м2 • К)
где: Лв - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/м-К;
ув - кинематическая вязкость воздуха, м2/с;
ив - средняя скорость ветра рассчитываемого периода, м/с;
I - линейный размер охлаждающей плиты в направлении движения воздуха (принимается длина ледяного поля), м;
Согласно [9] в существующих методиках предлагаются подобные эмпирические формулы для расчета конвективного коэффициента теплоотдачи, которые можно привести к следующим зависимостям:
- для свободной конвекции:
а = А• Лtп
^конв ^ 1 »
где А и п - безразмерные коэффициенты, зависящие от параметров воздуха в зоне ледового поля;
- для вынужденной конвекции:
а
где х - линейный размер поверхности, м.
Для того чтобы увидеть как влияет скорость ветра и температура окружающего на тепловой поток ко льду был построен график (рис.1), где видно что с увеличением температуры воздуха и скорости ветра над катком теплоприток заметно возрастает.
300
270, Вт/м2
210 180 150 120 90 60 30 0
и= 8 м/с и= 7 м/с
и= 6 м/с
и= 5 м/с и= 4,5 м/с и= 4 м/с и= 3,5 м/с и= 3 м/с и= 2,5 м/с и= 2 м/с и= 1,5 м/с и= 1 м/с ♦ и= 0,5 м/с
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 t <>г
1в, г
Рис.1 Теплоприток от окружающего воздуха цк=^в,у) 3) от грунта или воздушного пространства с нижней стороны катка:
ЧгР = Н*г ~ У, Вт/м2
где: к=0,4-0,5 ккал/м •час^С - коэффициент теплопередачи изоляции основания катка [1],[2],[3];
t - температура грунта или воздуха под основанием катка, °С;
8
tк - температура песка, бетона или эвтектика (в аккумуляционных плитах), равная средним температурам кипения холодильного агента, циркулирующего рассола или замерзания эвтектического раствора.
4) от солнечной радиации с учетом 50% тепла, отражаемого от поверхности
льда:
q3 = 0,5 • цк,Вт/м'
где: = 550 ккал/м -час — расчетное напряжение солнечной радиации для летнего периода при падении лучей на горизонтальную поверхность.
л
Согласно [5], [6], [7] для летнего периода ~ 500 Вт/м (Казахстан, г.Алматы) для 1500 ч, а по данным измерений для конец марта-начало апреля 1989г. [8], дя ~ 730 Вт/м2
для 1500 ч. На период с 1300 -^14— для летнего периода по данным [5], [6], [7] дя ~ 720
2 2 Вт/м , а для весеннего периода ~ 900 Вт/м [8]. Соответственно можно сделать вывод
о том, что данные в СНиП и СП являются не совсем точными(см.рис.2,3).
д, Вт/м 900 2
800 700 600 500 400 300 200 100 0
4 5 6 7 8 9 10 1112 13 1415 16 17 1819
т, час
■^—прямая солнечная радиация
Рис.2 Солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность
Рис.3 Солнечная радиация (конец марта- начало апреля 1989г)
5) от конденсации и замерзания влаги:
q4. = х ) • г, Вт/м2
где: 5 = 25—30 кг/м •час — коэффициент, обратный величине коэффициента испарения;
х — влагосодержание воздуха с учетом влажности его над поверхностью льда, кг/кг;
х" — влагосодержание воздуха в пограничном слое при средней температуре поверхности льда, кг/кг;
г = 680 ккал/кг — теплота конденсации водяных паров с учетом замерзания влаги на поверхности льда.
Влагосодержание воздуха с учетом влажности его над поверхностью льда:
К — Ь • с х — --,кг/кг
П.д "НС" Сру
где: сра - удельная теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении при 0°С (1 кДж/(кг-°С);
Срт - удельная теплоемкость паров воды при постоянном давлении при 0°С (1,805 кДж/(кг-°С);
Иё - удельная энтальпия насыщенных водяных паров при 0°С (2501 кДж/кг); И - удельная энтальпия воздуха, кДж/кг; ^ температура наружного воздуха, °С.
Аналогично были построены графики для теплопритока от конденсации и замерзания влаги, из которых видно влияние коэффициента обратному коэффициенту испарения и влажности воздуха в диапазоне температуры воздуха от 8^20°С.
q (конд.+зам) , Вт/м2 1 * ■
145 1 W < 5=30 кг/м2-час 5=28 кг/м2^час 5=27 кг/м2^час ► 5=25 кг/м2^час tB, °С 0
135 1 И
125
115 1 П^
1U5
95
85
/5 (СГ
65 г-
55
45 1С
35
25 1 г
15 8 1 21 6 2
Рис.4 Теплоприток от конденсации и замерзания влаги qkoHd+30Mr f(te, ty,S)
при ф=60 %
Рис.5 Теплоприток от конденсации и замерзания влаги qkOHd+3aM= f(te, Ф,0)
при ö =30 кг/м •час
Рассмотрим расчет тепловой нагрузки на холодильное оборудование открытого катка для города Алматы (см. табл.1,2,3,4,5).
Таблица 1
Теплоприток из окружающего воздуха (без учета конденсации влаги)
Октябрь Октябрь Октябрь (ЭС ХТ)
Температура льда 1л, 0С -3 -3 -3
Температура наружнего воздуха 1н, ос 26 22 18
Скорость ветра, м/с 0 0 1
Коэффициент теплоотдачи ко льду а , Вт/м2^С 2,625 2,529 8,127
Удельный теплоприток из окружающего 2 воздуха дконв ,Вт/м 76,374 63,485 168,026
Таблица 2
Теплоприток от солнечной радиации с учетом 50% тепла, отражаемого от
поверхности льда
Октябрь Октябрь Октябрь (ЭС ХТ)
Максимальная солнечная радиация 2 дя,Вт/м 216,318 216,318 216,318
Удельный теплоприток от солнечной 2 радиации др, Вт/м 108,159 108,159 108,159
Таблица 3
Теплоприток от конденсации и замерзания влаги из воздуха
Октябрь Октябрь Октябрь (ЭС ХТ)
Температура наружного воздуха tH, 0С 26 22 18
Относительная влажность наружного воздуха, % 49 49 64
Относительная влажность льда, % 100 100 100
Влагосодержание воздуха в пограничном слое при средней температуре поверхности льда х", кг/кг 3 3 3
Влагосодержание воздуха с учетом влажности его над поверхностью льда х, кг/кг 10,164 10,729 9,998
Температура льда, 0С -3 -3 -3
Теплота конденсации водянных паров с учетом замерзания влаги на поверхности льда r, ккал/кг 680 680 680
Коэффициент обратный величине испарения Ö, кг/м2-час 25 25 25
Удельный теплоприток от конденсации и замерзания влаги из воздуха qKOHd+3aM ,Вт/м2 141,647 152,801 138,366
Таблица 4
Суммарный коэффициент теплопритоков на 1 м2 площади катка
Октябрь Октябрь Октябрь (ЭС ХТ)
Температура наружнего воздуха tH, 0С 26 22 18
Удельный теплоприток из окружающего воздуха qкоHв,Вт/м 76,374 63,485 168,026
Удельный теплоприток от солнечной 2 радиации qp, Вт/м 108,159 108,159 108,159
Удельный теплоприток от конденсации и замерзания влаги из воздуха qKOHd+3aM ,Вт/м2 141,647 152,801 138,366
Xq, Вт/м2 326,18 324,45 414,55
Таблица 5
Результаты исследований по г. Алматы
Показатель Методика Предлагаемая методика
Составляющие тепловой нагрузки на лед:
Расчетная температура наружного воздуха, 0С 18 22 26
Тепловая нагрузка на лед, Вт/(м2-К) 414,55 324,45 326,18
Параметры работы холодильной установки при Хл= -30С,хладагент- Я404А:
Эффективный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м •К) 20 13 12
Относительная температура трубной решетки 0,6022 0,6838 0,6474
Температура хладоносителя, 0С -17 -15 -19
Температура испарения, 0С -22 -20 -24
Температура конденсации, 0С 33 37 41
По данным результатов видно, что температура кипения повышается на 2К и температура конденсации повышается на 4К. Тепловая нагрузка на лед для расчетной температуры воздуха 18°С превышает допустимый суммарный теплоприток при открытом типе в условиях мягкой зимы без морозов 200— 300 ккал/м •час практически в 1,5 раза. Из этого следует, что запуск открытого катка в октябре месяце не целесообразен, в связи с высокими энергозатратами. Если рассматривать рассчитанный суммарный теплоприток по предложенной нами методике для октября, то начало работы открытого катка, возможно.
Вывод: Результаты исследования предлагаются для использования проектными организациями.
Список литературы
1. Рекомендации по проектированию инженерного оборудования искусственных катков (хладотехническая часть). ЛенЗНИИЭП Госгражданстроя СССР. Л., 1972.
2. Лихтенштейн Э. Л. Исследование температурного поля искусственного катка. Автореферат диссертации на соискание степени канд. техн. наук. Новосибирск, 1970.
3. Холодильная техника: Энциклопедический справочник. Госторгиздат, 1961. С. 378-380.
4. Различные области применения холода/Под ред. А.В. Быкова.-М.: Агропромиздат, 1985.-272с.
5. СНиП РК 2.04-01-2010 «Строительная климатология», Изд.: Агентство по делам строительства и жилищно-коммунального хозяйства, Алматы 2011г.
6. СП 131.13330.2012 Строительная климатология, Москва 2012
7. Погода и климат. Погода в Алматы за 2011г.- http://pogoda.ru.net/climate/36870.htm
8. УДК 621.56/59.004.14 Исследование режимных параметров холодильной установки катка «Медео» Цой А.П.
9. Богословский В. Н. Строительная теплофизика. Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1982.
