CC BY
73
УДК 621.31
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОГО ЭЛЕКТРООБОГРЕВА. РАСЧЁТ ТЕПЛООТДАЧИ ОБЪЁМА РАБОЧЕГО МЕСТА
Г.С. Сухов1, Г.В. Лепеш2
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7
Аннотация - Проведено сопоставление месячных энергетических затрат на обогрев производственного помещения традиционной системой пароводяного и с помощью предлагаемой системы дифференцированного обогрева. На одном из примеров показано, что затраты при применении системы дифференцированного обогрева могут быть снижены в 2,7 раза.
Ключевые слова: дифференцированный обогрев; производственное помещение; отопление, энергозатраты; конвективная теплоотдача; температура воздуха.
THEORETICAL BASES OF TECHNOLOGY FOR THE DIFFERENTIATED ELECTROHEATING. CALCULATION OF CONVECTIVE HEAT EXCHANGE FROM
WORKPLACE VOLUME
G.S.Suhov, G.V.Lepesh
The St.-Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE), 191015, St.-Petersburg, street Kavalergardsky ,7, lit. А
Summary - Comparison of monthly power expenses for heating of an industrial premise by traditional system steam-and-water and by means of offered system of the differentiated heating Is spent. On one of examples it is shown that expenses at application of system of the differentiated heating can be lowered by 2,7 times.
Keywords: the differentiated heating; an industrial premise; heating, power inputs; convective heat exchange; air temperature.
Под дифференцированным электрообогревом производственного помещения следует понимать интенсивный обогрев до температуры 18-20 С с помощью электронагревателей лучевого действия ограниченной части помещения, где сосредоточен персонал, оборудование и производственный процесс и минимально достаточный обогрев остальной нерабочей части помещения в пределах температуры 5-70 С.Предварительные оценки, выполненные в работе [1] показали, что такой подход к обогреву производственного помещения в сравнении с традиционным пароводяным отоплением позволяет в разы сократить энергозатраты на обогрев помещения.
В работе [2] сделаны первые шаги на пути к созданию достаточно обоснованной теории дифференцированного
электрообогрева производственного помещения. Сформулированы основные понятия и определения такие, как: объём рабочего места (ОРМ), плоскость луче-приёмника ОРМ, лучевая плоскость электронагревателя, плоскость модельного излучателя, нормальная взаимная ориентация плоскостей лучеприёмника ОРМ и модельного излучателя и др., позволяющие построить технологию расчёта мощности греющего ОРМ лучевого потока бг(Вт).
Установлено также, что поддержание стабильной повышенной температуры в пределах ОРМ обеспечивается равновесием его теплового баланса, т.е
вг = бт, (1)
Где вт- совокупная мощность конвективной теплоотдачи твердофазных объ-
ектов ОРМ в окружающее его низкотемпературное пространство.
В свою очередь при известной ве-личине0гуравнение(1)открывает возможность определения требуемой мощности электронагревателя и дистанции обогрева ОРМ для поддержания в нём заданной температуры объектов твёрдой фазы.
Целью настоящей работы является разработка методики расчёта и расчёт параметра Qт при заданных конкретных условиях.
В качестве примера выберем простейшую структуру ОРМ, состоящую из трех объектов: универсального токарного станка, рабочего шкафа, совмещённого со столом и обслуживающего станок работника.
Согласно информации в работе [2] примерная структура объектов ОРМ в плане выглядит следующим образом (рис.1).
Для конкретного вычисления мощности теплоотдачи Qт объёма рабочего места были введены следующие исходные данные:
- токарно-винторезный станок ОИ-16402ХВЯ0 с габаритными размерами 2,46 х 1,01 х 1,22(м), массой 2120 (кг) и прочими параметрами, подробно представленными в экспресс - информации
[3];
- рабочий шкаф металлический, прямоугольный, с габаритными размерами 1,5 х 0,4 х 0,8(м).
Температура воздуха в нерабочем пространстве производственного помещения задаётся равной^=50С.
Температура поверхности объектов твёрдой фазы задаётся равной ¿2=180С. Температурная идентичность в системе станок-шкаф эффективно обеспечивается т.н. «тепловым контактором», изготовленным в виде соединительной металлической ленты из материала с вы-
сокой теплопроводностью, как правило -из красной меди.
/ 3
/
/
Г-^П
Рисунок 1 - Примерное расположение твёрдофазных объектов в структуре ОРМ
(в плане): 1 - граница ОРМ; 2 - плоскость лучеприёмника; 3 - станок; 4 - рабочий шкаф; 5 - работник.
Следует отметить, что конструкция современных токарных станков обладает особенностью, позволяющей большую часть наружной поверхности корпуса станка представлять в виде совокупности вертикальных или почти вертикальных плоскостей, теплоотдача которых поддаётся вычислению методами теории теплового подобия [4].
Иная ситуация складывается на обращённой кверху поверхности станка, где расположены: обрабатываемое изделие (обычно - вал) и устройства для его установки и обработки. Эта зона фактически исключена из процесса теплоотдачи, так как онастановится застойной из-за воздействия окружающих зону восходящих потоков прогретого воздуха от теп-лоотдающих поверхностей, расположенных по периметру корпуса станка.
Сказанное относительно горизонтальной поверхности станка относится также и к соответствующей поверхности рабочего шкафа.
На рис.2 показаны теплоотдающие поверхности станка с обозначениями их конфигурации и размеров.
Что касается рабочего шкафа, то при принятых габаритахсовокупная площадь его теплоотдающих боковых стенок
Г.С. Сухов, Г.В. Лепеш
составляет $9=3,04 м при высоте стенок £9 =0.8 м.
Процесс теплоотдачи названных объектов в окружающее низкотемпературное пространство происходит в режиме естественной конвекции и подчиняется закону теплоотдачи Ньютона
в=а$(^0,(2) где: в - мощность теплоотдачи объекта; а - коэффициент теплоотдачи; $ - площадь теплоотдающей поверхности объекта.
Согласно теории теплового подобия теплоотдача перечисленных выше объектов в условиях естественной конвекции регламентируется критериальным уравнением вида
Ш= В (Сг'-Рг)", (3)
где: Ки=а£/А - критерий теплового подобия Нуссельта;1- характерныйлинейный размер площади теплоотдачи; Л - коэффициент теплоотдачи воздуха при средней температуре I = 0,5(^+72);
3 2
- критерий теплового подобия Грасгофа; £=9,8 м/с2 - ускорение свободного падения; и - кинематический коэффициент вязкости воздуха при средней температуре - температурный напор;Р = (¿+273) -1 -коэффициент температурного расширения воздуха; Рг(0 - критерий теплового подобия Прандтля.
В преобразованном виде уравнение (3) определяет коэффициент теплоотдачи
а =В^(ОгРг)п (4)
Коэффициенты^ и п уравнения (4) являются функциями критериев Грасгофа и Прандтля (табл. 1 ).
Таблица 1 -Определениекоэффициентов В и п
Ог'Рг В п
10-3- 102 1,18 1/8
5102- 2107 0,54 1/4
>2107 0,135 1/3
Основываясь на уравнениях (2) и (4), а также данных, содержащихся в таблице 1 и на рис.2 выполнены расчёты теплоотдачи станка и рабочего шкафа в окружающую низкотемпературную среду. Результаты расчётов, представленные в таблице 2, определяют совокупную мощность теплоотдачи твёрдофазных объектов ОРМ. Она составляетвт = 428,7 Вт.
в)
Рисунок 2 - Расположениеи размеры (мм) вертикальных теплоотдающих поверхностей на корпусе станка: а) - передний план; б) - задний план; в) - вид справа.
Очевидно, что расчёты выполнены без учёта роли человеческого фактора в тепловом балансе ОРМ. Такой подход к решению задачи можно обосновать, исходя из следующих соображений:
о интенсивность теплового взаимодействия твердофазных объектов с внешней средой (теплоотдачи, теплопри-ёма) напрямую зависит от размеров площади их наружной поверхности; у чело-
века же эта площадь на порядок меньше, чем у остальных объектов вместе взятых;
0 на интенсивности теплового взаимодействия работника с внешней средой к тому же отрицательно сказывается его подвижность, постоянныеперемещения в пределах ОРМ, обусловленные производственной необходимостью;
0 кроме того, работник обладает собственным внутренним биологическим Таблица 2 - Определяющие параметры теплоотдачи
источником тепловой энергии, оказывающим определённое влияние на тепловой режим его тела.
Названные факторы дают основания считать работающий персонал существенно не влияющим на тепловой режим ОРМ, а лишь выполняющим свои функции в комфортных для него условиях.
объектов ОРМ
№ п/п Объект (поверхности теплоотдачи) Характерные размеры, теплоотда-ющей поверхности Критерии теплового подобия Коэффициент теплоотдачи Мощность теплоотдачи
1,м S^ 2 Pr Gr а,Вт/м2К Qt, Вт
окарно-винторезный станок типа GH- 1640ZXDR0
1 Передний план 1,22 0,78 0,705 0,4-1010 3,89 39,44
2 Передний план 0,61 0,74 0,705 0,5 109 3,94 37,90
3 Передний план 0,87 0,49 0,705 1,4109 3,40 21,66
4 Задний план 1,22 0,68 0,705 0,41010 3,89 34,39
5 Задний план 0,96 1,17 0,705 1,97109 3,93 59,78
6 Задний план 1,22 0,83 0,705 0,41010 3,89 41,97
7 Вид справа 0,87 0,32 0,705 1,4109 3,40 14,58
8 Вид слева 1,22 0,46 0,705 0,41010 3,89 23,26
Рабочий шкаф
9 Вертикальная плоскость по периметру 0,80 3,04 0,705 1,14109 3,94 155,7
Суммарная мощность теплоотдачи бх=428,7Вт
Литература
1.Сухов Г.С., Карп Л.В., Лепеш А.Г. К вопросу об эффективности системы лучевого электрообогрева производственных помещений системы жилищно-коммунального хозяйства. // Труды VII международного экологического форума «Экологическое благоустройство жилых территорий крупных городов России». - СПб.: СПбГУСЭ, 2008. - с. 125 -130.
2. Сухов Г.С, Лепеш Г.В., Карп Л.В. Теоретические основы технологии дифференцированного электро-
обогрева производственных помещений. Постановка задачи и математическая модель. //Технико-технологические проблемы сервиса, 2010, №1 (11) с. 29 - 36.
3. Токарно - винторезный станок GH-1640ZXDRO. Технические данные. http//: www.stankotorg.ru/ html/ gh1640zxdro. htm
4. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1970, -659 с.
' Сухов Герман Саулович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Сервис торгового оборудования и бытовой техники» СПбГУСЭ. тел.: (812)3684289;
2Лепеш Григорий Васильевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Сервис торгового
оборудования и бытовой техники» СПбГУСЭ. тел.: (812)362-4413; E-mail:[email protected].
