CC BY
17Виртуальные испытания водяного плинтусного конвектора
Суханов Кирилл Олегович,
аспирант кафедры теплогазоснабжения и вентиляции, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, [email protected]
Поведение виртуальных испытаний отопительных приборов позволяет не проводить дорогостоящие натурные испытания. В качестве испытуемого отопительного прибора принят плинтусный конвектор ПЛК 14.150 АО «Фирмы Изотерм». Инструментом исследования является гидродинамический комплекс STAR CCM+. Создание геометрии камеры для испытаний и плинтусного конвектора выполнено с помощью программного комплекса Solidworks.
В статье рассмотрен выбор температуры охлаждаемых поверхностей и определяющей температуры воздуха при проведении испытаний в испытательной камере. Исследовано влияние этих параметров на тепловой поток отопительного прибора на основе численной модели испытательной камеры с расположенным в ней плинтусным отопительным прибором конвектор-ного типа.
Получено распределение температуры воздуха по высоте камеры при различных температурах охлаждаемых поверхностей. Получена зависимость теплового потока отопительного прибора от температуры охлаждаемых поверхностей. Ключевые слова: плинтусный конвектор, испытательная камера, численная модель, тепловой поток отопительного прибора.
Введение
Определение номинального теплового потока отопительных приборов производится на специально оборудованном стенде [1, 2]. Стенд включает в себя испытательную камеру, устройства охлаждения воды и ее циркуляции, измерительный отопительный контур и контрольно-измерительные приборы [1, 2].
Отопительный прибор размещается в закрытой невентилируемой испытательной камере с водоохла-ждаемыми внутренними поверхностями стенок. Камера расположена в отапливаемом помещении и не имеет наружных ограждений.
Система охлаждения должна обеспечивать возможность поддержания стационарной температуры в камере при тепловом потоке отопительного прибора до 2 кВт. Гидравлическая схема исполняется таким образом, чтобы была возможность обеспечить раздельное регулирование расхода охлаждающей воды по стенам камеры. Стена, у которой расположен отопительный прибор, должна быть отключена от системы охлаждения, а панели охлаждения - опорожнены. Допускается охлаждать эту стену в случае, если участок стены за радиатором утеплен по всей длине стены на высоту (1±0,05) м так, что термическое сопротивление утепляющего слоя составляет не менее 2 (м°С)/Вт. Система охлаждения оборудована устройствами для удаления воздуха.
По ГОСТ [1] в камере при испытаниях должна поддерживаться температура воздуха (20±1,5) °С.
В работах [3-5] показана возможность применения методов численного моделирования для испытания отопительных приборов. Такие испытания, производимые методами компьютерного моделирования, относятся к виртуальным испытаниям [6]. В этих работах исследованы радиаторы и конвекторы, встраиваемые в конструкцию пола. Однако вопросы выбора температуры охлаждаемых поверхностей и определяющей температуры воздуха не рассмотрены.
В настоящей работе поставлена задача исследовать влияние этих параметров на тепловой поток отопительного прибора на основе численной модели испытательной камеры с расположенным в ней плинтусным отопительным прибором конвекторного типа.
В качестве испытуемого отопительного прибора принят плинтусный конвектор ПЛК 14.150 (АО «Фирма Изотерм», Россия). Длина прибора составляет 1500 мм. Нагревательный элемент состоит из двух медных труб наружным диаметром 15 мм с толщиной стенки 0,5 мм, алюминиевых пластин толщиной 0,22 мм при вертикальной компоновке труб. Конвектор работает в режиме свободной конвекции.
Поведение виртуальных испытаний позволяет перейти от дорогостоящих натурных испытаний отопительных приборов к менее затратным виртуальным.
X X
о го А с.
X
го m
о
ю
2 О
м
Методы исследования
Инструментом исследования является гидродинамический комплекс STAR CCM+ [7-10]. Создание геометрии камеры и плинтусного конвектора производилось с помощью программного комплекса Solidworks.
Испытательная камера имеет следующие размеры: длина 4 м; ширина 4 м; высота 3 м [1]. Водоохлаждае-мыми приняты боковые поверхности камеры и потолок. Стена, на которой размещается отопительный прибор, утеплена по всей длине на высоте 1 м от пола, термическое сопротивление утепляющего слоя равно 2 (м2 °С)/Вт (рисунок 1). Часть стены, расположенная выше утепленной, является водоохлаждаемой.
Пол и стена, противоположная ограждению, на котором размещен отопительный прибор, имеют термическое сопротивление 0,5 (м2°С)/Вт.
3
5
1
4 3
2
6
Рисунок 1. Испытательная камера
1 - водоохлаждаемая часть стены, у которой установлен прибор; 2 - участок стены с теплоизоляцией, у которой установлен отопительный прибор; 3, 4 - водоохлаждаемые боковые стены; 5 - водоохлаждаемый потолок; 6 - пол
17 18
-♦-16°С и
21 1—19 °С
24
t,, °С
Рисунок 2. Изменение температуры воздуха по высоте камеры (в центре) при различных температурах охлаждаемых поверхностей (температура теплоносителя на входе в отопительный прибор - 90 °С; расход теплоносителя - 0,1 кг/с)
Температура охлаждаемых поверхностей, V задавалась в интервале от 16 до 20 °С, при этом температура в нижней зоне (на уровне 0,05 - 0,2 м) изменяется от 17,5 до 21,2 °С, т.е. в пределах 3,7 °С.
Наличие и величина градиента температур воздуха в камере связаны с развитием конвективной струи над отопительным прибором. Эта струя, развиваясь сначала у стены, на которой установлен отопительный прибор, а затем под потолком в горизонтальном направлении; способствует перегреву верхней зоны помещения. Скачок температуры под потолком обусловлен развитием конвективной струи (рисунок 3).
es
0
CS
01
О Ш
m
X
<
m о х
X
Разность температур воздуха в камере и средней температуры внутренней поверхности каждого из ее охлаждаемых ограждений не должна превышать 4 °С [1]. Поэтому выполнены расчеты теплового потока отопительного прибора при температуре охлаждаемых поверхностей 16, 17, 18, 19, 20 °С. Температура теплоносителя на входе в отопительный прибор принята равной 90 °С, расход теплоносителя - 0,1 кг/с (3б0 кг/ч).
Результаты и обсуждение исследования
При обработке результатов испытаний отопительных приборов в различных камерах первостепенное значение имеет вопрос, на каком уровне следует измерять температуру воздуха, к которой относится тепловой поток отопительного прибора, т.е. определяющую температуру воздуха. Очевидно, что при наличии градиента температуры воздуха по высоте это должна быть температура, которая практически остается постоянной при изменении температуры поверхностей камеры.
На рисунке 2 представлено распределение температуры воздуха по высоте камеры при различных температурах охлаждаемых поверхностей.
б)
Рисунок 3. Температурные (а) и скоростные (б) поля по оси камеры при температуре охлаждаемых поверхностей 17 °С
15
16
19
22
17 °С
18 °С
20 °С
В качестве расчетной (определяющей) температуры воздуха принимается полусумма температур воздуха на
расстоянии 0,05 (^05, °С) и 1,5 м (^ 5, °С) от пола на
центральной оси симметрии, перпендикулярной к основанию испытательной камеры [1].
На высоте над уровнем пола до 0,2 м отсутствует градиент температуры воздуха и с такой температурой воздух подтекает к отопительному прибору, поэтому целесообразно принимать в качестве определяющей температуры значение, полученное на высоте 0,05 м, а не среднее значение из измеренных на высотах 0,05 и 1,5 м.
Градиент температур воздуха по высоте зависит от температуры охлаждаемых поверхностей и меняется в диапазоне от 0,64 до 0,41 °С/м. Под градиентом температуры подразумевается разность температур воздуха на высотах 0,05 и 1,5 м, отнесенная к разности высот этих точек.
При испытании отопительных приборов для поддержания требуемой температуры воздуха (20±1,5) °С необходимо понижать или повышать температуру охлаждаемых поверхностей камеры.
Изменение температуры охлаждаемых потолка и стенок от 16 до 20 °С влияет как на конвективную, так и лучистую составляющие теплового потока отопительных приборов. При понижении температуры охлаждаемых поверхностей на 1 °С тепловой поток отопительного прибора возрастает примерно на 2,2% (рисунок 4).
о=а.
Ч9о У
Вт,
где бн у - номинальный тепловой поток (тепловой поток, определяемый при нормальных условиях), Вт;
0 - температурный напор (разность между средней температурой воды в приборе и расчетной температурой воздуха в помещении), °С;
00 - номинальный температурный напор (разность
между средней температурой воды в приборе и расчетной температурой воздуха в помещении при нормальных условиях); 0о = 70 °С;
П - показатель степени при относительном температурном напоре.
Изменение температуры охлаждаемых поверхностей приводит к изменению температурного напора (рисунок 5), поэтому при виртуальных испытаниях должна быть проведена серия испытаний для определения номинального теплового потока.
Рисунок 4. Тепловой поток плинтусного конвектора ПЛК 04.14.150 в зависимости от температуры охлаждаемых поверхностей
По результатам испытаний отопительных приборов при номинальном расходе воды (М0 =0,1 кг/с) зависимость теплового потока О, Вт, от температурного напора определяется по зависимости [1]:
15 16 17 18 19 20
♦ - определяющая температура на высоте 0,05 м 1п, °С
■ - определяющая температура равна средней на высоте 0,05 и 1,5 м
Рисунок 5. Изменение температурного напора в зависимости от температуры охлаждаемых поверхностей при испытании плинтусного конвектора ПЛК 04.14.150
Значение номинального теплового потока испытываемого отопительного прибора при нормальных условиях:
- О =514 Вт - при номинальном температурном
^-н. у
напоре с определяющей температурой воздуха, равной температуре на высоте 0,05 м;
- Он у =519 Вт - при номинальном температурном
напоре с определяющей температурой воздуха, равной средней температуре на высоте 0,05 и 1,5 м.
Заключение
1. Разработана численная модель испытательной камеры с расположенным в ней плинтусным отопительным прибором конвекторного типа, позволяющая определять тепловой поток отопительного прибора и распределение температур и скоростей в объеме камеры.
2. Температура охлаждаемых поверхностей оказывает влияние на тепловой поток отопительного прибора (плинтусного конвектора ПЛК 14.150). Увеличение температуры охлаждаемых поверхностей на 1 °С, приводит к уменьшению теплового потока на 2,2% при номинальном расходе теплоносителя. При виртуальных испытаниях должна быть проведена серия испытаний для определения номинального теплового потока.
3. На высоте над уровнем пола до 0,2 м отсутствует градиент температуры воздуха при температурах охлаждаемых поверхностей в диапазоне от 16 до 20 °С, поэтому целесообразно принимать в качестве определяющей температуры значение, полученное на высоте 0,05 м, а не среднее значение из измеренных на высотах 0,05 и 1,5 м согласно [1].
X X
о
го А с.
X
го т
о
ю
2 О
м
540
530
520
510
500
490
480
15
16
17
18
19
20
I, "С
Литература
1. ГОСТ Р 53583-2009. Приборы отопительные. Методы испытаний. - М.: Стандартинформ, 2010. - 16 с.
2. DIN EN 442-2-2015. Radiators and convectors - Part 2: Test methods and rating; German version EN 442-2:2014. - 80 р.
3. Алямовский А.А. Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation. М.: ДМК Пресс, 2010. - 464 с.
4. Пухкал В.А. Численное моделирование тепловых испытаний отопительных приборов // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2020. № 8. С. 36-39.
5. Pukhkal, V. Virtual thermal tests of heating devices. Journal of Physics: Conference Series. 2020. 1614 012073. doi:10.1088/1742-6596/1614/1/012073. URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1614/1/012073 (дата обращения 03.07.2021).
6. ГОСТ Р 57700.21-2020. Компьютерное моделирование в процессах разработки, производства и обеспечения эксплуатации изделий. Термины и определения. - М.: Стандартинформ, 2020. - 12 с.
7. Гримитлин А.М., Дацюк Т.А., Денисихина Д.М. Математическое моделирование в проектировании систем вентиляции и кондиционирования. СПб.: АВОК Северо-Запад, 2013. 192 с.
8. Пухкал В. А., Суханов К. О., Гримитлин А. М. Обеспечение теплового комфорта в помещениях с плинтусной системой водяного отопления // Вестник гражданских инженеров. 2016. № 6 (59). С. 156-162.
9. Суханов К. О., Гримитлин А. М., Шкаровский А. Л. Микроклимат жилых помещений с плинтусной системой водяного отопления и подачей приточного воздуха через регулируемые оконные створки // Вестник гражданских инженеров. 2017. № 5 (64). С. 111-115.
10. Sukhanova, K. Sukhanov, Numerical Simulation of a Stable Microclimate in a Historic Building, Advances in Intelligent Systems and Computing, Vol. 982, pp 84-90 (2020) International Scientific Conference Energy Management of Municipal Facilities and Sustainable Energy Technologies EMMFT 2018. URL: https://doi.org/10.1007/978-3-030-19756-8_2 (дата обращения 03.07.2021).
Virtual testing of hot-water skirting convectors Sukhanov K.O.
Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering JEL classification: L61, L74, R53
Conducting virtual tests of heating devices allows you not to conduct expensive full-scale tests. The skirting convector PLK 14.150 of JSC «Isoterm Firm» was adopted as a test heating device. The research tool is the hydrodynamic complex STAR CCM+. The geometry of the test chamber and the skirting convector was created using the Solidworks software package.
The paper considers the choice of the temperature of the cooled surfaces and the determining air temperature during testing in the test chamber. The influence of these parameters on the heat flow of a heating device is studied on the basis of a numerical model of a test chamber with a convector-type skirting heater located in it. The distribution of air temperature over the height of the chamber at different temperatures of the cooled surfaces is obtained. The dependence of the heat flow of the heating device on the temperature of the cooled surfaces is derived.
Keywords: skirting convector, test chamber, numerical model, heat flow of a
heating device. References
1.GOST R 53583-2009. Heating devices. Test methods. - M .: Standartinform, 2010 .-- 16 p.
2. DIN EN 442-2-2015. Radiators and convectors - Part 2: Test methods and
rating; German version EN 442-2: 2014. - 80 p.
3. Alyamovsky A.A. Engineering calculations in SolidWorks Simulation. M .:
DMK Press, 2010 .-- 464 p.
4. Puhkal V.A. Numerical modeling of thermal tests of heating devices //
AVOK: Ventilation, heating, air conditioning, heat supply and construction thermal physics. 2020.No. 8.P. 36-39.
5. Pukhkal, V. Virtual thermal tests of heating devices. Journal of Physics:
Conference Series. 2020.1614 012073.doi: 10.1088 / 1742-6596 / 1614/1/012073. URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1614/1/012073 (date of access 07/03/2021).
6.GOST R 57700.21-2020. Computer modeling in the development, production and maintenance of products. Terms and Definitions. - M .: Standartinform, 2020 .-- 12 p.
7. Grimitlin A.M., Datsyuk T.A., Denisikhina D.M. Mathematical modeling in
the design of ventilation and air conditioning systems. SPb .: AVOK North-West, 2013.192 p.
8. Puhkal VA, Sukhanov KO, Grimitlin AM Providing thermal comfort in rooms
with a plinth water heating system // Bulletin of civil engineers. 2016. No. 6 (59). S. 156-162.
9. Sukhanov KO, Grimitlin AM, Shkarovskiy AL The microclimate of
residential premises with a plinth water heating system and supply of fresh air through adjustable window sashes // Bulletin of civil engineers. 2017. No. 5 (64). S. 111-115.
10. Sukhanova, K. Sukhanov, Numerical Simulation of a Stable Microclimate
in a Historic Building, Advances in Intelligent Systems and Computing, Vol. 982, pp 84-90 (2020) International Scientific Conference Energy Management of Municipal Facilities and Sustainable Energy Technologies EMMFT 2018. URL: https://doi.org/10.1007/978-3-030-19756-8_2 (accessed 03.07. 2021).
CS
0
CS
01
о ш m
X
<
m О X X
