Исследование локальных характеристик промышленных объектов и их элементов при сложных граничных условиях

Актуальность диссертации. В последнее время вопросы рационального использования тепла в системах вентиляции, отопления, кондиционирования воздуха (СОВК) привлекают большое внимание исследователей. Причина этому — значительные энергетические затраты на отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха, которые составляют по разным источникам от 38% [86], до 50% [65] от энергии, получаемой из всего газового, жидкого и твердого топлива. Поэтому встает вопрос об эффективном проектировании систем. Так как большинство объектов строится по типовым проектам, то в таких случаях при проектировании обычно ограничиваются нормативно-справочной документацией, например [4], [5], [13], [14] [44], [49]. Но для целого ряда объектов промышленности, для технологических нужд и в бытовой сфере по требованиям комфортности необходимо разрабатывать системы и поддерживать микроклиматические условия в установленном диапазоне с высоким уровнем точности, обеспечивая равномерность параметров контролируемой среды. Например, по данным [32] для обеспечения технологических нужд оптических производств требуются системы с точностью поддержания температуры от ±0.1 до ±0.003 °С, а габариты некоторых оптических устройств требуют помещения с объемом 30 000 м³. В текстильной промышленности по данным [31] при отклонении параметров воздуха от технологических норм на 30% увеличивается количество обрывов нити. На предприятиях ВПК существуют этапы технологии с прецизионным производством, и для получения требуемой точности необходимо жестко поддерживать температуру воздуха с точностью ±0,1 °С [32]. В библиотеках и музейных хранилищах в зависимости от климатических условий, типа здания и экспозиции могут рекомендоваться условия внутри помещений с допустимым отклонением ±1 °С [56].

В настоящее время существуют методы и справочная документация [32], [54], [3] для проектирования систем с повышенными требованиями к параметрам воздуха, но они не позволяют определить параметры воздушной среды в произвольной точке контролируемого помещения. Поэтому они имеют ограничения при создании оптимальных систем по параметрам энергопотребления, комфортности, стоимости, по выбору наилучших объемно-планировочных решений. Конечно, в работоспособности классических схем прецизионного кондиционирования [32], [54] нет сомнения, но они не всегда применимы. При реконструкции существующего помещения чаще всего нет возможности правильно расположить воздухораспределяющие элементы. Для памятников архитектуры нельзя применить классические схемы воздухораздачи. Для ответственных производств, где сложная геометрия рабочей зоны и много подвижных конструкций, классические схемы воздухораздачи также не дают должного результата. В каждом из этих случаев необходимо рассчитывать воздухообмен, учитывая внутреннее размещение оборудования, взаимодействия воздушных струй с тепловыделяющими элементами, находить оптимальное расположение устройств воздухораздачи.

Метод определения теплового баланса здания не учитывает большого числа факторов, влияющих на тепловые потери здания, такие как: форма задания, взаимное влияние зданий, влияние ветра на инфильтрацию и вытяжную вентиляцию. Поэтому практика выбора элементов системы с большим запасом по мощности широко используется в современных фирмах. Например, при проектировании систем отопления для коттеджей фирмы проектировщики берут до 50% запаса по мощности системы, чтобы перестраховаться от претензий заказчика. Такая же ситуация и при проектировании ответственных объектов кондиционирования.

Кроме того, существующие методы не позволяют проследить динамику состояния объекта для нестационарных условий его работы с учетом неравномерности полей скорости, давления, температуры.

Как показывает анализ современных методов расчета тепловых потерь здания в промышленности, особенностям внешнего расположения здания и внутреннего размещения технологического оборудования, так сказать, их взаимному влиянию, не уделяется достаточного внимания, следствием чего являются высокие нагрузки на системы кондиционирования, выбор оборудования с большим запасом по мощности, сложная и дорогая автоматика. В итоге эффективность системы получается низкой.

При таких обстоятельствах метод математического моделирования, основанный на решении дифференциальных уравнений гидродинамики и теплообмена, является хорошей альтернативой и позволяет получать данные по распределению локальных характеристик среды в пространстве и их динамику во времени.

Созданные и эксплуатируемые в настоящее время разнообразные пакеты прикладных программ (например: Fluent — США, PHOENICS — Англия [104], FlowVision — Российской фирмы «ТЕСИС»), использующие современные способы моделирования, основанные на методах вычислительной гидродинамики и тепломассообмена, позволяют довольно эффективно решать широкий круг задач, связанных со стационарным или нестационарным течением многофазных сред с теплообменом. Но, несмотря на широкую универсальность этих программ, нет метода для расчета СОВК, который позволял бы определить локальные характеристики, такие как температуры, скорости, давления для внутренних и внешних задач с учетом взаимного расположения зданий, размещения внутреннего оборудования, теплопередачи через ограждающие конструкции (сопряженный теплообмен).

Целью работы является создание научно-обоснованного метода расчета, который может быть применен для: a) получения распределения «зависимых переменных» (температуры, скорости, давления) в стационарных и нестационарных режимах в условиях моделирования реальной застройки вокруг зданияb) расчета локальных характеристик воздушной среды с учетом реального расположения оборудования внутри помещения и воздействия внешних метеорологических факторовc) расчета элементов СОВК.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создать метод расчета локальных характеристик наиболее характерных процессов внутри и снаружи здания, основанный на решении дифференциальных уравнений Навье-Стокса.

2. Проверить метод численного моделирования, сравнить расчетные и экспериментальные данные для процессов: естественной конвекции на нагретой вертикальной пластинедля вынужденной конвекции в канале с теплообменом при турбулентном режиме течениядля смешанной конвекции внутри комнаты с системой воздушного отопления.

3. Провести расчет полей скорости, температуры и давления для задачи внешнего обтекания здания с учетом ветрового входного профиля и взаиморасположения зданий. Данные, полученные при решении задачи по внешнему обтеканию здания, использовать для решения задачи по внутреннему воздухообмену в помещений при проектировании системы кондиционирования воздуха.

4. Определить динамику изменения параметров воздушной среды помещения при аварийном прекращении работы частей системы кондиционирования для различных вариантов тепловой нагрузки.

5. Провести совершенствование модели турбулентности для описания отрывных течений со вдувом неизотермической струи в сносящий поток пригодной для расчета различных элементов СОВК. На основе выбранной модели турбулентности рассчитать элемент пластинчатого теплообменника-утилизатора со вдувом части горячего теплоносителя в канал с холодным. Определить динамику температуры теплообменных поверхностей при аварийном прекращении вдува горячего воздуха.

Научная новизна. Разработан метод расчета локальных характеристик позволяющий исследовать параметры воздушной среды промышленных объектов, совершенствовать проектирование СОВК, более точно определять тепловые характеристики здания, применять объемно-планировочные решения для повышения энергетической эффективности СОВК, правильно выбирать размещение воздухораздающих устройств.

Полученные локальные характеристики при обтекании здания потоком воздуха впервые использованы:

— при составлении теплового баланса здания по распределению коэффициентов теплоотдачи и тепловых потоков на его поверхности (задача решена в трехмерной постановке с учетом влияния расположения окружающей застройки и использованием в качестве исходной нагрузки ветрового профиля для городской застройки);

— для получения распределения температуры, скорости и давления в СОВК внутри здания с учетом размещения и тепловыделения производственного оборудования, сопряжения рассчитываемых областей внешнего обтекания здания, теплопередачи через ограждения и внутреннего воздухообмена. Данный метод позволил, кроме того:

— обойтись без расчетов внешних локальных коэффициентов теплоотдачи и рассчитывать непосредственно распределения температуры, используя метеорологические данные снаружи здания при решении задачи внешнего обтекания здания и внутреннего воздухораспределения в едином расчетном варианте;

— определить динамику изменения температуры воздушной среды помещения и получить количественные данные при аварийном прекращении работы различных частей системы кондиционирования для различной тепловой нагрузки.

Усовершенствована к-Б модель турбулентности для описания отрывных течений со вдувом неизотермической струи в сносящий поток. В модель турбулентности внесена поправка на параметр и угол вдува. Проведено сравнение с имеющимися экспериментальными данными. Модель может применяться при расчете различных элементов СОВК.

Впервые получены количественные данные по распределению температуры скорости и давления для элемента пластинчатого теплообменникаутилизатора со вдувом части горячего теплоносителя в холодный с применением усовершенствованной к-£ модели турбулентности. Получены количественные данные по нестационарному остыванию теплообменника при прекращении вдува.

Впервые метод расчета локальных характеристик использован на всех стадиях проектирования: при определении теплопритоков в здание, выборе системы кондиционирования воздуха из альтернативных вариантов, размещении воздухораздающих устройств, расчете элемента системытеплообменника-утилизатора, моделировании нестационарных режимов.

Автор защищает:

— Метод расчета локальных характеристик использованный при проектировании систем поддержания тепловых режимов, основанный на решении системы дифференциальных уравнений Навье-Стокса.

— Результаты численных расчетов полей скорости, температуры, давления для задачи внешнего обтекания, внутри объекта и их использование при выборе альтернативных СОВК и их размещении.

— Усовершенствованную к-Б модель турбулентности для описания отрывных течений со вдувом неизотермической струи в сносящий поток.

— Результаты расчета течения и теплообмена в элементах теплообменника-утилизатора с локальным подводом теплоты и массы, использованные при выборе режима вдува, не приводящего к обмерзанию.

Практическая значимость работы состоит в том, что: разработанный метод позволяет получать количественные данные по распределению локальных характеристик для внешнего обтекания здания, более точно определить коэффициент теплоотдачи, инфильтрацию, составить тепловой баланс, выбрать оптимальное взаиморасположение и форму зданий. Для задачи внутреннего воздухообмена — рассчитать локальные характеристики учитывая внутреннее размещение оборудования, взаимодействия воздушных струй с тепловыделяющими элементами, найти.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработан метод расчета локальных характеристик воздушной среды при внешнем обтекании здания с учетом застройки, направления и силы ветра, а также атмосферных условий для холодного и теплого периодов.

2. Локальные характеристики использованы при расчете СОВК с учетом требований нормативных документов и повышенными требованиями на основных этапах проектирования системы поддержания тепловых режимов здания, начиная от определения теплового состояния и заканчивая расчетом элементов систем.

3. Установлено, что при учете локальных характеристик суммарные тепловые поступления через ограждающие конструкции могут отличаться до 12% от рассчитанных по СНиП в зависимости от ориентации и взаимного расположения зданий.

4. Показано, что с использованием разработанного метода могут быть получены локальные характеристики, анализ которых позволяет выбрать систему кондиционирования, удовлетворяющую повышенным по сравнению с нормативными требованиям к параметрам воздуха в помещение.

5. При использовании данного метода получено изменение температурных полей воздуха рабочей зоны во времени при различных аварийных ситуациях, для частичного или полного выхода из строя системы кондиционирования.

6. Была усовершенствована к-£ модель турбулентности для описания отрывных течений с неизотермическим вдувом в сносящий поток.

7. На основании разработанного метода показана возможность выбора параметра вдува Р=(рВд*иВд)/(р0*и0), обеспечивающего защиту теплообменной поверхности от обмерзания и увеличивающего диапазон работоспособности теплообменника-утилизатора.

8. При использовании разработанного метода были получены количественные данные по нестационарному остыванию теплообменйой поверхности в условиях прекращения вдува горячего теплоносителя.

9. Созданы рабочие файлы и инструкции пользователя для расчета задачи внешнего обтекания здания, для расчета воздухообмена внутри цеха, для теплообменника утилизатора.