Актуальность работы. В настоящее время после принятия Государственной думой РФ Федерального закона «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» проблемы экономии энергетических ресурсов стали особенно актуальными. В Российской Федерации на отопление зданий как общественных, так и производственных расходуется значительная часть вырабатываемой тепловой энергии. Одним из способов экономии энергетических ресурсов и повышения энергетической эффективности систем отопления помещений общественных и производственных зданий является использование систем радиационного (или лучистого) отопления. Системы лучистого отопления имеют ряд преимуществ перед традиционными системами отопления (воздушными, водяными (паровыми)): возможность обогрева как всего помещения в целом, так и непосредственно рабочих зонотсутствие массивных воздухопроводов и трубопроводов и затрат на транспорт теплоносителяотсутствие циркуляции пыли и загрязняющих веществ в обогреваемом помещениивозможность снижения температуры воздуха в обогреваемом помещении на ~ 2−3 °С в связи с особенностью процессов теплообмена при использовании систем радиационного отопления. По экспертным оценкам при правильной организации отопления помещения при помощи инфракрасных излучателей (ИКИ) экономический эффект от внедрения подобных систем может в несколько раз превышать затраты на их приобретение и монтаж. Однако, для определения потенциала энергосбережения при отоплении помещения ИКИ и поиска наилучшего способа реализации его на практике, необходимо уже на стадии проектирования определить суммарную и единичную мощности излучателей, их тип и расположение в помещении. Поэтому в настоящее время актуальной является проблема совершенствования систем радиационного отопления помещений общественных и производственных зданий с целью экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) и повышения их энергетической эффективности.
Объект исследования. Системы радиационного отопления помещений общественных и производственных зданий.
Предмет исследования. Процессы сложного теплообмена при отоплении помещений инфракрасными обогревателями.
Цель работы. Целью диссертационной работы является совершенствование действующих и проектируемых систем лучистого отопления на основе методов математического моделирования радиационного и сложного теплообмена.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить анализ существующих методов расчета систем отопления с инфракрасными излучателями.
2. Разработать математическую модель радиационного и сложного теплообмена при обогреве помещения системами инфракрасного отопления, позволяющую рассчитывать температуру в рабочей (обслуживаемой) зоне и тепловые потоки в зависимости от количества, мощности и расположения нагревателей.
3. Разработать методику выбора численного метода решения задач лучистого теплообмена в зависимости от заданных граничных условий.
4. Выполнить экспериментальное исследование процессов теплообмена при отоплении помещений радиационными обогревателями и проверить адекватность математической модели систем лучистого отопления.
5. Сделать вывод об экономической эффективности применения систем с ИКИ при соблюдении требуемых параметров микроклимата воздуха общественных и производственных помещений и санитарно-гигиенических требований к воздуху рабочей (обслуживаемой) зоны.
6. Разработать рекомендации по совершенствованию систем радиационного отопления.
Методы исследования. В диссертации использованы расчетные и экспериментальные методы исследования. Расчетные методы исследования основаны на решении интегральных уравнений переноса лучистой энергии методами математического моделирования. Экспериментальное исследование систем лучистого отопления выполнено в помещениях общественного и производственного зданий.
Достоверность результатов и выводов, представленных в диссертационной работе, подтверждается соответствием фундаментальным законам радиационно-конвективного теплообмена и адекватностью математической модели, подтвержденной удовлетворительным совпадением результатов расчета и эксперимента.
Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.14.04 — «Промышленная теплоэнергетика».
Соответствие диссертации формуле специальности.
В соответствии с формулой специальности 05.14.04 — «Промышленная теплоэнергетика», «объединяющей исследования, по совершенствованию промышленных теплоэнергетических систем. поиску структур и принципов действия теплотехнического оборудования, которое обеспечивает сбережение энергетических ресурсов», в диссертационной работе рассмотрены вопросы снижения потребления ТЭР при обеспечении требуемых параметров микроклимата в рабочих (обслуживаемых) зонах помещений производственного и общественного назначения с системами лучистого отопления.
Соответствие диссертации области исследования специальности.
Отраженные в диссертационной работе основные научные положения соответствуют пункту 1 «Разработка научных основ сбережения энергетических ресурсов в промышленных теплоэнергетических устройствах и использующих тепло системах и установках» и пункту 3 «Теоретические и экспериментальные исследования процессов теплои массопереноса в тепловых системах и установках, использующих тепло. Совершенствование методов расчета. установок с целью улучшения их технико-экономических характеристик, экономии энергетических ресурсов» области исследования специальности 05.14.04 — «Промышленная теплоэнергетика».
В диссертации разработана математическая модель систем лучистого отопления производственных и общественных зданий, позволяющая рассчитывать температуры и тепловые потоки в помещениях при различном расположении излучателей и их геометрии. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования систем лучистого отопления с инфракрасными излучателями в помещениях производственных и общественных зданий.
Научная новизна:
1. В диссертации разработан принципиально новый подход к расчету систем лучистого отопления, основанный на зональных методах расчета радиационного и сложного теплообмена, которые учитывают переотражения лучистых тепловых потоков в рассматриваемой системе тел.
2. В диссертационной работе на основе зонального метода расчета сложного теплообмена разработана математическая модель систем отопления с газовыми и электрическими инфракрасными излучателями, позволяющая определять значения температур и тепловых потоков в помещениях с учетом ослабляющей газовой среды.
3. Впервые выполнена оценка эффективности модификаций зонального метода расчета радиационного и сложного теплообмена.
4. На основе зональных методов реализован новый подход к расчету сложного теплообмена в системе «излучатель — отражатель» газовых ИКИ, основанный на замене системы условной излучающей поверхностью. Выполнена оценка погрешности расчета теплообмена при замене системы «излучатель — отражатель» условной поверхностью. Получены новые данные о влиянии толщины теплоизоляционного слоя на внешней поверхности отражателя на его температуру.
5. Экспериментально получены новые данные о параметрах микроклимата в авторемонтном цехе машиностроительного предприятия при отоплении ИКИ и выявлено влияние искусственной шероховатости поверхности электрического излучателя на интенсивность теплообмена.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1. Разработана инженерная методика расчета систем лучистого отопления, учитывающая особенности систем обогрева с инфракрасными излучателями и позволяющая определить суммарную и единичную мощности ИКИ, их количество и расположение с учетом требований, предъявляемых к параметрам микроклимата в общественном и производственном помещении.
2. Разработаны практические рекомендации по выбору модификации зонального метода расчета с целью оптимизации вычислительного алгоритма.
3. На основе математического моделирования:
— даны рекомендации по совершенствованию существующих систем инфракрасного отопления зданий на примере модернизации лучистого отопления цеха здания производственного назначения;
— выявлены возможности повышения энергетической эффективности вновь проектируемых систем лучистого отопления зданий общественного и производственного назначения.
4. Предложены регрессионные зависимости для инженерного расчета температур и тепловых потоков в обслуживаемых зонах общественного здания при отоплении электрическими инфракрасными излучателями.
5. Даны рекомендации по нанесению искусственной шероховатости на поверхность электрического излучателя с целью интенсификации радиационного теплообмена.
6. Создана электронная база инфракрасных излучателей (свидетельство о регистрации в Реестре баз данных № 2 012 620 131 от 30 января 2012 года), позволяющая выбирать инфракрасный излучатель в зависимости от вида энергии, температуры его поверхности и заданной мощности.
7. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при чтении лекций по курсу «Теоретические основы теплотехники» и выполнении студенческих научных работ.
Реализация результатов. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при выборе энергосберегающих мероприятий на основе энергоаудита зданий, при проектировании и наладке систем лучистого отопления, а также переданы ООО «РИАТ» (г. Иваново), ООО НТЦ «Промышленная энергетика» (г. Иваново), ООО «Энергосервисная компания» (г. Иваново), НКО Фонд «Энергоэффективность» (г. Ярославль), ООО «Компания «Интегратор» (г. Ярославль), ЗАО ИТФ «Системы и технологии» (г. Владимир) и ООО «Энерго — Мастер» (г. Владимир).
Личный вклад автора. Все результаты диссертационной работы получены автором лично под руководством научного руководителя.
Автор защищает:
• математические модели систем лучистого отопления помещений производственного и общественного зданий, разработанные на основе зональных методов расчета радиационного и сложного теплообмена;
• регрессионную математическую модель отопления электрическими инфракрасными излучателями обслуживаемой зоны общественного здания, полученную методом планирования физического эксперимента;
• рекомендации по повышению энергетической эффективности систем лучистого отопления зданий.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись:
• на VI Минском международном форуме по теплои массообмену (Минск, HAH Беларуси, 19−23 мая 2008);
• на международных научно-практических конференциях: «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2009) — «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2009, 2010) — «Состояние и перспективы развития электротехнилогии. XV и XVI Бенардосов-ские чтения» (Иваново, ИГЭУ, 2009 и 2011) — V международная школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение — теория и практика» (Москва, МЭИ, 2010) — «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология. Безопасность технологических процессов» (Москва, МИСиС, 2010);
• на региональной научно-технической конференции «Теплоэнергетика» (Иваново, ИГЭУ, 2010, 2011);
• на конференциях по инновационным проектам молодых ученых и научно-практических семинарах кафедры «Теоретические основы теплотехники» ИГЭУ (Иваново, ИГЭУ, 2009, 2010, 2011).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 16 печатных работах, в том числе 1 учебном пособии, 6 статьях и докладах и 8 тезисах докладов, из них 3 статьи в журналах по списку ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 169 страниц машинописного текста, рисунки, таблицы, список литературы из 174 наименований.
