Теоретические основы технологии дифференцированного электрообогрева производственных помещений. Расчет обогрева объема рабочего места

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОГО ЭЛЕКТРООБОГРЕВА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ. РАСЧЁТ ОБОГРЕВА ОБЪЁМА РАБОЧЕГО МЕСТА

Г.С. Сухов1, Г.В. Лепеш2

Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),

191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7, лит. А

Аннотация - Разрабатывается теория и технология дифференцированного обогрева объема рабочего места (ОРМ). В статье приводится методика выбора мощности электронагревательного прибора лучевого действия и определение дистанции его расположения относительно ОРМ, обеспечивающей компенсацию тепловых потерь.

Ключевые слова: электронагревательный прибор лучевого действия; поток лучевой энергии; поток теплоотдачи; лучеприемник; температура воздуха; дистанция обогрева.

THEORETICAL BASIS TECHNOLOGY OF DIFFERENTIATED ELECTRICAL HEATING OF INDUSTRIAL PREMISES. CALCULATION OF HEAT VOLUME

WORKPLACE

G.S. Sukhov, G.V. Lepesh

St. Petersburg State University of Service and Economics (SPbSUSE),

191015, St. Petersburg, st. Kavalergardsky, 7

Abstract - A theory and technology of differential heating of the workplace (WP). The article describes the method of choice of power electric heater and the definition of the radial distance of its location relative to WP, providing compensation for heat loss.

Keywords: electric heating of the beam; the flow of radiant energy; heat flow; receiver rays; temperature; distance heating.

В настоящее время растёт интерес к разработкам альтернативных менее затратных систем обогрева. Среди них привлекательно выглядит система, построенная на базе электронагревательных приборов лучевого действия в теплоотдаче которых преобладает радиационная составляющая. Такие приборы способны к передаче направленным излучением значительного количества энергии. Это позволяет реализовать избирательный (дифференцированный) обогрев производственного помещения интенсивный в той его части, где сосредоточен персонал и рабочий процесс, т.е. рабочие места (температура 18-20 °С) и минимально допустимый в остальной части помещения (5-7 °С).

Очевидно, однако, что практическая реализация этого по существу инновационного принципа обогрева производственных помещений требует деталь-

ной разработки соответствующей теории и технологии.

Этому вопросу уже посвящено значительное количество работ, например [1-5], в которых рассмотрен ряд вопросов на пути к созданию обоснованной теории дифференцированного электрообогрева производственных помещений. Сформулированы основные понятия такие, как объём рабочего места (далее ОРМ), плоскость лучеприёмника ОРМ, лучевая плоскость электронагревателя, плоскость модельного излучателя, нормальная взаимная ориентация нагревателя и ОРМ и др., позволяющие построить технологию расчёта мощности греющего ОРМ лучевого потока.

Установлено, что поддержание стабильной повышенной температуры объектов, находящихся в пределах ОРМ, обеспечивается равновесием его теплового баланса, т.е.

Qг = От,

где QT - поток лучевой энергии от нагревателя, потребляемый твердофазными объектами находящимися в пределах ОРМ; QT - совокупная мощность конвективной теплоотдачи твердофазных объектов в окружающее ОРМ низкотемпературное пространство.

В свою очередь при известной величине Qт уравнение (1) открывает возможность определения требуемой мощности электронагревателя и дистанции обогрева ОРМ для поддержания в нём заданной температуры объектов твёрдой фазы.

В работе [5], разработана методика расчёта мощности теплоотдачи ОРМ, построенная на основе принципов теории теплового подобия.

В качестве примера выбрана простейшая структура ОРМ, включающая: токарный станок, совмещённый со столом рабочий шкаф и обслуживающего станок работника (рис.1). Габариты ОРМ 3х2,5х1,6 (м).

4 1

5

Рисунок 1. Расположение твердофазных объектов в структуре ОРМ: 1 - граница ОРМ; 2 - плоскость лучеприёмника; 3 -станок; 4 - рабочий шкаф; 5 - работник

Для конкретного вычисления потока теплоотдачи ОРМ введены следующие исходные данные его содержания:

-токарно-винторезный станок GH-1640 ZXDRO с габаритными размерами 2,46 х1,01х 1,22 (м), масса 2120 (кг);

-рабочий шкаф металлический, прямоугольный, с габаритными размерами 1,5х 0,4х 0,8 (м).

Температура воздуха в нерабочем пространстве производственного помещения задаётся равной = 50С. Темпе-

ратура поверхности твёрдой фазы в ОРМ задаётся равной £2 = 180С.

Расчёты, выполненные в работе [5] показали, что при заданном температурном режиме мощность теплоотдачи ОРМ составляет Qт = 429 Вт.

Целью настоящей работы является выбор мощности электронагревательного прибора лучевого действия и определение дистанции его расположения относительно ОРМ, обеспечивающей компенсацию его тепловых потерь.

Продвижение к решению этой задачи в работах [3-4] привело к получению системы интегральных уравнений (2) - (6), позволяющей определять мощности локальных тепловых потоков Ql, попадающих в ячейки, на которые разделена плоскость лучеприёмника ОРМ (рис. 2):

& = £1£2п-1Со(.0,01Т1Ук2А52АЬНи (2) где:

Н1=Н1

Ц (у ) = Х!~Х1______+

1 1 2 а2[а2 + (х1-х;)2]

^ агсЬд[

а2 = Л2 +

ДЬ = [Ркр/е1Со1]

Следует иметь в виду, что по причине имеющей место скважности (сквозных воздушных каналов в ОРМ) лишь часть потока лучистой энергии поглощается твёрдой фазой. Скважность в одной отдельно взятой ячейке лучеприёмника определяется графически проецированием твердофазных объектов на плоскость лучеприёмника [4].

При этом отношение части площади ячейки не закрытой твердофазной проекцией ко всей площади ячейки определяется как коэффициент скважности КС1. Напротив, величина 1-КС1 определяет долевую часть площади ячейки закрытую проекцией твёрдой фазы, через которую лучевой поток обогревает ОРМ.

Г.С. Сухов, Г.В. Лепеш

V

X

N ч

к

1 1 ,

1

1 3

О х

Рисунок 2. Нормальная ориентация плоскостей излучателя и лучеприёмника: 1 -

излучатель; 2 - лучеприёмник; 3 - центр симметрии излучателя и лучеприёмника; 4 -ячейки лучеприёмника.

Эта долевая характеристика определяется, как коэффициент поглощения Кщ = 1 - Кс;. В итоге суммарный греющий ОРМ тепловой поток определяется соотношением

0г = 2?=1 ад,

где п - количество ячеек на лучеприём-нике.

Наряду с односторонним обогревом возможен двусторонний симметричный обогрев ОРМ. В этом случае величина Qг будет удвоена.

Для решения поставленной задачи необходимо располагать совокупностью исходных данных о параметрах, присутствующих в системе уравнений (2) - (6). Они определяются на основе базовой информации о характеристиках:

1. реального электронагревательного прибора (в данном случаем выбран карбоновый нагреватель ТОР-1, производитель Россия, рабочие характеристики исследованы в работе [1]);

2. излучающего модельного аналога [4];

3. выбранного ОРМ [5].

Эти параметры представлены в следующем виде:

Р = 900 Вт; Кр = 0.77; Т = 925 К; ех = 0.94;

Вт

£2 = 1; С0 = 5.67 ; С1 = 1.275 м;

м^ • К

С2 = 1.725 м; ДЬ = 0.039 м; ДS2 = 0.06 м2;

Ь = 0.8 м; I = 0.45 м; хи у* - координаты ячеек лучеприемника

Координаты центров ячеек лучеприёмника и у1 определяются по данным на рис.3.

В результате решения системы уравнений (2) - (6) определяются потоки лучистой энергии Qi, попадающие в створы каждой из 80 ячеек в лучеприём-нике ОРМ (рис.3).

Для выделения доли этой энергии, идущей на обогрев твердофазных объектов Qгi на поверхность лучеприемника проецируются профили станка и рабочего стола [5] , что позволяет определить для каждой ячейки коэффициенты поглощения энергии греющей ОРМ.

Результат вычислений суммарной энергии обогрева Qг представлен на графике (рис.4). График позволяет определять дистанции расположения электронагревательных приборов относительно ОРМ, обеспечивающие его стационарный тепловой режим.

В ячейках обозначены: порядковый номер и коэффициент поглощения (Кщ ).

Например, в данном случае согласно уравнения (1) поток лучистой энергии Qг, необходимый для обеспечения стационарного температурного режима ^=18°С твердофазных объектов ОРМ составляет Qг = 430 Вт..

Соответственно этой мощности график определяет дистанцию обогрева Л=0.9 м.

Возможен и другой вариант, связанный с применением двухстороннего симметричного обогрева ОРМ, требующий от нагревателей вдвое меньшего потока энергии с каждой стороны Qг = 215 Вт.. Дистанция обогрева ОРМ в этом случае увеличивается до размера Л=1,8 м.

Очевидно, что реальным является второй вариант, поскольку обогрев ОРМ на дистанции h=0,9 вызовет состояние дискомфорта у персонала.

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 о ю

0 11 0,1 12 0,1 13 0,1 14 0,1 15 0,1 16 0,1 17 0,1 18 0,1 19 0,05 20

0 21 0,9 22 1 23 1 24 1 25 1 26 1 27 1 28 1 29 0,5 30

0 31 0,9 32 ! 33 ! 34 1 35 1 36 1 37 1 38 1 39 0,5 40

0 41 0,9 42 ! 43 ! 44 1 45 1 46 1 47 ] 48 ] 49 0,5 50

0 51 0,9 52 1 53 1 54 2 55 ] 56 1 57 2 58 1 59 0,5 60

0 61 0,9 62 1 63 1 64 1 65 1 66 1 67 1 68 1 69 0,5 70

0 71 0,9 72 1 73 1 74 1 75 1 76 1 77 1 78 1 79 0,5 80

Рисунок 3. Структура лучеприёмника ОРМ: Серым цветом обозначена проекция твёрдой фазы на плоскость лучеприёмника.Размеры: лучеприёмника - 3х 1,6(м); проекции - 2,46х 1,22 (м); ячейки - 0,3х0,2 (м).

методического обеспечения для исследования физических характеристик радиационных электронагревателей. Технико-технологические проблемы сервиса. №1 (1) 2007 г. стр. 22-33.

2. Сухов Г.С., Лепеш Г.В., Карп Л.В. Теоретические основы технологии дифференцированного электрообогрева производственных помещений. Технико-технологические проблемы сервиса. №1(7) 2009 г. стр. 50-54.

3. Сухов Г.С., Лепеш Г.В., Карп Л.В. Теоретиче-

ские основы технологии дифференцированного электрообогрева производственных помещений. Математическая модель. Технико-

технологические проблемы сервиса. №3(9) 2009 г. стр. 31-34.

4. Сухов Г.С., Лепеш Г.В., Карп Л.В. Теоретические основы технологии дифференцированного электрообогрева производственных помещений. Постановка задачи и математическая модель. Технико-технологические проблемы сервиса. №1(11) 2010 г. стр. 29-36.

5. Сухов Г.С., Лепеш Г.В. Теоретические основы технологии дифференцированного электрообогрева. Расчёт теплоотдачи объёма рабочего места. Технико-технологические проблемы сервиса. №3(17) 2011 г. стр. 42-45.

1 Сухов Герман Саулович - доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения», СПбГУСЭ,. тел.(факс): (812)362-442-13;

2 Лепеш Григорий Васильевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Ма-

шины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения», СПбГУСЭ. тел.(факс):

(812)362-44-13, моб.: +7 921 751 28 29, е-mail:gregoryl@yandex.ru

а.

Вт

Рисунок 4. График зависимости Qг = f(h').

Литература

1. Лепеш Г.В.. Сухов Г.С., Карп Л.В., Шмелёв М.Ю. Разработка экспериментально-