Определение параметров системы воздушного лучистого отопления на базе вторичных энергетических ресурсов

УДК 697.353.26

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ВОЗДУШНОГО ЛУЧИСТОГО ОТОПЛЕНИЯ НА БАЗЕ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ

© 2015 г. А.Э. Калинин, А.Н. Токарева, М.С. Макарова, В.Н. Беленов

Рассмотрена возможности использования системы лучистого отопления на примере цеха по ремонту сельскохозйственной техники ООО «Южный ветер» Зерноградского района Ростовской области.

Дымовые газы проходят через теплоутилизатор, где нагревают воздух, который при помощи вентилятора циркулирует по воздуховодам системы лучистого отопления. Тепловая мощность регулируется изменением количества дымовых газов, проходящих через теплоутилизатор при помощи датчика расхода и электромагнитных дроссельных клапанов. При использовании такой схемы одновременно решаются две важные теплоэнергетические проблемы: происходит экономия природных ресурсов за счёт утилизации теплоты и снижение температуры отработавших дымовых газов.

В результате калорического расчета было установлено, что тепловая мощность системы лучистого отопления должна составлять 322780 Вт. Система отопления состоит из семи трубок диаметром 125 мм. Площадь теплоизлучающей поверхности составляет 251 м2.

Для данной системы были определены функциональные зависимости изменения тепловой мощности, массового расхода теплоносителя (воздуха) и конечной температуры дымовых газов от температуры дымовых газов.

Проведенный корреляционный и регрессионный анализ полученных линейных уравнений показал, что данные зависимости можно использовать для расчета энергетических затрат и технико-экономических показателей использования предлагаемой системы.

Ключевые слова: лучистое отопление, воздуховоды, тепловая мощность, дымовые газы, теплоноситель.

There is considered a radiant heating system using on the example of agricultural machinery repair workshop Ltd "South Wind" (Zernogradsky district of Rostov region).

The flue gases pass through a heat exchanger, where they heat air that is circulated by the fan on air radiant heating systems. Thermal power is adjusted by varying the flue gas amount passing through the heat exchanger by means of electromagnetic flow sensor and throttle valves. When using such a scheme at the same time there are resolved two major thermal power problems: there is an natural resources economy at the expense of heat utilization and reducing the exhaust flue gases temperature.

As a result of caloric calculation, it was found that the thermal capacity of the radiant heating system should be 322,780 watts. The heating system consists of seven tubes with a diameter of 125 mm. Radiating surface area is 251 m2.

For this system there were determined ratio of functional thermal power changes, the mass coolant (air) flow and the final flue gases temperature from the flue gas temperature.

The conducted correlation and regression analysis of the linear equations showed that this ratios can be used to calculate the energy costs and the technical and economic indicators of the use of the proposed system.

Key words: radiant heating, air ducts, thermal power, flue gas, coolant.

Введение. В последнее время в связи с проблемой экономии тепловой энергии вновь привлек к себе пристальное внимание один из наиболее совершенных способов обогрева помещений - лучистое отопление [1, 2]. Лучистая передача энергии при прочих равных условиях более эффективна, чем конвективная. При лучистом отоплении энергия

беспрепятственно переносится на большие расстояния в объеме помещения, поэтому отопительные приборы можно располагать

под потолком, в конструкциях ограждений и т.д.

За рубежом [3] применяют систему лучистого отопления, основанную на совершенно новом принципе, с использованием воздуха в качестве теплоносителя. Эта система представляет собой замкнутую систему воздуховодов. В одной из ее точек непосредственно или косвенно нагревается воздух, циркуляция которого обеспечивается вентилятором. Эти установки обычно используют для отопления зданий промышленного и

сельскохозяйственного назначения.

Рассмотрим возможности использования системы лучистого отопления на примере цеха по ремонту сельскохозйственной техники ООО «Южный ветер»

Зерноградского района Ростовской области.

Результаты и их обсуждение. Цех по ремонту сельскохозяйственной техники

является помещением павильонного типа с размерами 54*25*10 м.

Так как на предприятии котельная находится в 100 м от цеха, для которого мы рассматриваем систему лучистого отопления, то принимаем схему,

представленную на рисунке 1.

ЧТ! ДТ

_Отератор котельной

ДМ ТД

Воздух

Дымовые газы

ВЗ1...ВЗ7 - воздухопроводы системы лучистого отоплен; ВЗП1, ВЗП2- подземные воздуховоды ВЦ- вентилятор центкобежньй;ГДГ1...ГДГ3- газопровод дымовых газов; ДМ- дымосос;ДР- датчик расхода; ДТ- датчик температурь; ЗДЭ1,ЗДЭ2- задвижки электромагнитные;К1...К3- котлы; КО- клапан обратный; КС - контроллер сетевой; ТУ- теплоутилизатор; ТД- дымовая труба

Рисунок 1 - Принципиальная схема системы воздушного лучистого отопления на базе вторичных энергетических ресурсов

Дымовые газы проходят через теплоутилизатор ТУ, где нагревают воздух, который при помощи вентилятора ВЦ циркулирует по подземным воздуховодам ВЗП1, ВЗП2 и по воздуховодам системы лучистого отопления ВЗ1...ВЗ7. Тепловая мощность регулируется изменением количества дымовых газов, проходящих через теплоутилизатор при помощи датчика расхода ДР1 и электромагнитных дроссельных клапанов КДЭ1 и КДЭ2. При использовании такой схемы одновременно решаются две важные теплоэнергетические проблемы: происходит экономия природных ресурсов за счёт утилизации теплоты и снижение температуры отработавших дымовых газов [4].

Для рассматриваемого помещения был проведен калорический расчет.

Температура наружного воздуха в соответствии с требованиями [5] была принята равной

-22 °С, средняя радиационная температура +12 °С [6]. В результате калорического расчета было установлено, что тепловая мощность системы лучистого отопления должна составлять 322780 Вт.

Расчет системы утилизации теплоты отработавших газов котельных агрегатов проводился для газа Ставропольского месторождения. Температура

теплоносителя в системе отопления была принята в соответствии с рекомендациями

[7].

В качестве теплоутилизатора был выбран пластинчатый теплообменник. Площадь теплоизлучающей поверхности была рассчитана из уравнения

р =

с

г

с

V С2

т I4 100 У

• к

8 У

где С1 - коэффициент излучения поверхности подогревателя, С1 = 4,62 Вт/м [8]; С2 - коэффициент излучения стен цеха, С2=3,5 Вт/м2[8]; - коэффициент излучения абсолютно чёрного тела, Се = 5,77 Вт/м [8];

т 2

г 1 — площадь поверхности подогревателя, м ;

Б2 - площадь поверхности стенок

2

помещения, F2 = 4280 м ;

Т1 - температура наружной поверхности

подогревателя, Т1 = 433 К; Т2 - температура помещения, Т2 = 285 К.

Техническая характеристика

рассчитанной системы воздушного лучистого отопления представлена в таблице 1.

Схема расположения системы воздушного отопления в цеху представлена на рисунке 2.

Из уравнения теплового баланса теплоутилизатора [9]

= V

от

дым

р с

рвоздсвозд

(г - г

У возд пр возд об

1

где Уцым - объемный расход дымовых газов, м3/с;

С р - объемная теплоемкость дымовых

газов;

1дЬ1м н - температура дымовых газов на

выходе из котельных агрегатов, С; Овозд - массовый расход воздуха, кг/с; Свозд - массовая теплоемкость воздуха, кДж/кг0С;

tдым к - температура газов после

0

0

утилизатора, С;

tв0здпр - температура воздуха на выходе из

теплоутилизатора, С; tв0зд0б - температура воздуха на входе в теплоутилизатор, С.

Можно определить конечную температуру дымовых газов ^ым к и массовый расход теплоносителя Gв0зд, которые зависят от тепловой мощности, а следовательно, и от температуры наружного воздуха.

Результаты расчётов представлены на рисунке 3.

Таблица 1 - Техническая характеристика системы воздушного лучистого отопления

Показатель Значение

Тепловая мощность системы отопления, Вт 322780

Температура выходящих из котельной установки дымовых газов, 0С 300

Температура газов после теплоутилизатора, 0С 227,7

Площадь теплопередающей поверхности теплоутилизатора, м2 125,4

Температура воздуха на входе в теплоутилизатор, 0С 107

Температура воздуха на выходе из теплоутилизатора, 0С 216

Температура воздуха на входе в воздуховоды системы отопления, 0С 210

Температура воздуха на выходе из воздуховодов системы отопления, 0С 110

Массовый расход воздуха, кг/с 3,23

Площадь теплоизлучающей поверхности, м2 251,4

Диаметр воздуховодов, мм 125

Количество воздуховодов, шт. 7

Диаметр подземных воздуховодов, мм 426

3000

3800

^426_ ф ф

шпппппппппппш

1- трубки системы лучистого отопления; 2- поводящий и отводящий трубопроводы; 3,4- кронштейны

Рисунок 2 - Схема расположения

й«Р

I ^ & ^^

1 83 1 ^ .5 из

300 3,0 300

£

250 со 2,5 ¡1С 250

200 2,0 £ 200

го и- 8 со

150 1,5 150

§

100 8 1 1,0 100

50 0,5 50

0 0 0

-25

/ Оч. ф

э

20

-15

-10

-5

0

Температура наружного воздуха £нар, С

расход воздуха;

- тепловая мощность; -

—о— конечная температура дымовых газов

Рисунок 3 - Изменение тепловой мощности системы отопления, массового расхода воздуха и конечной температуры дымовых газов от температуры наружного воздуха

Анализ полученных зависимостей проводили методами статистической обработки, в частности с использованием корреляционного и регрессивного анализов [10]. Расчеты проводились для семи значений температур наружного воздуха. Табличное значение критерия Стьюдента принималось при 5% уровне значимости и числе степеней свободы п - 2 = 7 - 2 = 5.

Результаты анализа представлены в таблице 2.

По данным таблицы 2 можно сделать вывод, что все 3 линейные зависимости имеют существенную корреляционную связь с температурой наружного воздуха.

Об этом говорит значение коэффициента корреляции, равное 1. Расчетное значение коэффициента Стьюдента, значительно превышающее табличное, показывает, что коэффициенты регрессии во всех трех случаях значимы. Следовательно, полученные зависимости можно использовать в дальнейшем для регулирования расхода теплоносителя в системах воздушного лучистого отопления.

Изменение температуры дымовых газов позволит определить рациональные параметры газовоздушного тракта котельной установки.

Таблица 2 - Результаты статистической обработки зависимости тепловой мощности системы отопления, массового расхода воздуха и конечной температуры дымовых газов

от температуры наружного воздуха

Показатель Тепловая мощность Расход воздуха Конечная температура дымовых газов

Уравнение регрессии Ф = -9488,5tmp +114032 m = -0,0868 tHap +1,0431 t дымк =2,1268 tmp + 274,47

Коэффициент корреляции -1 -1 1

Стандартная ошибка коэффициента корреляции 6,27-10"6 0,00107 0,00058

Ошибка коэффициента регрессии 0,06 9,28-10-5 0,0012

Т-критерий (Стьюдента) коэффициента регрессии -159417 -935 1710,36

Т-критерий (Стьюдента) табличное значение 2,57

Выводы. Зависимость расхода теплоносителя от температуры наружного воздуха дает возможность рассчитать энергетические затраты на привод вентилятора и технико-экономические показатели использования предлагаемой системы с учетом изменений тепловой и электрической мощностей.

Литература

1. Болотских, Н.Н. Локальный обогрев с использованием

инфракрасных газовых нагревателей / Н.Н. Болотских // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. - 2011. - № 8(90). - С. 49-58.

2. Повышение энергоэффективности системы теплоснабжения завода / Ш.Г. Зиганшин, Ю.В. Ваньков, Р.Р. Саляхова, Л.К. Нуриева // Новости теплоснабжение. - 2013. - №3/28. - С. 72-75.

3. Hittmann, K.H., Hallen Erwarmen. Warmluf tkontra Strahlung zum wirkungsvollen Beheizen von sehrgrossen Raumen, Technical report, 2000. - 96 c.

4. Липов, Ю.М. Котельные установки и парогенераторы / Ю.М. Липов, Ю.М. Третьяков. - Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика»: Институт компьютерных исследований, 2006. - 592 с.

5. СНиП 41.01.-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование».

6. Fanger, P.O. Discomfort caused by overhead radiation. Clima 2000 / P.O. Fanger, L. Banhidi, B. Olesen, G. Langkilde. - ETE Kiadvany, Budapest, 1980.

7. Семернин, A.M. Энергосберегающие технологии для отопления производственных помещений. Пром. Теплотехника / A.M. Семернин, С.Д. Семернина,

A.А. Левченко, A.M. Кузьмич. - 2004. -Т. 26. - № 3. - С. 76-79.

8. Бухмиров, В.В. Пакет задач по разделу "Радиационный теплообмен" курса ТМО / В.В. Бухмиров, Т.Е. Созинова. -ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет им.

B.И. Ленина». - Иваново, 2013. - 67 с.

9. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок / под ред. А.И. Леонтьева. - Москва: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 591 с.

10. Доспехов, Б.А. Методика полевого опыта / Б.А. Доспехов. - Москва: Агропромиздат, 1985. - 351 с.

References

1. Bolotskih N.N. Lokal'nyj obogrev s ispol'zovaniem infrakrasnyh gazovyh nagrevateley [Local heating using an infrared

gas heaters], Energosberezhenie. Energetika. Energoaudit, 2011, No 8(90), pp. 49-58.

2. Ziganshin Sh.G., Van'kov Yu.V., Salyahova R.R., Nurieva L.K. Povyshenie energoeffektivnosti systemy teplosnabzheniya zavoda [Improving the energy efficiency of the plant heat supply system], Novosti teplo-snabzheniiya, 2013, No 3/28, pp. 72-75.

3. Hittmann K.H., Hallen Erwarmen. Warmluft kontra Strahlung zum wirkungsvollen Beheizen von sehrgrossen Raumen, Technical report, 2000, 96 p.

4. Lipov Yu.M., Tret'yakov Yu.M. Kotel'nye ustanovki i parogeneratory [Boilers and steam generators], Moskva-Izhevsk: NITs «Regulyarnaya i haoticheskaya dinamika»: Institut komp'yuternyh issledovaniy, 2006, 592 p.

5. SNiP 41.01.-2003 Otoplenie, ventilyatsiya i konditsionirovanie [Heating, ventilation and air conditioning].

6. Fanger P.O., Banhidi L., Olesen B., Langkilde G. Discomfort caused by overhead radiation. Clima 2000. ETE Kiadvany, Budapest, 1980.

7. Semernin A.M., Semernina S.D., Levchenko A.A., Kuz'mich A.M. Energosberegayuschie tehnologii dlya otopleniya proizvodstvennyh pomescheniy Prom. Teplotehnika [Energy-saving technologies for industrial premises heating], 2004, T. 26, No 3. pp. 76-79.

8. Buhmirov V.V., Sozinova T.E. Paket zadach po razdelu "Radiatsionnyj teploobmen" kursa TMO [The Package of tasks for the section "Radiation heat transfer" of course Heat and mass transfer equipment] FGBOU VPO «Ivanovskiy gosudarstvennyj energeticheskiy universitet imeni V.I. Lenina», Ivanovo, 2013, 67 p.

9. Teploobmennye apparaty i systemy ohlazhdeniya gazoturbinnyh i kombinirovannyh ustanovok [Heat exchangers and cooling systems gas turbine and combined units]. pod red. A. I. Leont'eva, Moskva: MVTU im. N. E. Baumana, 2004, 591 pp.

10. Dospehov B.A. Metodika polevogo opyta [Methods of field experience], Moskva: Agropromizdat, 1985, 351 pp.

Сведения об авторах

Калинин Александр Эдуардович - канд. техн. наук, зав. кафедрой энергетики, Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО ДГАУ в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8(863-59) 42-4-00. E-mail: energetikaachgaa@mail.ru.

Токарева Анна Николаевна - канд. техн. наук, доцент кафедры энергетики, Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО ДГАУ в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). E-mail: tanna_ing@mail.ru

Макарова Мария Станиславовна - канд. техн. наук, доцент кафедры энергетики, Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО ДГАУ в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: (863-59) 42-4-00. E-mail:24marija04@mail.ru

Беленов Виталий Николаевич - канд. техн. наук, доцент кафедры энергетики, Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО ДГАУ в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: (863-59) 42-4-00. E-mail: vetal_belenov@mail.ru.

Information about the authors

Kalinin Alexander Eduardovich - Candidate of Technical Sciences, head of the Energy department, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEI HPE "Don State Agrarian University" in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: (863-59) 42-4-00. E-mail: energetikaachgaa@mail.ru.

Tokareva Anna Nikolaevna - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Energy department, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEI HPE "Don State Agrarian University" in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: (863-59) 42-4-00. E-mail: tanna_ing@mail.ru

Makarova Maria Stanislavovna - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Energy department, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEI HPE "Don State Agrarian University" in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: (863-59) 42-4-00. E-mail : 24marij a04@mail.ru.

BelenovVitalij Nikolaevich- Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Energy department, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEI HPE "Don State Agrarian University" in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: (863-59) 42-4-00. E-mail: vetal_belenov@mail.ru.