Диссертация (1141591), страница 13

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 13)

Определение плотности конвективного теплового потока qк , Вт/м2:qк  q  qл(4.7)5. Определение локального коэффициента конвективной теплоотдачи , Вт/(м2∙ºС):qк,(4.8) - расчетная разность температур между нагретой поверхностью ижидкостью (газом), ºС.Однакоданныйподходявляетсяне совсем корректным приисследовании крупных установок в связи с тем, что электрическая мощностькабеля может значительно отличаться от суммарного теплового потока,передаваемого экспериментальной модели, который зависит от материалаповерхности, ее месторасположения, степени прилегания кабеля и качестватепловойизоляции.Неточноеопределениелучистойсоставляющейтеплового потока (формула 4.3) при некорректной оценке степени чернотыможет так же привести к возникновению существенной погрешностиизмерений [105].Всвязисвышесказаннымвпредставленномисследованиипредлагается графический способ определения коэффициента конвективной109теплоотдачи, в основе которого лежит нахождение условной толщиныпограничного слоя δt’, мм (Рисунок 75).

Данный метод позволяет с высокойточностью определить локальные коэффициенты конвективной теплоотдачи,что особенно важно в случаях, когда экспериментальная модель имеетсложную геометрию (Приложение А).Условная толщина пограничного слоя измеряется длиной подкасательной и кривой распределения температур в пределах пограничногослоя у нагретой поверхности [83].Рисунок 75 – Определение условной толщины пограничного слояСогласно [83], коэффициент конвективного теплообмена определяетсяпо формуле  , Вт/(м2∙ºС):t '1000  (4.9)Далее приводятся графики кривых распределения температур дляконтрольного сечения 1 при расчетной разнице температур   10С длясекущих плоскостей П1 и П2 (Рисунки 76 и 77). Остальные графикипредставлены в Приложении А.Результаты расчета локальных и средних коэффициентов конвективнойтеплоотдачи представлены в Приложении Б (таблицы Б1-Б4).110Рисунок 76 – Кривая распределения температур для контрольного сечения 1,плоскость П1Рисунок 77 – Кривая распределения температур для контрольного сечения 1,плоскость П2В связи со значительным влиянием сопротивления вентиляционногоотвода на характер движения конвективных потоков вдоль нагретых стенок,111величина локальных коэффициентов конвективной теплоотдачи будетразличной в рассматриваемых контрольных плоскостях сечения (Рисунок 78и Рисунок 79).

При увеличении расчетной разности температур, величинакоэффициентов конвективной теплоотдачи увеличивается, однако характерих изменения по высоте вентиляционного канала остается прежним.Рисунок 78 – График изменения локальных коэффициентов конвективнойтеплоотдачи α, Вт/(м2∙ºС) по высоте вентиляционного канала l, м прирасчетной разности температур θ=10 °СРисунок 79 – График изменения локальных коэффициентов конвективнойтеплоотдачи α, Вт/(м2∙ºС) по высоте вентиляционного канала l, м прирасчетной разности температур θ=40 °С112Значения коэффициентов конвективной теплоотдачи в условияхвнутренней конвекции на порядок меньше, чем при рассмотрении конвекцииу поверхностей в неограниченном пространстве [106]. Данное явлениеобусловлено особенностями движения воздушных масс внутри нагретыхканалов: ламинаризацией течения за счет наличия теплоотводящих границ, атак же стеснением потоков, формирующихся у стенок, в результате чегопроисходит снижение интенсивности теплоотдачи.Рисунок 80 – График изменения средних коэффициентов конвективнойтеплоотдачи α, Вт/(м2∙ºС) по высоте вентиляционного канала l, м приразличной расчетной разности температур θ, °СКоэффициент конвективной теплоотдачи уменьшается по высотевентиляционного канала, в силу увеличения толщины пограничного слоя(Рисунки 80, 81), что характерно для ламинарного характера течения [107].Таким образом, можно сделать вывод, что при моделировании свободнойконвекции в условиях внутренней задачи в случае наличия теплоотводящихграниц, которыми являются входное и выходное сечение канала, в пределахрасчетной разности температур   0  40 С , наличие турбулизации теченияможнонеучитывать.Длинаучасткастабилизациипотокадлярассматриваемой модели составляет от 0,7 до 0,8 м, при расчетной разности113температур 10°С и 40°С соответственно, в связи с чем между первым ивторымсечениемнаблюдаетсяменьшееснижениекоэффициентатеплоотдачи по высоте канала, чем между вторым и третьим сечением.Рисунок 81 – 1 - поверхность теплообмена; 2 - гидродинамическийпограничный слой; 3 - гидродинамическое "ядро потока"Вследствие низкойинтенсивноститеплообменаприсвободнойконвекции, проведение измерений температуры и скорости по сечениюканала могут вызывать нарушения теплообмена [108], что особенно заметнопри небольшой разности температур θ=10 °С (Рисунок 82).Рисунок 82 – Сравнение результатов численного моделирования иэкспериментального исследования.

График изменения среднихкоэффициентов теплоотдачи α, Вт/(м2∙ºС) в зависимости от расчетнойразности температур θ,°С114Наибольшее отклонение результатов математического моделированияи эксперимента составляет 12,7% для расчетной разности температур θ=10°С.Отклонение результатов при расчетной разности температур более 10°Ссоставляет менее 6,7%.4.4 Определение погрешности результатов экспериментальныхисследований.Определение температуры и скорости воздушного потока проводилосьс помощью прямых многократных измерений.Задача обработки результатов измерений заключается в нахожденииоценки измеряемой величиныи указания ее погрешности[109].Экспериментальное исследование осевой скорости воздушного потока навходе в вентиляционный канал проводилось в трех режимах нагрева(вертикальный, вертикальный совместно с отводом и горизонтальный) придевяти расчетных температурах θ, °С.Измерение температуры воздушного потока проводилось для одногорежима нагрева (вертикального совместно с отводом), в десяти точках длякаждого из четырех рассматриваемых сечений.Для каждой точки проводилась серия замеров= 5.При многократных измерениях, проводимых по одной методике спомощью средств с одинаковой точностью при постоянных внешнихусловиях, среднее арифметическое значение результатов измерений ( )находят по формуле [109]:xnxi 1 inгде– количество независимых измерений,(4.10)– результатымногократных измерений физической величины при наличии толькослучайных погрешностей.115Приближенные значения среднеквадратичного отклоненияихарактеризуют соответственно точность измерений и полученного результата[109]: s sn2(xx)ii 1(4.11)n 1n( xi  x )2i 1(4.12)n 1Абсолютная ошибка доверительной вероятности определяется поформуле [110]: x  sx  t(4.13)где - коэффициент Стюдента.Доверительная вероятностьизмеренийпринимается равной 0,95 [111].При числе= 5 коэффициент Стюдента = 2,776 [111].Предельная относительная погрешностьмногофункциональногоприбора Testo AG 435-4 при измерении температуры сенсором NTCсоставляет, при измерении скорости воздушного потока сенсоромобогреваемая струна.При известной предельной относительной погрешности средстваизмерения, среднеквадратичное отклонение определяется по формуле [112]: пр 3(4.14)Результирующая погрешность экспериментального исследования [113]:    x 2   пр 2(4.15)Таким образом, результаты измерений можно записать в следующемвиде:R  x  (4.16)116Относительная погрешность измерений ( ) определяется отношениемрезультирующей погрешности к среднему значению измеряемых величин( ):εх(4.17)Обработка экспериментальных данных была проведена в соответствии сприведенной выше методикой.

Максимальное значение относительнойпогрешности при измерении скорости воздушного потока не превысило4,9%.Относительная погрешность при измерении температуры воздушногопотока составила 0,5%. Результаты обработки экспериментальных данныхпредставлены в приложении В (таблицы В.1-В.5).117ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.1.Проведенное экспериментальное исследование позволяет сделатьвывод как о достоверности результатов численного моделирования врассматриваемом диапазоне значений основных параметров, так и овозможности использования CFD моделирования свободноковективныхтеченийвусловияхвнутреннейзадачи.Максимальноезначениеотносительной погрешности при измерении скорости воздушного потока непревысило 4,9%.

Относительная погрешность при измерении температурывоздушного потока составила 0,5%.2.Представленнаяметодикаэкспериментальныхисследованийпозволяет повысить точность определения локальных коэффициентовконвективной теплоотдачи для моделей сложной конфигурации.3.В случае моделирования свободной конвекции в условияхвнутренней задачи при наличии теплоотводящих границ в пределахрасчетной разности температур   0  40 С , учет турбулизации теченияпрактически не оказывает влияние на конечные результаты.118ГЛАВА 5. РЕКОМЕНДАЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕЙРАЗРАБОТКИ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ.5.1 Технико-экономическое обоснование применения системвентиляции с тепловым побуждением движения воздуха.В рамках технико-экономического обоснования проводится сравнениедвух методов оптимизации работы систем естественной вентиляции всанузле последнегои предпоследнего этажа двенадцатиэтажного жилогоздания:1.Применение осевого вентилятора;2.Использованиетепловогопобужденияприосуществлениинагрева вентиляционного канала резистивным кабелем.Здание пятиподъездное, на каждом этаже расположены 4 квартиры.Исходными данными для проведения расчета являются:1.Норма дисконта p = 12,78 %, принимается согласно [114];2.СогласноданнымОАО«Мосэнергосбыт»,стоимостьэлектрической энергии для городского населения, проживающего в домах,оборудованных электроплитами, составляет Сэл = 4,04 руб./ кВт∙ч;3.Обе системы работают периодически, среднее время работыоборудования для семьи из двух человек в течение недели составляет около 8часов.

Осевой вентилятор используется в течение всего года, так как вотключенномсопротивление,состояниикотороеонсоздаетисключаетзначительноевозможностьаэродинамическоефункционированияестественной вентиляции. Система с тепловым побуждением движениявоздуха работает с середины февраля по конец ноября (согласно п. 1.1.2,Глава 1). Таким образом, продолжительность работы вентилятора составит416 часов в год, а системы с тепловым побуждением движения воздуха – 336часов в год.1195.1.1.

Капитальные затраты.Средние единовременные капитальные затраты на установку осевыхвентиляторов на спутник каждой квартиры составляют К1 = 80 000 руб.Средние единовременные капитальные затраты на установку системывентиляциистепловымпобуждениемдвижениявоздухаК 2,руб.,складываются из стоимости терморегулятора Кт, руб. и стоимостирезистивного греющего кабеля Кк, руб.:К2  Кт  Кк(5.1)Для расчета был выбран ленточный нагревательный кабель, длиной10м. Стоимость тепловой изоляции не учитывается, так как согласно [115],транзитные воздуховоды должны прокладываться в кожухе из негорючихматериалов с пределом огнестойкости EI 30.

В качестве огнезащитногоматериала применяются базальтовые маты, коэффициент теплопроводностикоторых составляет 0,033 Вт/м2∙˚С, что обеспечивает высокое качествотепловой изоляции воздуховода.В связи с вышесказанным, средние капитальные затраты на установкусистемы вентиляции с тепловым побуждением движения воздуха составятКтепл = 92 000 руб.5.1.2 Эксплуатационные затраты.СуммарныегодовыеэксплуатационныезатратыЭ,руб./годопределяются по формуле [116]:Э  Ээл  Эам(5.2)Ээл - эксплуатационные затраты, руб./год, связанные с потреблениемэлектроэнергии системой вентиляции, определяются по формуле:Ээл  Z  N  Сэл ,(5.3)Z - продолжительность работы оборудования, ч/год;120N- потребляемая электрическая мощность оборудования, кВт.Суммарная потребляемая электрическая мощность для одной системы сосевым вентилятором составляет 15 Вт, для системы с тепловымпобуждением движения воздуха при осуществлении нагрева до расчетнойразности температур θ=5°С, потребляемая электрическая мощность составит12,1 Вт.Эам - годовые амортизационные отчисления, руб./год:Эам 1,5  К,Т ам(5.4)К - капитальные затраты, руб., для соответствующего варианта;Т ам- расчетный срок эксплуатации оборудования, лет.

Срокэксплуатации вентилятора составляет 15 лет, ленточного резистивногокабеля – 25 лет.Эксплуатационные затраты для систем с осевым вентиляторомсоставят Э1  9008,4 руб./год, для систем с тепловым побуждением движениявоздуха – Э1  6177,0 руб./год. Если сравнивать эти два варианта дляпомещения кухни, то эксплуатационные затраты систем с тепловымпобуждением будут составлять Э3  10976,9 руб. Данное обстоятельствосвязано с увеличением потребляемой электрической мощности до 100,5 Вт,так как для обеспечения нормируемой величины воздухообмена помещения,необходимо достичь разности температур θ=40°С.Следовательно,применениесистемвентиляциистепловымпобуждением за счет использования нагревательных электрических кабелейв помещениях кухни будет экономически нецелесообразным.1215.1.3.

Характеристики

Список файлов диссертации