ВКР. Магистерская диссертация
 Скачать 2.12 Mb.
|
|
По результатам расчета водяного теплого пола мы установили, что количество теплоты, которое поступает в рассматриваемое помещение, не превышает необходимую тепловую нагрузку на 10%. 4. Численное моделирование теплообмена в помещении, отапливаемом конвекторными приборами Традиционно используемые способы отопления с низкотемпературным теплоносителем – теплые полы и фен-койлы – отличает большая стоимость установки и эксплуатации; помимо этого, фен-койлы создают дополнительный расход электроэнергии для привода вентиляторов. В данном разделе путем численного моделирования анализируется возможность снижения температуры теплоносителя в системе отопления на основе конвекторов путем увеличения площади теплообмена. Дополнительным вопросом является влияние увеличения площади конвекторов на аэродинамику и теплообмен в помещении. 4.1 Математическая модель аэродинамики и теплообмена в отапливаемом помещении Математическая модель аэродинамики и теплообмена в помещении должна включать следующие уравнения. 1. Уравнение переноса массы, иначе – уравнение неразрывности  2. Уравнение переноса импульса, иначе – уравнение движения  учитывающее влияние вязких напряжений и турбулентных напряжений. пульсаций. Тензор вязких напряжений определяется следующим образом:  При использовании моделей турбулентности, основанных на гипотезе Буссинеска, тензор турбулентных напряжений рассчитывается аналогично тензору вязких напряжений, с заменой вязкости среды на турбулентную вязкость  3. Уравнение переноса энергии  4. Уравнение переноса энергии излучения в приближении серого газа  5. Уравнения переноса характеристик турбулентного течения. 6. Замыкающие соотношения: зависимость плотности от температуры и давления (уравнение состояния идеального газа), зависимости теплоемкости, теплопроводности и вязкости от температуры (в соответствии с результатами кинетической теории). Рассматриваемое отапливаемое помещение имеет форму параллелепипеда, 4 х 4 м в плане, 2,7 м высотой, являющееся замкнутым пространством (нулевая скорость газа на всех границах). Расчетная область получена вычитанием объема, форма которого моделирует конвектор, из этого параллелепипеда. Рассмотрены два варианта формы конвектора. Вариант 1) 5 вертикальных пластин шириной 1 м, высотой 0,5 м и толщиной 2 мм, расположенных параллельно друг другу на расстоянии 1,5 см; расстояние от пола до нижнего края пластин – 20 см, от стены до ближайшей к ней пластины – 5 см. Пластины расположены симметрично относительно центра ближайшей к ним стены, параллельно ей. Вариант 2) 2 пластины шириной 3,5 м, высотой 0,3 м, расстояние между пластинами 5 см, от пола до нижнего края пластин – 10 см, в остальном аналогично варианту 1. Общая площадь пластин конвектора в двух вариантах практически одинакова.   Рисунок 6 – Геометрия помещения, вариант 1. Сверху: общий вид. Снизу: детально окрестности конвектора.   Рисунок 7 – Геометрия помещения, вариант 2. Сверху: общий вид. Снизу: детально окрестности конвектора. Геометрии помещения с вычтенным из него объемом, моделирующим конвектор, в двух описанных вариантах, представлены на Рис. 6, 7. Фрагменты неструктурированной расчетной сетки представлены на Рис. 8.   Рисунок 8. Расчетная сетка в окрестностях конвектора. Вверху: вариант 1. Внизу: вариант 2. Граничным условием уравнения движения на всех границах является нулевое значение скорости. Граничными условиями для уравнения энергии являются следующие. - На внешней границе помещения, ближайшей к конвектору, задается граничное условие 3 рода с температурой наружной среды 240 К и коэффициентом теплоотдачи 0,9. - На поверхностях, ограничивающих область конвектора, температура равна: 338 К в варианте 1 и 320 К (около 470С) в варианте 2. Данные температуры были выбраны в ходе расчетов исходя из условия близости средней температуры воздуха в помещение к температуре 200С. - На прочих границах: адиабатические условия, т.е. нулевой поток тепла. 4.2 Результаты расчета Рассмотрим результаты численного решения вышеописанной задачи в стационарной постановке. Тепловые поля представлены на рис. 9, 10. На рис. 9 тепловое поле представлено в поперечном сечении вертикальной плоскостью, являющейся плоскостью симметрии задачи, т.е. перпендикулярной пластинам конвектора и холодной стене (на рисунке они расположены слева) и проходящей через центр комнаты. На рис. 10 это сечение совмещено с сечением горизонтальной плоскостью на высоте 5 см от пола. На рис. 11 приведены поля x-компоненты скорости в сечениях, аналогичным тем, которые использовались для построения полей температуры на рис. 10. Направление оси x – перпендикулярно холодной стене, от нее. В варианте 1 наблюдается поток холодного воздуха, распространяющийся от холодной стены по обе стороны от конвектора. Поток теплого воздуха от конвектора быстро поднимается к потолку и распространяется вдоль него. В результате наблюдается существенный градиент температуры по вертикальной координате: теплый воздух скапливается вверху, холодный – внизу. Иная ситуация наблюдается в варианте 2. Здесь конвектор имеет протяженность практически вдоль всей холодной стены и в результате формируемый им восходящий поток теплого воздуха сталкивается с потоком холодного воздуха, опускающегося вдоль стены, формируя течение смешанного воздуха. Это течение заполняет большую часть помещения воздухом однородной температуры.   Рисунок 9. Поле температуры. Сверху: вариант 1. Снизу: вариант 2.   Рисунок 10. Поле температуры. Сверху: вариант 1. Снизу: вариант 2.   Рисунок 11. Поле x-компоненты скорости. Сверху: вариант 1. Снизу: вариант 2. Сопоставление интегральных параметров вариантов 1 и 2 приведено в Таблице 1.
Как можно видеть, при практически одинаковой суммарной площади теплоотдающих поверхностей конвектор большой длины обеспечивает отопление помещения при существенно более низкой температуре поверхностей. Из сравнения температурных полей видно, что вариант 2 отличается также большей однородностью температуры, малостью неблагоприятного вертикального температурного градиента. Это связано как с особенностями течения воздуха, отмеченными выше, так и с большей долей тепла, отдаваемой излучением. Некоторое превышение расходов тепла в варианте 2, возможно, связано с более высоким тепловым потоком непосредственно на холодную стенку. Данное обстоятельство может быть скорректировано в численной модели путем перехода от условия 1 рода для температуры на холодной стенке (заданная температуре) к более корректному условию 3 рода (теплообмен через стенку с наружным воздухом). На практике также существуют способы снижения потерь тепла, связанных с локальным нагревом наружных стен приборами отопления, в частности, установка отражающих экранов. К вентиляции: гран условия на входе 0,45 м/с, 308 К Средняя температура Полная мощность тепловых потерь 464, из них радиационный поток на стенку 380. Заключение Низкотемпературные устройства и способы отопления становятся все более популярными, расширяют свою область применения. Снижение температуры теплоносителя в системе отопления повышает энергоэффективность системы, особенно значительно – в системах отопления с тепловыми насосами в качестве источников тепла, но достаточно заметно также и в системах отопления на основе газовых котлов, где снижение температуры теплоносителя, входящего в котел, до 400С, позволяет применять конденсационные котлы, имеющие КПД до 10% выше традиционных. Среди способов и устройств низкотемпературного отопления можно выделить конвекторы, теплые полы и фен-койлы. Расчет теплопередачи от теплоносителя теплого пола к воздуху помещения показал, что при температуре теплоносителя теплого пола, меняющейся в диапазоне 50-45 0С, возможно обеспечить уровень тепловой нагрузки, соответствующей наружной температуре –370С и выше. Выполнено численное моделирование Методами численного моделирования провести сопоставление традиционного способа отопления со способом, основанным на использовании крупногабаритных конвекторов и сопоставить энергоэффективность способа, основанного на использовании крупногабаритных конвекторов и других способов отопления при использовании теплового насоса в качестве источника тепла. Методами численного моделирования оценить возможность полного совмещения отопления и вентиляции помещения при использовании низкотемпературного источника тепла в системе отопления. Литература 1) Наумов Н.Р., Марьяндышев П.А., Попов А.Н., Любов В.К., Исследование газовых котлов малой мощности, Вестник Череповецкого государственного университета, 2017 2) Трубаев П.А., Гришко Б.М., Тепловые насосы, Белгород, 2010 3) Белоглазова Т.Н., Романова Т.Н.,Эффективность внедрения солнечных коллекторов, 2014 4) 2Богословский. В. Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха): учеб. для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1982. – 415 с. 5) СП 131.13330.2011 Строительная климатология./ ГОССТРОЙ РОССИИ. – М.: ФГУП ЦНС, 2011 - 81 с 6) СП 124.13330.2012 Тепловые сети. Актуализированная редакция СНиП 41-02-2003 |