На сегодняшний день перед наукой стоит одна из важнейших задач — повышение эффективности работы инженерных систем топливно-энергетического комплекса [1]. Для достижения данной цели необходимо совершенствование подходов к разработке проектировочных решений. Современные подходы к проектированию систем газового лучистого отопления заключаются в повышении эффективности работы газовых горелочных инфракрасных излучателей, а также в проведении комплекса мероприятий по оптимальному расположению, численному корректированию и мощностному подбору горелочного оборудования.
Ключевые слова: лучистое отопление, параметрическое моделирование, инфракрасные газовые горелки.
Практика показывает, что при использовании устаревших методик проектирования систем газового лучистого отопления достаточно часто устанавливается завышенное количество излучателей и выбирается некорректное размещение газового оборудования в объеме помещения. Данный подход приводит к повышенным капитальным затратам на установку оборудования, к высоким эксплуатационным расходам, а также к неравномерному облучению поверхностей помещения [2, с. 9].
В технической литературе практически отсутствуют методики расчета систем газового инфракрасного отопления в условиях сложного тепломассообмена. Существующие методики носят рекомендательный характер и являются недостаточно эффективными. Также, отсутствуют и количественные характеристики, связывающие параметры внешней среды с состоянием микроклимата модульных производственных зданий, оборудованных газовыми инфракрасными излучателями, поэтому все чаще в качестве инструмента исследования, применяют универсальную систему конечно-элементного анализа. Исходя из этого, для наиболее точного определения требуемой мощности системы лучевого отопления применяется технология математического моделирования.
Так, при использовании соответствующих программных продуктов проектировщику предоставляется возможность получить параметрическую модель, описывающую закономерности формирования и распространения воздушно-тепловых потоков при работе высокотемпературных газовых горелок инфракрасного излучения на объектах их использования. Данная методика позволяет с высоким уровнем точности прогнозировать процессы тепловых потерь здания и тепловых поступлений от горелочного оборудования, тем самым предоставляет возможность избежать завышения мощности излучающего оборудования и его количества. Также, полученная информация дает возможность сформировать наиболее оптимальные параметры пространственного расположения горелочного оборудования.
Технология математического моделирования делает возможным разработку параметрических моделей высокотемпературных газовых горелок инфракрасного излучения еще на стадии их конструирования, что позволяет описывать закономерности их работы и оценивать эффективность технических решений до запуска оборудования в производство.
Разработка параметрических моделей позволяет значительно ускорить и облегчить выполнение большого объема теоретических и экспериментальных исследований, направленных на снижение доли лучисто-конвективной теплоотдачи в зону, расположенную выше излучателей, что на сегодняшний день является одним из наиболее крупных недостатков систем инфракрасного отопления.
Процесс переноса теплоты является сложным и пространственным [3, с. 48]: лучистый нагрев прилегающих к рабочим поверхностям слоев воздуха интенсифицирует циркуляцию нагретого газа и теплоперенос конвекцией. По этой причине целесообразна именно трехмерная постановка задачи теплопереноса. Применение инженерных программных продуктов по созданию параметрических моделей позволяет применить численные методы прогнозирования работы системы газового инфракрасного отопления с учетом сложного тепломассообмена в трехмерном пространстве производственного здания. Для решения задач теплопереноса в вентилируемых помещениях с радиационными источниками нагрева принимается модель турбулентного течения газовой среды с гравитацией и модель дискретных ординат для расчета лучистого теплообмена. При решении поставленных задач проектировщику предоставляется возможность разработки модели турбулентности воздушных потоков, модели горения и модели излучения.
Одним из главных преимуществ использования параметрического моделирования является возможность установления зависимостей, описывающих распределение плотности теплового потока и температурных полей в объеме производственного помещения при различной тепловой мощности высокотемпературных газовых горелок инфракрасного излучения. Также, методика параметрического моделирования позволяет определить зависимости, описывающие формируемый в зоне над высокотемпературными газовыми инфракрасными излучателями тепловой режим от времени, тепловой мощности и конструктивного решения излучателя.
Для подбора математической модели турбулентности и оценки достоверности результатов имитационного моделирования газовых горелок инфракрасного излучения, как правило, производится сборка экспериментального стенда, позволяющего проводить испытания излучателей на стадии их конструирования и сборки. Все экспериментальные исследования, результаты которых представлены при сопоставлении с результатами математического моделирования, проводятся на базе сконструированного экспериментального стенда, расположенного в реальных условиях производственного здания.
На основании эскизов газовых горелок инфракрасного излучения и экспериментального стенда строятся их полные виртуальные прототипы с построением расчетной сетки. Расчётная сетка конечных элементов необходима для разбиения смоделированных в системах автоматизированного проектирования геометрий на составные части. По ним можно записать систему уравнений, описывающую решение главного уравнения. Также, расчетная сетка используется для отображения области решений физических задач.
При этом точность полученных результатов обеспечивается использованием лицензионных программных продуктов; использованием фундаментальных законов физики при численных исследованиях; применением апробированных математических моделей; согласованием результатов экспериментальных и численных исследований.
Таким образом, разработка параметрических моделей позволяет снизить капитальные вложения в создание системы лучевого отопления, а также предоставляет возможность снизить эксплуатационные затраты, при наиболее эффективном обогреве помещений.
Литература:
- Федеральный закон от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
- Ермолаев А. Н. Повышение эффективности работы систем газового инфракрасного обогрева производственных зданий: дис.... канд. техн. наук. Пензенский гос. ун-т архитектуры и строительства, Пенза, 2018.
- Куриленко, Н. И., Максимов, В. И., Мамонтов, Г. Я., Нагорнова, Т. А. Математическое моделирование сопряженного теплопереноса в системе с радиационным источником нагрева / Н. И. Куриленко, В. И. Максимов, Г. Я. Мамонтов, Т. А. Нагорнова // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. — 2012. — №. 2–2 (147).
