В представленной работе выполнено моделирование и исследование распределения температурных и скоростных полей в здании комплекса металлообработки строительных металлоконструкций, а также в технологическом оборудовании — теплогенераторах горячего воздуха, расположенных в пристроенном помещении (теплогенераторной). Разработана графическая модель, учитывающая особенности гидрогазодинамики и теплообмена в конкретных технологических процессах.
Результаты работы могут быть использованы для оптимизации конструкции технологического оборудования и режимов его работы с целью повышения эффективности технологических процессов.
Для построения геометрической модели применялась программа SolidWorks, в качестве расчетной программы использовался программный модуль «ЛОГОС АЭРО-ГИДРО».
Ключевые слова: моделирование, температурное поле, скоростное поле, технологическое оборудование, численное решение, оптимизация.
In the presented work, we modeled and studied the distribution of temperature and velocity fields in the building of a metalworking complex for building metal structures, as well as in technological equipment — hot air heat generators located in the attached room (heat generator room). A graphical model has been developed that takes into account the features of fluid dynamics and heat transfer in specific technological processes.
The results of the work can be used to optimize the design of technological equipment and its operating modes in order to increase the efficiency of technological processes.
To build a geometric model, the SolidWorks program was used; the «LOGOS AERO-HYDRO» software module was used as a calculation program.
Keywords: modeling, temperature field, velocity field, technological equipment, numerical solution, optimization.
Распространение тепла в материальные среды, особенно в строительные конструкции зданий, всегда связано с разными температурными условиями и аспектами отдельных зон или областей пространства, возникающими и обусловленными природными факторами или деятельностью людей, например, из теплого воздуха в отапливаемой площади помещения и холодного вне пространства, из нагретых, рядом с отопительными приборами, участков помещения и охлажденных зон возле окон и так далее.
Протекающие процессы передачи тепловой энергии вызывают постоянное или временное изменение распределения температур в анализируемой материальной среде или конструкции. Таким образом, температурное поле представляет собой набор значений температуры во всех точках рассматриваемой материальной системы в конкретный момент времени. Основные закономерности теплопередачи напрямую связаны с распределением температур и особенностями характеристик температурного поля.
Температурное поле математически описывается уравнением, связывающим температуру с тремя пространственными координатами и временем — нестационарное трехмерное температурное поле. Отличие стационарного температурного поля заключается в том, что описывающее его математическое уравнение не имеет зависимости от времени.
В графическом виде температурное поле представляется посредством изотермических поверхностей, которые объединят все точки с эквивалентной температурой. В представлении двумерного поля используются группы изотерм.
Скоростные поля воздуха в помещении относятся к распределению скорости движения воздуха внутри здания или помещения. Эти поля могут быть обусловлены различными факторами, такими как конструкция вентиляционной системы, наличие отопительных или охлаждающих устройств, а также присутствие потоков воздуха из-за разнообразных воздействий, таких как открытые окна, двери или вентиляционные отверстия.
Оптимальное распределение скоростных полей воздуха является важным аспектом комфорта внутри помещения. Воздушные потоки должны быть достаточно равномерными и не вызывать дискомфорта, например, не создавать сквозняков или существенных различий в температуре воздуха в разных частях помещения.
Для обеспечения оптимальных скоростных полей воздуха в помещении можно использовать различные методы и технологии, такие как правильная проектировка вентиляционной системы, использование специальных диффузоров или жалюзи для регулировки потока воздуха, а также установка дополнительных устройств, для поддержания комфортных условий в помещении.
В рамках данной статьи исследуется распределение температурных и скоростных полей в помещении цеха здания комплекса металлообработки строительных металлоконструкций с пристроенным помещением теплогенераторной, в котором установлены два теплогенератора горячего воздуха.
Характер изменения температурных и скоростных полей в модели исследовался с помощью расчетной программы «ЛОГОС АЭРО-ГИДРО». Исследуемая трехмерная модель помещения теплогенераторной и непосредственно цеха металлообработки представлена на рис. 1.
После проведения настройки модели (создание именованных границ; установка начальных и граничных условий; составление теплового баланса для определения теплового потока теплогенераторов) было выполнено построение расчетной сетки (представлено на рис. 2).
Далее был выполнен расчет задачи (выполнено около 6600 итераций). В процессе расчета построены области максимальных и минимальных температур, распределения температур и скоростей по сечениям (температурные и скоростные поля).
Рис. 1. Исследуемая модель в ЛОГОС
Рис. 2. Общий вид элементов сетки исследуемого объекта
Самые высокие температуры, выявленные по результатам проведенных расчетов, зафиксированы в области теплогенераторов (отображаемая величина представлена в ячейках). На рисунке 3 отображены области высоких температур (интервал от 300–600 К (27°С — 327 °С)).
Рис. 3. Распределение температур (область рассчитанных высоких температур) интервал от 300–600 К (27°С — 327 °С)
Самые низкие температуры отмечены в области вентиляционных решеток, работающих на приток (отображаемая величина представлена в ячейках). На рисунке 4 отображены области низких температур (интервал от 283–300 К (10°С — 27 °С)).
Рис. 4. Распределение температур (область выявленных низких температур) интервал от 283–300 К (10°С — 27 °С)
Также программным комплексом было смоделировано, отображенное на рисунке 5, распределение скоростей воздуха в помещении цеха и пристроенном к нему помещении теплогенераторной. Скорости представлены в интервале от 0,05 до 0,3 м/с и показаны в ячейках. По результатам расчета скорости воздуха в области приточных вентиляционных решеток колеблются от 0,25 до 0,3; скорости вытяжных вентиляционных решеток от 0,13 до 0,2 м/с.
Рис. 5. Распределение скоростей (интервал значений 0,05–0,3 м/с)
Также были построены поля распределения скоростей и движения воздуха внутри теплогенераторной и помещении цеха, посредством сечения исследуемой модели горизонтальной плоскостью на уровне вентиляционных решеток (2,7 м от уровня пола). Скорости на данном скоростном поле представлены в интервале от 0,05 до 0,3 м/с (рисунок 6).
Рис. 6. Поле распределения скоростей на уровне вентиляционных решеток (горизонтальное сечение плоскостью)
Для визуализации результатов расчета при помощи функции сечения исследуемой модели горизонтальной плоскостью на уровне расположения вентиляционных решеток (рисунок 7), а также на уровне рабочей зоны (рисунок 8) были построены температурные поля, имеющие интервал температур 282–300 К (9–27 °С). Посредством такого моделирования детально определяются температуры в каждой точке исследуемого объема.
Рис. 7. Температурное поле на уровне вентиляционных решеток
Рис. 8. Распределение температур на уровне рабочей зоны
Анализ результатов расчета и моделирования температурных и скоростных полей в исследуемом объекте
Цеха, в которых производятся различные операции по обработке металлов, не относятся к категории помещений, где расположено технологическое оборудование, выделяющее большое количество тепла, поэтому поддерживать в них требуемый микроклимат относительно несложно. Согласно действующим нормативам, температура воздуха в таких цехах в зимнее время может быть от +15 до +20 градусов тепла, при влажности 75 % и скорости воздушного потока до 0,5 м/с, а в самый жаркий месяц года — не выше, чем +28 градусов при влажности 55 %.
Полученные, в ходе решения задачи, температурные поля показали области, где температуры почти превышают нормативные значения (в помещении теплогенераторной как на уровне рабочей зоны, так и на уровне расположения вентиляционных решеток температуры равняются 300 К (27 °С), а также в помещении непосредственно самого цеха металлообработки, в области приближенной к теплогенераторной температуры также находятся на уровне 300 К (27 °С)). Скорости воздушного потока не превышают нормативных значений и находятся в допустимом диапазоне.
Заключение
В рамках данной исследовательской статьи, были изучены особенности формирования микроклимата в промышленных помещениях с притоком наружного воздуха через вентиляционные решетки и отопительными приборами, такими как теплогенераторы. Также представлен пример использования метода трехмерного моделирования в программах SolidWorks и ЛОГОС АЭРО-ГИДРО. Решение уравнений гидрогазодинамики в сочетании с начальными и граничными условиями позволило получить информацию о распределении температуры и скорости воздушного потока в изучаемом объеме. Результаты исследования позволяют оценить закономерности изменения температуры и скорости воздуха в различных зонах отапливаемого помещения при использовании теплогенераторов.
Результаты исследования и моделирования могут быть использованы для оптимизации конструкции технологического оборудования и режимов его работы, с целью повышения эффективности технологических процессов, так как полученные в ходе расчета значения температуры близки к превышению допустимых нормативных показателей.
Литература:
1. СП 60.13330.2020. Свод правил. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41–01–2003/ Минрегион России, — М.: ФАУ «ФЦС», 2012. — 76 с.
2. СП 131.13330.2020. Строительная климатология. Актуализированная версия СНиП 23–01–99*. — М., 2012–113 с.
3. СП 281.1325800.2016 Установки теплогенераторные мощностью до 360 кВт, интегрированные в здания. Правила проектирования и устройства. — М., 2016. — 59с.
4. ГОСТ 30494–2011 Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях (с Поправкой, с Изменением N 1), — М.: Стандартинформ, 2013. — 15с.
5. Отопление и вентиляция жилых и общественных зданий: Проектирование: Справочник. Под редакцией Г. В. Русланова 1983 г. — 245 с.
6. Проектирование промышленной вентиляции. Справочник. Торговников Б. М., Табачник В. Е., Ефанов Е. М., 1983 г. — 256 с.
7. Дерюгин В. В. Вентиляция (промышленные здания): Учебное пособие по выполнению курсового проекта «Отопление и вентиляция промышленного здания»/ В. В. Дерюгин, Н. Е. Толстова, В. Ф. Васильев// ЛИСИ; Л., 1989. 78 с.
8. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч./ Под ред. Н. Н. Павлова и Ю. И. Шиллера. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1992. Ч.3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 2. 416 с.
9. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1992. 672 с.
