Impact of the air exchange system on temperature conditions of the local working area of a large-sized premise during the gas infrared heater operation

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Общая проблема энергосбережения [1–6], а точнее энергоэффективности, становится в последнее время особенно важной при формировании регламентных тепловых режимов в крупногабаритных промышленных помещениях [7–10] с частично загруженными производственными площадями. При этом строительство и промышленное производство являются основными потребителями теплоты и электрической энергий с выбросом в атмосферу огромного количества углекислого газа [1, 11]. Некоторые европейские правительства добиваются цели довести все выбросы СО₂ до нуля к 2050 г. [12]. Одним из способов достижения этой цели может быть повышение энергоэффективности самого промышленного производства [13–17]. Другим подходом к повышению энергоэффективности предприятия является разумное использования тепловых источников для создания комфортных условий жизнедеятельности. На обеспечение комфортности среды жизнеобеспечения системами отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВиК) расходуется основная часть энергопотребления здания, поэтому регламентный микроклимат в помещении при минимизации затраченной теплоты может быть достигнут путем применения рационального подхода к выбору методов распределения ее в рабочих зонах [18, 19]. Так, применение водяных калориферов для отопления больших промышленных зданий [20–23] приводит к тому, что значительное количество теплоты, переданное от этих тепловых приборов воздуху, теряется им при теплообмене в ограждающих конструкциях и аккумулируется вблизи потолочного перекрытия [14, 24], а работники предприятия испытывают температурный дискомфорт. Находящаяся вне регламентного диапазона (слишком высокая или слишком низкая) температура в помещении в конце концов сказывается на здоровье и, соответственно, на производительности труда работающих [25, 26]. По результатам многочисленных исследований, например, [27–30], установлено, что тепловой комфорт во многих случаях достигается с меньшими энергозатратами при использовании систем лучистого нагрева (по сравнению с конвективной системой) [31–36].

Однако для создания таких эффективных систем управления тепловыми режимами локальных рабочих мест в крупногабаритных производственных помещениях (например, [30–33]) и их широкого практического использования требуется понимание процессов их формирования в отдельных локальных зонах. Очень важно определить, на сколько эффективно используются тепловые потоки, вырабатываемые газовыми инфракрасными излучателями (ГИИ). Частично эта проблема решена при анализе процессов переноса теплоты от ГИИ без учета работы системы воздухообмена [37] в режиме естественной конвекции.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Условия проведения представленных экспериментальных исследований процессов теплопереноса выбирались на основе анализа примеров регламентных тепловых режимов локальных рабочих зон крупногабаритных помещений [30, 38–42].

Учитывалось [40, 41], что анализ тепловых потоков и температур по большим площадям в условиях работы нескольких (3–4) ГИИ можно заменить анализом ряда одинаковых локальных участков, каждый из которых нагревается одним излучателем. По ранее экспериментально определенным зависимостям плотности тепловых потоков, поступающих в рабочую зону от ГИИ различной мощности (от 5 до 30 кВт), и их расположению относительно обогреваемой поверхности [30, 40] сделан вывод о применимости ГИИ малой мощности для подвода теплоты к локальной рабочей области. В связи с установленными в [30] закономерностями при проведении экспериментов использовался один ГИИ средней мощности (5 кВт), расположенный на относительно малой высоте (3 м) от поверхности пола экспериментального бокса.

Экспериментальные исследования проводились в зимнее время при температуре наружного воздуха Т_e от –12 до –30 °С (ниже приведены типичные результаты экспериментов при Т_e= –22 °С). Начальные температуры воздуха в экспериментальном боксе устанавливалась от +2 до +15 °С. Такие температуры характерны для производственных помещений с двухсменным режимом работы. При этом, как было установлено ранее [24], снижение температуры воздуха в помещении до отрицательных температур в подавляющем большинстве практически значимых вариантов нецелесообразно по целому ряду объективных (производственных) причин. Поэтому основные эксперименты проводились при начальной температуре +7 °С в помещении.

На рис. 1 представлено схематическое изображение лабораторного стенда для проведения экспериментальных исследований.

 

Рис. 1. Схематическое изображение области проведения экспериментов и расположения термопар: 1 – ГИИ, 2 – выносная горизонтальная панель, 3 – канал притока воздуха, 4 – канал выхода воздуха, 5 – компьютер, 6 – аналого-цифровой преобразователь и системы сбора и передачи данных, 7 – запорно-регулирующая арматура системы газоснабжения

Fig. 1. Schematic representation of the experimental area and the thermocouples location: 1 – gas infrared heater (GIH), 2 – horizontal panel, 3 – inlet air channel, 4 – outlet air channel, 5 – personal computer (PC), 6 – analog-to-digital converter (ADC) and data collection and transmission system, 7 – shut-off and control valves of the gas supply system

 

Эксперименты с регистрацией основных характеристик процессов теплопереноса проведены в условиях реального объекта теплоснабжения – типичного и достаточно большого по размерам закрытого помещения (рис. 1), соответствующего объекту, использованному для исследований, описанных в работах [31, 32, 39].

На практике локальные рабочие зоны в крупногабаритных помещениях выделяются по ряду технологических условий, как правило, вблизи стен. Поэтому эксперименты проводились в зоне, включающей в качестве основного элемента и несущую стену. Исследования [31, 32, 39] показали, что стены существенным образом участвуют в процессе регулирования движения воздуха в локальных рабочих зонах.

Устройство экспериментального стенда и оборудования принято аналогично описанному в работе [43]. В табл. 1 указаны координаты расположения датчиков температуры в рабочей области.

Также для обоснования выводов об условиях создания регламентных тепловых режимов при работе ГИИ проведен анализ распределений температур воздуха в вертикальном сечении (0£Y£2,0 м) на расстоянии 0,2 м слева (X=0,8 м) и справа (X=2,4 м) от панели (рис. 1). Предполагалось, что в этой зоне должен находиться работающий.

Обработка результатов измерений проводилась персональной ЭВМ. Типичные примеры распределения температур во времени в двенадцати точках области анализа (осциллограммы) приведены на рис. 2–5. Для обеспечения возможности оценки случайных ошибок измерений все эксперименты при постоянных условиях проводились не менее трех раз. После этого рассчитывались среднеквадратические отклонения и соответствующие коэффициенты вариации. В ходе всех экспериментов значения коэффициентов вариации не превышали 4 %. Статистическая обработка результатов измерений была необходима из-за потенциального влияния на показания измерительных приборов небольших отклонений от нормированных значений факторов второго и третьего уровней значимости, таких как влажность воздуха, давление и изменения температуры окружающей среды в ходе длительных экспериментов. Хотя влияние этих факторов является незначительным, согласно основным принципам теории ошибок в экспериментальных исследованиях, их следует учитывать при оценке достоверности полученных результатов.

На рис. 2 приведены распределения полных тепловых потоков по высоте в центре симметрии зоны влияния ГИИ при наличии элемента оборудования (панель) в условиях естественной и смешанной конвекции.

 

Таблица 1. Координаты расположения термопар и датчиков теплового потока в области измерений

Table 1. Location coordinates of thermocouples and heat flow sensors in the measurement area

Измерение температур воздуха/Air temperature measurement
Номера термопар Thermocouple numbers	0’	1’	2’	3’		4’		5’		6’		7’		8’		9’
X, м/m	0	0	0	0		0		0		0		0		0		0
Z, м/m	0	0	0	0		0		0		0		0		0		0
Y, м/m	0,05	0,4	0,7	0,755		1,0		1,2		1,4		1,6		1,8		2,0
Измерение температур пола/Floor temperature measurement
Номера термопар Thermocouple numbers	0	1			2			3			4				5
X, м/m	0	–0,2			–0,4			–0,6			–0,8				-1
Z, м/m	0	0			0			0			0				0
Y, м/m	0	0			0			0			0				0
Измерение температуры поверхности панели в зоне влияния ГИИ Measuring the panel surface temperature in the GIH impact zone
Номера термопар Thermocouple numbers	1p	2p					3p		4p				5p
X, м/m	0	–0,3					0,3		0				0,6
Z, м/m	0	0					0		0,28				0,28
Y, м/m	0,755	0,755					0,755		0,755				0,755
Измерение тепловых потоков в воздухе на оси симметрии зоны влияния ГИИ Measuring the heat flow in the air on the symmetry axis in the GIH impact zone
Номера датчиков Sensor numbers	1q	2q					3q		4q				5q
X, м/m	0	0					0		0				0
Z, м/m	0	0					0		0				0
Y, м/m	0,78	1,0					1,2		1,8				2,0

 

Рис. 2. Изменения с ростом времени полных тепловых потоков в режиме естественной (сплошные линии) и смешанной (пунктирные линии) конвекции при наличии панели в помещении

Fig. 2. Changes of total heat fluxes under natural (solid lines) and mixed (dashed lines) convection conditions in the premise with a panel in it with increasing time

 

Результаты экспериментов показывают, что в двух рассматриваемых режимах конвекции по мере приближения датчиков к излучателю величина теплового потока (q) значительно увеличивается. При этом влияние смешанной конвекции на интенсивность теплового потока также возрастает с уменьшением расстояния до ГИИ. Например, если при высоте Н=1,2 м от пола значение теплового потока составляет около 100 Вт/м², то при Н=1,8 м (на 60 см выше) q=270 Вт/м² (рост в 2,7 раза). На расстояниях от пола до 1,2 м (датчики 1q-3q) смешанная конвекция практически не влияет на величину теплового потока. Для датчиков 1q и 2q значения теплового потока идентичны, для датчика 3q, находящегося на высоте 1,2 м от пола, разница в данных составляет менее 0,5 Вт/м² (0,5 %). По мере приближения к ГИИ влияние притока воздуха из системы воздухообмена становится значительным, тепловой поток в этом случае уменьшается, и на высоте 1,8 м q уже меньше на 25 Вт/м² (5,5 %). Это обусловлено интенсификацией движения масс воздуха и, соответственно, конвективного теплообмена в этой области за счет работы приточно-вытяжной системы воздухообмена.

На рис. 3 приведены установленные экспериментально зависимости скорости воздуха и значения температур по высоте помещения на оси симметрии зоны влияния ГИИ от времени.

Около пола под горизонтальной панелью (Y=0,01 м) скорость воздуха при работе системы воздухообмена возрастает по сравнению с режимом естественной конвекции в 2 раза (с 0,06 до 0,12 м/с), а на высоте 2 м – в 2,7 раза. Приточно-вытяжная вентиляция интенсифицирует движение воздуха в верхней области зоны влияния ГИИ. В центре области (над панелью) образуется своеобразная застойная зона, скорость воздуха в которой составляет 0,003 м/с (линия 0,755 м, рис. 3, а).

На рис. 4 представлены результаты, характеризующие изменение температур воздуха с ростом времени в точках расположения термопар на оси симметрии зоны влияния ГИИ при двух режимах конвекции (свободной и смешанной) для свободного помещения и с расположенной в нем панелью.

 

Рис. 3. Изменения с течением времени значений скорости воздуха на разных высотах (а) и распределения температур воздуха по координате Y и поверхности панели (Y=0,755 м) на оси симметрии зоны влияния ГИИ (б) в режиме естественной (сплошные линии) и смешанной (пунктирные линия) конвекции

Fig. 3. Changes over time the values of air velocity at different heights (a) and the air temperatures distributions along the Y coordinate and the panel surface (Y=0.755 m) on the GIH symmetry axis (b) under natural (solid lines) and mixed (dashed line) convection conditions

 

Рис. 4. Изменение температур воздуха с ростом времени в точках расположения термопар на оси симметрии зоны влияния ГИИ в режиме естественной (сплошные линии) и смешанной конвекции (пунктирные линии): а) помещение без оборудования, б) панель расположена на высоте 755 мм от пола

Fig. 4. Air temperatures change with increasing time at GIH symmetry axis for natural (solid lines) and mixed (dashed line) convection conditions in premise: a) without a panel, b) premise with a panel located at a height of 0.755 m from the floor

 

Результаты экспериментов показывают, что смешанная конвекция, обусловленная работой систем воздухообмена, приводит к перемешиванию воздушных масс и более интенсивному охлаждению поверхности горизонтальной панели (температура снижается на 7,5 °С, рис. 3, б), а также воздуха (температура снижается на 4–5 ℃, рис. 4) по сравнению с режимом естественной конвекции.

При этом разница в значениях температуры воздуха для различных условий его движения уменьшается по мере удаления от ГИИ и на высоте 0,4 м от пола составляет уже 3 °С в свободном помещении (рис. 4, а) и 1,7 °С в помещении с панелью (рис. 4, б).

Приведенные на рис. 5 результаты иллюстрируют неоднородность температурного поля в рабочих зонах на расстоянии 20 см слева и справа от панели. Перепад t по высоте (от 0,2 до 2 м) составляет до 3,5 градусов Цельсия. В этих сечениях (где предположительно должен находиться работающий) влияние работы системы воздухообмена на температуру воздуха уже не так существенно (разница температур не более 1,1 °С). При этом в отличие от температур воздуха над панелью на оси симметрии зоны влияния ГИИ, где заметно их снижение в результате работы системы вентиляции, значения температур воздуха становятся выше.

Установленный (достаточно неочевидный) эффект обусловлен, скорее всего, тем, что приточный относительно холодный воздух вовлекает в процесс формирования теплового режима локальной рабочей зоны воздух, находящийся непосредственно вблизи излучателя и вследствие теплопроводности нагретый до очень высоких (более 600 ℃) температур. Ранее установлено [5], что в режиме естественной конвекции эта теплота отводится через перекрытие во внешнюю среду и почти не влияет на тепловой режим локальной рабочей зоны.

 

Рис. 5. Изменение температур воздуха на различных высотах в сечениях 200 мм от панели слева (а) и справа (б) в режиме естественной (сплошные линии) и смешанной (пунктирные линии) конвекции

Fig. 5. Air temperatures changes at different heights in sections of 0.2 m from the panel to the left (a) and to the right (b) in the natural (solid lines) and mixed (dashed lines) convection conditions

 

ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Математическое моделирование осуществлялось в рамках двумерного подхода. Рассматривалась прямоугольная область размерами L_x=10×L_y=4,4 м, ограниченная ограждающими конструкциями толщиной 0,1 м (рис. 6) и двумя горизонтальными конструктивными элементами. Также в рассматриваемой зоне расположены области, соответствующие излучателю ГИИ (размеры Lx_GIE=0,4 м, Ly_GIE=0,05 м), и панели (размеры Lx_tb=0,6 м, Ly_tb=0,04 м). Позиционирование источника лучистой энергии (ГИИ) и горизонтальной панели в этой области было определено в соответствии с наиболее распространенными вариантами их установки в реальных помещениях, что иллюстрируется на рис. 1.

 

Рис. 6. Область решения задачи: 1 – ГИИ, 2 – Панель, 3 – Зона притока воздуха, 4 – Зона оттока воздуха

Fig. 6. Solution area: 1 – GIH, 2 – Horizontal panel, 3 – Air inlet zone, 4 – Air outlet zone

 

Координаты (X_Tb, Y_Tb) центра верхней границы поверхности горизонтальной выносной панели, характеризующей оборудование, которое может быть расположено в рабочей зоне, варьировались по направлениям x и y. Давление воздуха принято известной величиной P_air=0,1 МПа и не изменялось во всей области решения со временем. При моделировании теплопереноса излучением воздух считался диатермичной средой, а все поверхности (стен, пола, потолка, ГИИ и оборудования) – непрозрачными серыми. Для решения поставленной задачи используется математическая модель, идентичная описанной в работах [43, 44].

Перед началом математического моделирования тепломассопереноса была проведена проверка физической адекватности задачи. Это осуществлялось через сопоставление результатов численного моделирования с данными, полученными в ходе экспериментальных исследований. Достигнутое хорошее соответствие между физическим и математическим моделированием дало возможность применять выбранную модель для анализа воздействия воздухообмена на температуры в локальной рабочей зоне, находящейся под влиянием ГИИ.

На рис. 7, 8 представлены полученные при численном решении выше сформулированной задачи поля температур и скоростей воздуха для помещения, свободного от оборудования и при его наличии. Результаты представлены для момента времени τ=60 мин, как и в случае экспериментальных исследований. Приток воздуха с расходом 2×10⁻⁴ кг/(с×м³) соответствовал условиям проведенных экспериментов.

На рис. 7, а и 8, а хорошо заметно, что прогрев слоев воздуха вблизи нижней ограждающей конструкции осуществляется за счет передачи тепла от нагревающегося излучением ГИИ пола. Температура на границе раздела сред «нижняя ограждающая конструкция – воздух» повышается к 60 минуте работы ГИИ до 9 ℃ (рис. 7, а). Для варианта с наличием панели в помещении температурный режим (рис. 8, а) и структура течения воздуха (рис. 8, б) меняются. В рассматриваемом случае панель располагалась на высоте Y_Tb=755 мм с центром на проекции оси симметрии ГИИ (XTb=6415 мм).

 

Рис. 7. Температурное поле (а) и линии тока (б) в свободном помещении в режиме смешанной конвекции при расходе воздуха 2×10⁻⁴ кг/(с×м³)

Fig. 7. Temperature field (a) and streamlines (b) in a free premise in the mixed convection condition with air flow rate of 2∙10⁻⁴ kg/(s∙m³)

 

Рис. 8. Температурное поле (а) и линии тока (б) в помещении с панелью, расположенной на высоте 755 мм от пола в режиме смешанной конвекции при расходе воздуха 2×10⁻⁴ кг/(с×м³)

Fig. 8. Temperature field (a) and streamlines (b) in a premise with a panel located at a height of 0.755 m from the floor in mixed convection condition with air flow rate of 2∙10⁻⁴ kg/(s∙m³)

 

Наличие даже небольших (размер по координате Х составляет 60 см) элементов оборудования вносит изменение в температурные поля и структуру движения воздуха (рис. 8). Также нагреваясь под действием теплового излучения от ГИИ, горизонтальная панель приводит к повышению температуры на 2,5 ℃ в верхней (Y от 755 до 2000 мм) области локальной рабочей зоны. Горизонтальная панель выполняет роль экрана по отношению к полу, основной тепловой поток приходится на её поверхность, в результате происходит прогрев поверхности панели до 14,5 ℃ (рис. 9, б). Над панелью формируется зона нагретого до 9,2 ℃ воздуха (рис. 8, а), который достаточно интенсивно (со скоростью 25 мм/с) поднимается вверх (рис. 8, б).

Область под панелью практически не испытывает нагрева (рис. 8, а), поскольку тепловое излучение от ГИИ не достигает поверхности пола. Температура в этой зоне увеличивается благодаря притоку нагретых масс из соседних областей (справа и слева), что происходит за счет образовавшихся циркуляционных течений с низкой интенсивностью.

На рис. 9 представлены распределения температур по высоте помещения на оси симметрии зоны влияния ГИИ при наличии панели и без неё, установленные экспериментально и в результате математического моделирования.

Отклонение значений температур, полученных при моделировании и в экспериментах (рис. 11), не превышают 2 ℃, что позволяет сделать вывод о применимости созданной математической модели для дальнейших исследований и оценки влияния различных параметров работы системы воздухообмена и месторасположения оборудования на структуру перемещения воздуха и тепловых потоков в помещении.

 

Рис. 9. Распределение экспериментальных (1) и теоретических (2) значений температуры воздуха по координате Y на оси симметрии зоны влияния ГИИ (τ=60 минут): a) свободное помещение, б) панель (оборудование) расположена на высоте 755 мм от пола

Fig. 9. Distribution of experimental (1) and theoretical (2) air temperature values along the Y coordinate on the GIH symmetry axis (τ=60 minutes): a) premise without a panel, b) premise with a panel (equipment) located at a height of 0.755 m from the floor

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Исходя из требований практики необходим анализ влияния интенсивности притока воздуха из системы воздухообмена на температурные поля и поля скоростей.

Анализ результатов численного моделирования показывает, что к 60-ой минуте со времени начала работы ГИИ в помещении устанавливается квазистационарный режим, который характеризуется медленным изменением температур и скоростей потока воздуха во всей области решения. Момент времени выхода на такой режим и был выбран для всех иллюстраций. Поскольку к основным характеристикам при оценке микроклимата, как в локальной рабочей зоне, так и во всем помещении, относятся температуры и скорости перемещения воздуха [7–10], проводился анализ температурных полей и полей скоростей.

На рис. 10–15 представлены типичные результаты математического моделирования процесса теплопереноса в помещении при работе ГИИ для двух вариантов: работы системы воздухообмена (смешанная конвекция) и в условиях естественной конвекции. Температурные поля и поля скоростей движения воздуха в условиях смешанной конвекции (притока относительно холодного воздуха) показаны при условии расположения в помещении панели на высоте 755 мм от пола (более практически значимый вариант), но при разных расходах воздуха из системы воздухообмена.

Исходные данные для основных вариантов представлены в табл. 2. При наличии в расчетах горизонтальной панели последняя располагалась строго под ГИИ с совпадением осей симметрии. При проведении численного моделирования использовались следующие значения характерных температур: начальная температура в помещении – 7 ℃; температура излучающей поверхности ГИИ – 800 ℃; температура на входе приточной вентиляции – 7 ℃;

 

Таблица 2. Варианты расчетов при наличии (отсутствии) горизонтальной панели в рассматриваемой области и величин массовых расходов воздуха

Table 2. Calculation options with (without) a horizontal panel in the considered area and the values of air mass flow rates

Наличие панели Availability of the panel	Расход воздуха, кг/(с×м³) Air flow, kg/(s×m3)	Номер рисунка Figure number
Панель отсутствует No panel	2×10⁻⁴	7, 9
Панель присутствует Panel available		8, 9
	0	10
	1×10⁻⁴	11, 16–20
	2×10⁻⁴	12, 16–20
	11×10⁻⁴	13, 16–20
	22×10⁻⁴	14, 16–20
	33×10⁻⁴	15–20

 

Рис. 10, 11 характеризуют процесс теплопереноса в помещении при работе ГИИ для двух вариантов: работы системы воздухообмена (смешанная конвекция, рис. 11) и в условиях естественной конвекции (рис. 10). Для оценки влияния термогравитационной и вынужденной конвекции использовано число Ричардсона Ri=Gr/Re2 [10]. Есть определенная проблема в данном случае при выборе масштабных величин для вычисления значений чисел Грасгоффа (Gr) и Рейнольдса (Re). Их анализ проводился с использованием следующих параметров: максимальное значение температурного напора над горизонтальной панелью, ширина помещения и средне-расходная скорость притока воздуха в помещении из системы воздухообмена. Установлено, что при формировании направлений и интенсивности движения воздушных масс при Ri>>1 существенное значение оказывают термогравитационные потоки.

 

Рис. 10. Поле температур (а) и линии тока (б) для области с панелью при высоте её расположения YTb=755 мм в режиме естественной конвекции

Fig. 10. Temperature field (a) and streamlines (b) for the area with a panel at the height of its location Y_Tb=0.755 m under natural convection conditions

 

Рис. 11. Поле температур (а) и линии тока (б) для области с панелью (координаты XTb=1600 мм и Y_Tb=755 мм) в режиме смешанной конвекции при расходе воздуха 1×10⁻⁴ кг/(с×м³)

Fig. 11. Temperature field (a) and streamlines (b) for the area with a panel at the height of its location Y_Tb=0,755 m under mixed convection conditions with air flow rate of 1∙10⁻⁴ kg/(s∙m³)

 

Анализ результатов рис. 10, 11 показывает, что работа системы воздухообмена существенно изменяет температурное поле и направления потоков воздуха. Относительно холодный воздух внешней среды значительно (в среднем на 10 ℃) понижает температуру воздуха в верхней зоне помещения (на уровне Y=4 м, рис. 10, а и 11, а). Но в областях на уровне роста работающего влияние системы воздухообмена незначительно (например, в сечении Х=1 м на высоте Y=2 м значения температур составляют 13,1 и 12,5 ℃). Приток относительно холодного воздуха из системы воздухообмена усиливает циркуляцию воздуха во всем помещении и локальной зоне вблизи панели (рис. 10, б и 11, б).

При малой интенсивности воздухообмена (расход до 2×10⁻⁴ кг/с×м³) более холодный воздух из системы воздухообмена первые 1,5–2,0 м движется с уклоном вниз (рис. 11, 12), постепенно прогреваясь от восходящих потоков. Значительно более сильное влияние термогравитационного воздействия на гидродинамическую картину, чем вынужденной конвекции (потока холодного воздуха), подтверждает оценка числа Ричардсона (Ri=755), определяемого по средне-расходной скорости втекания, максимального перегрева воздуха в районе панели и поперечного характерного размера.

В этом режиме теплообмена при относительно малых расходах (1×10⁻⁴ и 2×10⁻⁴ кг/с×м³) нагретые над ГИИ массы газа удаляются через систему вентиляции, что существенно понижает среднюю температуру помещения, улучшает воздухообмен, но не оказывает заметного влияния на температурный режим локальной рабочей зоны.

На рис. 13 представлены результаты, полученные для расхода воздуха 11×10⁻⁴ кг/(с×м³). Формируется обширный циркуляционный вихрь по всей области исследования (рис. 13). Нагретый воздух из верхних слоев помещения перемещается непосредственно в рабочую зону вблизи панели. В результате температура в сечении Х=1 м при Y=2 м достигает уже 18,9 ℃ (рис. 13, а), что выше основного рассматриваемого в эксперименте варианта (рис. 12, а) на 7,1 ℃.

 

Рис. 12. Поле температур (а) и линии тока (б) для области с панелью (координаты XTb=1600 мм и Y_Tb=755 мм) в режиме смешанной конвекции при расходе воздуха 2×10⁻⁴ кг/(с×м³)

Fig. 12. Temperature field (a) and streamlines (b) for the area with the panel at the height of its location Y_Tb=0.755 m under mixed convection conditions with air flow rate of 2∙10⁻⁴ kg/(s∙m³)

 

Рис. 13. Поле температур (а) и линии тока (б) для области с панелью (координаты XTb=1600 мм и YTb=755 мм) в режиме смешанной конвекции при расходе воздуха 11×10⁻⁴ кг/(с×м³)

Fig. 13. Temperature field (a) and streamlines (b) for the area with the panel at the height of its location Y_Tb=0.755 m under mixed convection conditions with air flow rate of 11∙10⁻⁴ kg/(s∙m³)

 

При расходе 11×10⁻⁴ кг/(с×м³), что соответствует Ri≈7,5, влияние вынужденной конвекции становится превалирующим (рис. 13). Поток относительно холодного воздуха внешней среды формирует развитое циркуляционное течение (рис. 13, б) и понижает общую температуру воздуха, во многом подавляя термогравитационную конвекцию от слабопрогревающихся стен и пола, но увеличивает среднюю температуру в локальной рабочей зоне (рис. 13, а). В этом случае температура над поверхностью оборудования увеличивается до 31 ℃. В рабочей зоне (20 см) слева и справа от панели значения температур также увеличиваются (рис. 13, а), что способствует формированию более комфортных условий работы (микроклимата).

Дальнейшее увеличение расхода воздуха (22×10⁻⁴, 33×10⁻⁴ кг/(с×м³)) не приводит к масштабным изменениям циркуляционных течений в исследуемой области (рис. 14, 15).

Движение в режиме смешанной конвекции воздушных масс, которое главным образом является причиной формирования температурного поля в локальной рабочей области, характеризуется восходящими потоками нагретого воздуха от поверхностей, на которые приходится основная доля лучистых потоков теплоты, и нисходящими потоками менее нагретого воздуха. Кроме того, на эти потоки влияет приток относительно холодного воздуха, который движется по инерции вправо, но под действием гравитации (имея более низкую температуру) и вниз. Этот поток существенно изменяет рециркуляционное движение в области между ГИИ и горизонтальной панелью.

Влияние интенсивности притока воздуха на распределения температуры поверхности горизонтальной панели и температуры воздуха по высоте на оси симметрии ГИИ иллюстрирует рис. 14.

 

Рис. 14. Поле температур (а) и линии тока (б) для области с панелью (координаты XTb=1600 мм и YTb=755 мм) в режиме смешанной конвекции при расходе воздуха 22×10⁻⁴ кг/(с×м³)

Fig. 14. Temperature field (a) and streamlines (b) for the area with the panel at the height of its location Y_Tb=0.755 m under mixed convection condition with air flow rate of 22∙10⁻⁴ kg/(s∙m³)

 

Рис. 15. Поле температур (а) и линии тока (б) для области с панелью (координаты XTb=1600 мм и YTb=755 мм) в режиме смешанной конвекции при расходе воздуха 33⸳10⁻⁴ кг/(с×м³)

Fig. 15. Temperature field (a) and streamlines (b) for the area with the panel at the height of its location Y_Tb=0.755 m under mixed convection condition with air flow rate of 33∙10⁻⁴ kg/(s∙m³)

 

Рис. 16. Распределение температур по координате Y на оси симметрии ГИИ (а) и поверхности панели (б) при YTb=755 мм в режиме естественной (1) и смешанной конвекции при различных расходах воздуха, кг/(с×м³): 2) 1×10⁻⁴, 3) 6×10⁻⁴, 4) 11×10⁻⁴, 5) 22×10⁻⁴, 6) 33×10⁻⁴

Fig. 16. Temperature distribution along the Y coordinate on the GIH symmetry axis (a) and the panel surface (b) at Y_Tb=0.755 m under natural (1) and mixed convection conditions at various air flow rates, kg/(s∙m³): 2) 1×10⁻⁴, 3) 6×10⁻⁴, 4) 11×10⁻⁴, 5) 22×10⁻⁴, 6) 33×10⁻⁴

 

Рис. 17. Распределения температур по координате Y на расстояниях 200 мм от панели слева (а) и справа(б) при Y_Tb=755 мм в режиме естественной (1) и смешанной конвекции при различных расходах воздуха кг/(с×м³): 2) 1×10⁻⁴, 3) 6×10⁻⁴, 4) 11×10⁻⁴, 5) 22×10⁻⁴, 6) 33×10⁻⁴

Fig. 17. Temperature distributions along the Y coordinate at distances of 0.2 m from the panel on the left (a) and right (b) at Y_Tb=0.755 m under natural (1) and mixed convection conditions at various air flow rates, kg/(s∙m³): 2) 1×10⁻⁴, 3) 6×10⁻⁴, 4) 11×10⁻⁴, 5) 22×10⁻⁴, 6) 33×10⁻⁴

 

Изменение режима конвекции оказывает влияние и на теплообмен с горизонтальной панелью, что сопровождается, соответственно, изменением распределения температур над ее поверхностью (рис. 16, б). Анализ результатов, представленных на рис. 14, дает основание для вывода, что до расхода воздуха через приточную вентиляцию в 2×10⁻⁴ кг/(с×м³) охлаждение поверхности панели осуществляется в основном за счет термогравитационной конвекции, которая формирует распределение температур.

При расходах воздуха до 6×10⁻⁴ кг/(с×м³) из системы воздухообмена перепад температуры воздуха по высоте локальной зоны составляет не более 3 ℃ (рис. 17). При увеличении расхода циркуляционного воздуха перепад температур по высоте характеризуется значительным максимумом при Y=1 м, что связано с притоком нагретых масс воздуха в эту область (рис. 13–15), перепад температуры по высоте увеличивается до 11 ℃. В результате поступления нагретого воздуха в локальную зону вблизи панели увеличивается средняя температура воздуха в ней (рис. 18). Скорость движения воздушных масс в локальных областях также увеличивается с ростом расхода воздуха из системы воздухообмена (рис. 19).

Анализ результатов, представленных на рис. 20, а, позволяет сделать вывод о закономерностях изменения средней температуры воздуха в локальных рабочих зонах слева и справа от горизонтальной панели в зависимости от расхода воздуха в системе воздухообмена.

 

Рис. 18. Изменение средней температуры воздуха в локальных зонах (0<Y<2 м) на расстоянии 40 см от панели слева (а) и справа (б) во времени при различных расходах воздуха, кг/(с×м³): 1) 0; 2) 1×10⁻⁴, 3) 6×10⁻⁴, 4) 11×10⁻⁴, 5) 17×10⁻⁴, 6) 22×10⁻⁴, 7) 27×10⁻⁴, 8) 33×10⁻⁴

Fig. 18. Average air temperature in local working air change (0<Y<2 m) at a distance of 0.4 m from the panel on the left (a) and right (b) in time at different air flow rates, kg/(s∙m³): 1) 0, 1) 0; 2) 1×10⁻⁴, 3) 6×10⁻⁴, 4) 11×10⁻⁴, 5) 17×10⁻⁴, 6) 22×10⁻⁴, 7) 27×10⁻⁴, 8) 33×10⁻⁴

 

Рис. 19. Изменение средней скорости воздуха в локальных зонах (0<Y<2 м) на расстоянии 40 см от панели слева (а) и справа (б) во времени, при различных расходах воздуха, кг/(с×м³): 1) 0; 2) 1×10⁻⁴, 3) 6×10⁻⁴, 4) 11×10⁻⁴, 5) 17×10⁻⁴, 6) 22×10⁻⁴, 7) 27×10⁻⁴, 8) 33×10⁻⁴

Fig. 19. Average air velocity in local working air change (0<Y<2 m) at a distance of 0.4 m from the panel on the left (a) and right (b) in time at different air flow rates, kg/(s∙m³): 1) 0; 2) 1×10⁻⁴, 3) 6×10⁻⁴, 4) 11×10⁻⁴, 5) 17×10⁻⁴, 6) 22×10⁻⁴, 7) 27×10⁻⁴, 8) 33×10⁻⁴

Рис. 20. Зависимость средней температуры (а) и скорости (б) воздуха в локальных зонах (0<Y<2 м) на расстоянии 40 см от панели слева (1) и справа (2) в момент времени 60 мин от расхода воздуха

Fig. 20. Dependence of the average temperature (a) and velocity (b) of air on the air flow in local working area (0<Y<2 m) at a distance of 0.4 m from the panel on the left (1) and right (2) at a time of 60 min

 

При повышении расхода воздуха системы воздухообмена увеличивается средняя температура воздуха в локальных рабочих зонах слева и справа от панели. Это связано с тем, что средняя скорость воздуха в исследуемой области увеличивается (рис. 20, б), интенсифицируются циркуляционные течения и нагретый ГИИ в верхней части помещения воздух перемещается вниз, перемешиваясь при этом с менее нагретым, перепад температуры по высоте уменьшается, а средняя температура воздуха в локальной рабочей зоне увеличивается (рис. 20, а). При расходе воздуха через систему вентиляции около 22×10⁻⁴ кг/(с×м³) устанавливается максимально достижимая средняя температура в локальной рабочей зоне (рис. 20, а). В этом случае воздух, нагретый от ГИИ за счет его уноса основным холодным потоком воздуха, выходящего из приточного канала воздухообменной системы, находящийся в верхней части помещения, перемещается непосредственно в рассматриваемую локальную зону (рис. 14). Дальнейшее повышение расхода в системе воздухообмена приводит (рис. 20, а) к уменьшению температуры воздуха в помещении вследствие увеличения притока масс холодного (наружного) воздуха из системы воздухообмена.

Стоит отметить, что скорости движения воздушных масс в области расположения работающего находятся в пределах, установленных EN-16798. На основании анализа результатов (рис. 20) можно сделать обоснованный вывод о возможности влияния на микроклимат локальных рабочих зон путем регулирования расхода системы воздухообмена.

Заключение

По результатам экспериментального и теоретического изучения процессов переноса тепла в локальных рабочих зонах помещения при совместной работе газового инфракрасного излучателя и системы воздухообмена установлено, что режим конвективного теплообмена (естественный, смешанный), возникающего в помещении, оказывает существенное влияние на структуру течений и температурный режим воздушных масс в помещении. Работа системы воздухообмена с расположением в верхней части исследуемой области зон ввода и вывода воздушных масс увеличивает скорость воздуха в помещении, интенсифицируя процесс перемешивания нагретого и холодного воздуха, при этом уменьшая перепад его температуры по высоте помещения.

Приток в зону влияния газового инфракрасного излучателя холодного воздуха при малых и умеренных (до 2·10⁻⁴кг/с×м³) расходах последнего изменяет характер течения воздуха в локальной рабочей зоне. Например, при скорости воздуха 0,08 м/c средняя температура воздуха повышается на 5 градусов (с 12 до 17 ℃) в зоне влияния газового инфракрасного излучателя. При определенном расходе воздуха (22·10⁻⁴кг/с×м³) системы воздухообмена возможно установление максимально достижимой средней температуры воздуха (17 ℃) в локальных зонах, в которых может находится работающий. Такой режим работы системы воздухообмена повышает энергоэффективность использования систем газового инфракрасного излучения в крупногабаритных помещениях для обеспечения регламентного температурного режима в локальной рабочей зоне.

Полученные данные о распределении температур и скоростей воздуха дают возможность оценки влияния интенсивности смешанной конвекции на эффективность функционирования ГИИ при обеспечении нормативных условий микроклимата в рабочей зоне.

 

***

Благодарности: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Научного Фонда (проект № 20-19-00226).

Acknowledgements: This work was supported by the Russian Science Foundation (grant number 20-19-00226).

About the authors

Boris V. Borisov

National Research Tomsk Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: bvborisov@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0002-1172-1431

Dr. Sc., Professor

Russian Federation, 30, Lenin avenue, Tomsk, 634050

Alexander V. Vyatkin

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: avv47@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0003-2238-7974

Postgraduate Student

Russian Federation, 30, Lenin avenue, Tomsk, 634050

Geniy V. Kuznetsov

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: kuznetsovgv@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0002-8244-2894

Dr. Sc., Professor, National Research Tomsk Polytechnic University

Russian Federation, 30, Lenin avenue, Tomsk, 634050

Vyacheslav I. Maksimov

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: elf@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0002-0908-8358

Cand. Sc., Associate Professor

Russian Federation, 30, Lenin avenue, Tomsk, 634050

Tatiana A. Nagornova

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: tania@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0003-1863-4872

Cand. Sc., Associate Professor

Russian Federation, 30, Lenin avenue, Tomsk, 634050

References

Supplementary files