10694

141

Рис. 1. Принципиальная схема системы контроля горения

Для реализации способа устанавливают датчик, предназначенный для восприятия сигнала от пламени, в верхней части стенки топочной камеры вблизи выхода из топки. Датчик соединен с фотоприемником, преобразующим излучение факела в электрический сигнал, пропорциональный амплитуде излучения факела. Для этой цели может использоваться любой известный приемник излучения, предназначенный для работы в выбранном диапазоне, например фоторезистор, фотодиод и пр. Между датчиком и фотоприемником установлен фильтр , с помощью которого выделяют выбранный диапазон длин волн от 0,4 до 1,2 мкм. В качестве такого фильтра может использоваться, например, дифракционная решетка. Сигнал от фотоприемника через электронный блок 6, служащий для усиления сигнала, передается на ЭВМ.

При реализации способа датчик воспринимает излучение пламени в топочной камере. Затем излучение через фильтр передается на фотоприемник, где происходит преобразование теплового излучения пламени в электрический сигнал. Затем сигнал усиливается и обрабатывается в электронном блоке и подается для дальнейшей обработки на ЭВМ.

142

Следует отметить, что диапазон измерения относительно широк, и в этом диапазоне, кроме выбранного для анализа сигнала излучения частиц сажи, другие сигналы практически отсутствуют. Поэтому способ обеспечивает стабильный контроль горения без сканирования по спектру и какой-либо дополнительной настройки. Это также позволяет упростить используемое оборудование и методику.

Эксперименты показывают, что кривая излучения паров воды имеет максимумы на длинах волн 1,38, 1,87 и 2,7 мкм. Кривая излучения экранов топки имеет максимум в диапазоне от 3,8 до 5,1 мкм. Кривая излучения сажи имеет максимум излучения в диапазоне от 1,3 до 2,5 мкм. Очевидно, что в диапазоне длин волн от 1,2 до 6,3 мкм некоторые спектральные линии и излучение сажи будут накладываться друг на друга, затрудняя спектральные исследования продуктов сгорания. Как показывает практика, заметные помехи создает и фон, образуемый излучением топочных экранов. В выбранном же в соответствии с предлагаемым способом диапазоне излучения от 0,4 до 1,2 мкм интенсивность излучения сажи относительно велика, а излучение других продуктов сгорания практически отсутствуют. Поэтому при появлении даже незначительного количества сажи в спектре появится четко различимый сигнал, по которому судят о режиме горения. Кроме того, из опыта известно, что сажа из всех продуктов сгорания догорает в последнюю очередь, и наличие сажи указывает на нарушение режима горения и обязательное присутствие других продуктов сгорания топлива – оксида углерода, атомарного водорода и пр.

При определении оптимального режима горения необходимо не только подавать в топку достаточное количество кислорода для сжигания данного топлива при данной температуре, но и предотвращать подачу избыточного количества воздуха (кислорода), который в этом случае будет непроизводительно нагреваться и выбрасываться в атмосферу. Для этого целесообразно при реализации способа использовать несколько датчиков, установленных в топке на разной высоте. В этом случае предварительно опытным путем определяют границу топочной камеры, где сажа, а значит, и другие продукты сгорания, должны догореть полностью, и, в случае наличия сажи на определенной опытным путем высоте, вносят изменения в режим подачи топлива и воздуха в топочную камеру.

Предлагаемый способ при относительной простоте используемого оборудования и методики обеспечивает стабильность работы и достоверность результатов при относительно высокой точности контроля.

Литература

1. Пат. № 2152564 Российская Федерация, МКИ F23N5/00, 2000. Способ контроля горения / Д.Б. Ахмедов, О.Ф. Галич, Ю.Н. Голубев [и др.]; заявл. 02.07.97; опубл. 10.07.00, Бюл. № 36.

143

2.Ахмедов, Р.Б. Технология сжигания горючих газов и жидких топлив / Р.Б. Ахмедов, Л.М. Цирульников. – M.: Недра, 1984. – 238 с.

3.Излучательная способность топочных устройств / А.М. Гурвич, В.В. Митор // Теплоэнергетика. – 1960. – № 11. – С. 66-69.

УДК 697.94: 631

Ю.В. Белова, А.В. Воронкова

Определение требуемого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций производственных сельскохозяйственных зданий

Производственные сельскохозяйственные здания (ПСЗ) различного назначения (животноводческие, птицеводческие, овощекартофелехранилища и пр.) характеризуются наличием постоянно действующих в течение сезона эксплуатации тепло- и влаговыделениями. Как правило, в них по технологии процессов необходимо поддержание сравнительно низкой температуры tв и высокой относительной влажности θв внутреннего воздуха. Следует в обязательном порядке учитывать также сезонность эксплуатации большинства таких зданий. Эти особенности не позволяют рассчитывать теплофизические характеристики наружных ограждений ПСЗ по аналогии с гражданскими и промышленными, как этого требует СНиП [1], из-за больших, до нескольких раз, погрешностей даже при принятии технологически допустимых параметров внутреннего воздуха. Однако, эти факты не нашли отражения в действующих нормах по расчету теплофизических характеристик наружных ограждений ПСЗ.

Относительный уровень энергетической эффективности гражданских и промышленных зданий рекомендуется оценивать показателем тепловой эффективности [2]:

В формуле (1) приняты следующие обозначения: F – полезная площадь здания, м2; Н – высота здания, м; X и Y – длина и ширина здания, м; А, В, С – теплопотери, соответственно, вертикальных ограждающих конструкций размером X и Y в основании и горизонтальных ограждений здания при расчетных температурах tв и tн, Вт/(м2ºС).

Зависимость (1) в неявной форме связывает энергоэффективность гражданских зданий с их объемно-планировочными решениями, т.е. для таких зданий наметился и реализуется в практике проектирования и строительства общий системный подход к обоснованию взаимосвязи архитектурно-планировочных и конструктивных решений с показателями их энергоэффективности. В то же время формула (1) не позволяет выявить количественные показатели энергоемкости конкретных принимаемых решений при проектировании объекта.

144

Для ПСЗ количественное обоснование взаимосвязи архитектурнопланировочных и технологических решений с их теплофизическими характеристиками приводятся в [3]. Особенности данного подхода к нормированию теплового контура таких зданий заключается в следующем. Основной функцией теплового контура гражданских и промышленных зданий является защита и поддержание температурно-влажностных параметров внутренней среды от воздействия извне переменных параметров наружного климата. Для таких зданий сопротивление теплопередаче ограждений Rо принимается не меньше требуемого [1]:

потоком через наружную ограждающую конструкцию.

При наличии в неотапливаемых ПСЗ в холодный период года постоянно действующих биологических тепловыделений от животных, птиц или хранящегося сочного растительного сырья (Qб) теплофизические характеристики наружных ограждений должны обеспечивать такой удельный тепловой поток через них, чтобы предотвратить переохлаждение животных, птиц или хранящейся продукции (ΣQ = 0) при расчетной температуре наружного воздуха в холодный период tн. Приведенная трактовка энергетического баланса здания, имеющего конкретное функциональное назначение, методологически обосновывает принятие за основу нормирования сопротивления теплопередаче наружных

ограждений удельного нормируемого теплового потока qбн :

где F = Fст + Fпокр – площадь наружных стен и покрытия, м2;

m – коэффициент, учитывающий долю потерь теплоты через полы, подземные или обвалованные части зданий: m = 0,03…0,05 для надземных; m = 0,08…0,10 с обваловкой на 0,5 высоты наружных стен; m = 0,25…0,30 для полностью заглубленных или обвалованных зданий.

Явные тепловыделения животных Qбж при их расчетном количестве n в помещении равны [4]:

где qж– явная удельная теплота, выделяемая животным, Вт; k1 – коэффициент на температуру воздуха в помещении; k2 – коэффициент, учитывающий фактическое число животных в помещении; k3 – коэффициент, учитывающий тепловыделения животных в ночное время: для для крупного рогатого скота и свиней k3 = 0,8; для птиц k3 = 0,6.

Количество явной теплоты, выделяемой птицами:

145

где qпт – удельные тепловыделения птиц, Вт/кг; p – масса одной птицы, кг. Явные тепловыделения сочного растительного сырья (СРС) при

где qсрс – явные тепловыделения хранящейся продукции, определяемые по нормам [5], Вт/м2.

Рассмотренный принцип нормирования сопротивления теплопередаче теплового контура по величине qбн не требует находить

значений перепада температур tн tв tт.р и коэффициента теплоотдачи

на внутренних поверхностях наружных ограждений αв, как требует СНиП [1]. Это неоспоримое преимущество предложенного метода нормирования, т.к. в нестационарных условиях тепломассообмена в помещениях ПСЗ добиться необходимой точности определения этих значений не

могут отличаться в диапазоне от 100 до 300 % в одних и тех же климатических условиях. Докажем это на примере. Величина

Погрешность расчета из-за выбора расчетных параметров внутреннего воздуха при формально правильном выборе исходных данных составляет 3,3 / 1,4 = 2,36 раза (136 %), что является недопустимым значением для практики инженерных расчетов.

Точная регламентация коэффициента теплоотдачи αв, входящего в (2), по методике, используемой в строительной теплофизике [6], также затруднена из-за переменных значений температур tв, на внутренних поверхностях наружных ограждений ηв, подвижности воздуха vв, а также из-за увеличения значений αв в локальных зонах конденсации на поверхностях ограждений. Для ПСЗ в связи с наличием сильно разветвленных холодных поверхностей наружных ограждений и практического равенства температуры помещения tп и температуры воздуха tв коэффициент конвективного теплообмена αк следует принимать как для помещений с повышенной относительной влажностью воздуха [7] (соответственно для вертикальных и горизонтальных поверхностей):

к.в 10,9 tв в 1/ 3 ; к.г 13,4 tв в 1/ 3 (8)

Анализ, проведенный в данной статье, позволяет сделать вывод, что нормирование теплотехнических характеристик наружных ограждений ПСЗ по рекомендуемой СНиП [1] формуле (2) не может быть приемлемым как с методической точки зрения, так и по конечной точности инженерных

146

расчетов. В практической инженерной деятельности следует пользоваться формулами (3) и (4), учитывающими особенности формирования параметров микроклимата в неотапливаемых производственных сельскохозяйственных зданиях.

Литература

1.СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника. – 2001.

2.Табунщиков, Ю.А. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий / Ю.А. Табунщиков, М.М. Бродач. – М.: Изд-во АВОК-ПРЕСС, 2002. – 194 с.

3.Бодров, В.И. Нормирование сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций овощекартофелехранилищ/ В.И. Бодров, П.И. Зелинский // Водоснабжение и санитарная техника. – 1987. – № 7. – С. 1920.

4.Бодров, В.И. Микроклимат производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений / В.И. Бодров, М.В. Бодров, Е.Г. Ионычев, М.Н. Кучеренко. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2008 – 623 с.

5.ОНТП 6-86. Общесоюзные нормы технологического проектирования зданий и сооружений для хранения и переработки картофеля и плодоовощной продукции. – М.: Минплодоовощхоз СССР,

1985. – 40 с.

6.Богословский, В.Н. Строительная теплофизика/ В.Н.Богословский

–М.: Высшая школа, 1982. – 415 с.

7.Егиазаров, А.Г. Отопление и вентиляция сельскохозяйственных зданий/ А.Г. Егиазаров, О.Я. Кокорин, Ю.М. Прыгунов. – Киев: Будiвельник, 1976. – 223 с.

УДК 69:624.15

К.П. Бобко, А.А. Маленов

Определение температурного поля и осадки вмещающего нефтепровод грунтового массива на участках с многолетнемерзлыми грунтами программой Tube v.2.0

Современные тенденции развития нефтяной промышленности в России предполагают строительство нефтепроводов в северных районах нашей страны, а именно в вечномерзлых грунтах. Строительство на грунтах, которые оттаивают в летние периоды лишь на незначительную глубину имеет свою специфику, а методы расчета конструкций отличаются от тех, которые применимы к зданиям на грунтах сезонного промерзания.

147

В магистерской диссертации предполагается произвести анализ и расчет поведения грунта в условиях теплового влияния на него сооружений, в частности нефтепровода, проложенного в мерзлом грунте,

атакже:

1)Выявление опасных участков по трассе нефтепровода подверженных образованию термокарстовых явлений.

2) Прогноз тепловой осадки и температурного состояния вмещающего нефтепровод грунтового массива.

3)Определение мероприятий по предотвращению осадки вмещающего нефтепровод грунтового массива.

Наиболее сложная задача прогнозирования осадки решается с помощью программы ―Tube‖ v.2.0 (канд. техн. наук, доцент Горохов Е.Н., канд. техн. наук, доцент Логинов В.И., аспирант Маленов А.А.), которая позволяет учесть осадку грунтового массива по мере его оттаивания. Прогнозная модель включает в себя физико-математическую и численную модели теплопереноса во вмещающем МТ (магистральный трубопровод) грунтовом массиве, а также алгоритм численного – методом конечных разностей – решения задачи в двумерной постановке.

В математической модели вводятся понятия:

1)Дифференциальные уравнения переноса тепла. Процесс кондуктивной теплопередачи, описанный с помощью уравнения Фурье.

2)Краевые условия. Краевые условия (начальные и граничные) должны быть назначены для расчетов полей температуры во вмещающем МТ массиве грунта

3)Начальные условия. Начальное температурное состояние (на начало расчѐтов) принимается по данным натурных наблюдений в термоскважинах по данным геофондов для криолитозоны.

4)Граничные условия в расчетной области. Для расчетов температурных полей и ореолов оттаивания вокруг трубопровода назначается расчетная область вмещающего МТ грунтового массива. Поскольку, в общем случае, грунтовый массив может быть весьма неоднородным, кроме того, верхняя поверхность его может быть не горизонтальной, в расчетную область включаются все четверти полупространства (рис.1).

Осадки учитываются в одномерной постановке по методике СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах». Для проверки точности работы программы производится оценка адекватности методики расчета температурного поля.

148

Рис. 1. Граничные условия в расчетной области вмещающего грунтового массива 1 – вмещающий грунтовый массив; 2 – обратная засыпка; 3 – нефтепровод Граничное условие III рода (при наличии теплоизоляции)

Граничное условие первого рода (теплоизоляция отсутствует)

Оценка ведется для участков, оборудованных термоскважинами. Оценка адекватности производится путем сравнения результатов расчета для каждого участка при помощи программного модуля Tube V 2.0 и результатами термозамеров на тех же участках. всего на участке 900 км установлено 20 термоскважин. Проверка производится путем сравнения распределения температуры во вмещающем трубопровод грунтовом массиве для предельного его температурного состояния (при t=∞) с использованием численного и аналогового методов моделирования и надо произвести сравнение результатов. Аналоговый метод моделирования производится на приборе ЭТА.

Аналогично принципу работы программы Tube v.2.0 в методе ЭТА вводятся граничные условия. На поверхности грунтового массива заданы граничные условия 1 рода – неизменная во времени (среднегодовая) температура на поверхности почвы н= -1,4°С. На внешней поверхности трубопровода задано граничное условие 1 рода – неизменная во времени (среднегодовая) температура нефти – в= +1,5 °С (рис 2).

150

Численный метод моделирования производится с использованием программы Tube v. 2.0. Ввиду того, что определение температурного состояния вмещающего МТ грунтового массива при использовании программы Tube v. 2.0 производится c учетом временного фактора (уравнение Фурье), для получения этим методом решения, аналогичного решению уравнения Лапласа, требуется выполнение условия по времени расчета t=∞. Для соблюдения этого условия расчет производился следующим образом:

Выбирался произвольный интервал времени (t=100 лет) и на этом интервале производился расчет, после чего сравнивались температурные поля на начало и конец данного интервала. Если по результатам сравнения наблюдались смещения изотерм на величину, большую, чем минимальный шаг сетки, расчетный интервал увеличивался в два раза, после чего расчет продолжался. Таким образом, длительность интервала времени для расчета (до момента стабилизации температурного поля во вмещающем МТ грунтовом массиве) составила 25600 лет. Результаты решения задачи представлены на рис. 4.

Рис. 4. Результаты решения температурной задачи на 25600 год от начала расчета с использованием программы Tube v.2.0

При сравнении результатов решения задачи за эталон принималось решение методом ЭТА. Сравнение производится путем сопоставления ряда точек с вычислением среднеквадратичного значения абсолютной погрешности. Сравнение методик показывает, что численный метод определения температуры вмещающего грунтового массива, реализованный в программе Tube v.2.0, может использоваться при расчетах с абсолютной погрешностью до 0,1 С.