Проектирование систем отопления с излучающими горелками
При размещении ГИГ в системах или установках отопления необходимо выбрать оптимальный вариант, который позволил бы получить требуемую энергетическую облученность при заданной неравномерности облучения ГИГ. Авторы работы [44] решают задачу оптимизации расстояния между осями горелок, расположенных в узлах прямоугольной решетки. Критерием оптимизации служит среднее квадратическое отклонение энергетической облученности поверхности о, характеризующее равномерность распределения лучистой энергии на облучаемой поверхности на расстоянии h от решетки. Задача решается путем математического моделирования эксперимента: последовательно определяются параметры множества решеток, среднее квадратическое отклонение для множества «таблиц интенсивности различных размерностей» и выбирается оптимальная решетка, соответствующая минимальному значению о. В общем виде a=f(d, k, h), где d и k — расстояние между соседними узлами по горизонтали и вертикали соответственно.
С учетом физического смысла задачи принимаем область изменения параметров d и k
Авторы исследуют взаимодействие в любой точке облучаемой поверхности не более чем 16 излучающих горелок. При этом суммарная энергетическая облученность Qitj в точках i, /, расположенных в узлах решетки с размерами d и k,
Задача решалась для конкретных горелок (ГИИВ-1; ГИИВ-2, ГИБл и «Звездочка») при их параллельном расположении над облучаемой поверхностью и расстоянии до нее 0,2—1,5 м.
В работе [48] предлагалось определить расстояние между чашеобразными горелками при условии, что распределение энергетической облученности на тепловоспринимающей поверхности равномерно, если разность между наибольшим фтах и наименьшим Фшш (среди четырех вычисленных) значениями углового коэффициента, отнесенная к наибольшему значению, не превышает заданное число е, т. е.
При этом расчет сводится к выбору шага I между горелками при заданных их числе, радиусе чаши, расстоянии между плоскостью горелок и тепловоспринимающей поверхностью h, для которых выполняется условие (4.34).
Предложенная в работе [48] схема порядового расположения горелок аналогична рассмотренной автором [50], однако метод решения задачи оптимизации размещения излучателей более совершенен, чем в работах [44, 50], так как предложенная математическая модель оптимизации не связана с моделированием физического эксперимента. В работе [48] задача оптимизации решается для горелок, поверхность излучения которых расположена параллельно облучаемой поверхности и имеет форму круга или может быть приравнена к таковой. Так как в практике проектирования систем и установок радиационного отопления чаще всего определяющими параметрами системы служат интенсивность энергетической облученности (теплового потока) и ее неравномерность (последняя задана технологами для промышленных технологических установок или гигиенистами для систем отопления зданий и сооружений), то оптимизация по неравномерности угловых коэффициентов излучения не всегда приемлема. На наш взгляд, наиболее универсальный критерий оптимизации — допустимая или заданная неравномерность облучения.
Математическое моделирование полей облученности и оптимизация размещения горелок прямоугольной формы с плоской поверхностью излучения, расположенных в пространстве произвольно, относительно облучаемых поверхностей (общий случай), стало возможным после решения задачи угловых коэффициентов облученности при произвольном размещении горелок относительно облучаемой поверхности [см формулу (3.17)].
В общем случае можно записать, что энергетическая облученность dQFidf, падающая на элементарную площадку df, зависит от интенсивности излучения Q каждой горелки, их числа в системе и угловых коэффициентов облученности tp,df, т. е.
Выражение (4.36) описывает распределение энергетической облученности по облучаемой поверхности при заданной геометрии системы, которая отображается угловым коэффициентом облученности ф. Как видим, существуют определенные зависимости между теплотехническими характеристиками горелок, геометрией их размещения и энергетической облученностью. Причем при определенном сочетании указанных параметров можно получить необходимую энергетическую облученность поверхности. Достичь абсолютной равномерности ее практически невозможно, поэтому введем понятие «относительная неравномерность облученности» S:
При проектировании систем и установок с ГИГ возникает необходимость определить геометрию их размещения для достижения требуемой энергетической облученности и ее равномерности. Промоделируем распределение поверхностной плотности энергии при однорядном (зонном) и многорядном расположении горелок, что позволит установить оптимальное расстояние между ними, при котором соблюдается заданная неравномерность.
При необходимости равномерного зонного обогрева несколько- горелок располагают в ряд (рис. 4.1,а). На рис. 4.1, а горелка показана только над точкой О в начале координат, а вместо остальных горелок даны их проекции на горизонтальную плоскость.
Если установлены однотипные горелки, то они будут располагаться на одинаковом расстоянии друг от друга, т. е. будут иметь равный шаг. Примем за шаг расстояние между центрами горелок. По конструктивным или техническим причинам могут быть приняты к установке горелки с различными мощностью и геометрией, при этом, естественно, для создания равномерной зоны облучения шаг между ними будет неодинаков.
Такой же подход к оптимизации размещения горелок возможен и при их шахматном расположении.
Выше мы рассмотрели общую теорию создания равномерного (с учетом допустимой неравномерности) поля облучения для одно- и многорядного размещения горелок. В случае, когда они установлены в помещениях конечных размеров, следует учитывать необходимость увеличения поверхностной плотности энергии у теплотеряющих ограждений и в углах помещения. Как уже отмечалось [18, 50], интенсивность облучения полос пола, прилегающих к теплотеряющим ограждениям, и в углах пола, граничащих с этими ограждениями, должна быть на 20—50 % выше, чем на остальной площади пола. Это объясняется большей отдачей теплоты из-за близости холодных поверхностей стен, увеличением тепловых потерь полом у наружных стен и интенсивностью токов холодного воздуха за счет инфильтрации. Выполнить указанное требование можно с учетом коэффициента краевой надбавки [50] или расчетов, удовлетворяющих условиям (4.67), (4.70).
Так как при проектировании размещения горелок тепловая нагрузка системы отопления уже известна, следовательно, известна средняя поверхностная плотность энергии, которая представляет собой произведение отношения тепловой нагрузки к площади обогреваемого помещения на лучистый КПД горелки, то приходится решать обратную задачу. По принятой для установки единичной мощности горелки определяют число их в системе. Задавшись высотой подвеса горелок и зная среднюю поверхностную плотность энергии, можно вычислить шаг между излучателями в поперечном п и продольном т направлениях для центральной зоны, а с учетом заданной неравномерности облучения по краям и в углах — параметры риг.
При проектировании отопления помещений необходимо учитывать его конструктивные особенности (наличие колонн, свободного подферменного пространства и др.), которые влияют на выбор мест установки горелок. Поэтому могут возникнуть случаи, когда шаг между горелками и высота подвеса их определяются конструктивно, тогда такую схему проверяют на удовлетворение условий заданной и допустимой неравномерности облучения.
Изложенные выше теоретические исследования легли в основу создания программы расчета оптимизации размещения горелок, позволяющей решать многообразные задачи проектирования радиационных систем с плоскими горелками прямоугольной формы при использовании как однотипных, так и различных по установочной мощности горелок, произвольно расположенных относительно облучаемой поверхности. В результате расчета определяют суммарную поверхностную плотность энергии в характерных точках облучаемой поверхности, среднюю энергетическую облученность поверхности при соответствующих высоте подвеса горелок и шаге между ними, когда соблюдается заданная неравномерность облучения. Принцип расчета энергетической облученности поверхности бесконечных размеров состоит в том, что выделяют площадку, ограниченную радиусом действия горелки, координаты которой находятся в точке О (рис. 4.4, а). В пределах этой площадки определяют энергетическую облученность в точках О, А, В, С и неравномерность поверхностной плотности энергии при взаимодействии горелки с координатами точки О и с другими горелками, попавшими в зону взаимодействия (плоскость круга с радиусом R).
На основании расчетов, выполненных на ЭВМ, для серийно выпускаемых горелок и блоков, составленных из них (табл. 4.3), построена номограмма (рис. 4.5), дающая возможность определить при заданных шаге между горелками и высоте подвеса их поверхностную плотность энергии Qcp для многорядного расположения их по коридорной схеме при соблюдении неравномерности облучения S=±10 % от Qcp. В расчетах высота подвеса колебалась от 2 до 15 м.
