close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

207.Тульская С.Г.Формирование параметров микроклимата

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ТУЛЬСКАЯ СВЕТЛАНА ГЕННАДЬЕВНА
ФОРМИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА
В ПОМЕЩЕНИЯХ РЕСТОРАННЫХ КОМПЛЕКСОВ
Специальность 05.23.03 – Теплоснабжение, вентиляция,
кондиционирование воздуха, газоснабжение
и освещение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Воронеж – 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно–строительный университет».
Научный руководитель:
Сотникова Ольга Анатольевна
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Попов Виктор Михайлович
доктор технических наук, профессор, Воронежская государственная лесотехническая академия, кафедра электротехники, теплотехники
и гидравлики, профессор кафедры
Семичева Наталья Евгеньевна
кандидат технических наук, Юго–Западный
государственный университет, кафедра теплогазоснабжения и вентиляции, доцент кафедры
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и
строительства»
Защита диссертации состоится «28» ноября 2013 года в 13 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном
архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20летия Октября, д. 84, корпус 3, ауд. 3220; тел./факс: +7(473)271-53-21.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Автореферат размещён на
официальном сайте Минобрнауки РФ и на официальном сайте Воронежского
ГАСУ.
Автореферат разослан « 24 » октября 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Колосов А.И.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Обеспечение условий комфортного микроклимата в
помещениях ресторанных комплексов является важной и актуальной задачей. От
ее решения зависит самочувствие посетителей, работоспособность обслуживающего персонала и качество производимой им продукции.
С одной стороны, современный ресторан представляет собой сложный тип
предприятия, в котором совмещают функции производства продукции и обслуживания посетителей. В этой связи помещения в ресторанных комплексах подразделяют по назначению на:
– производственные – это горячий цех и помещения, непосредственно связанные с приготовлением пищи (производственные цехи, складские, административно–бытовые и технические);
– непроизводственные – это обеденные залы и другие помещения, наличие
которых обусловлено функцией обслуживания посетителей (вестибюли, обеденные залы, холлы и пр.).
С другой стороны, ресторанные комплексы – это объекты капитального
строительства, представляющие собой совокупность разнородных активных и
пассивных элементов: вентиляционно-отопительной техники, наружных ограждающих конструкций, воздушной среды внутреннего воздуха в помещениях,
оборудования технологических линий производства продукции, средств производства, посетителей и обслуживающего персонала и т.п.
Применяемые в настоящее время нормативные методики теплотехнических расчетов и проектирования систем теплового и экологического комфорта в
помещениях ресторанных комплексов основаны, главным образом, на использовании осредненных или укрупненных значений расчетных величин, справедливых для установившихся или существенно упрощенных режимов работы. Реальные же процессы переноса, являясь нестационарными во времени и переменными в пространстве, зависят от целого ряда влияющих факторов и параметров.
Значительное количество параметров, обуславливающих формирование микроклимата ресторанов, определяет сложность и системность поставленной в данной диссертации задачи. Поэтому совершенствование методов расчета оптимальных параметров микроклимата в ресторанных комплексах с целью создания
комфортных тепловых условий для посетителей и работников является актуальной задачей.
Настоящая работа выполнялась в рамках научно–исследовательской работы «Разработка систем теплогазоснабжения с целью экономии топливноэнергетических ресурсов и защиты окружающей среды от тепловых и вредных
выбросов энергетических установок».
Целью работы является формирование требуемых параметров микроклимата в помещениях ресторанных комплексов с целью создания теплового комфорта.
Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:
3
1. Анализ составляющих процессов тепломассообмена в помещениях ресторанных комплексов и оценка их влияния на формирование параметров теплового
комфортного микроклимата.
2. Моделирование процессов интенсивности конвективного и лучистого теплопереноса в ресторанных помещениях производственного и непроизводственного назначения.
3. Определение особенностей формирования полей температур на внутренних поверхностях остекления ресторанных помещений.
4. Оценка влияния основных схем воздухообмена на формирование зон теплового комфорта и дискомфорта в ресторанных помещениях производственного и
непроизводственного назначения.
5. Разработка и тестирование методики, структурной схемы алгоритма и программного продукта для автоматизации процесса расчета параметров микроклимата
с целью создания зон теплового комфорта в помещениях ресторанных комплексов.
Научная новизна:
- разработана математическая модель формирования параметров микроклимата с целью создания комфорта в ресторанных помещениях, учитывающая нестационарность процессов тепловыделений от оборудования горячих цехов, переменность в пространстве лучистого теплообмена между телом человека и ограждениями, а также влияние скорости и направления вентиляционных потоков на
интенсивность конвективных теплопотерь тела;
- предложены зависимости для определения коэффициента конвективного
теплообмена между человеком и окружающей средой при различных направлениях вентиляционного потока;
- обосновано аналитическое выражение для определения теплообмена излучением между человеком и поверхностями ограждений с учетом его местоположения в помещении ресторанного комплекса;
- обоснована теплофизическая модель основного технологического ресторанного оборудования с учетом цикличности его работы; предложены аналитические зависимости для описания конвективных и лучистых тепловыделений от
нагретых поверхностей оборудования во внутреннюю среду помещений;
- на основе предложенных математических моделей разработаны методики
расчета, структурная схема алгоритма и программное обеспечение параметров
микроклимата в помещениях ресторанных комплексов.
Достоверность полученных результатов обуславливается применением научно–обоснованных методов исследований, использующих фундаментальные законы тепломассообмена и аэродинамики, статистической обработкой полученных
экспериментальных данных, а также согласованностью основных положений
представленной работы с результатами исследований других авторов.
Научная и практическая значимость работы. Предложенная математическая модель позволяет осуществить проектное формирование заданных параметров микроклимата, удовлетворяющих условиям теплового комфорта для помещений ресторанных комплексов. К достоинствам данной модели можно отнести более детальное и точное описание процессов лучистого и конвективного теплообмена.
4
Разработано программное обеспечение для численной реализации предложенной математической модели, выполненное в среде Borland C++ Builder 6.0.
Достоверность результатов теоретических исследований подтверждена проведением серии экспериментов в натурных условиях (ООО «Санаторий им. Ф. Э.
Дзержинского», Воронежская обл., Рамонский р-н, с. Чертовицы) при разработке
проекта повышения комфортности обеденного зала и горячего цеха ресторанного
комплекса. Результаты исследования также применены при обосновании проектных показатели комфортности микроклимата помещения «Фабрика–кухня» в г.
Воронеже (ул. Ленина, д.1).
Результаты исследований внедрены в учебный процесс в Воронежском государственном архитектурно–строительном университете при подготовке бакалавров по направлениям 270800.62 Строительство, 100100.62 Сервис и магистрантов по программам подготовки «Теплогазоснабжение населенных мест и
предприятий», «Сервис инженерных систем гостинично–ресторанных, спортивных и торгово-развлекательных комплексов».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и
обсуждались на VIII Межрегиональной научно-практической конференции «Актуальные вопросы экологии» (Воронеж 2012 г.), Международной студенческой
электронной научной конференции (Москва 2012 г. и 2013 г.), Международной
межвузовской научно–практической конференции молодых учёных, аспирантов и
докторантов «Строительство–формирование среды жизнедеятельности» (Москва
2013 г.), Фестивале науки Воронежского ГАСУ (2013 г.). Кроме того, результаты
исследования ежегодно докладывались и обсуждались на научно–технических
конференциях профессорско–преподавательского состава Воронежского ГАСУ
(2010-2013 гг.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 научных работ, общим объемом 120 страниц, из которых лично автору принадлежит 90
страниц, в том числе три работы – в изданиях, рекомендованных ВАК: «Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура», «Экология и промышленность России».
В статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК, изложены
основные результаты диссертации: в работах [1, 2] предложен метод определения требуемого воздухообмена для помещений ресторанных комплексов, а также рассматриваются вопросы выделения вредностей в помещении ресторанных
комплексов, методы их удаления и создания требуемого микроклимата для персонала и посетителей; в работе [3] приведены результаты моделирования процесса тепловыделений в горячем цехе ресторанного комплекса при влажностнотепловой обработке продукции, позволяющие вычислить общее количество тепловой энергии, поступающей в помещение в течение всего цикла работы.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованных источников из 127 наименований и трех приложений. Диссертация изложена на 226 страницах основного
машинописного текста (в том числе текст приложений на 31 стр.) и содержит 69
рисунков и 20 таблиц.
5
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение. Обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы и
задачи исследований, указаны объекты и предметы анализа, научная новизна диссертации и положения, представляемые на защиту, практическая ценность и апробация полученных результатов, структура диссертации.
Первая глава. Основные положения создания теплового комфорта в помещениях изложены в трудах известных российских и зарубежных учёных: Андреевского А. К., Банхиди Л., Богословского В. Н., Бродач М. М., Витте Н. К., Гримитлина М. И., Данилюка А. М., Ерёмкина А. И., Кондратьева Г. М., Кувшинова
Ю. Я., Ливчака И. Ф., Лукова А. В., Мухина В. В., Сенатова И. Г., Сканави А. Н.,
Соколова Е. Я., Табунщикова Ю. А., Умнякова П. Н., Фангера О., Федоровича Г. В.,
Флавицкого И. И. Холщевникова В. В., Bedford Th., Rabler B., Hartman T. и др.
Выполнен комплексный анализ составляющих процессов тепломассообмена, определяющих условия теплового комфорта в помещениях ресторанного комплекса. Показано, что значимое влияние на формирование зон теплового комфорта и дискомфорта оказывают (рис. 1): средняя результативная температура в помещении, относительная влажность воздуха и скорость его движения (подвижность).
Температура внутреннего
воздуха
СОСТАВЛЯЮЩИЕ
ПАРАМЕТРОВ
ТЕПЛОВОГО КОМФОРТА
Скорость движения
воздуха
Средняя результативная температура
в помещении
Относительная влажность
воздуха
Температура ограждающих
поверхностей
Интенсивность теплового
облучения на рабочих местах
Рис. 1. Составляющие параметров теплового комфорта
В исследованиях О. Фангера, Л. Бахинди, В.В. Холщевникова, А.В. Лукова
и И.И. Флавицкого отмечалось, что температура, ощущаемая человеком, зависит
не только от показания сухого термометра, относительной влажности и скорости
движения воздуха, но и от теплового излучения окружающих поверхностей ограждений, приборов отопления и открытых источников огня. В качестве обобщенного температурного показателя в расчетах теплового комфорта обосновано применение средней результативной температуры в помещении t р .п . Она вычисляется
как среднее значение между температурой воздуха в помещении и осредненной
радиационной температурой внутренних поверхностей ограждений. Последняя, в
свою очередь, зависит от теплового излучения, создаваемого работающим теплотехнологическим оборудованием влажностно–тепловой обработки продуктов, тепловыделений отопительными приборами, теплопоступлений за счет солнечной
радиации, от осветительных приборов и др.
Таким образом, в процессе анализа установлено:
1. Реальные процессы тепломассопереноса в помещениях ресторанных комплексов являются переменными в пространстве и нестационарными.
2. Существенное влияние на формирование комфортного микроклимата в
помещении оказывает организация воздушных потоков, что определяется, с од6
ной стороны, принятой схемой воздухообмена, с другой стороны – принципами
размещения рабочих мест, теплотехнологического оборудования и др.
3. Формирование зон теплового комфорта и дискомфорта зависит от принятой схемы воздухообмена «сверху–вниз» (перемешивающая вентиляция) или
«снизу–вверх» (вытесняющая вентиляция). В этой связи рассмотрена возможность и условия применения новых конструктивных решений климатизации обеденных залов и горячих цехов ресторанного комплекса.
4. Сложное и взаимосвязанное влияние метеорологических факторов на человеческий организм и разнообразные проявления его ответных реакций требуют
их комплексного описания. В настоящее время отсутствует методика комплексного расчета составляющих параметров теплового комфорта в ресторанных комплексах, позволяющая осуществить системный подход к вопросу прогнозирования комфортных условий, так как известные подходы к решению либо основаны
на использовании укрупненных значений, либо рассмотрены упрощенно и только
для стационарных режимов.
Итогом первой главы является обоснование и формулирование задач работы.
Вторая глава. Рассматривается уравнение теплового баланса для организма
за некоторый период времени
(1)
Qч = Qч. л + Qч.к + Qч.и + Qч.д ,
где Qч – количество теплоты, которую вырабатывает человеческий организм, Вт; Qч. л –
количество теплоты, теряемое человеком излучением, Вт; Qч.к – количество теплоты, теряемое человеком конвекцией, Вт; Qч.и – количество теплоты, теряемое человеком испарением влаги с кожного покрова, Вт; Qч.д – количество теплоты, теряемое человеком при
дыхании, Вт.
Условия достижения комфортных теплоощущений человека формулируются следующим образом:
1. При соблюдении равенства (1) формируются параметры теплового комфорта.
2. При выполнении неравенства
(2)
Qч > (Qч. л + Qч.к + Qч.и + Qч.д ) ,
тепловой комфорт не достигается, так как организм перегревается (человеческий
организм отдает в окружающую среду меньше теплоты, чем вырабатывает).
3. При выполнении неравенства
(3)
Qч < (Qч. л + Qч.к + Qч.и + Qч.д ) ,
тепловой комфорт также не достигается, так как организм переохлаждается (человеческий организм отдает в окружающую среду больше теплоты, чем вырабатывает).
Лучистый теплообмен. Интенсивность лучистого теплообмена поверхности
тела человека с внутренней поверхностью i–того ограждения может быть определена по формуле:
Qч. л.i = С
/
ч .огрi
 τ + 273  4  τ в.п + 273  4 
  ϕ ч.огр.i ,
 ч
 −  i
 100   100  
7
(4)
где Сч/.огр. – приведенный коэффициент излучения, Вт/(м2·К4); ϕ ч.огр. i – угловой коэффициент излучения поверхности тела человека на внутреннюю поверхность ограждения;
0
τ в.п. i – температура на внутренней поверхности ограждения помещения, С; τ ч – температура внешней поверхности одежды человека, 0С.
i
Известные методы расчета, предложенные в работах В. Н. Богословского,
О. Фангера, И.И. Шаркаускаса и др., имеют ограниченный характер практического применения, поскольку позволяют определить значения углового коэффициента излучения для человека, либо неподвижно стоящего в центре помещения, либо
передвигающегося только по его центральной оси. Однако такое местоположение
не является характерным ни для работников горячих цехов, ни для посетителей
обеденного зала ресторанного комплекса.
Для более детального описания лучистого теплообмена между телом человека и внутренними поверхностями ограждений проведены теоретические исследования, которые позволили получить новое аналитическое выражение для углового коэффициента излучения открытых участков поверхности тела человека ϕч.огр
ϕ ч.огр =
+
[
(B − y1 ) 2
π

∫0  2 (B − y )2 + (Z − Z )2
1
2
1

1
l B.O. − x1
Z2
[
2 (B − y1 ) + (Z 2 − Z 1 )
2
2
] (B − y )
2
1
2 Z
(
B − y1 ) 
−
]{[(B − y )
1
+ (Z 2 − Z 1 )
2
2
π
+
[
∫  2[(B − y ) + (Z
2
0
1
− Z1 )
2
2
2
2
] (B − y )
1
2
]
+ (Z 2 − Z 1 ) + (l B .O. − x1 )
2
l B.O. − x1
(B − y1 )2 + (Z 2 − Z1 )2
2
}+

 dr2 −

− x1
+
(B − y1 )2 + (Z 2 − Z1 )2 + x12
] {[
1
2 (B − y1 ) + (Z 2 − Z 1 )
arctg
2
+ (Z 2 − Z1 )
2
arctg
] }
− x1
(B − y1 )2 + (Z 2 − Z1 )2

dr2 .

(5)
где y1 – аргумент; l в.о. – размеры ограждения; Z ч – высота человека; (В – у1) – перемещение человека в глубь помещения; x1 – перемещение человека от центральной оси помещения параллельно ограждению.
Полученное аналитическое выражение позволяет учесть, в отличие от известных методик, любое возможное местоположение человека в помещении ресторанного комплекса.
Конвективный теплообмен. Для разработки методики расчета конвективного теплообмена человека в одежде с воздушной средой помещения тело человека
рассмотрено как система с внутренним источником теплоты. Проанализированы
известные расчетные теплофизические модели теплоотдачи от цилиндра и эллипса, омываемых поперечным потоком воздуха. Теплоотдача по периметру тела человека определена как средняя из значений, соответствующих лобовой и кормовой зонам (рис. 2).
а)
б)
в)
Рис. 2. Расчетные схемы обтекания потоком воздуха эллипса (а, б)
и цилиндра (в) с отрывом пограничного слоя
8
Для расчета средней теплоотдачи по периметру тела человека обоснована
возможность применения следующих критериальных уравнений:
– при Re < 1000
Nu ж = 0,5 ⋅ Re 0ж,5 ⋅ Prж0 ,36 ⋅ (Prж / Prс )
0 , 25
,
(6)
– при Re = 1000… 20000
Nu ж = 0,25 ⋅ Re 0ж,5 ⋅ Prж0, 36 ⋅ (Prж / Prс )
0 , 25
,
(7)
где Re – критерий Рейнольдса; Pr – критерий Прандтля; (Prж / Prc )0, 25 – поправка, учитывающая теплофизические свойства теплоносителя и их зависимость от температуры.
После соответствующих преобразований и упрощений получено аналитическое выражение для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией поверхности тела человека, справедливое при Re = 1000… 20000 и угле атаки, образуемом направлением потока воздуха с осью человеческого тела, равном 900 (рисунок 3а).
α ч .к
W
= 0,38λ воз.  B
 νв



0,6
 π

L
 внут




0, 4
,
(8)
где Wв – скорость движения воздуха, м/с; Lвнут – периметр тела человека, м; ν в – кинематическая вязкость воздуха, м2/с; λвоз. – коэффициент теплопроводности воздуха,
Вт/(м·0С).
Однако на практике угол обдува тела человека потоками вентиляционного воздуха чаще всего отличен от 900 (см. рис. 3б и 3в). Это утверждение справедливо как для
схем перемешивающей вентиляции, так и для схем вытесняющей вентиляции.
Рис. 3. Условия обдувания воздухом человека в помещении:
а) угол атаки
φ = 900;
б) угол атаки
φ = 450;
в) угол атаки
φ = 300
При углах атаки, меньших 900, теплоотдача уменьшается. Снижение интенсивности теплоотдачи в таких случаях может быть учтено коэффициентом ε ф :
εф =
α ч .к .ф
,
α ф=90
(9)
здесь α ч.к.ф – фактическое значение коэффициента теплоотдачи конвекцией при
углах атаки, меньших 900 . Выразив α ч.к.ф , получаем:
α ч.к .ф. = α ф =90 ⋅ (1 − 0,54 ⋅ cos 2 ϕ ) .
(10)
Коэффициент теплоотдачи конвекцией с поверхности тела человека для угла атаки в интервале 300 … 900 при Re = 1000… 20000 будет:
9
α ч.к.ф. = 0,38λвоз. (1 − 0,54 cos ϕ )
2
WB0, 6π 0, 4
,4
ν в 0, 6 L0внут
.
(11)
В качестве определяющей температуры в предложенных зависимостях выступает результативная температура внутреннего воздуха помещения, а в качестве определяющего размера – высота тела человека.
Теплота, выделяемая человеком при дыхании, рассчитывалась по стандартным методикам.
Теплообмен за счет испарения влаги с кожного покрова. Расчет теплообмена предлагается осуществлять по известным методикам, с учетом теплоизоляционных свойств комплекта форменной одежды работника во внутреннюю среду
горячего цеха ресторана. Нами определен перечень составляющих форменного
комплекта одежды работника горячего цеха, оценены их теплофизические свойства, влагопроницание материалов (тканей), из которых изготовлен комплект. С
учетом этих характеристик определено сопротивление переноса теплоты и влаги с
поверхности тела человека во внешнюю среду. Теплоизоляция комплекта одежды
рассчитана как термическое сопротивление многослойной стенки, состоящей из
слоев материалов одежды, воздушных прослоек между ними и пограничного слоя
воздуха, прилегающего к наружной поверхности одежды.
В том случае, когда для изготовления одежды используются паропроницаемые материалы, расчет потерь теплоты испарением с поверхности тела человека
(с открытых участков кожи) может быть осуществлен по формуле (12):
(12)
Qч.и = 8,816 + 0,390 ⋅ q M − q ИСП . ДЫХ ⋅ Fч ,
где Fч – площадь поверхности открытых участков кожи человека, м2; q ИСП . ДЫХ – теплопотери испарением влаги при дыхании, Вт/м2.
Третья глава. Изучение современного состояния теории процессов формирования микроклимата отапливаемых помещений показало, что в рассмотренных
работах имеет место исследование процессов переноса только в воздушном объеме помещения или в отдельно взятом ограждении. Это не позволяет достоверно
оценить тепловой режим светопрозрачных конструкций (остеклений), особенно
значительной высоты (в частности, панорамного остекления, которое в последнее
время наиболее часто используется при сооружении ресторанных комплексов).
Известны исследования, выполненные в Белорусском национальном техническом
университете Захаревичем А. Э., имеющие своей целью сопоставление полей параметров микроклимата в отапливаемых помещениях, однако, условия и возможность их применения нуждаются в дополнительной экспериментальной проверке.
В данной главе приведены результаты выполненных нами комплексных
экспериментальных исследований температурных полей вблизи внутренних поверхностей остекления помещений, при работе различных отопительных приборов (или при их полном отключении). Была проведена серия теплотехнических
испытаний в обеденном зале и горячем цехе существующего ресторанного комплекса, расположенного на территории Санатория им. Ф. Э. Дзержинского (Воронежская область, Рамонский р-н, с. Чертовицы). В обеденном зале установлено
панорамное остекление (h =4,5 м) и под ним внутрипольные конвекторы, в горячем цехе – стандартные окна (h =1,5 м) и подоконные биметаллические радиаторы.
10
Экспериментальные испытания были проведены в помещении с двумя типами оконных блоков: с двойным остеклением (однокамерный стеклопакет) в
пластиковых переплетах и с тройным остеклением (двухкамерный стеклопакет) в
пластиковых переплетах. Характер распределения температур в зоне светового
проема на расстоянии 80 см от внутренней поверхности двойного и тройного
остекления определялся по шести температурным сечениям. Измерения производились на внутренней и наружной поверхности остекления, а также на расстоянии
10; 20; 40; 60; 80 см от внутренней поверхности остекления (рис. 4 и 5).
Рис. 4. Схема расположения точек замера температуры на поверхности остекления и в зоне окна
в горячем цехе:1 – керамзитобетонная панель; 2 – световой проем с двойным стеклопакетом;
3 – световой проем с тройным стеклопакетом; 4 – железобетонная плита; 5 – утеплитель;
6 – плитка; 7 – покрытие; 8 – отопительный прибор (биметаллический радиатор)
8
Рис. 5. Схема расположения точек замера температуры на поверхности панорамного остекления и в
зоне окна в обеденном зале: 1 – керамзитобетонная панель; 2 – панорамное остекление с двойным
стеклопакетом; 3 – панорамное остекление с тройным стеклопакетом; 4 – железобетонная плита;
5 – плитка; 6 – утеплитель; 7 – покрытие; 8 – отопительный прибор (внутрипольный конвектор)
– однокамерный стеклопакет
– двухкамерный стеклопакет
11
Теплотехнические испытания проводили в обеденном зале и горячем производственном цехе при внутренних t р .п и наружных t н температурах. В процессе
проведения этих серий испытаний температура t н оставалась неизменной. Отмечено: в средней и верхней частях светового проема значение температуры поверхности остекления заметно повышалось; температура на внутренней поверхности двухкамерного стеклопакета была значительно выше, чем на поверхности
однокамерного стеклопакета. Выполненные экспериментальные исследования
оконных конструкций с включенным и выключенным отопительным прибором
показали, что температурный режим определяется, главным образом, действием
неизотермических восходящих струй.
В исследованиях, выполненных Захаревичем А. Э., были математически
смоделированы особенности распределения температуры на внутренней поверхности светопрозрачных ограждений в отапливаемых помещениях с установкой
различных отопительных приборов (рис. 6 и 7). Сопоставление наших экспериментальных данных с результатами, полученными в ходе расчетов по модели Захаревича А. Э., показало, что отклонение экспериментальных данных от расчетных незначительно и составляет не более, чем 1,4 0C (14–16 %), а среднее значение температуры воздуха в помещении различается не более, чем на 0,3 0C (2,5–3,5 %).
Рис. 7. Отопительный прибор – радиатор
Рис. 6. Отопительный прибор – конвектор
Таким образом, сделан вывод о возможности применения математической
модели, предложенной Захаревичем А. Э., для соответствующих расчетов полей
температур вблизи наружных остеклений, в том числе панорамных.
Кроме того, результаты наших экспериментальных исследований показали,
что при размещении конвекторов внизу панорамного остекления (двухкамерный
стеклопакет) происходит существенное снижение температуры поверхности в его
нижней части, связанное с нисходящими по всей высоте остекления струями охлажденного воздуха. В итоге наблюдалось выпадение конденсата, а в ряде случаев – обмерзание внутренних поверхностей панорамного остекления. Увеличение
сопротивления теплопередаче за счет установки двухкамерного стеклопакета обеспечило повышение температуры в соответствующих точках остекления в среднем
на 4,8 0С при разности температур внутреннего и наружного воздуха 43,8 0С.
Четвертая глава. Как упоминалось выше (см. рис. 1), одним из трех определяющих параметров теплового комфорта является осредненная результативная
температура, которая определяется из балансовых расчетов теплопоступлений и
теплопотерь помещения.
12
Применительно к ресторанным комплексам особый научный интерес представляет расчет теплопоступлений от оборудования влажностно–тепловой обработки продуктов в горячих цехах ресторана Qтех.обор . Рекомендуемые ранее методы
расчета основаны на укрупненных показателях и не учитывают технологическую
переменность режимов работы оборудования. Для возможности выполнения более точных вычислений необходима разработка теплофизической модели оборудования отдельно для каждого этапа его работы, с целью определения общего количества теплоты, выделяемого оборудованием за весь технологический цикл обработки продуктов.
Математическое описание пространственного температурного поля оборудования будет иметь вид: t = t ( x, y, z ,τ ) , где x – координата, меняющаяся в направлении от оборудования вглубь помещения, м; y – координата, меняющаяся в направлении вдоль самого оборудования, м; z – координата, меняющаяся в вертикальном направлении помещения, м; τ – время, с.
Для описания нестационарного температурного поля в общем виде применимо дифференциальное уравнение теплопроводности:
∂  ∂t  ∂  ∂t  ∂  ∂t 
∂t
=0,
 λ x  +  λ y  +  λ z  + q ( x, y, z,τ ) − cρ
∂x  ∂x  ∂y  ∂y  ∂z  ∂z 
∂τ
(13)
где q ( x, y , z ,τ ) – функция распределения источников теплоты внутри оборудования и изменения их тепловой мощности во времени; с – удельная теплоемкость, Вт/(кг·0С); ρ –
плотность, кг/м3; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К).
Поскольку поверхности теплотехнологического оборудования для влажностно–тепловой обработки продуктов в ресторанных комплексах изготавливают, в
основном, из нержевеющей стали, алюминия или чугуна, они представляют собой
анизотропные тела, то есть λ x = λ y = λ z . Теплофизические коэффициенты в пределах рабочего диапазона температур примем постоянными и не зависящими от
температуры и от времени. Тогда уравнение примет вид:
∂ 2 t ∂ 2 y ∂ 2 t qν cρ ∂t
+
−
⋅
+
=0,
+
λ ∂τ
∂x 2 ∂y 2 ∂z 2 λ
(14)
где qv – удельная тепловая мощность источника (количество теплоты, выделяемое в
единице объёма вещества в единицу времени).
Большинство работ, связанных с данной проблемой, решают прямую поставленную задачу о нахождении функции распределения температуры на рабочей поверхности теплотехнологического оборудования. В нашем случае для нахождения пространственного температурного поля, создаваемого поверхностями
теплотехнологического ресторанного оборудования, необходимо решить обратную задачу. При этом формулируются граничные условия третьего рода, когда на
рабочих поверхностях оборудования происходит теплообмен с окружающей средой, температура которой t определяется по следующему закону
р .п .
λ
∂t (x n , y n , z n ,τ )
+ α t ( x n , y n , z n , τ ) − t р . п. = 0 ,
∂n тепл.обор .
[
13
]
(15)
где nтепл.обор. – нормаль к соответствующей поверхности теплотехнологического оборудования.
Таким образом, искомой функцией в данной главе являлась функция вида
α [t ( x, y, z,τ )], и задача была сведена к разработке такой модели оборудования, которая позволила бы рассчитать поэтапно коэффициенты конвективного теплообмена α к , лучистого теплообмена α л и суммарного α = α к + α л .
Для дальнейшего исследования в качестве одного из наиболее характерных
элементов теплотехнологического оборудования влажностно–тепловой обработки
продуктов в ресторанных комплексах был выбран основной тип оборудования
марки СЭСМ–02 (сковорода электрическая секционная модулированная).
Цикл влажностно–тепловой обработки продуктов представлен состоящим
из пяти этапов, характеризующихся различной температурой и взаимным расположением отдельных конструктивных частей оборудования (см. таблицу).
Таблица
Циклограмма работы теплотехнологического оборудования
Время от начала цикла, с
Цикл влажностно-тепловой обработки продуктов
120
600
1200
120
900
Оборудование открыто, на нижнюю часть рабочей поверхности
укладывается продукт
Оборудование закрыто, идет процесс влажностно–тепловой обработки продуктов
Оборудование закрыто, идет процесс приготовления
Оборудование открыто, извлекается продукт
Оборудование открыто
Общее количество теплоты, поступающее от теплотехнологического оборудования во внутреннюю среду горячего цеха за весь цикл влажностно–тепловой
обработки продуктов, представлено в виде суммы интегралов на отдельных его
этапах:
Qтех.обор. = ∫
F
+∫
F
+∫
F
τ1
∫ α 1 [τ , F ] ⋅ (t n [τ , F ] − t р.п )∂τ∂F + ∫
0
F
τ3
∫ α 3 [τ , F ] ⋅ (t n [F ] − t р.п )∂τ∂F + ∫
τ2
F
τ2
∫ α [τ , F ] ⋅ (t [F ] − t )∂τ∂F +
2
n
τ4
∫ α [τ , F ] ⋅ (t [F ] − t )∂τ∂F +
τ
4
р . п.
τ1
n
(16)
р.п
3
τ5
∫ α [τ , F ] ⋅ (t [F ] − t )∂τ∂F ,
5
n
р.п
τ4
где α 1 , α 2 , α 3 , α 4 , α 5 – коэффициенты сложного теплообмена соответствующего этапа
цикла; τ – продолжительность соответствующего этапа цикла, с; F – площадь поверхности оборудования, м2; t n – температура поверхности оборудования, 0С. t р.п. – результативная температура помещения, 0С.
14
Следует особо отметить, что в ходе анализа предложенной модели была доказана автомодельность процесса конвективного теплообмена в области значений
определяющих теплофизических параметров, что позволяет обобщить результаты
моделирования, полученные на примере конкретного оборудования СЭСМ–02, на
любое аналогичное оборудование влажностно–тепловой обработки продуктов.
Пятая глава. Рассмотрены основные требования и известные принципы
организации воздухообмена в ресторанных комплексах. Приведен инженерный
расчёт воздухообмена в ресторанном комплексе. Показано, что поскольку способ
подачи определяет направление потоков распределения воздуха, это оказывает
существенное влияние на формирование зон теплового комфорта. Проанализирована возможность применения системы технологического кондиционирования
воздуха по типу вытесняющей вентиляции со схемой воздухораздачи «снизу–
вверх» для помещений производственного и непроизводственного назначения
ресторанного комплекса. Установлено, что схема технологического кондиционирования воздуха локальным способом по типу вытесняющей вентиляции в теплый
и холодный периоды года является приемлемым направлением в ресторанном
комплексе для горячего цеха и обеденного зала, и её применение позволит облегчить формирование условий теплового комфорта.
Шестая глава. На основе предложенной математической модели разработаны инженерные методики, структурная схема алгоритма и программное обеспечение для автоматизации процесса проектирования параметров теплового комфорта в ресторанных помещениях.
Для установления адекватности методики она была протестирована в производственных условиях. Исследования проводились на существующем объекте –
в ресторанном комплексе Санатория им. Ф. Э. Дзержинского. С использованием
специального лабораторного оборудования (термогигрометра ТКА–ПКМ и термоанемометра TESTO 416) были выполнены экспериментальные исследования по
определению характерного показателя, регламентирующего степень комфортности микроклимата (ТНС–индекса). Было установлено превышение ТНС–индекса
по отношению к значениям, нормируемым действующим Руководством Р
2.2.013–94 «Гигиена труда. Гигиенические критерии оценки условий труда по показателям вредности и опасности факторов производственной среды, тяжести и
напряженности трудового процесса». По итогам исследований для повышения
комфортности обеденного зала и горячего цеха с использованием предложенной
методики был обоснован и реализован перечень специальных мероприятий по
устранению зон теплового дискомфорта. Кроме того, результаты исследования
теплового комфорта использованы предприятием ЗАО «ЦЧР Гипроавтотранс»
при разработке проекта строительства объекта «Фабрика–кухня по улице Ленина
г. Воронеж». На основе выполненного расчета установлены и устранены возможные зоны дискомфорта. Особое внимание уделено зонам теплового дискомфорта
на постоянных рабочих местах.
Приложения содержат результаты обработки экспериментальных данных,
программный продукт, разработанный в среде Borland C++ Builder 6.0, а также
документы, подтверждающие научное, научно–методическое и практическое использование выполненных исследований.
15
ВЫВОДЫ
1. В результате системного анализа составляющих процессов теплообмена и
общепринятых схем организации воздухообмена в производственных и непроизводственных помещениях ресторанных комплексов определен перечень параметров микроклимата, оказывающих значимое влияние на формирование зон теплового комфорта и дискомфорта: результативная температура внутреннего воздуха
помещения, относительная влажность воздуха, скорость движения (подвижность)
воздуха. В качестве обобщенного температурного показателя в расчетах теплового
комфорта обосновано использование средней температуры воздуха в помещении, вычисляемой как среднее значение между температурой воздуха в помещении и осредненной радиационной температурой поверхностей ограждений и теплообменного
оборудования.
2. Разработана комплексная математическая модель определения параметров микроклимата с целью формирования зон теплового комфорта. Показано, что
основным условием достижения комфортного микроклимата является соблюдение равенства количества теплоты, вырабатываемого человеческим организмом,
суммарному количеству теплоты, теряемому человеком путем излучения, конвекции, за счет испарения влаги с кожного покрова и с выдыхаемым воздухом. Отклонение от данного равенства приводит к появлению зон теплового дискомфорта.
3. Для определения тепловыделений человека предложены аналитические
зависимости для определения коэффициента теплообмена конвекцией с поверхности тела человека во внутреннюю среду помещения в зависимости от скорости
и направления обдувающего его воздушного вентиляционного потока.
4. Обоснованы зависимости для определения углового коэффициента излучения поверхности тела человека на внутренние поверхности ограждений с учетом его возможного местоположения в помещении ресторанного комплекса.
5. Обоснована комплексная теплофизическая модель наиболее характерного
для ресторанов технологического оборудования влажностно–тепловой обработки
продуктов, позволяющая учесть цикличность его работы в течение смены и численно оценить связанную с этим нестационарность конвективных и лучистых тепловыделений от нагретых поверхностей оборудования во внутреннюю среду
производственных помещений. Доказана автомодельность процесса конвективного теплообмена в области значений определяющих теплофизических параметров,
что позволяет обобщить результаты моделирования, полученные на примере выбранного конкретного оборудования, на любое аналогичное оборудование влажностно–тепловой обработки продуктов.
6. На основе предложенной математической модели разработана инженерная методика, структурная схема алгоритма и программное обеспечение для автоматизации процесса проектирования заданных параметров микроклимата с целью создания условий теплового комфорта в ресторанных помещениях.
7. С использованием разработанной инженерной методики и ее программной реализации выполнен проект повышения комфортности непроизводственного
помещения (обеденного зала) и производственного помещения (горячего цеха)
существующего ресторанного комплекса санатория им. Ф.Э.Дзержинского на
16
территории Воронежской области (с. Чертовицы, Рамонский район), а также
обоснованы проектные показатели комфортности микроклимата помещения
«Фабрики – кухни» г. Воронеж ул. Ленина, 1.
Основные научные результаты диссертации опубликованы в 15 печатных работах, в том числе
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК
1. Булыгина, С. Г. Экологическая безопасность вентилируемых помещений
ресторанных комплексов / О. А. Сотникова, С.Г. Булыгина // Научный вестник
Воронеж. гос. арх. – строит. ун-та. Строительство и архитектура. – 2012. – № 1. –
С.154–163.
2. Тульская, С. Г. Вентиляция и экологическая безопасность вентилируемых помещений ресторанных комплексов/ С. Г. Тульская, О. А. Сотникова // Экология и промышленность России. – 2013. – № 2. – С.21–25.
3. Тульская, С. Г. Моделирование теплопоступлений от оборудования тепловой обработки продуктов в производственных помещениях ресторанных комплексов / С. Г. Тульская, О. А. Сотникова, Л. А. Кущев // Научный вестник Воронежского ГАСУ. – 2013. – № 3. – С.32–40.
Публикации в других изданиях
4. Булыгина, С. Г. Моделирование конвективного теплообмена человека с
воздухом производственных помещений ресторанных комплексов / С. Г. Булыгина, О. А. Сотникова // Инженерные системы и сооружения. – 2011. –№ 2 (5). –
С.55–66.
5. Булыгина, С. Г. Моделирование лучистого теплообмена человека с
внутренними поверхностями производственных помещений ресторанных комплексов /С. Г. Булыгина, О. А. Сотникова, Д. М. Чудинов// Инженерные системы
и сооружения. – 2011. – № 2 (5). – С.67–73.
6. Тульская, С. Г. Инженерное оборудование ресторанных комплексов: теплотехнологические процессы, проектирование и расчет / С. Г. Тульская, О. А.
Сотникова – Монография. – М. : Издательство «Перо», 2012 – 167 с.
7. Булыгина, С. Г. Учет теплозащитных характеристик спецодежды при
моделировании теплообмена человека с окружающей средой / С. Г. Булыгина, О.
А. Сотникова// Научный журнал Инженерные системы и сооружения. – 2012. – №
1 (6). – С.60–70.
8. Булыгина, С. Г. Новое и перспективное оборудование для создания микроклимата в ресторанных комплексах/ С. Г. Булыгина, О. А. Сотникова // Научный журнал Инженерные системы и сооружения. – 2012. – № 1 (6). – С.70–80.
9. Булыгина С. Г. Разработка теплофизических моделей оборудования
влажностно–тепловой обработки продуктов в ресторанных комплексах / С. Г. Булыгина, О. А. Сотникова // Научный журнал Инженерные системы и сооружения. – 2012.
– № 2 (7). – С.38–49.
17
10. Тульская, С. Г. Влияние характеристик спецодежды на создание теплового комфорта в производственных помещениях ресторанных комплексов / С. Г.
Тульская, Ю. Г. Булыгина // Научный журнал «Молодой ученый». – 2012. – №11
(46) – С.102–104.
11. Тульская, С. Г. Экспериментальные исследования теплового режима
производственных помещений и обеденных залов ресторанных комплексов / С. Г.
Тульская, О. А. Сотникова, Ю. Г. Булыгина // Научный журнал Инженерные системы и сооружения. – 2012. – № 2 (8) – С. 62–70.
12. Булыгина, С.Г. Экологическая безопасность вентилируемых помещений ресторанных комплексов / С. Г. Булыгина // Актуальные вопросы экологии
Материалы VIII Межрегиональная научно–практическая конференция – Воронеж,
2012. – С.213–216.
13. Булыгина, С.Г. Разработка методики расчета экологических параметров внутреннего воздуха в вентилируемых помещениях ресторанных комплексов /
С. Г. Булыгина, О. А. Сотникова // Материалы 15-ой Межрегиональной научно–
практической конференции «Высокие технологии. Экология». – Воронеж. : Воронеж. гос. арх.–строит. ун–т, 2012. – № 1. – С. 252–264.
14. Тульская, С. Г. Разработка теплофизических моделей оборудования
влажностно–тепловой обработки продуктов в ресторанных комплексах / С.Г.
Тульская // Научный вестник Воронежский ГАСУ. Серия: Студент и наука. – 2013
г. – № 5. – С. 106–111.
15. Тульская, С. Г. Совершенствование методики расчета теплового режима в производственных помещениях ресторанных комплексов / XVI Международная межвузовская научно–практическая конференция молодых учёных, аспирантов и докторантов «Строительство – формирование среды жизнедеятельности» // – Москва – 24–26 апреля 2013 г. – С. 627–629.
ТУЛЬСКАЯ СВЕТЛАНА ГЕННАДЬЕВНА
ФОРМИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА
В ПОМЕЩЕНИЯХ РЕСТОРАННЫХ КОМПЛЕКСОВ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано в печать 22.10.2013. Формат 60х84 1/16. Бумага писчая.
Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ №______
__________________________________________________________________________
Отпечатано в отделе оперативной полиграфии
Издательства учебной литературы и учебно-методических пособий
Воронежского государственного
архитектурно-строительного университета
394006 Воронеж, ул.20-летия Октября, 84
18
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
7
Размер файла
1 005 Кб
Теги
микроклимата, 207, тульская, формирование, параметры
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа