Теплотехнический расчет ограждающих конструкций постов управления.

Теплотехнический расчет ограждающих конструкций постов управления заключается в выборе строительных конструкций, обеспечивающих при данной интенсивности теплового воздействия на них минимальный пропуск тепла в помещение и температуру внутренних поверхностей ограждений не выше 25⁰С.

Зная величину теплового облучения ограждений поста управления, температуру окружающего воздуха, выбрав строительный материал и толщину ограждения, находят температуру наружной поверхности ограждения по формуле:

t_н.п = t_в + А · Е₀ / α · [(1 + α · σ / λ) / (2 + α · σ / λ)],

где t_н.п - температура наружной поверхности ограждения, подвергающейся облучению, ⁰С;

t_в – температура воздуха в районе размещения поста, ⁰С: t_в = t_н + Δt + 5;

А – коэффициент черноты поглощения лучистого потока ограждающей конструкцией;

Е₀ – средняя величина лучистого потока, ккал/(м²·ч);

α – коэффициент теплоотдачи, ккал/(м²·ч·⁰С);

λ – коэффициент теплопроводности строительного материала, ккал/(м²·ч·⁰С);

σ – толщина слоя материала ограждения, м;

Δt – нормируемый перепад температур воздуха наружного и внутри цеха, ⁰С;

t_н –температура наружного воздуха, ⁰С.

Количество тепла Q, воспринятое ограждением, а затем переданное частично в окружающую среду, а частично в помещение поста управления, определяет по уравнению

Q = E₀ · A + K · (t_в - t_в́),

где К – коэффициент теплопередачи ограждения, ккал/(м²·ч·⁰С);

t_в́ – температура воздуха внутри поста управления, ⁰С.

Указанное количество тепла передается внутрь помещения поста управления конвекцией и излучением, а в окружающую среду цеха – в основном конвекцией. В соответствии с этими условиями составляется тепловой баланс:

Q = α · (t_в.п - t_в́) + С · [(273 + t_в.п / 100)⁴ - (273 - t_в́ / 100)⁴] + α · (t_в.п - t_в),

где С – коэффициент лучеиспускания источника, ккал/(м²·К);

t_в.п – температура внутренней поверхности ограждения, ⁰С.

Если тепловой баланс, составленный по этой формуле, не совпадает с балансом, рассчитанным по предыдущему выражению, необходимо принятую конструкцию ограждения заменить так, чтобы была достигнута заданная температура внешней поверхности ограждений поста управления.

Количество тепла, поступающего через ограждения, не подвергающиеся тепловому облучению, определяют по формуле

Q = K · F · (t_в - t_в́),

где F – площадь ограждения, м².

Величина теплового потока, проникающего через стекло Е, может быть определена по формуле ккал/(м²·ч):

Е = Е₀ ·τ,

где τ – коэффициент пропускания теплового излучения.

Значения коэффициента τ для некоторых видов стекла (по данным измерений ЛИОТ, проведенных в лабораторных условиях) приведены ниже:

¹ – С естественной вентиляцией воздушной прослойкой толщиной 20÷40 мм.

Для снижения теплового облучения при остеклении поверхностей постов управления целесообразно применять стекло "сталинит".

Согласно экспериментальным данным, значение коэффициента при замкнутой воздушной прослойке возрастает примерно в 2,3-2,5 раза. На рис. 12 приведена интенсивность теплового излучения Е листового и сортового проката в зависимости от его температуры и расстояния до облучаемого объекта.

Пример 14.

Исходные данные:

Необходимо выбрать ограждение поста управления листопрокатного стана. Расположение его по отношению к линии прокатки показано на рис.11.

Рис11 - Схема для теплотехнического расчета поста управления

1 - ось прокатки (источник излучения); 2 - стекло; 3 - рабочее место оператора;

Температура наружного воздуха 30⁰С, средняя температура в цехе 37 ⁰С. На стане прокатывается лист шириной 1800 мм. Размеры помещения 6х3 м, высота 2,5 м. Температура внутри помещения поста 20 ⁰С.

Решение:

Для определения величины теплового облучения поверхности первоначально проводят геометрический расчет векторов тепловых лучей. Расстояние от центра излучающей поверхности до плоскости боковых стен равно 8,5 м, до плоскости главного фасада 6,2 м.

Пользуясь номограммой (см. рис. 8), находим интенсивность облучения боковых стен - 600 ккал/(м²·ч) и главного фасада - 1200 ккал/(м²·ч) при температуре металла 1000⁰С.

Конструкцию стен принимаем из красного кирпича α = 0,75 ккал/(м²·ч·⁰С) с окраской наружных поверхностей белой краской А = 0,26.

Подвижность воздуха в цехе и внутри поста управления принимаем:

v = 0,5 м/с; при этом коэффициент теплоотдачи α = 13 ккал/(м²·ч·⁰С). Температура воздуха, окружающего пост управления, будет несколько выше средней (принимаем 42⁰С).

Температуру на поверхности фасада, где интенсивность облучения максимально, определяем по приведенной выше формуле:

t_н.п = 42 + 0,26 · 1200 / 13 · [(1 + 13 · 0,25/0,75) / (2 + 13 · 0,25/0,75)] = 60 ⁰С.

Количество тепла, воспринимаемое 1м² поверхности ограждения:

Q = 1200 · 0,26 + 1,7 · (42 - 20) = 348 ккал/(м²·ч),

где 1,7 – коэффициент теплопередачи кирпичной стеной в один кирпич.

Задаваясь температурой внутренней поверхности ограждения (25⁰С), составляют тепловой баланс и проверяют правильность предварительно принятой температуры внутренней поверхности:

Q_р. = 13 · (25 - 20) + 4,6 · [(273 + 25)/100]⁴ –

– [(273 + 20)/100]⁴ + 13 · (60 - 42) = 328 ккал/(м²·ч),

где 4,6 коэффициент лучеиспускания кирпича.

Рис.12. Величина теплового облучения на уровне 1,5 м от пола:

а – для листового проката: 1 – лист 1800х30 мм; 2 – лист 1550х5 мм; 3 – лист 1420х3 мм;

4 – полоса 220х13 мм; 5 – лист 1550х7 мм; 6 – лист 1400х7 мм;

б – сортового проката: 1 – квадрат 800 мм; 2 – квадрат 260 мм; 3- квадрат 120 мм;

4 - швеллер № 12; 5 – квадрат 78 мм.

Полученная величина лишь на 5% меньше принятой; таким расхождением можно пренебречь.

Выбранная конструкция стен поста управления соответствует санитарным требованиям в отношении температуры внутренней поверхности.

Количество лучистого и конвекционного тепла, поступающего через остекленные поверхности, состоящие из двух стекол с естественной вентиляцией воздушной прослойки:

Q_с = 1200 · 0,21 + 2,3 · (42 - 20) = 300 ккал/(м²·ч),

где 0,21 – коэффициент пропускания лучистого тепла через двойное стекло;

2,3 – коэффициент теплопередачи для окон с двойным остеклением.

Количество тепла, поступающего с воздухом через неплотности в дверях и при открывании их, принимаем ориентировочно равным пятикратному объему помещения:

Q_д = (6 · 3 · 2,5) · 5 · 0,31 · (42 - 20) = 1400 ккал/ч.

Суммарный приход тепла в помещение:

Q_сум = (348 + 1400 + 300) · 1,1 = 2250 ккал/ч.

Принимая начальную температуру воздуха, подаваемого из кондиционера на пост управления, равной 18 ⁰С, а температуру удаляемого воздуха 24 ⁰С, рассчитываем количество воздуха, участвующего в теплообмене:

L = 2250 / [(24 - 18) · 0,24)] = 1563 м³/ч.

Из указанного количества воздуха 10 % забирается снаружи, т.е. из цеха с температурой 42 ⁰С, и охлаждается до 18 ⁰С; при этом потребность в холоде составит

ΣQ = [2250 + 1563 · 0,24 · (42 - 18)] · 1,15 = 16000 ккал/ч.

где 1,15 – коэффициент запаса, учитывающий потери в сетях;

0,24 – удельная теплоемкость воздуха (ккал/м³·^оС).

3.2.2. Методика расчета теплозащитных экранов

3.2.2.1. Экраны металлические

Металлические экраны следует применять для локализации источников лучистого тепла, облученности на рабочих местах и снижения температуры поверхностей, окружающих рабочее место (для выполнения требований, указанных в СН 245–71). При проектировании металлических экранов у различных печей, у нагретого оборудования и металла, вне рабочих мест следует руководствоваться возможностями улучшения технологических процессов и уменьшения выделения лучистого и конвекционного тепла.

Согласно исследованиям, при условии, что на экран передается только лучистое тепло (при величине воздушной прослойки 15–20 мм влияние конвекционной составляющей на экран исключено), можно рассчитывать температуру экрана по формуле:

,

где А_н.п.о. = 1 / (1 / ε_{н. п.} + 1 / ε₀ – 1) .

Эта формула применяется при условии, если Т_{н. п.} > T₀ >> Т_в.р.з. (температуры экранируемой стенки и экрана выше температур, окружающих экран оборудования, строительных конструкций и температуры воздуха), т.е. поступление тепла на экран из цехового пространства мало и им можно пренебречь. Ниже приведены четыре примера расчета температуры экрана.

Пример 15.

Исходные данные:

Температура экранируемой поверхности Т_{н. п.} = 70 ^оС. Температура окружающего экран воздуха и оборудования Т_в.р.з. = 35 ^оС.

Степень черноты экрана ε₀ = 0,07 (полированный алюминий). Приведенная степень А_{н. п.} = 0,07.

Решение:

Температура экрана при заданных условиях:

Если требуется более низкая температура экрана, то следует повторить расчет, приняв за температуру экранируемой поверхности температуру первого экрана.

При вычислении температуры экрана по формуле необходимо обращать внимание на определении приведенной степени черноты (А_{н. п.)}, которая зависит от степени черноты каждого материала в отдельности. Приведенная степень черноты всегда меньше самого малого из значений ε_{н. п.} и ε₀ и только в случае, если одно из тел абсолютно черное, она становится равной степени черноты другого нечерного тела.