Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

ТЕПЛОПЕРЕНОС ВБЛИЗИ ИЗЛУЧАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ГАЗОВЫХ ИНФРАКРАСНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

Кузнецов Г.В. 1 Куриленко Н.И. 2 Мамонтов Г.Я. 3 Михайлова Л.Ю. 2
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет
2 Тюменский государственный архитектурно-строительный университет
3 Томский государственный архитектурно-строительный университет
Проведено экспериментальное изучение температурных полей в малой окрестности газовых инфракрасных излучателей, работающих вблизи верхней границы крупногабаритных (с характерными размерами более 10 м) моделей объектов теплоснабжения с вертикальными и горизонтальными стенками (ограждающими конструкциями) в условиях низких (-10 оС до -30 оС) температур внешней по отношению к модели среды. Установлено, что в относительно малой (до 1,5 м) по размерам области вблизи излучающей поверхности температура воздуха изменяется от максимального значения 335 оС (расстояние от излучателя 0,1 м) до 110 оС (1,5 м). Сформулирована модель, описывающая процесс теплопереноса в слое воздуха, прилегающем к газовому излучателю. Установлено, что процессы конвекции в воздухе играют важную роль в формировании тепловых режимов областей, нагреваемых за счет потока излучения.
тепловые режимы.
конвекция
газовые инфракрасные излучатели
1. Теплоперенос при нагреве локальной области крупногабаритного производственного помещения газовыми инфракрасными излучателями / Кузнецов Г.В. , Куриленко Н.И., Максимов В.И., Мамонтов Г.Я., Нагорнова Т.А. // Инженерно-физический журнал. – 2013 – Т. 86 – №. 3. – C. 489-494
2. Kuznetsov, G.V., Sheremet, M.A. Mathematical modelling of complex heat transfer in a rectangular enclosure// Thermophysics and Aeromechanics. – March 2009. – Vol 16, Is. – 1, – P. 119-128.
3. Kuznetsov, G.V., Sheremet, M.A. New approach to the mathematical modeling of thermal regimes for electronic equipment // Russian Microelectronics. – March 2008 – Vol. 37. – Is. 2. – P. 131-138.
4. Kuznetsov, G.V., Sheremet, M.A. Two-dimensional problem of natural convection in a rectangular domain with local heating and heat-conducting boundaries of finite thickness// Fluid Dynamics. – November 2006. – Vol. 41. – Is. 6. – P. 881-890.
5. Maksimov V.I., Nagornova T.A. Influence of heatsink from upper boundary on the industrial premises thermal conditions at gas infrared emitter operation // EPJ Web of Conferences. – 2014. Vol. 76. – Article number 01006.
Газовые инфракрасные излучатели (ГИИ) становятся все более и более перспективными источниками энергии в системах локального теплоснабжения производственных помещений [1, 5]. Но их широкое применение сдерживается тем, что до настоящего времени не разработана теория процессов теплопереноса в областях, подвод теплоты в которые осуществляется при работе ГИИ. Последнее же во многом обусловлено отсутствием экспериментальных данных по температурным полям в зонах воздействия таких излучателей. Одним из основных при этом остается вопрос о механизме передачи энергии в воздухе при работе ГИИ.

Условно область теплопередачи в окрестности ГИИ может быть разделена на три зоны: основная (или рабочая), сохранение температуры воздуха в которой является целью работы излучателей; зона аккумуляции энергии ГИИ и последующего нагрева воздуха; малая окрестность работающих излучателей, в которой температура среды может быть выше предельно допустимой. До настоящего времени не опубликовано достоверных экспериментальных данных по температурным полям каждой из этих зон.  

Целью настоящей работы является экспериментальное изучение закономерностей формирования температурных полей в относительно малой (с характерными размерами до 1,5 м) окрестности газового инфракрасного излучателя и обоснование физической модели теплопереноса в области, нагреваемой ГИИ.

Таблица 1

 Результаты измерений температуры

Расстояние от излучающей поверхности, x,м

Температура, °С

Номер эксперимента

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0,10

354

364

369

355

357

340

349

352

358

352

0,20

305

322

320

334

345

315

322

315

305

317

0,40

280

269

255

257

240

252

240

250

257

250

0,60

200

217

215

229

240

210

217

210

200

212

0,80

214

203

191

193

175

187

175

185

192

185

1,00

152

170

168

170

172

162

170

162

152

172

1,25

147

145

143

145

127

147

127

137

145

137

1,50

98

114

113

114

115

110

114

107

100

115

Экспериментальные исследования проведены на крупногабаритных (характерные размеры более 10 м) моделях объектов теплоснабжения с вертикальными и горизонтальными стенками конечной толщины (ограждающими конструкциями) в условиях низких температур (от - 10 °С до - 30 °С) во внешней по отношению к модели среде. Измерения температур воздуха выполнены в восьми точках на отрезке 1,5 м по поверхности излучения ГИИ (таблица 1). Для обеспечения достоверности результатов измерений эксперименты в идентичных условиях повторялись 10 раз (таблица 1). Измерения выполнялись в условиях установления стационарного распределения температур в области измерений.

По усредненным значениям температуры (таблица 2) вычислен коэффициент корреляции r = -0,971.

Таблица 2

Средние значение температуры

x, м.

100

200

400

600

800

1000

1250

1500

t, °С

355

320

255

215

190

165

140

110

Для определения вида зависимости t(x) применялись методы линейного регрессионного анализа. Корреляционное поле (рис. 1) показывает, что эта зависимость близка к линейной:

,

где  – коэффициент регрессии.

Для определения коэффициентов b0, b1 использован метод наименьших квадратов – сумма квадратов отклонений экспериментальных (эмпирических) значений tэ от их расчетных (теоретических) значений tp была минимальной, т.е.

,

где tp – значение, вычисленное по уравнению регрессии.

Регрессионный анализ позволил установить точечные оценки коэффициентов уравнения регрессии.

Уравнение регрессии имеет вид:

                                                                                                             (1)

Рисунок 1. Распределение температуры по координате x

Проведена проверка одного из условий Гаусса – Маркова – математическое ожидание отклонений равно нулю для всех наблюдений (таблица 3), (случайные отклонения в среднем не оказывают влияния на зависимые переменные):

Таблица 3

Вычисленные по формуле (1) значения температуры

x, мм

t, oC

t*, oC

ε

1

2

3

4

100

355

324,4671

30,53287

200

320

307,7199

12,28014

400

255

274,2253

-19,2253

600

215

240,7308

-25,7308

800

190

207,2363

-17,2363

1000

165

173,7417

-8,74172

1250

140

131,8735

8,126455

1500

110

90,00537

19,99463

Коэффициент детерминации полученной модели равен R2 = 0,943.

На следующем этапе обработки результатов экспериментов проверялась возможность представления уравнения регрессии в виде нелинейной зависимости (полинома 2-ой степени).

Уравнение нелинейной регрессии принято в виде:

.

После его линеаризации получено уравнение множественной регрессии:

, где .

Рисунок 2. Распределение температуры по координате x

Оценки коэффициентов этого уравнения выполнены по методу наименьших квадратов. В результате получено нелинейное выражение в виде

.                                                            (2)

Проведены расчеты отклонений между экспериментальными значениями t и значениями t*, полученными по формуле (2). Установлено, что суммарная погрешность мала (таблица 4):

Таблица 4

 Вычисленные по формуле (2) значения температуры

 

x, мм

t, oC

t*, oC

ε

1

2

3

4

0,10

355

347,3768

7,623247941

0,20

320

318,741

1,259018303

0,40

255

267,1217

-12,12173758

0,60

215

223,0389

-8,038888926

0,80

190

186,4924

3,507564255

1,00

165

157,4824

7,517621966

1,25

140

131,8179

8,182137975

1,50

110

117,929

-7,928963938

Суммарная  погрешность

-2,55795E-13

Коэффициент детерминации (R2 = 0,9909) в этом случае оказался выше, чем в линейной модели. Установлено, что при уровне значимости 0,05 все коэффициенты являются статистически значимыми.

Обе модели дают незначительную суммарную погрешность отклонений, но нелинейная регрессионная модель предпочтительнее.

На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что в относительно малой по размерам (около 1,5 м) области вблизи излучающей поверхности газового инфракрасного излучателя температура воздуха изменяется от максимального значения 335 0С (х = 0,1 м) до 110 0С (х = 1,5 м). Такие высокие температуры могут быть следствием только интенсивного прогрева воздуха за счет теплопроводности. Эксперименты проводились в среде очищенного от пыли (которая может поглощать и рассеивать энергию излучения) воздуха. Поэтому повышение температуры в этой области не может быть следствием непосредственного воздействия лучистого потока.

Полученные экспериментальные данные являются основанием для вывода о необходимости учета процессов кондуктивного теплопереноса при анализе температурных полей в области нагрева газовыми инфракрасными излучателями.

Результаты выполненных экспериментальных исследований являются основанием для дальнейшего развития моделей теплопереноса в замкнутых областях, заполненных воздухом и ограниченных стенками конечной толщины, в условиях работы локальных источников нагрева (в том числе газовых инфракрасных излучателей) [2-4]. Установлено, что процессы конвекции в воздухе, несмотря на низкие коэффициенты теплопроводности этого газа, играют важную роль в формировании тепловых режимов областей, нагреваемых за счет потока излучения, поступающего с верхней границы таких областей.

Работа выполнена в рамках НИР Госзадания «Наука» (Шифр Федеральной целевой программы 2.1321.2014).

Рецензенты:

Заворин А.С., д.т.н., зав. каф. Парогенераторостроения и парогенераторных установок НИ ТПУ, г. Томск;

Литвак В.В., д.ф.-м.н., профессор каф. Атомных и тепловых электростанций НИ ТПУ,           г. Томск.


Библиографическая ссылка

Кузнецов Г.В., Куриленко Н.И., Мамонтов Г.Я., Михайлова Л.Ю. ТЕПЛОПЕРЕНОС ВБЛИЗИ ИЗЛУЧАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ГАЗОВЫХ ИНФРАКРАСНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=16690 (дата обращения: 24.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252