автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Использование электронагревателей инфракрасного излучения "Теплофон" для обогрева сельских жилых и животноводческих помещений

На правах рукописи

Лапицкий Андрей Геннадьевич

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ «ТЕПЛОФОН» ДЛЯ ОБОГРЕВА СЕЛЬСКИХ ЖИЛЫХ II ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЙ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 3 НОЯ 2000

Красноярск - 2008

003452332

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Цугленок Николай Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Худоногов Анатолий Михайлович

кандидат технических наук, доцент Кожухов Владимир Афанасьевич

Ведущая организация ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный

университет»

Защита состоится 18 декабря 2008 г. в 15— часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 220.037.01 при ФГОУ ВПО

г. Красноярск, пр. Мира, 90

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

Автореферат разослан 17 ноября 2008 г.

Автореферат размещен 17 ноября 2008 г. на сайте www.kgau.ru

«Красноярский государственный аграрный университет» по адресу: 660049,

Ученый секретарь диссертационного совета

Бастрон А В

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы обусловлена необходимостью оптимизации принципов, методов, способов и средств теплоснабжения как жилых, так и производственных, технологических помещений. Крайне неудовлетворительное состояние тепловых сетей ЕЭС России, а также ведомственных сетей теплоснабжения отдельных агропромышленных предприятий приводит к высокой аварийности и связанной с этим низкой надежности теплоснабжения, а также к высоким теплопотерям. Нельзя также забывать и об экологической опасности, связанной с использованием традиционных источников энергии.

В настоящее время более 90% вырабатываемой тепловой энергии в сельскохозяйственном производстве создастся котельными установками водяного или парового отопления. Они работают по схеме: котельная установка - тепловые сети - отопительные приборы. При этом часть выработанной тепловой энергии теряется как в самой теплогенерирующей установке, так и в тепловых сетях из-за плохой теплоизоляции и других факторов. Теплоисточниками в этих установках являются каменный уголь, мазут, газ и другие невосполняемые источники энергии.

Существующие в настоящее время схемы управления температурой в помещениях с водяным отоплением не способны обеспечить должную стабильность температуры, они сложны и имеют высокую стоимость.

В этих условиях применение систем индивидуального лучистого электрического отопления радиационными инфракрасными (ИК) панелями, снабженными наиболее простыми регулирующими установками, позволит значительно снизить расход энергетических ресурсов.

Исследования по данному направлению проводились по плану НИР КрасГАУ в соответствии с заданием 09.02 «Разработать новые наукоемкие электротехнологии и оборудование для энергетического обеспечения технологий производства сельскохозяйственной продукции и социально-бытовой сферы села на 2006 - 2010 годы».

Цель работы - обоснование использования источников инфракрасного излучения «Теплофон» в сельских жилых и животноводческих помещениях для повышения энергетической эффективности установок обогрева.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

- провести анализ современного состояния вопроса по применению установок лучистого обогрева для создания теплового комфорта в жилых и животноводческих помещениях;

- разработать модели и методы расчета электротехнологического обогрева жилых домов и животноводческих помещений;

- разработать устройства и методики по исследованию систем лучистого инфракрасного обогрева «Теплофон»;

- провести исследования по использованию систем лучистого отопления «Теплофон» в сельских жилых и животноводческих помещениях;

-дать технико-экономическое обоснование применения инфракрасных обогревателей «Тегоюфон» (ЭРГНА) в сельских жилых и животноводческих помещениях.

Объект исследования - процессы теплоснабжения жилых и сельскохозяйственных помещений электронагревательными панелями ЭРГНА «Теплофон».

Предмет исследования - закономерности влияния лучистого потока на нагрев жилых и сельскохозяйственных помещений.

Методы исследования - решение поставленных задач осуществлялось на основе методов математического и физического моделирования с использованием измерительной и вычислительной техники, методами гармонического анализа для исследования тепловых полей в помещении.

Научная новизна исследования состоит:

- в разработке аналитических и графических моделей теплового поля лучистого отопления жилых и сельскохозяйственных помещений тепловыми панелями;

- р азработке методики суперпозиции тепловых полей при совместном действии в помещении нескольких излучателей;

- разработке методики эффективности расположения излучающих панелей и определении наивыгоднейших мест их размещения;

- разработке методики, создании испытательного стенда для измерения параметров тепловых полей и характеристик источников инфракрасного излучения;

- получении результатов по экономии энергозатрат и выпуске новых типов издёлий «Теплофон».

Практическая значимость работы с остоит в разработке технических условий и организации выпуска источников лучистого тепла «Теплофон» для жилых и животноводческих помещений.

Реализация результатов - разработанная техническая документация используется фирмой «Теплофон» для создания лучистых систем обогрева, к настоящему времени осуществлен серийный выпуск четырех модификаций приборов лучистого обогрева в общем количестве более 200 тысяч экземпляров; результаты исследований используются в учебном процессе КрасГАУ и Томского политехнического университета.

Автор защищает:

- процессы обогрева жилых и производственных помещений АПК приборами индивидуального лучистого отопления панелями «Теплофон»;

- методики и модели расчета полей ИК-отопления радиационными панелями;

- конструкцию измерительного стенда и методики измерения для исследования энергетических параметров радиационных панелей и создаваемых ими тепловых полей;

- конструкцию панелей «Теплофон» и «Бинтат»;

- результаты исследования и внедрения научно-практических разработок.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались на IV Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность'. достижения и перспективы» (Красноярск, 2003), V Всероссийской научно-практической выставке «Энергоэффективность: достижения и перспективы» (Красноярск, 2004), VII Всероссийской научно-практической конференции-выставке «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (Красноярск, 2006), региональной научно-практической конференции «Аграрная наука на рубеже веков» (Красноярск, 2007), V международной научно-практической конференции Сибирского федерального округа (Красноярск, 2007), VIII межрегиональной научно-практической конференции «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (Красноярск, 2007).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 18 работ (три статьи - в издании, рекомендованном ВАК), в том числе восемь патентов на полезную модель.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 90 наименований, и трех приложений, изложена на 180 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков и 30 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследований, дана общая характеристика диссертации, сформулированы основные положения, которые выносятся на защиту.

В первом разделе проведен анализ современного состояния использования установок лучистого обогрева для создания комфортных температурных условий в жилых и животноводческих помещениях. Выполнен анализ существующих устройств по их энергетическим показателям, рассмотрены существующие разработки в области лучистого обогрева помещений, нашедшие отражение в трудах российских и зарубежных ученых.

Значительный вклад в развитие инфракрасного обогрева помещений внесли ученые Научно-исследовательского института строительной физики (НИИСФ), г. Москва. Много внимания теории инфракрасного обогрева жилых и общественных помещений уделял профессор В.Н. Богословский. Значительный вклад в развитие инфракрасного нагрева жилых помещений внесли Ю.А. Табунщиков, A.M. Шкловер, К.Ф. Фокин, А.Н. Сканави, Д. Ховелл, Р. Зигель (США), X Хигби, А. Левин (США), Ямаути (Япония).

В СССР оценкой излучения в оптическом диапазоне спектра занимались Г.М. Кнорринг, Н.В. Волоцкой, В.В. Мешков, В.Д. Никитин и др.

Методы использования инфракрасного обогрева сельскохозяйственных животных приведены в работах A.C. Растимешина и Д.Н. Быстрицкого.

Приведен обзор систем отопления радиационными панелями и рассмотрены конструкции установок лучистого отопления, в том числе предлагаемых обогревателей «Теплофою> (ЭРГНА).

Выполненный анализ условий комфортности в жилых и животноводческих помещениях, а также методик и методов расчета установок лучистого отопления показал их неполноту и допущенные ошибки, требующие корректировки.

Анализ современного состояния позволил сформулировать задачи исследования.

Во втором разделе приведены моделирование и методы электротехнологического расчета обогрева жилых домов и животноводческих помещений.

Для выполнения теплотехнических расчетов традиционно используется понятие «угловой коэффициент излучения» (УКИ), который представляет отношение потока, падающего на расчетную поверхность, ко всему излучаемому потоку. Для многих характерных вариантов размещения ИК-излучателей относительно облучаемой поверхности существуют стандартные методики с результатами в аналитической (реже - графической) форме. Однако в ряде случаев описание поля ИК-излучателя может быть упрощено, если использовать приемы и формулы из другой области знаний -светотехники.

В таблице 1 приведены формулы для расчета плотности инфракрасного потока от излучателей для двух самых распространенных положений излучающих устройств относительно облучаемой поверхности (рис. 1.1, рис. 1.2), что позволяет,' найти значение облученности в любом числе точек. На основе данных Г.М. Кнорринга, на рис. 2 построены линии равных значений облученности на полу от электронагревателей ЭРГНА 300 или 500, размещенных на потолке (£ц) и стене (Ех). Значения изолюкс на рис. 2 учитывают только прямую облученность.

Исследование изолюкс светового и инфракрасных полей показывает, что они полностью идентичны, откуда следует вывод о возможности использования точечного метода расчета в установках инфракрасного обогрева. Покажем эту возможность на примерах.

ЭРГНА (обозначен буквой И) расположен на потолке, облучаемая поверхность горизонтальна (рис.2,в). Значения облученности показаны в виде круговых (при ЭН квадратной формы) изолиний.

ЭРГНА на стене, облучаемая поверхность горизонтальна. Значения облученности представлены на рис. 2,а и более подробно - на рис. 2,6. В таблице 1 показано, что геометрическое место точек равных значений облученности является (при должном повороте осей координат) кривой четвертого порядка - лемнискатой.

На рис. 3 показано суммирование облученностей по рис. 2,а и 2,в.

Суть принципа сложения (суперпозиции) полей: в точке пересечения или касания изолиний (в данном случае - коэффициентов облученности) значения функций, указанные на изолиниях, суммируются. В качестве примера на рис. 3 показано тепловое поле в окрестности точки А. £е=3,2 отн ед.

Таблица 1 - Расчет плотности потока излучателей (Яц и Е±)

Нормаль N к плоскости Параллельна оси излучателя (£ц) Перпендикулярна оси излучателя (F^)

Уравнение облученности в точке А (сц 1) о 2 Ф ,-2 cos а Ey=Iaoosa 1 ——cosacosa*/--(1) 7t Я г где Ф?1 ^COStZ — 1а , 7Г - эквивалентный телесный угол, ср 2 _2 cos а E±-Iacosa-l -tga~ 2 -Ща-еверт, (2) ж • I где tga - коэффициент пересчета с Егори3 «а ^верт

Ситуационные рисунки (1 1,а, 1 2, а), штрихпунктир - геометрическое место точек (ГМТ) (1 1,6.12,6) S S к Н' г У а) Рис 1 1 ГМТ 1 х. у ^ S •y Лщ \K- x-

6> ^_ а) S) Рис 12 \x"

Уравнение ГМТ ровных значений облученности при Ф — 1 лм в полярной (1) и декартовой (И) системах I В полярных координатах (полюс совмещен с источником излучения Б) уравнение ГМТ равных значений (горизонтальной) облученности / = р = со5а{тгор1а)~ °'5 (3) — окружность, проходящая через излучатель, диаметр совмещен с осью излучателя, радиус окружности Д = (4"егор,в Г °'5 ■ № где е гориз - облученность на плоскости, паралтельной поверхности излучателя и X2 + У2 - 2Иу = 0 (5) 1 Уравнение ГМТ равных значений облученности на плоскости, параллельной оси облучателя (т е вертикальной на рисунке) г(п \ „ г(* \ 2 cos - - a 1 2cos — - a I 2 ^ a 'go 2cosa sina \4 J \4 J (6) "eeepm 2"eeepm 2*eeepm Ажееерт ~ лемниската p — fl(2cos2<p) ^, где a = (4neG£pm ) , а аргумент ф = — _ Д 4 ,2 2,2 «2.2 2, „ п (* +y ) -2a (x -y ) = 0 (7)

Значение облученности CaopJ^e верм) 0,5 1 г s 10 20

Значение функции (4ле)"'/1 в ото ед 0,40 0,282 0,20 0.126 0,09 0,063

Рис 2 Изолюксы, %, на полу помещения (дана его часть) от обогревателя ЭРГНА.

а) - на стене, А = 1,5 м (область, выделенная штриховой линией, показана ниже, на рис. б); в) - на потолке, к = 3 м; со г) - на стене, й = 1,5 м, и на потолке,

А = 3 м (выполнена суперпозиция значений), Излучатели обозначены буквой И.

Фрагмент рис. 2,а

Обогреватель ЭРГНА

Облученность т. А

#ь на стене, /г=1,5м

И2, на потолке, /г=3,0м

1,0<е2<2,0, е2~1,4, Ее=3,2

Рис. 3. Суммирование изолюксов

Результат сложения тепловых полей при совместном действии обогревателей И1 и И2 (в случае равных плотностей излучения) представлен на рис.2,г.

Если же плотности излучения обогревателей не равны, то изолинии необходимо пересчитать на реальные значения облученности, которые и будут суммироваться.

Расчет облученности методом коэффициента использования (МКИ) относится к основным (базовым) методикам для описания светового и теплового полей. В отличие от точечного, МКИ позволяет сразу (единственным расчетом) найти среднюю облученность пола, стены или какой-либо иной поверхности, например, тела человека, яруса с клетками в птичнике и т.п. Возможности метода приведены на примере помещений, где выполняется работа сидя и работа стоя. Расчеты представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Расчет МКИ облученности тела человека

Объект расчета Стоящий человек Сидящий человек

1 2 3

Описание облучательной установки Двухмерный излучатель -облучающий потолок, М* = 1,38 кВт м'2, размеры 6,6 х 5,4 и2 (рис 4) Комплект из трех электронагревателей, М = 1,38 кВт м'2, размеры нагревателя 0,6 х 0,6 м2, ситуационный рис 5 (врезка)

1 2 3

Расчетная формула или графические зависимости иересчетный коэффициент Г 2 1 ду V У* 2 и [> +>< + 0,005^91^^ 1 - ^агс^ ух"1 /2,2 2 где а = ух +у + г

Угловые коэффициенты излучения кгр (стоящий человек) и <р (сидящий человек) к<р = *р(0,52 + 0,52 + 0,62 + + 0,62)-2 = 4,56 (при х = 3,3 м, у = 2,4м) _ 2 Ее=М к<р = 1,55 кВт м <р = К121.07 -119,98 -115,12 + 114,24) • 10"3 = = 0,21 10"3 (лрих = 7м,1у = 4м), Ее=М-<р = 0,28 Вт м~ 2

Характеристика обогревателя ЭРГНА; излучательность потолка

М = 0,34 кВт-м 2 .

—

к — &

-

1 >

-

у = 1,2 м у = 2,4 м у = 3,6 м у = 4, 8 м у = 5,4 м

а)

О 12345 67, м б)

Рис. 4. Расположение стоящего в поле излучателя, нагреватели на потолке (а) и график зависимости к<р(х) при у = уаг (б)

Рис. 5. График зависимости | при>*=уаг(а)

Использование светотехнических теорий при исследовании ИК облучательных установок может осуществиться с использованием формулы Н. К§Ые для расчета освещенности в поле двухмерного излучателя с размерами ахЬ (М— светимость):

Е ,=

М 2ж

£

^Ъ1

агс%

№

(8)

1 2тг

а р ---■

Р л1Ь2 + р'

- arctg

(9)

Формула удобна для решения теплотехнических задач по обогреву помещения. Достаточно умножить правые части формул при значении М= 1 на пересчетный коэффициент Аг^/Зг - площадь поверхности, например, пола;

- площадь нагревателя), чтобы получить долю энергии электрообогревателя, падающую от него на параллельную (2) или перпендикулярную (3) поверхности. Таким образом, появляется возможность прогнозировать распределение первичного теплового потока ЭН между всеми поверхностями помещения.

ЭН удобно крепить на стене, поэтому большое практическое значение имеет оптимизация их размещения, в частности, выбор высоты крепления ЭН, обеспечивающей наибольшую равномерность распределения тепловых потоков (ТП) по горизонтальной поверхности.

Задача формулируется следующим образом: оптимизировать решение по обогреву полосы шириной а электронагревателями, размещенными на стене с шагом 2Ь, зависит от требуемого числа ЭН (рис. 6). Предлагаемая методика для определения высоты крепления ЭН использует стандартные приемы решения оптимизационных на экстремум задач.

Продифференцируем уравнение плотности ТП, падающих на горизонтальную поверхность (пол, например, или плоскость столов) в точке на краю полосы посередине между ЭН. Высота, при которой производная равна нулю, и обеспечивает оптимальное (максимальное) значение плотности ТП на краю обогреваемой полосы в точке А посередине между ЭН (показан ЭН в

точке В], ищется высота Н или, что равноценно, угол а = аг<^(# • а~1)).

н

Ми в, н

\ 3,5

/ Уу

стена 3

а a / о, 2,5

¿/V

ъ \ 2

1,5

А

Рис. 6. Расчетная схема

Рис. 7.

Зависимость Нор, = Нор1( а,в)

Решается задача следующим образом: плотность теплового потока, падающего в точку А от ЭН в точке В и равна

Е =Фл~1 cosy-cosß-R~2, (10)

А

где Ф - мощность излучателя, Вт; л - эквивалентный телесный угол, ср;

cos y = a/'R cosß = H/R R = (a2 +H2 +b2)0'5 H = ctga

Дифференцируя (10) и приравнивая производную к нулю, получаем расчетную формулу для выбора высоты размещения облучателей

Я «0,6 ^а2+Ъ2 (11)

опт

Установки ИК-обогрева животных имеют ряд преимуществ перед другими видами обогрева, но расчет плотности теплового потока в поле ИК-излучателей представляет довольно сложную задачу. Ниже приведено ее решение для случая наклонно расположенных излучателей, что экономически выгодно, поскольку позволяет одновременно обогревать одной установкой 2 или 4 гнезда молодняка животных, снижает материальные затраты на монтаж и поддержание технического состояния ИК-установки.

Ось РЖ-излучателя S на рис. 8 направлена в точку В и составляет с вертикалью SO угол у; ZA]SB~ZAiSB, точки Ai и А2 образуют большую полуось эллипса от сечения конуса A]SA2 «косой» плоскостью XOY (ZA2AiS Ф к/2). При наклонно расположенном излучателе кривая равных значений облученности имеет форму, близкую к эллиптической, но на деле не совпадает с эллипсом - линией пересечения расчетной поверхностью конуса равных сил излучения (для круглосимметричных ИК-излучателей - равных углов с осью излучателя).

Для косинусных излучателей облученность в поле излучателя по формуле Ламберта: Е = I -соза-г'2.

При /о=1 Вт/ср, И=1м, угле наклона оси излучателя к вертикали у, формула имеет вид

Е = соз2 а-сов(у-а), (12)

решение которой представлено на рис, 8 (у =30°).

Различие между линиями р=сопИ (А\аАг на рис. 8) и е = сот^О{Ю7) отчетливо показывает рис. 8.

Фотометрический (в ИК-области) рельеф - линии 1, 2 и поверхности -эллиптические цилиндры ЭЦ Б, А.

Приведе1шая схема позволяет решить задачу получения заданной облученности на горизонтальной плоскости.

Рельеф задается линией 1 - эквилюксной Е=Е(0)=сопа 2 - эквиангулярной (/?=соиж?, на поверхности конуса) Е=Е(А)=уаг

Поверхность на рис.8 х2аЧу2Ь-2= 1 Показана часть ЭЦ Б с основанием ДсйЭг Показана часть Т эллиптической «подковы» ЭЦ с основанием А]аА2

Рис. 8. Расчетная схема (а); изолюксы £=0,45-0,65-0,86 и эквиангулярная линия А\аАг (угол образующей с осью конуса (/3= 10°) (б)); фотометрический рельеф ЭЦ А и эквиангулярная линия А\аА2 и рельеф ЭЦ£> (линия (в)

/

/ к

А

1 а<0 - 0, - \ >0 \

-30 -20 -10

10 20 30

а, град

0.2 0.4 0,6

у, отя. ед

Рис. 9. Зависимость Е=соэ асо$(у-а)

Рис. 10. Зависимость Е=Е(у)

Поскольку нахождение координат точек с заданными значениями облученности представляет трудоемкую задачу, найдем Е в ряде точек с х=сош1 (или у=солз1) и затем получим значение нужной нам координаты, при котором достигается заданная облученность. Облученность точки С(х„.ус)

Ег

10к2 [ООБ - ОМ)1 + у7с - (к2 + ОВ2) - ф2 + ¿Ж3 + угс)

{к2+0^+у2сУ

- 2(й2 +ОЯ1+у1с)2- (/г2 +ОВ2)2

(13)

затем строим вспомогательную кривую, задаваясь рядом значений ус (¡=1...4). Из рис.10 находим значение^ которое является корнем уравнения.

Приведенная методика позволяет производить «нацеливание» излучателей, обеспечивающее заданную равномерность облучения животных при заданной мощности.

В третьем разделе разработаны устройства и методика для исследования систем «Теплофон» лучистого инфракрасного обогрева.

Стенд испытательный лабораторный «Теплый угол» предназначен для проведения теплотехнических испытаний электронагревательных приборов потолочного, настенного, напольного исполнения: измерения температуры поверхности прибора; измерения температуры выходящего из прибора воздуха; измерения температуры поверхностей стен, потолка и пола испытательного стенда; измерения температуры окружающей среды; измерения плотности теплового потока; обработки, сохранения и выдачи результатов эксперимента в электронном виде.

Общий вид стенда приведен на рис. 11.

В состав стенда входят измеритель температуры многоканальный ИТ-2-96ДДШ2.396.005, доски измерительные, термопары, каркас.

Доски представляют собой лист березовой фанеры размерами 20x500x500 мм и 20x500x750 мм, покрытый черной матовой краской. На поверхности досок расположены медные диски диаметром 10 мм, толщиной 1 мм, покрытые с рабочей поверхности сажей для имитации «абсолютно черного тела», с приклеенными к внутренней стороне диска термопарами.

Рис. 1 1

Внешний вид доски измерительной представлен на рис. 12.

Программа измерения обеспечивает выполнение следующих функций: считывание измеренных значений в реальном масштабе времени с возможностью последующей обработки; выбор режима измерений: непрерывное . измерение или заданное количество циклов измерений (от 1 до 1000); возможность выбора интервала времени между циклами измерений (0...60 мин); выбор опрашиваемых каналов от 1 до 96; вывод в таблицу температуры холодных концов термопар; возможность вывода в таблицу времени измерения или номера текущего измерения; возможность вывода измеренных значений в таблицу в виде

Рис. 12

1) итм [мВ];

2) А,+А,икш+К2{итм)2+А,{итм)ъ+Ал{итм)" [Вт/м2];

3) А0+А{О+А2и2+А31^+Ал1/,

и=итм+в0+в, Тх+В2(Тх)2+В3(Тх?+В4(Тх? [°С],

(14)

(15)

(16) (17)

где Л0...Л4 и В0...В4 - коэффициенты полинома; £/„3„ - измеренное напряжение; Тх - температура холодных спаев термопар.

Методика исследования ИК-излучателей «Теплофон» ставит задачи: установить зависимость изменения температуры греющих поверхностей излучателей от приложенного напряжения; установить изменение энергетической светимости обогревателей при изменении питающего напряжения; определить параметры переходных процессов при коммутации излучателей.

На рис. 13 приведены зависимости температуры излучающих поверхностей обогревателей от питающего напряжения. Анализ 1фивых показывает, что температура имеет квадратичную зависимость от питающего напряжения.

t с Измерения температурного поля излучателя начинаются при крайнем нижнем расположении пола. После получения показаний поверхность пола поднимается на одну ступень вверх (500 мм). Поднятие пола производят ступенями по всей высоте стенда измерительного.

После получения результатов температуры приводят к температуре окружающей среды 20 °С.

По полученным результатам строятся кривые распределения температур. Построение кривых ведется в программных продуктах: MS Excel, MathCAD и др., в которых имеется возможность строить графики поверхностей в трех

200 2X0 220 230 240 U,t

Рис 13 Зависимость температуры излучающей поверхности обогревателей ЭРГНА 0,5/220 (п) КТ и ЭРГНА 0,7/220 (п)

координатных плоскостях.

При расчетах обогрева помещений необходимо учитывать степень черноты обогреваемых поверхностей.

Измерительный стенд прошел сертификацию в Красноярском центре сертификации и стандартизации. На прибор имеется Патент на полезную модель [16].

В четвертом разделе даны результаты исследований энергетических характеристик инфракрасных излучателей «Теплофон» и температурного поля, создаваемого ими.

При изменении напряжения сети в пределах ±5% по ГОСТЮ913-97, т.е. от 198 В до 242 В, что вполне ожидаемо в электрических сетях сельских жилых домов, изменение температуры излучающей поверхности обогревателя ЭРГНА 0,5/220 (п) КТ изменяется от 126°С до 160°С, что приведет к изменению энергетической светимости на 28,5%. Для обогревателя ЭРГНА 0,7/220 (п) при

изменении температуры от 93°С до 73°С энергетическая светимость изменится на 13,8%. Это должно быть учтено при установке законов регулирования напряжения на входе обогревателя. На рис. 14 приведены кривые нагрева и охлаждения обогревателя «Теплофон» ЭРГНА 0,5/220(п)КТ.

г, лит

0:00:00 0:20:00 0:40:00 1.-00:00 1:20:00 ^

а ЮЛ О 0:30:00 0:50:00 1:ХО.ОО 130:00

Рис. 14. Кривая нагрева и охлаждения обогревателя ЭРГНА 0,5/220 (п) КТ при 1>220В

Анализ кривых нагрева показывает, что время достижения рабочей температуры излучающей поверхности обогревателей, а также их охлаждения составляет около 15 минут.

Выполненный анализ энергетических характеристик обогревателей позволяет использовать их при установлении законов регулирования температур в конкретных помещениях в зависимости от теплоаккумулирующих свойств помещения, а также ввести соответствующие корректировки в тепловые режимы помещений при отклонениях уровней сетевого питающего напряжения.

Натурные наблюдения за тепловым режимом помещения, обогреваемого источниками лучистого тепла типа «Теплофон» серии ЭРГНА 0,4/220(п) КТ, производились для стационарного теплового режима в сельском кирпичном здании. Установленная температура помещения во время замеров оставалась постоянной и равной + 19°С.

Для замера температур был выбран термоэлектрический метод измерения прибором ТК-5.05 с цифровым отсчетом измерения температуры на экране с жидкокристаллическим индикатором.

Методика построения температурного поля помещения заключается в следующем. Вычерчивается план и профиль обследуемого помещения с расположением источников лучистого тепла, затем на полу помещения намечаются точки замеров, которые располагаются по вершинам углов квадратов со стороной один метр. По вертикали помещение разбивается на четыре уровня: 0, 120, 160, 220 см, в которых измеряется температура в точках, аналогичных сетке измерения на полу. Время между измерениями температуры рядом стоящими точками определяется показателем тепловой инерции прибора

(6 секунд). На вычерченном плане в точках измерений наносятся значения измеренной температуры с точностью до двух знаков после запятой, после чего вычерчиваются эпюры изменения температуры и определяются максимальные величины как в каждом уровне (по осям х и у).

Таблица 3 - Результаты анализа температурного поля помещения

Средняя температура воздуха каждого уровня 11=0 Ь=1,2 11=1,6 11=2,2 д/ =/ -г ср ср шах ср гаи!

18,67 18,72 19,15 19,39 0,71

А', = С„.х _ Кшт 4,1 0,7 0,3 0,6

Д*, =- 5,0 0,8 0,3 0,2

АЛ -1 г г шах лшп 3,7 2,1 3,2 3,7

Анализ теплового поля помещения по данным таблицы 3 показывает удовлетворительное распределение температуры по объему помещения. Различие средних температур по разным уровням замеров составляет всего 0,71°С, а разброс температур на самих уровнях - от 4,1°С на полу помещения до 0,6...0,2°С на средних уровнях. Максимальная разность температур по вертикали по высоте роста человека составляет от 2,1°С до 3,7°С. Самыми холодными зонами являются зоны у окон и дверей, но они удовлетворяют регламентируемым Красноярской городской администрацией нормам обогрева помещения.

Исследования температурного поля помещения показывают, что для создания комфортного теплового климата для помещения объемом 28,8 м3 достаточно двух потолочных обогревателей мощностью по 400 Вт каждый, расположенных на потолке помещения.

Для аналитического описания распределения температуры в технологическом помещении используется физическая модель тепловой трубы, в которой установлено теплопередающее устройство «Теплофон» ЭРГНА, способное передавать большие тепловые мощности при ограниченных геометрических размерах помещения.

Физическая модель «Тепловая труба + тепловая волна» с периодическими изменениями распределения температуры внутри комнаты и частотами по направлениям координатных осей Ох, Оу, Ог выражается математической моделью температурного поля Я[х,у,г), представляемой аппаратом кратных рядов Фурье:

(2кхжх\ „ (2кхях^

В.(х,у,г) = С + ^ £ + 8Ю(

{ Тх

+

'.К/' (2Ьжг\ „ (1\ата\

Л-^=созЬп|

^(й (2кхжх\ (2кулу\ (гьтау 2, [-I сов I-— 1соя1 —--I

I

/Ь=1

пу ( пх /-.г \ /-,7 > Гц ^

| ^ , | 2КХ71Х 1 | ¿кулу I . | 2/ежг | |

ку = пу ( ПХ

Ё Е Скх,ку,кг ку=\\кх=1

2кхтгхЛ . [ 2купу | [ 2кг л%

пг пу ( ПХ

X X X «ч

Тх ( 2кхл.

\ ТУ

Г

£ X еь,ку,ь »п

П1 ( пу ( пх

X I Е /fa.i7.fc

I, Тх Г 2кхю

{1гГ

( 2 кхтгхЛ

Л . (2кукуЛ . - ЯП —эн ) { Ту )

V Тг ( 2 Ьяг\

СОБ

Г 2ку7гу] ( 1 ее«

I ТУ )

( 2кулу

Л Тх ) { Ту

X

/Ь = 1

пу ( лх

X X £кх,ку,Ь

. (2кхях эш

X X ^кх.ку.Ь \ку= 1 к. А=с=1

( Тх . ( 2 кх

К Тг

. ( 2 кг7п эш -

I Тг

( 2кг та 8 -

I Тг

Л . (2кулу)

' 8Ш -С

) { Ту )

(18)

где Я(х,у,г) - температура в точке с координатами (х,у,г); Тх, Ту и Г2 -периоды колебаний волны по направлениям Ох, Оу и Ог.

На рис. 15 показано построение линий уровня температуры в зависимости от координат х и у в прямоугольном сечении помещения, на рис. 16 - то же, в координатах г и у, а на рис. 17 - поле градиентов в зависимости от координат х и у с показом зон турбулентности.

5000 6000

* г-0., Х-0...6000, у-0...3200

Рис. 15

I! |) \ \ \ и | а

4000 5000 у=800., Х=0...6000, 2=0...2200

Рис. 16

турбулекпши

ММШММИ ЦП 1ПМ±

Рис. 17

Рис. 18

На рис. 18 показано поле градиентов температур в обследуемом помещении. Стрелками показано направление изменения поля температур от более нагретых слоев.

Анализ линий уровня температур подтверждает удовлетворительное распределение температур по помещению, обогреваемому «Теплофоном».

В пятом разделе дано технико-экономическое обоснование применения инфракрасных обогревателей «Теплофон» в жилых зданиях сельских территорий на примере Устюгской сельской больницы Емельяновского района. Экономический эффект по эксплуатационным расходам составил 0,46 млн. руб. в год, по капиталовложениям - 1,6 млн.руб. в год, совокупный экономический эффект - 2,1 млн.руб. в год.

Срок окупаемости проекта составляет 1,4 года, что экономически выгодно.

ВЫВОДЫ

1. Исследование современного состояния вопроса по использованию установок лучистого обогрева для создания комфортности в жилых и животноводческих помещениях сельских территорий выявило, что по всем показателям используемые конвекторные системы отопления уступают системам лучистого обогрева. Установлена более высокая энергетическая эффективность источников лучистого тепла по сравнению с конвекторами водяного отопления. При одинаковой удельной мощности греющей поверхности материалоемкость конвекторов составляет 55-60 кг/кВт, для инфракрасных излучателей ЭРГНА - 0,8-1,7 кг/кВт; эксплуатационные затраты составляют 20 и 1,7 руб/м2 месяц соответственно. Доля излучаемой мощности от температуры для чугунной батареи МС-140 при температуре греющей поверхности 100°С составляет всего 10%, для ЭРГНА около 30%. По своим конструктивным показателям (1Р, техника безопасности) обогреватели ЭРГНА пригодны для использования как в жилых, так и в животноводческих помещениях.

2. При моделировании электротехнологического обогрева жилых домов и животноводческих помещений доказана общность методик расчета облучательных и осветительных установок, что позволяет использовать более простые светотехнические методы расчетов для оценки передаваемого количества энергии от инфракрасных излучателей к обогреваемым объектам

Разработанные модели и методики расчета теплового поля для облучения сельскохозяйственных животных на основе методики суперпозиций тепловых потоков от разных источников инфракрасного излучения позволяют производить расчет путем сложения значений облученности, полученных точечным методом.

3. Разработаны методики на основе расчета теоретических моделей тепловых полей при наклонно расположенных облучателях для обогрева «гнезд» молодняка животных и при электронагревателях, расположенных в

ряд и размещенных на потолке и стенах помещения, которые показывают, что лучшим вариантом является размещение обогревателей в верхней части степ, позволяющее более равномерно распределять лучистую энергию по помещению.

4. В результате разработки устройств и методик исследования систем лучистого инфракрасного обогрева «Теплофон» разработан, изготовлен и запатентован компьютерный испытательный стенд для проведения теплотехнических измерений «Теплый угол», позволяющий по разработанной методике провести исследования энергетических характеристик обогревателей «Теплофон» всех типов.

5. По результатам выполненных теоретических исследований на основе расчетного алгоритма тройного ряда Фурье создана компьютерная программа для исследования температурных полей в помещении, проведен анализ энергетических характеристик обогревателей ЭРГНА, показывающий, что при отклонениях питающего напряжения на 10% энергетическая отдача обогревателей изменяется на 28%.

6 Технико-экономический анализ результатов внедрения обогревателей ЭРГНА в одной из сельских больниц Красноярского края составил 2,1 млн. руб. в год. Срок окупаемости составил 1,4 года, для сельских жилых и сельскохозяйственных помещений реализовано более 200 тыс. шт. изделий ЭРГНА различных мощностей для разных зон Российской Федерации.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы

а) В рекомендованных ВАК изданиях

1. Лапицкий, А Г. Новые приборы длинноволнового обогрева для общественных и жилых зданий / А.Г. Лапицкий // Вестник КрасГАУ. Спецвыпуск «Электротехника и экономика». - Красноярск, 2002. - С.77-80.

2. Лапицкий, А.Г. Испытательный стенд для проведения теплотехнических измерений «Теплый угол» / Т.В. Петраченко, Я.А. Кунгс, А.Г. Лапицкий, Д.С. Дыба // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2006 - Вып. 13. - С.307-313.

3. Лапицкий, А.Г. Энергетические характеристики инфракрасных потолочных обогревателей / Т.В. Петраченко, Я.А. Кунгс, А.Г. Лапицкий // Вестн. КрасГАУ. - Красноярск, 2007. - Вып. 3. - С.227-229.

б) В других изданиях

4. Лапицкий, А.Г Оптимизация расположения ламбертовых излучателей на стене / А.Г. Лапицкий, Д.Ю. Дорофеева, Е.В. Степанова, В.Д. Никитин // Аграрная наука на рубеже веков: мат-лы науч.-практ. конф. -Красноярск, 2007. - С.139-143.

5. Патент на полезную модель 34838 Российская Федерация. Энергонагреватель / А.Г Лапицкий, А.П. Шангин, H.A. Вержболович, В.В. Звоник, Н.В. Цугленок; заявл. 10.12.2003.

6. Патент на полезную модель 50358 Российская Федерация. Электрообогреватель / А Г. Лапицкий, А.П. Шангин, В.В. Звоник, В.Н. Цугренок, Т.В. Петраченко, Д.С. Дыба; заявл. 27.12.2005

7. Патент на полезную 49667 Российская Федерация. Электронагреватель /

A.Г. Лапицкий, А.П. Шангин, В.В. Звоник, В.Н. Цугленок; заявл. 27.11.2005.

8. Патент на полезную модель 38901 Российская Федерация. Электронагревательная стеновая панель / А.Г. Лапицкий, А.П. Шангин,

B.В. Звоник, В.Н. Цугленок; заявл. 10.07.2004.

9. Лапицкий, А.Г. О создании систем лучистого и лучисто-конвекторного " теплообмена в жилых помещениях / A.B. Бастрон, Я.А. Кунгс, А Г.

Лапицкий, Н.В. Цугленок // Энергетика и энергосбережение: прил. к «Вестнику КрасГАУ». - Красноярск, 2003. - С.48-53.

10.Лапицкий, А.Г. Проектирование инженерных систем сельских жилых, домов: учеб. пособие / A.B. Бастрон, Т.Н. Бастрон, Я.А. Кунгс, А.Г. Лапицкий, В.Д. Леонтьева, П.Н. Семичевский, В.Н. Цугленок, Н.В. Цугленок. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2003. - 130 с.

11 Лапицкий, А Г. Существующие методы расчета лучистого отопления и оценка комфортности помещения / A.B. Бастрон, Я.А. Кунгс, А.Г. Лапицкий, Н.В. Цугленок // Энергетика и энергосбережение: прил. к «Вестнику КрасГАУ». - Красноярск, 2003. - С. 45-48.

И.Лапицкий, А Г Расчет ламбертовых излучателей в свето- и теплотехнике / А Г Лапицкий, Д.Ю. Дорофеева, О С. Шегоракова, В Д. Никитин // Аграрная наука на рубеже веков: мат-лы регион науч.-практ конф. / Краснояр.гос.аграр.ун-т. - Красноярск, 2007. - С.143-148. 13 Лапицкий, А.Г Расчет поля лучистых излучателей в свето- и теплотехнике / Д.Ю. Дорофеева, О.С. Шегоракова, В.Д. Никитин, А Г Лапицкий, Я.А. Кунгс // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: мат -лы VII Всерос. науч.-практ. конф. - Красноярск, 2006. -С.39-42.

14.,Лапицкий, А Г. Обогрев сельских жилых и животноводческих помещений источниками инфракрасного излучения / Я.А. Кунгс, А.Г Лапицкий, В.Д. Никитин, Н.В. Цугленок; под общ. ред. Н.В. Цугленка. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2008. - 144 с.

15.Патент на полезную модель 59925 Российская Федерация. Электрообогреватель / А.Г. Лапицкий, А.П. Шангин, В.В. Звоник, В.Н. Цугленок; заявл. 21.08 2006.

16.Патент на полезную модель 63524 Российская Федерация. Испытательный стенд для измерения температуры / А Г. Лапицкий, А.П. Шангин, В.В. Звоник, В Н Цугленок; заявл. 09.01.2007.

17.Патент на полезную модель 67374 Российская Федерация. Гибкий электронагреватель / А Г Лапицкий, А.П. Шангин, В.В. Звоник, В.Н. Цугленок; заявл. 10.05.2007.

18. Патент на полезную модель 67373 Российской Федерации. Электронагреватель-конвектор I А.Г Лапицкий, А.П Шангин, В.В. Звоник, В.Н. Цугленок; заявл. 10.10.2007.

Санитарно-эпидемиологическое заключение № 24 49 04.953 П 000381 09 03 от 25 09 2003 г. Подписано в печать 13 10 08 Формат 60x84/16 Бумага тип № 1 Печать-ризограф. Объем 1 Оп л ТиражЮОэкз 3аказ№1730 Издательство Красноярского государственного аграрного университета 660017, Красноярск, ул Ленина, 117

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УСТАНОВОК ЛУЧИСТОГО ОБОГРЕВА ДЛЯ СОЗДАНИЯ КОМФОРТНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ В ЖИЛЫХ И ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ

ПОМЕЩЕНИЯХ.

1.1 Анализ существующих устройств для обогрева помещений.

1.2.Анализ существующих разработок в области лучистого обогрева помещений.

1.3.Анализ конструкций установок лучистого отопления.

1.4. Анализ систем отопления радиационными панелями.

1.5. Анализ условий комфортности в жилых и животноводческих помещениях.

1.6. Выводы по главе.

ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ И МЕТОДЫ

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ОБОГРЕВА ЖИЛЫХ

ДОМОВ И ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЙ.

2. Возможности использования методик светотехнических расчетов в системах лучистого обогрева.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Точечный метод исследования теплового поля.

2.3. Расчет облученности методом коэффициента использования (МКИ).

2.4. Использование светотехнических теорий при исследовании ИК облучательных установок.

2.5. Определение угловых коэффициентов излучения и их связь с коэффициентом первичного использования, геометрическим фактором и коэффициентом освещенности в задачах обогрева животноводческих помещений.

2.6. Оптимизация расположения ламбертовых излучателей на стене.:.

2.7. Исследование некоторых способов инфракрасного обогрева животноводческих помещений.

2.8. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА И МЕТОДИК ДЛЯ

ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ «ТЕПЛОФОН» ЛУЧИСТОГО ИНФРАКРАСНОГО ОБОГРЕВА.

3.1. Испытательный стенд для проведения теплотехнических измерений «Теплый угол».

3.2. Методика исследования ИК излучателей «Теплофон».

3.4. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ИНФРАКРАСНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ «ТЕПЛОФОН» И ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ПОМЕЩЕНИЯ

СОЗДАВАЕМОГО ИМИ.

4.1. Результаты исследования энергетических характеристик обогревателей «Теплофон» типов ЭРГНА 0,5/220(п) кт и ЭРГНА 0,7/220(п).

4.2. Методика и результаты исследования температурного поля помещения, оборудованного ИК - источниками «Теплофон».

4.3. Результаты моделирования температурного поля.

Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

ПРИМЕНЕНИЯ ИНФРАКРАСНЫХ ОБОГРЕВАТЕЛЕЙ «ТЕПЛОФОН» В ЖИЛИЩНЫХ ЗДАНИЯХ СЕЛЬСКИХ ТЕРРИТОРИЙ.

5.1. Методика расчета экономического эффекта внедрения обогревателей ЭРГНА в сельских зданиях.

5.2. Краткая характеристика помещений Устюгской сельской больницы, в которой внедряются панели «Теплофон».

5.3. Теплотехнический расчет помещений больницы для определения количества внедряемых панелей «Теплофон».

5.3.1. Исходные данные для расчета:.

5.4. Определение годовых теплопотерь в помещениях больницы.

5.5. Результаты расчета экономической эффективности внедрения панелей «Теплофон» в помещениях больницы.

5.5. Выводы по главе.

Актуальность темы обусловлена необходимостью оптимизации принципов, методов, способов и средств теплоснабжения как жилых, так и производственных, технологических помещений. Крайне неудовлетворительное состояние тепловых сетей ЕЭС России, а также ведомственных сетей теплоснабжения отдельных агропромышленных предприятий приводит к высокой аварийности и связанной с этим низкой надежностью теплоснабжения, а также к высоким теплопотерям. Нельзя также забывать и об экологической опасности, связанной с использованием традиционных источников энергии.

В настоящее время более 90% вырабатываемой тепловой энергии в сельскохозяйственном производстве создается котельными установками водяного или парового отопления. Они работают по схеме: котельная установка - тепловые сети - отопительные приборы. При этом часть выработанной тепловой энергии теряется как в самой теплогенерирующей установке, так и в тепловых сетях из-за плохой теплоизоляции и других факторов. Теплоисточниками в этих установках являются каменный уголь, мазут, газ и другие невосполняемые источники энергии.

Существующие в настоящее время схемы управления температурой в помещениях с водяным отоплением не способны обеспечить должную стабильность температуры, они сложны и имеют высокую стоимость.

В этих условиях применение систем индивидуального лучистого электрического отопления радиационными (ИК) панелями, снабженными наиболее простыми регулирующими установками, позволит значительно снизить расход энергетических ресурсов.

Исследования по данному направлению проводились по плану НИР КрасГАУ в соответствии с заданием 09.02 «Разработать новые наукоемкие электротехнологии и оборудование для энергетического обеспечения технологий производства сельскохозяйственной продукции и социально -бытовой сферы села на 2006 - 2010 годы». 5

Цель работы - обоснование использования источников инфракрасного излучения «Теплофон» в сельских жилых и животноводческих помещениях для повышения энергетической эффективности установок обогрева.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач: провести анализ современного состояния вопроса по применению установок лучистого обогрева для создания теплового комфорта в жилых и животноводческих помещениях;

- разработать модели и методы расчета электротехнологического обогрева жилых домов и животноводческих помещений; разработать устройства и методики по исследованию систем лучистого инфракрасного обогрева «Теплофон»;

- провести исследования по использованию систем лучистого отопления «Теплофон» в сельских жилых и животноводческих помещениях;

- дать технико-экономическое обоснование применения инфракрасных обогревателей «Теплофон» (ЭРГНА) в сельских жилых и животноводческих помещениях.

Объект исследования - процессы теплоснабжения жилых и сельскохозяйственных помещений электронагревательными панелями ЭРГНА «Теплофон».

Предмет исследования — закономерности влияния лучистого потока на нагрев жилых и сельскохозяйственных помещений.

Методы исследования - решение поставленных задач осуществлялось на основе методов математического и физического моделирования с использованием измерительной и вычислительной техники, методами гармонического анализа для исследования тепловых полей в помещении.

Научная новизна исследования состоит: в разработке аналитических и графических моделей теплового поля лучистого отопления жилых и сельскохозяйственных помещений тепловыми панелями;

- разработке методики суперпозиции тепловых полей при совместном действии в помещении нескольких излучателей;

- разработке методики эффективности расположения излучающих панелей, и определение наивыгоднейших мест их размещения;

- разработке методики, создании испытательного стенда для измерения параметров тепловых полей и характеристик источников инфракрасного излучения;

- получении результатов по экономии энергозатрат и выпуске новых типов изделий «Теплофон».

Практическая значимость работы состоит в разработке технических условий и организации выпуска источников лучистого тепла «Теплофон» в жилых и животноводческих помещениях.

Реализация результатов - разработанная техническая документация используется фирмой «Теплофон» для создания лучистых систем обогрева, к настоящему времени осуществлен серийный выпуск четырех модификаций приборов лучистого обогрева в общем количестве 200 тысяч экземпляров; результаты исследований используются в учебном процессе КрасГАУ и Томского политехнического университета.

Автор защищает:

- процессы обогрева жилых и производственных помещений АПК приборами индивидуального лучистого отопления панелями «Теплофон»;

- методики и модели расчета полей ИК-отопления радиационными панелями;

- конструкцию измерительного стенда и методики измерения для исследования энергетических параметров радиационных панелей и создаваемых ими тепловых полей; "

- конструкцию панелей «Теплофон» и «Зипгат»;

- результаты исследования и внедрения научно-практических разработок.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались на IV и V Всероссийских научно-практической конференциях «Красноярск. Энергоэффективность: достижения и перспективы» (ноябрь 2003г., ноябрь 2004г.), VII и VIII Всероссийских научно-практической конференциях -выставках «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (декабрь 2006г., декабрь 2007г.), региональной научно-практической конференции «Аграрная наука на рубеже веков» (Красноярск, 2007), V международной научно-практической конференции Сибирского Федерального округа (Красноярск, 2007).

Личный вклад автора

В работах, выполненных в соавторстве, вклад состоит в разработке расчетных математических и физических моделей, алгоритмов и программного обеспечения по расчету тепловых полей в помещениях; в разработке измерительной системы «Теплый угол», в создании технических заданий и технических условий по выпуску источников лучистого тепла под торговым названием «Теплофон» и «Sanrain», в проведении натурных экспериментов, в организации крупных серий выпуска обогревателей ЭРГНА.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения (5 страниц), пяти глав (48 страниц, 47 страниц, 14 страниц, 25 страниц, 14 страниц соответственно), списка использованных источников 90 наименований на 6 страницах и приложений (19 страниц). Общий объем работы 180 страниц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Исследование современного состояния вопроса по использованию установок лучистого обогрева для создания комфортности в жилых и животноводческих помещениях сельских территорий выявил, что по всем показателям используемые конвекторные системы отопления уступают системам лучистого обогрева. Установлено, что более высокая энергетическая эффективность источников лучистого тепла по сравнению с конвекторами водяного отопления: при одинаковой удельной мощности Вт/м" греющей поверхности материалоемкость конвекторов кг/кВт составляет 55-60, для инфракрасных излучателей ЭРГНА - 0,8-1,7; эксплуатационные затраты руб/м" месяц -20 и 1,7 соответственно. Доля излучаемой мощности от температуры для чугунной батареи МС-140 при температуре греющей поверхности 100° составляет всего 10%, для ЭРГНА около 30%. По своим конструктивным показателям (1Р, техника безопасности) они пригодны для использования как в жилых, так и в животноводческих помещениях.

2. При моделировании электротехнологического обогрева жилых домов и животноводческих помещений доказана общность методик расчета облучательных и осветительных установок, что позволяет использовать более простые светотехнические методы расчетов для оценки передаваемого количества энергии от инфракрасных излучателей к обогреваемым объектам.

Разработанные модели и методики расчета теплового поля для облучения сельскохозяйственных животных на основе методики суперпозиций тепловых потоков от разных источников инфракрасного излучения, позволяют производить расчеты путем сложения значений облученности, полученных точечным методом расчета.

3. Разработаны методики на основе расчета теоретических моделей тепловых полей при наклонно расположенных облучателях для обогрева «гнезд» молодняка животных, и при электронагревателях, расположенных в ряд и размещенных на потолке и стенах помещения, которые показывают,

159 что лучшим вариантом является размещение обогревателей в верхней части стен, позволяющее более равномерно распределять лучистую энергию по помещению.

4. В результате разработки устройств и методик исследования систем лучистого инфракрасного обогрева «Теплофон» разработан, изготовлен и запатентован компьютерный испытательный стенд для проведения теплотехнических измерений «Теплый угол», позволяющий по разработанной методике провести исследования энергетических характеристик обогревателей «Теплофон» ЭРГНА 0,5/220 и ЭРГНА 0,7/220.

5. По результатам выполненных теоретических исследований на основе расчетного алгоритма тройного ряда Фурье создана компьютерная программа для исследования температурных полей в помещении, проведен анализ энергетических характеристик обогревателей ЭРГНА, показывающий, что при изменении питающего напряжения на 10%, энергетическая отдача обогревателей изменяется на 28%.

6. Технико-экономический анализ результатов внедрения обогревателей ЭРГНА в одной из сельских больниц Красноярского края составил 2,1 млн.руб.в год. Срок окупаемости составил 1,4 года, для сельских жилых и сельскохозяйственных помещений, реализовано 200 тыс. шт. изделий ЭРГНА различных мощностей для различных зон Российской Федерации.

1. Богословский, В.Н. Строительная теплофизика. Теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха: учебник для вузов / В.Н.Богословский. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1982.-415 с.

2. Блох, А.Г. Теплообмен излучением. Справочник. / А.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, JI.H. Рыжков. М: Энергоатомиздат, 1991 432 е.: ил.

3. Чечешкин, A.B. Теплотехника: Учеб. Для хим.-гехнол. спец. вузов. /

4. A.B. Чечешкин, H.A. Занемонец М: Высш.шк. 1986. - 344 е.: ил.

5. Баскаков, А.П. Теплотехника: Учеб. для вузов. / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, O.K. Витт и др.: Под ред. А.П. Баскакова. 2-е изд. перераб. - М.: Энергоатомиздат. 1991. - 224 е.: ил.

6. Исаченко, В.П. Теплопередача: учебное пособие / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, A.C. Сукомел. 4-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергия, 1981.

7. Григорьев, В.А. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник. / В.А. Григорьев, В.М. Зорин: Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М: Энергоатомиздат, 1988. - 557 с.

8. Архаров, A.M. Теплотехника / A.M. Архаров, С.П. Исаев, H.A. Кожинов и др. Под общ. ред. В.Н. Крутова. М.: Машиностроение.8. http://www.ventobomd.rn/page/radiatorchug.htm

9. Лапицкий, А.Г. Электрообогреватель / А.Г. Лапицкий, А.П. Шангии,

10. B.В. Звоник, В.Н. Цугленок // Патент на полезную модель №59925 от 21.08.2006г.

11. Лапицкий, А.Г. Гибкий электронагреватель / А.Г. Лапицкий, А.П. Шангин, В.В. Звоник, В.Н. Цугленок // Патент на полезную модель №67374 от 10.05.2007г.

12. П.Лапицкий, А.Г. Электрообогреватель конвектор / А.Г. Лапицкий,

13. A.П. Шангин, В.В. Звоник, В.Н. Цугленок // Патент на полезную модель №67373 от 10.10.2007г.

14. Лапицкий, А.Г. Электрообогреватель / А.Г. Лапицкий, А.П. Шангин, H.A. Вержболович, В.В. Звоник, В.Н. Цугленок // Патент на полезную модель №34838 от 10.12.2003г.

15. Лапицкий, А.Г. Электрообогреватель / А.Г. Лапицкий, А.П. Шангин,

16. B.В. Звоник, В.Н. Цугленок, Т.В. Петраченко, Д.С. Дыба // Патент на полезную модель №50358 от 27.12.2005г.

17. Сканави, А.Н. Конструирование и расчет систем водяного и воздушного отопления зданий / А.Н. Сканави. 2-е изд., перераб. и доп.-М: Стройиздат, 1983. -304с.: ил. -Библиогр.: с.301-302.

18. Оптимизация расположения ламбертовых излучателей на стене / А.Г. Лапицкий и др. // Сб. материалов научно-практ. конф. «Аграрная наука на рубеже веков». Красноярск, 2007. с. 139-143.

19. Богословский, В.Н. Тепловой режим гражданских зданий / В.Н. Богословский Мат-лы совещания: Тепловой режим жилых и общественных зданий из крупномерных элементов. Вып. II, М.: Стройиздат, 1964. — 20 с.

20. Богословский, В.Н. Тепловой режим зданий / В.Н. Богословский. — М.: Стройиздат, 1979. 248 с.

21. Табунщиков, Ю.А. Расчеты температурного режима помещения и требуемой мощности для его отопления или охлаждения / Ю.А. Табунщиков. М.: Стройиздат, 1981. — 82 с.

22. Табунщиков, Ю.А. К расчету лучистого теплообмена в помещениях / Ю.А. Табунщиков, В.Д. Патокин, А.Ч. Байриаев // Санитарная техника: сб.тр. Ашхабад: Изд. Минвуза ТССР, 1982., с .120-123.

23. Шкловер, A.M. Теплоустойчивость зданий / A.M. Шкловер. М: Госстройиздат, 1952. - 166 с.

24. Шкловер, A.M., Основы строительной теплотехники жилых и общественных зданий. A.M. Шкловер, Васильев Б.Ф., Ушаков В.Ф.,-М.: Госстройиздат, 1956. 350с.

25. Фокин, К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. / К.Ф. Фокин М.: Стройиздат, 1973. - 287 с.

26. Higbie, H. Prediction of daylight from vertical windows. / H. Higbie Transaction of the Illuminating Engineering Society. 1925. - XX №5.

27. Higbie, H. Prediction of daylight from sloping windows. / H. Higbie, A. Levin Transaction of the Illuminating Engineering Society. — 1926. — XXI №3.

28. Мешков, B.B., Осветительные установки. / B.B. Мешков — M.: Госэнергоиздат, 1947.

29. Мешков, В.В., Основы светотехники. / В.В. Мешков М.: Энергия, 1979.

30. Волоцкой, Н.В. Электрическое освещение производственных и гражданских зданий / Н.В. Волоцкой, Г.М. Кнорринг и др. Д.: Энергия, 1964.

31. Кнорринг, Г.М., Светотехнические расчеты в установках искусственного освещения. Г.М. Кнорринг-Д.: Энергия, 1973. — 200с.

32. Справочная книга по светотехнике / под руководством Ю.Б. Айзенберга. М.: Энергоатомиздат, 1983. —с.472.

33. Никитин, В.Д. Расчет освещенности точечным методом. / В.Д. Никитин — Томск, изд-во ТПУ, 1985.

34. Вайнштейн, В.Б. Светотехнические установки. / В.Б. Вайнштейн, В.Д. Никитин Томск: Изд-во ТПУ, 1978.

35. Растимешин, С.А. Локальный обогрев молодняка животных. / С.А. Растимешин —М.: Агропромиздат.1991. —с. 140.

36. Быстрицкий, Д.Н. Электрические установки ИК обогрева в животноводчестве / Д.Н. Быстрицкий, Н.Ф. Кожевникова, А.К. Лямцов и др. -М.: Энергоиздат, 1984. 152 с.

37. Расстригин Н.В. Система автоматического управления локальным обогревом поросят / Н.В. Расстригин, С.А. Растимешин, П.В. Дарулис,

38. A.B. Кузьмичев // Автоматиз. производств. Процессов в сел. хоз-ве: Тез. докл. Всес. научн. технич. конф. - М.: Госагропром СССР, 1989. -с. 136-137

39. Расстригин, Н.В. Основы электровикации тепловых процессов в сельскохозяйчтвенном производстве / Н.В. Расстригин. — М: Агропромиздат, 1988. -255 с.

40. Быстрицкий, Д.Н.Электрические установки инфракрасного излучения в животноводчестве. / Д.Н. Быстрицкий и др. М.: Энергоатомиздат, 1981.39.http://www.cooker.ru/spaceheater/detaile.40.http://www.electric-house.ru.

41. Лапицкий, А.Г. Новые приборы длинноволнового обогрева для общественных и жилых зданий. / А.Г. Лапицкий // Вестн. КрасГАУ. — Красноярск, 2002 №2. - С.77-80.

42. Лапицкий, А.Г. Электронагреватель. / А.Г. Лапицкий, А.П. Шангин,

43. B.В. Звоник, В.Н. Цугленок Патент на полезную модель №49667 от 27.11.2005.

44. Лапицкий, А.Г. Электронагревательная стеновая панель. А.Г. Лапицкий, А.П. Шангин, В.В. Звоник, В.Н. Цугленок Патент на полезную модель №38901 от 10.07.2004.44.Журнал АВОК. 2003. -№645.http://www.abok.ru.

45. Лапицкий, А.Г. О создании систем лучистого и лучисто-конвекторного теплообмена в жилых помещениях. / А.Г. Лапицкий, A.B. Бастрон, Я.А. Кунгс, Н.В. Цугленок // Энергетика и энергосбережение: прил. к «Вестнику КрасГАУ» Красноярск, 2003. -с.48-53.

46. Герасимович, Л.С. Сравнительная оценка ИК обогревателей / Л.С. Герасимович, И.И. Хохлова // Техника в сельск. хоз-ве. 1982. - №1. — с. 23-24.

47. Филиппов, В.И. Энергетические характеристики облучателей для молодняка сельскохозяйственных животных. / В.И. Филиппов, В.М. Мухин, А.П. Слободской // Электротехника. -—1980. —№9. —С.27-30.

48. Ушкалов, В.Ю. Перспективы применения источников лучистого тепла в сельском хозяйстве для обогрева молодняка животных. В.Ю. Ушкалов, Я.А. Кунгс, // Аграрная наука на рубеже веков: матер-лы регион-ой науч.-практ. конф. — Красноярск, 2006. С. 334.

49. Ушкалов, В.Ю. Создание локализованных зон обогрева молодняка как путь снижения энергозатрат на обогрев / Я.А. Кунгс, В.Ю. Ушкалов // Аграрная наука на рубеже веков. Красноярск, 2007. - с. 149-152.52.http://progressenergo.ru/snip/p20801-89/r2.html.

50. Егиазаров, А.Г. Отопление и вентиляция зданий и сооружений сельскохозяйственных комплексов / А.Г. Егиазаров. М.: Стройиздат, 1981.-с. 239.

51. Егиазаров, А.Г. Расчет средств локального обогрева молодняка сельскохозяйственных животных / А.Г. Егиазаров, С.А. Растимешин //

52. Экономия энергии в сист. Отопления, вентиляции и кондиционир. воздуха / Научн. тр. МИСИ. М.: 1985. с. 74-85.

53. Барошфи, И. Энегросберегающие технологии и агрегаты на животноводческих фермах: Пер. с венг. / И. Барошфи, П. Рафан. М.: Агропромиздат, 1988. - 228 с.

54. Жилинский, Ю.М. Электрическое освещение и облучение / Ю.М. Жилинский, В.Д. Кумин. — М.: Колос, 1982. с.272.

55. Кожевникова, Н.Ф. Применение оптического излучения в животноводчестве / Н.Ф. Кожевникова, JI.K. Алферова, А.К. Лямцов. -М.: Россельхозиздат, 1987. — с.87.

56. Лапицкий, А.Г. Существующие методы расчета лучистого отопления и оценка комфортности помещения. / A.B. Бастрон, Я.А. Кунгс, А.Г. Лапицкий, Н.В. Цугленок // Энергетика и энергосбережение: прилож. к «ВестникуКрасГАУ». —Красноярск, 2003. —с.45-48.

57. Гамкрелидзе, Р.В. Оптимальный режим / Р.В. Гамкрелидзе «Докл. АН СССР», 1962, т 143, №6, с. 1243-45.

58. Понтрягин, Л.С. Математическая теория оптимальных процессов / Л.С. Понтрягин, В.Г. Болтянский, Р.В. Гамкрелидзе, Е.Ф. Мищенко. 2 изд., М.: 1969.

59. Лоран, П. Аппроксимация и оптимизация, пер. с франц. / П. Лоран. -М.: 1975.

60. Исаченко, В.П.Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, A.C. Сукомел —М.: Энергоатомиздат, 1981.

61. Christiansen, С., Absolute Bestimmungdes Emisions und Absoebtionsvermogens fur Warmes, Ann. Physik, Wied 19.267-283, 1883.

62. Расчет ламбертовых излучателей в свето-и теплотехнике. / А.Г. Лапицкий и др. // Аграрная наука на рубеже веков: мат-лы регион, науч.-практ. конфер. Красноярск: Изд-во КрасГАУ. — с. 143-148.

63. Бронштейн, И.Н. Справочник по математике. / И.Н. Бронштейн, K.JI. Семендяев -М.: Наука, 1986. -544с.

64. Nusselt, W. Graphische Bestimmung Winkelverhaltnisses beider Warmestralung 72, 637 (1928)

65. Рубцов, Н.А.Геометрические инварианты излучения. / H.A. Рубцов, В.А. Лебедев Новосибирск: изд-во СО АН СССР, 1989. 500с.

66. Блох, А.Г. Теплообмен излучением: / А.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, Л.Н. Рыжков, справ. -М.: Энергоатомиздат, 1991. —380с.

67. Никитин, В.Д. Расчет прямой составляющей освещенности. / В.Д. Никитин, -Томск: изд-во ТПУ, 1992. -89с.

68. Яковлев, E.H. Расчет освещенности от больших светящихся поверхностей. / E.H. Яковлев // Светотехника. 1935. —№7.

69. Рубцов H.A. Теплообмен излучением в сплошных средах / H.A. Рубцов. М: Энергоатомиздат, 2984. С.278.

70. Einhorn, Н. Lonal method and linear sources. / Ii. Einhorn // Trans.of the IES. London, 1965. -№4.

71. Ключников А.Д. Теплоотдача излучением в огнетехнических установках / А.Д. Ключников. М: Электронная библиотека «Нефть-ГАЗ». 1970.-С.400.

72. Якоб, М. Вопросы теплопередачи. / М. Якоб. М.: Изд-во иностр. лит; 1960.

73. Сперроу, Э.М. Теплообмен излучением. / Э.М. Сперроу, Р.Д. Сесс Л.: Энергия, 1971,-56с.

74. Харьке В. Умный дом / В. Харьке. М: Изд-во «Техносфера», 2006. -с.290.

75. ГОСТ16617-87 Электроприборы отопительные бытовые. Общие технические условия. М.:ИПК Изд-во стандартов, 1999. -19с.

76. Лапицкий, А.Г. Испытательный стенд для проведения теплотехнических измерений «Теплый угол» / Т.В .Петроченко, А.Я. Кунгс, А.Г. Лапицкий, Д.С. Дыба // Вестн. КрасГАУ: науч. -техн. журн.№3. -Красноярск, 2006. -с.307-313.

77. Методика определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники. -М., 1998-214с.

78. ГОСТ Р8.585-2001. Государственная система обеспечения единства измерений. Термопары. Номинальные статистические характеристики преобразования. -М.:ИПК Изд-во стандартов, 2001.-77с.

79. Богословский, В.Н. Отопление: учеб для вузов / В.Н. Богословский, А.Н. Сканави. М.:Стройиздат, 1991.- 735с.

80. Луканин, В.Н. Теплотехника: учеб. для вузов. / В.Н. Луканин — М.:Высш.шк.,1999 671с.

81. Лапицкий, А.Г. Энергетические характеристики инфракрасных потолочных обогревателей / А.Г. Лапицкий, Т.В. Петрачепко, Я.А. Кунгс, // Вестн.КрасГАУ: науч.-техн. журн.-№3.-Красноярск, 2007.— с.227-229

82. Бари, Н.К. Тригонометрические ряды / Н.К. Бари. М.: 1961.

83. Базаров, И.П. Термодинамика: 3 изд. / И.П. Базаров. М.: 1983.

84. Зигмунд, А. Тригонометрические ряды: Пер. с англ. 2 изд., т. 1 2 / А. Зигмунд. - М.: 1959.8 8.Варга, Р. Функциональный анализ и теория аппроксимации в численном анализе: Пер. с англ./ Р. Варга. М.: 1974.

85. Методика определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники. М.: 1998. - с.214.

86. Кунгс, Я.А. Энергосберегающие технологии освещения и облучения / Н.В. Цугленок, Я.А. Кунгс, Н.Б. Михеева. Красноярск: из-во КрасГАУ, 2000. 274с.

87. Исходные данные по слоям помещения, взяты из измерений по программе, приведенной в разделе 4.2.

88. Исходные данные по слоям > restart;

89. Рис.П2.1. Изменение температуры в зависимости от координаты^ на отрезке= 6000., 2 = 0.^ = 0. 3200

90. X = 3000., г = 1600.,у = 0 . 3200х = 4500., г = 900, у = 0 . 32001х = 1500, г = 2200.,у = 0 „ 320019. №

91. X = 6000.,у = 0., г = 0 . 2200х = 4500., у = 0., г = 0.220069 ДО НЕ» аобоюоо Ш5о Жл- = 3000., у = 0., г = О . 2200х = 1500., у = 0., г = 0 . 2200яв тосо ¡35 £65юоо 19» :ол

92. Рис.П2.2. Изменение температуры в зависимости от координаты г на отрезкел; = 6000.,у = 0 . 3200, г = 0 . 2200х = 4500.,^ = 0 . 3200. = 0 . 2200

93. Рис.Ш.З. Изменение температуры в зависимости от координат у и 2 в прямоугольникех = 1500., у = 0 . 3200, г = 0. 2200у = У., .Х- = 0 . 6000, г = 0 . 2200 У = 800. х=0. 6000.2 = 0. 2200

94. Рис.П2.4. Построение линий уровня. Линии уровня в зависимости от координат х и 2 в прямоугольнике2000 1500 '.ООО' £00

95. Рис.П2.5. Построение поля градиентов в плоской области. Поле градиентов в зависимости от координат хигв прямоугольникех = 0., у = 0.3200,г = 0. .2200х = 4500., у = 0 . 3200, г = 0. 22001. ШР• и и• п г1 * г1 11 \ I 1 11. V \ \ \ \V