Определение эксплуатационной температуры изолирующей оболочки кондиционируемой одежды

В промышленном производстве широко используется нагревающее оборудование различного назначения. В металлургической промышленности – это плавильные и нагревающие печи, в энергетике – топочные агрегаты и паровые котлы, в химической промышленности – реакционные установки, в промышленном производстве строительных материалов – стекловаренные, обжиговые печи и сушильные установки. В процессе эксплуатации нагревающего оборудования некоторые операции по обслуживанию и ремонту целесообразно проводить без его расхолаживания или с неполным расхолаживанием. При этом для проведения работ на горячем оборудовании необходима кондиционируемая одежда, которая позволила бы рабочему находиться в условиях высокой температуры длительное время. С теплофизической точки зрения создание кондиционируемой одежды для работ в условиях высокой температуры окружающей среды возможно при использовании специальных технологий, в частности индивидуальных кондиционеров, в основе работы которых лежит эффект энергоразделения газа (вихревой эффект) [1, 4], и динамической (активной) теплоизоляции [3]. Существует практика построения кондиционируемой одежды и по иным схемам [1], вплоть до использования жидкого воздуха в качестве источника охлаждения. Независимо от схем построения, в кондиционируемой одежде обязательно присутствует теплоизолирующая оболочка. И чем выше температура применения кондиционируемой одежды, тем совершеннее должен быть материал теплоизоляции. Естественные материалы из органического волокна позволяют создать теплоизоляцию с приемлемыми свойствами для применения при температуре +100-120оС, а полимерные – до температуры окружающей производственной среды +180-200оС. При более высокой температуре используются теплоизолирующие волокнистые материалы, выполненные на основе стекла, керамики, базальта, однако эти материалы, как правило, обладают худшими теплоизоляционными и механическими свойствами и высокой удельной плотностью.

Савченко Нелли Вячеславовна, кандидат технических наук, доцент

Рис. 1. а) конструкция изолирующей оболочки с динамической теплоизоляцией; б) схема тепломас-собмена при t 2 = t ос ; в) схема тепломассообмена при повышенном расходе кондиционирующего воздуха G к

Кондиционируемая одежда с оболочкой, изготовленной из волокна, позволяет осуществлять работу в нагревающем микроклимате, потребляя при этом минимальное количество кондиционирующего воздуха. На рис. 1 приведена конструктивная схема изолирующей оболочки с динамической теплоизоляцией, состоящей из волокнистой теплоизолирующей оболочки 1, закрывающей поверхность объекта кондиционирования 2. Между ними в зазоре 3 располагается система перфорированных шлангов 4, по которым подводится кондиционирующий воздух с расходом G_к и температурой t к1 . Кондиционирующий воздух забирает от кондиционируемого объекта метаболическое тепло, поступающее в виде теплового потока с интенсивностью q м , подогревается до температуры t к2 и отводится равномерно в окружающую среду через всю площадь поверхности волокнистой теплоизоляции. Сущность динамической теплоизоляции заключается в том, что кондиционирующий воздух движется навстречу тепловому потоку, поступающему из окружающей среды.

Во всех предыдущих исследованиях [3] было принято допущение, что внешняя поверхность теплоизолирующей оболочки имеет температуру окружающей среды t2=tос. В этом случае для полного блокирования теплового потока, поступающего из окружающей среды через теплоизоляцию, необходима продувка кондиционирующего воздуха с расходом Gк=λ/(δс), где λ – коэффициент теплопроводности; δ – толщина теплоизоляции; с=992 Дж/кг.К – теплоемкость воздуха. Схема тепломассообмена для данного случая приведена на рис. 1б. Тепловое состояние внешней поверхности теплоизолирующей оболочки формируется в результате теплопередачи к ней из окружающей среды тепла конвекцией (тепловой поток интенсивностью qк), теплопередачи излучением (тепловой поток интенсивностью qл) и оттока тепла через изолирующую оболочку за счет теплопроводности (тепловой поток интенсивностью qn). Тепловой поток через изолирующую оболочку перехватывается кондиционирующим воздухом и отводится в окружающую среду.

Принятие допущения равенства температуры внешней поверхности оболочки температуре окружающей среды ( t 2 = t ос ) несколько увеличивает температуру поверхности оболочки t 2 по сравнению с реально существующей, но не влияет на величину основного расчетного параметра – расхода кондиционирующего воздуха и позволяет не определять интенсивность лучистого q_л и конвективного q к тепловых потоков. Кроме того, использование кондиционируемой одежды на объектах, находящихся в стадии расхолаживания, при температуре окружающей среды ниже, чем допустимая температура применения конструкционных материалов оболочки кондиционируемой одежды не требует знания температуры поверхности изолирующей оболочки.

В современном промышленном производстве намечается тенденция в потребности кондиционируемой одежды для применения при все более высоких температурах. Однако при этом сдерживающим фактором использования такой одежды становится теплостойкость материала теплоизоляции. Вместе с тем следует учитывать, что работа в окружающей среде с крайне высокой температурой в условиях одного промышленного предприятия не носит массовый характер. Следовательно, эксплуатационная экономичность кондиционируемой одежды не является определяющей в общей экономической эффективности ее применения. В таком случае целесообразным может быть увеличение температуры применимости кондиционируемой одежды за счет снижения эксплуатационной экономичности и перехода на режим с повышенным расходом кондиционирующего воздуха, т.е. с заведомо неполным использованием его теплоаккумулирующей способности. За счет увеличения расхода кондиционирующего воздуха температура внешнего слоя изолирующей оболочки становится ниже температуры окружающей среды. Это позволяет эксплуатировать теплоизолирующий материал в среде с температурой превышающей его допустимую температуру использования. Схема тепломассообмена приведена на рис. 1в. Обозначение параметров, определяющих тепломассообмен одинаково с рис. 1б. Тепловой баланс на установившемся режиме будет иметь вид:

q s - q n = 0

или

qл + qk - qn = 0

.

Интенсивность лучистого теплового потока

( 273 + t_o Л⁴   ( 273 + 1₂ ?

q = к С ------ ос - ------ ²

л пр (   100   ) I 100   )

где С=5,7 Вт/(м2К4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Приведенная степень черноты

S np =      ----= 0,735

— + — -1

^S 1    ^S 2

при ε1=0,97 – степень черноты охватывающей поверхности (такую степень черноты имеет большинство футеровочных материалов нагревающих печей); при ε2=0,75 – степень черноты охватываемой поверхности (такую степень черноты можно достичь специальной обработкой волокнистого материала внешнего слоя кондиционируемой одежды).

Интенсивность конвективного теплового потока

qk = a(toc- t 2)

, где α=2 – коэффициент теплоотдачи от воздуха (окружающей среды) к поверхности теплоизолирующей оболочки.

Принимаем коэффициент теплоотдачи a ниже уровня, характерного при свободном движении среды, т.к. при примененном способе охлаждения у оболочки, в приграничном слое, создается перемещение воздуха от поверхности в окружающую среду. Интенсивность теплового потока за счет теплопроводности

qn = ^ (t2 - tk2 )

, где δс – толщина активного слоя теплоизоляции.

Тепловой поток q_n направлен против направления движения кондиционирующего воздуха. Тепловой баланс через наружную поверхность теплоизоляции

^{Q n} = Q G или

J (t2 - tk2 )Sr = GKc(t2 - tk2 )^r i, где Qn – тепло, поступающее за счет теплопроводности; QG – тепло отводимое с кондиционирующим воздухом; S – площадь поверхности; τ – время.

Для полного перехвата теплового потока необходимо поступление кондиционирующего воздуха с расходом Gк=λ/(δiс). На рис. 2 приведены расчетные графики величин тепловых потоков в зависимости от температуры окружающей среды и ряда значений фиксированной температуры поверхности изолирующей оболочки. Для определения разности температуры окружающей среды и поверхности, зависящей от режима охлаждения, примем минимальный и максимальный расходы кондиционирующего воздуха Gк. Минимальный расход соответствует некоторому соотношению величин λ и δ, выбранных из конструктивных соображений. Так, при λ=0,06 Вт/(м2К), δ=0,01 м, Gк=0,006 кг/(м2сек). Максимальный расход кондиционирующего воздуха определяется возможностью его рационального получения в системе кондиционирования и возможностью организации движения в подкостюмном пространстве. Из конструктивных соображений его расход нецелесообразно увеличивать свыше значения Gк=0,01 кг/(м2сек). При таком расходе кондиционирующего воздуха толщина активного слоя теплоизоляции будет составлять δi=λ/(Gкc).

Рис. 2. Интенсивность тепловых потоков, подходящих к наружной поверхности теплоизоляции ( q_к , q л , q Σ ), в зависимости от ее температуры и температуры окружающей среды, и интенсивность теплового потока, проходящего через наружную поверхность ( q n ), в зависимости от ее температуры и расхода кондиционирующего воздуха

Изменение графика температуры внутри теплоизоляции для случая теплообмена с повышенным расходом кондиционирующего воздуха конструктивно позволяет уменьшить толщину теплоизоляции и использовать теплоизоляцию с более высоким коэффициентом теплопроводности, сохраняя при этом соотношение Gкc=λ/δi. Отношение величин λ/δi определит и интенсивность отво-λ димого теплового потока qn = § vt2 t 1)

На рис. 2 приведен график изменения интенсивности теплового потока, проходящего через изолирующую оболочку за счет теплопроводности q n = f ( G к , t 2 ), от расхода кондиционирующего воздуха и температуры поверхности оболочки, наложенный на графики изменения суммарного теплового потока, идущего к поверхности оболочки q Σ = f ( t ос , t 2 ) в зависимости от температуры окружающей среды и температуры наружного слоя оболочки. Точка пересечения графиков тепловых потоков q n и q Σ соответствует температуре окружающей среды, при которой наступает равенство подводимого и отводимого тепловых потоков ( q_n = q_Σ ) при определенной температуре поверхности t 2 .

Выводы: кондиционируемую одежду с изолирующей оболочкой, имеющую термостойкость конструкционного материала, определяемую температурой t_T можно эксплуатировать в окружающей среде с температурой окружающей среды t ос = t T +Δ t , где Δ t – разница температур внешней поверхности теплоизолирующей оболочки и окружающей среды.