Математическое моделирование процесса кондиционирования воздуха производственного цеха кабельного предприятия

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены вопросы кондиционирования воздуха в производственном помещении, с учетом особенностей технологического процесса изготовления кабельно-проводниковой продукции для Узбекистана, имеющего особо жаркий (летний) климатический период. При этом технология изготовления кабеля рассматривается, как нестационарная тепловлажностная нагрузка. Разработанная математическая модель дает возможность провести анализ работы системы кондиционирования воздуха с учетом теплодинамических процессов внутри помещения, которые вызваны наличием технологического оборудования выделяющего большое количество тепла (плавильные печи, экструдеры) и с наружи – внешняя температура воздуха в летний (жаркий) период времени года. Предложенная математическая модель позволяет осуществить контроль за влиянием внешних температурных нагрузок на изменение тепловых параметров внутри помещения с одновременным отслеживанием времени достижения необходимых температурных значений.

ABSTRACT

The article deals with the issues of air conditioning in the production room, taking into account the peculiarities of the technological process of manufacturing cable and wire products for Uzbekistan, which has a particularly hot (summer) climate period. At the same time, the cable manufacturing technology is considered as a non-stationary heat and humidity load. The developed mathematical model makes it possible to analyze the operation of the air conditioning system taking into account the thermodynamic processes inside the room, which are caused by the presence of technological equipment that generates a large amount of heat (melting furnaces, extruders) and from the outside – the external air temperature in the summer (hot) period of the year. The proposed mathematical model allows monitoring the influence of external temperature loads on the change in thermal parameters inside the room, while simultaneously tracking the time to reach the required temperature values.

Ключевые слова: температура, система кондиционирования воздуха, термодинамические процессы, кабельное производство, математическая модель, расход воздуха, технологическое оборудование, температурное поле.

Keywords: temperature, air conditioning system, thermodynamic processes, cable production, mathematical model, air consumption, technological equipment, temperature field.

Применение в условиях жаркого климата кондиционерных установок является обоснованной необходимостью для Среднеазиатского региона, т.к. температура воздуха в летний период поднимается в среднем до +55°С. Кондиционеры устанавливают не только в жилых помещениях, офисах и административных зданиях, где необходимо обеспечить комфортное пребывание людей, но и в производственных цехах и помещениях специального назначения, где температура в рабочем помещении при выполнении технологии может доходить до 50 °С. Это особенно актуально для кабельных заводов, где согласно технологическому процессу установлено плавильное и экструзионное оборудование, в состав которых входят электрические печи и нагреватели. При этом следует отметить, что температура окружающей среды для работы технологических машин не должена превышать 25 - 30°С, как указано в техническом паспорте на оборудование. Поддержание температуры внутри производственного помещения должно осуществляется в диапазоне, установленном требованиями санитарных норм и безопасностью жизнедеятельности для работников предприятия. Однако, действующие системы приточно-вытяжной вентиляции не обеспечивают тепло регулирование и в основном работают на очистку воздушных масс от мелкодисперстных включений.

Промышленным системам кондиционирования воздуха (СКВ) очень трудно поддерживать необходимые тепловлажностные условия работы в производственных помещениях кабельных цехов. Процесс управления температурным фоном строится на начальных значениях (точка «нуля»), отсчет которой берется от значения температуры окружающей среды, при которой технологическое оборудование работает с максимальной производительностью. Эта температура принимается средней для парка установленного в цехе оборудования и складывается из теплового фона разных кабельных машин и агрегатов, где технологией предусмотрен нагрев (плавильное оборудование, экструдеры, пресса) и нагрев отсутствует (крутильные машины, волочильное оборудование, перемотка).  При этом, превышение температуры допустимо в очень малом диапазоне, т.к. конструкционный материал, из которого выполнены станины, опорные конструкции, узлы и механизмы имеют примерно равный коэффициент температурного расширения, который в сочетании с высокими механическими нагрузками (крутящий момент, скорость вращения, натяжение, вес кабельной заготовки) при выполнении технологической операции могут привести к тепловой усталости металла и деформации опорной конструкции, и в конечном счете к аварийной ситуации.

Управление температурным фоном производственного помещения обязательно должно учитывать тепло-, пыле- и влагоизбытки (потери), которые возникают в цехе при выполнении всех технологических операций. Особенно, необходимо учесть, что помимо внутри цеховых технологических процессов существуют внешние температурные нагрузки особенно в летний период, когда наружная температура на солнце превқшает +55°С. В результате чего происходит нагрев внешнего ограждения здания цеха: кровли, стен, окон, которые не защищены от прямого воздействия солнечных лучей. Также необходимо учитывать, что в Узбекистане те только в летние месяцы (июнь, июль, август) имеет место высокая сезонная температура воздуха. Жаркий сезон начинается с мая, а иногда и с апреля и заканчивается сентябрем, при этом существуют примеры превышения температурных норм и в середине октября. Также следует заметить, что в летние месяцы температура воздуха в ночное время опускается не ниже +35 - +30°С, при этом здание цеха не успевает полностью охладится, т.к. в цехе продолжается производственный процесс - работает технологическое оборудование (третья смена) с выделением тепла [1, 2].

Таким образом, с физической стороны производственный цех должен быть снабжен системой кондиционирования и иметь вид открытой термодинамической системой с саморегулированием с принудительной прокачкой воздушных масс и осуществлением постоянного контроля параметров: температура (t), влажность (ϕ) и состав воздуха (О₂, СО₂ и др.). Основной контролируемый параметр в этой системе, это обеспечение необходимой температуры в помещении цеха. Холодопроизводительность современных промышленных кондиционеров составляет Q_x ≥ 20 ÷ 30 кВт. Следует отметить, что в условиях жаркого климата, для достижения необходимой теплозащиты, кондиционерные установки работают на пределе заложенных возможностей с большим расходом количества электроэнергии, что определяет их энергоемкость. 

К внутренним факторам определяющим тепловую нагрузку относится тепло, которое выделятся технологическим оборудованием (кабельными машинами), кабельной заготовкой (изолирующий слой и оболочка, алюминиевая и свинцовая защитная оболочка, катанка), а также и тепловые потоки исходящие от разогретой кровли цеха.

Разработка математической модели начинается с комплексного анализа тепловых процессов, которые протекают в производственном помещении. Для этого принята система «цех – кабельная машина – кондиционер – воздушная среда». Вопрос составления энергетического баланса с целью изучения стационарного температурного режима хорошо изучен [1, 2], но анализ теплового состояния нестационарных условий, когда технологический процесс изготовления кабельной продукции имеет разные тепловые потоки связанные с завершением одной операции и началом другой технологии, следовательно остановом и разгоном технологического оборудования задействованного в техпроцессе, а также изменяющимся уровнем нагрев кровли цеха стоящей под палящими лучами солнца является не стабильным и  далеким от комфортного. Исследование вышеназванных тепловых процессов возможно с помощью создания обобщенной математической модели теплообмена воздушного объема производственного цеха при нестационарном режиме. Изучение теплового поля позволяет осуществить оценку нестационарного, переходного температурного состояния воздушного объема цеха с целью оптимизации энергетических характеристик кондиционера (рис 1).

Рисунок 1. Схема перемещения воздушных масс в системе кондиционирования воздуха в производственном цехе [3]

Тепловой баланс начинаю с уравнения (1) [4, 5]

где, М-масса воздуха в производственном помещении;  – относительная влажность воздуха;  – влагосодержание наружного воздуха, приточного и внутри помещения соответственно (кг/кг);   – расход приточного воздуха в системе (кг/с);  – расход наружного воздуха (кг/с).

Создание обобщенной матмодели является очень сложной задачей, т.к. необходимо определить параметры работы системы «цех – кабельная машина – кондиционер – воздушная среда», которые являются несущественными.  Численные значения основных параметров теплопередачи определяются как усредненное значение по объему и поверхности, что значительно упрощает процедуру расчета и позволяет максимально точно описать особенности теплового состояния производственного помещения, а также сформулировать требования:

1. Эффективное и быстрое смешивание охлажденного воздуха в цехе – 1 в час не более 20 крат;
2. Воздух, который нагревается в цехе имеет температуру, совпадающую с температурной внутренних перегородок;
3. Изотермическая поверхность температурного поля внутри рабочего помещения имеет теплообмен, созданный вихревыми потоками и прямым теплообменом нагреваемых частей технологического оборудования и кровли цеха;
4. Температура стен, ограждений, технологического оборудования (не выделяющего тепло) остается постоянной и является равномерной;
5. Перепад температур «наружная среда – воздух цеха» сглаживается теплоизоляцией, где тепловое сопротивление равно 90 – 95%;
6. Физические процессы теплообмена внутри помещения является независимыми друг от друга;
7. При выполнении технологии температура внутри цеха за счет принудительного кондиционирования плавно уменьшается до значения, установленного нормативной документации.

Вытекающие из требований допущения к разработанной математической модели имею вид:

1. Параметры температурного поля принимая во внимание очень разнообразную поверхность теплообмена на всех этапах работы являются близкие к равномерным;

2. Для проведения анализа теплового баланса производственного цеха пренебрегаем перепадом температуры системы «воздух – стенка (цех/оборудование)», т.к.  он не превышает  5 – 10 %;

3. Учет теплоемкости изоляции стен цеха, ограждений осуществляется упрощенно, в виде поправки.

Приведенные допущения позволяют разработать блок-схему «цех – кабельная машина – кондиционер – воздушная среда» (рис. 2) и упрощения обобщенной математической модели цеха, благодаря чему производственное помещение с установленным в нем технологическим оборудованием представляем как термодинамический объект, имеющий сосредоточенные параметры (рис.2). 

Рисунок 2. Блок схема работы системы «цех – кабельная машина – кондиционер – воздушная среда»

Принятые допущения к дифференциальному уравнению (1) имеют место для каждого отдельного этапа охлаждения помещения цеха и  индивидуальное аналитическое решение [6]

где Θ – минимально возможная установившаяся температура воздуха внутри цеха на рассматриваемом этапе охлаждения, равная

t(0) – начальная температура воздуха и оборудованием внутри цеха на данном этапе; ε – показатель тепловой инерционности цеха на этом этапе

Выражения (2) – (4) позволяют оценить режим регулирования температуры производственного помещения и длительность переходных тепловых процессов. Для этого должны быть известными начальная температура t(0) внутри цеха и значения всех исходных параметров. На основании обобщенной математической модели строится алгоритм расчета системы кондиционирования воздуха (рис.3).

Рисунок 3. Алгоритм расчета системы кондиционирования воздуха

Таким образом, проведенная исследовательская работа по разработке обобщенной математической модели системы кондиционирования воздуха для производственного помещения кабельного предприятия является актуальной, т.к. позволяет усовершенствовать существующие системы автоматического управления работой кондиционера с отработкой условий быстрого реагирования изменений тепловых нагрузок внешней среды и создаст условия для сокращения энергетических затрат.

Список литературы:

1. Богословский, В.Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха) : учебник для вузов / В.Н. Богословский .‒ 3–е изд .‒ СПб. : АВОК Северо–Запад, 2006 .‒ 400 с.
2. Бялый, Б.И. Тепломассообменное оборудование воздухообрабатывающих установок ООО «ВЕЗА» / Б.И. Бялый .‒ М. : ООО «Инфорт», 2005 .‒ 278 с.
3. Волков, В.А. Актуальность применения систем кондиционирования с переменным расходом воздуха/ В.А. Волков // Журнал АВОК .‒ 2011.‒ №8.‒ С. 34‒36 .
4. Воронин Г.И. Конструирование машин и агрегатов систем кондиционирования воздуха / Г.И. Воронин .‒ М. : Машиностроение, 1978 .‒ 544.
5. Гримитлин, А.М. Математическое моделирование в проектировании систем вентиляции и кондиционирования: монография / А.М. Гримитлин, Т.А. Дацюк, Д.М. Денисихина .‒ СПб. : АВОК Северо–Запад, 2013 .‒ 190 с.
6. Прикладная физика. Теплообмен в приборостроении. Г.М. Кондратьев, Г.И. Дульнев, Е.С. Платунов, Н.А. Ярышев – СПб.: СПбГУИТМО, 2003 – 552 с.