МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА ЧЕЛОВЕКА С ВОЗДУХОМ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ РЕСТОРАННЫХ КОМПЛЕКСОВ - Студенческий научный форум

IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА ЧЕЛОВЕКА С ВОЗДУХОМ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ РЕСТОРАННЫХ КОМПЛЕКСОВ

 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

  Введение

Теплоотдача от организма человека в окружающую среду происходит следующими путями: в результате теплопроводности через одежду, конвекции тела, излучения на окружающие поверхности, испарения влаги с поверхности кожи, а также за счет нагрева выдыхаемого воздуха.

Количество теплоты, отдаваемой организмом каждым из этих способов, зависит от параметров микроклимата на рабочем месте. Величина и направление конвективного теплообмена человека с окружающей средой определяется, в основном, температурой окружающей среды, атмосферным давлением, подвижностью и влагосодержанием воздуха.

Величина тепловыделения организмом человека зависит от степени его физического напряжения и параметров микроклимата в производственном помещении. Для комфортных условий работы необходимо, чтобы тепловыделение организма равнялось его теплоотдаче, при этом температура внутренних органов человека остается постоянной (около 36,6 оС).   Процесс регулирования тепловыделений для поддержания постоянной температуры тела человека называется терморегуляцией. Терморегуляция достигается отводом выделяемой организмом теплоты в процессе жизнедеятельности в окружающее пространство.

Тепловой баланс в системе «человек - среда обитания»

Комфортные условия для организма человека обеспечиваются при соблюдении теплового баланса. Уравнение теплового баланса для организма за определенный период времени:

где  M - теплота процессов метаболизма, полученная из химических субстратов пищи, подвергшихся расщеплению в клетках; S -  накопленная организмом теплота; R, C, P - теплота отданная (со знаком «минус») или полученная (со знаком «плюс»)  путем излучения, конвекции, теплопередачи;  E - теплота, отданная за счет испарения.

 Если тепловой баланс не будет поддерживаться, то дополнительная теплота, полученная различными путями, приведет к повышению температуры тела, а недостаток тепловой энергии - к его охлаждению. В обоих случаях создаются неблагоприятные условия для организма человека.

Нормальное тепловое самочувствие человека при выполнении им работы любой категории тяжести достигается при соблюдении теплового баланса по формуле (1), уравнение которого приведено выше.

Тепловой баланс любого тела определяется соотношением между теплотой, которую оно получает, и теплотой, которую оно отдает.

Таким образом, тепловое самочувствие человека, или тепловой баланс в системе «человек - среда обитания» зависит от температуры среды, подвижности и относительной влажности воздуха, атмосферного давления, температуры окружающих предметов и интенсивности физической нагрузки.

Параметры микроклимата оказывают непосредственное влияние на тепловое состояние человека. Например, понижение температуры и повышение скорости движения воздуха способствует усилению конвективного теплообмена и процесса теплоотдачи при испарении пота, что может привести к переохлаждению организма. При повышении температуры воздуха возникают обратные явления, что приводит к перегреву организма. Состояние теплового комфорта и дискомфорта человека на рабочем месте определяется в соответствии с нормами СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений».

Особенно неблагоприятное воздействие на тепловое самочувствие человека оказывает высокая влажность при температурах окружающего воздуха более 30 0С, так как при этом почти вся выделяемая теплота отдается в окружающую среду при испарении влаги с поверхности кожи. Недостаточная влажность приводит к интенсивному испарению влаги, что приводит к пересыханию слизистых оболочек дыхательных путей. Поэтому, при длительном пребывании людей в закрытых помещениях рекомендуется ограничиваться относительной влажностью 30...70%.

Все категории выполняемых работ подразделяются на группы:

  1. Легкие физические работы с расходом энергии не более 150 ккал/ч. Разделяются на категорию 1а (энергозатраты до 120 ккал/час) - работы, производимые сидя, и сопровождающиеся незначительным физическим напряжением, и категорию 1б (энергозатраты 121 -150 ккал/ч) - работы, производимые сидя, стоя или связанные с ходьбой и сопровождающиеся некоторым физическим напряжением.
  2. Средней тяжести физические работы с расходом энергии в пределах 151 - 250 ккал/ч. Разделяют на категории: 2а (энергозатраты от 151 - 200 ккал/ч) - работы, связанные с постоянной ходьбой, перемещением мелких (до 1 кг) изделий или предметов в положении стоя или сидя и требующие определенного физического напряжения и категорию 2б (энергозатраты от 201 - 250 ккал/ч) - работы,  связанные с ходьбой, перемещением и переноской тяжестей до 10 кг и сопровождающиеся умеренным физическим напряжением.
  3. Тяжелые физические работы с расходом энергии более 150 ккал/ч. К категории 3 относятся работы, связанные с постоянными передвижениями, перемещением и переноской значительных (свыше 10 кг) тяжестей и требующие больших физических усилий.

 Различают холодный (со среднесуточной температурой наружного воздуха ниже +10 °С) и теплый период года, (с температурой +10 °С и выше). По количеству избыточной теплоты все производственные помещения ресторанного комплекса  делятся на помещения с незначительными избытками явной теплоты (к ним относятся «холодные цеха» QЯ Т 23,2Дж/мзc) и помещения со значительным избытком явной теплоты (к ним относятся «горячие цеха»  QЯ Т > 23,2Дж/мзc).

 В ГОСТе 12.1.005-88 «Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования» представлены оптимальные и допустимые параметры микроклимата в производственном помещении в зависимости от тяжести выполняемых работ, количества избыточной теплоты в помещении и сезона (времени года).

Оптимальными микроклиматическими условиями являются такие сочетания количественных параметров микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека обеспечивают сохранение нормального функционального и теплового состояния организма без напряжения механизмов терморегуляции. Это обеспечивает ощущение теплового комфорта и создает предпосылки для высокого уровня работоспособности.

При выполнении работ различных категорий в теплые и холодные периоды года оптимальные величины показателей микроклимата на рабочих местах производственных помещений, приведены в табл. 1.

Допустимыми условиями являются такие сочетания количественных параметров микроклимата, которые при длительном и систематическом воздействии на человека могут вызвать преходящие и быстро нормализующиеся изменения функционального и теплового состояния организма, сопровождающиеся напряжением механизмов терморегуляции, не выходящим за пределы физиологических приспособительных возможностей. При этом не возникает повреждений или нарушений состояния здоровья, но могут наблюдаться ухудшение самочувствия и снижение работоспособности.

     

Таблица 1 Оптимальные величины показателей микроклимата на рабочих местах производственных помещений

Период года

Категория работ по уровню энергозатрат, Вт

Темпе­ратура воздуха,0С

Темпе­ратура поверх­ностей,0С

Относитель­ная влаж­ность воз­духа,

%

Скорость движения воздуха, м/с

Холодный

Iа (до 139)

22-24

21-25

60-40

0,1

 

Iб (140-174)

21-23

20-24

60-40

0,1

 

IIа (175-232)

19-21

18-22

60-40

0,2

 

IIб (233-290)

17-19

16-20

60-40

0,2

 

III (более 290)

16-18

15-19

60-40

0,3

Теплый

Iа (до 139)

23-25

22-26

60-40

0,1

 

Iб (140-174)

22-24

21-25

60-40

0,1

 

IIа (175-232)

20-22

19-23

60-40

0,2

 

IIб (233-290)

19-21

18-22

60-40

0,2

 

III (более 290)

18-20

17-21

60-40

0,3

При выполнении работ различных категорий в теплые и холодные периоды года допустимые величины показателей микроклимата на рабочих местах производственных помещений приведены в табл. 2.        

Оптимальные и допустимые показатели микроклимата в производственных помещениях приведены в табл. 3,4.

Таблица 2 Допустимые величины показателей микроклимата на рабочих местах производственных помещений

Период

года

Категория

работ по уровню энергозатрат, Вт

Температура воздуха, 0С

Температура

поверхностей0С

Относительная

влажность воздуха,

%

Скорость движения воздуха, м/с

диапазон ниже оптимальных величин

диапазон выше оптимальных величин

для диапазона температур воздуха ниже оптимальных величин,

не более

для диапазона температур воздуха выше оптимальных величин,

не более**

Холодный

(до 139)

20,0-21,9

24,1-25,0

19,0-26,0

15-75*

0,1

0,1

 

Iб (140-174)

19,0-20,9

23,1-24,0

18,0-25,0

15-75

0,1

0,2

 

IIа (175-232)

17,0-18,9

21,1-23,0

16,0-24,0

15-75

0,1

0,3

 

IIб (233-290)

15,0-16,9

19,1-22,0

14,0-23,0

15-75

0,2

0,4

 

III(более 290)

13,0-15,9

18,1-21,0

12,0-22,0

15-75

0,2

0,4

Теплый

Iа (до 139)

21,0-22,9

25,1-28,0

20,0-29,0

15-75*

0,1

0,2

 

Iб (140-174)

20,0-21,9

24,1-28,0

19,0-29,0

15-75*

0,1

0,3

 

IIа (175-232)

18,0-19,9

22,1-27,0

17,0-28,0

15-75*

0,1

0,4

 

IIб (233-290)

16,0-18,9

21,1-27,0

15,0-28,0

15-75*

0,2

0,5

 

III(более 290)

15,0-17,9

20,1-26,0

14,0-27,0

15-75*

0,2

0,5

*При температурах воздуха 25 0С и выше максимальные величины относительной влажности воздуха должны приниматься в соответствии со специальными требованиями.

**При температурах воздуха 26-28 0С скорость движения воздуха в теплый период года должна приниматься в соответствии со специальными требованиями.

 

Таблица 3 Оптимальные нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне жилых, общественных и административно - бытовых помещений

Период года

Температура воздуха, 0С

Относительная влажность, %

Скорость движения воздуха, м/с, не более

Теплый

20-22

23-25

30-60

30-60

0,2

0,2

Холодный и переходные условия

20-22

30-45

0,2

Примечание. Нормы установлены для людей, находящихся в помещении непрерывно  более 2 ч.

 

Таблица 4 Допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне жилых, общественных и административно - бытовых помещений

Период года

Температура воздуха, 0С

Относительная влажность, %

Скорость движения воздуха, м/с, не более

Теплый

Не более чем 3 0С выше расчетной температуры наружного воздуха

( параметр А)*

65***

0,5

Холодный и переходные условия

18** - 22

65

0,2

Примечание 1. Нормы установлены для людей, находящихся в помещении непрерывно  более 2 ч.

2. Расчетные параметры А наружного воздуха принимаются по СНиП «Отопление, вентиляция и кондиционирование».

*Но  не более 28 0С для общественных и административно-бытовых помещении с постоянным пребыванием людей и не более 33 0С для указанных зданий, расположенных в районе с расчетной температурой наружного воздуха (параметра А) 25 0С и выше.

** Не ниже 14 0С - для общественных и административно-бытовых помещении с пребыванием людей в уличной одежде.

*** Допускается принимать 75% в районах с расчетной относительной влажностью воздуха более 75% (параметр А).

Специализированная одежда работника производственных помещений ресторанного комплекса должна удовлетворять и обеспечивать требования температурно-влажностного комфорта. Подбором одежды с заданными теплозащитными свойствами можно снизить потери теплоты и создать ощущение комфорта. Одним из важнейших требований к специализированной одежде является то, что при ее изготовлении должны использоваться специальные «дышащие» ткани повышенной износостойкости, рассчитанные на ежедневную носку, частые стирки и химчистку. Важно, чтобы ткани, из которых изготовлена униформа, не теряли своих изначальных характеристик в процессе долгого использования. Форменная одежда подвергается более интенсивной эксплуатации, чем даже повседневная нерабочая. Ткани для униформы отбираются очень тщательно, так как они должны соответствовать роду деятельности и ритму работы.

К поварской униформе относятся различные поварские брюки, куртки, рубашки, фартуки, колпаки и др. Спецодежда  персонала кухни обязательно должна содержать хлопок, быть гигроскопичной, воздухопроницаемой. Для поваров и службы стюардинга, отвечающей за чистоту посуды, столовых приборов применяют маслостойкие куртки и брюки. Также требуется обувь, устойчивая к воздействию жира. Она не только долго служит, оставаясь при этом чистой, но и защищает ноги, если на них выплескивается горячее масло.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией поверхности человека в одежде

Коэффициент теплоотдачи определяем с учетом физических параметров воздушной  среды и размеров тела человека. В здании под влиянием теплового напора (разности температур воздуха в помещении и наружного воздуха) и ветрового напора (различное действие ветра на наветренную или заветренную поверхность здания), а так же из-за работы систем вентиляции и отопления происходит движение воздуха.

Для разработки методики расчета конвективного теплообмена человека в одежде с воздушной средой помещения представим человеческий организм как систему с внутренним источником теплоты. Принятая расчетная теплофизическая модель человека в виде круглого цилиндра (рис.1), который омывается потоком воздуха, позволяет проанализировать состояние окружающей воздушной среды числом Рейнольдса            

Выразим диаметр цилиндра через периметр d = 2r = L/  и получим

где Rе - критерий Рейнольдса; Vв - скорость движения воздуха, м/с; L - периметр тела человека; ν - кинематическая вязкость воздуха, м/с.

Ниже приведены значения числа Рейнольдса для различных скоростей  движения воздуха Vв при периметре тела человека L = 0,8 м и кинематической вязкости воздуха (при температуре 20°С) ν = 15,06·10-6 м2/с:

при рекомендуемой нормами подвижности воздуха в помещении

 Vв = 0,2 м/с   Re = 3383;

 Vв = 0,3 м/с   Re = 5075;

 Vв = 0,4 м/с   Re = 6766;

 Vв = 0,5 м/с   Re = 8458;

при наблюдаемой скорости воздуха в помещении

          Vв = 0,6м/с   Re = 10 150;

          Vв = 0,7 м/с   Re = 11 841;

          Vв = 0,8 м/с   Re = 13 533;

          Vв = 0,9 м/с   Re = 15 225;

          Vв = 1,0 м/с   Re = 16 916;

          Vв = 2,0  м/с   Re = 33 833.

Таким образом, число Рейнольдса при нормативных значениях скорости движения воздуха колеблется в пределах от 3383 до 8458, а при скорости движения воздуха 0,6 м/с и более возрастает до величины 10 150 и выше.

При этих числах Рейнольдса пограничный слой на лобовой и кормовой части цилиндра отрывается, образуя вихри, которые по движению воздушного потока вытягиваются все дальше от цилиндра. При Re  1000 за цилиндром образуется вихревая дорожка. Условия омывания лобовой и носовой частей цилиндра различны. Такое обтекание цилиндра отражается на его теплоотдаче. При Re = 10 000 коэффициент теплообмена в любой части достигает своего максимального значения, на поверхности цилиндра в направлении движения воздуха  снижается и в кормовой части увеличивается [2].

Коэффициент теплообмена в любой точке цилиндра описывается следующим уравнением [3]:

где Nu - критерий Нуссельта; Pr - критерий Прандтля. Откуда:

При этом

где a - коэффициент температуропроводности, м2/с.

Если модель человека в разрезе представить в виде эллипса, то при обтекании потоком воздуха эллипса видно (рис.2), что окружность цилиндра можно взять как среднюю из них.

В результате анализа и обобщения существующих данных для расчета средней теплоотдачи по периметру цилиндра с учетом данных [4-6] получены следующие формулы:

где  - поправка, учитывающая физические свойства теплоносителя в зависимости от температуры.

Полученные формулы при Re = 1000... 20 000 будут иметь вид

откуда

где  - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м·°С).

После соответствующих преобразований получим для цилиндра средний коэффициент теплообмена, Вт/(м·°С):

Если подставить в выражение (12) , то при Re = 1000... 20 000 и при движении воздуха перпендикулярно телу человека коэффициент теплоотдачи конвекцией поверхности тела человека определяется по следующей формуле:

Распределение и удаление загрязненного воздуха из производственных помещений ресторанных комплексов зависит от направления движения воздуха и способа его подачи. Рабочая зона должна омываться свежим приточным воздухом с подвижностью, не большей, чем значение, нормируемое санитарными нормами [5-6]. Подача приточного воздуха в помещение  может осуществляться: при вентилировании помещения потоками воздуха с помощью потолочного (рис. 3а) и настенного (рис. 3б) воздухораспределителей; вентилировании помещения потоками воздуха с помощью потолочного воздухораспределителя (рис. 4).

 Направление циркулирующего воздуха в рабочей зоне помещения может быть самым разнообразным (рис.3а, 3б, 4). Поэтому величина теплоотдачи человека будет зависеть от направления движения воздуха в рабочей зоне. Наибольшая теплоотдача человека будет при движении воздуха перпендикулярно его оси. Если воздушный поток направлен под углом, то теплоотдача с поверхности тела человека уменьшается [8,9]. 

В связи с этим приведенные формулы (12) и (13) справедливы только для случая, когда угол атаки, образуемый направлением потока воздуха и осью человеческого тела, равен 90° (рис.5а). Если угол атаки меньше 90°, то теплоотдача уменьшается (рис. 5б и 5в).  Эти условия представлены следующими соотношением:

Из формулы (15), следует, что величина εф с уменьшением угла атаки резко уменьшается. Подставив значение εф  в формулу (15), получим

Подставляя (13) в выражение (16), получим коэффициент теплообмена конвекцией поверхности человека в зависимости от направления потока воздуха

при Re = 1000... 20 000

Из анализа формулы (17) следует, что если струя воздуха направлена на человека перпендикулярно его оси, то φ = 90°, и формула (17) превращается в выражение (13). Она справедлива для угла атаки от 30 до 90°. При угле атаки меньше 30° начинают действовать другие условия. 

Если скорость движения воздуха равна нулю, то расчет коэффициента теплообмена конвекцией поверхности человека можно произвести по формулам, полученным для вертикальных цилиндров [10]. Эти уравнения имеют следующий вид:

  • для ламинарного режима 103 < Gr Pr < 109                                                                                               
  • для турбулентного режима Gr Pr > 109

где Gr - критерий Грасгофа.

В качестве определяющей температуры в уравнениях (18) и (19) принята   температура внутреннего воздуха tв, в качестве определяющего размера - высота человека ZЧ.

Из уравнений (18) и (19) получим выражения для коэффициента теплообмена конвекцией у поверхности тела человека [11-13]:

  • для ламинарного режима
  • для турбулентного режима

где  - коэффициент объемного расширения, 1/°С; g - ускорение силы тяжести, м/с2.

Выводы

Параметры микроклимата существенно влияют на работоспособность работников производственных помещений ресторанных комплексов, поэтому обеспечение условий температурно-влажностного и экологического комфорта является весьма актуальной и важной задачей. При этом экологический и влажностный комфорт подразумевает, что  при протекании термовлажностных процессов не будет происходить образование конденсата в слоях пакета  одежды в виде капельно-жидкой влаги.

 В данной статье на основе предложенной модели работника в специализированной одежде получены уравнения для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией с поверхности тела человека с учетом направления и скорости движения воздуха, его температуры и размеров тела человека.

Разработанная методика позволяет определить коэффициент теплоотдачи конвекцией от человеческого тела  в любой его точке и по периметру в целом (при движении воздуха под различным углом по отношению к телу) как для ламинарного, так и для турбулентного режима движения воздуха.

Библиографический список

  1. Сушко, Е.А. Разработка методики расчета рациональных режимов систем вентиляции производственных помещений / Е.А. Сушко, К.Н. Сотникова, С.Л. Карпов // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. - 2011. - №2 (22). -  С. 143-149.
  2. михеев, М.А. Курс теплоперепдачи / М.А. михеев, И.М. Михеева // М.: Энегрия, 1973. - 319 с.
  3. Кружилин, Г.Н. Теория передачи круглого цилиндра в поперечном потоке жидкости / Г.Н. Кружилин // Техническая физика. - М., 1936. - Т. VI.- С. 854-865.
  4. Жукаускас, А.А. Теплопередача при поперечном омывании цилиндра / А.А. Жукаускас. -  М.: АН СССР, 1959. - С. 201-212.
  5. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений: СанПиН 2.2.4.548-96: введ. в действие 1996-01-10. - М.: Информационно-издательский центр Минздрава России, 1997. - 15 с.
  6. Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования: ГОСТ 12.1.005-88: введ. в действие 1989-01-01. - М., 1989. - 132 с.
  7. Сотникова, О.А. Математическая модель процессов конденсации водяных паров на теплообменных поверхностях / О.А. Сотникова, Н.А. Петрикеева, В.С. Турбин // Известия Тульского государственного университета. Серия: Строительство, архитектура и реставрация. - 2006. - № 10. - 159 с.
  8. Сотникова, О.А. Моделирование распределения трехмерных стационарных воздушных потоков в помещении / О.А. Сотникова, И.С. Кузнецов, Л.Ю. Гусева //  Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2007. - Т.3. - № 6. - С. 121-123.
  9. Сотникова, О.А. Расчет лучистого теплообмена в энергетических установок с вихревыми топочными устройствами / О.А. Сотникова, Д.Б. Кладов // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура.- 2011.- № 1. - С. 22-28.
  10. Сотникова, К.Н. Автоматизация процессов управления тепловыми потоками в помещениях / К.Н. Сотникова, А.В. Муратов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2008. - Т.4. - № 12. - С.48-50.
  11. Сотникова, К.Н. Повышение эффективности энергосбережения потребителей в системах с нетрадиционными источниками теплоты. Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2009. - Т.5.- № 4. - С.66-71.
  12. Сотникова, К.Н. Разработка алгоритма оптимизации расхода топлива источником теплоты / К.Н. Сотникова, А.С. Бабич, М.А. Кирнова // Инженерные системы и сооружения. - 2009. - № 1 - С.125-131.
  13. Сотникова, К.Н. Разработка модели синтеза состава традиционных систем теплоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии / К.Н. Сотникова // Научный вестник Воронежского государственно-строительного университета. Строительство и архитектура. - 2009. - №3. - С.25-31.
Просмотров работы: 40