ВПЛИВ ІМПУЛЬСНОГО РЕЖИМУ ТЕЧІЇ ТЕПЛОНОСІЯ НА коефіцієнт теплопередачі У пластинчастих теплообмінників СИСТЕМИ ГАРЯЧОГО ВОДОПОСТАЧАННЯ
1 ФГБОУ ВПО «Мордовський державний університет ім. Н.П. Огарьова »
Теплообмінники системи гарячого водопостачання (ГВП) працюють в умовах, що постійно змінюються витрат, що характеризується високими коефіцієнтами годинної і добової нерівномірності споживання гарячої води. Вибір потужності теплообмінників проводиться виходячи із забезпечення максимального теплового навантаження ГВП. При цьому тривалість пікового навантаження часто незначна, тобто теплообмінники тривалий час працюють при витратах нижче номінальної. Зниження витрати, як відомо, призводить до зменшення коефіцієнта теплопередачі і зниження енергетичної ефективності теплообмінника. Завдяки своїй компактності, високому коефіцієнту теплопередачі пластинчасті теплообмінники набули широкого поширення в системах теплопостачання як теплообмінників ГВП.
Підвищення коефіцієнта теплопередачі можна здійснити шляхом створення пульсуючого режиму течії теплоносія, який в [2,3] створюється за допомогою одноклапанного перетворювача потоку (ПП). В результаті досліджень, проведених в [3], була розроблена система теплопостачання з імпульсною циркуляцією теплоносія [4] на основі одноклапанного ПП. Впровадження даної схеми дозволило отримати збільшення відносного коефіцієнта тепловіддачі кожухотрубного теплообмінника на 12%. При використанні даної технології в [1] системі охолодження двигуна вдалося збільшити відбір тепла від сорочки охолодження теплового двигуна. Основним недоліком даного рішення є низька надійність одноклапанного ПП. Нами була розроблена і запатентована [5] конструкція Двохклапанні ПП, що дозволила розширити діапазон витрат стійкої роботи ПП.
Матеріал і методи дослідження
Для дослідження впливу імпульсного режиму течії теплоносія на коефіцієнт теплопередачі в пластинчастому теплообміннику ГВП при різних витратах розроблена експериментальна установка (рис.1), що представляє собою індивідуальний тепловий пункт (ІТП) в лабораторному виконанні з імпульсною циркуляцією гріючого теплоносія на основі Двохклапанні перетворювача потоку (ПП) . Вона включає три гідравлічно незалежних контури циркуляції: опалення, ГВП та гріючого теплоносія.
Контур, що гріє теплоносія складається з розгінних труб 1, 2, пластинчастих теплообмінників 3, 4, ПП 5, мембранних насосів 6. Розгінні труби 1, 2 мають загальну довжину 42 м і через кожні 7 м до них приварені патрубки з встановленими на них кранами. Перші п'ять патрубків, по ходу руху теплоносія, за допомогою сполучних трубопроводів підключені до общелабораторного подає колектору, а один з них до вхідного патрубка нагрівального контуру пластинчастих теплообмінників 3 і 4 відповідно. Вихідні патрубки теплообмінників підключені по одному в обидва вхідних отвори ПП 5, вихідний отвір якого пов'язане з зворотним общелабораторного колектором. На ділянці трубопроводу між пластинчастими теплообмінниками і ПП встановлені мембранні насоси 6. Контур замкнутий і складається з послідовно з'єднаних теплообмінника 3, калорифера 7, циркуляційного насоса 8, паралельно включених мембранних насосів 6.
Контур ГВП розімкнутий і складається з нагрівається контуру пластинчастого теплообмінника 4, до вхідного патрубка якого підведена лінія від общелабораторного колектора сирої води, а вихідний патрубок нагрівається контуру пластинчастого теплообмінника 4 підключений до подає трубопроводу системи ГВП.
Мал. 1.Схема експериментальної установки
Імпульсний режим течії створювався в контурі гріючої ПП 5. Його основними елементами є два ударних клапана, розташованих в корпусі співвісно і спрямованих проти течії теплоносія. Між штоками ударних клапанів затиснута пружина. Клапани ПП відрегульовані таким чином, що при закритті одного клапана інший відкритий. Пружина забезпечує затримку за часом між закриттям одного і відкриттям іншого ударного клапана, а також плавність ходу клапанів при різкій зміні витрат. Так як перетворювач потоку встановлюється вертикально щодо осі клапанів, сили, що діють на ударні клапани, не однакові. Для врівноваження сил, що діють на ударні клапани, встановлена опорна пружина.
Результати дослідження та їх обговорення
При появі витрати в контурі з ПП гідродинамічні сили діють на ударні клапани в сторону їх закриття. Спочатку ударні клапани розташовуються не в однаковому становищі: один відкритий, а інший закритий. При наростанні витрат гідродинамічні сили, що діють на відкритий ударний клапан, досягають величини, необхідної для його закриття. В результаті відбувається зміна положення ударних клапанів. І процес повториться в тій же послідовності для іншого ударного клапана. Час закриття ударних клапанів 0,02 с, що є причиною різкого гальмування потоку і виникнення хвильового процесу, що характеризується коливанням тиску і витрати в трубопроводі. Графік зміни тиску в трубопроводі перед ударним клапаном і зміна положення ударного клапана представлений на рис. 2. Із закриттям ударного клапана тиск перед ним досягає максимального значення не миттєво, а з плином часу. Це пояснюється тим, що датчик тиску розташований на деякій відстані від ударного клапана і кінцевим значенням швидкості зміни тиску вздовж трубопроводу.
Мал. 2. Графіки зміни в часі тиску в трубопроводі перед ударним клапаном
Зміна тиску перед ударним клапаном є коливальний процес, тобто підвищення тиску перед закритим ударним клапаном змінюється його зниженням. Це сприяє відкриттю ударного клапана, а подальше зростання тиску приводить до скорочення часу наростання витрат. З експериментального графіка (рис. 3) видно, що витрата зростає за кілька (30 мс) мілісекунд. Частота пульсацій витрати при проведенні експерименту змінювалася зі зміною витрати і надлишкового тиску в системі від 2,5 Гц до 4,5 Гц. При цьому форма імпульсів змінюється зі зміною витрати теплоносія, надлишкового тиску в системі, довжини трубопроводу, що підводить і т.д.
Імпульсний режим течії теплоносія характеризується короткими періодами перехідних процесів - часом зміни витрати від мінімального до максимального значення, і назад. Тобто велика частина обсягу теплоносія протікає через теплообмінник зі швидкістю більше середнього значення, що впливає на коефіцієнт тепловіддачі з боку імпульсного потоку.
Рис.3. Графік зміни витрат в імпульсному режимі течії теплоносія
Коефіцієнт теплопередачі визначався длятеплообменніка РІДАН (табл.1) при постійній витраті нагрівається теплоносія, імпульсному витраті гріє. Для визначення величини максимального можливого підвищення коефіцієнта теплопередачі витрата нагрівається теплоносія підтримувався 0,74 м3 / год, трохи вище номінального для даного теплообмінника. Це робилося для підтримки максимальної величини коефіцієнта тепловіддачі з боку нагрівається теплоносія.
Паспортні дані пластинчастого теплообмінника
Випробування проводилися при сталих витратах теплоносіїв, при температурах, що гріє теплоносія на вході в теплообмінник 50 ° С і 70 ° С. Далі при тих же параметрах проводилися випробування в імпульсному режимі течії гріючого теплоносія. Безпосередньо вимірювалися температури що гріє і нагрівається теплоносія на вході і на виході з теплообмінника ГВП, витрата нагрівається теплоносія.
Коефіцієнт теплопередачі k визначався з рівняння теплопередачі; кВт / (м2 · ° С)
де Q - кількість теплоти, сприйнятої нагрівається теплоносієм в одиницю часу, кВт;
S - площа поверхні теплообміну, м2;
δt - середній температурний напір, ° С.
Через надмірну кількість використаного гріючого теплоносія визначався коефіцієнт теплопередачі (рис. 4).
Мал. 4. Графік зміни коефіцієнта теплопередачі в пластинчастому теплообміннику в залежності від витрати гріючої теплоносія: 1 - стаціонарний режим при температурі гріючого теплоносія на вході в теплообмінник 70 ° С; 2 - стаціонарний режим при температурі гріючого теплоносія на вході в теплообмінник 50 ° С; 3 - імпульснийрежім при температурі гріючого теплоносія на вході в теплообмінник 70 ° С; 4 - імпульсний режим при температурі гріючого теплоносія на вході в теплообмінник 50 ° С.
Відносне збільшення коефіцієнта теплопередачі в діапазоні витрат гріючого теплоносія від 400 до 1040 л / ч складає в середньому 23 ÷ 28% для температури гріючого теплоносія на вході в теплообмінник 50 ° С, і 18 ÷ 23% для 70 ° С. Збільшення витрати вище 1040 л / ч здійснювалося шляхом відкриття байпаса ПП, що пов'язано зі складністю демпфірування пульсацій тиску в контурі гріючої. З відкриттям байпаса ПП з'являється постійна складова витрат, зі збільшенням величини якої коефіцієнт теплопередачі наближається до значення в стаціонарному режимі.
1) Застосування імпульсного режиму течії теплоносія сприяє підвищенню коефіцієнта теплопередачі в пластинчастих теплообмінниках, при цьому необхідно, щоб коефіцієнт тепловіддачі від теплоносія зі стаціонарним режимом течії був не нижче його значення в імпульсному.
2) В разі застосування імпульсного режиму течії теплоносія для інтенсифікації теплопередачі в теплообмінниках, для досягнення найбільшого ефекту необхідно знизити постійну складову витрат.
Водяков В.Н. д.т.н. професор, заступник директора ІМЕ з наукової роботи ФГБОУ ВПО «Мордовський державний університет ім. Н.П. Огарьова », м Саранськ.
Коваленко О.Ю. д.т.н. професор, ФГБОУ ВПО «Мордовський державний університет ім. Н.П. Огарьова », м Саранськ.
Пропонуємо вашій увазі журнали, що видаються у видавництві «Академія природознавства»
(Високий імпакт-фактор РИНЦ, тематика журналів охоплює всі наукові напрямки)
Сучасні проблеми науки та освіти
Електронний науковий журнал | ISSN 2070-7428 | Ел. № ФС77-34132
Служба технічної підтримки - [email protected]
Відповідальний секретар журналу Бізенкова М.Н. - [email protected]
Матеріали журналу доступні на умовах ліцензії Creative Commons «Attribution» ( «Атрибуція») 4.0 Всесвітня.