CC BY
9
ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЕ ПОДДЕРЖАНИЕ УРОВНЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В АВТОНОМНЫХ ОТОПИТЕЛЬНЫХ
СИСТЕМАХ
Андреев Сергей Андреевич, к.т.н., доцент, профессор кафедры автоматизации и роботизации технологических процессов Шибаров Дмитрий Васильевич, аспирант Московский государственный аграрный университет «РГАУМСХА имени К.А.Тимирязева»
Отмечается возрастающая роль автономного теплоснабжения объектов АПК. Перечисляются преимущества систем отопления с естественной циркуляцией теплоносителя. Обосновывается необходимость разработки устройств для автоматического поддержания уровня теплоносителя. Рассматриваются физические закономерности возникновения циркуляционного напора. Приводится описание энергонезависимого устройства для извлечения воды из скважины и ее подачи в систему отопления.
Теплоснабжение коттеджей и других небольших сооружений в сельской местности, как правило, осуществляется автономно. В основном это объясняется экономической неэффективностью централизованного теплоснабжения таких объектов из-за их высокой рассредоточенности. При организации подачи горячей воды от общей котельной к потребителям становятся весьма ощутимыми затраты на сооружение и эксплуатацию теплотрасс, а также большие потери теплоты при ее транспортировке теплоносителем. Кроме того, централизованное теплоснабжение сопутствует повышению физической и финансовой зависимости потребителей от тепловых пунктов.
В качестве сырья для получения теплоты сегодня широко применяется природный газ, уголь, торф, дрова и несколько реже - мазут и печное топливо. Возросшие потребности людей определили разработку систем отопления, обеспечивающих относительно равномерный прогрев отдельных помещений здания. Обычно это достигается установкой теплообменных аппаратов (отопительных радиаторов) в каждой комнате и подключением их к общему котлу. Для обеспечения прогрева всех теплообменных аппаратов необходимо обеспечить непрерывное течение теплоносителя по всем элементам отопительной системы. При этом горячая вода должна выйти из водогрейного котла, пройти по всем теплообменным аппаратам, и, постепенно остывая, снова возвратиться в котел.
Несмотря на широкое распространение систем отопления с принудительной циркуляцией теплоносителя, во многих случаях все же более целесообразными остаются системы с его естественным течением. Эти системы характеризуются следующими преимуществами:
- полной электронезависимостью системы отопления из-за отсутствия необходимости во внешних источниках энергии для питания циркуляционного насоса;
- отсутствием даже самых незначительных акустических и вибрационных помех, сопровождающих работу циркуляционного насоса;
- большей экономичностью вследствие отсутствия потребления энергии циркуляционным насосом;
- большим сроком службы системы отопления.
Как правило, системы отопления с естественной циркуляцией теплоносителя являются открытыми. В таких системах расширительный бак устанавливается в самой верхней точке и не содержит изолирующих элементов, допускающих превышение давление выше атмосферного значения.
Таким образом, по уровню теплоносителя (воды) в расширительном баке пользователь получает возможность следить за работой отопительной системы, а также своевременно доливать испарившуюся или просочившуюся через неплотные соединения воду. Долив воды является периодическим, очень простым, но строго обязательным процессом. К сожалению, из-за необходимости обязательного долива воды, жильцы дома лишены возможности надолго покидать свое жилище, оставляя систему отопления во включенном состоянии. И если в коттеджах вопрос поддержания уровня воды в норме обычно как-то решается, то на производственных объектах из-за «расплывчатости» обязанностей персонала график обслуживания оборудования часто нарушается, уровень воды опускается ниже точки подсоединения верхней части наклонной трубы, и система отопления работоспособность утрачивает.
Решение этой проблемы может быть найдено в использовании энергонезависимого устройства автоматического поддержания уровня теплоносителя в автономных отопительных системах. Принцип действия этого устройства основан на тех же физических закономерностях, в соответствии с которыми происходит движение теплоносителя.
Известно, что плотность многих жидкостей зависит от температуры. Например, плотность воды при 4°С составляет 1000 кг/куб.м, при температуре 85 °С - 968,65 кг/куб.м и при температуре 95°С - 961,92 кг/куб.м. Именно эта зависимость заставляет воду, нагретую в котле, подниматься по вертикальному стояку вверх, а воду, отдающую теплоту в отопительных батареях, опускаться вниз. Интенсивность такого движения определяется циркуляционным напором Рц. Величина Рц обусловлена разностью высот центра котла и самого нижнего радиатора, На рис.1 представлена схема традиционной отопительной системы с естественной циркуляцией теплоносителя.
Рис.1 Схема отопительной системы с естественной циркуляцией теплоносителя.
Кашел
Горячая додо чччччччччччччччччччччччччччччч^
'/////////////////////////////77/,
Холодная додо
Радиаторы
Рис.2. Схема расположения горячей и холодной воды
Легко заметить, что чем больше будет разность высот (И) и разность плотностей нагретой (рг) и охлажденной (ро) воды, тем большую величину будет принимать Рц:
Рц — Н(ро — Рг), мм водн.ст.
Если допустить, что температура теплоносителя в системе отопления резко изменяется в центре котла и в центре радиатора, то схематично расположение горячей и холодной воды можно изобразить так, как представлено на рис.2
При мысленном отсечении верхней части схемы от нижней становится очевидным, что рассматриваемая схема по существу представляет собой элементарное соединение двух сообщающихся сосудов, находящихся на разных уровнях (рис.3). При этом вода с более высокой точки под действием гравитационной силы будет стремиться перетекать в более низкую.
Рис.3. К пояснению возникновения циркуляционного напора.
Поскольку отопительная система представляет собой замкнутый контур, содержащаяся в ней вода не выплескивается, а просто выталкивает нагретую воду вверх.
Таким образом, в отопительной системе происходит процесс перемещения теплоносителя, продолжающийся до тех пор, пока существует нагрев теплоносителя в котле и его охлаждение в отопительных радиаторах.
Интересно, что подобное движение жидкости можно наблюдать в иных замкнутых трубопроводных контурах, в разных точках которых имеется хотя бы небольшой температурный перепад. Например, в полузаглубленном в землю трубопроводном контуре, форма которого напоминает контур отопительной системы. При этом нагрев жидкости осуществляется естественной теплотой земли а ее охлаждение - воздухом окружающей среды. Жидкость внутри трубопровода приобретет заметное движение, например, в зимнее время года, когда температура земли на глубине нескольких метров будет составлять 5...70С, а температура воздуха - 10...-15оС. Это перемещение жидкости вполне может быть использовано для вращения небольшой крыльчатки, установленной в трубопроводе. В свою очередь крыльчатка способна приводить в движение насос, поднимающий воду с глубины нескольких метров до уровня установки расширительного бака [1].
Разумеется, вращающий момент, развиваемый крыльчаткой, весьма мал и совершенно недостаточен для привода насоса, работающего в системе водоснабжения. Однако он вполне пригоден для приведения в движение насоса, используемого для долива воды в расширительный бак, компенсируя естественное испарение теплоносителя и его протечки через неплот-
ности соединений или незначительные локальные повреждения трубопровода.
В летнее время года температура воды в скважине становится ниже температуры окружающего воздуха, однако в этом случае прогрев воды в вертикальном стояке может быть осуществлен за счет солнечного коллектора.
Ни рис. 4 представлена функциональная схема устройства для энергонезависимого поддержания уровня теплоносителя в отопительных системах. Употребление термина «энергонезависимости» подразумевает отсутствие традиционных внешних энергетических источников, хотя на самом деле работа устройства сопровождается затратами тепловой энергии земли или энергии солнца.
13
Рис.4. Функциональная схема устройства для энергонезависимого поддержания уровня теплоносителя в отопительных системах.
Устройство содержит замкнутый трубопровод 1 с установленной внутри него крыльчаткой 2. имеющей жесткую связь с валом 3. Центр крыльчатки 2 смещен относительно продольной оси трубопровода 1 для обеспечения ее свободного вращения под действием поступательно перемещающейся рабочей жидкости. Замкнутый трубопровод 1 включает горизонтальную часть 4, расположенную в грунте, первую вертикальную часть 5, наклонную часть 6 и вторую вертикальную часть 7. Для климатических условий средней полосы России глубина прокладки горизонтальной части 4 составляет 3.. .8 м.
Горизонтальная часть 4 соединена с нижней точкой вертикальной части 5, а верхняя точка первой вертикальной части 5 через наклонную часть 6 -с верхней точкой второй вертикальной части 7. Наклонная часть 6 уста-
новлена под углом 5°....12° по отношению к поверхности Земли. Нижняя точка второй вертикальной части 7 соединена с горизонтальной частью 4.
В первой вертикальной части 5 установлен солнечный коллектор 8. Вал 3 соединен с насосом 9, установленным в трубопроводе 10 для подъема теплоносителя (воды). Насос 9 может иметь объемную конструкцию с вращательным движением рабочего органа (шестеренный или винтовой), или работать по другому принципу, обеспечивающему подъем воды при низкой частоте вращения. Выходной патрубок насоса 9 через соединительную трубу 10 соединен с расширительным баком 11, который, в свою очередь, подключен в систему отопления патрубком 12. Для предотвращения перелива теплоносителя в устройстве предусмотрен клапан 12, приводимый в действие поплавковым датчиком 13.
В качестве рабочей жидкости, находящейся в замкнутом трубопроводе 1, может быть использована вода. Однако при этом следует иметь в виду возможность ее замерзания в зимнее время года. Замкнутый трубопровод 1 может быть заполнен и какой-либо другой (в том числе и низкозамерзаю-щей жидкостью), но в таком случае необходимо принимать во внимание возможную обратную зависимость плотности таких жидкостей от температуры.
Устройство для энергонезависимого поддержания уровня воды работает следующим образом.
В зимнее время года температура грунта на глубине расположения горизонтальной части 4 замкнутого трубопровода 1 составляет несколько градусов выше нуля (по шкале Цельсия). В это же время температура воздуха окружающей среды может быть отрицательной. Рабочая жидкость внутри замкнутого трубопровода 1 приобретет разную температуру. В горизонтальной части 4 температура рабочей жидкости окажется ниже температуры в первой вертикальной части 5, в наклонной части 6 и во второй вертикальной части 7. Поскольку плотность теплой рабочей жидкости меньше плотности холодной, внутри замкнутого трубопровода 1 произойдет ее перемещение. Теплая, а потому менее плотная рабочая жидкость поднимется вверх по первой вертикальной части и вытеснит ранее находящуюся там холодную рабочую жидкость в наклонную часть 6. Одновременно движению рабочей жидкости по наклонной части 6 будет способствовать ее наклон по отношению к поверхности Земли.
В теплое время года направление движения рабочей жидкости, показанное стрелками на рис.4, сохраняется. Однако в этом случае температура рабочей жидкости, находящейся в первой вертикальной части 5, повышается за счет преобразования солнечной энергии в солнечном коллекторе 8. Теперь температура рабочей жидкости в горизонтальной части 4 окажется ниже ее температуры в первой вертикальной части 5 Однако аналогично зимнему периоду теплая (наименее плотная) рабочая жидкость будет подниматься вверх по первой вертикальной части 5 и стекать внутри наклонной части 6 и второй вертикальной части 7 в горизонтальную часть 4.
Перемещаясь внутри первой вертикальной части 5, рабочая жидкость вращает крыльчатку 2. Вращающий момент посредством вала 3 передается насосу 9, который осуществляет подъем воды из скважины и подачу ее в расширительный бак 11 по трубопроводу 10. Поскольку насос 9 имеет объемную конструкцию с вращательным движением рабочего органа, подъем воды будет осуществляться практически при любых частотах вращения вала 3.
Интенсивность работы насоса 9 зависит от частоты вращения вала 3, которая, в свою очередь, зависит от частоты вращения крыльчатки 2. Частота вращения крыльчатки 2 определяется разностью температур рабочей жидкости в горизонтальной части 4 и в первой вертикальной части 5 замкнутого трубопровода 1. При заполнении расширительного бака 11 поплавковый датчик 14 перекрывает клапан 13, обеспечивающий защиту от перелива теплоносителя.
Список литературы
1. Андреев С. А., Судник Ю.А., Шибаров Д.В. Устройство для подъема воды. Патент на полезную модель РФ № 143227, Заявка № 2013152074 от 25.11.2013, опубл. 20.07.2014, бюлл.№ 20.
УДК 621.791.052
ОПТИМИЗАЦИЯ РАЗМЕРОВ ТОЧЕЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ СВАРКЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
АндрееваЛ.П., к.т.н., доцент Овчинников В.В., д.т.н., профессор Сидоров А.А., магистр Московский государственный машиностроительный университет
«МАМИ»
В статье рассмотрено влияние величины диаметра литого ядра сварного соединения сплава 1565ч, выполненного контактной точечной сваркой, на прочность соединения при статическом и циклическом растяжении. Благодаря уменьшению диаметра ядра для контактных сварочных машин можно увеличить максимальную толщину свариваемых деталей примерно на 1 мм. Для повышения статической и циклической прочности сварных точечных соединений целесообразно применение клеев и паст, заполняющих нахлестку соединяемых деталей, а также конструкцию соединений с повышенной жесткостью в зоне расположения сварных точек.
Ключевые слова: алюминиевый сплав, контактная сварка, диаметр ядра, величина нахлестки, статическое растяжение, испытания на срез точек, циклическое нагружение, клеесварные соединения.
Введение
Контактная точечная сварка - сложный процесс образования неразъемных соединений, формирование которых происходит при определенных
