CC BY
43
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
ТЕПЛОТЕХН1КА ТА ТЕПЛОЕНЕРГЕТИКА
УДК 697.34(088.8)
© Шитжова 1.Г.*
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ТЕПЛООБМ1ННИХ ПРОЦЕС1В, ЯК1 ПРОТ1КАЮТЬ В КОНТУРАХ СИСТЕМ ОПАЛЕННЯ ТА ГАРЯЧОГО ВОДОПОСТАЧАННЯ, У ТЕПЛООБМ1ННОМУ АПАРАТ1 ЗМ16ВИКОВОГО ТИПУ
Досл1дження паливно-енергетичного комплексу дозволило розкрити величезний енергозбер1гаючий потенциал у комунальнт теплоенергетищ. Енерго- 7 ресурсозбе-р1гаюч1 агрегати та системи набувають актуальност1 в реал^зацИ цього потенциалу, особливо у зв'язку з невпинним наближенням кризи енергетичног галуз1. Розгля-нуто саморегульована система теплопостачання в1д Шдив1дуальних теплових пун-кт1в з тд^гр^вально-акумуляторними установками 7 теплообм1нниками зм1евиково-го типу для незалежних систем опалення та гарячого водопостачання. Теплооб-м1нники зм1евикового типу застосовуються в комунальнт енергетиц для передач7 тепла (наприклад, геотермальних вод) до незалежних контур1в системи опалення та гарячого водопостачання. Був проведений теплотехмчний розрахунок тдггр\-вально-акумуляторног установки з теплообм1нником зм1евидного типу для незалежних систем теплопостачання в1д Шдив1дуального теплового пункту, в результат7 якого на досл1дно-промисловт установц в лабораторних умовах були отри-мам досл1дт дам. Показан7 особливост1 переб1гу потоюв в м1жтрубному просто-р1, гх вплив на теплообмен 1 температури теплоносИ'в першого 7 пром1жних конту-р1в. Для полтшення техмчних характеристик триконтурного теплообм1нника зм1евикового типу необх1дно знати, якг процеси прот1кають всередит апарату. Ршення цього завдання дозволить в подальшому економити витрати матер1ал1в на виготовлення триконтурних теплообменников зм1евикового типу 7 забезпечить енергоефективмсть системи.
Ключовi слова: тд^гр^вально-акумуляторна установка, триконтурний теплооб-мтник, система незалежного теплопостачання.
Шитикова И.Г. Исследование теплообменных процессов, которые протекают в контурах систем отопления и горячего водоснабжения, в теплообменном аппарате змеевикового типа. Исследование топливно-энергетического комплекса позволило раскрыть огромный энергосберегающий потенциал в коммунальной теплоэнергетике. Энерго- и ресурсосберегающие агрегаты и системы приобретают особую актуальность в реализации этого потенциала, особенно в связи с неумолимо надвигающимся кризисом энергетической отрасли. Рассмотрены саморегулирующаяся система теплоснабжения от индивидуальных тепловых пунктов с по-догревально-аккумуляторными установками и теплообменниками змеевикового типа для независимых систем отопления и горячего водоснабжения. Теплообменники змеевикового типа применяются в коммунальной энергетике для передачи тепла (например, геотермальных вод) для независимых контуров системы отопления и горячего водоснабжения. Был проведен теплотехнический расчет подог-ревально-аккумуляторной установки с теплообменником змеевикового типа для независимых систем теплоснабжения от индивидуального теплового пункта, в результате которого на опытно-промышленной установке в лабораторных условиях были получены опытные данные. Показаны особенности течения потоков в межтрубном пространстве, их влияние на теплообмен и температуры теплоносите-
здобувач наукового ступеня канд. наук, 1нститут телекомунжацш г глобального тформацшного простору, м. Кигв, тпс®ЫИксу>а54(@)8т£а1.сот
Серiя: TexHÍ4HÍ науки ISSN 2225-6733
лей первого и промежуточных контуров. Для улучшения технических характеристик трехконтурного теплообменника змеевикового типа необходимо знать, какие процессы протекают внутри аппарата. Решение задачи позволит в дальнейшем экономить расход материалов на изготовление трехконтурных теплообменников змеевикового типа, и обеспечит энергоэффективность системы. Ключевые слова: подогревально-аккумуляторная установка, трехконтурний теплообменник, система независимого теплоснабжения.
I. G. Shytikova. Research of the heat exchanging processes running in the heating and hot water supply loops of the coil heat exchangers. The fuel-energy complex research has made it possible to disclose a huge power-saving potential in the municipal heat-and-power engineering. Power-and-resource-saving units and systems are becoming extremely urgent because of the power engineering crisis expansion. The self-adjusting heat supply system from the individual heating points with the heat-accumulating units and coil heat exchangers for independent heating and water supply systems has been examined. Coil heat exchangers are used in municipal heating for heat transfer (e.g. geother-mal waters) for the independent mains of the heating and hot water supply systems. The heat engineering calculation of the heating and accumulating unit with the coil heat exchanger for independent heat supply systems from individual heater was performed and experimental data were received at the experimental industrial unit under the laboratory conditions. The peculiarities of the flows in the intertubular space, their influence on the heat exchange and temperatures of the first and intermediate mains have been shown. It is important to know the processes running inside the apparatus to be able to improve the technical characteristics of the three-loop coil heat exchanger. The task solution will make it possible to save the materials consumption for the three-loop coil heat exchangers in the future.
Keywords: heat-accumulating unit, three-loop heat exchanger, independent heat supply system.
Постановка проблеми. Проводяться дослщження пщ^вально-акумулюючо! установки з багатоконтурним теплообмшним апаратом 3MÍeB^0B0ro типу як для незалежно! системи опа-лення, так i для системи гарячого водопостачання [1].
Для дослщження були розроблеш два варiанти теплообмшниюв. У першому варiантi змь йовики виконаш однаковими як для контурiв системи опалення, так i гарячого водопостачання, тобто з однаковими поверхнями на^ву FQI = F'ГВ (м2).
У другому варiантi розглядасться триконтурний теплообмшник, який у якосп первинного теплоношя використовуе геотермальну воду, а змшовик контуру системи гарячого водопостачання знаходиться всередиш змшовика опалювального контура. В данш конструкци полшшу-сться зшмання тепла, але ускладнюсться чистка теплообмшних поверхонь змшовиюв вщ наки-пу i забруднень, що знаходяться в геотермальнш вод^
Ц конструкци пда^вально! акумуляторно! установки (ПАУ) з багатоконтурними тепло-обмшниками змieвикового типу можуть використовувати теплоносш вщ будь-якого джерела теплоти, а розбiрнi фланщ в теплообмшнику тдвищують експлуатацшш характеристики, таю як: надшнють, розбiрнiсть конструкци, швидюсть демонтажу [2]. Вхщний i вихiдний патрубки первинного теплоношя розмiщенi тангенцiально до корпусу теплообмшника, що турболiзуe потiк навколо теплообмшних поверхонь систем опалення та гарячого водопостачання i покра-щуе теплообмш. Вторинний теплоносiй в змiйовику рухасться на противотоцi первинного теп-лоношя, що знаходиться в мiжтрубному простор^ це сприяе обмиванню поверхонь теплообмшника i запобтае осiданню зважених частинок на поверхнях теплообмiнника. Тим самим збшь-шуеться термiн мiж чистками i профiлактикою теплообмiнних поверхонь та стшок корпусу теплообмшника (рис. 1).
У комунальнiй енергетищ найбiльшими споживачами теплово! енерги е системи тепло-постачання мiст та !хш комунально-побутовi споживачi. Дослiдження паливно-енергетичного комплексу дозволили виявити величезний енергозбертаючий потенщал в комунальнiй тепло-
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
енергетищ. Устаткування шдивщуальних теплових пунктiв завжди вiдрiзняeться своею компа-ктнiстю i надiйнiстю, викликаною обмеженими умовами примiщення.
ТзАз
Рис. 1 - Напрям руху теплоносив у багатоконтурному теплообмiннику змiевиково-
го типу
У зв'язку з цим, зменшення габаритних розмiрiв теплообмiнникiв i конструкци ПАУ в щ-лому можливо за рахунок штенсифшаци процесiв теплообмiну, що пiдвищують ефективнiсть 1х експлуатацп для незалежних систем опалення i гарячого водопостачання. У цьому плаш викли-кають iнтерес багатоконтурнi теплообмiнники змiевикового типа, в яких первинний (грдачий) теплоносiй циркулюе мiж двома змшовиками, з'еднуючи сво! незалежнi контури для мюцевих систем опалення i водопостачання.
Аналiз попереднiх дослiджень та публжацш. Для дослiдження теплообмiну у теплооб-мiнному апаратi (ТА) в роботах Денисенко Ю.Н. та Олексюка А.О. була розроблена математи-чна модель установки для системи опалення та гарячого водопостачання, яка в^^зняеться простотою застосування, а також багатофункщональнютю [3]. Робота е продовженням публшацш авторiв з дослщження конструкцiй теплообмшних установок i !х розрахунку.
Мета статп - встановити залежнiсть температури води, що нагрiваеться, вiд витрати i швидкостi теплоносив, а також простежити характер шмейства кривих на графшах, якi обумов-люються тангенщальним входом i виходом первинного теплоношя в корпус теплообмiнника.
Виклад основного матерiалу. Дослiдження експериментально! пда^вально-акумуляторно! установки з теплообмiнником змiевикового типу для незалежних систем опалю-вання гарячого водопостачання показали хорошу працездатнють конструкци змiйовикiв, що забезпечують на^в двох вторинних теплоносив T2 i T3, вiдповiдно, грiючим теплоносiем ^ i з котла (або альтернативного джерела) [4, 5].
Результати лабораторних дослщжень процешв теплообмiну мiж грдачим теплоносiем T1 з котла i вторинними T2 i T3 для контурiв опалення i гарячого водопостачання (ГВП) приведе-
нi в таблищ. Обробка експериментальних даних дозволила побудувати залежносп температури води, яка на^валася, на ГВП в ТА змiевикового типу при змiнi витрати первинного теплоношя з постiйною температурою ^ = 80°С, що показано на рисунках 2, 3. При збшьшенш витрат води, що на^ваеться, И температура знижуеться, хоча температура грдачого теплоношя залиша-еться стабшьною T1 = 80°С. Хвилястий характер температурних кривих можна пояснити за-кручуванням теплового потоку первинного теплоношя в корпусi ТА. Це досягаеться за рахунок тангенщально1 врiзки патрубюв, якi входять i виходять, для потоку первинного теплоношя, а змша напрямку руху вторинних теплоносив в змшовиках ТА по вiдношенню до протитоку первинного теплоношя i пояснюе хвилястий характер кривих, побудованих на рисунку 3.
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
Таблиця
Результати лабораторних дослщжень контуру системи опалювання в теплообмшнику змieвикового типу на дослщно-експериментальному стендi
№ Ж '' от? а, (отр, от ,, м.тр. (с , Т1, Т2, А^ср, Qот, К, атр/ от' Ж Ю
п/п кг/с кг/с м/с м/с °С °С °С Вт Вт/(м2-°С) ,, м.тр. (с '' от ^ с
1 0,075 0,181 0,239 0,576 80 64 38,6 12163 1180 0,415 0,414
0,305 0,239 0,970 80 68 48,8 15372 1330 0,246 0,245
0,375 0,239 1,224 80 69 55 17325 1410 0,195 0,2
0,430 0,239 1,369 80 71 51,6 16254 1575 0,175 0,174
2 0,125 0,181 0,398 0,576 80 57 33,3 17485 1700 0,690 0,690
0,305 0,398 0,970 80 60 48,8 25620 1825 0,410 0,41
0,375 0,398 1,224 80 62 54,0 28350 1970 0,325 0,333
0,430 0,398 1,369 80 64 55,04 28896 2110 0,290 0,29
3 0,153 0,181 0,487 0,876 80 57 27,2 17485 1795 0,845 0,845
0,305 0,487 0,970 80 60 39,85 25620 1945 0,502 0,50
0,375 0,487 1,224 80 62,5 42,89 27562 2130 0,398 0,41
0,430 0,487 1,369 80 64 44,97 28896 2280 0,356 0,356
4 0,295 0,181 0,938 0,576 80 57,5 13,80 17104 2120 1,628 1,63
0,305 0,938 0,970 80 59,5 21,19 26260 2500 0,967 0,967
0,375 0,938 1,224 80 62 22,88 28350 2720 0,766 0,766
0,430 0,938 1,369 80 63 24,77 30702 2810 0,685 0,685
5 0,433 0,181 1,379 0,576 80 56 10,03 18245 2395 2,390 2,39
0,305 1,379 0,970 80 59 14,79 26901 2710 1,421 1,42
0,375 1,379 1,224 80 61 16,45 29925 2910 1,127 1,15
0,430 1,379 1,369 80 62 17,87 32508 3170 1,007 1,007
= ас • 4200• (Т -Т2) = жот • 4200• (Г10 - Г20), (1)
Т - Т20) = —^-, (2)
4 10 20' Жот • 4200
К =_Оотт_, (3)
Fот М
ср
де Qот - кiлькiсть теплоти, що сприймае контур опалення, Вт; Gc - витрати мережево! води, кг/с; Т1 - температура перинного контуру, °С; Т2 - температура контуру, що на^ваеться, °С; Жот - витрати системи опалення, кг/с; Т10, Т20 - температури мюцево! води на виходi i входi, циркулюючого в контурi системи опалювання, °С; К - коефiцiент теплопередачi,
Вт/(м2-0С); ЕМ - поверхня змiйовика контуру опалення, м2; А^ср - середня температура, °С;
(тр - швидюсть теплоносiя у змiйовику контуру системи опалення, м/с; (ОМ'тр' - швидюсть
руху теплоносiя по мiжтрубному простору, який омивае поверхнi змшовиюв систем опалювання i гарячого водопостачання, м/с.
Дослщження рiзноманiтних конструкцш теплообмiнникiв дозволило зробити деякi уза-гальнення, що багатоходовi розбiрнi теплообмшники змiевикового типу придатнi для незалеж-них систем теплопостачання при використанш грiючого теплоносiя у виглядi пари або води, а так само при використанш теплоношя вщ геотермального джерела теплоти [6]. Що стосуеться габаритних розмiрiв конструкци ТА змiевикового типу для ПАУ на шдивщуальному тепловому пунктi (1ТП), то його довжина не повинна перевищувати Lopt < 3,0 м, а дiаметр бака-акумулятора не перевищував Dба = 1,0...1,2 м. Змiйовики мають бути виготовленi з латунних або нержавдачих трубочок дiаметром Dтр = 10.. .5 мм.
Виконання цих рекомендацш дозволить вибрати оптимальну конструкцiю ПАУ для 1ТП з ТА змiевикового типу для незалежних систем опалення i гарячого водопостачання житлових i громадських будiвель вiд будь-якого джерела теплоти.
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
§
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Т.1 Л л
а
*—1- яЛ Я
*— о— • — . — . — . —о . ---Г,'с? г- ■ ¿-З
-
■ ХЧ
ч ч \ \
--->
0,2
0,4
0,6
0,8
1,2
1,4
Вщношення швидкостей нагршаемоТ води
/ю
'гвп
1,6
Рис. 2 - Впливи мiри закручування потоку первинного теплоношя на швидкiсть на-^ву води в змiйовиках вторинних контурiв систем опалювання i ГВП при Т =80°С
70
60
и Ъ
и л 1-и го ю 'о. го £ о
3
5
4 о ю
го
о.
6
« 20
ф с 2
ф
50
40
30
10
50
ч _ ** ч ч > ^ттио
— ___ - ч \ Ч^Х
ч\ к \ ч \ ч \ ч
1
0,2
0,4 400
0,6 0,8 1 1,2 1,4
800 1200
Витрати води,що нагртаеться Wгвc,кг!н
1,6 1600
1,8
Щпр Швидюсть м/с
Рис. 3 - Залежнють температури на^ваемо! води на ГВП в ТА змieвикового типу при змш витрати первинного теплоносiя з температурою Тх =80°С
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
Висновки
Обробка результата експерименту дозволила отримати вихщш даш для складання методики розрахунку ПАУ i рекомендацп за схемами приеднання li до теплових мереж та спрощен-ня конструктивних схем окремих вузлiв. Змiну температур грдачого i нагрiваемих теплоносив на виходi з ПАУ з триконтурним теплообмшником в перехiдному режимi можна спостертати на графiку. За допомогою схеми, що представлена на рисунку 1, можна простежити напрями контурiв. Для подальшого дослiдження е важливим встановлення залежносп швидкостi та тем-ператури, так як це вплине на площу поверхнi нагрiву i тим самим може змшити конструктивнi особливосп теплообмшно! установки. Виходячи з отриманих даних, можливо використання матерiалiв з великою теплопровщнютю або збiльшити температуру первинного теплоношя.
Перелiк використаних джерел:
1. Пат. 81831 Укра!на, МПК F 24 D 11/00. Багатоконтурний теплообмiнний апарат змiевико-вого типу для незалежних систем опалення та гарячого водопостачання / 1.Г. Шитшова, А О. Олексюк. - № u201301303; заявл. 04.02.2013; опубл. 10.07.2013, Бюл. № 13. - 4 с.
2. Олексюк А.О. Енергоресурсозберiгаючi системи теплопостачання з шдивщуальними теп-ловими пунктами i багатоконтурними теплообмiнниками : автореф. дис. ...доктора техн. наук : 05.23.03 / А.О. Олексюк; Донбас. нац. акад. буд-ва i архгг. - Макпвка, 2008. - 34 с.
3. Денисенко Ю.Н. Решение задачи структурной идентификации математической модели отопительной установки / Ю.Н. Денисенко, В.И. Панферов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия : Энергетика. - 2008. - № 26(126). - С. 4-9.
4. Олексюк А.О. Влияние режимов регулирования на величину термического и эксергетиче-ского КПД в теплообменнике змеевикового типа / А.О. Олексюк, И.Г. Шитикова // Будiвельне виробництво. - 2014. - № 57(2). - С. 46-51.
5. Олексюк А.А. Моделирование теплообмена в теплообменнике змеевикового типа для независимых систем отопления и горячего водоснабжения / А.А. Олексюк, И.Г. Шитикова // Bi-сник Донбасько! нащонально! академп будiвництва i архггектури. - 2014. - Вип. 5. - С. 6872.
6. Non Conventional Sources of Energy / Y.A. Sadawarte [et al.] // International Journal of Computer Applications. - 2012. - P. 1-11.
Bibliography:
1. Pat. 81831 Ukraine, IPC F 24 D 11/00. Multi-circuit coiled heat exchange apparatus for independent systems of heating and hot water / i.G. Shitikova, A.O. Oleksyuk. - № u201301303; filed 04.02.2013; publication 10.07.2013, Bulletin № 13. - 4 р. (Ukr.)
2. Oleksyuk A.O. Energy-and-resource-saving heating supply systems with the individual heating points and multicircuit heat exchangers : Phd. thesis : 05.23.03 / А.О. Oleksyuk; Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture. - Makeyevka, 2008. - 34 p. (Ukr.)
3. Denisenko Y.N. The decision of the task of structural identification of mathematical model of heating installation / Y.N. Denisenko, V.I. Panferov // Bulletin of the South Ural State University. Series : Power engineering. - 2008. - № 26(126). - Pp. 4-9. (Rus.)
4. Oleksyuk A^. Influence of regulation modes on the thermic and exergic efficiency factors magnitude in the heat exchanger of a coiled type / I.G. Shitikova, A^. Oleksyuk // Constructional Industry. - 2014. - № 57(2). - Pp. 46-51. (Rus.)
5. Oleksyuk AA. Heat exchange in the heat exchanger of a coiled type for the independent heating and hot water supply systems simulation / AA. Oleksyuk, I.G. Shitikova // Visnik Donbas'koi natcional'noi akademii budivnitctva ta arkhitektury. - 2014. - Issue 5. - Pp. 68-72. (Rus.)
6. Non Conventional Sources of Energy / Y.A. Sadawarte [et al.] // International Journal of Computer Applications. - 2012. - P. 1-11.
Рецензент: В.Б. Кисельов
д-р техн. наук, проф., Академiя мунщипального управ лшня
Стаття надшшла 05.05.2016
