CC BY
23
УДК 662.995+621.365
Оценка эффективности нагревателя жидкого теплоносителя
А. Н. Карпенко,
ООО «Волгоградские энергосберегающие технологии», генеральный директор Е. А. Федянов,
Волгоградский государственный технический университет,
заведующий кафедрой «Теплотехника и гидравлика», доктор технических наук, профессор А. В. Курапин,
Волгоградский государственный технический университет,
доцент кафедры «Автотракторные двигатели», кандидат технических наук
А. М. Ларцев,
Волгоградский государственный технический университет,
доцент кафедры «Теплотехника и гидравлика», кандидат технических наук
Показана методика оценки эффективности установки с нагревателем жидкого теплоносителя и приведены результаты её испытаний на различных видах теплоносителя: воде, минеральном масле и растворе бишофита. Представлены выводы об эффективности установки в зависимости от вида и температуры теплоносителя, отмечены её преимущества по сравнению с другими типами тепловыделяющих устройств, используемых для систем отопления и горячего водоснабжения.
Ключевые слова: нагреватель, отопление, теплоноситель, теплообменник, теплоёмкость.
В последние годы в жилищно-коммунальной сфере появился повышенный интерес к локальным системам теплоснабжения. Некоторые производители предлагают в качестве теплоисточника в таких системах использовать насосы-нагреватели жидкой среды, приводимые в работу электрическими или другими двигателями. В данной статье показаны результаты проведенных авторами испытаний с целью оценки эффективности нагревателя жидкого теплоносителя, который разработан, запатентован [1] и выпускается многопрофильной производственной фирмой «Волгоградские энергосберегающие технологии».
С термодинамической точки зрения рассматриваемый нагреватель жидкого теплоносителя (НЖТ) представляет собой систему, в которой механическая энергия вращающегося вала с дисками преобразуется в теплоту вследствие работы против сил вязкого трения в жидкости. Большая часть этой теплоты воспринимается теплоносителем, а остальное теряется через внешние поверхности НЖТ. Схема НЖТ показана на рис. 1.
Внутри корпуса НЖТ имеется камера 1, сообщающаяся с патрубками 2 и 3 подвода и отвода теплоносителя. На приводном валу (роторе) 5 закреплены подвижные диски 4 и 6, а внутри корпуса закреплены неподвижные диски 7, размещённые с дисками 4 и 6 секционно по схеме «неподвижный диск - диск ротора - неподвижный диск». В секции диски 6 и 7 размещены с зазором А, составляющим около 2 мм, а расстояние В между секциями превышает междисковый зазор А. В дисках ротора 4 и 6 имеются каналы С для прохода жидкости, а в неподвижных дисках 7 - каналы D.
Рис. 1. Схема нагревателя жидкого теплоносителя
Каналы С и D выполнены по всей окружности дисков с шагом 50-70 мм. Внутри корпуса на общем с подвижными дисками валу 5 размещено насосное колесо, выполненное в виде крыльчатки (на рисунке не показано), которое обеспечивает принудительную циркуляцию теплоносителя через диски и далее по системе. Общий вид НЖТ показан на рис. 2.
Рис. 2. Общий вид нагревателя жидкого теплоносителя
Основными преимуществами НЖТ являются, во-первых, возможность присоединения устройства к уже существующим тепловым трубопроводным сетям зданий и сооружений, во-вторых, способность работать не только на воде, но и на соляных растворах с низкой (-38 + -42 °С) температурой замерзания и, в-третьих, возможность автономной работы в местах, удалённых от сетей централизованного теплоснабжения.
Экспериментальное определение КПД установки с НЖТ было проведено на стенде, также созданном фирмой «Волгоградские энергосберегающие технологии». Схема стенда представлена на рис. 3.
Измерительная аппаратура стенда включает термометры 6 и 7 со шкалой измерения от 50 до 100 °С с интервалом 0,1 °С для определения значений температуры теплоносителя на выходе и входе в НЖТ, расходомер 8 (типа ВСГ-32), ваттметр (электросчётчик И-468) 9 для определения потребления электрической энергии электродвигателем. Во время испытаний измерение расхода электроэнергии электросчётчиком контролировалось измерением величины тока в одной из фаз.
Испытания проводились на нескольких установившихся режимах работы НЖТ, отличавшихся величиной теплового потока, отводимого от теплоносителя в теплообменнике. Режимы задавались регулировкой расхода охлаждающей воды через теплообменник. Признаком установившегося теплового режима работы НЖТ являлось постоянство (с точностью до 0,2 °С) температур на выходе из НЖТ и на входе в него.
Для каждого из режимов был установлен следующий порядок проведения опытов:
1) задавался некоторый постоянный расход охлаждающей воды в теплообменнике;
2) с интервалом в 5 минут фиксировалась температура теплоносителя на входе и выходе НЖТ с целью определения момента выхода установки на стационарный режим;
3) на установившемся режиме с интервалом в 2 минуты выполнялось не менее пяти последовательных замеров значений температуры на выходе и входе НЖТ, а также регистрировались значения расхода теплоносителя и мощности, потребляемой электродвигателем.
Мощность, передаваемая НЖТ в систему обогрева, вычислялась по формуле
(1)
где т с
Рис. 3. Схема установки для проведения испытаний НЖТ
Стенд включает НЖТ 1 с электроприводом
2 и физическую модель системы обогрева помещения. Последняя состоит из водоводяного теплообменника 3, соединительных трубопроводов 4 и вентиля 5, регулирующего расход охлаждающей воды в теплообменнике. Трубопроводы, соединяющие теплообменник с НЖТ, и сам НЖТ теплоизолированы. Площадь поверхности теплообмена в теплообменном аппарате составляет около 0,5 м2. Электроснабжение осуществляется трёхфазным асинхронным электродвигателем АИР 160 S 2У3 мощностью 22 кВт и частотой вращения
3 000 мин-1.
массовый расход теплоносителя, кг/с; - средняя массовая теплоёмкость теплоносителя Дж/(кг °С); и ?вх, °С - среднее арифметическое температуры для каждого режима.
Разность потенциальных энергий на входе и выходе установки не учитывалась вследствие малого гидравлического сопротивления теплообменника.
Значения КПД установки находились как
ГГ
1Г.
(2)
где - электрическая мощность, потребляемая электродвигателем, Вт.
Испытания были проведены на трёх типах теплоносителей: воде, соляном растворе на основе бишо-фита (параметры раствора см. в [2]) и индустриальном масле ИГП-18. Перед обработкой данных, полученных при испытании установки с НЖТ на растворе бишофита, были предварительно проведены опыты, в которых определялись плотность и тепло-
щ м а ки а англ ¡жим а и а еж м; i И ми га; i м a ws5 s g м м м i i В ;.шша
ёмкость данного раствора. Для масла ИГП-18 применялись справочные данные [3]. Так как при использовании в качестве теплоносителя индустриального масла коэффициент теплопередачи на порядок ниже, чем при использовании воды и раствора бишо-фита, то размеры поверхности теплообмена в теплообменнике не позволили получить температуру выхода из НЖТ ниже 74,5 °С.
Значения коэффициента полезного действия электродвигателя и cos ф принимались на номинальном режиме работы электродвигателя в соответствии с [4]. Для режимов, при которых нагрузка электродвигателя была меньше номинальной, значения названных величин оценивались на основе зависимости, приведенной в [5].
Оценка погрешностей измерений проводилась по общепринятым методикам [6]. Для повышения надёжности результатов величина мощности, потребляемой электродвигателем находилась как средняя величина результатов измерений с помощью счётчика электрической энергии и с помощью токовых клещей. При вычислении электрической мощности, потребляемой электродвигателем, использовались измеренные значения тока в одной из фаз. При этом предполагалось, что напряжения в фазах одинаковы.
Графическое представление результатов экспериментов дано на рис. 4.
t, °С
Рис. 4. Зависимость КПД установки с НЖТ от температуры теплоносителя на выходе из установки: ♦ вода;
■ раствор бишофита; ^ масло;
- степенная регрессия (вода);
----степенная регрессия (раствор бишофита)
На графике рис. 4 нанесены точки, соответствующие опытным данным, и показаны кривые для воды и раствора бишофита, аппроксимирующие эти данные методом наименьших квадратов. Как видно из графика, наибольшие значения коэффициента полезного действия установки с НЖТ получены при использовании в качестве теплоносителя воды, а наименьшие - при использовании индустриального масла. Разная эффективность работы испытанной
установки с НЖТ на различных теплоносителях связана с их теплоёмкостью. При использовании теплоносителей с меньшей теплоёмкостью возрастает влияние потерь теплоты через корпус НЖТ и стенки трубопровода на величину температуры перед теп-лообменным аппаратом. Снижение указанных потерь теплоты за счёт дополнительной теплоизоляции корпуса НЖТ и трубопровода должно уменьшить различия в эффективности установки при её работе на различных теплоносителях.
На всех испытанных теплоносителях отмечается снижение КПД при повышении температуры теплоносителя на выходе НЖТ. Так, на воде при температурах на выходе 58,5 °С значение КПД близко к 90 % и практически соответствует величине коэффициента полезного действия электродвигателя (89,5 % на номинальном режиме [6]), а на режиме с температурой /ВЬ1Х = 92 °С величина КПД несколько ниже 85 %. Отмеченное снижение КПД является следствием относительного роста с повышением температуры потерь теплоты через стенки корпуса НЖТ и трубопровод на участке от НЖТ до точки замера температуры.
Сопоставление значений мощности, преобразуемой в теплоту при работе установки на различных теплоносителях, показывает, что наибольшее значение достигается при использовании раствора бишо-фита. Для испытанной установки с номинальной мощностью двигателя 22 кВт выработка теплоты на этом теплоносителе составляет 61,2 МДж (0,014 Гкал) в час.
При габаритах установки 1000x500x500 мм мощность, потребляемая установкой на единицу объёма, составляет 88 кВт на м3, а мощность, передаваемая теплоносителю (при использовании раствора бишо-фита) - 68 кВт на м3.
По результатам проведенных испытаний можно сделать следующие выводы.
1. При температурах теплоносителя на выходе, равных 55-65 °С, КПД установки с НЖТ составляет около 90 % и близок к КПД электродвигателя.
2. С повышением температуры теплоносителя КПД установки несколько снижается из-за относительного роста потерь теплоты через внешние поверхности НЖТ и соединительных трубопроводов, однако на всех режимах испытаний при использовании в качестве теплоносителя воды и раствора бишо-фита КПД не ниже 80 %.
3. При температурном режиме 65-75 °С, соответствующем графику отпуска теплоты в тепловых сетях, КПД установки 86-88 %.
4. Отмечены следующие преимущества НЖТ по сравнению с другими типами тепловыделяющих устройств для систем отопления и горячего водоснабжения:
а) возможность использования НЖТ для обогрева отдельных зданий и сооружений без подвода к ним газовых и тепловых магистралей;
б) использование в качестве теплоносителя не только воды, но и соляных растворов с низкой температурой замерзания;
в) возможность работы в автоматическом режиме;
г) простота технического обслуживания, ремонта и эксплуатации;
д) совмещение функций нагревательного устройства и насосной установки;
е) возможность использования на промышленных предприятиях как нагревательного
и циркуляционного устройства для гальванических, промывочных ванн, смесительных ёмкостей для приготовления различных жидких растворов;
ж) высокая пожаро-, взрыво-, электро- и экологическая безопасность.
Литература
1. Нагреватель жидкого теплоносителя: Пат. 2094711 РФ, МПК5 F24 J 3/00. Опубл. 27.10.97 / Карпенко А. Н.
2. Жидкий теплоноситель для нагрева или охлаждения тепловых систем: Пат. 2072381 РФ, МПК6 С09К5/00. Опубл. 27.01.97 / Табаков Ю. И., Конев А. А., Строкатов А. А.
3. Теплотехнический справочник / Под общ. ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. В 2 т. Т. 2. - М.: Энергия, 1976. - 896 с.
4. Кузнецов Б. В., Сацукевич М. Ф. Справочное пособие заводского электрика. - Минск: Беларусь, 1978. - 318 с.
5. Справочник по электрическим машинам / Под общ. ред. И. П. Копылова и Б. П. Клокова. В 2 т. Т. 1. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 456 с.
6. Осипова В. А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. - М.: Энергия, 1969. - 392 с.
Effectiveness estimation of a liquid heat-carrier heater
A. N. Karpenko,
Volgograd energy saving technologies, general director
E. A. Fedyanov,
Volgograd State Technical University, Department of heat engineering and hydraulics, doctor of science, professor
A. V. Kurapin,
Volgograd State Technical University, Department of automobile and tractor engines, PhD, associate professor
A. M. Lartsev,
Volgograd State Technical University, Department of heat engineering and hydraulics, PhD, associate professor
The methodology of effectiveness evaluation for a liquid heat carrier heater is given. The authors have tested it with different types of heat carriers such as water, mineral oil, and bischofite solution. They present results regarding effectiveness of the mentioned heater in comparison with other types of heating devices.
Keywords: heater, heating, heat carrier, heat exchanger, thermal capacity.
