CC BY
12Повышение эффективности теплопередачи теплого плинтуса пульсацией теплоносителя
Левцев Алексей Павлович,
д.т.н., профессор, заведующий кафедрой теплоэнергетических систем, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва, [email protected]
Янкин Вадим Олегович,
аспирант, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва, [email protected]
Целяев Александр Валерьевич,
аспирант, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва, [email protected]
Современные здания имеют относительно герметичную конструкцию и улучшенную теплоизоляцию. В связи с этим вместо радиаторов и конвекторов часто используют теплые плинтусы. Анализ публикаций показывает, что теплопередающей способности теплого плинтуса недостаточно. Повысить теплопередачу теплого плинтуса можно с использованием пульсирующего режима движения теплоносителя на частотах до 5 Гц. Исходя из поставленной цели предложена схема контура отопления с теплым плинтусом, пульсации в которой создаются ударным узлом. Экспериментальные зависимости падения температуры на двух секциях теплого плинтуса в импульсном режиме на частоте 5 Гц показали увеличение теплопередачи на 57% по отношению к стационарному режиму при одинаковом расходе теплоносителя.
Ключевые слова: теплый плинтус, пульсация теплоносителя, теплопередача, пульсирующий поток, конвективная теплопередача, импульсная циркуляция.
Технология «теплый плинтус» является усовершенствованной версией паро-бетонного отопления. При этом монтаж системы производится не в толщу стены, а возле пола, вместо обычного плинтуса [1]. Функционирует такое отопление аналогично системе «теплый пол» - две оребренные медные трубки располагают внутри окрашенного алюминиевого декоративного корпуса, в качестве нагревателя используется жидкостный теплоноситель [2]. При этом поток теплоносителя может быть как установившийся, так и неустановившийся [3]. В последние годы нестационарный поток привлекает внимание многих ученых из-за его уникальных физических свойств в связи с широким исследованием гидродинамики нестационарного потока [4]. Пульсирующий теплопередача является типичным представителем нестационарных технологических процессов, связанных с технологией потока и теплопередачи [5,6,7]. Турбулентный пульсирующий теплообмен является важной его частью [8,9].
Различные исследования показали, что жильцы, проживающие в зданиях, обслуживаемых низкотемпературными системами отопления, очень довольны условиями окружающей среды внутри помещений. В частности, считается, что воспринимаемый уровень теплового комфорта выше, чем в зданиях, обслуживаемых высокотемпературными системами отопления [10].
Тепловое излучение феющего модуля «теплого плинтуса», расположенного по периметру помещения, pавномерно нагревает стены и образует тепловой баpьер между внешним холодом и помещением. Стены прогреваются, при этом избавляясь от влаги, и наружу отдают тепла значительно меньше. Примерно 70% тепла от плинтуса расходуется на обогрев стен, пола и располагающихся поблизости от него предметов, а на обогрев воздуха тратится не более 30%.
На основе обзора и анализа литературных источников по проблеме повышения эффективности теплого плинтуса разработана схема контура экспериментальной установки с импульсным режимом подачи теплоносителя [11,12]. Данное схемное решение приведено на рисунке 1.
<
са
0
1 I
Рисунок 1 - Схема лабораторной установки с импульсной циркуляцией теплоносителя.
Лабораторная установка предназначена для проведения гидравлических и тепловых испытаний теплого плинтуса на частотах до 5 Гц и расходе теплоносителя до 360 литров в минуту.
Установка состоит из подающего Т1 и обратного Т2 трубопроводов Т1, Т2, позиция 1, циркуляционного насоса 2 для создания давления и циркуляции теплоносителя, ударного узла 3 с электроприводом для создания импульсного режима течения теплоносителя, запорной арматуры 4, датчиков температуры 5, теплого плинтуса 6.
Перед началом работы все контуры лабораторной установки заполняются рабочей жидкостью (водой комнатой температуры 21-23 °С. Циркуляция теплоносителя в отопительном контуре создается с помощью циркуляционного насоса 2. Насос обеспечивает постоянную составляющую скорости потока теплоносителя. При включении циркуляционного насоса 2 в подающем контуре создается разность давления, необходимая для обеспечения постоянной скорости теплоносителя в контуре теплого плинтуса. При закрытых вентилях 4, поток горячего теплоносителя будет проходить через теплый плинтус и отдавать тепло воздуху внутри помещения. При достижении заданной температуры теплоносителя в контуре, открывают вентили 4 и включают привод ударного узла 3. При включении электропривода ударного узла 3 его клапан будет периодически перекрывать сечение трубопровода и будут генерироваться импульсы повышенного давления (за счет преобразования кинетической энергии движения потока в потенциальную энергию давления). Частота работы ударного узла контролируется преобразователем частоты электропривода узла. При этом скорость теплоносителя так же будет иметь периодический характер, которая будет способствовать увеличению теплоотдачи и выравниванию температуры в теплом плинтусе. Изменения температуры на входе и выходе из теплого плинтуса регистрируются датчиками температуры и давления 5.
Эффективность теплопередачи оценивалась по величине изменения температуры нагреваемой среды по отношению к базовому режиму при разных расходах теплоносителя. За базовый режим принимался стационарный режим. Тепловые испытания теплого плинтуса проводились на экспериментальной установке, которая позволяет осуществлять как стационарный, так и импульсный режимы.
Перед началом эксперимента греющий контур заполнялся теплоносителем, нагретым до 45 °С и из системы удалялся воздух. Далее включался циркуляционный насос 2, который обеспечивает циркуляцию теплоносителя по греющему контуру. Затем с помощью клиновой задвижки в греющем контуре был выставлен заданный расход теплоносителя 1,4 л/м Прерывание потока теплоносителя в импульсном режиме осуществлялось с помощью ударного узла 3. При резком закрытии клапана происходит гидравлический удар, обратная волна которого воздействует на пограничный слой около теплопередающих поверхностей теплого плинтуса. Деформация пограничного слоя улучшает теплоотдачу от теплоносителя к теплопередающей поверхности. Настройка частоты открытия клапана задавалась при помощи приводного двигателя. В ходе проведения испытаний теплого плинтуса автоматически записывались следующие параметры: температура теплоносителя на входе и на выходе из теплого плинтуса в стационарном режиме и в импульсном с разной частотой, а
также расход теплоносителя. На рисунке 2 показана секция смонтированного теплого плинтуса с датчиками температуры на вводе и на выходе.
Рисунок 2 - Теплый плинтус с датчиками температуры на вводе и на выходе
Эксперимент проводился при различных расходах теплоносителя, в стационарном режиме и в импульсном режиме. В импульсном режиме частота вращения ударного узла изменялась от 4 до 7 Гц. Также менялась температура теплоносителя (45°С ,55°С ,65°С).
Результаты замеров разности температур на вводе и выходе из теплого плинтуса (Ж) при температуре теплоносителя 45 °С приведены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты замеров ^ при стационарном и импульсном режиме при температуре 45°С.
Расход
1,4
1,7
2,2
2,5
3
Стационарный ре жим
2,189
1,224
0,747
0,661
0,501
Частота 4 Гц
4,473
3,419
3,028
2,528
2,052
Частота 5Гц
3,277
2,962
2,695
2,225
2,206
Частота 6Гц
4,565
3,302
3,065
2,638
2,45
Частота 7Гц
5,284
3,504
3,162
2,891
2,489
Для наглядности зависимость разности температур от расхода при различных частотах при температуре теплоносителя 45°С представлена в виде графика Ъис.3).
^^Стационарный режим ^^Частота 5 Гц Частота 6Гц ——Частота 7Гц —«—Частота 4 Гц
В, л/с
Рисунок 3 - Графики изменения температуры нагреваемой среды от расхода для стационарного и импульсных режимов при температуре 45°С.
Результаты замеров разности температур на вводе и выходе из теплого плинтуса (Ж) при температуре теплоносителя 55 °С приведены в таблице 2.
Для наглядности зависимость разности температур от расхода при различных частотах при температуре теплоносителя 55°С представлена в виде графика (рис.4).
О
ГО >
п.
I
го т
г>
2 о
К) КЗ
сч сч о сч
О Ш СО
< СО
о
X
Таблица 2
Результаты замеров пt при стационарном и импульсном ре жиме при температуре 55°С.
Расход
1,4
1,7
2,2
2,5
Стационарный режим
6,248
5,655
5,016
4,142
4,259
Частота 4 Гц
8,739
6,718
5,803
5,26
4,126
Частота 5Гц
7,806
6,808
5,982
5,361
4,508
Частота 6Гц
7,738
7,543
6,021
5,336
5,008
Частота 7Гц
7,368
6,375
5,574
5,233
5,043
1,4 1,7 2,2 2,5 3
Рисунок 4 - Графики изменения температуры нагреваемой среды от расхода для стационарного и импульсных режимов при температуре 55°С.
Результаты замеров разности температур на вводе и выходе из теплого плинтуса (Л) при температуре теплоносителя 65 °С приведены в таблице 3.
Таблица 3
Результаты замеров Ж при стационарном и импульсном режиме при температуре 65°С.
Расход
1,4
1,7
2,2
2,5
3
Стационарный режим
6,782
6,282
5,737
5,113
4,535
Частота 4 Гц
10,559
8,14
6,783
6,119
4,906
Частота 5Гц
11,293
8,082
6,68
6,233
5,454
Частота 6Гц
10,51
9,553
6,758
6,086
5,38
Частота 7Гц
10,253
9,527
7,027
6,516
6,407
Для наглядности зависимость разности температур от расхода при различных частотах при температуре теплоносителя 65°С представлена в виде графика (рис.5).
Рисунок 5 - Графики изменения температуры нагреваемой среды от расхода для стационарного и импульсных режимов при температуре 65°С.
Из данных графиков видно, что для разных температур теплоносителя приемлемы разные частоты ударного узла для лучшей эффективности теплого плинтуса.
Выводы:
1. Проведен литературный анализ источников по проблеме повышения эффективности теплых плинтусов из которого следует, что одним из перспективных направлений улучшения их теплопередачи является организация импульсной циркуляции теплоносителя на низких частотах (до 5 Гц).
2. Предложена схема контура теплого плинтуса в импульсном режиме и выполнен ее монтаж, которая позволила провести тепловые и динамические испытания в широком диапазоне температур и частот.
3. Получены экспериментальные зависимости падения температура при стационарном и импульсных режимах. В базовом импульсном режиме падение температуры на 57% выше, чем в стационарном. В импульсном режиме на частоте 5 Гц при расходе в 1,4 л/мин зафиксирована самая высокая теплоотдача.
Литература
1. Кузнецова, И. В. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях / И. В. Кузнецова, И. И. Гиль-мутдинов. — Казань: Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2017. — 125 с.
2. Митрофанов, С. В. Энергосбережение в энергетике / С. В.Митрофанов, О. И. Кильметьева. — Оренбург: Оренбургский государственный университет, ЭБС АСВ, 2015. — 127 с.
3. Попкова, О. С. Методы интенсификации теплообмена: учебное пособие / О. С. Попкова, О. С. Дмитриева.
— Нижнекамск: НХТИ ФГБОУ ВО «КНИТУ», 2016. — 80 с.
4. Михеев, Н. И. Метод моделирования пульсирующих течений в каналах / Н. И. Михеев, И. А. Давлетшин, О. А. Душина, А. С. Демидов // Материалы Восьмой Межд. Школы-семинара «Модели и методы аэродинамики. Евпатория, 4-13 июня 2008 г. М.: МЦНМО. 2008. с. 109-110.
5. Левцев, А. П. Импульсные системы тепло- и водоснабжения: монография / А. П. Левцев, А. Н. Макеев; под общ. ред. д-ра техн. наук проф. А. П. Левцева. — Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2015.— 172 с.
6. Левцев, А. П. Обзор и анализ основных конструкций ударных клапанов для создания гидравлического удара / А. ПЦ. Левцев, А. Н. Макеев, Н.Ф. Макеев, Я. А. Нарватов, А. А. Голянин // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 2-2. (дата обращения: 24.04.2019
7. Левцев А. П. Импульсные системы теплоснабжения / А. П. Левцев, Н. Макеев, С. Ф. Кудашев // Информ. листок о науч.-техн. достижении / Мор-дов. ЦНТИ; № 13
- 006 - 13.
8. Кудашев С. Ф. К вопросу развития пульсирующих систем теплоснаб-жения / С. Ф. Кудашев // Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса: матер. Междунар. Науч.-практ. конф. / Под ред. В. В. Шалая, А. С. Нени-шева, А. Г. Михайлова, Т. В. Новиковой. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. - С. 98 - 100.
3
9. Мигай В. К. О предельной интенсификации теплообмена в трубах за счет турбулизации потока / В. К. Мигай // Изв. АН СССР, Энергетика и транс-порт. -1990. -№2. - С. 169-172.
10. Гухман А. А. Применение теории подобия к исследованию процессов тепломассообмена / А. А. Гухман. - М.: Высшая школа, 1974. - 328 с.
11. Левцев А.П., Кудашев С.Ф., Макеев А.Н., Лысяков А.И. Влияние им-пульсного режима течения теплоносителя на коэффициент теплопередачи в пла-стинчатом теплообменнике системы горячего водоснабжения [Электронный ре-сурс] // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 2; URL: http://www.science-education.ru/116-12664 (дата обращения: 08.04.2014).
12. Левцев, А. П. Обзор и анализ основных конструкций ударных клапанов для создания гидравлического удара / А. ПЦ. Левцев, А. Н. Макеев, Н.Ф. Макеев, Я. А. Нарватов, А. А. Голянин // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 2-2. (дата обращения: 24.04.2019).
Improving the efficiency of heat transfer of a warm baseboard by
pulsation of the coolant Levtsev A.P., Yankin V.D., Tselyaev A.V.
National Research Ogarev Mordovia State University JEL classification: L61, L74, R53
Modern buildings have a relatively sealed structure and improved thermal insulation. In this regard, instead of radiators and convectors, warm baseboards are often used. The analysis of publications shows that the heat transfer capacity of a warm baseboard is not enough. It is possible to increase the heat transfer of a warm baseboard using a pulsating mode of movement of the coolant at frequencies up to 5 Hz. Based on this goal, a scheme of a heating circuit with a warm baseboard is proposed, pulsations in which are created by a shock node. Experimental dependences of the temperature drop on two sections of a warm baseboard in pulsed mode at a frequency of 5 Hz showed an increase in heat transfer by 57% relative to the stationary mode with the same coolant flow.
Keywords: warm baseboard, pulsation of the coolant, heat transfer, pulsating
flow, convective heat transfer, pulse circulation. References
1. Kuznetsova, I. V. Energy saving in heat power engineering and heat
technologies / I. V. Kuznetsova, I. I. Gilmutdinov. — Kazan: Kazan National Research Technological University, 2017. — 125 p.
2. Mitrofanov, S. V. Energy saving in power engineering / S. V.Mitrofanov, O.
I. Kilmetyeva. — Orenburg: Orenburg State University, EBS DIA, 2015. — 127 p.
3. Popkova, O. S. Methods of heat transfer intensification: a textbook / O. S.
Popkova, O. S. Dmitrieva. — Nizhnekamsk: NHTI FGBOU VO "KNITU", 2016. — 80 p.
4. Mikheev, N. I. Method of modeling pulsating currents in channels / N. I.
Mikheev, I. A. Davletshin, O. A. Dushina, A. S. Demidov // Materials of the Eighth Interd. School-seminar "Models and methods of aerodynamics. Evpatoria, June 4-13, 2008, Moscow: ICNMO. 2008. pp. 109-110.
5. Levtsev, A. P. Pulsed systems of heat and water supply: monograph / A.
P. Levtsev, A. N. Makeev; under the general editorship of Dr. of Technical Sciences prof. A. P. Levtsev. — Saransk: Publishing House of Mordovians. un-ta, 2015.-- 172 p.
6. Levtsev, A. P. Review and analysis of the basic designs of shock valves
for creating a hydraulic shock / A. P. Levtsev, A. N. Makeev, N.F. Makeev, Ya. A. Narvatov, A. A. Golyanin // Modern problems of science and education. - 2015. - No. 2-2. (accessed: 04/24/2019
7. Levtsev A. P. Pulsed heat supply systems / A. P. Levtsev, N. Makeev, S.
F. Kudashev // Inform. a leaflet about science and technology. achievement / Mor-dov. TsNTI; No. 13 - 006 - 13 .
8. Kudashev S. F. On the issue of the development of pulsating heating
systems / S. F. Kudashev // Problems, prospects and strategic initiatives of the development of the thermal power complex: mater. International. Scientific and practical conf. / Edited by V. V. Shalaya, A. S. Nenishev, A. G. Mikhailov, T. V. Novikova. - Omsk: Publishing House of OmSTU, 2011. - pp. 98 - 100.
9. Migay V. K. On the maximum intensification of heat exchange in pipes due
to turbulence of the flow / V. K. Migay // Izv. AN USSR, Energetika i transport. -1990. - No. 2. - pp. 169-172.
10. Gukhman A. A. Application of similarity theory to the study of heat and mass transfer processes / A. A. Gukhman. - M.: Higher School, 1974. -328 p.
11. Levtsev A.P., Kudashev S.F., Makeev A.N., Lysyakov A.I. The influence of the pulse mode of the coolant flow on the heat transfer coefficient in a plate heat exchanger of a hot water supply system [Electronic resource] // Modern problems of science and education. - 2014. - No. 2; URL: http://www.science-education.ru/116-12664 (accessed: 08.04.2014).
12. Levtsev, A. P. Review and analysis of the basic designs of shock valves for creating a hydraulic shock / A. P. Levtsev, A. N. Makeev, N.F. Makeev, Ya. A. Narvatov, A. A. Golyanin // Modern problems of science and education. - 2015. - No. 2-2. (accessed: 04/24/2019).
X X
о го А с.
X
го m
о
м о м м
