CC BY
1
Разработка схемы с пульсирующей циркуляцией жидкого теплоносителя
Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева, Саранск
Аннотация: В работе была собрана и апробирована экспериментальная модель схемы контура с пульсирующей циркуляцией жидкого теплоносителя в обогреваемом контуре пластинчатого теплообменника. В результате гидравлического и энергетического расчета цепи были подобраны оптимальные параметры расхода, давления, температуры теплоносителя при максимальном КПД ударного узла. Установлено, что с увеличением частоты работы ударного узла коэффициент теплопередачи теплообменника сначала
2 О
снижается и достигает минимума 452,47 Вт/(м • ^ на частоте 0,5 Гц, а затем начинает
2 0
увеличиваться и достигает максимума 482,31 Вт/(м • ^ на частоте 2 Гц, после чего происходит его постепенное снижение.
Также экспериментально установлено, что температура на выходе из теплообменника обогреваемого контура увеличивается с увеличением частоты работы ударного узла и достигает максимума на частоте 2 Гц, после чего начинает постепенно снижаться. Установлено, что изменение температуры на выходе из теплообменника обогреваемого контура превышает изменение температуры на выходе из теплообменника греющего контура при частоте работы выше 1 Гц, что связано с более сильным влиянием кавитации на этих частотах.
Ключевые слова: теплообменный аппарат, коэффициент теплопередачи, ударный узел, частота, теплопередача.
Пластинчатые теплообменные аппараты занимают важное место в промышленной теплоэнергетике и составляют многочисленную группу теплосилового оборудования [1-3]. Для решения такой актуальной проблемы для промышленной теплоэнергетики, как рациональное использование топливно-энергетических ресурсов, необходимо создание нового экономичного оборудования, повышение эффективности и надежности его работы. В пластинчатых теплообменниках существуют различные способы интенсификации теплообмена: установка оребрения, нанесения шероховатости или серии углублений, выступы различной формы [4-5]. Но, как показывает практика, этого не всегда достаточно.
Одним из кардинальных путей решения данной проблемы является перевод циркуляции воды в системе охлаждения из стационарного режима в
в контуре пластинчатого теплообменника
А.Г. Бажанов, А.Е. Уездин
Введение
импульсный [6-8]. При этом можно использовать несколько эффектов. Во -первых, при определенных параметрах частоты пульсаций, скорости потока и давления увеличивается коэффициент теплопередачи движущегося потока, во - вторых происходит самоочищение теплопередающих поверхностей оборудования [9-12]. Исследования, проведенные в работе, направлены на разработку модели схемы контура с пульсирующей циркуляцией жидкого теплоносителя в нагреваемом контуре пластинчатого теплообменника. Целью является исследование зависимости коэффициента теплопередачи в теплообменнике от частоты, давления и расхода в нагревающем и нагреваемом контурах теплообменника.
Принцип работы экспериментальной установки На первом этапе работы была разработана модель схемы с пульсирующей циркуляцией жидкого теплоносителя в нагреваемом контуре. На рисунке 1 представлена функциональная схема контура с пульсирующей циркуляцией жидкого теплоносителя для нагрева воды.
1 - насос дренажный; 2, 10, 12, 15, 21 - задвижка; 3, 11 - счетчик воды; 4 -
обратный клапан; 5, 8, 18, 20 - датчик давления; 6, 9, 16, 17 - датчик температуры; 7 - пластинчатый теплообменник; 13 - поверхностный насос;
14 - ТЭН; 19 - ударный узел.
Рис. 1. Функциональная схема контура с пульсирующей циркуляцией
жидкого теплоносителя
Схема работает путем циркуляции жидкости, хранящейся в резервуаре для воды, с помощью насоса 1 через линию ускорения, теплообменник 7 и ударный узел 19 перед возвратом ее в резервуар. Одновременно вода из бака 14 циркулирует насосом 13 через тот же теплообменник, нагревая ее за счет переданного тепла от жидкости. Нагретая вода затем возвращается в резервуар 1 4 для повторного использования. Эта система с замкнутым контуром облегчает регулирование температуры нагреваемой воды за счет использования нагретой жидкости, протекающей через линию ускорения, и обеспечивает эффективную передачу тепла между двумя средами.
Гидравлическая и энергетическая схемы теплопередачи
В ходе исследования, чтобы лучше понять природу возникающих сил и оптимально подобрать параметры частоты, расхода, давления теплоносителя для разработанной схемы, были изучены 2 характеристики цепи: гидравлическая и тепловая. Энергетический контур представлен гидравлическим звеном (рис. 2). В гидравлической схеме параметры: P -давление, V - объемный расход, ! - гидравлические потери, г - гидравлическое сопротивление, т - гидравлическая масса.
Рис. 2. Гидравлическая схема На основании этой схемы были записаны уравнения связи цепи, далее получены фазо-частотные и амплитудно-частотные функции гидравлической цепи. При этом реальная часть комплексного сопротивления равна:
и
ЯеЦП) =
К
Выводим мнимую часть комплексного сопротивления:
а^П
1тЦП) =
К
Получаем амплитудно-частотную функцию энергетической цепи:
А{]П) = ^Яе{]П)2 + 1т{]П)2 Далее получаем фазо-частотную функцию энергетической цепи:
1т(]П)
(р(]й) = —агсЬд
ЯеЦП)
где:
а1 — т1> а2 = 2^20 +г2 + 2 г3У20, Ь1 = 1.
Далее также была составлена энергетическая схема теплопередачи. В энергетической схеме параметр q - массовый расход среды, t - температура, г - термостойкость, о - теплоемкость.
Энергетическая цепь рис. 3 представлена теплообменным звеном, учитывающим тепловое сопротивление - г, тепловую мощность - с, температуру - t и массовый расход среды - q.
Рис. 3. Энергетическая схема На основании этой схемы были также записаны уравнения связи цепи, далее получены фазо-частотные и амплитудно-частотные функции энергетической цепи. Реальная часть комплексного сопротивления равна:
и
( } (1 -а^2)2+а2)П2 .
Выводим мнимую часть комплексного сопротивления:
(Ь-1 &2 + МгР^3 - (Ь2] + Ь3а2))а
и } ~ (1 - ага2)2 + а2]П2 ■
Получаем амплитудно-частотную функцию энергетической цепи:
ЛО'/З) = ^Яе{]П)2 + 1т{]П)2.
Получаем фазо-частотную функцию энергетической цепи:
тл , /т°'Д)
= -агс19ы!Щ■
где:
% — ~Т3С2Т2С1>
а2 = (г2с± +г3с± + г3с2), а3 = 1, К = ^З^^^Г!, Ь2 = (-72С^! - Гз^Г! + ГзСгГ!),
Ьз = +Г2 + Г3).
На основе исходных данных были построены графики амплитудо-частотных характеристик (АЧХ) для энергетической и гидравлической цепи.
Из графика АЧХ следует, что с увеличением частоты колебаний потока теплоносителя, амплитуда комплексного гидравлического сопротивления, а, следовательно, и давление в конце цепи (у потребителя) возрастает. Поэтому для рационального гидравлического режима частота колебаний потока должна быть от 1 до 3 рад/с (рис.4). В результате гидравлического и энергетического расчета цепи, были подобраны оптимальные параметры расхода, давления, температуры теплоносителя при максимальном КПД ударного узла. Далее, при оптимальных входных параметрах был проведен эксперимент и расчет коэффициента теплопередачи пластинчатого
теплообменника для стационарного и пульсирующего режимов работы теплоносителя в нагреваемом контуре.
А
CN
CN
350 300 250
О 200 03 150
III 100
< 50 0
4 6 8
Ом , рад/с
10
12
Рис. 4. График зависимости амплитуды комплексного гидравлического сопротивления от частоты колебаний потока теплоносителя.
Эксперимент
В работе на экспериментальной установке были проведены исследования и рассчитан коэффициент теплопередачи пластинчатого теплообменника для оптимальных значений расхода и температуры воды в нагревающем контуре от 31,3 до 29,3 °С [13-15]. В нагреваемом контуре: охлаждающий агент - вода с начальной температурой 27 °С, конечная температура воды 28,8 °С. Расход нагревающей воды V±= 0,37 л/с; расход нагреваемой воды V2=0,08 л/с, давление в нагревающем контуре 27 кПа, в нагреваемом контуре - 5 кПа. Полученное значение коэффициента теплопередачи для стационарного режима было равно:
К =
а± L,KXJ а2 2992
+7-10_4+-
— = 477,28
2977
Вт м2-К
Коэффициент теплопередачи пластинчатого теплообменника рассчитывался как для стационарного, так и для пульсирующего режимов работы теплоносителя в обогреваемом контуре. Расчеты проводились для
0
2
частот: 0,5 Гц, 1 Гц, 1,5 Гц, 2 Гц, 2,5 Гц и 3 Гц (рис. 5, 6). Проведенные измерения показали, что температура на выходе из теплообменника для нагреваемого контура увеличивается с увеличением частоты воздействия ударного узла и достигает максимума на частоте 2 Гц, после чего начинает медленно снижаться. Также в результате расчета было установлено, что при установившемся течении теплоносителя коэффициент теплопередачи составляет 477,28 Вт/ ( м 2-° С ) . При этом, с увеличением частоты коэффициент теплоотдачи снижается, достигая минимального значения на частоте 0,5 Гц. Затем он снова начинает повышаться, достигая максимального значения на частоте 2 Гц, составляющего 482,31 Вт/. П р и дальнейшем увеличении частоты коэффициент теплопередачи начинает снижаться (рис. 6).
Т, °с
31,5 31 30,5 30 29,5 29 28,5 28 27,5
Рис. 5. График температуры на выходе из теплообменника для греющего и нагреваемого контура
t heated out t heating out
0 0,5 1 1,5 2 2,5
v, Гц
V, Гц
Рис. 6.Зависимость коэффициента теплопередачи от частоты
Заключение
В работе приведена разработка модели схемы контура с пульсирующей циркуляцией жидкого теплоносителя в обогреваемом контуре пластинчатого теплообменника. Сначала был произведён теоретический расчет для выбора оптимальных параметров разработанной системы, а затем проведены экспериментальные исследования. В результате экспериментов можно сделать следующие выводы:
1. Определено, что температура обогреваемого контура увеличивается с увеличением частоты работы ударного агрегата и достигает максимума 31,3 н а частоте 2 Гц, после чего начинает постепенно снижаться.
2. Также экспериментально установлено, что температура на выходе из теплообменника обогреваемого контура превышает температуру на выходе из теплообменника греющего контура при частоте выше 1 Гц. Это связано с более сильным влиянием кавитации на этих частотах.
3. Установлено, что с увеличением частоты работы ударного агрегата коэффициент теплоотдачи сначала снижается и достигает минимума 452,47 Вт/ ( м2 ■ ° С ) на частоте 0,5 Гц, а затем начинает увеличиваться и достигает максимума 482,31 Вт/ ( м 2-° С ) при частоте пульсации 2 Гц, после чего начинается его постепенное снижение.
Литература
1. Миргородский А.И., Романов И.В. Теплообменные аппараты: Кожухотрубные и пластинчатые // Новости теплоснабжения. 2017. № 3. URL: го steplo .ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=3374.
2. Balasubramanian, S. Thermal energy savings in pilot-scale plate heatexchanger system during product processing using modified surfaces / S.Balasubramanian, V. M. Puri // Journal of Food Engineering. 2009. P. 608-611.
3. Семенов В.Г., Дубенец В. С., Малафеев В. А. Анализ отечественных и зарубежных производителей разборных пластинчатых теплообменников // М.: Департамент топливно-энергетического хозяйства города Москвы, 2004. URL:rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=790.
4. Кущев Л.А., Современные способы интенсификации работы кожухотрубных теплообменных аппаратов систем теплоснабжения // Известия вузов. Инвестиции.Строительство. Недвижимость. 2018. №2. Т. 8. С. 130-140.
5. Угрюмова С.Д., Попова Е.Ю., Акимов С.А., Панюкова И.В. Интенсификация процессов нагревания и охлаждения в компактных теплообменных аппаратах. // Научные труды Дальрыбвтуза. 2011. Т. 23. С. 204-210.
6. Левцев А.П., Целяев А.В. Интенсификация теплопередачи опытного образца перекрестно-точного микроканального теплообменника // Инновации и инвестиции. 2021. №8. С. 116-120.
7. Бажанов А.Г., Прокопов Н.Г. Импульсная регенерация катионита в натрий-катионовом фильтре // Инженерный вестник Дона. 2021. №9. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n9y2021/7195.
8. Бажанов А.Г., Бойков В.Е. Контур с пульсирующей циркуляцией жидкого теплоносителя для охлаждения масляного трансформатора // Инженерный вестник Дона. 2023. №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2023/8214.
9. Li W. Investigation of CaCO3 fouling in plate heat exchangers // Heat and Mass Transfer. 2016. P. 1-14.
10. Анипко О.Б., Арсеньева О.П. Надежность пластинчатых теплообменных аппаратов систем отопления и горячего водоснабжения с учетом образования загрязнений на теплопередающей поверхности // Интегрированные технологии и энергосбережение. 2003. №4. С. 9-13.
11. Минко В.А., Феоктистов А.Ю., Гунько И.В., Елистратова Ю.В., Тарасенко Н.В., Ткач Л.В. Методы проведения и эффективность мероприятий по борьбе с накипеобразованием в системах теплопотребления// Вестник БГТУ им В.Г. Шухова. 2015. №2. С.16-19.
12. Фесак Д.В., Литвиненко А.А. Проблема засорения трубопроводов теплообменника и методы её решения // Современные научные исследования и инновации. 2012. №4. С.1.
13. Прохоренков А.М. Моделирование процессов теплообмена, протекающих в пластинчатых теплообменных аппаратах // Вестник МГТУ. 2014. №1. Т.17. С. 92-101.
14. Арсеньева О. П., Демирский А. В., Хавин Г. Л. Один подход к расчету оптимального пластинчатого теплообменника // Проблемы машиностроения. 2011. №1. Т.14. С. 23-32.
М Инженерный вестник Дона, №2(2024) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2024/9023
15. Чекардовский М.Н., Иванов В.А., Хамидов А.С., Илюхин К.Н. Тепловой расчет теплообменных аппаратов // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2008. С. 44-49.
References
1. Mirgorodskij A.I., Romanov I.V. Novosti teplosnabzhenija. 2017. № 3. URL: rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=3374.
2. Balasubramanian, S. Journal of Food Engineering. 2009. pp. 608-611.
3. Semenov V.G., Dubenec V. S., Malafeev V. A. Analiz otechestvennyh I zarubezhnyh proizvoditelej razbornyh plastinchatyh teploobmennikov [Analysis of domestic and foreign manufacturers of gasketed plate heat exchangers]. M.: Departament toplivno-jenergeticheskogo hozjajstva goroda Moskvy, 2004. URL: ro steplo .ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=790.
4. Kushhev L.A. Izvestijavuzov. Investicii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost'. 2018. №2. T. 8. pp. 130-140.
5. Ugrjumova S.D., Popova E.Ju., Akimov S.A., Panjukova I.V. Nauchnye trudy Dal'rybvtuza. 2011. T. 23. pp. 204-210.
6. Levcev A.P., Celjaev A.V. Innovacii I investicii. 2021. №8. pp. 116-120.
7. Bazhanov A.G., Prokopov N.G. Inzhenernyj vestnik Dona. 2021. №9. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n9y2021/7195.
8. Bazhanov A.G., Bojkov V.E. Inzhenernyj vestnik Dona. 2023. №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2023/8214.
9. Li W. Heat and Mass Transfer. 2016. pp. 1-14.
10. Anipko O.B., Arsen'eva O.P. Integrirovannye tehnologii I jenergosberezhenie. 2003. №4. pp. 9-13.
11. Minko V.A., Feoktistov A.Ju., Gun'ko I.V., Elistratova Ju.V., Tarasenko N.V., Tkach L.V. Vestnik BGTU im V.G. Shuhova. 2015. №2. pp. 1619.
12. Fesak D.V., Litvinenko A.A. Sovremennye nauchnye issledovanija i innovacii. 2012. №4. P. 1.
13. Prohorenkov A.M. Vestnik MGTU. 2014. №1. T.17. pp. 92-101.
14. Arsen'eva O. P., Demirskij A. V., Havin G. L. Problemy mashinostroenija. 2011. №1. T.14. pp. 23-32.
15. Chekardovskij M.N., Ivanov V.A., Hamidov A.S., Iljuhin K.N. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Neft' i gaz. 2008. pp. 44-49.
Дата поступления: 5.01.2024 Дата публикации: 13.02.2024
