автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Индивидуальный тепловой пункт с импульсной циркуляцией теплоносителя

На правах рукописи

Кудашев Сергей Федорович

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ТЕПЛОВОЙ ПУНКТ С ИМПУЛЬСНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

23 ОКТ 2014

Пенза 2014

005553561

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»

Научный руководитель: Левцев Алексей Павлович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теплоэнергетические системы» ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»

Официальные оппоненты: Бодров Михаил Валерьевич

доктор технических наук, доцент кафедры «Отопление и вентиляция» ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Аржаева Наталья Владимировна

кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция», ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государствен-

ный университет» (г. Тольятти)

I

Защита состоится 14 ноября 2014 г. в 15.00 часов на заседании диссертации онного совета Д 212.184.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Пензенский госу- э дарственный университет архитектуры и строительства» по адресу: 440028, г. Пенза, ул. Г. Титова, д. 28, ПензГУАС, корп. 1, конференц-зал. с!

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензен- 1 ский государственный университет архитектуры и строительства» и на сайте 1

http://dissovet.pguas.ru/. 3

<

Автореферат разослан « § » 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета —-. Бикунова Марина Викторовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время усовершенствование систем теплоснабжения идет по пути аппаратной модернизации отдельных ее элементов. В большинстве случаев их заменяют на более совершенные модификации (кожу-хотрубчатые теплообменники на пластинчатые, механические регуляторы на электронные и т.п.). При этом более жесткие требования предъявляют к обеспечению гидравлического режима теплосети, который при большой протяженности и разветвленности сети обеспечить сложно. Поэтому при разработке схем развития теплоснабжения городов отдельные участки перспективной застройки отдают под независимое присоединение потребителей.

Одним из методов повышения эффективности существующих систем теплоснабжения с независимым присоединением потребителей может стать перевод течения теплоносителя в импульсный режим. Это может быть достигнуто путем применения гидродинамического водоподъемного устройства, использующего для своего привода гидродинамические силы самого движущего потока теплоносителя. Основным элементом гидродинамического водоподъемного устройства ^.шляется преобразователь потока (ПП), от параметров работы которого зависит работоспособность всей установки. Конструкции ПП гидродинамического водоподъемного устройства, как правило, одноклапанные. Однако одноклапанные конструкции ПП в замкнутых системах теплоснабжения оказались неустойчивыми в работе. Кроме того, одноклапанная конструкция ПП сильно ограничивает |>асход теплоносителя через контур.

В Опыт применения импульсного режима в контуре системы горячего водоснабжения (ГВС) с кожухотрубчатым телообменником на базе одноклапанного |Ш выявил значительный потенциал (на уровне 40 %) при его устойчивой работе. |3 условиях изменения расхода теплоносителя в греющем контуре ГВС и более высокого гидравлического сопротивления теплообменника конструкция одноклапанного ПП неперспективна. В связи с этим организация импульсного движения в греющем контуре ГВС для индивидуального теплового пункта (ИТП) на базе двух-клапанного ПП является актуальной и практически значимой.

Степень разработанности темы. Пульсирующее движение теплоносителя как один из способов повышения интенсификации теплообмена в системах теплоснабжения известно более 30 лет, однако должного развития не получило. Это стало возможным с получением положительного опыта эксплуатации однокла-панных гидродинамических водоподъемных устройств в закрытых системах тепло- и водоснабжения.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с приоритетным направлением ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» «Энергосбережение и новые материалы», ФЗ № 261 «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», а также в рамках реализации региональной программы «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности Республики Мордовия на 2011-2020 гг.».

Целью исследований является повышение эффективности системы теплоснабжения с независимым присоединением потребителей на основе интенсификации теплопередачи и трансформации части напора тепловой сети в нагреваемый контур за счет перехода к импульсной циркуляции греющего теплоносителя в индивидуальном тепловом пункте.

Для достижения этой цели требовалось решить следующие задачи исследований:

- провести анализ способов и средств повышения теплопередачи в системах теплоснабжения с независимым присоединением потребителей;

- разработать принципиальную схему ИТП с импульсной циркуляцией теплоносителя на основе двухклапанного ПП;

- разработать математическую модель функционирования двухклапанного ПП в закрытой системе теплоснабжения и гидравлической сети контура ГВС;

- разработать опытный образец двухклапанного ПП для конкретного применения его в ИТП;

- создать ИТП с опытным образцом двухклапанного ПП, провести его тепловые и гидравлические испытания;

- экспериментальным путем получить регрессионную зависимость коэффи-1 циента теплопередачи от расхода нагреваемого теплоносителя, температуры на« греваемого теплоносителя на входе в теплообменник, длины подводящего трубой провода к ударному клапану ПП; 1

- апробировать и внедрить ИТП с импульсной циркуляцией теплоносителя в греющем контуре в систему теплоснабжения с независимым присоединение^ абонентов. 1

Научную новизну работы составляют: I

- усовершенствованный способ организации импульсной циркуляции теп! лоносителя с двухклапанным ПП в системе теплоснабжения; а

- математические модели двухклапанного ПП и гидравлической сети контура ГВС с импульсной циркуляцией теплоносителя.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается:

- в усовершенствовании способа организации импульсной циркуляции теплоносителя с двухклапанным ПП в системе теплоснабжения с изменяющимися расходами;

- в определении рациональных параметров двухклапанного ПП для ИТП с улучшенной теплопередачей, возможности трансформации напора.

- в схемных решениях ИТП с импульсной циркуляцией теплоносителя в греющем контуре ГВС с пластинчатыми теплообменниками.

Методология и методы исследования предполагают как математическое, так и физическое моделирование. В математическом моделировании используются системы дифференциальных уравнений, основанных на теории энергетических цепей. Решение таких уравнений осуществляется как в частотном, так и в численном виде. Физическое моделирование включает проведение исследований на ИТП в лабораторном исполнении, оснащенном автоматизированной системой сбора и

обработки информации на базе персонального компьютера, контроллера для сбора данных и узла учета тепловой энергии.

Основные положения, выносимые на защиту:

- принципиальная схема ИТП с импульсной циркуляцией теплоносителя в греющем контуре ГВС с пластинчатыми теплообменниками;

- математическая модель функционирования двухклапанного ПП в закрытой системе теплоснабжения;

- математическая модель гидравлической сети импульсной системы теплоснабжения с двухклапанным ПП;

- экспериментальные зависимости теплопередачи и производительности мембранных насосов от основных параметров системы теплоснабжения в виде регрессионных уравнений;

- конструкция двухклапанного ПП.

Степень достоверности и апробация результатов подтверждены математическим моделированием, а также экспериментальными исследованиями и производственными испытаниями опытного образца двухклапанного ПП в схеме ИТП с импульсной циркуляцией теплоносителя в греющем контуре.

Основные результаты исследования доложены, обсуждены и одобрены на научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарева (Саранск, 2010); Международной научно-практической конференции «Моделирование технологических процессов в АПК» (Украина, Мелитополь, 2010); Международной научно-практической конференции «Энергосбережение в теплоэлектроэнергетике и теп-лоэлектротехнологиях» (Омск, 2010); Международной научно-практической конференции «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы» (Саранск, 2012), Молодежном инновационном конвенте Приволжского федерального округа (АУ «Технопарк-Мордовия», Саранск, 2013).

Личное участие автора состоит в разработке математических моделей, моделировании процессов и их анализе, изготовлении конструкторской документации нестандартных узлов, монтаже лабораторной установки ИТП, получении экспериментальных данных, обобщении результатов и их внедрении.

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 16 научных публикациях, включая 4 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК, 4 патента на полезную модель и 1 патент на изобретение РФ, 1 заявка на изобретение РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и 5 приложений, изложена на 132 страницах, включает 26 таблиц, 41 рисунок и список литературы из 121 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы, ее практическая значимость, цель и задачи исследования, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ систем с пульсирующей подачей теплоносителя, а также влияния пульсирующего потока на коэффициент теплоотдачи. Рассмотрены результаты практических и теоретических исследований процессов передачи тепла, которые указывают на тот факт, что в условиях колебаний расхода теплоносителя коэффициент теплоотдачи в может возрастать в 1,8 раза. Рассмотрены устройства, позволяющие использовать дросселируемый напор теплосети на вводах в здание.

Пульсации расхода теплоносителя влияют на коэффициент теплоотдачи теплообменного оборудования и являются одним из активных способов повышения коэффициента теплоотдачи. В результате сопоставления результатов экспериментальных данных различных авторов определены преимущества активных способов - их возможность настраиваться на конкретный режим работы теплообменника. На основе анализа экспериментальных данных установлено, что в условиях пульсирующего режима возможно повышение коэффициента теплоотдачи до 40 %. Определен оптимальный способ создания пульсирующего потока на основе гидродинамического водоподъемного устройства, предложенного А. П. Левцевым и А. Н. Макеевым. Установлено, что в условиях пульсирующего режима течения теплоносителя снижается образование накипи на поверхностях нагрева теплообменника, применение гидродинамического водоподъемного устройства позволяет использовать напор теплосети для создания циркуляции в произвольном гидравлически не связанном контуре.

Анализ конструкций одноклапанных ГШ, практических результатов их использования, выявил возможность их развития ввиду узкого диапазона расходов, при которых устройство устойчиво работает в закрытой системе. Таким образом, анализ состояния традиционных систем теплоснабжения, способов повышения надежности их работы, путей интенсификации теплообмена и совершенствования осуществляющих его устройств позволил сформулировать цель и задачи настоящего исследования, базовыми из которых являются создание математической модели ПП, гидравлической сети ИТП и процесса теплопередачи в нем.

Вторая глава посвящена установлению зависимостей между конструктивными, силовыми и гидродинамическими параметрами ПП, разработке схем ИТП и абонентских вводов на основе двухклапанного ПП, а также разработке математических моделей ПП и гидравлической сети.

Импульсная циркуляция теплоносителя открывает широкие возможности для развития схем теплоснабжения с независимым присоединением отопитель-но-вентиляционных установок потребителей. Это стало возможным благодаря переходу на двухклапанные ПП, которые показали более устойчивую работу.

I (

При этом теплообменники отопления и системы ГВС устанавливаются в одном помещении (подвальном), так называемом помещении ИТП. Вариант схемы ИТП с независимым подключением абонентов к тепловой сети с импульсной циркуляцией теплоносителя на основе двухклапанного ПП представлен на рисунке 1. В данной схеме теплообменники ГВС и отопления к тепловой сети подключены параллельно в подводящие трубопроводы ударных клапанов I двухклапанного ПП. Последовательно с теплообменниками на подводящих трубопроводах установлены мембранные насосы. Выходной патрубок двухкла-| панного ПП соединен с обратным трубопроводом тепловой сети. ПП со стороны каждого ударного клапана байпасирован регулятором давления «до себя». Контур отопления состоит из последовательно соединенных насосной группы

циркуляционных насосов 6 и 7 теплообменника отопления 4, и отопительных приборов абонентов 1. Подпитка контура отопления производится во всасывающий трубопровод циркуляционных насосов из обратного трубопровода греющего контура после ПП 2 посредством регулятора давления «после себя» 9.

При наличии расхода в греющем контуре теплообменников 5 и 4 ПП 2 генерирует пульсации расхода и давления. В результате периодического изменения давления в подводящих трубопроводах к ударным клапанам ПП мембраны насосов 7 перемещаются, перекачивая теплоноситель в контуре системы отопления. В случае заклинивания ударных клапанов ПП 2 в закрытом положении давление перед ними повышается, и открываются регуляторы давления 8. В случае, если расход, создаваемый мембранными насосами недостаточен, включается центробежный насос 6. Пульсации, создаваемые мембранными насосами, сглаживаются гидроаккумулятором 3, установленном на подающем трубопроводе системы отопления. В замкнутой системе теплоснабжения источником движения теплоносителя является насос Н-1 (рисунок 2). Преобразование потока теплоносителя из постоянного в импульсный

\ 1 - отопительные приборы; 2 - преобразователь

потока; 3 - гидроаккумулятор; 4 - теплообменник | отопления; 5 - теплообменник ГВС;

6 - циркуляционный насос; 7 - мембранный насос; 8 - регулятор давления «до себя»; 9 - регулятор давления «после себя». Рисунок 1 - Схема ИТП с независимым подключением к тепловой сети

&

Н-1

Рисунок 2 - Схема включения двухкла-панного ПП в систему теплоснабжения

осуществляется с помощью ПП, который, из условия обеспечения более высокого расхода и повышения устойчивости в работе, был принят двухклапанным. Во время работы ПП в жидкости возникают две волны - прямая и отраженная (против стационарного движения). При отражении на границе сред фаза волны меняется на к.

Уравнение колебательного процесса запишется:

(D

[и, = Атят(са - кх), [и2 = Ат 8т(йЖ + кх),

где Ат - амплитуда колебаний, м; ю - частота колебаний, рад/с; к - простран ственная частота волны, рад/м,

к =

2л

(2)

где Я - длина волны, м.

В идеальной жидкости амплитуда Ат предполагается для прямой и, и обратной и2 волн одинаковой и постоянной. В реальной жидкости за счет сил вязкого трения амплитуды Д„ = Д„(/) прямой Д„, и обратной А1т волн имеют разные значения. Колебательный процесс, описываемый уравнением и, с частотой со, возникает в момент времени t = ta при резком закрытии одного из клапанов К-1 или К-2 (рисунок 2):

м, (t,x) = Ahn sin (co{t -10) - kx). (3)

Волна w2c частотой a>¡ возникает в момент времени

t,=t0+~, а

u2(t,x)=e " А2тsin^<q(/-ín+ (4)

где Ly - длина участка трубопровода 1-3, м; а - скорость распространения упругих волн в жидкости, м/с; 5 - коэффициент затухания, 8 = ; /л - динамиче-

2 М

екая вязкость жидкости, Па • с ; М - масса жидкости в трубопроводе, кг.

Суммарное колебание

sin (co{t - ta) - kx) + e " sin í Cú{t -1„---) + kx

(5)

Аналогичные формулы можно получить для второй волны с частотами а>\. Координата д: непосредственно перед клапаном равна 0, с учетом этого формула (5) запишется:

u{t,0) = Д,eSi'°~n ■ D • sin[co(t-ta) + a], (6)

Дифференцированием уравнения (4) определится изменение скорости при колебательном процессе перед клапаном:

Ч

О, cos[ü>, (f - tk) + Д ] + <?« eos Д • eos [со (г -tk) + Д ]

(7)

где О, Д,, Д, Д - коэффициенты, определяемые расчетным путем; ц, - амплитуда колебаний скорости теплоносителя, м/с.

Амплитуда колебаний скорости теплоносителя влияет на работоспособность ПП. В случае отсутствия обратной составляющей скорости открытие ударного клапана не произойдет. ПП с осевым расположением ударных клапанов приведен на рисунке 3.

а)

4

2

б)

5 7

1, 2, 3 - элементы корпуса; 4, 5 - ударные клапаны; 6 - пружина; 7 - опорная крышка; 8 - опорная пружина. Общий вид ПП с осевым расположением ударных клапанов

1 у, 1 V:

-н К >

-h —г

11 53 FJ - F.W it

0 • i с

22 - F,; Fab

h ÍMI

Н 2 ж X ' ¡ * -t*:

1

К-1

1 2. .

22 к-г 2

1, 2, 3 - пружины; К-1 - ударный клапан 1; К-2 - ударный клапан 2; х, и лг2- координаты точки на поверхности ударного клапана К-1 и К-2 соответственно. Схема сил, действующих на ударные клапаны Рисунок 3 - Преобразователь потока осевого типа

ПП осевого типа (рисунок 3,а) состоит из корпуса, выполненного из трех деталей. Детали корпуса 1 и 2 выполнены одинаково и жестко закреплены на детали 3. Корпус имеет два входных отверстия. В каждом из них на втулках установлены ударные клапаны 4, 5, взаимосвязанные друг с другом посредством центральной пружины 6. Со стороны одного из входных отверстий установлена опорная крышка 7 с отверстиями для прохода рабочей среды. Между клапаном и опорной крышкой установлена пружина 8, воспринимающая нагрузку от веса клапанов при работе ПП в вертикальном положении.

При анализе работы двухклапанного ПП (рисунок 3,6) необходимо учитывать силы: инерции движущихся частей; упругости пружин , ; давления

жидкости Рл, ^,; гидравлического сопротивления^,,, обусловленного

разностью скоростей протекающий жидкости и ударных клапанов. Дифференциальные уравнения, описывающие работу двухклапанного ГШ:

{тх, = -К+Гг, + К, + Е

с учетом значения сил

гах2 = р. - -

й/п'

' 2'

(8)

(9)

як, =-с(Ддс)-с,(дс1 + Л) + ^Ч'+^(Ч

где га - масса ударного клапана, кг; хр х2- координата ударных клапанов К-1 и К-2 соответственно, м; х,, х2 - первые производные по времени координат ударных клапанов К-1 и К-2 соответственно, м/с; х, , х2 - вторые производные по времени координат ударных клапанов К-1 и К-2 соответственно, м/с2; с, сь с, - коэффициенты упругости пружин 3, 2, 1 соответственно, Н/м; Дх - перемещение ударных клапанов К-1 и К-2, Дх = Н + /г + х, - х2, м; Ц , У2 - скорость жидкости в сечениях 1-1 и 2-2 соответственно, м/с; £2 - гидравлические сопротивления ударных клапанов К-1 и К-2 соответственно; р - плотность жидкости, протекающей через ударные клапаны, кг/м3; Б - площадь ударного клапана, м ; 1г - расстояние от начала координат до седла ударного клапана, м; Я - расстояние от начала координат до положения полностью открытого ударного клапана, м.

Система дифференциальных уравнений (9) решалась численным методом (методом Рунге - Кутта четвертого порядка точности). На основании реальных значений скорости распространения упругих волн в жидкости (а = 1200 м/с), а сопротивления ударных клапанов (д= 54), длины подводящих трубопроводов 57 м, получили графики изменения положения ударного клапана х во время работы двухклапанного ПП (рисунок 4).

.12-15 .1236 .122" .1218 .1209 0.12

— ■

1 1 1 !

1 1 1 !

1 1 . 1

1 1 1 . 1

0.125 0.12-1 2 0-123 0.122 0.121 0.12

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 0,2 0.-4 0.6 0,8 1 1.2

1. С г, с

-с=|ОООН м — -е=2000Н м -——111=0.23 кг — -111=0,13кг

Рисунок 4 - Графики изменения положения ударного клапана

Жесткость пружины с2 приравняли нулю т. к. в конструкции ПП, применяемого в опытах, она отсутствовала. На основании результатов математического

моделирования установлено, что частота колебаний клапана снижается с увеличением массы ударного клапана и со снижением жесткости центральной пружины. С изменением жесткости центральной пружины с в два раза, от 2000 Н/м до 1000 Н/м, при массе ударного клапана 0,13 кг период колебаний ударного клапана увеличился в 1,46 раз. С увеличением массы ударного клапана от 0,13 кг, до 0,23 кг период колебаний увеличился в 1,12 раза.

Гидравлические процессы в контуре с двухклапанным ПП рассматривались с помощью теории цепей. Гидравлическая цепь подводящего трубопровода ПП с установленным на нем теплообменником приведена на рисунке 5. Инерционная составляющая цепи характеризуется массой теплоносителя т, кг, гидравлическое сопротивление при движении теплоносителя - активным сопротивлением г, Па/ (м /с)' ', упругие свойства трубопровода и воды податливостью /, м'/Па.

1-ое звено 2- ое звено

Рисунок 5 - Гидравлическая цепь подводящего трубопровода с установленным па нем теплообменником: с разделением на звенья

Уравнение звеньев цепи:

--щ^+г^ + ръ,

\р2=т2у]+г2ч]2 + рл,

(10)

(11)

[v, =12р4+\2,

где г|, г2 - соответственно активное сопротивление трубопровода и теплообменника, Па/(м /с) ; /,, /2 - соответственно податливость трубопровода и теплообменника, (м3/Па); Ш|, га2 - соответственно масса воды в трубопроводе и теплообменнике, кг; р, р4, рI, р2, рз~ соответственно давления теплоносителя на входе в подводящий трубопровод, на выходе из теплообменника, после элементов гидравлической цепи /л|, г|, /722, г2» Па; v, у2, у| - соответственно объемный расход теплоносителя на входе в подводящий трубопровод, на выходе из теплообменника, после элемента гидравлической цепи /ь м3/с.

Давление и объемный расход на входе в цепи:

(12)

\р = т^1 +1V,2 +2 V, +г2У|2 + р4,

[\ = 1]р2+12р4+у2. Объемный расход и давление теплоносителя было представлено в виде постоянной составляющей р„, у„ и отклонения V, р :

v = у0 + v , р = р0 + р.

В этом случае

V2 » Уц + 2 У0У, V = V И т. п. Уравнение на давление /?

р = (т,/2 + т212)р4 + р4 + рА0 + (ш2 + т, )у2 + +(2^у20+2Г2У20)У2 +(Г, + Г2)У*0. Применяя преобразование Лапласа, уравнение (13) в изображениях запи шется в виде

(13)

(a. j + а,) Р4 (s) = -(b. s+b,)VAs),

(14)

где У2(^) и /^(5)- изображения функций у2 и соответственно; .у - комплексная переменная; а, = т,/2 +щ12, а2=1, Ь,=т2+тп Ь2 = у,„ + 2г2у2„ - коэффициенты.

После соответствующих преобразований комплексное сопротивление цепи

/>(s) -b,s-b2

Z(s) =

V2(.v)

Частотная функция

Z(/3) =

-bjn-b2

—а.£2г + a.

где - круговая частота, рад/с;у - мнимая единица. Действительная часть частотной функции

Мнимая часть частотной функции

U(Q) =

<7,i2" —а2 '

Ь,

-a^Q +а2

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) цепи

А(П) = ^и2(П) + У2(П).

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

Таким образом, АЧХ импульсной системы теплоснабжения позволяет при раз-

0,875 0,75 fc 0,625 § 0,50 0.375 0,25 0,125 О

р:

1 м

/ / \

i / ) ' \

/ / / \

/ V\ \

/ / 4 IV.

\

4

32

40

8 16 24

П. рад/с

] -/;=17-юЛ м^/Па; 2-/,=2,4-10"4, м'/Па; 3-//=6,3-10~s, м3/Па;4-экспериментальная АЧХ. Рисунок 6 - График АЧХ модернизированной гидравлической сети

личных частотах оценивать соотношение между приращениями давления на выходе и расхода на входе цепи, а следовательно, и приращение гидравлического сопротивления контура. Моделирование АЧХ ИТП с импульсной циркуляцией теплоносителя производилось в программе LabVIEW и MS Excel 2007. Результаты моделирования представлены па графиках рисунка 6.

Расчет коэффициента теплоотдачи при импульсном режиме течения проводился в соответст-

вии с гидродинамической теорией теплообмена. При этом коэффициент гидравлического сопротивления в импульсном режиме с учетом постоянной составляющей определяли по скорректированной формуле из АЧХ

я 2Др

С, =-—-. (20)

+2ьу + и2)

Через коэффициент гидравлического сопротивления определялось число Стантона:

(21)

Коэффициент теплоотдачи

Приращение коэффициента теплоотдачи

а - Л» Сррь.

100'

(22)

(23)

60 50 40 30 20 10 о

1 / !

1 \ л /

> / А?

/

-•1

Г-

о

8

40

Результаты моделирования относительного увеличения

теплоотдачи при импульсном движении теплоносителя в зависимости от податливости контура приведены на рисунке 7. Учитывая, что коэффициент теплоотдачи со стороны на-среды (система практически то коэффициент к, кВт/(м2/°С) величиной теплоотдачи а, стороны греющей

греваемой отопления) постоянный, теплопередачи определяется коэффициента

16 24 ?

О. рад/с

I -/,=17-10Лм3/Па;2-/,=2,4 !0Л м3/Па;

3 - //=6,3-10"5, м3/Па.

Рисунок 7 - График относительного увеличения теплоотдачи при различной податливости / системы

кВт/(м2/°С) со ______

среды и находится по известной формуле теплопередачи для плоской стенки.

Третья глава посвящена описанию экспериментальной установки, параметров ее основных узлов и автоматизированной системы сбора данных. Экспериментальная установка представляет собой физическую модель индивидуального теплового пункта с независимым подключением к тепловой сети и импульсной циркуляцией теплоносителя. При этом она позволяет проводить настройку и испытание двухклапанных ПП различных модификаций: коромысловых, осевых. Принципиальная схема экспериментальной установки приведена на рисунке 8, внешний вид экспериментальной установки - на рисунке 9.

При помощи экспериментальной установки решались следующие основные задачи:

- проверка адекватности разработанных математических моделей ПП, гидравлической сети, а также теплопередачи в пластинчатом теплообменнике с импульсной циркуляцией теплоносителя;

1,2- разгонные трубы; 3 - теплообменник отопления; 4 - теплообменник ГВС; 5 - двухкла-панный преобразователь потока; б - импульсный нагнетатель; 7 - калорифер; 8 - циркуляционный насос; 9 - первичный преобразователь расхода электромагнитный; 10 - первичный преобразователь температуры; 1 1 - первичный преобразователь давления; 12 - расходомер переменного перепада давления; 13 - первичный преобразователь расхода («Взлет ЭРСВ-420»), Рисунок 8 - Принципиальная схема экспериментальной установки

Рисунок 9 - Внешний вид экспериментальной установки

- экспериментальное определение параметров системы теплоснабжения, контуров ГВС;

- отладка, оптимизация и последующее создание нового ИТП с импульсной циркуляцией теплоносителя в греющем контуре на основе двухклапанного ПП;

- исследование затрат энергии в системе теплоснабжения, в которую включен двухклапанный ПП;

- оценка экономической эффективности ИТП с импульсной циркуляцией теплоносителя в греющем контуре.

В качестве теплообменников ГВС и отопления использовались теплообменники РИДАН ИН № 004. Генерация импульсов осуществлялась при помощи ПП двухклапанной конструкции. Для измерения расхода импульсного потока использовался расходомер переменного перепада давления «Метран-150-CG». Для регистрации параметров импульсного потока использовались современные приборы (узел учета тепловой энергии «Взлет», расходомеры Portaflow 330, «Мастер-Флоу»), для непрерывного контроля давления - первичные измерительные преобразователи давления Крт-9. Запись показаний датчиков на ПК осуществлялась при помощи контроллера ЦАП L-783. Для автоматизации экспериментальных исследований в лабораторных условиях был использован программный комплекс автоматизации контроля и управления энергетическими потоками LGrahp2.

В четвертой главе приведены алгоритмы моделирования АЧХ гидравлической сети, содержащей ПП, теплопередачи при импульсном режиме течения теплоносителя, методики статистической обработки результатов эксперимента и эксплуатационных испытаний ИТП с импульсным режимом течения, планирование

эксперимента, результаты моделирования, обработки экспериментальных данных и технико-экономического расчета.

Зависимость коэффициента теплопередачи от расхода греющего теплоносителя (расход нагреваемого теплоносителя постоянный 745 л/ч) при импульсном и стационарном режимах и температурах нагреваемого теплоносителя на входе в теплообменник 50 °С и 70 °С представлен на рисунке 10.

Для оценки эффективности процесса теплопередачи в пластинчатом теплообменнике ИТП с импульсной циркуляцией теплоносителя проведена серия опытов с применением метода планирования эксперимента. Был реализован полный факторный экспе-

V. л ч

1,2- обычный режим течения теплоносителя при температуре греющего теплоносителя на входе 70 °С и 50 °С соответственно; 3, 4 - импульсный режим течения теплоносителя при температуре греющего теплоносителя на входе 70 °С и 50 °С соответственно. Рисунок 10 - Зависимость коэффициента теплопередачи от расхода греющего теплоносителя

римент. В качестве факторов были выбраны режимные параметры процесса импульсной циркуляции: X, - длина подводящего трубопровода, м; Х2 - средний объемный расход греющего теплоносителя, л/ч; X, - температура нагреваемого теплоносителя на входе в теплообменник, "С. Функцией отклика У является коэффициент теплопередачи теплообменника.

Получено регрессионное уравнение, адекватно описывающее теплопередачу в пластинчатом теплообменнике при импульсной циркуляции теплоносителя, при уровне значимости 5 %:

У = 3409 + 2,325 • X, - 42,12 • X, - 6,759 ■ 10"3 X. ■ Х2 +

2 3 12 (24)

+0,108• X, ■ Х2 - 0,199 • X,2 -7,729 ■ 10"3 X2 + 0,355X2.

В работе построено уравнение регрессии, определяющее производительность мембранного насоса У (V, л/ч) в зависимости от располагаемого давления Х\ (Р, кПа) в тепловой сети, на котором установлен мембранный насос, и длины подводящего трубопровода Х2 (¿, м):

У = 276,155 + 8,348 ■ X, -0,036 ■ X,2 - 0,037 • Х22. (25)

Внешний вид ПП, установленного в ИТП учебного корпуса Ковылкинского филиала ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарёва», представлен на рисунке 11.

Рисунок 11 - Преобразователь потока в ИТП учебного корпуса Ковылкинского филиала ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева»

Внедрение позволило получить экономический эффект в размере 103,879 тыс. руб. Внедрение ПП в контур теплообменника ГВС собственных нужд Мордовского филиала ОАО «ТГК-6» дало возможность получить экономический эффект в размере 73,628 тыс. руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ функционирования систем теплоснабжения с независимым присоединением теплопотребляющих установок показал, что они недостаточно энер-гоэффсктивны в части обеспечения теплопередачи при пониженных расходах теплоносителя, а также из-за зашламления теплоперсдающих поверхностей. Кроме того, циркуляция контуров отопления и ГВС требуют значительных располагаемых напоров на вводе. Одним из путей решения данной проблемы является переход к организации импульсной циркуляции теплоносителя в теплообменниках отопления и ГВС, при которой повышается коэффициент теплопередачи теплоис-пользующсго оборудования и способствует снижению образования отложений на теплопередающих поверхностях и создаются условия для рационального использования располагаемого напора в ИТП.

2. Разработаны принципиальные схемы перехода абонентских вводов и ИТП в импульсный режим течения теплоносителя на основе двухклапанного ПП, позволяющие повышать эффективность теплопередачи в среднем на 25 % и трансформировать 20 % напора из греющего контура в нагреваемый.

3. Разработана математическая модель двухклапанного ПП в виде системы дифференциальных уравнений, позволяющая исследовать влияние отдельных факторов (скорость, вязкость теплоносителя, длина трубопроводов) и конструктивных параметров (жесткость пружин, диаметр корпуса, диаметр и ход клапана) на длительность периодов работы клапанов. Установлено, что основными параметрами, влияющими на длительность периодов работы клапанов, являются жесткость центральной пружины и длина трубопроводов. С ростом жесткости центральной пружины периоды работы клапанов уменьшаются, а с увеличением длины трубопровода - увеличиваются.

4. Разработана математическая модель контура ГВС с импульсной циркуляцией теплоносителя на основе энергетических цепей, дающая возможность оптимизировать ее параметры (масса воды в контуре, податливость трубопроводов) и оценить гидравлическое сопротивление контура ГВС при различной частоте и амплитуде импульсов входного давления. Выявлено, что с увеличением податливости трубопроводов питательной трубы амплитуда колебаний давления перед ПП нарастает менее интенсивно.

5. Усовершенствован алгоритм определения относительного коэффициента теплоотдачи в зависимости от отношения отклонения гидравлического сопротивления к его среднему значению, учитывающий соотношение между отклонениями давления и расхода импульсной системы теплоснабжения при различных частотах колебаний потока. Установлено, что в схеме с двухклапанным ПП гидравлическое сопротивление клапана зависит как от постоянной составляющей скорости потока, так и его отклонения.

6. Применение в греющем контуре ИТП с пластинчатыми теплообменниками двухклапанного ПП обеспечивает увеличение срока службы теплоиспользую-щего оборудования за счет реализации эффекта самоочищения, снижения требо-

ваний к качеству исходной и сетевой воды; уменьшение теплопередающих поверхностей теплоиспользующего оборудования за счет возрастания коэффициента теплопередачи на 26 %; возможность создания значительного (10 МПа и более) располагаемого давления, что необходимо для высотных зданий и протяженных сетей без применения повысительных насосов.

7. На основе результатов экспериментальных исследований получены уравнения регрессии, представляющие зависимости коэффициента теплопередачи пластинчатого теплообменника в импульсном режиме от расхода нагреваемого теплоносителя, ее температуры на входе в теплообменник и длины подводящих трубопроводов; а также производительности мембранных насосов от располагаемого напора тепловой сети и длины подводящих трубопроводов к ударным клапанам ПП, адекватно отражающие процессы, происходящие в диапазоне расходов 0,470-1,05 м3/ч и располагаемом давлении 40 - 110 кПа.

8. Внедрение ИТП с импульсной циркуляцией в системах теплоснабжения на двух объектах в Республике Мордовия позволило получить суммарный экономический эффект в размере 177,507 тыс. руб. в год (в ценах 2013 г.).

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях

1 Заявка 2014107201, РФ МПК Р15В 21/12. Ударный узел / А. П. Лсвцсв, А. Н. Макеев, С Н Макеев С. И. Храмов, С. Ф. Кудашсв, А. М. Зюзин, Я А. Нарватов ; заявитель и патентообладатель НОУ «Саранский Дом науки и техники РСНИИОО».- № 2014107201/06 ; заявлено 25.02.2014.

2 Лсвцсв А. П. Математическое моделирование нагнетателя импульсной системы теплоснабжения / А. П. Лсвцсв, А. Н. Макеев, С. Ф. Кудашсв // Пращ Тавршського державного аг-ротсхнолопчного ушвсрситсту : матср1али М1жнародно1 науково-практично! конференции «Модслювання техполопчних процссш в АПК». - Мсл1тополь, 2010. - С. 177-186.

3 Лсвцсв А. П. Импульсные системы тепло-, водоснабжения сельскохозяйственных объектов / А. П. Лсвцсв, С. Ф. Кудашсв, А. Н. Макеев // Вестник ФГОУ ВПО «Московский государственный аграрный университет имени В. П. Горячкина». - 2010. - № 2(41). - С. 91-95*.

4 Кудашсв С. Ф. Потенциал гидравлического удара в сетях теплоснабжения / С. Ф. Кудашсв, А. Н. Макеев // Материалы XIV научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарева, 19-24 апр.2010 : в 2 ч. Ч. 1 : Технические и естественные пауки / сост. О. И. Скотников [и др.]. - Саранск, 2010. - С. 20-24.

5 Кудашсв С. Ф. К вопросу развития пульсирующих систем теплоснабжения / С. Ф. Кудашсв // Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса : матер. Мсждунар. пауч.-практ. копф. / под ред. В. В. Шалая, А. С. Нснишсва, А. Г. Михайлова, Т. В. Новиковой. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. - С. 98-100.

6 Кудашсв С. Ф. Применение гидравлического тарана в системе теплоснабжения здания / Е. С. Лапин, С. Ф. Кудашев // Энсргоэффсктпвныс и ресурсосберегающие технологии и системы : материалы Мсждунар. науч.-практ. конф. / редкол.: А. В. Котин [и др.]. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2012. - С. 324-327.

7 Кудашсв С. Ф. Анализ установок для приготовления горячей воды / С. Ф. Кудашев, А. Н. Макеев, С. Н. Макеев // Энсргоэффсктивиыс и ресурсосберегающие технологии и системы : материалы Мсждунар. науч.-практ. конф. / редкол.: А. В. Котин [и др.]. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2012. - С. 371-373.

8 Лсвцсв А. П. Импульсные системы теплоснабжения / А. П. Лсвцсв, А. Н. Макеев, С. Ф. Кудашсв // Информ. листок о науч.-техп. достижении / Мордов. ЦНТИ; № 13 - 006 - 13.

18

9 Пат. РФ № 95814. МПК F28F 1/00. Теплообменник / А. П. Левцев. А. Н. Макеев. С. Ф. Кудашев ; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва». - № 2010108263 ; заявл. 05.03.2010 ; опубл. 10.07.2010. Бюл. № 19.

10 Пат. РФ №102760. МПК F24D 3/00. Тепловой пункт / А. П. Левцев. А. Н. Макеев. С. Ф. Кудашев : заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва». - № 2010143635 ; заявл. 25.10.2010; опубл. 10.03.201 1.Бюл. №7.

11 Пат. РФ №114129. МПК F24D3/02. Ударный узел / А. П. Левцев. А. Н. Макеев. С. Ф. Кудашев ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва». - № 2011138880 : заявл. 22.09.2011 ; опубл. 10.03.2012. Бюл. № 7.

12 Пат. РФ № 2484380. МПК F24D3/02. Ударный узел / А. П. Левцев. А. Н. Макеев. С. Ф. Кудашев ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва». -№ 2012111639; заявл. 26.03.2012 ; опубл. 10.06.2013. Бюл. № 16.

13 Пат. РФ № 128263. МПК FI5B21/12. Ударный узел / А. П. Левцев. А. Н. Макеев. С. Ф. Кудашев ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва». - № 2012153602 ; заявл. 11.12.2012; опубл. 20.05.2013. Бюл. № 14.

14 Левцев А. П. Использование импульсного режима для интенсификации теплообмена в контуре ГВС с пластинчатыми теплообменниками / А. П. Левцев, С. Ф. Кудашев, А. И. Лысяков // Образование. Наука. Научные кадры. - 2013. - № 5. - С. 213-217.

15 Левцев А. П. Влияние импульсного режима течения теплоносителя на коэффициент теплопередачи в пластинчатом теплообменнике системы горячего водоснабжения / А. П. Левцев, С. Ф. Кудашев, А. Н. Макеев, А. И. Лысяков // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 2; URL: http://www.science-education.rii/116-12664 (дата обращения: 08.04.2014).

16 Левцев А. П. Частичное преобразование тепловой энергии в механическую работу транспортировки теплоносителя / А. П. Левцев. А. И. Лысяков, С.Ф. Кудашев, Е. И. Цыцарева // Современные проблемы пауки и образования. - 2014. - Л: 4; URL: http://www.science-education.ru/118-14122 (дата обращения: 30.07.2014).

''Жирным шрифтом отмечены статьи в журналах, рекомендуемых ВАК

Подписано н печать 22.09.14. Объем 1,0 п. л. Тираж 100 :>i;:i. Заказ 12.il.

Типография Пздатмьстна Мордовского университета 43000.5, г. Саранск, ул. Советская, 24