автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Импульсная система теплоснабжения общественного здания

На правах рукописи

МАКЕЕВ Андрей Николаевич

ИМПУЛЬСНАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ОБЩЕСТВЕННОГО ЗДАНИЯ

Специальность: 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция,

кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 9 ДЕК 2010

Пенза 2010

004617147

Работа выполнена в ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Левцев Алексей Павлович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Кувшинов Юрий Яковлевич

- кандидат технических наук, доцент Аржаева Наталья Владимировна

Ведущая организация - ГОУ ВПО «Тольятгинский государственный

Защита состоится 22 декабря 2010 г. в 16— часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.184.02 при ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» по адресу: 440028, г. Пенза, ул. Г.Титова, д. 28, ПензГУАС, 1"и корпус, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства».

Автореферат разослан И ноября 2010 г.

Совет направляет Вам для ознакомления данный автореферат и просит Ваши отзывы и замечания в двух экземплярах, заверенные печатью, направлять по адресу: 440028 г.Пенза, ул. Титова, 28, ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», диссертационный совет ДМ 212.184.02.

университет»

Ученый секретарь диссертационного совета

Алексеева Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время потенциал развития традиционных систем теплоснабжения в части увеличения теплопередачи практически исчерпан. В них почти полностью выбран максимум эффективности путём применения современного теплоиспользующего оборудования, электронных средств регулирования и контроля потребления тепловой энергии. Замена кожухот-рубных водоподогревателей на пластинчатые была существенным шагом на пути увеличения турбулизации потока теплоносителя, а, следовательно, увеличении теплопередачи. С одной стороны, это позволило увеличить коэффициент теплопередачи в пределах 10 %, а с другой - возросла склонность к зарастанию, образованию накипи, шлама и прочих отложений, что со временем ведет к снижению коэффициента теплопередачи и повышенным затратам на транспорт теплоносителя. Кроме того, данные обстоятельства сдерживают их применение для независимых систем теплоснабжения.

Одним из кардинальных путей решения данной проблемы является перевод циркуляции теплоносителя в системе теплоснабжения из стационарного режима в импульсный. При этом можно использовать несколько эффектов. Во-первых, увеличивается коэффициент теплоотдачи движущегося потока в зависимости от частоты и амплитуды пульсаций скорости его истечения, во-вторых, происходит самоочищение теплопередающих поверхностей оборудования и, в-третьих, появляется возможность трансформации части располагаемого напора греющего теплоносителя в напор нагреваемого в случае независимого присоединения отопительных установок или для циркуляции воды в системе горячего водоснабжения.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с приоритетным направлением ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» «Энергосбережение и новые материалы», ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» и в рамках реализации региональной программы «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности Республики Мордовия на 2011-2015 г. г.».

Целью диссертационного исследования является повышение эффективности функционирования системы теплоснабжения общественного здания на основе перехода к импульсной подаче теплоносителя за счет применения в ней самоподдерживающегося двухконтурного гидродинамического водоподъемного устройства.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи исследований:

- провести анализ современных систем теплоснабжения, способов интенсификации теплообмена и устройств их осуществления;

- разработать математическую модель импульсного нагнетателя в системе теплоснабжения здания;

- разработать математическую модель гидравлической сети импульсной системы теплоснабжения в виде энергетической цепи;

- разработать алгоритм определения приращения коэффициента теплоотдачи при колебании давления и скорости потока;

- разработать структурно-функциональную схему лабораторной установки, имитирующей импульсную систему теплоснабжения;

- разработать принципиальную схему импульсной системы теплоснабжения;

- разработать конструкцию ударного узла и импульсного нагнетателя самоподдерживающегося двухконтурного гидродинамического водоподъемного устройства;

- апробировать и внедрить новый тип импульсной системы теплоснабжения для здания общественного пользования.

Объектом исследования является технология (способ) организации самоподдерживающейся импульсной подачи теплоносителя в системе теплоснабжения общественного здания.

Предмет исследования. Конструктивные параметры ударного узла и импульсного нагнетателя, их сочетание и влияние на тепловые и гидродинамические процессы в системе теплоснабжения с самоподдерживающимся двух-контурным гидродинамическим водоподъемным устройством.

Методы исследования предполагают как математическое, так и физическое моделирование. В математическом моделировании используются системы дифференциальных уравнений, основанных на теории энергетических систем. Решение таких уравнений осуществляется в частотном виде. Физическое моделирование включает проведение исследований на экспериментальной установке, оснащенной автоматической системой сбора и обработки информации на базе персонально компьютера, контроллера для сбора данных и узла учета тепловой энергии.

Научная новизна. Выполненные исследования позволили получить совокупность новых положений и результатов:

- предложен способ импульсной подачи теплоносителя в системе теплоснабжения;

- разработаны математические модели импульсного нагнетателя и гидравлической сети импульсной системы теплоснабжения;

- создан алгоритм, повышающий точность определения и описания тепловых процессов в импульсной системе теплоснабжения;

- реализованы схемные решения по устройству импульсной системы теплоснабжения (ударный узел и импульсный нагнетатель в составе самоподдерживающегося двухконтурного гидродинамического водоподъемного устройства, схема включения гидроаккумулятора).

Практическую значимость имеют:

- принципиальная схема импульсной системы теплоснабжения общественного здания;

- конструкция ударного узла и импульсного нагнетателя самоподдерживающегося двухконтурного гидродинамического водоподъемного устройства;

- рекомендации к использованию и настройке самоподдерживающегося двухконтурного гидродинамического водоподъемного устройства в системе теплоснабжения общественного здания.

Реализация результатов исследования. Разработанные рекомендации переданы для внедрения в НОУ «Саранский Дом науки и техники РСНИИОО», АУ «Технопарк - Мордовия», ООО «Энергосервис» Пензенской области; внедрены в систему теплоснабжения учебного корпуса Ковылкинского филиала ГОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарёва».

Достоверность и обоснованность результатов исследования подтверждены математическим моделированием, а также экспериментальными исследованиями и производственными испытаниями экспериментального образца импульсной системы теплоснабжения.

Апробация. Основные результаты исследования доложены, обсуждены и одобрены на научной конференции «Огаревские чтения» профессорско-преподавательского состава ГОУВПО «МГУ им. Н.П. Огарева» (Саранск, 2009); республиканской научно-практической конференции «Наука и инновации в Республике Мордовия» (2008); всероссийских научно-технических конференциях «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (Саранск, 2008, 2009); Международной научно-практической конференции «Энергосбережение в теплоэлектроэнергетике и теплоэлектротехнологиях» (Омск, 2010); III Российском форуме «Российским инновациям - российский капитал» (Ижевск, 2010), Международной научно-практической конференции «Моделирование технологических процессов в АПК» (Украина, Мелитополь, 2010).

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 20 научных публикациях, включая 8 патентов на полезную модель и 2 заявки на изобретение РФ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- математическая модель импульсного нагнетателя;

- математическая модель гидравлической сети импульсной системы теплоснабжения;

- алгоритм оценки коэффициента теплоотдачи в импульсной системе теплоснабжения;

- принципиальная схема импульсной системы теплоснабжения общественного здания;

- конструкции ударного узла и импульсного нагнетателя.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и

приложения, изложена на 147 страницах, включает 19 таблиц, 64 рисунка и список литературы из 112 наименований.

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 и классификация существующих типов систем теплоснабжения - открытые и закрытые, рассмотрены варианты присоединения систем теплопотреблення - зависимое и независимое - с точки зрения их энергоэффективности. На основании анализа охранных документов выявлена попытка создания системы теплоснабжения с независимым присоединением системы теплопотреблення, в которой превышение напора тепловой сети преобразуется в располагаемый напор системы теплопотреблення. Отмечены преимущества и основные недостатки данного способа, а также достоинства отдельных вариантов исполнения систем теплоснабжения, которые можно использовать при создании нового типа импульсной системы теплоснабжения. Главный недостаток существующих систем теплоснабжения - отложение накипи и зашламление теплоиспользующего оборудования, а в итоге - ниспадающий коэффициент теплоотдачи и повышенные затраты на транспорт теплоносителя (у каждой второй системы централизованного теплоснабжения свыше 25 кВт-ч/Гкал).

На основашш патентного анализа и практических результатов было установлено и подтверждено, что одним из самых эффективных способов промывки систем теплоснабжения является гидропневматический, путем подачи водовоздушной смссн в систему с переменным давлением. Для этого целесообразно использовать самоподдерживающееся устройство на основе гидравлического тарана, работающего в импульсном режиме по вышеописанному принципу. Однако ни одна из известных рассмотренных и существующих конструкций подобных самоподдерживающихся гидродинамических водоподъемных устройств не позволяет осуществлять продолжительный режим импульсной циркуляции теплоносителя в системе теплоснабжения из-за обязательного слива части разгонной жидкости (теплоносителя) за пределы эксплуатируемой совместно с ним системы.

Приведены классификация колеблющихся потоков газовоздушной среды а также результаты практических и теоретических исследований гидродинамических и тепловых процессов российских и зарубежных учёных, которые указывают на тот факт, что в условиях колебаний теплоносителя коэффициент теплоотдачи в определенных условиях может возрастать более чем в 2 раза.

Таким образом, анализ состояния традиционных систем теплоснабжения, способов повышения надежности их работы, путей интенсификации теплообмена и устройств их осуществления позволил сформулировать цель и задачи настоящего исследования, базовыми из которых являются создание математических моделей импульсного нагнетателя, гидравлической сети импульсной системы теплоснабжения и процесса теплопередачи в ней, а также реализация импульсной подачи теплоносителя в системе теплоснабжения за счет приме-

нения самоподдерживающегося двухконтурного гидродинамического водоподъемного устройства.

Вторая глава посвящена установлению зависимостей между конструктивными, силовыми и гидродинамическими параметрами ударного узла и импульсного нагнетателя самоподдерживающегося двухконтурного гидродинамического водоподъемного устройства, а также разработке математических моделей импульсного нагнетателя, гидравлической сети импульсной системы теплоснабжения и теплопередачи в ней. Математические модели представлены в виде дифференциальных уравнений, для составления которых использованы энергетические цепи.

Для осуществления импульсного режима движения теплоносителя систему теплоснабжения оборудуют самоподдерживающимся двухконтурным гидродинамическим водоподъемным устройством, которое включает ударный узел, импульсный нагнетатель, гидроаккумулятор и арматуру (вентили, клапаны), соединенные трубопроводами (рис. 1). При подаче потока высокотемпературного теплоносителя на вход А происходит его перераспределение по контурам АБВГ и АДГ в зависимости от положения балансировочного вентиля Д. При этом в контуре АБВГ через определенное время устанавливается расход <7, = ц.л, на участке АДГ он достигает значения . В начальный момент времени на участке БЖ - 0 и на участке АЕ д3 = 0.

Рис. 1. Схема перераспределения потоков теплоносителя в гидродинамическом водоподъемном устройстве: А - вход высокотемпературного теплоносителя; Б - узел подключения нагнетателя; В -ударный узел; Г - выход высокотемпературного теплоносителя; Д — вентиль балансировочный; Е - гидроаккумулятор; Ж - импульсный нагнетатель; 3, И - вход и выход низкотемпературного теплоносителя

Благодаря особой конструкции ударного узла В поток жидкости при достижении расхода д, = дю на участке АБВГ закрывает его проходное сечение и возникает гидравлический удар, положительная волна распространения которого переместит поршень (диафрагму) импульсного нагнетателя Ж вверх на величину* , обеспечивая тем самым вытеснение низкотемпературного теплоносителя через выход И импульсного нагнетателя Ж. После того как волна гидравлического удара, отразившись в гидроаккумуляторе Е, изменит свой знак на противоположный, клапан ударного узла В автоматически откроется, поршень (диафрагма) импульсного нагнетателя Ж вернется в исходное положение, всасывая при этом новую порцию низкотемпературного теплоносителя через вход 3, и процесс повторится в описанной выше последовательности.

Основным элементом данной схемы, от которого зависит эффективность ее функционирования, является импульсный нагнетатель, который схематично п виде поршня с пружиной приведен на рис. 2а. Пусть давление Р = Р0 с силой

Рр, =

уравновешивается в положении I = 1„ силой Гука со стороны

0_ о

ПруЖИНЫРг = /7 / а б и внутренним

Рис. 2. Схема распределения давлений в импульсном нагнета- Давлением Р -Р0 С теле: а - в покое; б - при движении поршня силой Fв = Р. Л".

ДМ \м, /т°

J i V

Обозначим х = (/,-/„), * = (/-/„), т.е. х = * + (/,-/„). При переменном возникает сила инерции = Mr, которая уравновешивает силу Гука Fr = -Ш и силу давления Ff--PSI (без учета силы трения). Так как F = ОМ = /Г = (/„ +*)?, то F„„ = MxJ = Fr+Fp (рис. 26).

Для составления математической модели импульсного нагнетателя приняты исходные положения: давление в верхней части цилиндра через клапаны (входной и выходной) равно давлению наружному Р, которое можно считать постоянным; будем далее считать, что P(t) = P-P; на участке длительного постоянства P(t) давление Р0 уравновешивается силой сжатия пружины с модулем

F?=k(!<)-l>) = P0S, (1)

где /0 - состояние нулевого сжатия пружины пружины, м; /, - отвечает статическому сжатию пружины при давлении Р0, м; S - площадь поршня, м1.

Mx = -kx-PS = -kx-k(ls-la)-PS, (2)

что с учетом (1) дает уравнение

Мк 0 M

(3)

где Р=Р-Р„ - изменение давления, Па; м - перемещаемая масса, кг; х - отклонение поршня от статического, м.

В таком случае общее решение однородного уравнения

х + ш2х =0 (4)

имеет вид

х0(1) = а соз(йИ) + Ь$т(м), (5)

а частное решение подбирается в зависимости от типа .

Общее решение уравнения (3) на участке постоянстваР(1) = Р0 имеет вид:

S —

x¡ (í) = a cos(<uf) - b sin(<a<)--P0, í\ S t <, (2.

К

(6)

Константы a, b подбираются исходя из начальных или граничных условий. Учитывая периодическую пульсацию P(t) при />0 с периодом г, длительностью т, < т, амплитудой ДР = h > О

г— h

0 А :— Я* т t

формулой (6) на п -м участке p{t) в ударном узле í„_, < t < í„ общее решение

имеет вид:

a. cos(firf) + Ьп sin(faí) - — (/>+ й), (п -1 < t < (п -1 + ^, К

(7)

COs(üV) + í>„ sin(fi«)--Р0,

к

(n-l)r + r, <t<nx.

С учетом выражения (7), полученными выше, на рис. 4 построен график изменения положения диафрагмы, который с точностью 5 % согласуется с

результатами опытов

5 = 0,24 мг.

Систему теплоснабжения, в

которую включено

самоподдерживающееся двухконтурное гидродинамическое водоподъемное устройство, работающую импульсном циркуляции теплоносителя,

для периода г = 0,4 с, г, =0,2 с. М = 2 ООО кг,

2 0,0900 .0,0800 * 0,0700 0,0600 0,0500 0,0400 0,0300

в

режиме

0,0200 0,0100 0,0000

л

F- / \

/ \

,-L .r" \ -♦-мсдегъ J ••♦••зссперемзнг

Р -a "J i

/ ; ¿

<i 4 / z1 \

✓ V ж

^ ^ ^ ^ & & & & оР ^ ^ t, С Рис. 4. Графики перемещения х диафрагмы по времени I

можно

условно представить в виде энергетической цепи, состоящей из семи отдельных звеньев и функционирующих как единое целое (рис. 5).

1-е звено - гидравлическое, включает активное сопротивление г,,(Па-с2)/мь учитывающее потери давления в питательной трубе и массу воды в трубе щ, кг; 2-е звено - гидравлическое и представлено активным сопротивлением г2,(Г1а-сг)/м6, характеризующим потери давления в ударном узле; 3-е звено - гидравлическое, включает податливость 1имъ!(Па-ч), характеризующую упругие свойства жидкости и питательной трубы; 4-е звено

- преобразовательное, преобразует инерцию движущейся в питательной трубе жидкости в давление />, ,Па, перед эластичной диафрагмой импульсного нагнетателя; 5-е звено - преобразовательное, преобразует давление р4,Па, и расход 1соответственно в усилие /, Я и скорость движения эластичной диафрагмы импульсного нагнетателя 9,м!с\ 6-е звено -механическое, включает массу тг, кг, подвижных деталей импульсного нагнетателя, активное сопротвление гг, (Н-с)!м, учитывающее потери на трение, и податливость /2, м!(Н-с), характеризующую упругость возвратной пружины импульсного нагнетателя; 7-е звено - преобразовательное, преобразует усилие /\,Па, и линейную скорость 8,,м1с, соответственно в давление рА,Па, и расход qí,мí /с, второго контура импульсного нагнетателя.

Рис. 5. Энергетическая цепь импульсной системы теплоснабжения

При открытом ударном клапане г, = const нижняя цепочка действует как демпфер. При этом урвнения, связывающие звенья цепи, запишутся так:

[ q = l,p2 + qv

С учетом введения коэффициентов я, = т,!п o1=2qartll, as = 1, b, ^-ImJ^q,,,, Ь2 =-(4?IV1r,»'2 + m,), b, =~{2qv}rl +2qu]r2) уравнение в операторной форме имеет вид:

(ajS2 + azS + a})pj{s) = (—bis1 -b2S-b,)Q,{s). Комплексное сопротивление Z(S) = -^-t- - —!-*-

0(S) e,S2+a2S + l

Действительная U(Q) и мнимая V(Q) части частотной характеристики

ЩП) = -Ь,а,П2 + b3a,-b,a2)n2-b3 ^^ (- V; + V,+ (Уз ~■^fo (^¡fi2 +1)2 -a2ii2 ' (а,П2 + 1)г-а2П2

Амплитудочастотная характеристика (АЧХ)МП):

A(Q) = y/u2(Q)+l/2(Q).

(9) (10)

(U) (12)

При закрытом клапане /-, = 0, тогда энергетическая цепь импульсной системы сводится к виду, приведенному на рис. 6.

1-е 2-е 3-е 4-е 5-е

-Л-1 Рг

*77777Т <

s f\r

Р з

h

! Л

Р 4

?2

Рие.6. Энергетическая цепь импульсной системы теплоснабжения при закрытом ударном клапане

Для схемы на рис. 6 получена следующая система уравнений: 1-е 2-е 3-е 4-е 5-е

Уравнение на приращение p в начале цепи через конечные параметры р4> q::

'¿4 +{>»А -bnMíJzS2 +m,l,S2 + m2l2)pt +

(14)

— . . — (ч . . тЛ,т, р = т11хт212 р,+ I 2?20г,/,тг/2 + —¡^

+ ^т, - 2т11^ю + + (2^20^ - - 2Д920)Г2.

С учетом введения коэффициентов

а, = т,/^, а2 = ^ад/^ + ^, д3 = (т^ - 2т111Кдх1г82 + т,/,5'2 + ш2/2),

62 = ^/и, - 2т^10 + ^j, ¿з = (2?гог; - 4?20г1/1Д -2Л?го) получим уравнение на приращения

Р = р, + а2р, + а3р, + а4р4 + Д, + + й2?2 + ¿>3<?2,

которое можно представить в операторной форме:

+ + а352 + а45 +1)/> (5) = -(Ь^ + Ь25 + Ь3)д2 (5).

т/- +Ь2$ + Ь,)

Комплексное сопротивление 2(51=-—-—и-.

а,5 + аг5 + аъ5 + а45 +1

Действительная и(П) и мнимая У (О) части частотной характеристики Таким образом, АЧХ импульсной системы теплоснабжения позволяют

(15)

(16) (17)

на различных, частотах оценивать соотношение между приращениями давления и расхода на входе цепи. Ниже приведен алгоритм расчета коэффициента теплоотдачи с учетом изменения приращения давления и расхода, состоящий из следующих шагов.

1. Записываются мгновенные значения разности давлений на входе и выходе теплообменника &р(}) и массового расхода на / - колебаниях.

2. Определяются математические ожидания Ар0 и ^ н их амплитуды &р„ и Д^ через средние квадратичные отклонения.

3. Находится скорость потока и = и0 + й (соответственно среднее значение

и его отклонение), щ

-у-, ¡7 = ™, где / - площадь проходного сечения, м .

4. Определяется коэффициент гидравлического сопротивления: С/ =сЛ +с/; сл С, =

где р — плотность теплоносителя, кг!мъ. 5. Находится число Стентонна

2

6. Определяется коэффициент теплоотдачи: а = а0+а ,

а0 - Л0Ср/зм0, а =5/о СР/сг7, где Ср - теплоемкость при постоянном давлении, кДж/(кг-°С).

7. Находится приращение коэффициента теплоотдачи:

¿■„=—100%.

(19)

(20)

(21)

(22)

Алгоритм реализован в программе МБ Ехе1 2003. На рис. 7 приведены графики приращения относительного коэффициента теплоотдачи, свидетельствующие о том, что с увеличением амплитуды колебаний потока в области низких частот он увеличивается.

Третья глава посвящена описанию экспериментальной установки, а также автоматизации сбора и обработки данных.

Экспериментальная установка представляет собой систему теплоснабжения с

Рис. 7. График приращения относительного коэффициента теплоотдачи 6а в зависимости от отношения отклонения расхода £ к его среднему значению gl¡ при различных частотах колебаний потока: 1 - 10 рад/с (опытная); 2-12 рад/с; 3-4 рад/с

источником теплоты на базе блочной модульной котельной и системой тепло-потребления (отопление и ГВС), подключенной по независимой схеме через гидродинамическое водоподъемное устройство. Она предназначена для исследования устойчивости работы системы как в стационарных, так и в переходных режимах при импульсной организации циркуляции теплоносителей в соответствующих контурах.

При помощи экспериментальной установки решались следующие основные задачи:

- проверка адекватности разработанных математических моделей нагнетателя, гидравлической сети, а также теплопередачи импульсной системы теплоснабжения;

- экспериментальная проверка гидравлической и энергетической эффективности функционирования разработанного самоподдерживающегося двух-контурного гидродинамического водоподъемного устройства;

- отладка, оптимизация и последующее создание нового самоподдерживающегося двухконтурного гидродинамического водоподъемного устройства в соответствии с алгоритмом его управления применительно к условиям эксплуатации в конкретной системе теплоснабжения;

- исследование затрат энергии в системе теплоснабжения, в которую включено самоподдерживающееся двухконтурное гидродинамическое водоподъемное устройство и без него;

- оценка экономической эффективности применения самоподдерживающегося двухконтурного гидродинамического водоподъемного устройства в системе теплоснабжения.

На рис. 8 приведена принципиальная схема установки.

Рис. 8. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 - самовозбуждаемый генератор гидравлического удара; 2 - водо-водяной теплообменник; 3 - импульсный нагнетатель; 4 - тепловая нагрузка (калорифер); 5 - станция автономного водоснабжения; б , 7, 8, 9 — вентили; 10, 11, 12 - краны шаровые; 13, 14 15 - обратные клапаны; 16, 17 -краны трехходовые; 18 - ударный узел; 19 - циркуляционный насос; 20 - гидроаккумулятор ; 21,22 - первичные преобразователи расхода; 23,24,25,26 - первичные преобразователи давления; 27,28,29,30 - первичные преобразователи температуры; Т1,Т2 -подающий и обратный трубопроводы тепловой сети; ХВ -холодная вода; ГВС - трубопровод горячего водоснабжения

Общий вид экспериментальной установки представлен на рис.9. Экспериментальное исследование режимов работы данной лабораторной установки (число секций 3, длина секции 2м, трубная решетка - 4 латунных трубки <1Н =0,016 м) импульсной системы теплоснабжения отражено на графике (рис. 10), где представлен импульсный режим циркуляции теплоносителей по отдельным контурам. Как видно из графика, система теплоснабжения довольно устойчиво работает в импульсном режиме, в данном случае с частотой генерации импульсов, равной 1,66 Гц.

В случае использования горячего водоснабжения

система обладает самоограничивающейся способностью по

избыточному давлению и при изменении расхода низкотемпературного теплоносителя (в контуре системы ГВС) частота генерации импульсов остается

постоянной. Для контроля расходов и давлений

использовались современные

Рис.9. Общий вид экспериментальной установки стационарные и портативные

приборы (узел учета тепловой энергии «Взлет», «Днепр-7», «Взлет-ПР»), для непрерывного контроля давления были выбраны первичные измерительные преобразователи давления (КРТ-9). Запись сигналов на ПК осуществлялась через контроллер ЦАП Ь-783. Для автоматизации экспериментальных исследований, обработки результатов эксперимента как в лабораторных, так и в экспериментальных условиях был использован программный комплекс автоматизации контроля и управления энергетическими потоками «АКиУЭП» ЮгаЬр.

Рис. 10. Графики пульсации давления в импульсной системе теплоснабжения: 1 - пульсации давления низкотемпературного теплоносителя 1 после импульсного нагнетателя в ______2 системе тепяопотреблеиия; 2 — пульсации давления низкотемпературно-3 го теплоносителя до импульсного — • 4 нагнетателя в системе теплопотреб-лсния; 3 - пульсации давления высокотемпературного теплоносителя после ударного узла; 4 - пульсации давления высокотемпературного теплоносителя перед ударным узлом

В четвертой главе приведены алгоритмы моделирования положения поршня (диафрагмы) импульсного нагнетателя, гидравлической сети и теплопередачи импульсной системы теплоснабжения, методики лабораторных и эксплуатационных испытаний экспериментального образца импульсной системы теплоснабжения, планирования эксперимента, результаты моделирования, обработки экспериментальных данных и технико-экономического расчета.

Для экспериментального определения производительности и оптимальной конструкции импульсного нагнетателя были использованы автомобильные энергоаккумуляторы и вакуумный усилитель (рис. 11). Из графика видно, что наиболее линейной характеристикой при максимальной производительности обладает энергоаккумулятор с эластичной диафрагмой «Тип 30», конструкция которого и была взята в качестве аналога для изготовления нагнетателя импульсной системы теплоснабжения (эластичная диафрагма, геометрические размеры полостей всасывания и нагнетания, уплотняющие устройства).

Моделирование гидравлической сети импульсной системы теплоснабжения общественного здания производилось в программе Delphi. В табл. 1 приведены пять характерных вариантов изменения параметров энегетической цепи импульсной системы, оказывающих на нее заметное влияние. Наиболее существенным из них является постоянная составляющая расхода в питательной трубе qu,M3/c, qml < q„l2 < qmi (рис. 12). На рис. 13 приведены частотные характеристики при закрытом и открытом ударном клапане при трех значениях массы воды (т,,кг) в питательной трубе (mu<mL2<mu).

Таблица 1

Значение параметров для моделирования энергетических характеристик

п/п Ч. Па-сг м6 h, Пас м6 <7ю. V с м т,, кг т2, кг А. У Па ¡г-м Н S, м2

1 5 000 000 25 000 000 0,010 100 000 10 5 0,000 15 0,001 5 0,24

2 5 000 ООО 25 000 000 0,010 100 000 100 5 0,000 15 0,001 5 0,24

3 5 000 000 25 000 000 0,010 100 000 1 000 5 0,000 15 0,001 5 0,24

4 5 000 000 25 000 000 0,015 100 000 10 5 0,000 15 0,001 5 0,24

5 5 000 000 25 000 000 0,030 100 000 10 5 0,000 15 0,001 5 0,24

-Тип 24

-Тип 30

-2107

0,05 0,06 X, м

Рис. 11. Экспериментальные графики зависимости вытесняемого объема V от перемещения диафрагмы х

Как видно из рис. 13 с увеличением массы воды в разгонной трубе колебания расхода не вызывают существенного увеличения давления в системе (при открытом ударном клапане) и, следовательно, не влияют на работоспособность клапана на частотах до 0,5 Гц, При гидроударе (при закрытом ударном клапане) с увеличением массы на порядок увеличивается давление на выходе импульсного нагнетателя в разы.

Приведенная модель хорошо согласуется с результатами экспериментальных исследований. Наиболее устойчивая работа ударного узла наблюдается в полосе частот от 1 до 2 Гц (экспериментально получена частота 1,66 Гц).

Рис. 12. АЧХ первого участка импульсной системы теплоснабжения при изменении величины постоянной составляющей расхода, , < <

щ

Па с

щ

Пас

— "и

12 14

П,рад1с

1

/

/

V

С1,рад1с

а б

Рис.13. АЧХ импульсной системы теплоснабжения при изменении массы воды в питательной трубе, т{1 < /я, 2 < тхъ: а - при открытом ударном клапане; б — при закрытом

Основные расчетные данные, полученные в ходе экспериментального определения эффективности работы горизонтального секционного кожухотрубного теплообменника, включенного по двухступенчатой схеме в импульсном и стационарном режимах сведены в табл. 2. Эффективность теплообменника определялась на основании усовершенствованной методики с учетом статистического подхода определения основных параметров через число едениц переноса.

Таблица 2

Результаты определения эффективности теплообменника_

№ п/п Показатель Режим Разница, %,(+/-)

стационарный импульсный

1 Поверхность теплопередачи, м2 1,13 1,13 -

2 Тепловая мощность, воспринятая холодной (нагреваемой) средой в теплообменнике, кВт 14,55 15,9 + 9,28

3 Коэффициент теплопередачи, Вт1[мис) 613,73 687,05 + 11,95

4 Число единиц переноса (ЧЕП) холодной (нагреваемой) средой 0,876 0,981 + 11,99

5 ЧЕП горячей (греющей) среды 1,327 1,488 + 12,13

6 Эффективность теплообменника 0,832 0,886 0,909* + 6,49 + 9,25*

* Значение эффективности теплообменника с учетом эффекта дополнительного тепловыделения горячего (греющего) теплоносителя при генерации локальных гидроударов.

Внедрение двухконтурного самоподдерживающегося устройства в систему теплоснабжения общественного здания Ковылкинского филиала ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» позволит получить экономический эффект в размере 138 тыс. р. в год, для котельной ООО «Энергосервис» Пензенской области - 105,12 тыс. р. в год и для здания строительным объемом 1 000л<3 АУ «Технопарк - Мордовия» - 38,87 тыс.р. в год (в ценах 2010 г.).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенные исследования показали, что повышение энергоэффективности систем теплоснабжения, и в первую очередь общественных зданий, идет по пути увеличения турбулизации потока теплоносителя при существенном возрастании местных гидравлических сопротивлений. Однако, дальнейшее движение в этом направлении представляет определенные трудности из-за значительных потерь давления и зашламления теплопередающих поверхностей. Одним из путей решения данной проблемы является переход к импульсной подаче теплоносителя, при которой не только повышается коэффициент теплопередачи теплогенерирующего и теплоиспользующего оборудования, реализуется эффект самоочищения, но и создаются условия для рационального использования располагаемого напора.

2. Разработана математическая модель импульсного нагнетателя, позволяющая оценить его производительность при различных соотношениях длительности входного давления, а также конструктивных, силовых и гидродинамических параметрах системы теплоснабжения. Установлено, что амплитуда колебаний диафрагмы, а соответственно и подача импульсного нагнетателя

существенно зависит от частоты колебаний и ее площади. Максимальная амплитуда колебаний, в зависимости от параметров импульсной системы теплоснабжения, соответствует диапазону частот в пределах от 0,5 до 1 Гц.

3. Разработана математическая модель гидравлической сети импульсной системы теплоснабжения на основе энергетических цепей, позволяющая оптимизировать её параметры и оценивать устойчивость при различной частоте и амплитуде импульсов входного давления. Выявлено, что при гидроударе с увеличением массы воды в питательной трубе на порядок давление на выходе импульсного нагнетателя увеличивается в 2 раза.

4. Разработан алгоритм определения относительного коэффициента теплоотдачи в зависимости от отношения отклонения расхода к его среднему значению, учитывающий соотношение между отклонениями давления и расхода импульсной системы теплоснабжения при различных частотах колебаниях потока. Установлено, что с увеличением амплитуды колебаний потока в области низких частот 0,1-2 Гц происходит увеличение коэффициента теплоотдачи до 80 %.

5. Разработаны функциональная и принципиальная схемы импульсной системы теплоснабжения с самоподдерживающимся двухконтурным гидродинамическим водоподъемным устройством, позволяющие осуществлять импульсную подачу теплоносителя во втором (нагреваемом) контуре за счет трансформации части располагаемого напора первого (греющего) контура.

6. Создан экспериментальный образец импульсной системы теплоснабжения с двухконтурным самоподдерживающимся гидродинамическим водоподъемным устройством, адаптированный к различным режимам работы сетей. Установлено, что система теплоснабжения довольно устойчиво функционирует в импульсном режиме с частотой генерации импульсов 1,0-2,0 Гц. В случае использования горячего водоснабжения система обладает самоограничивающей способностью по избыточному давлению и при изменении расхода низкотемпературного теплоносителя (в контуре системы ГВС) частота генерации импульсов остается постоянной. Усовершенствован экспериментальный образец ударного узла посредством применения запатентованного схемного решения, позволяющего обеспечить его автоматическую работу, минуя слив теплоносителя за пределы эксплуатируемой совместно с ним системы.

7. Применение в системах теплоснабжения самоподдерживающегося двухконтурного гидродинамического водоподъемного устройства обеспечивает при пульсирующей подаче теплоносителя снижение удельного расхода топлива на источнике теплоты на 3 %; увеличение срока службы теплоисполь-зующего оборудования за счет реализации эффекта самоочищения; снижение требований к качеству исходной и сетевой воды; уменьшение теплопередаю-щих поверхностей теплоиспользующего оборудования за счет возрастания коэффициента теплопередачи на 12 %; возможность создания значительного (10® Па и более) располагаемого напора, что необходимо для высотных зданий и протяженных сетей, без применения повысительных насосов.

8. В результате тепловых испытаний кожухотрубного подогревателя при

двухступенчатой схеме включения секций выявлено, что его эффективность в импульсном режиме в случае использования противоточной схемы (относительно стационарного с эффективностью 0,832) увеличивается на 9,3%. 9. Внедрение самоподдерживающегося двухконтурного гидродинамического водоподъемного устройства в системы теплоснабжения общественных зданий на двух объектах в Республике Мордовия и одном объекте в Пензенской области позволило получить суммарный экономический эффект в размере 282 тыс.р. в год (в ценах 2010 г.).

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях

1. Левцев А.П. Регулирование теплового режима здания в условиях нестационарного напора на его вводе / А. П. Левцев, А. Н. Макеев, А. И. Кудаш-кин // Наука и инновации в Республике Мордовия : материалы VII респ. науч,-практ. конф., г. Саранск, 8-13 февр. 2008. - Саранск, 2008. - С. 306 -310.

2. Левцев А.П. Математическая модель системы регулирования теплового режима здания / А. П. Левцев, А. Н. Макеев, А. И. Кудашкин // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем : межвуз. сб. науч. тр. МГУ им. Н. П. Огарева - Саранск, 2008. - С. 118-122.

3. Макеев А.Н. Использование гидравлического тарана в системах водо-и теплоснабжения / А. Н. Макеев // XXXVII Огаревские чтения : материалы науч. конф. 8-13 дек. 2008 г. - Саранск, 2009. - Ч.З : Технические науки. - С. 811.

4. Макеев А.Н. Применение гидродинамического водоподъемного устройства в системе теплоснабжения здания / А. Н. Макеев // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем : материалы Всерос. науч.-техн. конф., г. Саранск, 19-23 окт. 2009 г. - Саранск, 2009. -С. 471^175.

5. Левцев А.П. Регулирование тепловой нагрузки здания / А. П. Левцев, А. Н. Макеев, А. И. Кудашкин // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем : материалы Всерос. науч.-техн. конф., г. Саранск, 19-23 окт. 2009 г. - Саранск, 2009. - С. 475-479.

6. Макеев, А. Н. Гидродинамическое водоподъемное устройство в сетях теплоснабжения / А. Н. Макеев, А. П. Левцев // Энергосбережение в тепло-электроэнергетике и теплоэлектротехнологиях: материалы Междунар. науч,-практ. конф., г. Омск, 19 апр. 2010 г. - Омск, 2010, - С. 255- 260.

7. Левцев А.П. Импульсные системы тепло-, водоснабжения сельскохозяйственных объектов / А. П. Левцев, А. Н. Макеев, С. Ф. Кудашев // Вестник ФГОУВПО «Московский государственный аграрный университет имени В. П. Горячкина». - 2010, - № 2(41). - С. 91-95.

8. Левцев А.П. Математическое моделирование нагнетателя импульсной

системы теплоснабжения / А. П. Левцев, А. Н. Макеев, С. Ф. Кудашев // Пращ Тавршського державного агротехнолопчного ушверситету : матер1али М1жнароднок науково-практично1 конференции «Моделювання технолопчних ироцсЫв в АПК». - Мелшяюль, 2010. - С. 177-186.

9. Макеев А. Н. Потенциал гидравлического удара в сетях теплоснабжения / А. Н. Макеев, С. Ф. Кудашев // Материалы XIV научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета имени Н.П. Огарева: в 2 ч. 4.1 : Технические и естественные науки. -Саранск, 2010. - С. 20-24.

10. Макеев А.Н. Импульсные системы теплоснабжения общественных зданий / А. Н. Макеев, А. П. Левцев // Региональная архитектура и строительство. - Пенза, 2010. - №2 (9). - С. 45-51.

11. Пат. РФ № 82798, МПК Р04Р7/02. Таран гидравлический / А. Н. Макеев, А. П. Левцев ; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва». - № 2008150029; заявлено

17.12.2008 ; опубл. 10.05.2009, Бюл. № 13.

12. Пат. РФ № 86841, МПК АО 1025/00. Ударный узел для газогидравлического устройства / А. П, Левцев, А. Н. Макеев ; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва». -№ 2009116882 ; заявлено 04.05.2009 ; опубл. 20.09.2009, Бюл. № 26.

13. Пат РФ № 87501, МПК Б24011/00. Автономная система отопления для здания автономного пользования / А. П. Левцев, А. Н. Макеев, А. А. Лазарев ; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва». - № 2009113871 ; заявлено 13.04.2009 ; опубл.

10.10.2009, Бюл. №27.

14. Пат. РФ № 88104, МПК ¥240 3/02. Система отопления (варианты) / А. Н. Макеев, А. П. Левцев, А. А. Лазарев. - № 2009126711 ; заявлено

13.07.2009 ; опубл. 27.10.2009, Бюл. № 30.

15. Пат. РФ № 95814, МПК Б28Р 1/00. Теплообменник / А. П. Левцев, А. Н. Макеев, С. Ф, Кудашев ; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва». - № 2010108263 ; заявлено 05.03.2010 ; опубл. 10.07.2010, Бюл. № 19.

16. Пат. РФ № 98060, МПК Р240 3/00. Система теплоснабжения / А. П. Левцев, А. Н. Макеев, А. М. Зюзин ; заявитель и патентообладатель НОУ «Саранский Дом науки и техники». - № 2010122249 ; заявлено 31.05.2010 ; опубл.

27.09.2010, Бюл. №27.

17. Пат. РФ № 99123, МПК Р2413/00. Водоподъемное устройство / А. П. Левцев, А. Н. Макеев ; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва». - № 2010120371 ; заявлено

20.05.2010 ; опубл. 10.11.2010, Бюл. № 29.

18. Пат. РФ № 99553, МПК Р04Р7/00. Кавитатор для тепловыделения в жидкости / А. П. Левцев, А. Н. Макеев ; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва». -№ 2010125580 ; заявлено 22.06.2010.

19. Пат. РФ на изобретение. Способ автоматического регулирования тепловой нагрузки здания и устройство для его осуществления. Решение о выдаче патента от 06.10.2010./ А. П. Левцев, А. Н. Макеев ; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва». -№ 2009141740 ; заявлено 11.11.2009.

20. Пат. РФ на изобретение. Способ теплоснабжения. Уведомление о проведении экспертизы заявки на изобретение по существу от 06.10.2010/ А. П. Левцев, А. Н. Макеев. -№ 2010112729 ; заявлено 01.04.2010.

* Жирным шрифтом выделены работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

Подписано в печать 18.11.10. Объем 1,25 п. л. Тираж 120 экз. Заказ № 1761. Типография Издательства Мордовского университета 430005, Саранск, ул. Советская, 24

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ, СПОСОБОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИХ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

1.1 Классификация и сравнительный анализ систем теплоснабжения.

1.2 Анализ причин снижения интенсивности теплопередачи в традиционных системах теплоснабжения

1.3 Пути интенсификации теплообмена оборудования систем теплоснабжения

1.4 Теплообмен в условиях колебаний потоков.

1.5 Классификация колеблющихся потоков и их формальное математическое описание.

1.6 Промывка и прочистка теплоиспользующего оборудования систем теплоснабжения.

1.7 Самоподдерживающиеся гидродинамические водоподъемные устройства.

Выводы

Цель и задачи исследований.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ.

2.1 Математическая модель импульсного нагнетателя.

2.2 Алгоритм определения хода диафрагмы импульсного нагнетателя для периодического кусочно-постоянного давления.

2.3 Анализ процессов всасывания и вытеснения в импульсном нагнетателе

2.4 Результаты математического моделирования импульсного нагнетателя

2.5 Энергетическая цепь импульсной системы теплоснабжения

2.6 Алгоритм определения амплитудочастотной (АЧХ) и фазочастотной (ФЧХ) характеристик импульсной системы теплоснабжения.

2.7 Моделирование теплопередачи в импульсной системе теплоснабжения

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Назначение экспериментальной установки, структурно-функциональная и принципиальная схемы.

3.2 Характеристика устройств и агрегатов, входящих в экспериментальную установку

3.2.1 Самовозбуждаемый генератор гидравлического удара.

3.2.2 Импульсный нагнетатель.

3.2.3 Гидравлическая часть.

3.2.4 Согласующее устройство.

3.2.5 Плата аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования L

3.2.6 Первичный измерительный преобразователь избыточного давления

3.2.7 Первичный измерительный преобразователь расхода.

3.2.8 Первичный измерительный преобразователь температуры.

3.2.9 Тепловычислитель.

3.2.10 Гидроаккумулятор.

3.2.11 Регулятор давления воды ITAP.

3.2.12 Программный комплекс LGraph.

3.2.13 Индукционный преобразователь перемещения.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1 Планирование эксперимента.

4.2 Идентификация экспериментальных зависимостей и моделей.

4.3 Поиск и исследование оптимальной конструкции импульсного нагнетателя.

4.4 Результаты математического моделирования импульсной системы теплоснабжения

4.5 Испытания на тепловую производительность

4.5.1 Методика сравнительных тепловых испытаний

4.5.2 Опытное определение коэффициента теплопередачи и эффективности теплообменника в импульсном и стационарных режимах.

4.6 Исследование пульсаций давления при работе самоподдерживающегося двухконтурного гидродинамического водоподъемного устройства с различной тепловой нагрузкой.

4.7 Рекомендации по использованию и настройке самоподдерживающегося двухконтурного гидродинамического водоподъемного устройства в системе теплоснабжения

4.8 Расчет экономической эффективности внедрения новой технологии подачи теплоносителя в системе теплоснабжения

В настоящее время потенциал развития традиционных систем теплоснабжения в части увеличения теплопередачи практически исчерпан. В них почти полностью выбран максимум эффективности путём применения современного теп-лоиспользующего оборудования, электронных средств регулирования и контроля потребления тепловой энергии. Замена кожухотрубных водоподогревателей на пластинчатые была существенным шагом на пути увеличения турбулизации потока теплоносителя, а, следовательно, увеличении теплопередачи. С одной стороны, это позволило увеличить коэффициент теплопередачи в пределах 10 %, а с другой - возросла склонность к зарастанию, образованию накипи, шлама и прочих отложений, что со временем ведет к снижению коэффициента теплопередачи и повышенным затратам на транспорт теплоносителя. Кроме того, данные обстоятельства сдерживают их применение для независимых систем теплоснабжения.

Одним из кардинальных путей решения данной проблемы является перевод циркуляции теплоносителя в системе теплоснабжения из стационарного режима в импульсный. При этом можно использовать несколько эффектов. Во-первых, увеличивается коэффициент теплоотдачи 1 движущегося потока в зависимости от частоты и амплитуды пульсаций скорости его истечения, во-вторых, происходит самоочищение теплопередающих поверхностей оборудования и, в-третьих, появляется возможность трансформации части располагаемого напора греющего теплоносителя в напор нагреваемого в случае независимого присоединения отопительных установок или для циркуляции воды в системе горячего водоснабжения.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с приоритетным направлением ГОУВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» «Энергосбережение и новые материалы», ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» и в рамках реализации региональной программы «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности Республики Мордовия на 2011 - 2015 г. г.».

Целью диссертационного исследования является повышение эффективности функционирования системы теплоснабжения общественного здания на основе перехода к импульсной подаче теплоносителя за счет применения в ней самоподдерживающегося двухконтурного гидродинамического водоподъемного устройства.

Научная новизна. Выполненные исследования позволили получить совокупность новых положений и результатов:

- предложен способ импульсной подачи теплоносителя в системе теплоснабжения;

- разработаны математические модели импульсного нагнетателя и гидравлической сети импульсной системы теплоснабжения;

- создан алгоритм, повышающий точность определения и описания тепловых процессов в импульсной системе теплоснабжения;

- реализованы схемные решения по устройству импульсной системы теплоснабжения (ударный узел и импульсный нагнетатель в составе самоподдерживающегося двухконтурного гидродинамического водоподъемного устройства, схема включения гидроаккумулятора).

Практическую значимость имеют:

- принципиальная схема импульсной системы теплоснабжения общественного здания;

- конструкция ударного узла и импульсного нагнетателя самоподдерживающегося двухконтурного гидродинамического водоподъемного устройства;

- рекомендации к использованию и настройке самоподдерживающегося двухконтурного гидродинамического водоподъемного устройства в системе теплоснабжения общественного здания.

Практическая реализация.

Разработанная технология (способ) организации самоподдерживающейся импульсной подачи теплоносителя в системе теплоснабжения общественного здания внедрен в систему теплоснабжения учебного корпуса Ковылкинского филиала ГОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарёва». Годовой экономический эффект от внедрения составил 138 тыс. руб. в ценах 2010 г.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты исследования доложены, обсуждены и одобрены на научной конференции «Огаревские чтения» профессорско-преподавательского состава ГОУВПО «МГУ им. Н.П. Огарева» (Саранск, 2009); республиканской научно-практической конференции «Наука и инновации в Республике Мордовия» (2008); всероссийских научно-технических конференциях «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (Саранск, 2008, 2009); Международной научно-практической конференции «Энергосбережение в теплоэлектроэнергетике и теплоэлектротехнологиях» (Омск, 2010); III Российском форуме «Российским инновациям - российский капитал» (Ижевск, 2010), Международной научно-практической конференции «Моделирование технологических процессов в АПК» (Украина, Мелитополь, 2010).

Основные положения диссертационной работы отражены в 20 научных публикациях, включая 8 патентов на полезную модель и 2 заявки па изобретение РФ.

Заключение

1. Проведенные исследования показали, что повышение энергоэффективности систем теплоснабжения, и в первую очередь общественных зданий, идет по пути увеличения турбулизации потока теплоносителя при существенном возрастании местных гидравлических сопротивлений. Однако, дальнейшее движение в этом направлении представляет определенные трудности из-за значительных потерь давления и зашламления теплопередающих поверхностей. Одним из путей решения данной проблемы является переход к импульсной подаче теплоносителя, при которой не только повышается коэффициент теплопередачи теплогенери-рующего и теплоиспользующего оборудования, реализуется эффект самоочищения, но и создаются условия для рационального использования располагаемого напора.

2. Разработана математическая модель импульсного нагнетателя, позволяющая оценить его производительность при различных соотношениях длительности входного давления, а также конструктивных, силовых и гидродинамических параметрах системы теплоснабжения. Установлено, что амплитуда колебаний диафрагмы, а соответственно и подача импульсного нагнетателя существенно зависит от частоты колебаний и ее площади. Максимальная амплитуда колебаний, в зависимости от параметров импульсной системы теплоснабжения, соответствует диапазону частот в пределах от 0,5 до 1 Л/.

3. Разработана математическая модель гидравлической сети импульсной системы теплоснабжения на основе энергетических цепей, позволяющая оптимизировать её параметры и оценивать устойчивость при различной частоте и амплитуде импульсов входного давления. Выявлено, что при гидроударе с увеличением массы воды в питательной трубе на порядок давление на выходе импульсного нагнетателя увеличивается в 2 раза.

4. Разработан алгоритм определения относительного коэффициента теплоотдачи в зависимости от отношения отклонения расхода к его среднему значению, учитывающий соотношение между отклонениями давления и расхода импульсной системы теплоснабжения при различных частотах колебаниях потока. Установлено, что с увеличением амплитуды колебаний потока в области низких частот 0,1-2 Гц происходит увеличение коэффициента теплоотдачи до 80 %.

5. Разработаны функциональная и принципиальная схемы импульсной системы теплоснабжения с самоподдерживающимся двухконтурным гидродинамическим водоподъемным устройством, позволяющие осуществлять импульсную подачу теплоносителя во втором (нагреваемом) контуре за счет трансформации части располагаемого напора первого (греющего) контура.

6. Создан экспериментальный образец импульсной системы теплоснабжения с двухконтурным самоподдерживающимся гидродинамическим водоподъемным устройством, адаптированный к различным режимам работы сетей. Установлено, что система теплоснабжения довольно устойчиво функционирует в импульсном режиме с частотой генерации импульсов 1,0-2,0 Гц. В случае использования горячего водоснабжения система обладает самоограничивающей способностью по избыточному давлению и при изменении расхода низкотемпературного теплоносителя (в контуре системы ГВС) частота генерации импульсов остается постоянной. Усовершенствован экспериментальный образец ударного узла посредством применения запатентованного схемного решения, позволяющего обеспечить его автоматическую работу, минуя слив теплоносителя за пределы эксплуатируемой совместно с ним системы.

7. Применение в системах теплоснабжения самоподдерживающегося двух-контурного гидродинамического водоподъемного устройства обеспечивает при пульсирующей подаче теплоносителя снижение удельного расхода топлива на источнике теплоты на 3 %; увеличение срока службы теплоиспользующего оборудования за счет реализации эффекта самоочищения; снижение требований к качеству исходной и сетевой воды; уменьшение теплопередающих поверхностей теплоиспользующего оборудования за счет возрастания коэффициента теплопередачи на 12 %; возможность создания значительного (106 Па и более) располагаемого напора, что необходимо для высотных зданий и протяженных сетей, без применения повысительных насосов.

8. В результате тепловых испытаний кожухотрубного подогревателя при двухступенчатой схеме включения секций выявлено, что его эффективность в импульсном режиме в случае использования противоточной схемы (относительно стационарного с эффективностью 0,832) увеличивается на 9,3%.

9. Внедрение самоподдерживающегося двухконтурного гидродинамического водоподъемного устройства в системы теплоснабжения общественных зданий на двух объектах в Республике Мордовия и одном объекте в Пензенской области позволило получить суммарный экономический эффект в размере 282 тыс.р. в год (в ценах 2010 г.).

1. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. — М.: Металлургия, 1969. 157 с.

2. Аллиеви JI. Теория гидравлического удара. 1913 г.

3. Богуславский JI. Д. Экономия теплоты в жилых зданиях, М.: Стройиздат, 1985г.

4. Богословский В.Н., Сканави А. Н. Отопление: Учеб. для вузов. М.: Стройиздат, 1991.-735 с.

5. Валуева Е.П., Свиридов В.Г. Введение в механику жидкости. М.: МЭИ, 2001. -212 с.

6. Варгафтик Н.Г. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: ГИФМЛ, 1963.

7. Варфоломеев Ю. М., Кокорин О.Я. Отопление и тепловые сети: Учебник. -М.: ИНФРА-М, 2006. 480 с.

8. Воронин Г.И., Дубровский Е.Е. Эффективные теплообменники. М.: Машиностроение, 1972.

9. Галицейский Б.М., Рыжов Ю.А. , Якуш Е.В. Тепловые и гидродинамические процессы в колеблющихся потоках. М., «Машиностроение»

10. Герасимович А.И., Матвеева Я.И. Математическая статистика. Мн.: Вы-шейш. школа, 1978. - 200 с.

11. Герасимович А.И. Математическая статистика: Учеб. пособие для инж.-техн. и экон. спец. втузов. 2-е изд., перераб. и доп. - Мн.: Выш. школа, 1983. - 279 с.

12. Гидроупругие колебания и методы их устранения в закрытых трубопроводных системах. Под редакцией Низамова Х.Н. Красноярск, 1983 г.

13. Гиттис, Э. И. Аналого-цифровые преобразователи / Э. И. Гиттис, Е. А. Писку-лов. -М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.

14. Гладких П.А. Исследование влияния буферных емкостей на вибрацию газопроводов. М.: Гостехиздат, 1962 г. - 109 с.

15. Гладких П.А. Исследование влияния буферных емкостей на вибрацию трубопроводов. М.: Издательство АН СССР, ИТЭИН, 1955 г.

16. Гладких П.А., Хачатурян С.А. Предупреждение и устранение колебаний нагнетательных установок. — М.: Машиностроение, 1964 г. 275 с.

17. Гликман Б.Ф. Автоматическое регулирование ЖРД. М.: Машиностроение, 1989 г.-296 с.

18. Гликман Б.Ф. Математические модели пневмогидравлических систем. М.: Наука, 1986 г. -365 с.

19. Громека И.С. К теории движения жидкости в узких цилиндрических трубках. -Ученые записки Казанского университета, 1882 г., TXVIII, № 1,2. с. 41-72.

20. Гудсон, Леонард. Обзор методов переходных процессов в гидравлических линиях. ТОИР, 1972 г., № 2.

21. Гухман A.A. Применение теории подобия к исследованию процессов тепломассообмена. М.: Высшая школа, 1974.

22. Гухман A.A., Кирпиков В.А. Интенсификация теплообмена путем создания в потоке неоднородостей давления / В кн.: Тепло- массоперенос. Т.1, ч. 2 -Минск, 1972.

23. Дезаер У.А., Ку Э.С. Основы теории цепей. М.: Связь, 1976. - 228 с.

24. Дмитриченко С. С. Опыт применения методов статистической динамики к расчету конструкций машин / С. С. Дмитриченко // Тракторы и с.-х. машины. -1990.-№ 5.-С. 5-8.

25. Дружинский И.А. Механические цепи. Л.: Машиностроение, 1977. - 234 с.

26. Ерохин, М. Н. Энергетический анализ динамических систем СХА / М. Н. Еро-хин, А. П. Левцев // Тракторы и с.-х. машины. 2005. - №7. - С. 19 - 20.

27. Евразийский патент № 005489 РФ. Водоподъемное устройство, Марухин В.В., Кутьенков В.А., per. № ЕА200400160, от 17.12.2003. Бюл. eab ЕАВ20501.

28. Жуковский Н.Е. Лекции по гидродинамике. -М.: Ученые записки Московского Университета, т. 2. вып. 7, 1887 г.

29. Жуковский Н.Е. О гидравлическом ударе в водопроводных трубах. Избранные сочинения, т. 2 М.: Гостехтеориздат, 1948 г. - 442 с.

30. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975.31 .Истечение жидкости через насадки. Б. Н. Сиов. М., «Машиностроение», 1968.

31. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1990.

32. Картвелишвили H.A. Динамика напорных трубопроводов. М.: Энергия. 1979 г. - 224 с.

33. Кафаров В.В. Основы массопередачи.-М.: Высшая школа, 1972.

34. Кейс В., Лондон А. Компактные теплообменники. М.: Энергия, 1967.

35. Колесников К.С. Вынужденные колебания потока идеальной сжимаемой жидкости в однородной прямой трубе.

36. Конюхов Н.Е. Электромагнитные датчики механических величин / Н. Е. Конюхов, Ф. М. Медников, М. JI. Нечаевский. М.: Машиностроение, 1987. - 226 с.

37. Корн Г. Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1977. - 832 с.

38. Кутателадзе С.С., Ляховский Д.Н., Пермяков В.А. Моделирование теплоэнергетического оборудования. М.: Энергия, 1966.

39. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. -М.: Энергия, 1976.

40. Кутателадзе С.С. Анализ подобия в теплофизике. Новосибирск.: Наука, 1982.

41. Левцев А.П. Импульсные системы тепло-, водоснабжения сельскохозяйственных объектов / А. П. Левцев, А. Н. Макеев, С. Ф. Кудашев // Вестник ФГОУВ-ПО «Московский государственный аграрный университет имени В. П. Горяч-кина». 2010, - № 2(41). - С. 91-95.

42. Ливурдов И.Ф. Гидравлический удар в асбоцементных трубах. Водоснабжение и санитарная техника. № 1, 1939 г.

43. Ливурдов И.Ф. О влиянии на гидравлический удар распределения скоростей по сечению трубы. Ученые записки МГУ, 1946 г., вып. 117.

44. Лойцанский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1970.

45. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973.

46. Макеев А.Н. Использование гидравлического тарана в системах водо- и теплоснабжения / А. Н. Макеев // XXXVII Огаревские чтения : материалы науч. конф. 8-13 дек. 2008 г. Саранск, 2009. - Ч.З : Технические науки. - С. 8-11.

47. Макеев А.Н. Импульсные системы теплоснабжения общественных зданий / А. Н. Макеев, А. П. Левцев // Региональная архитектура и строительство. Пенза, 2010.-№2 (9).-С. 45-51.

48. Мирский Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах. М.: Радио и связь, 1984. - 160 с.

49. Мостков М.А. Гидравлический удар в гидроэлектрических станциях. — М.: ГОНТИ, 1938 г.

50. Мостков М.А. Основы гидроэнергетического проектирования. — М.: Госэнер-гоиздат, 1948 г.

51. Насосы и насосные станции / В.Ф. Чебаевский, К.П. Вишневский, Н.Н. Накладов, В.В. Кондратьев; Под ред. В.Ф Чебаевского. М.: Агропромиздат, 1989. -416 е.: ил. - (Учебники и учебные пособия для студентов высш. учеб. заведений).

52. Низамов Х.Н., Применко В.Н., Чукаев А.Г. и др. Пульсации давления в трубопроводах и способы их устранения. М.: ВНИИОЭНГ, 1991г. -87 с.

53. Низамов Х.Н., Прунцов A.B., Максимов В.А., Шнепп В.Б. Современные методы стабилизации колебаний давления и расхода газожидкостных сред в компрессорных установках. М.: ЦИНТИ Химнефтемаш, 1983 г.

54. Низамов Х.Н., Ганиев Р.Ф., Чучеров А.И., Усов П.П. Стабилизация колебаний давления в трубопроводных системах энергетических установок. М.: Изд-во МГТУ, 1993 г.

55. Овсепян В. М., Гидравлический таран и таранные установки, М., 1968. — 126 с.

56. Ольсон Г. Динамические аналогии. — М.: Изд-во иностр. лит., 1947. 224 с.

57. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов JI. А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. М.: Наука, 1984.

58. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. -М.: Энергоиздат, 1984.

59. Пат. РФ № 2151344, МПК F24D3/00. Система водяного отопления / А. Д. Чу-маченко ; заявитель и патентообладатель Брянская государственная инженерно-технологическая академия. № 98121968 ; заявлено 04.12.1998 ; опубл. 20.06.2000.

60. Пат. РФ № 2191642, МПК В08В9/032. Способ обработки системы отопления здания / Т. В. Жунусова, В. М. Низовкин. № 2000128479 ; заявлено 16.11.2000 ; опубл. 27.10.2002.

61. Пат. РФ № 82798, МПК F04F7/02. Таран гидравлический / А. Н. Макеев, А. П. Левцев ; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва». № 2008150029; заявлено 17.12.2008 ; опубл. 10.05.2009, Бюл. № 13.

62. Пат. РФ № 88104, МПК F24D 3/02. Система отопления (варианты) / А. Н. Макеев, А. П. Левцев, А. А. Лазарев. № 2009126711 ; заявлено 13.07.2009 ; опубл. 27.10.2009, Бюл. № 30.

63. Пат. РФ № 98060, МПК F24D 3/00. Система теплоснабжения / А. П. Левцев, А. Н. Макеев, А. М. Зюзин ; заявитель и патентообладатель НОУ «Саранский Дом науки и техники». № 2010122249 ; заявлено 31.05.2010 ; опубл. 27.09.2010, Бюл. №27.

64. Пат. РФ № 99123, МПК F24J3/00. Водоподъемное устройство / А. П. Левцев, А. Н. Макеев ; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва». № 2010120371 ; заявлено 20.05.2010 ; опубл. 10.11.2010, Бюл. № 29.

65. Пат. РФ № 99553, МПК F04F7/00. Кавитатор для тепловыделения в жидкости / А. П. Левцев, А. Н. Макеев ; заявитель и патентообладатель ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва». № 2010125580 ; заявлено 22.06.2010.

66. Пат. РФ на изобретение. Способ теплоснабжения. Уведомление о проведении экспертизы заявки на изобретение по существу от 06.10.2010/ А. П. Левцев, А. Н. Макеев. -№ 2010112729 ; заявлено 01.04.2010.

67. Пат. USA 1998902, Air pressure flushing gun. Кл. В 08 В 9/02, 1935.

68. Пилипенко В.В., Задонцев В.А., Натанзон М.С. Кавитационные автоколебания и динамика гидросистем. — М.: Машиностроение, 1977 г.

69. Платы L-761, L-780, L-783. Техническое описание и руководство программиста. М.: ЗАО «Л-КАРД», 2003. - 113 с.

70. Полежаев В.И., Буне A.B., Верезуб H.A. и др. Математическое моделирование конвективного тепломассообмена на основе решения уравнений Навье — Стокса. -М.: Наука, 1987.

71. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем. М.: Машиностроение, 1977 г. -424 с.

72. Попов Д.Н. Нестационарные гидромеханические процессы. М.: Машиностроение, 1982 г. -238 с.

73. Попова Т.К., Кусмарцева Н.В. Методические указания по расчету экономической эффективности. М.:2003 г.

74. Правила технической эксплуатации тепловых энергоустановок, утв. приказом Минэнерго РФ от 24 марта 2003 г. N 115.

75. Принципы анализа и обработки диагностических сигналов / методические рекомендации. Ч. 2. Новосибирск, 1981. - 54 с.

76. Процессорные измерительные средства. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989.-224 с.

77. Ростовцев В.Н. Утилизащя малыхъ паденш воды для целей осушешя и орошешя земель, Петроградъ, 1916. 50 с.

78. Самарин A.A. Вибрации трубопроводов энергетических установок и методы их устранения. М.: Энергия, 1979 г. - 286 с.

79. Светлицкий В.А. Механика трубопроводов и шлангов. М.: Машиностроение, 1982 г.

80. Симберт У.М. Цепи, сигналы, системы. Перевод с английского, в 2-х частях. Ч.1.-М.: Мир, 1988.-336 с.

81. Симберт У.М. Цепи, сигналы, системы. Перевод с английского, в 2-х частях. Ч.2.-М.: Мир, 1988.-336 с.

82. Справочник по теплоснабжению и вентиляции (издание 4-е, переработанное и дополненное). Книга 1-я. Щекин Р. В., Кореневский С.М., Беем Г.Е. и др. Киев, «Буд1вельник», 1976, 416 с.

83. Сурин A.A. Гидравлический удар в водопроводах и борьба с ним. М.: Транс-желдориздат, 1946 г.

84. Теплотехническое оборудование и теплоснабжение промышленных предприятий / Б. Н. Голубков, О. JI. Данилов, JI. В. Зосимов и др. ; Под ред. Б. Н. Го-лубкова. 2-е изд., перераб. - М.: Энергия, 1979. - 544 с.

85. Трофимова JI. Экономические показатели, используемые для оценки эффективности деятельности предприятия. //Аудитор. 1996 Экономика предприятия: Учебник для экономических вузов: 2-е изд., пераб. и доп. / Под ред. А.И.Руденко. - Мн.: БГЭУ, 1995.

86. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров : Пер. с англ. / Справочник. -М.: Атомиздат, 1979. 216 с.

87. Фатхутдинов P.A. Производственный менеджмент. - М. : «Банки и биржи», ЮНИТИ, 1997 г.

88. Федоткин И.М., Заец A.C. Обобщение опытных данных по теплоотдаче к пульсирующему потоку жидкости в горизонтальной трубе. «Известия высш. учебн. заведений. Энергетика», 1968, № 11 м. 72-76.

89. Христианович С.А. Неустановившееся движение в каналах и реках.- В кн.: Некоторые новые вопросы механики сплошной среды. -М.-Л.: Изд. АН СССР, 1938 г.

90. Чарный И.А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах. 2-е издание. - М.: Недра, 1975 г. - 296 с.

91. Чистопольский С. Д., Гидравлические тараны, М. — Л., 1936;

92. Шорин В.П. Устранение колебаний в авиационных трубопроводах. М.: Машиностроение, 1980 г. - 155 с.

93. Экономика труда / Под ред. Г.Р. Погосяна, Л.И. Жукова М.: Экономика, 1991г.

94. Hirschberg H. G. Zur berechnung von rohrenkesselverdamhfern // Kältetechnik. 1966. V 18. N4.

95. Pierre B., Review S. F., Svenska A. B. Flaktfabriken. Stockholm, Sweden, 1955.

96. Keil R.H., Baird M.N. Enchancement of Heat Transfer by Flow Pulsation.-"Industrial Engineering Chemistry Process Desing and Development USA", vol. 10, 1971,N 4, p.473-478.

97. Ogle J.W., Engel A J. The Effect of Vibration on a Double-pipe Heat Exchanger. «Chemical Engineering Progress Symposium Series», vol.61, 1965, N 5, p. 118122.

98. West F., Taylor A. The Effect of Pulsations on Heat Transfer. «Chemical Engineering Progress», vol. 48, 1952, N 1, p. 39-43.