DOI: 10.18720/MCE.92.5
А. П. Левсев (а), Е. С. Лапин (а), Ц. Чжан (б)
a Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Огарева, Саранск, Россия
b Цзянсуский университет науки и технологий, Цзянсуский университет науки и технологий, город Чжэньцзян,
провинция Цзянсу, КНР
Ключевые слова : способ теплоснабжения, радиаторы отопления, эффективность теплопередачи, пульсация теплоносителя, мембранный насос, отопительный агрегат.
Аннотация . В системах отопления жилых и общественных зданий секционные радиаторы широко используются в качестве отопительных приборов, эффективность теплопередачи которых критически снижается при понижении температуры теплоносителя. В то же время для повышения эффективности теплопередачи теплообменного оборудования известен положительный опыт использования импульсных потоков. Предложенный в процессе выполнения работ способ теплоснабжения, заключающийся в периодической подаче горячего и холодного теплоносителя через секционные радиаторы. Тепловые испытания 12 секционных радиаторов типа Rifar BASE 500 при температурах от 42 °С до 67 °С и частотах пульсации теплоносителя от 0,52 Гц до 0,62 Гц показали повышение их эффективности при номинальном расходе 1,8. –2.2. С увеличением расхода и температуры теплоносителя эффективность СИ снижается в пульсирующем режиме. Исследование эффективности СР от параметров системы отопления и схемы их включения проводилось на математической модели в виде энергетической цепи, учитывающей массу и аккумулирующую емкость теплоносителя. При параллельном соединении до 10 SR оптимальная круговая частота пульсаций теплоносителя составила 3 рад/с, а при последовательном соединении - 4,2 рад/с, что согласуется с результатами тепловых испытаний на уровне 7%.
1. Введение
Современные мировые тенденции развития систем теплоснабжения направлены на снижение нерациональных затрат и потерь теплоносителя при одновременном повышении качества поддержания температурного режима в зданиях. Подобные тенденции наблюдаются практически во всех программах, связанных с комплексным развитием городов. При развитии систем теплоснабжения в России приоритет отдается системам централизованного теплоснабжения от комбинированных источников электрической и тепловой энергии. Опыт разработки перспективных схем городского теплоснабжения показывает, что качество, эффективность и надежность работы систем теплоснабжения связаны с новыми технологиями и инструментами, которые используются при создании индивидуальных тепловых установок (ИТП) на вводах в здания. . Массовое внедрение ИТП вместо традиционных отопительных агрегатов не только улучшит температурный режим в зданиях, но и решит проблему обеспечения заданного давления на вводах в здания, повысив при этом степень централизации систем теплоснабжения с комбинированные источники. Однако ИТП успешно реализуется только в районах новой застройки, где в системах отопления преимущественно используются панельные радиаторы и они самостоятельно подключаются к тепловым сетям. В то же время в районах старой застройки системы отопления зданий (отопление и вентиляция) по-прежнему подключены к тепловым сетям зависимо через лифт, а в качестве отопительных приборов в основном используются секционные радиаторы (СР). Что касается последних, то эффективность СР (отношение фактически достигнутой тепловой мощности к проектной) при снижении температуры теплоносителя на 50 °С снижается до 30 %. Это неоднократно доказано в результате многочисленных энергообследований зданий. По тому, что при новой конструкции недавно перешли на пластинчатые радиаторы типа ПУРМО [1]. Именно поэтому гидравлический режим тепловых сетей в городах строится с учетом преобразования тепловой энергии, и каждый тепловой агрегат имеет на входе дросселирующее устройство [2]. В каждом теплоузле возникли потери энергии, например, в Москве их более 9500 только в системе ОАО «МОЭК». Суммарная стоимость этих потерь эквивалентна сотням МВт электроэнергии, необходимой для экономики города. В настоящее время проблему обеспечения заданного теплового режима здания пытаются решить оптимизацией гидравлического режима тепловой сети за счет использования в тепловых узлах на вводах зданий смесительного насоса, что практически увеличивает скорость теплоносителя через нагревательные приборы в два раза, но достигнутый КПД СР не достиг проектной мощности. Из 7 учебных корпусов Национального исследовательского Мордовского государственного университета имени Огарева, в которых был реализован данный метод, достигнутая эффективность СР в 2018 году оказалась на уровне 60 % проектной мощности. Ожидаемого эффекта это не дало, так как увеличение скорости теплоносителя через нагревательные устройства меняет коэффициент смешивания горячего и обратного теплоносителя, следовательно, снижает мощность нагревательного устройства. Кроме того, установка смесительных насосов увеличила потребление электроэнергии в учебных корпусах на 6%. Такая ситуация возникла из-за отсутствия надежных и недорогих технологий подачи теплоносителя, которые должны основываться на исследованиях и передовом опыте в области новых стратегий теплоснабжения с учетом особенностей гидродинамики и теплопередачи. конкретных отопительных приборов.
В мировой практике внимание сосредоточено на стратегии прерывистого отопления зданий [3], которая направлена на снижение потребления тепловой энергии в рабочее время за счет прогнозирования рациональной мощности отопительного оборудования в зависимости от типа здания. Смешивая период отопления и охлаждения, мы видим экономию на 20 % тепловой энергии за счет ее ограничения в нерабочее время. Использование такой стратегии увеличивает мощность отопительного оборудования в 1,1–1,3 раза и требует дополнительных затрат. Среди стратегий непрерывного нагрева заслуживают внимания технологии с пульсирующей (импульсной) циркуляцией теплоносителя и особенности их создания, которые подробно описаны в публикациях [4,5]. В этих работах положительный опыт осциллирующих потоков в теплообменном оборудовании распространяется на системы теплоснабжения с автономным подключением к тепловым сетям, без нагревательных приборов. Даны рекомендации по построению таких схем; однако количественные оценки достигаемой эффективности таких систем теплоснабжения не приводятся. Влияние импульсного потока на энергопотребление панельных излучателей изучалось в работах [6–8], в которых приведены количественные оценки повышения эффективности около 20 % при колебаниях импульсного потока в диапазоне частот от 0,027 м. /с до 0,051 м/с и частота от 0,0523 рад/с до 0,209 рад/с получена методами моделирования двух панельных излучателей при поддержании температуры на поверхности излучателя 50 °С. Непонятно, как изменится эффективность панельных излучателей при изменении амплитуды расхода теплоносителя. В работе [9], посвященной увеличению мощности системы отопления за счет замены постоянного потока подаваемого теплоносителя на импульсный, с использованием программного обеспечения Similink/Matlab рассмотрена математическая модель комнаты отдыха с был установлен один радиатор. Импульсный поток с амплитудой от 0,024 кг/с до 0,048 кг/с и частотой от 0,0017 рад/с до 0,017 Гц позволяет сэкономить 22 % тепловой энергии за счет более равномерного распределения температуры в комнате отдыха. Модель учитывает гидродинамику потока, теплообмен не учитывает особенности каналов. Более детальные исследования гидродинамики и теплоотдачи выполнены на теплообменном оборудовании к конкретным теплообменным поверхностям на более высоких частотах. В работе [10] исследовано интенсификацию теплоотдачи в оребренных трубчатых теплообменниках с использованием пульсирующего воздушного потока. Исследования проводились на экспериментальной установке на частотах от 10 Гц до 50 Гц с изменением амплитуды воздушного потока от 13,33 % до 15,35 %, при этом было отмечено увеличение коэффициента теплоотдачи в пределах 12,3 %. Для жидкой среды теплообмен усиливается и на более низких частотах. В работе [11] представлены результаты экспериментальных исследований для горизонтально расположенного змеевика для нагрева холодной воды в водоеме. Средняя температура подогретой воды поддерживалась на уровне 60°С; поток прерывался как на входе, так и на выходе змеевика с частотой от 0 до 20 Гц при числах Рейнольдса от 6220 до 16300, средний коэффициент теплоотдачи увеличивался до 26 % в основном за счет колебаний в змеевике.
Интенсификация теплопередачи зависит от времени прерывания потока теплоносителя. При уменьшении времени прерывания потока до нескольких миллисекунд пульсирующий режим становится импульсным (импульсным), что сопровождается гидравлическим ударом, энергию которого можно успешно использовать, например, для привода мембранного насоса [5]. Экспериментальное исследование теплообмена с пульсирующим потоком в пластинчатом теплообменнике с частотой около 1 Гц представлено в [12]. Увеличение теплоотдачи зафиксировано на уровне 25 %. Значительное увеличение теплоотдачи в импульсном режиме на уровне 40 % подтверждено экспериментально при охлаждении мощных полупроводниковых преобразователей на частоте около 1 Гц [13].
Более глубокие исследования по интенсификации теплоотдачи с использованием пульсационного режима при ламинарном течении теплоносителя в конкретных каналах проведены в Московском энергетическом институте. В работах [14–16] изучалось влияние теплопроводности жидкости вдоль оси канала, термического сопротивления стенки при пульсирующем ламинарном течении теплоносителя. Значительное увеличение теплоотдачи от теплообменных поверхностей теплообменников связано с турбулентностью потока, что особенно важно для создания новых конструкций микроканальных теплообменников.
Он применим для нагревательных устройств, работающих в переходных режимах с числами Рейнольдса от 2000 до 6000, также наблюдается повышение их эффективности при пульсирующем и импульсном потоке теплоносителя в зависимости от частоты и амплитуды. Значительный прирост эффективности нагрева СИ на уровне 40 % получен при использовании мембранных насосов частотой от 0,5 Гц до 1 Гц на экспериментальной установке ИГП, что объясняется более равномерным распределением температуры на поверхности. Следует отметить, что расчетные параметры эффективности не были достигнуты из-за ограничений экспериментальной установки ИГП [17–19].
В связи с этим целью данной работы было повышение эффективности теплопередачи СР в системах отопления зданий, основанной на пульсирующей подаче и перемешивании теплоносителя за счет включения в состав ИТП двухпоточного мембранного насоса. схема. Для реализации поставленной цели были решены следующие задачи: выбор метода повышения эффективности теплоотдачи при нагреве СИ на основе пульсационной подачи и перемешивания теплоносителя; разработка проекта ИТП здания с двухпоточным мембранным насосом и внедрение его опытного образца; проведение гидродинамических и тепловых испытаний экспериментальной модели ИТП; моделирование эффективности СР от параметров системы отопления и их учет на математической модели.
2. Методы
Исследование эффективности теплопередачи СР в системах отопления зданий от параметров теплоносителя, коэффициента смешения горячего и холодного потока, количества СР и схемы их включения,
– комплексный анализ при анализе проблемы и поиске оптимальных конструктивных решений по поиску способа пульсационной подачи и перемешивания теплоносителя;
– физическое моделирование гидродинамики и теплообмена в СР при различных частотах и амплитудах пульсаций потока, коэффициента смешивания теплоносителей в экспериментальной установке ИТП с пульсирующим потоком и перемешиванием теплоносителя и автоматизированными данными коллекция;
– метод математического моделирования эффективности теплоотдачи СР при различных частотах пульсаций потока, коэффициентах смешивания теплоносителей, количестве СР и схемах их включения на основе энергетической цепочки, позволяющий исследовать процессы различной физической природы на основе их аналогии (тепло, механика, электричество, гидравлика) в частотной области;
– Математическая статистика для обработки массивов экспериментальных данных и установления зависимостей.
Отправной точкой для проведения комплексного анализа технологий и особенностей реализации пульсирующей подачи и перемешивания теплоносителя послужили ранние экспериментальные исследования теплопередачи и гидродинамики нагрева СИ, выполненные на кафедре теплоэнергетики НИУ ВШЭ. Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Огарева, выявивший потенциал повышения их эффективности. Исследования эффективности СР проводились с использованием различных схем включения мембранных насосов. Согласно этому, реализовать потенциал повышения эффективности СИ удалось лишь частично из-за ограничений экспериментальной установки ИГП [17–19]. Фактически колебания расхода теплоносителя в ранних исследованиях не были чисто гармоническими и в общем расходе теплоносителя присутствовала постоянная составляющая. Кроме того, в СР возникали трудности со смешиванием горячего и холодного потоков теплоносителя и частично использовалась электроэнергия для привода мембранного насоса.
В данной работе реализация потенциала эффективности теплопередачи нагрева СИ реализована за счет использования в конструкции экспериментальной установки ИГП двухпоточного мембранного насоса с импульсным распределителем потока теплоносителя, генерирующего гидравлический поток теплоносителя. удар и дополнительно использует его для привода мембранного насоса [20]. На рисунке 1 представлена схема экспериментальной индивидуальной котельной с мембранным насосом. Схема позволяет создать два независимых контура.
ИГП с двухпоточным мембранным насосом (рисунок 1) состоит из подающего и обратного трубопроводов, а также левой и правой секций мембранного насоса. Управление обеими секциями мембранного насоса осуществляется от распределителя импульсного потока 5, связанного с электроприводом 6. К входу распределителя импульсного потока 5 подключен питающий патрубок 1, а его выходы - к камерам 3 и 4. Левая секция мембранного насоса 3 и правая секция мембранного насоса 4 жестко соединены с тягой 7. Механизм переключения ударных клапанов 8 соединен с одной стороной тяги 9, а с другой - с другой. сбоку слева 10 и справа 11 ударных клапанов. Излучающий обогреватель правой секции подключается параллельно водонагревателю 13. Левая секция подключается таким же образом, но в данной установке она не использовалась.
При включении электропривода 6 и установлении необходимой частоты пульсаций распределителя импульсного потока 5 теплоноситель поочередно подается из питающего трубопровода 1 во внутренние (рабочие) части секций 3 и 4, где он выполняет работу. В конечных положениях тяги 9 ударные клапаны 10 и 11 переключаются с помощью механизма переключения ударных клапанов 8, а внешние (насосные) секции всасывают теплоноситель через СР 12 и ГВС. калорифер 13. На следующем цикле остывший теплоноситель повторно проходит через СР 12 и водогрейный калорифер 13 и подается в обратный трубопровод 2. Регулирование температуры остывшей воды осуществляется за счет изменения нагрузки водогрейного калорифера. . Благодаря этому процессу мы видим, что за один период работы двухпоточного мембранного насоса через СР проходит горячий или охлажденный теплоноситель.
Экспериментальный образец ИТП с двухпоточным мембранным насосом производительностью 3000 л/ч реализован на кафедре теплоэнергетики ФГБОУ ВО Мордовский государственный университет имени Огарева. Основные узлы установки показаны на рисунках 2, 3.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки (установки) Индивидуальной теплофикационной станции на базе двухпоточного мембранного насоса: 1 – питающий трубопровод; 2 – обратный трубопровод; 3 – левая секция мембранного насоса; 4 – правая секция мембранного насоса; 5 – распределитель импульсного потока; 6 – электродвигатель привода; 7 – тяга звена; 8 – механизм переключения ударных клапанов; 9 – тяга звена; 10 – левый ударный клапан; 11 – правый ударный клапан; 12 – нагревательное устройство; 13 – калорифер водогрейный; 14 – расходомерный патрубок; 15 – датчик температуры.
Рис. 2. Физический вид экспериментальной установки ИТП на базе двухпоточного мембранного насоса: 3 – Мембранный насос левая секция; 4 – Мембранный насос правая часть; 8 – Механизм переключения ударных клапанов; 9 – Тяга тяги; 10 – Левый ударный клапан; 11 – Правый ударный клапан.
Рисунок 3. Распределитель импульсного потока.
3. Результаты и их обсуждение
Гидравлические испытания ИГП с двухпоточным мембранным насосом производительностью 3000 л/ч показали, что производительность двухпоточного мембранного насоса зависит от частоты прерывания потока теплоносителя. Установлено, что при изменении частоты прерывания потока теплоносителя от 0,5 Гц до 0,8 Гц расход (расход) теплоносителя изменяется от 2000 л/ч до 3000 л/ч. При этом давление на входе в насос изменялось в пределах от 0,536 кПа до 0,635 кПа при одинаковом располагаемом напоре между подающим и обратным трубопроводами (зависимости 2–5 рис. 4). Расчетная зависимость расхода двухпоточного мембранного насоса от частоты прерывания потока теплоносителя несколько выше и отличается от экспериментального среднего значения в пределах 4 %. Рассчитана расчетная зависимость расхода двухпоточного мембранного насоса от частоты прерывания потока теплоносителя в режиме поршневого потока. Методом наименьших квадратов получено уравнение регрессии зависимости расхода двухпоточного мембранного насоса от частоты прерывания потока теплоносителя:
В дальнейшем были проведены тепловые испытания, по результатам которых оценивалась эффективность СР в различных режимах. При тепловых испытаниях ИТП с двухпоточным мембранным насосом производительностью 3000 л/ч зафиксированы температурные параметры 15 и расход 14 теплоносителя на входе и выходе 12 СР Rifar BASE 500. В дальнейшем по разностям температур на входе и выходе СИ рассчитывался его КПД в зависимости от расхода теплоносителя на определенной частоте. Результаты расчета эффективности СР при четырех усредненных температурах теплоносителя (42 °С, 50 °С, 58 °С и 67 °С) представлены в виде графиков (рис. 5). При этом расход теплоносителя через СР изменялся от 60 до 360 л/ч. Номинальный расход теплоносителя через СР составляет 120 л/ч. При усредненной температуре теплоносителя 42 °С и номинальном расходе (рис. 5, а) наибольший КПД СИ составляет 0,54 при частоте пульсации теплоносителя 0,62 Гц. С увеличением расхода теплоносителя через СР КПД снижается и при расходе 300 л/ч он становится равным стационарному режиму. В стационарном режиме КПД с увеличением расхода также увеличивается с 0,25 до 0,32. При усредненной температуре теплоносителя/ов 50 °С (рис. 5, б) КПД СИ составляет 0,52 при номинальной скорости потока и частоте 0,57 Гц. В стационарном режиме КПД с увеличением расхода также увеличивается с 0,28 до 0,42. При усредненной температуре теплоносителя 58 °С (рис. 5, в) наибольший КПД СИ составляет 1,03 на частоте 0,62 Гц, которая снижается с увеличением расхода теплоносителя, и при расходе 240 л/ч становится равным стационарному режиму. В стационарном режиме КПД с увеличением расхода также увеличивается с 0,53 до 0,67. При средней температуре теплоносителя на входе в СР, равной 67 °С (рис. 5, г), наибольший КПД СР составляет 1,28 на частоте 0,57 Гц, который снижается с увеличением скорости потока и с расходом 180 л/ч приближается к стационарному режиму. В стационарном режиме КПД с увеличением расхода также увеличивается с 0,72 до 0,85. Таким образом, КПД СР при номинальном расходе теплоносителя в пульсирующем режиме в зависимости от температуры на входе и частоты пульсаций увеличивается в 1,8 – 2,2 раза. При этом с ростом температуры на входе в СИ относительное значение КПД снижается. Частота пульсаций теплоносителя оказывает существенное влияние на достижение максимального КПД СИ и определяется его расчетными возможностями. С увеличением расхода теплоносителя
Рис. 4. Гидравлические характеристики ИГП на основе двухпоточного мембранного насоса с различным давлением на входе в насосные камеры: 1 – расчетное; 2 – Р3=568 кПа; 3 – Р2=536 кПа; 4 – Р1=635 кПа; 5 – по методу наименьших квадратов.
Эффективность СР зависит как от параметров теплоносителя, так и от теплофизических свойств самого устройства. К последним можно отнести массу теплоносителя, тепловое и емкостное сопротивление. Для получения уравнений, описывающих движение тепловых потоков, их удобно представить в виде энергетической цепочки СР с участком тепловой сети (рис. 6) [21].
Особенностью ИТП с двухпоточным мембранным насосом является пульсирующий режим, т.е. энтальпия потока h , Дж/кг и массовый расход (расход) g , кг/с, который периодически меняется во времени.
Энергетическая цепь СИ с участием теплотехнических устройств включает три звена: первое – тепловое – учитывает уменьшение энтальпии за счет массы m, кг и теплоносителя; второе звено - преобразующее, оно преобразует энтальпию h , Дж/кг, при температуре t , °С, и массовый расход g , кг/с, в удельный расход тепла q , Вт/°С, через теплоемкость с ; третье звено - тепловое, учитывающее падение температуры СИ с помощью тепловых истинных сопротивлений R 1 , R 2 , R 3 , °С 2 /Вт, соответствующих площади поверхности нагрева теплоносителя, теплового проводимость стены и от стены к воздуху, а также с аккумулирующей способностью воды с пластичностью l 1 , Вт/с, и аккумулирующей способностью стены с пластичностью l 2 , Вт/с.
Рисунок 5. КПД биметаллических секционных радиаторов, подключенных к двухпоточному мембранному насосу: 1 – 0,623 Гц; 2 – 0,572 Гц; 3 – 0,523 Гц; 4 – стационарный.
Рисунок 6. Энергоцепь СР с участком теплосети.
Уравнение компонентов цепи:
В процессе моделирования необходимо было выяснить, как будет меняться выходная температура СИ t 3 , °С в зависимости от его удаления от источника (ИГП с двухпоточным мембранным насосом), а также какой эффект оказывает параллельное и компаундирование соединения СР.
Представим температуру на выходе СИ t 3 = t 30 + t 3 и удельный тепловой поток q 2 = q 20 + q 2 в виде постоянной составляющей и отклонения.
q , уравнение Вт/°C:
Существуют выражения для коэффициентов:
t , °C уравнение:
Существуют выражения для коэффициентов:
h , Дж/кг уравнение:
Существуют значения коэффициентов:
Уравнение изображения:
Комплексное сопротивление выхода цепи:
Функция частоты цепи:
Реальная часть:
Мнимая часть:
Амплитудно-частотные характеристики:
Эффективность секционных радиаторов, согласно этой модели, оценивалась по величине перепада температуры на выходе устройства t 3 , °С, при однократном входном воздействии q 2 , Вт/°С. Уточнено, что температура t 3 , °С, будет повышаться меньше, а значит, КПД будет выше по сравнению с основным режимом.
Термические истинные сопротивления цепи R 1 , R 2 , R 3 , °С 2 /Вт подбирались исходя из перепада температуры при прохождении теплового потока. При этом строго выдерживался одинаковый перепад температур согласно условиям эксперимента. Соотношение этих сопротивлений принималось в соответствии с распределением коэффициентов теплопередачи. Значение пластичности выбиралось исходя из изменения объема теплоносителя и теплоемкости в зависимости от материала трубы и секционных радиаторов. Массу теплоносителя брали исходя из диаметра трубы и ее длины. Исходные параметры для прогнозирования режимов переключения секционных радиаторов: базовые; параллельное и последовательное подключение (табл. 1).
Таблица 1. Параметры моделирования операции.
Результаты моделирования представлены в виде амплитудно-частотной характеристики в трех режимах работы (рис. 7).
Как видно из графиков амплитудно-частотных характеристик в основном режиме работы наибольшее снижение температуры на выходе СИ за один всплеск удельного теплового потока наблюдается при круговой частоте 3,6 рад/с и соответствует 3,6°. C, что полностью совпадает с экспериментально полученными зависимостями эффективности СИ на данной круговой частоте (кривая 2 на рис. 5). При параллельном включении СР тепловое истинное сопротивление снижается за счет лучшего перемешивания теплоносителя. круговая частота, имеющая наибольшее снижение температуры на выходе СИ, равна 3 рад/с, что соответствует 2,23 °С. Отсюда следует, что для обеспечения повышенной эффективности СИ необходимо перейти на угловую частоту 3 рад/с (0,47 Гц). При последовательном подключении SR термические истинные сопротивления увеличиваются в 3 раза. Масса теплоносителя увеличивается до 2,4 кг. Что касается температуры на выходе последнего СИ, то она увеличивается до 6,7 °C, а круговая частота увеличивается и показывает 4,2 рад/с. При этом расход теплоносителя не меняется. В связи с этим необходимо увеличить расход СР в два раза при последовательном подключении. Последний режим работы соответствует базовым параметрам с увеличенной массой. В этом режиме работы круговая частота снижается до 3 рад/с, а минимальная температура на выходе последнего СИ составляет 4,33 °С.
Рис. 7. Амплитудно-частотные характеристики энергоцепи: 1 – базовая силовая СР; 2 – параллельное соединение СР; 3 – последовательное подключение СР; 4 – с увеличением массы теплоносителя до базовой операции.
4. Вывод
1. В системах отопления жилых и общественных зданий СР широко используются в качестве отопительных приборов благодаря своей компактности. Устойчивость к перепадам давления, высокая коррозионная стойкость и хорошие эстетические качества. Однако на практике они показали низкий КПД (снижение мощности) при снижении температуры теплоносителя, что характерно для весенне-осеннего периода работы системы отопления. Этот недостаток компенсируется установкой в СР дополнительного количества секций или использованием электрической энергии для целей отопления, что неэффективно в условиях реализации политики энергосбережения. На уровне реализации городских программ энергосбережения с внедрением ИТП на основе традиционных технологий. однако они пытаются решить эту проблему. В настоящее время потенциал повышения эффективности систем теплоснабжения с помощью СР удалось реализовать лишь частично. Среди нетрадиционных технологий и разработок в мировой практике в последние десять лет большое внимание уделяется системам отопления с пульсирующей (импульсной) циркуляцией теплоносителя. Это позволяет не только повысить эффективность теплоотдачи от поверхностей отопительных приборов до 40 %, но и снизить потребление тепловой энергии до 20 % за счет выравнивания температуры в помещении. Однако. Опыт пока недостаточен для использования этих разработок в схемах ИТП зданий с СР. Исследования теплопередачи и гидродинамики теплообменного оборудования в большинстве работ носили односторонний характер и проводились методами математического моделирования для одного нагревателя при постоянной температуре теплоносителя на входе. По факту. Повышение эффективности теплоотдачи СР в системах теплоснабжения зданий на основе пульсирующей подачи и перемешивания теплоносителя за счет включения в схему ИТП энергонезависимых двухпоточных мембранных насосов имеет научное и практическое значение.
2. Предложен способ повышения эффективности систем теплоснабжения зданий с СР, основанный на пульсирующей подаче и перемешивании теплоносителя. Суть метода заключается в периодическом пропускании через СИ нагрева горячего и охлажденного пульсирующего теплоносителя. Пульсирующий расход и температура теплоносителя с частотой до 1 Гц позволяет повысить эффективность СИ примерно в два раза за счет более равномерного распределения температуры на поверхности теплопередачи. Для реализации этого метода в системах отопления зданий с СР. Разработана и апробирована схема ИТП на базе энергонезависимых двухпоточных диафрагменных насосов, использующих до 20 метров располагаемого давления тепловой сети.
3. Гидравлические испытания ИГП на базе энергонезависимого двухпоточного мембранного насоса производительностью 3000 л/ч показали, что производительность двухпоточного мембранного насоса от 2000 л/ч до 3000 л/ч. регулируется частотой пульсаций теплоносителя от 0,5 Гц до 0,8 Гц и имеет линейную зависимость. Расчётная зависимость производительности двухпоточного мембранного насоса от частоты прерывания подачи теплоносителя расход, полученный методом наименьших квадратов в виде уравнения регрессии, отличается от экспериментального среднего значения в пределах 4 %. Линейная зависимость расхода от частоты двухпоточного мембранного насоса позволяет ему точно отслеживать по количеству циклов без применения дорогостоящих теплосчетчиков.
4. В процессе тепловых испытаний 12 СР Rifar BASE 500, подключенных к ИТП на базе двухпоточного мембранного насоса, с температурой от 42 °С до 67 °С и частотой пульсации теплоносителя от 0,52 Гц до 0,62 Гц, Установлено повышение его эффективности при номинальном расходе 1,8 – 2,2. При этом с повышением температуры теплоносителя на входе в СИ относительное значение КПД снижается относительно стационарного режима. Частота пульсаций теплоносителя оказывает существенное влияние на достижение максимального КПД СИ и определяется его конструктивными особенностями. С увеличением расхода теплоносителя эффективность СИ в пульсирующем режиме интенсивно падает при высокой температуре на входе.
5. Прогнозирование теплопередачи нескольких СР, входящих в системы отопления зданий, осуществлялось с использованием математической модели в виде энергетической цепи, учитывающей массу теплоносителя в трубопроводах тепловой сети и СР. а также термоактивные и аккумулирующие сопротивления. Результаты моделирования представлены в виде амплитудно-частотной характеристики (приращение температуры на выходе последнего СИ в системе отопления к приращению теплового потока). Адекватность модели проверялась в базовом режиме для одного СИ на круговой частоте 3,6 рад/с. при этом снижение температуры на его выходе составило 3,6 °С, что полностью совпадает с экспериментально полученными зависимостями эффективности СИ на этой частоте. Для параллельного включения до 10 СР оптимальная круговая частота пульсаций теплоносителя составляла 3 рад/с. а при последовательном подключении – 4,2 рад/с. что согласуется с результатами термических испытаний на уровне 7 %.
6. Результаты данного исследования могут быть использованы при проектировании ИТП с импульсной циркуляцией и перемешиванием теплоносителя для теплоснабжения зданий с зависимым подключением к тепловой сети, что позволит обеспечить требуемый температурный режим в помещениях отдыха на протяжении всего периода эксплуатации. период нагрева при низких температурах теплоносителя, также позволит снизить расход тепловой энергии и упростить учет теплоносителя, а также исключить затраты на привод циркуляционных насосов.
5. Благодарности
Работа выполнена по гранту РФФИ 18-48-130008.
Литература
1. Миладзе, В. Энергоэффективность стальных панельных радиаторов в низкотемпературных системах отопления. Сантехника, отопление, кондиционирование. 2015. 165(9). Стр. 44–45. (рус)
2. Манюк В.И., Каплинский Я.И., и др. Справочник по наладке и эксплуатации водных тепловых сетей. М.: Стройиздат, 1982. 215 с. (рус)
3. Сюй Б., Чжоу С., Ху В. Стратегия прерывистого отопления путем прогнозирования времени прогрева офисных зданий в Пекине. Энергетическая постройка. 2017. № 155. С. 35–42. DOI: 10.1016/j.enbuild.2017.08.062
4. Макеев, А.Н. Реализация импульсного теплоснабжения для зависимого подключения потребителей. Журнал гражданского строительства. 2018. 83(7). Стр. 114–125. дои: 10.18720/MCE.83.11.
5. Макеев А.Н. Теория импульсной циркуляции нагревателя в системе теплоснабжения с независимой подпиской абонентов. Научный журнал строительства и архитектуры. 2018. 50(2). Стр. 11–20.
6. Эмбай М., Аль-Дада Р.К., Махмуд С. Тепловые характеристики водяного радиатора с пульсацией потока – Численное исследование. Прикладная теплотехника. 2015. Том. 80. Стр. 109–117. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2014.12.056
7. Эмбай М., Аль-Дада Р.К., Махмуд С. Влияние пульсации потока на тепловые характеристики панельных радиаторов в системах центрального отопления: CFD-анализ. В WIT Transactions по инженерным наукам. 2014. Том. 83. Стр. 27–38. DOI: 10.2495/HT140031
8. Калисир Т., Язар Х., Баская С. Определение влияния различных мест входа и выхода и температур на теплопередачу панельного радиатора PCCP и характеристики потока жидкости. Международный журнал тепловых наук. 2017. Том. 121. Стр. 322–335. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2017.07.026
9. Эмбай М., Аль-Дада Р.К., Махмуд С. Влияние пульсации потока на энергопотребление радиатора в здании с центральным отоплением. Международный журнал низкоуглеродных технологий. Том. 11. Стр. 119–129. DOI: 10.1093/ijlct/ctu024
10. Ванта, К. Эффект и корреляции теплопередачи в теплообменнике с оребренными трубками в условиях нестационарных пульсирующих потоков. Международный журнал тепломассообмена. 2016. Том. 99. Стр. 141–148. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.03.102
11. Харвани Х.Р., Дошманзиари Ф.И., Зохир А.Е., Джалали-Вахид Д. Экспериментальное исследование теплопередачи в спирально-спиральной трубке с пульсирующим турбулентным потоком воды. Тепло- и массообмен/Waerme- Und Stoffuebertragung. 2016. 52(9). Стр. 1779–1789. DOI: 10.1007/s00231-015-1697-x
12. Цянь Х., Кудашев С., Плотников В. Экспериментальное исследование теплопередачи пульсирующего потока в пластинчатом теплообменнике. Бюллетень науки и практики. 2019. № 5. Стр. 81–92. DOI: 10.33619/2414-2948/45/09
13. Левцев А.П., Макеев А.Н., Кудашев С.Ф. Пульсирующее интенсификация теплоотдачи в системе жидкостного охлаждения силового полупроводникового преобразователя. Индийский журнал науки и технологий. 2016. 9 (11). Стр. 1–5. DOI: 10.17485/ijst/2016/v9i11/89419
14. Валуева Е.П., Пурдин М.С. Гидродинамика и теплообмен при пульсирующем ламинарном течении в каналах. Тепловая инженерия. 2015. 62(9). Стр. 636–644.
15. Валуева Е.П., Пурдин М.С. Пульсирующее ламинарное течение в прямоугольном канале. Теплофизика и аэромеханика. 2015. 22(6). Стр. 733–744.
16. Валуева Е.П., Пурдин М.С. Исследование теплообмена при пульсирующем ламинарном течении в прямоугольном канале с граничным условием первого рода. Высокая температура. 2017. 55(4). Стр. 622–625.
17. Левцев А.П., Лапин Е.С. Эффективность секционных радиаторов при низких температурных температурах. Материалы конференции: XX Международной научно-практической конференции «Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии». Пенза: РИО ПГАУ, 2018. С. 72–76. 18.
Левцев А.П., Лапин Е.С., Бикунова М.В., Салмин В.В. Особенности проектирования и оценка оборудования для импульсного теплоносителя. Региональная архитектура и инженерия. 2018. № 4. С. 151–158. (рус)
19. Левцев А.П., Лапин Е.С. Использование энергоэффективного мембранного насоса в схеме индивидуального теплового пункта здания. Приволжский научный журнал. 2018. № 4. С. 53–59
20. Левцев А.П., Лапин Е.С., Могдарев М.П. Индивидуальный тепловой пункт с мембранным насосом. Патент России № 53–59. 183885, 2018.
21. Левцев, А.П. Импульсные системы тепло- и водоснабжения: монография. А.П. Левцев, А.Н. Макеев; под общ. красный. д-ра техн. наук проф. АП Левцева. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2015. 172 с.
Контакты:
Алексей Левсев, +7(906)1633200; levtzevap@mail.ru Лапин Евгений, +7(902)6693219; evgeniy-lapin@yandex.ru Цяньвэнь Чжан, +7(834)2254101; 543785883@qq.com
© Левцев А.П., Лапин Е.С., Чжан Ц.
Приглашаем Вас подписаться на официальный телеграмм-канал
Евразийской ассоциации рынка отопительных систем (ЕВРАРОС),в котором оперативно освещаются актуальные новости отрасли.
Сайт Ассоциации: euraros.com