Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

05.23.03- вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

УДК 697.34 (088.8) : 697.38

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

ЕНЕРГОРЕСУРСОЗБЕРІГАЮЧІ СИСТЕМИ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ З ІНДИВІДУАЛЬНИМИ ТЕПЛОВИМИ ПУНКТАМИ І БАГАТОКОНТУРНИМИ ТЕПЛООБМІННИКАМИ

Олексюк Анатолій

Олексійович

Макіївка- 2008

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі теплотехніки, теплогазопостачання і вентиляції Донбаської національної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор

Редько Олександр Федорович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, завідувач кафедри теплогазопостачання, вентиляції та використання вторинних теплових енергоресурсів

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Строй Анатолій Федорович, Полтавський національний технічний університет ім. Ю. Кондратюка, завідувач кафедри теплогазопостачання та вентиляції доктор технічних наук, професор Тарадай Олександр Михайлович, директор міжгалузевої регіональної корпорації «Теплоенергія», м. Харків доктор технічних наук, професор Висоцький Сергій Павлович, Горлівський автомобільно-дорожній інститут Донецького національного технічного університету, завідувач кафедри екології та безпеки життєдіяльності

Захист відбудеться 22 січня 2009 р. о 10:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д12.085.01 Донбаської національної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, навчальний корпус № 1, зала засідань).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури (Україна, 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна,2).

Автореферат розісланий « 20 » грудня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради М.М.Зайченко

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Комунально-побутова енергетика споживає близько 50% всіх енергоресурсів паливно-енергетичного комплексу України, із яких 49% становить природний газ, 20%- нафта та нафтопродукти і 31%- вугілля. Зараз в України налічується більше 2 мільйонів одиниць паливо-спалюючих установок, які відносяться до об'єктів малої енергетики. Збільшення витрати теплоти в житлових і громадських будинках у порівнянні із розрахунковими в містах України досягає 25…35%.

Причинами цього збільшення витрати теплоти є: недостатня теплова ізоляція, а іноді її відсутність на теплових мережах; втрати води в теплових мережах і системах опалення та гарячого водопостачання; багатотрубність квартальних теплових мереж від центральних теплових пунктів (ЦТП); зниження теплозахисних властивостей огороджуючих конструкцій та інфільтрація; фізичне і моральне зношення устаткування джерел теплоти та інженерних систем, відсутність деаерації та хімічної водопідготовки; відсутність регулювання на абонентських вводах, приладах обліку теплоти і авторегуляторах; недотримання графіка центрального якісного регулювання на джерелі теплоти; відсутність елеваторів на вводах систем опалення; втрати води в системах гарячого водопостачання визначені низькою її температурою.

Для вирішення більшості задач, які стоять перед житлово-комунальним господарством країни, необхідно створити і упровадити нові ефективні енергоресурсозберігаючі технології та установки, розробка яких дозволить вирішити проблему зменшення витрати теплоти і металу при застосуванні в системах централізованого теплопостачання індивідуальних теплових пунктів з підігрівально-акумуляторними установками і багатоконтурними теплообмінниками.

У зв'язку з цим необхідне наукове обґрунтування напрямків підвищення ефективності незалежних систем опалення та гарячого водопостачання від підогрівально-акумуляторних установок (ПАУ) з трьохконтурними теплообмінниками на індивідуальних теплових пунктах (ІТП). Такі теплообмінники повинні мати чітку градацію щодо кількості парних трубок, співвідношення їх діаметрів та довжини конструкції залежно від теплового навантаження в системах опалення та гарячого водопостачання.

При розробці та створенні нового обладнання для індивідуального теплового пункту основними вимогами є ефективне використання теплоти первинного теплоносія для нагріву двох вторинних для систем опалення та гарячого водопостачання.

Системні дослідження нерівномірності водоспоживання в системах гарячого водопостачання та систем опалення з метою гідравлічної ізольованості будинків різної поверховості вимагають потреби розв'язання нових і ефективних наукових підходів для підвищення коефіцієнтів теплообміну.

Наукові основи створення узагальненої математичної моделі складних теплообмінних процесів у багатоконтурних теплообмінниках ПАУ дозволять підвищити ефективність теплообміну між теплоносіями і зменшити величину поверхні нагріву для системи гарячого водопостачання за рахунок об'єму акумулятора.

Тому підвищення ефективності роботи та експлуатації теплопостачальних систем за рахунок розробки і впровадження нових ресурсозберігаючих технологій і установок є досить актуальною науково-технічною проблемою в цей час. Перелік невирішених питань щодо вдосконалення систем централізованого теплопостачання вимагає проведення наукових досліджень і розробки рекомендацій для їхнього практичного застосування, що обумовило тему, визначило мету й задачі досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні дослідження теоретичного і прикладного характеру виконувалися відповідно до Закону України «Про енергозбереження», Комплексної державної програми енергозбереження України, Програми енергозбереження в житлово-комунальному будівництві, пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки в Україні «Екологічно чиста енергетика та енергозберігаючі технології», Програми науково-технічного розвитку Донецької області на період до 2020р. «Донбас-2020».

Дослідження виконувались в межах держбюджетних науково-дослідних тем Міністерства освіти і науки України, у яких автор був відповідальним виконавцем: Д-2-1-94 «Дослідження систем теплопостачання й кондиціонування житлових і суспільних будинків із застосуванням підігрівально-акумуляторних установок на ІТП із трьохконтурними теплообмінниками» (1994-1997 рр., номер держреєстрації 0195U006121); К-2-4-96 «Розробка засобів збільшення енергетичної і екологічної ефективності теплотехнічних пристроїв з використанням енергозберігаючих технологій» (1996-2000 рр., 0195U006121); Д-2-3-03 «Створення теоретичних та технологічних основ розробки систем автономного теплопостачання та заходів поліпшення якості води в споживачів» (2000-2005 рр., 0103U000585); Д-2-06-06 «Розробка методів і способів підвищення енергетичної ефективності джерел теплоти для локального та індивідуального теплопостачання» (2006-2008рр., №0106UОО2951); К-3-08-01 «Розробка й удосконалення екотехнологічних процесів утилізації теплоти та використання нетрадиційних джерел енергії» (2001-2005 р., 0102U002850), а також Програми науково-технічного розвитку Донецької області на період до 2020р. «Донбас- 2020», що передбачає розробку енергоресурсозберігаючих й екологічно чистих технологій в області житлово-комунального господарства № 05.14 «Відновлення систем теплопостачання від ІТП із ПАУ для незалежних систем опалення та гарячого водопостачання» (2001-2005 рр.).

Мета дослідження. Наукове обґрунтування і розробка ефективних енергоресурсозберігаючих систем незалежного теплопостачання від індивідуальних теплових пунктів з підігрівально-акумуляторними установками і трьохконтурними теплообмінниками, високоефективного опалювального обладнання, методів їх розрахунку та вибору раціонального варіанту за допомогою математичних моделей теплообмінних процесів у багатоконтурних теплообмінниках.

Задачі досліджень:

- виконати теоретичні дослідження і проаналізувати основні схеми приєднання споживачів до систем централізованого теплопостачання з метою виявлення перспективних напрямків забезпечення їх надійності, стабільності, цілісності і довговічності при експлуатації;

- розробити концепцію системи централізованого теплопостачання від ІТП із підігрівально-акумуляторними установками і трьохконтурними теплообмінниками для незалежних схем приєднання місцевих систем опалення і гарячого водопостачання, що дозволить перейти на двохтрубну теплову мережу;

- визначити основні параметри підігрівально-акумуляторних установок з трьохконтурними теплообмінниками при спорудженні ІТП з метою забезпечення гідравлічної ізольованості місцевих систем опалення та гарячого водопостачання будинків різної поверховості від теплової мережі;

- дослідити режими теплоспоживання в системах опалення та гарячого водопостачання для визначення залежності об'єму бака-акумулятора від необхідної величини поверхні нагріву теплообмінника і величини умовного коефіцієнту стабілізації в системах гарячого водопостачання;

- розробити математичні моделі складних теплообмінних процесів, що виникають між трьома теплоносіями в підігрівально-акумуляторними установками з трьохконтурним теплообмінником;

- розробити способи збільшення коефіцієнтів теплопередачі в теплообмінниках щілинного типу і визначити оптимальне значення щілинного простору для незалежних систем опалення та гарячого водопостачання;

- сконструювати і дослідити новий тип опалювального приладу з випарно-конденсаційним контуром для систем опалення від ІТП і визначити висоту цього контуру залежно від режимів його роботи;

- розробити і дослідити нові конструктивні схеми електрокалориферних установок з високотемпературними електродами і огороджуючими їх екранами, визначити ступінь впливу їх на теплопродуктивність.

- розробити методику теплового розрахунку індивідуальних теплових пунктів із підігрівально-акумуляторними установками і трьохконтурними теплообмінниками для незалежних систем опалення та гарячого водопостачання, концепцію їх проектування;

- оцінити ефективність роботи систем теплопостачання від ІТП з ПАУ для незалежних систем опалення та гарячого водопостачання за допомогою ексергетичного коефіцієнта корисної дії.

Об'єкт дослідження. Системи незалежного і саморегульованого теплопостачання з ІТП і ПАУ житлових будівель і підприємств, багатоконтурні теплообмінники з декількома теплоносіями і енергозберігаюче опалювальне обладнання.

Предмет дослідження. Закономірності процесів складного теплообміну, що виникають у ПАУ із трьохконтурним теплообмінником для незалежних систем опалення та гарячого водопостачання у випарно-конденсаційному контурі опалювального доводчика при зміні висоти циркуляційної петлі і променистого теплообміну в електрокалориферних установках з високотемпературними електродами та напрямки підвищення ефективності і надійності їх роботи.

Методи досліджень. Теоретичні положення й достовірність одержаних результатів при системному підході до моделювання процесів теплообміну в установках, які базуються на основних законах теорії теплообміну. Математичні моделі ґрунтуються на класичних рівняннях конвективного теплообміну, теплопровідності і випромінювання. Використані емпіричні залежності й наближені формули, що є допустимими при моделюванні таких складних об'єктів, як підігрівально-акумуляторні установки з багатоконтурними теплообмінниками.

Адекватність математичних моделей реальних систем установлювалася методом параметричної ідентифікації і шляхом порівняльного аналізу результатів чисельних експериментів з даними натурних досліджень експериментальних зразків ПАУ, опалювального доводчика і електрокалорифера.

Вірогідність наукових результатів дисертації підтверджується адекватністю даних, отриманих на математичних моделях, що обумовлено відповідністю прийнятих спрощень характеру розв'язуваних задач, обґрунтованим вибором контрольно-вимірювальної апаратури, методів обробки експериментальних даних.

Наукова новизна одержаних результатів:

- в результаті комплексу розрахунково-теоретичних досліджень обґрунтовані наукові принципи розвитку високоефективних систем теплопостачання за допомогою використання енергоресурсозберігаючих підігрівально-акумуляторних установок на індивідуальних теплових пунктах і виконано оптимізацію основних параметрів конструкцій та установок;

- запропонована принципово нова система незалежного теплопостачання з індивідуальними тепловими пунктами і підігрівально-акумуляторними установками з трьохконтурними теплообмінниками, що забезпечує гідравлічну ізольованість систем опалення і гарячого водопостачання будинків різної поверховості від теплових мереж і спрощує контроль за її герметичністю;

- в результаті розрахунково-теоритичних досліджень визначена величина умовного коефіцієнта стабілізації (ост = 0,33), що характеризує зниження «піків» на графіку добового споживання гарячої води в житлових будинках;

- розроблено математичні моделі інтенсивності складного теплообміну в трьохконтурних теплообмінниках ПАУ; теплопереносу в опалювальних доводчиках з випарно-конденсаційним контуром; теплообміну між високотемпературними електродами в електрокалориферних установках, що відрізняються високо ефективністю теплообмінних процесів які виникають в них;

- теоретично і експериментально встановлені залежності між величиною об'єму бака-акумулятора та величиною поверхні нагріву для систем опалення і гарячого водопостачання в трьохконтурному
ТО для незалежних систем теплопостачання з підігрівально-акумуляторними установками на ІТП тепловою потужністю до 500кВт;

- отримані значення коефіцієнтів теплопередачі і коефіцієнта ефективності трьохконтурного теплообмінника, методика аналітичного розрахунку і обґрунтування промислового освоєння в незалежних системах теплопостачання;

- розроблена система теплопостачання від індивідуальних теплових пунктів для систем опалення з новими запатентованими комбінованими опалювальними доводчиками з випарно-кондесаційним контуром, які працюють від двох джерел енергії, а висота цього контуру залежить від температури кипіння рідини якою заповнений корпус доводчика, наприклад метанол - СН4О з tкип = 64,7оС;

- розроблені нові конструктивні рішення й методика розрахунку електрокалориферних установок з високотемпературними електродами, що захищені чотирма авторськими свідоцтвами і двома патентами України для опалення й сушіння будинків різного призначення;

- доведено, що ексергетичний ККД трьохконтурного теплообмінника в ПАУ становить зе3х = =0,7058…0,8181 залежно від температури теплоносія, яка змінюється від 150 до 100оС, а для двох двоконтурних він дорівнює зе2х = 0,4352, це в середньому на 30,5% нижче, ніж в трьохконтурному теплообміннику, що характеризує їх високу ефективність для впровадження в незалежних системах опалення та гарячого водопостачання.

Практичне значення мають слідуючи результати досліджень:

- рекомендації на проектування систем централізованого теплопостачання для незалежних схем підключення місцевих систем опалення і гарячого водопостачання житлових, суспільних і промислових будинків від індивідуальних теплових пунктів з ПАУ і трьохконтурними ТО;

- методика графоаналітичного розрахунку конструктивних параметрів компактних ПАУ із трьохконтурними теплообмінниками для ІТП, теплопродуктивністю від 100 до 2000 кВт, що дозволяє встановлювати їх в будинках різного призначення;

- проектно-конструкторська документація, яка пройшла експериментально-промислову перевірку й може бути використана для широкого впровадження в системах централізованого теплопостачання від ІТП з ПАУ і трьохконтурними теплообмінниками;

- компактні ПАУ впроваджені в Донецьку, Макіївці, Луганську й інших містах України та Російської Федерації для систем централізованого теплопостачання з ІТП. Методика розрахунку та робочі креслення використовуються як при проектуванні нових об'єктів так і при їхній реконструкції. Застосування ІТП із ПАУ дозволяє зменшити металоємність системи теплопостачання майже вдвічі при переводі на двохтрубну внутрішньоквартальну теплову мережу і зменшити теплові втрати більш ніж на 20%;

- комплекс методик розрахунку ІТП із різними теплообмінниками залежно від цільових особливостей їхнього використання для будинків різної поверховості та призначення;

- практичні рекомендації теплового розрахунку при виборі обладнання ІТП із ПАУ для систем індивідуального теплопостачання які дозволяють обґрунтувати конструкцію ПАУ з найбільшою інтенсивністю теплообміну в залежності від величини теплових навантажень на опалення та гарячого водопостачання;

- новий тип опалювального приладу з випарно-конденсаційним контуром, що працює від двох джерел-теплової й електричної мереж, впроваджено у восьми будинках бази відпочинку Акціонерного підприємства високовольтних ізоляторів м. Слов'янська в м. Слов'яногірську;

- кілька серій електрокалориферних установок переносного типу, використовуючи високотемпературні карбід-кремнієві електроди різної довжини, знайшли застосування в Шахтно-будівельному управлінні №5, тресту «Макіїввугілля», які зменшують витрату електроенергії на 40-45% у порівнянні з ніхромовими нагрівачами.

Матеріали дисертації включені в робочі програми навчальних курсів і використовуються в навчальному процесі Донбаської національної академії будівництва і архітектури при викладанні дисциплін: «Реконструкція та експлуатація систем ТГВ», «Теплопостачання», «Енергоресурсозбереження в житлово-комунальному господарстві», а також у курсовому і дипломному проектуванні при підготовці фахівців зі спеціальності 8.092108 «Теплогазопостачання і вентиляція».

Запропоновані методики розрахунку, робочі креслення ІТП із ПАУ і номограми для виконання теплотехнічних розрахунків використовуються більш ніж 10 проектними інститутами України та Росії.

Особистий внесок здобувача. Теоретичні дослідження, що увійшли в дисертацію, виконані автором самостійно. Особистий внесок здобувача включає постановку мети і задач досліджень, обґрунтування й розробку принципових методик їхнього проведення, виконання теоретичних досліджень, розробку математичних моделей, розробку алгоритмів чисельного аналізу; проведення експериментальних досліджень, виконання технічного нагляду при налагодженні роботи окремих вузлів і механізмів підігрівально-акумуляторних установок, опалювального доводчика і електрокалорифера, а також загальне керівництво роботою.

При проведенні досліджень, результати яких опубліковані в співавторстві, автор брав участь у постановці завдань, виборі об'єктів і методів дослідження, науковому аналізі і узагальнені результатів.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися й обговорювалися на Міжнародній науково-технічній конференції «Ресурсозбереження та екологія промислового регіону» (м. Макіївка, 1995р.), на Всесоюзних науково-технічних конференціях і семінарах «Удосконалення опалювально-вентиляційних систем та технології їх монтажу» (м. Ленінград, 1976, 1981р.; м. Сімферополь, 1978р.; м. Петрозаводськ, 1990р.; м. Москва, 1982р.); «Підвищення енергетичної ефективності систем теплопостачання і вентиляції будівель та споруд» (м. Челябінськ, 1989, 1990р.); «Шляхи підвищення ефективності і надійності систем теплопостачання і теплоспоживання» (м. Пенза, 1989р.; м. Київ 1975р., 1976р.), на Республіканських науково-технічних конференціях і нарадах «Досвід у провадження багатократної циркуляції теплоносія в установках для виробництва будівельних конструкцій і підвищення їх якості» (м. Київ, 1975 - 1977р.р.); «Підвищення ефективності систем опалення та кондиціювання повітря промислових і житлових будинків» (м. Київ 1982, 1984р.р.); на науково-технічних конференціях і семінарах (м. Москва, 1985р.; м. Петрозаводськ, 1989р.; м. Дніпропетровськ, 1984р.; м. Харків, 1981р.; м. Донецьк, 1987р.; м. Харцизьк, 1984р.; г. Горлівка, 1989, 1990р.р.; м. Ворошиловград, 1982, 1987р.р.; м. Слов'янськ, 1992, 1993р.р.); науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ДонНАБА (м. Макіївка у 1988-2006р.р.); IV Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми енергозбереження й екології в промисловому і житлово-комунальному комплексах», 2003 р., м. Пенза, ПДАБА; II Міжнародній науково-практичній конференції «Стійкий розвиток міст. Проблеми і перспективи енерго- ресурсозбереження житлово-комунального господарства», 2003 р., Харків, ХДАМГ; науково-практичної конференції «Донбас-2020: Наука й техніка виробництву» (м. Донецьк, 2002р.); макети незалежних систем теплопостачання, опалювальний доводчик і високотемпературний електрокалорифер експонувалися на ВДНГ СРСР (1979, 1980р.); на ВДНГ України і відмічені дипломами (1981-диплом ІІІ ступ.; 1987-диплом ІІ ступ.; 1990-диплом І ступ.).

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований в 67 роботах. Серед них: три наукових монографії; два навчальних посібники; 33 статті в наукових виданнях та збірниках наукових праць; 12 депонованих статей; вісім авторських посвідчень і три патенти України, в тому числі три монографії і 20 статей опубліковані без співавторів.

Структура й обсяг дисертації.

Робота складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел з 277 позицій і п'яти додатків. Загальний обсяг роботи - 324 сторінки, у тому числі 225 сторінок основного тексту; 26 повних сторінок з рисунками (63рис.) і таблицями (23табл.); 23 сторінки списку використаних джерел; 50 сторінок додатків.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи , сформульовані мета й задачі наукового дослідження, наведені основні наукові результати, отримані автором, визначена новизна наукових досліджень, їхнє практичне значення в рішенні науково-технічної проблеми.

Перший розділ дисертації являє собою розгорнутий критичний огляд стану науково-технічної проблеми вибору схем підключення споживачів до систем централізованого теплопостачання. Основними споживачами теплової енергії в житлових районах міст і населених пунктів є системи опалення, вентиляції й гарячого водопостачання, а при наявності промислових підприємств додається ще й технологічне навантаження. Всі споживачі приєднуються до теплових мереж по різноманітним схемам. Це викликано бажанням досягнення економічності, безперебійності і надійності їх роботи, а також забезпечення необхідних теплових і гідравлічних режимів роботи систем теплопостачання при їх експлуатації.

При централізованому теплопостачанні від великого джерела теплоти, таких як ТЕЦ або районні котельні існує шість класичних схем підключення систем опалення до теплових мереж. Це системи: без елеватора; з елеватором; з насосом на перемичці, на подачі і на зворотному трубопроводі. Всі п'ять схем залежать від гідравлічного режиму теплової мережі і тільки шоста схема незалежна, тому що приєднується за допомогою теплообмінника. Що стосується систем гарячого водопостачання, то вони підключаються за допомогою теплообмінників, а у відкритих системах теплопостачання вода на гаряче водопостачання розбирається із теплових мереж. Для забезпечення нормальної роботи систем опалення і гарячого водопостачання необхідно споруджувати теплові пункти для розміщення теплообмінного обладнання.

Порівняльний аналіз вартості систем теплопостачання із ЦТП та індивідуальними тепловими пунктами (ІТП), виконаний ще в 70-х роках, підтвердив рентабельність першого рішення, оскільки в системі з ІТП відбувається подорожчання будівельної частини за рахунок спорудження виносних насосних.

Результати експериментальних і теоретичних досліджень з теорії теплопровідності, вивченню процесів конвективного і радіаційного теплообміну знайшли своє відображення в працях С.С.Кутателадзе, М.А.Михєєва й І.М.Михєєвої, В.П.Ісаченко, В.А.Осипової, Л.Д.Бермана, И.Я.Александрова, Н.В.Барановського, А.В.Ликова, Ю.В.Петровського, Г.М.Кондратьєва, М.В.Кирпичева, А.Ф.Чудновського, В.А.Баума, К.Д.Воскресенського, О.С.Фединського та ін. Ці роботи в основному присвячені вивченню конкретних питань теплообміну, які повсюдно знаходять своє втілення в багатьох галузях науки й техніки.

Проте недостатньо вивчені процеси складного теплообміну, що виникають в багатоконтурних теплообмінниках при створені високоефективних систем централізованого теплопостачання за допомогою ІТП. У зв'язку з цим точний розрахунок теплообмінних процесів, що виникають в підігрівально-акумуляторній установці з трьохконтурним теплообмінником, набуває справи великої важності при визначені геометричних розмірів ПАУ для незалежних систем опалення та гарячого водопостачання на індивідуальних теплових пунктах.

Основні дослідження систем теплопостачання й режимів теплоспоживання в системах опалення і гарячого водопостачання з питань аналізу, їхнього розвитку і удосконалення розглянуті в публікаціях В.М.Чапліна, А.Д.Альтшуля, Р.А.Муріна, С.Ф.Копйова, Е.Я.Соколова, Л.К.Якимова, Л.А.Мелентьєва, А.В.Хлудова, Е.Ф.Бродського, Н.М.Зінгера, Н.К.Громова, В.Н.Братенкова, А.Ф.Строя, П.С.Колобкова, В.Ф.Іродова, А.А.Іоніна, П.А.Хаванова, И.С.Ланіна, Н.Г.Дворецького, С.А.Чистовича, А.А.Крауза й ряду інших авторів.

Розглянуто десятки схем підключення автоматизованих систем опалення та гарячого водопостачання до теплових мереж централізованого теплопостачання, проте не існує таких, де за допомогою однієї підігрівально-акумуляторної установки з тьорхконтурним теплообмінником одночасно вирішується проблема забезпечення гідравлічної ізольованості місцевих систем опалення і гарячого водоспоживання від теплових мереж та вирівнювання графіків нерівномірностей добового водоспоживання в системах гарячого водопостачання. Впровадження ПАУ з трьохконтурними теплообмінниками за допомогою індивідуальних теплових пунктів, стає доцільним при використанні двохтрубних теплових мереж. Складний теплообмін в конструкції ПАУ забезпечується ефективним використанням теплоти первинного теплоносія і розподілу його між системами опалення та гарячого водопостачання протягом доби. Вони не потребують складних схем авторегулювання, в яких їх вартість значно перевищує вартість основного обладнання.

В останні роки в Україні визначилася тенденція на децентралізацію систем теплопостачання, що привело до повної ліквідації систем централізованого гарячого водопостачання, а разом з тим і їх трубопроводів. Вирішити проблему забезпечення теплом і гарячою водою на сучасному рівні можуть тільки системи централізованого теплопостачання від індивідуальних теплових пунктів з багатоконтурними теплообмінниками і двохтрубною тепловою мережею.

Дослідження сучасних локальних систем теплопостачання, питання їхньої розробки й аналізу розглянуті в роботах М.Д.Андрійчука, В.Н.Братенкова, В.Ф.Губаря, С.А.Горожанкіна, О.Ф.Редька, І.М.Карпа, М.І.Нікитенка, В.І.Соколова, А.М.Тарадая й ін.

Створення локальних систем теплопостачання на сучасному рівні не дозволяє вирішити проблему забезпечення теплом основної маси споживачів, а тільки тих одиноких, які розташовані на значній відстані від джерела централізованого теплопостачання. Створення високоефективних систем централізованого теплопостачання з індивідуальними тепловими пунктами повинно набувати першорядного значення при переході на двохтрубну теплову мережу.

Для досягнення поставленої мети з забезпечення гідравлічної ізольованості систем опалення та гарячого водопостачання від теплових мереж системи централізованого теплопостачання, необхідно на індивідуальних теплових пунктах встановлювати два теплообмінники, а для вирівнювання графіка добової нерівномірності ще й баки-акумулятори гарячої води. Роздільна установка потребує значних площ для їх розміщення, як на ІТП, так і ЦТП, а теплові втрати досягають від 15 до 30% і не ефективно використовується теплота первинного теплоносія.

Тому створення компактних підігрівально-акумуляторних установок з трьохконтурними теплообмінниками для індивідуальних теплових пунктів стає вирішальним у розв'язанні важливої енергоресурсозберігаючої проблеми для систем централізованого теплопостачання. Такий стан проблеми і визначив мету роботи відповідно до вимог державних будівельних норм України.

Отже, переведення існуючих чотирьохтрубних систем теплопостачання на двохтрубні, особливо в умовах Донбасу, а також по всій Україні й країнах СНД, представляє важливий економічний, науковий і соціально-технічний інтерес.

Другий розділ присвячено розробці концепції комплексної оптимізації багатофакторних систем теплопостачання. В якості цільової функції прийняті повні сумарні витрати, які складаються з капітальних вкладень у джерело теплоти, теплові мережі, теплові пункти і місцеві системи, а також часток щорічних відрахувань на амортизацію, поточний і капітальний ремонти з урахуванням нормативного коефіцієнта окупності й щорічних витрат на паливо, електроенергію, хімводопідготовку, обслуговування, та управління:

Для рішення задач комплексної оптимізації необхідно було виявити значимість окремих факторів і параметрів, які найбільше істотно впливають на економічність роботи систем теплопостачання. Використовуючи методи математичної статистики, регресійним аналізом стало можливим оцінити значимість кожного параметру і фактору. У результаті складена структурна схема комплексної оптимізації й розроблена програма розрахунку на ЕОМ.

Аналіз результатів техніко-економічних розрахунків підтверджує той факт, що система теплопостачання від ТЕЦ із ІТП у більшості випадків економічніша, і тільки в районі із числом мешканців більше 400 тисяч чоловік системі теплопостачання від ТЕЦ з ЦТП дається перевага, тому що наведені витрати будуть меншими із-за значного розгалуження теплових мереж.

Якщо теплопостачання здійснюється від великої котельні для району з населенням від 10 до 100 тис. мешканців, то система теплопостачання з індивідуальними тепловими пунктами у всіх випадках більш економічна, ніж із ЦТП (рис.1).

Що стосується систем теплопостачання від ІТП із ПАУ для незалежних систем опалення та гарячого водопостачання за допомогою трьохконтурних теплообмінників, розміщених в акумуляторі ПАУ, то вони економічніші аналогічних систем від ІТП із роздільною установкою теплообмінників і баків-акумуляторів гарячої води.

Однак, використання трьохконтурних теплообмінників у ПАУ на ІТП вимагає більш детального наукового дослідження тому, що дозволяє за допомогою одного трьохконтурного теплообмінника приєднати системи опалення та гарячого водопостачання за незалежною схемою, що дуже важливо для будинків підвищеної поверховості, де потрібна гідравлічна ізольованість від малоповерхових сусідніх споживачів.

У третьому розділі надано характеристику об'єктів і методів досліджень. Наведено схеми й опис експериментальних установок з контрольно-вимірювальною апаратурою.

Встановлено, що комплексний підхід до створення нових систем теплопостачання від ІТП із ПАУ для незалежних схем приєднання місцевих систем опалення й гарячого водопостачання вимагає поетапного дослідження як систем опалення, так і гарячого водопостачання, що відрізняються великою нерівномірністю водоспоживання як по годинам доби, так і дням тижня.

На першому етапі повинні бути досліджені гідродинамічні режими нерівномірності теплоспоживання в системах гарячого водопостачання від ІТП із ПАУ. Самі підігрівально-акумуляторні установки для систем гарячого водопостачання можна віднести до комбінованих теплообмінників, що є сукупністю одночасного теплообміну поверхневого водонагрівача і змішуючого типу, що є у баці-акумуляторі. Для опису тепломасообмінного процесу в ПАУ прийнято з рівняння теплового балансу. Розглянуто акумулятор як ізольовану ємність, у якій перебуває вода з температурою и і надходить у нього вода з водопідігрівача з температурою tП, а потім з температурою tГ виходить у систему гарячого водопостачання (рис. 2). Ці два потоки інтенсивно перемішуються і підігріваються через поверхню корпуса водопідігрівача. При аналізі теплового процесу в ПАУ вважаємо, що масова витрата в години максимального водорозбіру на гаряче водопостачання дорівнює сумі приливу до загальної маси суміші води в акумуляторі, кг/с(1):

Мmax = МП + МБ,

Якщо не враховувати тепло, що виділяється в результаті тертя й завихрення рідини, укладеної у баці в часі, рівняння теплового балансу буде визначатися різницею між тепловими потоками підведеного і відведеного тепла у ПАУ за проміжок часу, ?ф (2):

·?ф ,)

де: m, ср, - загальна маса, кг, питома теплоємність, Дж/(кгоС) і температура суміші в посудині, оС; QП - тепловий потік від гріючого середовища, до рідини, що нагрівається усередині теплообмінника, Вт; QБ - тепловий потік від гріючого середовища, через корпус теплообмінника до рідини, що перебуває в акумуляторі, Вт; QS - тепловий потік від рідини до навколишнього середовища через стінку акумулятора, Вт; М - масова витрата рідини на гаряче водопостачання, кг/с; МП - масова витрата рідини, що подається в акумулятор, кг/с; МБ - маса суміші рідини, що перебуває в баці, кг/с.

Для початкового сталого стану справедливе рівняння (3):

,

Тому, що теплообмін здійснюється усередині підігрівника і через поверхню його корпусу, що перебуває в баці, можна записати: tП0 - tХ0 > 0; tП0 - tГ0 > 0.

Виразимо окремі змінні в рівнянні (1) за допомогою їхньої величини в початковому стані й відповідних відхиленнях (наприклад МП = МП0 + МП) і віднімемо із (3) рівняння (2), то після лінеаризації одержано (4):



Підставивши в рівняння (4) t = і введемо відносні збільшення (5):

, , ,

а також відносні збільшення витрат до сталої витрати (6):

, , ,

де: - довільно прийнята температура, оС.

Після приведення рівняння (4) до безрозмірного виду одержано (7):

де: ; ; ; ;

Використовуючи перетворення Лапласа для початкових нульових умов, рівняння (7) дає можливість визначити відносну зміну температури ( для ) в баці-акумуляторі (9):

Щоб визначити можливість забезпечення заданих режимів роботи ПАУ, необхідно досліджувати тепловий режим. Задаючись можливим діапазоном зміни температур гарячої води на виході з ПАУ, визначається область її застосування для систем гарячого водопостачання, які володіють великою нерівномірністю водоспоживання.

Зміна температури гарячої води на виході з ПАУ буде залежати від її витрати (М, кг/с) на гаряче водопостачання, об'єму бака-акумулятора (V, л), теплопродуктивності водонагрівача (Q1, Вт), теплових втрат (QS, Вт), температури водопровідної води (tхз, °С), її щільності (, кг/м3) і теплоємності (ср = 4190 Дж/(кг·К).

За час роботи (Дф, с) рівняння теплового балансу в ПАУ запишеться у вигляді (10):

.

На другому етапі дається вивід рівнянь, що описують динамічні властивості трьохконтурного теплообмінника в ПАУ, при цьому розглядається тільки випадок паралельних потоків чотирьох теплоносіїв. Якщо не вводити деяких допущень, що ставляться до фізичної сутності процесу тепло- і масообміну, то система рівнянь буде складною для рішення. З метою спрощення математичного дослідження уведений ряд допущень.

На поздовжньому перетині ПАУ із трьохконтурним теплообмінником виділено ділянку dх (рис.3). До елементарного об'єму, обмеженому перетинами х і dx, може бути застосований загальний закон збереження енергії для безперервних процесів: нагромадження дорівнює надходженню мінус втрати.

У момент часу ф кількість теплоти dQ1, що накопичено гріючим теплоносієм, в об'ємі A2dx, де A2- поперечний переріз щілинного простору, утвореного трубками діаметра D1 і D2, дорівнює (11):

dQ1 = 2 · ср 2 · T2 · A2 · dx

де: - щільність, кг/м3 і теплоємність гріючого теплоносія, кДж/(кг оС);

T2 - температура гріючого теплоносія, у точці х, оС.

Із умови сталості щільності й теплоємності рідини накопичена кількість теплоти dQ2 у момент часу (ф + dф) дорівнює (12):

Таким чином, кількість теплоти, накопиченої в ділянці dx за проміжок часу dф, являє собою різницю dQ = dQ2- dQ1, тобто (13):

і отже (14),

Для гріючого теплоносія, надходження теплоти в ділянку dQ3 обумовлено тільки переміщенням рідини й становить у перетині х за час dф (15):

де: - лінійна швидкість гріючої рідини, м/с.

Втрата теплоти на ділянці dx відбувається як внаслідок переміщення рідини, так і внаслідок тепловіддачі. Втрати теплоти із потоком рідини dQ4 через перетин (x + dx) за час dф становлять (16):



Втрати теплоти внаслідок тепловіддачі стінці dQ5 за час dф на ділянці dx дорівнюють (17):

, де:

де: D1н і D2в - зовнішній і внутрішній діаметри трубок, що утворять щілинний простір для проходу гріючого теплоносія, м; б11 і б12 - коефіцієнти тепловіддачі від гріючого теплоносія до відповідних стінок, утвореними діаметрами D1н і D2в, Вт/(м2 оС); ТСm1 і ТСm2 - температури стінок з діаметрами D1н і D2в, оС.

Скомбінуємо отримані вирази в рівнянні відповідно до закону збереження. Після розкладу всіх членів на (dx·dt) одержано (18):

Аналогічно можуть бути отримані рівняння для температур нагрітих рідин Т1 і Т3 та температур стінок Тст1 і Тст2.

Складаючи далі рівняння теплообміну для ділянки dx й інтервалу часу dф, отримано два диференціальних рівняння для температур нагрітих рідин (19,20):

Складаючи рівняння теплопровідності для стінок, і приймаючи приблизно D11 = D12 = D1cp та D21 = D22 = D2cp, одержано (21,22):

де:

і - товщини стінок, м.

Якщо стінки настільки тонкі, що їхню теплову потужність можна не враховувати, то в нестандартних режимах будуть справедливі такі ж рівняння для температур стінок, як і у стаціонарному режимі, тобто тепловіддача між теплоносієм T2 і двома нагрітими рідинами T1 і T3 може бути описана за допомогою коефіцієнта теплопередачі. Температури стінок, (товщиною дст ?1мм)утворених діаметрами D1 і D2, у цьому випадку будуть однозначно визначатися температурами омиваючих рідин Т1 і Т3.

Аналогічно рівнянням (18-22) можна вивести три рівняння, що описують динаміку процесу тепло- і масообміну між теплоносіями Т3 і Т4.

Згідно закону збереження енергії рівняння (18) для теплообміну між теплоносіями, що перебувають у контурах з поперечним перерізом А3 і А4, прийме вид (23):

де: б13 - коефіцієнт тепловіддачі від нагрітого теплоносія, Т3 до стінки корпуса теплообмінника, Вт/(м2 оС); ТСт3-температура стінки, оС; D13-внутрішній діаметр труби корпуса теплообмінника, м.

Становлячи аналогічно рівняння теплообміну енергії для ділянки dx й інтервалу dф, одержано диференціальне рівняння для температури нагрітої рідини T4, в баці-акумулятора:

де: б23 - коефіцієнт тепловіддачі від стінки корпуса до нагрітої рідини бака-акумулятора,

Вт/(м2 оС); A4 - площа поперечного переріза для теплоносія T4, м2; - щільність і теплоємність нагрітого теплоносія, відповідно, кг/м3, кДж/(кг оС).

Аналогічно складається рівняння теплопереносу для стінки D3 і приймаючи приблизно D13 = D23 = Dср, одержано:

Таким чином, отримані рівняння (18-25) являють собою математичну модель підігрівально-акумуляторної установки із трьохконтурним теплообмінником, що описують його динамічні властивості. Для граничних умов повинні бути задані температури теплоносіїв на вході:

При протитоці змінюються напрямки швидкостей і і знак другого члена в рівняннях.

При рішенні рівнянь на ПЕОМ можлива тільки одна незалежна змінна - час. Тому по просторових координатах рівняння повинні бути записані в кінцевих різницях. Замінюючи похідні на різницеві відношення (Ti - Ti-1)/Дч, для першої ділянки (i = 1) з урахуванням граничних умов, рівняння (18,19,21) для контуру гарячого водопостачання приймуть вигляд:

Для контуру системи опалення при (i=1), аналогічно (19,20,22), маємо:

Для теплоносіїв третього й четвертого контурів при (i=1) система рівнянь (23,24,25)буде мати:

Для протитоку теплоносіїв Т2 і Т1; Т2 і Т3; Т3 і Т4 - граничною ділянкою є n-а ділянка.

Система з дев'яти рівнянь (26)-(28) вирішується на ПЕОМ із завданням масштабу зміни температури теплоносія в часі й розрахунку передатних коефіцієнтів окремих блоків машини. За допомогою схеми, змодельованої на ПЕОМ, була досліджена динаміка зміни характеристик трьохконтурного теплообмінника ПАУ в процесі експлуатації; вивчено вплив конструктивних розмірів і параметрів на динамічні характеристики, що виникають у ПАУ для підключення незалежних систем опалення й гарячого водопостачання від індивідуальних теплових пунктів.

На третьому етапі проводилися дослідження комбінованого опалювального доводчика, який живиться (одночасно або роздільно) від двох джерел - теплової й електричної мереж.

Загальний вид опалювального приладу приведено на рис. 4. Він містить герметичний корпус 1, у якому проходить наскрізна труба системи централізованого опалення 2 й електронагрівач 3. У корпус приладу уварені труби випарно-конденсаційного контуру 4, з розвинутою ребристою поверхнею 5. Прилад заповнюється вторинним теплоносієм через штуцер 7, при відкритті повітряного крана 6. Заповнення корпусу вторинним теплоносієм здійснюється на 0,8Дк, а повітря буде виділятися із усіх трубок випарно-конденсаційного контуру одночасно. Для зливу вторинного теплоносія передбачений спускник 8. Прилад приєднується до системи централізованого опалення за допомогою муфтових з'єднань, тому що на трубі приладу є коротка різьба із двох сторін. Електронагрівач включається автоматично при спрацьовуванні термореле, налаштованого на необхідну температуру повітря в приміщенні.

Витрата електроенергії Nээ при відключенні системи опалення від теплової мережі визначається з рівняння, кВт (29):

,

де: k - коефіцієнт теплопередачі від випаровуваної рідини в корпусі доводчика повітрю в приміщенні, кВт/(м2С); F - поверхня нагріву опалювального доводчика, м2; t1 - температура кипіння вторинного теплоносія, С; t2 - температура повітря в приміщенні, С.

Теплове навантаження Nот, що покривається системою опалення, кВт:

,

де: F1 - поверхня теплообмінної трубки системи опалення, м2; tпов - температура на поверхні опалювального приладу, С; tр- температура рідини вторинного теплоносія, С.

Досліджуючи коефіцієнти тепловіддачі й теплопередачі опалювального приладу залежно від характеристики вторинного теплоносія можна визначити розрахункову поверхню нагріву опалювального приладу, діаметр трубки системи опалення й потужність електронагрівника.

На четвертому етапі проводились дослідження променистого теплообміну від високотемпературних електродів для опалювальних електрокалориферів.

Розглянута схема складного теплообміну між електродом, двошаровим перфорованим екраном, розміщеним у замкнутому просторі, що є корпусом опалювального електрокалорифера (рис. 5). У корпусі приладу може перебувати кілька електронагрівників, оточених аналогічними екранами. У цьому випадку потрібно враховувати їхній взаємний вплив на теплообмін сусідніх електродів з екранами.

Для теплотехнічних розрахунків повинні бути задані: чорнота і матеріал поверхні, конструктивні розміри, довжина й діаметри, температури на їхніх поверхнях.

Відповідно до рис. 5, з одиниці поверхні тіла електрода F1 виділяється променистий потік щільністю Е1, Вт/м2, що визначається температурою й фізичними властивостями тіла. Однак з боку інших тіл на розглянуте тіло падає промениста енергія в кількості Е2, частина якої поглинається тілом А1Е2, а інша частина в кількості (1-А1)Е2 - відбивається першим екраном, площею F2. Тому ефективне випромінювання Еэфф завжди більше власного випромінювання тіла Е1 на величину відбитого випромінювання (1_ А1)Е2, тоді:

.

Так як конструктивні розміри й матеріал, стан поверхні й температури на цих поверхнях відомі, то з урахуванням ступеня чорноти, 1 можна легко підрахувати потік власного випромінювання Е1. У цьому випадку розрахункове рівняння прийме вид:

.

Аналогічно можна записати променистий теплообмін між електродом, першим F2 і другим F3 екранами й корпусом приладу F4 (33):

; ; .

Якщо в опалювальному електронагрівальному приладі розміщено m електродів, оточених двошаровими керамічними екранами, то для підвищення ефективності теплозйому з електродів й екранів, необхідно визначити оптимальні розміри екранів і відстані від електродів до них залежно від температури нагрітого повітря, на виході з опалювального електрокалорифера, дорt = f (tкал). Тоді теплопродуктивність приладу з урахуванням ефективного теплообміну прийме вигляд (34):

,

де: m - число високотемпературних електродів з керамічними екранами, штук; k - дослідний коефіцієнт ефективності теплозйому, залежить від оптимального зазору між електродом й екранами; kтурб - дослідний коефіцієнт ефективності, що враховує наявність гвинтоподібних насадок для турбулізації потоку обдуваючого повітря екранів з електродами.

Визначення коефіцієнтів ефективності (k, і kтурб) з метою підвищення теплопродуктивності опалювального електрокалорифера і складає основне завдання дослідження.

У розділі 4 приводяться результати досліджень трьохконтурного теплообмінника з метою ефективності його використання в підігрівально-акумуляторних установках для незалежних систем опалення та гарячого водопостачання від індивідуальних теплових пунктів.

Через те, що температура води усередині акумуляторної ємності (tак) постійно змінюється, то складний тепломасообмін можна описати рівнянням теплового балансу:

Обробка результатів експериментальних даних, отриманих на лабораторній установці, дозволила одержати залежності, що характеризують інтенсифікацію теплообміну в трьохконтурних теплообмінниках. При однакових значеннях чисел подоби (Re, Pr, Nu) були визначені значення коефіцієнтів тепловіддачі й коефіцієнтів теплопередачі К, залежно від швидкості водопровідної води в щілинному просторі, зображено на рис.6.

Виходячи з експериментальних даних, представлених у вигляді сімейства кривих, отриманих при дослідженні швидкісного теплообмінника щілинного типу й розрахункових даних при ідентичних умовах роботи теплообмінника конструкції ВТІ, можна зробити висновок, що ефективність теплообміну зростає через збільшення коефіцієнта теплопередачі К на 29%. При рівності теплових навантажень на гаряче водопостачання, а також їх середніх температурних напорах, поверхня нагріву в щілинному теплообміннику зменшується на 22,5%.

Питанню визначення оптимальної величини щілинного простору, для досягнення найбільшої інтенсивності теплообміну, приділене першорядне значення при дослідженнях трьохконтурного теплообмінника щілинного типу. Дослідження проводилися при зазорах щілини щ = 1, 3, 7 мм. При кожному новому водяному шарі, що проходить по щілинному просторі, здійснювався демонтаж установки із заміною трубки меншого діаметра d1, а внутрішній діаметр трубки d2в = 30 мм, залишався постійним.

Критерієм оцінки ефективності теплообміну в трьохконтурному теплообміннику є коефіцієнти тепловіддачі (1, 2, 3, 4), що залежать від багатьох змінних, так, наприклад, К = f (T, W, G, щ, щ, порівн, fщ, tг). Із-за великої кількості похідних, були побудовані графіки, що визначають оптимальну величину зазору щілини щ (рис. 7).

Кожна точка інтегральної кривої складається із напівсуми ординат швидкостей при відповідних зазорах дщ, а найменша ордината характеризує її оптимальну величину допт=3,9мм. Виходячи з аналізу результатів досліджень й умови ефективності теплообміну в трьохконтурних підігрівниках щілинного типу, товщину щілинного простору рекомендується приймати щ =3...4 мм, при цьому величина коефіцієнта теплопередачі буде перебувати в межах від 2100 до 2400 Вт/(м2·°С). Проведені дослідження експериментально підтверджують теоретичні умови складного конвективного теплообміну в трьохконтурних теплообмінниках щілинного типу. централізований теплопостачання довговічність експлуатація

За результатами досліджень гідродинамічних режимів роботи щілинного теплообмінника, використовуючи методи математичної статистики для обробки даних на ПЕОМ, отримані лінійні рівняння для витрат нагрітого теплоносія, W, (кг/с), величина якого змінювалася пропорційно зазору щілини (мм) і швидкості його руху щ (м/с).

Для кожного зазору щілини отримані емпіричні формули, що характеризують пропускну здатність трьохконтурних ТО щілинного типу, а їхні витрати описуються рівняннями:

щ = 1 мм: W1 =317 щ; щ = 3 мм: W3 = 935 щ; щ = 7 мм: W7 = 2200 щ.

Спільне рішення наведених вище рівнянь щодо величини щілинного простору дозволило одержати узагальнене рівняння прямої у вигляді W = f(щ, щ). Результативне рівняння представлене у вигляді емпіричної формули, що характеризує пропускну здатність трьохконтурного теплообмінника залежно від величини щілини й швидкості руху теплоносія в ній: