ВВЕДЕНИЕ 6
1 Обзор и анализ видов теплообменников и их конструкций 7
1.1 Общие сведения о теплообменниках. 7
1.2 Существующие способы повышения теплопередачи в емкостных
теплообменниках. 8
1.2.1 Емкостной теплообменник содержащий завихрители внутри
греющего контура. 8
1.2.2 Емкостной теплообменик с генератором механических
колебаний. 12
1.2.3 Использование магниевого анода в емкостном
теплообменнике. 14
1.2.4 Емкостной теплообменник содержащий периодические кольцевые
выступы на внутренней поверхности теплообменного элемента. 23
1.2.5 Емкостной теплообменник с гидромеханическим
преобразователем. 26
1.3 Моделирования колебательных процессов в емкостном
теплообменнике. 29
1.4 Цели и задачи исследования 30
2 Теоритические сведения 32
2.1 Разработка математической модели. 33
2.2 Расчет водяного гидроаккумултора. 40
3 Экспериментальная установка. 45
3.1 Разработка функциональной схемы лабораторной установки. 45
3.2 Выбор методов и средств измерения. 54
3.2.1 Согласующее устройство. 54
3.2.2 Первичный измерительный расхода в греющем контуре 55
3.2.3 Первичный измерительный преобразователь температуры 56
3.2.4 Программный комплекс LGraph
4 Экспериментальные исследования 59
4.1 Планирование эксперимента 59
4.2 Планирование и результаты эксперимента в различных режимах 62
4.2.1 Планирование и результаты эксперимента в стационарном
режиме. 62
4.2.2 Планирование и результаты эксперимента в импульсном режиме,
(частота 1 Гц). 64
4.2.3 Планирование и результаты эксперимента в импульсном режиме,
(частота 2 Гц). 67
4.2.4 Планирование и результаты эксперимента в импульсном режиме,
(частота 3 Гц). 69
4.2.5 Сравнительная оценка теплопередачи емкостного теплобменика. 71
4.2.6 Математическое моделирование результатов эксперимента в
импульсном режиме, (частота 2 Гц). 73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 78
В последнее время в схемах горячего водоснабжения (ГВС) все чаще стали использовать схемы с гидроаккумулятором, а при небольших нагрузках емкостные теплообменники. Применение таких схемных решений в системе ГВС позволяет снизить затраты более чем в 2 раза при повышении качества их работы.
Проблемой для большинства водонагревателей косвенного нагрева является низкий коэффициент теплопередачи между двумя поверхностями, а именно между стенкой змеевика, в которой циркулирует горячая вода из системы отопления с температурой порядка 65-70с С и нагреваемой водой в баке, поступающей из системы холодного водоснабжения. Вода нагреваемая от змеевика путем конвекции поднимается в верх бака, в замен которой опускается холодная вода, вытесняемая теплой, и процесс начинается сначала. Весь процесс относительно медленный из за чего вода нагревается не равномерно и относительно долго.
Для решения этой проблемы устанавливают циркуляционный насос и вносят некоторые изменения в конструкцию водонагревателя, но из за этого повышаются затраты на электроэнергию и требуется значительное изменение конструкции водонагревателя. Одним наиболее рациональным решением данной проблемы не требующей внесения больших изменений в конструкцию водонагревателя и дополнительной оплаты за электроэнергию, является создание колебаний греющей поверхности контура водонагревателя и создание возможности вращения змеевика. Колебания змеевика водонагревателя можно создать путем прерывания потока греющего теплоносителя. В результате колебаний змеевика увеличиться конвекция между стенками змеевика и нагреваемой водой, что приведет к увеличению теплоотдачи от поверхности змеевика с нагреваемой водой и в итоге уменьшит время нагрева более чем в 2 раза.
В результате проведенных исследований гидроаккумулятора с импульсным подогревом горячей воды было предложено перспективное направлении в модернизации емкостных теплообменных аппаратов. Был проведен анализ литературных источников современных видов теплообменников и их конструкций, а так же систем теплоснабжения с импульсным режимом работы, в результате которого были выявлены проблемы большинства емкостных теплообменников, а именно низкий коэффициент теплопередачи и его снижения в результате зашламления (образования накипи).
Определены исходные параметры теплоносителя, необходимые для конструктивного расчета лабораторного образца гидроаккумулятора с импульсным подогревом горячей воды и его параметров. Расчет гидроаккумулятора выполнен по известной методике. В результате конструктивного расчета получены габаритные размеры, количество змеевиков, длина змеевиков, площадь греющей поверхности.
Разработана функциональная схема лабораторной установки гидроаккумулятора с импульсным подогревом горячей воды, позволяющая определить режимы ее работы при частотах прерывания потока теплоносителя от 1 до 3 Гц. Разработана математическая модель гидроаккумулятора с импульсным подог-ревом горячей воды в виде системы дифференциальных уравнений. При составлении дифференциальных уравнений применялась энергетическая цепь. В процессе моделирования было выявлено, что наиболее оптимальной зоной частот является частоты от 3,14 до 6,28 рад/с. (0,5±1Гц).
В результате математического моделирования гидроаккумулятора с импульсным подогревом горячей воды было установлено, что наиболее оптимальной зоной частот является частоты от 3,14 до 6,28 рад/с. (0,5±1Гц) и были приняты следующие частоты прерывания теплоносителя в подводящем трубопроводе: 1 Гц, 2 Гц и 3 Гц.
Эффективность теплопередачи по сравнению со стационарным режимом работы повысилась на:
-39% для импульсный режим с частотой 1 Гц;
- 56% для импульсный режим с частотой 2 Гц;
- 56% для импульсный режим с частотой 3 Гц.
На конкретное решение теплообменика с колебательном змеевиком была подана заявка на изобретение (рег. номер 2018118220 от 17.05.2018).
