Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Назарова Мария Владимировна
Разработка и исследование емкостных радиационно-конвективных теплообменников из текстильных материалов для систем горячего водоснабжения сезонных потребителей
Специальность 05.14.04
Промышленная теплоэнергетика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва - 2012 г.
Работа выполнена на кафедре промышленной теплоэнергетики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина.
Научный руководитель доктор технических наук, доцент
Жмакин Леонид Иванович
Официальные оппоненты: Гудим Леонид Иванович
доктор технических наук, профессор
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина и.о. зав. кафедрой процессов, аппаратов химической технологии и безопасности жизнедеятельности.
Поляков Юрий Афанасьевич
доктор технических наук, профессор
профессор кафедры физики Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Академия Государственной противопожарной службы Министерства РФ по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования Мос-
ковский государственный университет
еса
Защита состоится л28 мая 2012 года в 13-00 на заседании диссертационного совета Д 212.139.03 при Московском государственном текстильном университете имени А.Н. Косыгина по адресу: ул. Малая Калужская, д. 1, Москва, 119071.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина
Автореферат разослан л28 апреля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.139.03
доктор технических наук, профессор Фирсов Андрей Валентинович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Для теплоснабжения сезонных потребителей в летний и переходный периоды года перспективны солнечные водонагревательные установки с емкостными радиационно-конвективными теплообменниками. В них вырабатывается и аккумулируется низкопотенциальная теплота, что позволяет экономить энергоресурсы, снизить зависимость региона от привозного топлива и сократить выбросы вредных веществ в окружающую среду.
Практическая реализация этого направления предусматривает решение двух проблем. Первая связана с разработкой эффективной и недорогой теплообменной аппаратуры в виде эластичных емкостей из водостойких технических тканей. Вторая касается выбора дублирующего источника энергии, оптимальным вариантом которого является теплонасосная установка. В этом случае возможен комбинированный режим теплохладоснабжения потребителя, когда он обеспечивается не только горячей, но и холодной водой для использования в системе кондиционирования воздуха.
В диссертационной работе проведены исследования процессов радиационно-конвективного теплообмена в емкостных водонагревателях из текстильных материалов, а также рассчитаны режимы работы теплового насоса, доводящего температуру воды до нужного потребителю температурного уровня. Этим и определяется её актуальность.
Тематика работы соответствует планам научно-исследовательских работ кафедры Промышленная теплоэнергетика ФГБОУ ВПО МГТУ им. А.Н.Косыгина и определена заданиями Министерства образования и науки РФ, а также грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 08-08-00358.
Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка емкостных теплообменных аппаратов из текстильных материалов, предназначенных для подогрева воды солнечным излучением, и исследование протекающих в них процессов радиационно-конвективного теплообмена. Для достижения этой цели решены следующие научные и технические задачи:
1) исследованы технологические возможности эффективного применения современных водостойких тканей с полимерными покрытиями в качестве эластичных оболочек и разработаны опытные образцы емкостных радиационно - конвективных теплообменников, отличающиеся улучшенными технико-экономическими и эксплуатационными показателями;
2) созданы лабораторные стенды, на которых проведены экспериментальные исследования:
- коэффициента теплопроводности и степени черноты ткани с ПВХ покрытием, используемой для изготовления водонаполненных оболочек емкостных теплообменников;
- теплопроизводительности и КПД опытных образцов теплообменников из водостойких тканей в натурных условиях;
- эффективности емкостных теплообменников в условиях интенсификации теплообмена на их поглощающей поверхности;
3) разработаны математические модели, описывающие перенос теплоты в емкостных радиационно-конвективных теплообменниках и позволяющие проводить инженерные расчеты и анализ их теплотехнических параметров, а также режимов совместной работы с компрессионными тепловыми насосами;
4) сопоставлена энергетическая эффективность емкостной установки горячего водоснабжения и проточной, выполненной на базе традиционного солнечного коллектора и аккумулятора теплоты.
Научная новизна.
1) Разработаны математические модели, описывающие нестационарный прогрев жидкости в емкостных теплообменниках из водостойких тканей, а также режимы их работы с дублирующим источником энергии - тепловым насосом в системах теплохладоснабжения сезонных потребителей. С их помощью проведены расчеты динамики прогрева воды, теплопроизводительности и КПД теплообменников в зависимости от интенсивности лучистого теплового потока, коэффициента трансформации теплоты и эксергетического КПД теплового насоса.
2) Разработан новый метод интенсификации теплообмена в водонаполненных текстильных оболочках, предусматривающий струйное натекание теплоносителя на обогреваемую поверхность. Показано, что этот метод обеспечивает рост средних коэффициентов теплоотдачи воды в 4Е10 раз.
3) Созданы новые образцы емкостных теплообменников с водонаполненными оболочками из тканей с полимерными покрытиями, разработана схема использования этих теплообменников в теплонасосной системе для совместной выработки теплоты и холода.
4) Проведены экспериментальные исследования теплотехнических характеристик емкостных теплообменников различных конструкций, на основании которых получены новые данные по их энергетической эффективности.
Практическая ценность и значимость работы.
1) Разработаны новые образцы емкостных теплообменников для нагрева воды радиационными тепловыми потоками на основе водостойких технических тканей с полимерными покрытиями.
2) Созданы лабораторные стенды для экспериментального исследования теплотехнических характеристик текстильных теплообменных аппаратов емкостного типа и интенсификации теплоотдачи в них.
3) Определены параметры, практически важные в процессе эксплуатации емкостных аппаратов: - оптимальная толщина слоя жидкости, теплопроизводительность, КПД, коэффициенты тепловых потерь и эффективности текстильных водонаполненных оболочек, поглощающих солнечное излучение.
4) Результаты работы могут быть использованы при проектировании современного теплообменного оборудования, работающего в области умеренных температур и плотностей лучистых потоков. Лабораторные стенды могут служить студентам кафедры Промышленная теплоэнергетика МГТУ им. А.Н.Косыгина в качестве учебной базы при изучении курсов Тепломассообменное оборудование предприятий и Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии, а также при выполнении ими курсовых, дипломных и научно-исследовательских работ.
Достоверность основных научных положений и выводов работы обусловлена применением современных методов исследования тепловых процессов, включающих их математическое и физическое моделирование, воспроизводимостью результатов экспериментов, а также удовлетворительным соответствием расчетных и экспериментальных данных.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно - технических конференциях: - Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль-2008, Текстиль-2009, Текстиль-2011), г. Москва; Инновационность научных исследований в текстильной и легкой промышленности, г. Москва, 2010; Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (Поиск-2009, Прогресс-2012), г. Иваново; XII международной конференции Возобновляемая энергетика XXI столетия, АР Крым, п. Николаевка, 2011; международной научно - практической конференции Инновационные энергоресурсосберегающие технологии в АПК, г. Москва, 2012; 8 международной научно - технической конференции Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве, г. Москва, 2012.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ в отечественных научных журналах и сборниках. В их число входят 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка из 70 наименований. Работа изложена на 124 страницах, содержит 14 таблиц и 67 иллюстраций.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, приведены основные этапы их решения. Дана краткая характеристика научной новизны и практической значимости полученных результатов.
Первая глава содержит краткий обзор емкостных теплообменных аппаратов для систем горячего водоснабжения промышленных и бытовых потребителей. Такие теплообменники перспективны и для нагрева воды солнечным излучением при условии существенного сокращения их стоимости. Этого можно добиться, если изготавливать водонагреватели из водостойких технических тканей. На основании обзора ассортимента современных текстильных материалов для опытных образцов емкостных теплообменников была выбрана ткань Unisol 630 фирмы Hanwha. Она имеет основу из полиэстера и двухстороннее ПВХ покрытие черного цвета.
Структурные исследования на цифровом микроскопе ANMO - AM451 показали, что эта ткань представляет собой композиционный полимерный материал, армированный в центральной части текстильными волокнами и имеющий монолитную структуру с вкраплениями небольшого количества закрытых пор.
Для ткани Unisol 630 экспериментально исследованы теплофизические характеристики - теплопроводность и коэффициент поглощения излучения (степень черноты). Коэффициент поглощения находили, измеряя температуру поверхности двумя независимыми способами: - термопарой и инфракрасным пирометром ТРТ 64Р фирмы Agema infrared systems, который имел устройство, задающее степень черноты объекта. Изменяя настройку этого устройства, добивались равенства показаний термопар и пирометра. При температурах 25Е40оС значения степени черноты составили 0,89Е0,92.
Коэффициент теплопроводности измерен при 30Е50оС стационарным методом плоского слоя с симметричным расположением образцов ткани относительно нагревателя. Он описывается следующим уравнением
, (1)
а погрешность измерений составляет 7Е9%. Измерения нестационарным методом регулярного режима охлаждения на - калориметре ЛКТЦ1 дали при комнатной температуре значение теплопроводности = 0,248 Вт/м гр с погрешностью 11Е13%. Таким образом, результаты, полученные различными методами, согласуются между собой.
В этой главе описаны также конструкции и технология изготовления опытных образцов емкостных теплообменников, представлявших собой герметичные оболочки, сваренные из ткани Unisol - 630 внахлест горячим воздухом. После заполнения водой оболочки представляли собой плоские емкости практически прямоугольной формы с размерами 1320х640х80 мм и габаритной площадью 0,84 м2. Собственная масса оболочек составляла ~ 1,5 кг; все они вмещали по 70 литров воды, имели штуцеры для подачи и слива жидкости, удаления воздуха, а также специальный зонд с термопарными хромель-копелевыми датчиками, измерявшими распределение температур воды внутри теплообменника. Водонаполненные оболочки могли размещаться открыто на опорном основании, либо в жестком прямоугольном корпусе, днище и боковые стенки которого были теплоизолированы листами вспененного полистирола толщиной 20 и 10 мм, соответственно. Сверху корпус был закрыт листом сотового поликарбоната толщиной 4 мм, плотно прилегавшим к тканевой емкости с водой (см. рис. 1).
Особенность таких теплообменников состоит в том, что они всегда устанавливаются горизонтально и прогреваются солнечным излучением сверху, т.к. иначе возможна существенная деформация их формы. Но в этом случае в жидкости наблюдается состояние гидростатического равновесия, в ней не развивается свободная конвекция, а перенос теплоты осуществляется только теплопроводностью, что значительно ухудшает динамику прогрева. Был предложен способ интенсификации нестационарного нагрева воды за счет ее активного перемешивания и струйного натекания на обогреваемую поверхность. С этой целью в теплообменнике были смонтированы погружной микронасосный агрегат и система циркуляции воды (см. рис. 2). Агрегат состоял из лопастного насоса центробежного типа и приводного электродвигателя постоянного тока, источником питания которого служил фотоэлектрический преобразователь с напряжением холонстого хода около 12 В.
Рис. 1. Схема опытного образца теплообменника |
Все параметры микронасного агрегата были определены экспериментально: - исследованы зависимости его напора, мощности и КПД от объемного расхода жидкости. Гидравлическая характеристика распределительной сети была получена расчетным путем.
Рис. 2. Интенсификация теплообмена: циркуляционная система и ее характеристики. | |
Для испытаний емкостных теплообменников в натурных условиях был разработан и изготовлен мобильный экспериментальный стенд, схема которого показана на рис. 3. Его можно легко выдвигать наружу в оконный проем лаборатории и убирать при завершении испытаний.
Температурные измерения проводились с использованием хромель-копелевых термопарных датчиков, а измерения интенсивности солнечного излучения в рабочей зоне стенда - с помощью пиранометра М-80. Автоматизированная система записи и обработки измеряемых величин была выполнена на основе промышленных контроллеров (восьмиканального ТРМ-138 и двухканального ТРМ-201) фирмы Овен, с которых они затем выводились на компьютер. Связь с компьютером осуществлялась через интерфейс RS - 485. Система сбора опытных данных была оснащена программой, позволяющей с заданной периодичностью регистрировать и архивировать измеренные величины. Максимальная абсолютная погрешность измерения температур термопарами в комплекте с вторичными приборами составляла 0,2оС.
Рис. 3. Схема стенда для испытаний емкостных теплообменников |
Во второй главе описаны методики и результаты экспериментальных исследований характеристик емкостных теплообменников. В качестве примера, на рис. 4 показаны зависимости от времени интенсивности солнечной радиации (№8), температур воды в разных точках по высоте ее слоя (№№1, 2, 3, 4), температур на стенках емкости (№№6, 7) и наружной температуры (№5) для теплообменника в корпусе. Из рисунка видно, что эксперименты по солнечному нагреву воды обычно заканчивались в 1330Е1400. Затем теплообменник перемещали в лабораторию, где проводили исследования темпов охлаждения содержащейся в нем жидкости.
Теплопроизводительность и КПД вычисляли с шагом по времени 20 минут; на каждом шаге определяли средние значения интенсивности солнечной радиации и температур жидкости во всех её слоях. При расчете температуры верхнего слоя воды вводилась поправка на температурный перепад в обогреваемой стенке емкости; на тыльной поверхности им пренебрегали. Количества теплоты, накопленные различными слоями воды, суммировали и находили теплопроизводительность водонагревателя за фиксированный интервал времени. Отношение теплопроизводительности к энергии солнечного излучения, поступившей на поглощающую поверхность аппарата, представляло его КПД: .
Мгновенные характеристики емкостных теплообменников обрабатывали с помощью уравнения Уиллера-Хоттеля-Блисса
, (2)
где FТ и о - эффективность текстильной поглощающей поверхности и ее оптический КПД, UL - полный коэффициент потерь тепла, - приведенная температура, tcp,i - среднемассовая температура жидкости, t0 - наружная температура. Комплексы и являются основными параметрами теплотехнического совершенства теплообменника.
Рис. 4. Результаты испытаний текстильной емкости в корпусе без циркуляции воды. |
На рис. 5 показана зависимость КПД корпусного теплообменника от приведенной температуры. Подобные зависимости были получены и для бескорпусных аппаратов, в которых емкости с водой располагались на открытом воздухе.
Рис. 5. КПД емкостного теплообменника в корпусе без циркуляции воды |
Обработка опытных данных методом наименьших квадратов дала для КПД регрессионные уравнения, приведенные в таблице 1.
Таблица 1.
| Характеристики регрессии | Конструктивный вариант емкостного теплообменника | ||
Корпусной, без циркуляции | Бескорпусной, без циркуляции | Бескорпусной, с циркуляцией | |
Регрессионное уравнение | |||
Число опытных точек | 36 | 30 | 50 |
Среднеквадратичное отклонение, % | 1,72 | 1,94 | 4,21 |
Количество накопленной теплоты, МДж | 2,5Е2,8 | 2,6Е2,8 | 2,7Е3,0 |
КПД, % | 29Е30 | 29Е31 | 32Е35 |
Для непосредственного измерения полных коэффициентов потерь использовался метод регулярного режима охлаждения. Текстильная емкость, заполненная водой, сначала нагревалась за счет энергии Солнца, а затем перемещалась в лабораторное помещение, где остывала в течение длительного времени (см. рис. 4). Уравнение дифференциального теплового баланса остывающей емкости с учетом ряда упрощающих предположений имеет вид
(3)
где Mж, cр, Ц масса и теплоемкость воды, f* - активная площадь поглощающей поверхности, t и t0 Ц средние температуры жидкости и окружающей среды, - время. Интегрирование (3) приводит к выражению
(4)
Определив с помощью полулогарифмической термограммы темп охлаждения m, из (4) можно найти коэффициент потерь тепла. Результаты соответствующих измерений сведены в таблицу 2.
Таблица 2.
Расположение текстильной емкости с водой | В корпусе | Без корпуса | |||||
Даты испытаний (весна - лето 2011 г.) | 11/05 | 19/05 | 31/05 | 07/06 | 28/06 | 29/06 | 30/06 |
Коэффициент потерь тепла UL, Вт/м2гр | 9,88 | 9,79 | 18,25 | 20,41 | 17,68 | 17,39 | 20,32 |
Среднее значение UL, Вт/м2гр | 9,84 | 18,81 | |||||
Максимальное и среднеквадратичное отклонения точек | 0,5% и 0,46% | 8,5% и 3,40% | |||||
Средняя избыточная температура воды ,оС | 11,62 | 8,95 | 4,78 | 6,85 | 10,92 | 7,44 | 8,69 |
В реальных условиях эксплуатации коэффициент тепловых потерь может быть несколько выше из-за наличия ветра. Следует ожидать, что для бескорпусного теплообменника этот эффект будет проявляться сильнее.
Независимые измерения коэффициента тепловых потерь позволили оценить эффективности текстильных поглощающих поверхностей емкостных теплообменников. Известно, что эффективность поверхностей, обогреваемых солнечным излучением, можно интерпретировать как отнношение двух коэффициентов теплопередачи: нагреваемая жидкость - наружнный воздух и поглощающая стенка - наружный воздух. Она находилась по формуле , в которой значения комплекса В и коэффициента потерь UL принимались по опытным данным, приведенным в таблицах 1 и 2. Получены следующие результаты: FТ=0,87 (бескорпусная емкость с циркуляцией воды); FТ=0,63 (то же, но без циркуляции) и FТ=0,52 (емкость в корпусе без циркуляции). На основании этих результатов косвенно определены коэффициенты теплоотдачи жидкости; они приведены на рис. 6.
Рис. 6. Коэффициенты теплоотдачи воды в емкостных теплообменниках. |
Несмотря на приближенный характер этих оценок, они подтверждают, что насосная циркуляция жидкости в емкостных теплообменниках способствует интенсификации теплоотдачи и увеличению выработки теплоты.
В третьей главе рассмотрены результаты математического моделирования емкостных радиационно-конвективных теплообменников из водостойкой ткани. Прежде всего, были рассчитаны их полные коэффициенты потерь, отнесенные к габаритной площади теплообменника f*:
. (5)
где Uверх, Uоп и Uбок - локальные коэффициенты потерь с облучаемой, тыльной и боковой стенок аппарата, а fбок - площадь боковой поверхности. Эти локальные коэффициенты представляют собой эффективные термические проводимости в трех главных направлениях утечек тепла. Для их определения были составлены и проанализированы тепловые схемы корпусного и бескорпусного вариантов теплообменника. В расчетах учитывалась как радиационная, так и конвективная теплоотдача стенок к окружающему воздуху (свободная или вынужденная). На рис. 7 и 8 расчетные коэффициенты потерь в условиях свободной конвекции сопоставлены с данными экспериментов.
Моделью нестационарного прогрева жидкости служило уравнение дифференциального энергетического баланса следующего вида
(6)
где = t - t0 - избыточная температура воды, Е() - плотнность лучистого потока, η0 - оптический КПД. Вклад теплоемкости тканевой оболочки не учитывается, кроме того, предполагается постоянство температуры воды по высоте ее слоя в теплообменнике. Последнее допущение можно считать справедливым лишь в емкостях с насосной интенсификацией теплообмена; следовательно, использование модели (6) оправдано только для них. Для Е() принята зависимость
, (7)
в которой Е0 и Е1 - коэффициенты, полученные при обработке климатических данных, Ц безразмерное время. τ2 -τ1 Ц расчетная продолжительность дня (далее принято τ1 = 930 и τ2 = 1630). Уравнение (6) решалось аналитически; после определения избыточных температур воды находились количества теплоты, воспринятые жидкостью в различные моменты времени и средние значения КПД теплообменника
; ; (8)
полученные результаты приведены на рис. 9.
Рис. 7. Потери для бескорпусной емкости | Рис. 8. Потери емкости в корпусе | |
Рис. 9.Теплопроизводительность и КПД бескорпусной емкости с циркуляцией воды. | ||
На основании модельных расчетов, проведенных для разных толщин нагреваемого слоя жидкости, была решена задача её оптимизации. Оптимальная толщина находилась с помощью эксергетического КПД процесса преобразования солнечной энергии в теплоту, который имеет явно выраженный максимум при h ~ 0,09Е0,11 м. Таким образом, эксергия накопленной теплоты и эксергетический КПД емкостного теплообменника можно рассматривать в качестве целевых функций в задачах их оптимизации.
Математическое моделирование использовалось и для сравнения эффективности емкостных и проточных солнечных водонагревателей, состоящих из коллектора и аккумулятора теплоты. Рассмотрены два типа коллекторов: первый с трубчатой текстильной поверхностью разработан в МГТУ им. А.Н.Косыгина, а второй выпускался серийно на ОАО Ковровский механический завод и имел стальную панель. Количество жидкости и площади поглощающих поверхностей для сопоставляемых вариантов были одинаковы. Расчетные характеристики водонагревателей показаны на рис. 10.
Рис. 10. Сопоставление емкостного водонагревателя с проточными. | |
Можно видеть, что увеличенный объем жидкости в коллекторе снижает эффективность ее нагрева из-за роста тепловой инерции. Так, если принять теплопроизводительность водонагревателя с коллектором КМЗ за 100%, то при прочих равных условиях она составит 85,4% (с коллектором МГТУ) и 80% (для емкостного тканевого теплообменника). Однако при умеренных температурах (приблизительно до полудня) различия в теплотехнических характеристиках незначительны.
Модель теплопереноса в емкостях без циркуляции жидкости должна учитывать распределение температур по высоте слоя воды. Она была разработана на основе дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности в предположении, что свободная конвекция в слое не развивается:
(9)
Здесь а - температуропроводность воды и х - вертикальная координата. Это уравнение решалось методом конечных разностей при граничных условиях 2 рода на обогреваемой и 3 рода на тыльной поверхности теплообменника. Начальное распределение температур принято равномерным. Расчеты показали, что при отсутствии принудительной циркуляции воды предпочтительнее теплообменник в корпусе, хотя в первой половине дня бескорпусной вариант ему ничем не уступает.
В четвертой главе описана схема комплексной системы теплохладоснабжения сезонных потребителей на базе емкостных теплообменников и компрессионного теплового насоса. Для расчета характеристик теплового насоса, работающего совместно с солнечными водонагревателями, были разработаны математические модели его элементов: - испарителя, конденсатора и компрессора, а также регрессионные уравнения для теплофизических свойств рабочего тела (фреона R-12) в состоянии насыщения и в области перегретого пара.
Емкостная система теплохладоснабжения была рассчитана для летнего периода эксплуатации объекта по его суточной нагрузке горячего водоснабжения равной 1,04.105 кДж (она соответствует подогреву 1 м3 воды в конденсаторе теплонасосной установки от 30 до 55оС); начальная и конечная температуры воды в испарителе приняты 20 и 6оС; продолжительность работы теплового насоса 2,5 часа. Расчеты испарителя и конденсатора базировались на уравнениях интегральных тепловых балансов и теплопередачи. Предполагалось, что температура воды в них постоянна по теплообменной поверхности, но изменяется во времени. Температуру фреона, кипящего в испарителе, считали постоянной и по поверхности, и по времени; в конденсаторе дополнительно учитывались зоны снятия перегрева пара и переохлаждения жидкости. При моделировании компрессора определялись его удельная работа и энтальпия пара в конце сжатия.
Значения температур испарения и конденсации паров R-12 приняты равными +2оС и +70оС, что соответствует давлениям насыщенных паров хладоагента 3,33 и 18,94 бар и степени сжатия в компрессоре 5,69. В качестве номинального был выбран режим работы теплонасосной установки, соответнствующий средним температурным напорам в испарителе и конденсаторе. Для него были рассчитаны все основные характеристики теплового насоса; результаты приведены в таблице 3.
Таблица 3
Конденсатор теплового насоса | 0,512 1,0; 3055 11,52 |
Испаритель - поверхность, м2 | 3,39 1,29; 206 8,35 |
Компрессор | 2,74 / 3,15 / 3,50 0,00457 (16,5) |
Удельный расход электроэнергии | 0,304 |
Коэффициент трансформации теплоты | 3,29 |
Коэффициент использования топлива (при э = 0,3) | 0,987 |
Эксергетический КПД теплового насоса, % | 34,4 |
При эксплуатации системы теплохладоснабжения возможны изменения начальных температур воды в испарителе и конденсаторе. Её необходимо регулировать, варьируя длительность рабочего периода и расход хладоагента в теплонасосном контуре с помощью частотно-регулируемого электропривода компрессора, сохраняя степень сжатия постоянной. Расчеты показали, что при этом не удастся одновременно сохранить тепловые нагрузки в системах горячего водоснабжения и хладоснабжения; поэтому предварительно нужно решить нагрузку какой из них оставить неизменной.
Основные результаты и выводы
1) Разработаны и изготовлены опытные образцы емкостных радиационно-конвективных теплообменников для нагрева воды солнечным излучением. Они представляют собой герметичные оболочки, сваренные из водонепроницаемой ткани с ПВХ покрытием, имеют габаритную площадь 0,84 м2, емкость 70 л и могут устанавливаться как в теплоизолированном корпусе, так и без него, на горизонтальных опорах. По сравнению с традиционным водонагревательным оборудованием эти теплообменники имеют лучшие эксплуатационные и технико-экономические характеристики, малую удельную массу при обеспечении удовлетворительных теплотехнических показателей.
2) Разработан и изготовлен мобильный экспериментальный стенд, предназначенный для опытного изучения процессов теплопереноса в емкостных теплообменниках из текстильных и материалов и определения их теплотехнических характеристик, как в натурных, так и в лабораторных условиях. На этом стенде предусмотрена автоматизированная система записи и обработки измеряемых величин, выполненная на базе контроллеров ТРМ 201 и ТРМ 138, подключенных к персональному компьютеру.
3) Разработана и исследована методика интенсификации теплообмена в емкостных водонагревателях, основанная на активном перемешивании воды и её струйном натекании на обогреваемую поверхность ткани. Перемешивание жидкости обеспечивает встроенная циркуляционная система с погружным микронасосом, подключенным к автономному фотоэлектрическому генератору. Для данной системы изучены характеристики микронасоса и распределительной сети, определены параметры рабочей точки. Показано, что циркуляция жидкости в емкостном теплообменнике способствует повышению коэффициентов теплоотдачи в 4Е10 раз.
5) Экспериментально исследованы теплофизические свойства ПВХ ткани и листового сотового поликарбоната, а также теплотехнические характеристики емкостных текстильных теплообменников. Определены количества теплоты, аккумулированные водой, приведенные значения оптического КПД и полного коэффициента потерь тепла. Проведены независимые измерения коэффициентов потерь методом регулярного режима охлаждения. Это позволило оценить эффективность текстильной теплопередающей поверхности в теплообменниках различных типов.
6) Разработаны математические модели емкостных радиационно - конвективных водонагревателей. С их помощью был решен ряд задач, а именно:
- рассчитаны коэффициенты тепловых потерь и проанализировано влияние на них различных факторов; определены перепады температур в обогреваемых тканевых поверхностях; рассчитаны температурные поля в жидкости, теплопроизводительность и КПД теплообменников; проведена оптимизация высоты слоя нагреваемой жидкости по критерию максимума эксергетического КПД ее радиационного нагрева.
7) Сопоставлена энергетическая эффективность емкостных теплообменников разных типов; показано, что бескорпусной водонагреватель с интенсификацией теплопередачи обеспечивает максимальную теплопроизводительность и степень подогрева жидкости. Проведено также сравнение емкостной установки горячего водоснабжения и проточной, выполненной на базе солнечного коллектора и аккумулятора. При одинаковом количестве жидкости в системе дневная теплопроизводительность емкостной установки меньше на 20%; у нее ниже и температура подогрева воды. Однако она имеет неоспоримые преимущества перед проточной по массогабаритным и стоимостным показателям.
8) Предложена схема комплексной системы теплохладоснабжения сезонных потребителей на базе емкостных теплообменников и теплового насоса. Проведено математическое моделирование режимов работы ее основных элементов. Определены удельный расход электроэнергии, коэффициенты трансформации теплоты и использования топлива, а также эксергетический КПД теплового насоса. Проанализирована работа этой системы теплохладоснабжения в нерасчетных условиях.
Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:
1. Жмакин Л.И., Козырев И.В., Кирокосян К.А., Черных М.В. Экспериментальное исследование теплопроводности тканей, используемых для рабочей одежды. Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности, 2009, №2с, с. 16-18.
2. Жмакин Л.И., Козырев И.В., Кирокосян К.А., Черных М.В. Характеристики рекуперативного теплообменника с текстильной теплопередающей поверхностью, Химические волокна, 2010, №6, с. 50-53.
3. Кирокосян К.А., Черных М.В., Жмакин Л.И. Определение коэффициентов теплоотдачи в теплообменниках косвенным методом. Сб. научных трудов аспирантов, Москва, вып. 14, 2008, МГТУ - с. 116-121.
4. Кирокосян К.А., Жмакин Л.И., Козырев И.В., Черных М.В. Экспериментальное исследование теплоотдачи при ламинарном течении воды в текстильном канале солнечного коллектора. Сб. материалов международной научно - технической конференции Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (ПОИСК-2009), Иваново, 2009 - с. 353-354.
5. Кирокосян К.А., Жмакин Л.И., Козырев И.В., Черных М.В. Теплопередача в рекуператоре с текстильной поверхностью теплообмена. Сб. материалов международной научно-технической конференции Инновационность научных исследований в текстильной и легкой промышленности (РЗИТиЛП), М: 2010 - с. 125-127.
6. Антонов Ю.М., Жмакин Л.И., Козырев И.В., Черных М.В., Солнечные коллекторы с поглощающими панелями из текстильных материалов, Возобновляемая энергетика XXI столетия. Материалы XII международной конференции, АР Крым, п. Николаевка, 12-12 IX 2011 г., с. 228-231.
7. Жмакин Л.И., Козырев И.В., Крюков А.А., Назарова М.В., Емкостной солнечный коллектор из текстильных материалов, Труды 8-й международной научно - технической конференции Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Часть 4. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2012, с. 256-261.
8. Жмакин Л.И., Кирокосян К.А., Черных М.В. Косвенное определение коэффициентов теплоотдачи в рекуперативных теплообменниках. Тезисы доклада на Международной научно-технической конференции Текстиль 2008 М: 2008, МГТУ - с. 239-240.
9. Жмакин Л.И., Черных М.В. Теплообменник на основе текстильных материалов для систем утилизации тепла вентвыбросов. Тезисы докладов международной научно - технической конференции Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль-2009), М: 2009, с. 274.
10. Жмакин Л.И., Козырев И.В., Черных М.В., Расчет динамики прогрева жидкости в емкостном радиационно - конвективном теплообменнике. Тезисы докладов международной научно - технической конференции Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль-2011), М: 2011, с. 224-225.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям