Повышение эффективности работы децентрализованной системы теплоснабжения с электродным теплогенератором

  • Вид работы:
    Магистерская работа
  • Предмет:
    Физика
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    78,11 Кб
  • Опубликовано:
    2017-03-20
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Повышение эффективности работы децентрализованной системы теплоснабжения с электродным теплогенератором

Содержание

Введение

. Постановка задач исследования

.1 Общие сведения

.2 Обзор электродных водонагревателей

.3 Постановка проблемы

.4 Способы регулирования температуры воды в электрических котлах

.5 Методы интенсификации тепломассообмена

. Теоретические обоснование исследований

.1 Расчет теплопотерь в учебной аудитории

.2 Гидравлический расчет проточной части котла

.3 Расчет конвектора

. Натурные испытания

.1 Инструкция по проведению опытов

.2 Алгоритм включения лабораторного стенда в работу

.3 Гидравлический расчет проточной части котла

.4 Тепловой баланс котла

. Разработка экономичного режима работы электродного котла в MATLAB

.1 Алгоритм определения неизвестных коэффициентов

Заключение

Список использованных источников

Приложение

Введение

Актуальность работы. Согласно схемам теплоснабжения поселений РФ, а также прогнозу долгосрочного социально - экономического развития российской федерации на период до 2030 года в настоящее время происходит рост тарифов на тепловую энергию для жителей при централизованном теплоснабжении в связи с существующими проблемами. Одними из таких проблем является: модернизация систем централизованного теплоснабжения (СЦТ), недостоверность исходных данных и результатов при расчетах и неполнота контроля за ходом выполнения работ.

В этой связи исключительную актуальность приобретает повышение эффективности работы децентрализованных систем теплоснабжения, а также переход от СЦТ к поквартирным индивидуальным источникам тепловой энергии.

В данной магистерской диссертации ведется работа в направлении энергосбережения и повышения эффективности работы децентрализованной системы теплоснабжения с электродным теплогенератором с целью повысить качество и надежность работы системы в целом, что является актуальным при теплоснабжении индивидуальных в местах, удаленных от дешевых энергоресурсов.

Объект исследования - выработка теплоты на нужды отопления при децентрализованном способе с помощью электродного котла.

Предмет исследования - процесс преобразования электрической энергии в теплоту теплогенератором.

Методы исследования.

Метод системного анализа, неравновесной и феноменологической термодинамики с применением численного и натурного моделирования гидродинамических и теплообменных процессов.

В работе использован метод конечных элементов (МКЭ) для решения задачи анализа тепловых полей (пакет программ ANSYS), методы параметрической оптимизации, методы сбора и анализа физических параметров в программной среде Matlab. Теоретические исследования проводились с применением законов электротехники и теплотехники, теории установок электродного нагрева.

Целью работы является минимизация потребления электрической энергии при отоплении и разработка математической модели экономного режима работы электродного котла на базе решения дифференциального уравнения теплового баланса.

Для достижения цели необходимо решение следующих задач:

) разработать физическую, математическую и компьютерную модели для исследования гидродинамических, теплообменных и электрических процессов в электродном котле.

) оптимизация геометрических параметров корпуса котла и электродов.

Научная новизна.

Исследован принцип действия установки. Выявлены закономерности эффективного преобразования электрической энергии в тепловую энергию в зависимости от геометрических размеров стержней.

Разработана математическая и трехмерная компьютерная модели для анализа электро-, тепло- гидравлических процессов, происходящих в котле.

Оптимизирована конструкция электродов, определён экономный режим работы котла с помощью математической модели, что позволяет снизить электропотребление.

Достоверность. Полученные в диссертационной работе научные результаты и выводы сравниваются путем экспертной оценки полученных от нескольких серий экспериментальных данных на натурной модели.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная методика расчета и данные экспериментальных лабораторных исследований использованы для модернизации и экспериментально-вычислительного комплекса, создаваемого в лаборатории №4 кафедры ТГВ и используются в учебном процессе. Также получен акт внедрения на предприятии.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ в сборниках научных трудов VII Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Исследования молодежи - экономике, производству, образованию», Приборостроение и автоматизированный электропривод в топливно-энергетическом комплексе и жилищно-коммунальном хозяйстве: материалы докладов I Поволжской научно-практической конференции, Энергетика: Эффективность, надежность, безопасность: материалы XXI всероссийской научно-технической конференции.

1. Постановка задач исследования

В данной главе приводятся результаты обзора литературы, посвященной теме магистерской диссертации.

Проблемой оптимизации работы электродных водонагревателей, повышением их надежности занимались А.М. Глушков, И.В. Юдаев, Ю.М. Миронов, Д.А. Диомидовский, К.А. Магомедов, А.К. Зыков, А.М. Шувалов, Н.Г. Шишинина, А.П. Ильин, Д.Н. Кунков, Е.Н. Горенко, С.А. Побегалов, С.А. Корчегин, Е.Б. Миронов, В.В. Фисенко.

октября 2009 г. Президентом РФ подписан Федеральный закон № 261- ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности, и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [1]. Данный документ является основой политики страны в области энергосбережения во всех отраслях экономики, в том числе и в строительстве.

К важным документам по рассматриваемому вопросу следует отнести «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2024 года», утверждённые распоряжением Правительства Российской Федерации от 8 января 2009 г. N 1- р (ред. от 05.05.2016) [2]. В соответствии с эти документом, устанавливаются следующие значения целевых показателей объема производства и потребления электрической энергии с использованием возобновляемых источников энергии (кроме гидроэлектростанций установленной мощностью более 25 МВт):

·В 2010 году - 1,5 процента;

·В 2015 году - 2,5 процента;

·В 2020 году - 4,5 процента.

1.1 Общие сведения

Для отопления индивидуальных жилых домов и для нагрева воды в сельском хозяйстве широко используют электродные котлы и электродные водонагреватели. Основные их достоинства:

·постоянная готовность к действию;

·возможность получения различной производительности;

·возможность автоматического управления параметрами воды.

Электродные нагреватели. Электродный нагреватель представляет собой систему электродов, предназначенных для ввода электрического тока в нагреваемую среду при прямом электронагреве материалов.

Электродный нагрев применяют для ионных проводников (проводников второго рода): воды, молока, соков, сочных кормов, почвы, бетона и др.

В электродных нагревателях нагрев среды, обладающей электропроводностью и находящейся между электродами, происходит в результате прохождения через нее электрического тока, т. е. осуществляется прямой электронагрев среды.

Достоинством прямого электродного нагрева является простота устройства, объемный нагрев материала, большая скорость нагрева и высокий КПД. Недостаток - повышенная электроопасность и зависимость производительности от электропроводности среды. Электроды изготавливают из углеродистой и нержавеющей стали, а также графита или угля. Во избежание электролиза нагреваемой среды используют только переменный ток. Наибольшее распространение в сельском хозяйстве электродный нагрев получил в водогрейных и паровых котлах, а также для нагрева сельскохозяйственных продуктов, содержащих воду.

Вода без примесей практически не проводит электрический ток. Проводимость «обычной» воды обусловлена наличием растворенных солей, кислот и щелочей, молекулы которых в воде диссоциируют на ионы.

Элементные нагреватели. Элементное нагревательное устройство представляет собой трубчатый электронагреватель (ТЭН), предназначенный для преобразования электрической энергии в тепловую.

Трубчатый электронагреватель состоит из металлической трубки, внутри которой в электроизоляционном наполнителе запрессована нихромовая спираль. Концы спирали привариваются к выводным контактным стержням. Материал трубок выбирают в зависимости от назначения нагревателя. Так, для нагревания воздуха используются стальные трубки, а для нагревания воды - трубки из красной меди, латуни или нержавеющей стали.

Наполнители трубчатых элементов служат для электрической изоляции спирали от металлической трубки и являются проводниками тепла. В качестве наполнителей применяются электроизоляционные материалы, обладающие достаточной теплопроводностью для передачи тепла от проволочной спирали к стенкам трубки. К таким материалам относятся кварцевый песок (применяется при рабочей температуре трубки до 450 0С) и периклаз (при температуре свыше 450 °С). После засыпки наполнителя трубку спрессовывают. Под большим давлением наполнитель превращается в твердый монолитный материал, надежно фиксирующий и изолирующий спираль внутри трубки.

Спрессованная трубка может быть изогнута для придания нагревателю необходимой формы. В частности, в водонагревателях применяются ТЭНы U-образной формы. Торцы трубки герметизируются огнеупорным составом и изолирующими пробками. При включении ТЭНа нихромовая спираль раскаляется и отдает тепло металлической трубке и далее нагреваемой среде, т. е. осуществляется косвенный нагрев среды. Срок службы ТЭНов заводского изготовления составляет более 10000 ч. Наибольшая рабочая температура наружной поверхности ТЭНов около 700 °С.

1.2 Обзор электродных водонагревателей

В России и в ближнем зарубежье электродные котлы выпускаются фирмами:

1.«Галан» мощностью от 0.5 до 50 кВт, которые предназначены для отопления зданий и сооружений (рис.1.1) [3].

Рисунок 1.1 - Электродный котел фирмы «Галан».

2.«Электрокотлы» мощностью от 2 до 120 кВт (рис. 1.2) [4].

3.«Луч» (Украина) мощностью от 2 до 27 кВт (рис. 1.3) [5].

4.Водонагреватели типа ЭПЗ мощностью 3;6;25;100;250 кВт, которые предназначены специально для сельского хозяйства (рис. 1.4). В данных ЭВН обеспеченно регулирование мощности в большом диапазоне от 25 до 100% номинального значения [6].

5.Парогенераторы электродные ЭПГ фирмы ООО НПП «Теплотехника» [7].

6.Электродные котлы компании «ION» (Украина) [8].

7.Электродные котлы фирмы ООО «Градиент» [9].

В данной работе исследуется электродные теплогенератор фирмы «Фисенко» (рис. 1.5).

Рисунок 1.2 - Электродный котел фирмы «Электрокотлы».

Рисунок 1.3 - Электродный котел фирмы «Луч».

Рисунок 1.4 - Электродный котел Водонагреватели типа ЭПЗ.

Рисунок 1.5 - Электродный котел фирмы «Фисенко».

Теоретические основы работы аппаратов Фисоник, как новое научное направление в термодинамике двухфазных потоков, были разработаны профессором Фисенко В.В. в начале 70-х годов (см. статью "Новое в термодинамике двухфазных потоков" в разделе профессора Фисенко В.В.) [10].

.3 Постановка проблемы

Проведем анализ стоимости рассматриваемых электродных котлов по данным фирм-производителей.

Расчёт тепловой мощности электродных котлов производится по формуле 1.1.

, ,(1.1)

где - номинальная мощность (по паспорту), кВт;

- КПД устройства.

Коэффициент полезного действия электродных котлов принят равным 98% (исходя из паспортных данных).

Представим данные фирм-производителей в табличной форме (табл.1.1).

Таблица 1.1 - Паспортные данные фирм-производителей

ФирмаМодельНоминальная мощность P, кВтНоминальное напр., ВПомещение, м3Цена, рубКПДТепловая мощн. Pвых, кВтГаланКотел ГАЛАН ОЧАГ-2 (N) (2 кВт)22207539000,981,96Котел ГАЛАН ОЧАГ-3 (N) (3 кВт)322012539500,982,94Котел ГАЛАН ОЧАГ-5 (N) (5 кВт)522017540000,984,9Котел ГАЛАН ОЧАГ-6 (N) (6 кВт)622020040500,985,88Котел ГАЛАН Гейзер-9 (9 кВт)938037575000,988,82Котел ГАЛАН Гейзер-15 (15 кВт)1538055078000,9814,7Котел ГАЛАН Вулкан-25 (25 кВт)2538087580000,9824,5Котел ГАЛАН ВУЛКАН-36 (36 кВт)363801200108000,9835,28Котел ГАЛАН ВУЛКАН-50 (50 кВт)503801700129500,9849"Электрокотлы"ЭОУ 1/2222012060000,981,96ЭОУ 1/3322018061000,982,94ЭОУ 1/4422024062000,983,92ЭОУ 1/5522030063000,984,9ЭОУ 1/6622036064000,985,88ЭОУ 1/7722042065000,986,86ЭОУ 1/8822048066000,987,84ЭОУ 1/9922054067000,988,82ЭОУ 1/101022060068000,989,8ЭОУ 1/121222075069000,9811,76ЭОУ 3/66380360120000,985,88ЭОУ3/99380540125000,988,82ЭОУ3/1212380750130000,9811,76ЭОУ3/1515380900135000,9814,7ЭОУ3/18183801080140000,9817,64ЭОУ3/21213801260145000,9820,58ЭОУ3/24243801440150000,9823,52ЭОУ3/27273801620155000,9826,46ЭОУ3/30303801800160000,9829,4ЭОУ3/36363802250165000,9835,28ЭОУ3/60603803600410000,9858,8ЭОУ3/90903805400460000,9888,2ЭОУ ​3/1201203807200510000,98117,6ФисенкоФисенко 3 кВт322021044000,982,94Фисенко 6 кВт638036069000,985,88Фисенко 9 кВт938054072000,988,82Фисенко 18 кВт183801080145000,9817,64

На рисунке 1.6 а) и рисунке 1.6 б) показаны зависимости стоимости электродных котлов от тепловой мощности в ценах 2016 года.

Как видно из рисунка 1.6 а) и рисунка 1.6 б), самой низкой стоимостью обладают электродные котлы фирмы «Галан». Цены начинаются от 3700 р.

а)

б)

Рисунок 1.6 - Зависимость стоимости электродных котлов от тепловой мощности с учетом КПД = 98%.

Исследования проведены на базе информации от фирм-производителей. В технической документации к электродным котлам значения КПД равны 98%, а также в технической документации представлены зависимости отапливаемого объема помещений от мощности устройств. В среднем необходимая мощность для нагрева 1м3 составляет 19Вт.

В связи с этим представляет интерес теоретические, натурные и компьютерные исследование работы электродных котлов, с целью определения фактических параметров их работы.

.4 Способы регулирования температуры воды в электрических котлах

На рынке автоматики представлен большой выбор способов регулирования мощности и температуры электрических котлов в том числе использование:

·механических термостатов;

·электронных регуляторов (регуляторы, ПИД-регуляторы, контроллеры, программные задатчики).

Преимущества, которыми обладает механический термостат для электрического котла отопления:

·простота в управлении;

·невысокая стоимость;

·долговечность;

·устойчивость к скачкам напряжения в сети.

Недостатки оборудования:

·низкая чувствительность;

·отклонение от заданного диапазона температур на 2-3 градуса.

Электронная автоматика для электрических котлов отопления и ее преимущества:

·многофункциональность (отвечает за работу котла, циркуляционного насоса и др.);

·точность (незначительные отклонения от заданных человеком параметров температуры);

·независимость (оборудование может работать без вмешательства человека от 8 часов до 1 недели);

·несколько режимов работы.

Недостатки:

·высокая выходная стоимость;

·дорогое сервисное обслуживание;

·монтаж выполняется только профессионалами;

·недопустимы скачки напряжения в электросети.

В настоящее время известно большое количество способов регулирования потребляемой мощности и температуры электродных водонагревателей. Диапазон регулирования мощности электродных водонагревателей составляет от 25 до 100 % - это не обеспечивает стабильности температуры и необходимый ее диапазон регулирования. Кроме того, все известные способы регулирования имеют нелинейные характеристики изменения температуры и потребляемой мощности, а также полностью не используется возможный диапазон регулирования.

Широкий модельный ряд блоков управления электродными котлами представлен исключительно фирмой «Галан». [3].

Известен аппарат плавного регулирования температуры объемным экраном электродного водонагревателя, защищенный патентом на полезную модель 78618 РФ [11]. Данный аппарат (рис. 1.7) регулирует мощность электродного водонагревателя объемным экраном. К преимуществам данного способа относится расширенный диапазон регулирования, простота изготовления. К недостаткам данного способа относится необходимость устройства компрессора для нагнетания воздуха в объемный экран в процессе регулирования.

Известен регулирования температуры теплоносителя в проточной части электродного котла [12]. Данный способ заключается в ограничении площади поверхности электродов диэлектриком, что позволяет снижать мощность короткого замыкания. К преимуществам данного способа относится надежность регулировки мощности. К недостаткам относится ручной способ процесса регулирования, что не всегда представляется возможным.

Рисунок 1.7 - Расчетная схема ЭВН ОЭ: а) Объемный экран отсутствует; б) объемный экран перекрывает часть электродов; в) объемный экран перекрывает электроды полностью; h - высота электродов, м; hэк - высота объемного экрана, м; U - напряжение сети, В; h0 - высота без объемного экрана, м; l - длина линий тока, м; Э - объемный экран.

Обзор способов регулирования мощности и температуры электродных котлов показал, что самый недорогой, простой и надежный способ регулирования мощностью и температурой электродных котлов является механический термостат. Однако наиболее экономично будут работать котлы, если используются программаторы в связи с тем, что у данных устройств меньше значение гистерезиса, а также данные устройства позволяют программировать поддержание необходимой оптимально/ дежурной температуры в заданный промежуток времени.

1.5 Методы интенсификации тепломассообмена

Разработаны и исследуются самые различные методы интенсификации теплообмена. Принципиально их классифицируют на две категории [96]:

) активные методы интенсификации: механическое воздействие на поверхность теплообмена (вращение или вибрация поверхности, перемешивание жидкости и т. п.); воздействие на поток электрическим магнитным или акустическим полем, пульсациями 10 давления; вдув или отсос рабочей среды через пористую поверхность и др.

) пассивные методы, в основе которых - воздействие на поток формой поверхности теплообмена: применение вставных интенсификаторов (винтовых, локальных и пластинчатых закручивателей потока), различное оребрение поверхности теплообмена и др.

В данной работе исследуется эффективность применения нескольких методов интенсификации теплообмена:

·расположение электродов относительно входного патрубка;

·оребрение электродов стальной проволокой диаметром 3 мм с шагом 1 см;

·оптимизация конструктива корпуса и выходного патрубка.

2. Теоретические обоснование исследований

.1 Расчет теплопотерь в учебной аудитории

В данном разделе исследуются теплопотери лаборатории с учетом тепловыделений от людей, осветительных и технологических приборов, находящихся в помещении в рабочее и нерабочее время.

Исходные данные:

1. Приведенные сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции, , определялись по СП 50.13330.2012 [13];

. Коэффициенты теплопередачи для наружной стены и двойного окна определялись раздельно. Следует отметить, что для удобства расчетов площадь наружной стены принимают равной суммарной площади стены и окон, установленных в ней. В качестве коэффициента теплопередачи окон используют разность коэффициентов теплопередачи окон kок и наружной стены kнс (kок- kнс), Вт/(м2*0C). Аналогично рассматривают внутренние стены с дверями, разделяющими помещения, которые имеют разную расчетную температуру внутреннего воздуха. Наружную стену и расположенную в ней входную наружную дверь рассчитывают раздельно;

. В расчете учитывались теплопотери через пол, расположенного на грунте. В соответствие с методикой расчета пол разбивался на зоны (т.к. площадь пола 20 м2и наименьшая сторона равна 4м, поэтому коэффициент теплопередачи определялся только для зоны I);

. В расчете не учитывались теплопотери через внутренние стены и потолок, т.к. разница температур в данном и соседних помещениях не превышает 30С;

. В исследуемом помещении удельный вентиляционный расход воздуха м3/(ч*чел) определялся расчетом.

. В расчете принято количество человек в размере 10 людей.

. Нормы минимального воздухообмена в лабораториях ВУЗов принимались из табл. 3 СТО НП «АВОК» 2.1-2008 [14].

. В помещении отсутствует механическая приточная вентиляция с подогревом, приток осуществляют за счет инфильтрации и проветривания, а потребность в теплоте на нагрев наружного воздуха учитывается в теплопотерях, компенсируемых системой водяного отопления.

. Итоговые расчетные теплопотери должны быть компенсированы системой отопления в рабочие часы в остальное время должны компенсироваться итоговые расчетные теплопотери в нерабочее время (теплопотери без учета тепловыделений и вентиляционной нормы наружного воздуха).

В таблице 2.1 представлены формулы, используемые в расчёте.

Таблица 2.1 - Формулы для расчета теплообмена от ЭТГК в КП

Наим.величиныФормула для вычисленияЕд. изм.Расчетные теплопотери в помещенияхВтВнутренние теплопоступления в помещениеВтТрансмиссионные теплопотериВтКоэффициент теплопередачи ограждения конструкцииПотребность в теплоте на нагрев инфильтрационного воздухаВтУдельный расход инфильтрационного воздухачерез окна, витражи, витрины, зенитные фонари, балконные двери кг/(ч*м2)через входные наружные двери, ворота Расчетная разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждающих конструкцийПаУдельный вес воздухаНаружного Н/м3Внутреннего Давление внутреннего воздухадля зданий со сбалансированной системой механической вентиляции и равномерно распределенными по фасадам воздухопроницаемыми элементами Падля зданий со сбалансированной системой механической вентиляции и неравномерно распределенными по фасадам воздухопроницаемыми элементами Потребность в теплоте на нагрев вентиляционной нормы наружного воздухаВтРасчетную температуру приточного воздуха (сухой нагрев в калориферах)0СТеплоотдача отопительных приборов в помещении

- учитывающий дополнительные теплопотери в приборах у наружных ограждающих конструкций;

- коэффициент запаса поверхности нагрева отопительных приборов, позволяющий учесть компенсацию возможных теплопотерь через внутренние ограждения смежных помещений, в которых посредством термостатов поддерживается температура внутреннего воздуха ниже расчетной, или учесть прервывистый режим отопления в общественных зданиях (как правило 1…1,2), а так же необходимость в «сушке» стен в первые годы эксплуатации здании после окончания строительства;

где - разность потребности в теплоте на нагрев наружного воздуха в целом на квартиру (исходя из нормы воздухообмена) и внутренних теплопоступлений в квартире, распределяемая пропорционально площади помещения квартиры, имеющих окна или воздухопропускные клапаны в стенах, Вт;

- площадь n-го помещения, м2;

- площадь помещения квартиры, имеющего окна или воздухопропускные клапаны наружного воздуха (кроме жилых помещений это могут быть кухни, ванные комнаты, с окном и т.д.), м2ВтРасчетная тепловая нагрузка на систему водяного отопления

- коэффициент учета дополнительного теплового потока устанавливаемых отопительных приборов за счет округления сверх расчетной величины; принимают при отсутствии термостатов на отопительные приборы по таблице 3.7, при наличии= 1,0;

- добавочные теплопотери на остывание теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, проложенных в неотапливаемых помещениях от места установки домового узла учета теплоты, Вт; определяют расчетом с учетом параметров теплоизоляции этих трубопроводов.ВтРасчетная тепловая нагрузка на систему воздушного отопленияВт

В результате расчета получены следующие зависимости рис. 2.1-2.3.

Расчет потребности в теплоте учебной аудитории произведен по стандартным формулам, представленным на рисунках 2.1-2.3 (расчет потребности в теплоте определяется по итогам составления теплового баланса в помещении, составляющие теплового баланса: трансмиссионные теплопотери. Коэффициент теплопередачи наружной стены 4 аудитории удовлетворяет требованиям по теплосбережению (СП 50.13330. 2012).

Рисунок 2.1- Динамика вопроизводства тепловой энергии при изменении температуры окружающей среды.

Рисунок 2.2 - Динамика вопроизводства тепловой энергии при изменении температуры внутренней среды.

Согласно расписанию учебных занятий, был определен график подачи тепловой энергии в учебное помещение, который представлен на рисунке 2.3. На рисунке 2.3 показана зависимость потребности в теплоте в течении недели. Т.к. во вторник и в четверг по расписанию в учебной аудитории проводятся лабораторные работы у студентов, следовательно, потребность в теплоте на нагрев вентиляционной нормы воздуха возрастает (из расчета удельной нормы вентиляционного расхода = 400 м3/ч на 10 человек) и, таким образом, потребность в теплоте в рабочее время увеличивается в несколько раз по сравнению потребностью в теплоте в нерабочее время.

Рисунок 2.3 - Динамика вопроизводства тепловой энергии при изменении температуры окружающей среды по дням недели.

2.2 Гидравлический расчет проточной части котла

Проведем предварительную оценку распределения основных гидравлических параметров в проточной части котла. Расчет будем производить на основании напорных характеристик циркуляционного насоса Grundfos UPS-25/80 180 (рис. 2.4).

Условно разбиваем проточную часть котла на 4 сечения (рисунок 2.5).

Для нахождения площадей сечений 1,2, 3,4 используем формулу (2.1):

.(2.1)

Рисунок 2.4 - Напорные характеристики электрического насоса

Результаты расчета приведен в таблице 2.2:

Таблица 2.2 - Результаты расчета площадей сечения

СечениеРазмерЕд. изм.S10.00038м2S30.005672м2S40.00038м2

Для определения площади сечения 2 необходимо учесть геометрические характеристики ТВЭЛов

Площадь сечения ТВЭЛа равна S1тв=, 0,00025м2., трех ТВЭЛов

равна S3тв=,00075м2.

Площадь проточной части сечения 2 равна без ТВЭЛов S2 =S3-S3тв, S2=0,00491 м2.

По характеристике сети насоса рисунке 2.5 (режим 3) принимаем следующие расходы рабочего тела через проточную часть ЭТГ (таблица 2.3).

Скорости в основных сечениях проточной части по расходам представленным в таблице 2.3, определены в таблицах 2.4, 2.5, 2.6.

Рисунок 2.5 - Сечения котла

Таблица 2.3 - Расходы рабочего тела через проточную часть ЭТГ

расход, м3/ч3 режим, м.вод.ст.Q113Q221.9Q330.8

Таблица 2.4 - Скорости по расходам 1

Для расхода,Q1W1ср0.73111м/сW2ср0.05659м/сW3ср0.048977м/сW4ср0.73111м/с

Таблица 2.5 - Скорости по расходам 2

Для расхода,Q2W1ср1.462219м/сW2ср0.11318м/сW3ср0.097954м/сW4ср1.462219м/с

Таблица 2.6 - Скорости по расходам 3

Для расхода,Q3W1ср2.193328771м/сW2ср0.16976989м/сW3ср0.14693026м/сW4ср2.193328771м/с

Число Рейнольдса (Re) для каждого из сечений ТГ по формуле (2.2):

. (2.2)

где d-характерный размер, м;

Wcр - средняя скорость в живом сечении, м/с;

v - коэффициент кинематической вязкости (таблица П.1), м2/с.

Для определения коэффициента трения сопротивления λ воспользуемся формулами (2.3)-(2.6):

λ = 0,3164/Re 0,25; 10 4 ≤Re ≤ 10 6 (2.3)

λ =0,0032 + 0,221/Re 0,37; Re >10 4 - 10 5 ,(2.4)

λ=0,11(Кэ/d1+68/Re)0,25 2000 ≤Re ≤ 10 6 (2.5)

λ = 64/Re; Re ≤ 2300(2.6)

Результаты расчета чисел Рейнольдса по формулам 2.3-2.6 представлены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 - Результаты расчета чисел Рейнольдса

Расход№ сеченияТемператураd, мWср, м/сv, (м2 / с)∙10-6ReλQ1=1м3/ч1200.0220.731.004160200.0281232200.0850.061.00447910.038033200.0850.051.00441460.0394294200.0220.731.004160200.028123Q2=2м3/ч1200.0221.461.004320410.0236492200.0850.111.00495820.031983200.0850.101.00482930.0331564200.0221.461.004320410.023649Q3=3м3/ч1200.0222.191.004480610.0213692200.0850.171.004143730.0288973200.0850.151.004124390.029964200.0222.191.004480610.021369

Потери напора по длине от сечения к сечению для текущего теплоносителя определяются по формуле Дарси-Вейсбаха (2.7).

,(2.7)

где λ- коэффициент гидравлического трения - сопротивления для участка трубы (зависит от числа Рейнольдса),

l и d - длина и диаметр трубы, м,

ξ - принят коэффициент местного сопротивления, при внезапном расширении -1,25, при внезапном сужении - 0,5.

Коэффициент местного сопротивления определен в результате компьютерного моделирования течения жидкости в проточной части котла с помощью программы Ansys при определенных граничных условиях: давление на выходе из котла, температура на входном и выходном патрубках (Приложение 2). Результат расчета потерь напора по длине от сечения к сечению представлен в таблице 2.8. При расчете коэффициента трения λ использовалась формула 2.5.

Таблица 2.8 - Результаты расчета потерь напора по длине от сечения к сечению

Расход№ сеченияλWср, м/сΔh,м.вод.ст. Сумма Δh, м.вод.ст.Q1=1м3/ч10.0281234510.730.0151890460.0305411420.038030350.068.23561E-0530.0394291740.058.06954E-0540.0281234510.730.015189046Q2=2м3/ч10.0236489091.460.0597587950.1201568720.0319795850.110.0003289530.0331558510.100.0003103340.0236489091.460.059758795Q3=3м3/ч10.0213692022.190.1333139430.2680514420.0288968170.170.00073959530.0299596930.150.00068396740.0213692022.190.133313943

График изменения скорости в сечениях по длине проточной части приведен на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 - Изменение скорости в сечениях по длине проточной части (7,10,20,34см)

По закону Бернулли связь средней скорости и давления находится из закона сохранения механической энергии для напора H в данном сечении F (2.8).

,(2.8)

где Z- высота положения оси трубопровода относительно выбранной системы координат (рис.2.5), м,

Р- давление жидкости в трубопроводе, Па,

-средняя скорость потока, м/с,

α-коэффициент Кориолиса.

Мощность в каждом сечении в ТГ находим по уравнению (2.9)

,Вт,(2.9)

где Н- напор на единицу весового расхода, м,расход жидкости, Н/сек,

,(2.10)

где Y-удельный вес жидкости (справочные данные),Н/м3,

Q-расход жидкости, м3/с.

Мощность и напор в каждом из сечений приведены в таблице 2.9.

Таблица 2.9 - Мощность и напор в каждом из сечений

Расход№ сеченияZ, м(P/Y) м. вод ст.αWср, м/сH, м. вод ст.Y, Н/м3Q, м3/сG, Н/секN, ВтQ1=1м3/ч10.0731.10.733.1098100.0002777782.7258.44741320.10.063.1098100.0002777782.7258.447989330.20.053.2098100.0002777782.7258.720366540.340.733.3798100.0002777782.7259.183163Q2=2м3/ч10.071.91.462.0998100.0005555565.4511.38980420.10.112.0098100.0005555565.4510.90391430.20.102.1098100.0005555565.4511.44793240.341.462.3698100.0005555565.4512.861304Q3=3м3/ч10.070.82.191.1498100.0008333338.1759.317150120.10.170.9098100.0008333338.1757.3707130.20.151.0098100.0008333338.1758.184894740.342.191.4198100.0008333338.17511.5244

Для нахождения механической энергии котла пользуемся формулой 2.11

(2.11)

где N- мощность, в каждом из сечений ТГ, Вт, найденная по формуле (3.10),

τ-время, сек, (по экспериментальным данным).

Результаты расчета механической энергии по сечениям 1,2,3,4 приведены в таблице 2.10

Таблица 2.10 - Результаты расчета механической энергии

Расход№ сеченияN, ВтЕ1,ДжЕ2,ДжСумма Е1, ДжСумма Е2, ДжQ1=1м3/ч18.447413126.7111942872.120409521.9811831.636828.447989126.7198392872.31634838.720366130.8054972964.924649.183163137.7474443122.275409Q2=2м3/ч111.3898170.8470563872.533268699.0415845.0041210.90391163.5587113707.330785311.44793171.7189773892.296802412.8613192.9195564372.843268Q3=3м3/ч19.31715139.7572513167.83103545.9512375.032727.37071110.560652506.041438.184895122.7734212782.864208411.5244172.8660013918.29603

.3 Расчет конвектора

Проведем расчет максимальной мощности теплоотдачи конвектора с регулируемой теплоотдачей, ребра охлаждения у которого выполнены из тонких металлических пластин прямоугольной формы. В качестве расчетной модели такого конвектора принят прибор, нагревательный элемент которого по конструкции полностью идентичен нагревательному элементу конвектора марки «Комфорт-20» модели КСК20-0,655. Все технические и геометрические параметры конвектора «Комфорт-20» модели КСК20-0,655 приведены в таблице 2.11.

Алгоритм и результаты расчета основных тепловых характеристик принятой модели навесного конвектора с регулируемой теплоотдачей приведены в таблице 2.12 Расчет проведен для условия, при котором оребренные накладки максимально сдвинуты между собой, т.е. плотно прижаты к трубе нагревательного элемента конвектора.

Таблица 2.11 Технические и геометрические параметры конвектора «Комфорт-20» модели КСК20-0,655

НаименованиеОбозн., ед. изм.ЗначениеОбщая длина конвектораLк, мм826Наружный диаметр трубы нагревательного элементаd1, мм26,8Внутренний диаметр трубы нагревательного элементаd2, мм21,2эквивалентный диаметр трубы нагревательного элементаdэ, мм19длина оребренного участка трубы нагревательного элементаLор, мм540,5суммарная длина прямых участков неоребренной части трубы нагревательного элемента конвектораlпр, мм447,2расстояние между осями соседних ветвей трубы нагревательного элемента, lос, мм80длина загнутого участка (калача) трубы нагревательного элементаlзаг,мм 125,66длина прямолинейного участка одной ветви трубы нагревательного элемента конвектораlв, мм775,1теплопроводность материала трубы нагревательного элемента (стали)λ1, Вт/(м׺С)45длина трубы нагревательного элемента конвектораL = 2×lв + lзаг, мм1675,86Параметры съемной накладки, размещенной на нагревательном элементе выполненной из стальной трубынаружный диаметр накладкиd3,мм33,5внутренний диаметр накладкиd4, мм26,8толщина стенки накладкиd5, мм3,5припуск на длину накладкиlн, мм11кинематическая вязкость горячего теплоносителяmвод, с/м20,00000032теплопроводность горячего теплоносителяλвод, Вт/(м׺С)0,58плотность горячего теплоносителяrвод, кг/м31000объемная теплоемкость горячего теплоносителяCвод, кДж/(м3׺С);4189удельная теплоемкость горячего теплоносителяcвод, Дж/(кг׺С).4220Параметры воздуха окружающей среды нагреваемого навесным конвекторомтемпература воздухаtв, ºС20кинематическая вязкость воздухаmвоз, с/м20,0000001506теплопроводность воздухаλвоз, Вт/(м׺С);0,034температурный коэффициент объёмного расширения воздухаbвоз, ºС-1.0,003665Параметры теплопровода системы отопления, выполненные из сталинаружный диаметр трубыdн,мм;26,8внутренний диаметр трубыdвн,мм21,2толщина стенки трубыdстен,мм2,8средняя скорость горячего теплоносителяw,м/с;0,2833расход горячего теплоносителяWв,кг/с0,1lтеплопроводность материала трубы (стали)λтр, Вт/(м׺С)45температура горячего теплоносителя на входе в трубу длиной lтр=2,5мtвx, ºС90средняя величина падения температуры горячего теплоносителя на один этаж зданияtпад, ºС1,211температура горячего теплоносителя на выходе из трубы длиной lтр = 2,5мtвых = tвх - tпад,ºС88,789длина трубыlтр,м2,5

Таблица 2.12 Алгоритм и результаты расчета основных тепловых характеристик навесного конвектора.

Число Рейнольдса для горячего теплоносителя (воды)Re = (w×dэ)/mвод8 815,07Температуропроводность горячего теплоносителя (воды)м2/caвод= λвод/(cвод×rвод)1,37Критерий ПрандтляPr = mвод/aвод2,33Критерий НуссельтаNu = 0,023×Re0,8×Pr0,43473,95Коэффициент теплоотдачи A1Вт/(м2׺С)A1 = Nu×lвод/dэ14 467,97Расчет коэффициента теплоотдачи A2тр от наружной поверхности неоребренного участка стенки трубы нагревательного элемента конвектора холодному теплоносителю (воздуху) окружающей средыОбъемный расход горячего теплоносителя (воды)м3/сVвод= w×π×dвн2/45,23798E-05Мощность теплового потока от горячего теплоносителя (воды)ВтNгт= Vвод×Cвод×(tвх- tвых)0,267682564Величина теплового потока от горячего теплоносителя (воды)ДжQ = Nгт×(lтр/w)0,451Средняя температура горячего теплоносителя (воды)ºСtср= (tвх + tвых)/289,3945Температура внутренней поверхности стенки трубыºСtвн = tср - - Q/[(A1×π×dэ×lтр)×(lтр/w)]89,39437595Температура наружной поверхности стенки трубыºСtн = tвн - - Q×[ln(dн/dэ)/(2×π×lтр×lтр)]89,29562303Температурный напор между наружной стенкой трубы и холодным теплоносителем (воздухом) окружающей средыºС∆tтр = tн - tвоз69,29562303Критерий ГрасгофаGr = lтр3×g×bвоз×∆tтр/mвоз21,630×1015Критерий НуссельтаNu = 1,18×(Gr×Pr)0,12594,06Коэффициент теплоотдачи A2трВт/(м2׺С)A2тр = Nu×lвоз/dн119,33Расчет коэффициента теплоотдачи A2трк(рабу) от наружных поверхностей оребренных накладок трубы нагревательного элемента конвектора холодному теплоносителю (воздуху) окружающей средыТемпература наружной поверхности стенки трубы оребренного (рабочего) участка конвектора (наружных поверхностей оребренных накладок)ºСt1 = tвн - [Q/(2×π×lтр)]× ×{ln(d1/dэ)/l1+ +ln[(d1+2×dпр1) /d1]/lпр1+ ln[(d1 + 2×dпр1 + 2×d5)/(d1 + 2×dпр1)]/ l2}84,4Температурный напор между наружной поверхностью оребренных накладок оребренного (рабочего) участка конвектора и холодным теплоносителем (воздухом) окружающей средыºС∆t1 = t1 - tвоз64,4Критерий ГрасгофаGr = lтр3×g×bвоз×∆t1/mвоз21,595×1015Критерий НуссельтаNu = 1,18×(Gr×Pr)0,12593,81Коэффициент теплоотдачи AВт/(м2׺С)A = Nu×lвоз/d195,21Расчет коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности пластины конвектора холодному теплоносителю (воздуху) окружающей средыВнутренний диаметр пластины конвектора (равен наружному диаметру трубы оребренного участка нагревательного элемента конвектора dн)мdп = dн= d1 + 2×dпр1 + 2×d50,0335Температура наружной поверхности пластины конвектора приºСtпл = t1- [Q/(2×π×lтр)]×{ln[dпл1/ dн]/(lвоз) + ln(dпл2/dпл1)/(lпл)}78,531Температурный напор между наружной стенкой пластины конвектора и холодным теплоносителем (воздухом) окружающей средыºС∆tпл= tпл - tвоз58,531Критерий ГрасгофаGr = lтр3×g×bвоз×∆tпл/mвоз21,450×1015Критерий НуссельтаNu = 1,18×(Gr×Pr)0,12592,69Коэффициент теплоотдачи А2плВт/(м2׺С)A2пл = Nu×lвоз/dпл237,24Расчет мощности теплоотдачи N1 с одного погонного метра поверхности наружной стенки трубы теплопроводаКонвекционная теплоотдача трубы теплопроводаВт/(м2×oC)qкон= 4,1×(tн - tвоз)0,2511,68Теплоотдача трубы теплопровода при тепловом излученииВт/(м2×oC)qизл= 20,4×10-8× ×[273 + (tн + tвоз)/2]37,06Общая теплоотдача с 1м2поверхности трубы теплопроводаВт/м2Q = (qкон+ qизл)×(tн - tвоз)1 233,31Площадь наружной поверхности трубы теплопровода при длине lтр=2,5мм2S = π×dн×lтр0,2105Мощность теплоотдачи с поверхности трубы теплопроводаВтN = Q×S259,59Мощность теплоотдачи N1Вт/пмN1 = N/lтр103,83Расчет мощности теплоотдачи Nплк пластин конвектораКонвекционная теплоотдача одной пластины конвектораВт/(м2×oC)qпл1= 4,1×(tн - tвоз)0,2511,34Теплоотдача одной пластины конвектора при тепловом излученииВт/(м2×oC)qпл2= 20,4×10-8× ×[273 + (tн + tвоз)/2]36,828Площадь поверхности одной пластиным2Sпл = π×dпл22/4 - π×dпл12/40,004744Мощность теплоотдачи одной пластины конвектораВтNпл = (qпл1+ qпл2)× ×[(tн- tвоз)/2]×Sпл2,52Мощность теплоотдачи Nплк пластин конвектораВтNплк= nпл×Nпл459,03Расчет мощности теплоотдачи Nн3 с поверхности неоребренной части трубы нагревательного элемента конвектораТемпература наружной поверхности стенки неоребренной части трубы нагревательного элемента конвектораºСtн1 = tвн - - Q×ln(d1/dэ)/(2×π×lтрк×lтр)85,813Конвекционная теплоотдача неоребренной части трубы нагревательного элемента конвектораВт/(м2×oC)qн1= 4,1×(tн1 - tвоз)0,2511,678Длина неоребренной части трубы нагревательного элемента конвекторамlн1 = lпр + lзаг0,57286Площадь поверхности неоребренной части трубы нагревательного элемента конвекторам2Sн1 = π×d1×lн10,0482Мощность конвекционной теплоотдачи с поверхности неоребренной части трубы конвектораВтNн1 = qн1×(tн1 - tвоз)×Sн137,07Теплоотдача неоребренной трубы нагревательного элемента конвектора при тепловом излученииВт/(м2×oC)Qн2= 20,4×10-8× ×[273 + (tн1 + tвоз)/2]37,06Мощность теплоотдачи с поверхности неоребренной части трубы нагревательного элемента конвектора при тепловом излученииВтNн2 = qн2×(tн1 - tвоз)×Sн122,42Полная мощность теплоотдачи Nн3 с поверхности неоребренной части трубы нагревательного элемента конвектораВтNн3 = Nн2 + Nн159,48Расчет мощности теплоотдачи с наружной поверхности оребренного участка трубы нагревательного элемента конвектораДлина оребренного (рабочего) участка трубы нагревательного элементамL1= dпл×nсек+ d×(nпл- nсек)1,0810Конвекционная теплоотдача с чистой поверхности оребренного участка трубы нагревательного элементаВт/(м2×oC)qр1 = 4,1×[t1- tвоз]0,2511,615Длина неоребренной части рабочего оребренного участка трубы нагревательного элементамlр1= nпл×d - nсек×(d - dпл) + + nсек×lн- dпл×nпл1,012Площадь поверхности неоребренной части рабочего оребренного участка трубы нагревательного элементам2Sр1×dн× lр10,1065Мощность конвекционной теплоотдачи с поверхности неоребренной части рабочего оребренного участка трубы нагревательного элементаВтNр1 = qр1×[t1 - tвоз]×Sр179,66Теплоотдача неоребренной части рабочего оребренного участка трубы нагревательного элемента при тепловом излученииВт/(м2×oC)qизл1= 20,4×10-8×{273 + [t1+ tвоз]/2}37,02Мощность теплоотдачи с поверхности неоребренной части рабочего оребренного участка трубы нагревательного элемента при тепловом излученииВтNизл1 = qизл1×[t1 - tвозSр148,12Полная мощность теплоотдачи с поверхности неоребренной части рабочего оребренного участка трубы нагревательного элемента конвектораВтNр2 = Nр1 +Nизл1127,78Сводная таблица основных тепловых характеристик навесного конвектораМощность теплоотдачи пластин конвектораВтNплк459,03Мощность теплоотдачи оребренного участка трубы нагревательного элемента конвектораВтNр2127,78Полная мощность теплоотдачи оребренного участка конвектораВтNк1 = Nплк+ Nр2586,82Мощность теплоотдачи неоребренного участка трубы нагревательного элемента конвектораВтNн359,48Полная мощность теплоотдачи конвектораВтNк = Nк1 + Nн3646,3

Таким образом произведен аналитический расчет основных тепловых характеристик конвектора марки Комфорт-20М по алгоритму, представленному в таблице 2.12. В частности, на основании определения критерия Нуссельта, рассчитаны коэффициенты теплоотдачи:

) от горячего теплоносителя (воды) к внутренней стенке трубы нагревательного элемента конвектора

) от наружной поверхности неоребренного участка стенки трубы нагревательного элемента конвектора холодному теплоносителю (воздуху) окружающей среды

) от наружных поверхностей оребренных накладок трубы нагревательного элемента конвектора холодному теплоносителю (воздуху) окружающей среды

) от наружной поверхности пластины конвектора холодному теплоносителю (воздуху) окружающей среды

После определения коэффициентов теплоотдачи определена полная мощность теплоотдачи конвектора, состоящая из мощности теплоотдачи пластин конвектора, мощности теплоотдачи оребренного участка трубы нагревательного элемента конвектора, мощности теплоотдачи неоребренного участка трубы нагревательного элемента конвектора при следующих исходных параметрах: w- средняя скорость горячего теплоносителя, w= 0,2833 м/с; Wв - расход горячего теплоносителя, Wв = 0,100кг/с; lтр- теплопроводность материала трубы (стали), lтр= 45Вт/(м׺С); tвх - температура горячего теплоносителя на входе в трубу длиной lтр = 2,5м, tвх = 8С.

водонагреватель конвертор электродный котел

3. Натурные испытания

Выявление связи между теплоэнергетическим устройством и окружающей средой (рис.3.1) осуществляется посредством представления ТС в виде «источник энергии-приёмник», где источником энергии является тепло-,механо-,аэрогидравлическая установка, предназначенная для создания условий комфортности в климатизируемом объеме (пространстве), которое, в свою очередь, является приемником энергии. Измерения производились с помощью приборов (Приложение 3).

Рисунок 3.1 - Энергообмен в термодинамической системе: ТГ - теплогенератор, ТС - тепловая сеть, К - конвектор, ЭН - электрический насос, ЭЩ - электрический щит, Q1, Q2 - тепловая энергия в помещение и из помещения соответственно.

Энергообмен в исследуемой термодинамической системе представлен на рисунке 3.1.

3.1 Инструкция по проведению опытов

Лабораторная работа выполняется группой студентов в количестве 10-14 человек под руководством преподавателя. В начале занятия студенты опрашиваются преподавателем по теории соответствующей лабораторной работы и порядке её выполнения, которые коротко изложены в настоящих методических указаниях. По окончании эксперимента результаты наблюдений, оформленные в виде таблиц, предъявляются преподавателю.

При выполнении очередной работы студенты должны представить преподавателю отчет по предыдущей работе.

Отчет по каждой лабораторной работе, в который входит как текстовая так и графическая части, должен грамотно оформляться на стандартных листах белой бумаги А4 (210х297 мм), сброшюрованных с титульным листом (см. образец) в соответствии с ГОСТ 19600-74 и на твердых носителях информации. В печатном варианте отчет должен быть отпечатан либо через один, либо полтора межстрочных интервала, одновременное использование двух вариантов не допускается. Нумерация страниц оформляется по центру внизу страницы. По всем четырем сторонам листа следует оставить поля: размер левого поля 30 мм, правого 15 мм, верхнего и нижнего полей не менее 20 мм.Текстовые документы оформляют в виде сброшюрованной пояснительной записки. В сквозную нумерацию страниц включаются приложения и список литературы, а также исполненные на отдельных листах рисунки, графики, диаграммы, таблицы и компьютерные распечатки формата А4.

В отчете должны быть отражены следующие пункты:

. цель работы и задачи исследований;

. краткое изложение теории по сути исследований;

. принципиальная схема лабораторной установки или ее участка с краткими пояснениями о ее функционировании;

. таблицы с результатами наблюдений и методология последующей математической их обработки;

. графическая иллюстрация главных положений по результатам расчетно-экспериментальных исследований;

. основные выводы, непосредственно вытекающие из результатов работы.

Над каждым столбцом в таблице необходимо указать, какие величины приведены в таблице и в каких единицах.

Графический материал, приведенный в отчете, должен удовлетворять следующим требованиям:

графики выполняются в электронном виде и распечатываются на отдельных листах бумаги;

графики должны быть занумерованы и иметь названия;

если на одном графике приводятся результаты нескольких экспериментов, отличающихся условиями их проведения или опытными образцами, то для отметки экспериментальных точек следует пользоваться различными значками;

графики должны сопровождаться объяснениями обозначений нанесенных точек;

на осях графика следует указывать название или символ величины и единицы ее измерения, при этом, если измеряемые величины отличаются на много порядков от 1, то целесообразно представить их в форме с десятичным множителем (например, P*10-5 Па и т. д.);

если на графике для сравнения с экспериментом приводится теоретическая кривая, то расчетные точки, используемые для ее построения, не должны быть видны на графике;

кривые должны быть проведены плавно, через возможно большее число точек.

Графики должны быть наглядными, удобными и легко читаемыми. Это во многом зависит от удачной разметки осей графика, т. е. от правильного выбора масштаба и диапазона (интервала), в котором представляется исследуемая величина. Масштаб должен быть простым. Лучше всего, когда одному сантиметру (1 см) оси соответствует единица измеренной величины или ее значение, кратное 10. Возможен также масштаб, кратный 2 или 5.

Выбор начального и конечного значения шкалы на осях производится из условий более полного использования всего поля графика.

.2 Алгоритм включения лабораторного стенда в работу

. Формирование таблиц экспериментальных данных и разбиение на подгруппы;

. Регулировка арматуры для работы необходимого циркуляционного контура;

. Заполнение установки сетевой водой до давления в верхнем манометре, заданного преподавателем (от 0,1 до 0,3) с помощью открывания шарового крана, расположенного на трубопроводе, соединенного с системой отопления;

. Включить в сеть установку (включить подачу электрической энергии на установку) (на 3-хфазном выключателе поднять вверх рычажки желтого и зеленого цвета);

. Задать на блоке автоматики температуру нагрева, заданную преподавателем (от 0 до 100), и поднять вверх рубильник, после чего начнет работать теплогенерирующая установка;

. Настроить насос на режим, заданный преподавателем (изменить угол поворота шарового крана от 0-900);

. Включить циркуляционный насос, заранее выбрав необходимую скорость его работы (переключение скоростей производить только при отключении подачи электрической энергии насосу);

. Включить компьютеры (нажать на системном блоке кнопку «пуск»);

. На компьютере открыть программу 7018rec (из папки «эксперименты», находящейся на рабочем столе);

. Запускается специальное приложение «7018rec» на компьютере ( путь к файлу С:\лабораторная работа\эксперимент\7018rec), с помощью которой происходит сохранение данных, полученных термопарами, подключенными к блоку «ТГ» и блоку «Конвекторы». Настройка программы постоянна (не изменять).

. Включить кнопку «startrecord» для фиксации показаний термопар, убедившись в том, что термопары отображаются в программе виде галочек напротив названий термопар.

. При отсутствии галочек в ячейках напротив названий термопар в программе, необходимо проверить включен ли блок АЦП, не нарушился ли контакт в месте соединения кабеля от блока питания с проводом от АЦП (показатель работы АЦП-горящие красным цветом кнопки на блоках). Если кнопки горят, но термопары не отображаются, тогда надо зайти в свойства «мой компьютер», далее зайти в «оборудование», найти «порты», проверить, что помимо работающего порта принтера и порта кабеля от АЦП больше нет работающих портов (при наличии удалить), и проверить, что порт от кабеля блока АЦП является портом COM-1, если порт с другим обозначением, тогда зайти в свойства порта и изменить на COM-1 и перезагрузить компьютер.

. Снять показания при начальных условиях (показания с манометров, расходомера, амперметра, температур ограждения, тепловыделяющих устройств в помещении и т.д.)

. Обработать матрицы экспериментальных данных;

. Выполнить расчеты, заданные преподавателем.

Примечание:

Для того, чтобы обработать данные, полученные блоками АЦП, необходимо открыть записанный файл (он автоматически сохраняется в папке с программой и определить его можно по дате сохранения/изменения) в программе MSEXCEL. Для начала открывают программу и потом с помощью следующих операций: «файл» далее «открыть» далее изменить формат поиска файлов на «все форматы» найти путь сохранения файла и открыть его. После чего появляется окно, в котором ничего не изменяя нажимать «далее» пока не появится таблица с данными. В появившейся таблице будет ~9 столбцов , первый из которых «Время» а остальные столбцы - это данные термопар с нулевой по седьмую. Далее выделяется область данных (полностью), например с помощью команды сtrl+А и выполняют команду ctrl+F. Далее переходят в открывшемся окне во вкладку «Найти и заменить» и прописывают в первой ячейке знак запятой «,» а в нижней ячейке знак точки «.». После чего полученные данные необходимо оформить в виде температур (за исключением показания первого столбца) следующим образом: на пустой ячейке пишут знак «=» и вводят следующую формулу: 24,53*x+27,3, где x-показания термопар. Функция для перевода значений ТЭДС в значения температур находится для каждой термопары в результате их градуировки.

.3 Гидравлический расчет проточной части котла

На базе проведенных экспериментов и анализа литературы сформирована методика расчета потерь механической энергии. В результате расчитываются потери напора в электротеплогенераторе, совершаемая механическая работа на проталкивание рабочего тела. Определяются условия образования кавитационного режима и вычисляется коэффициент трансформации механической энергии.

Для удобства делим проточную часть котла на четыре участка (рис. 2.5).

Участок 0-1.

Общие исходные данные:

1)Температура жидкости tж = 20°С

2)Геометрические параметры теплогенератора

)Расход жидкости G=966 кг/ч

)Диаметр входного патрубка d1=0,021м

)Диаметр корпуса ЭТГ d2=0,032м

)Плотность жидкости при температуре среды tж=20°С → ρ=998,2 кг/м3

На этом участке происходит внезапное расширение потока. Вода из входящего патрубка, поступает в теплогенератор, внизу у которого установлены электроды (3.1).

(3.1)

Скорость движения теплоносителя находим по формуле (3.2):

(3.2)

Зная скорость теплоносителя и значение коэффициента местных сопротивлений, можно найти потери механической энергии (3.3):

,, м(3.3)

Для определения характера движения теплоносителя находим число Рейнольдса. При Re>2300 -режим движения теплоносителя турбулентный, если, если Re<2300 режим движения теплоносителя будет ламинарным (3.4).

(3.4)

=16209 > 2300, следовательно режим движения жидкости турбулентный.

Так как режим движения теплоносителя турбулентный, коэффициент гидравлического трения находим по формуле (3.5):

(3.5)

Удельные потери давления на трение равны нулю, поэтому суммарные потери давления на участке 0-1 (3.6):

, м(3.6)

Потери механической энергии по уравнение Бернулли (3.7):

(3.7)

Аналогичным образом рассчитываются остальные участки котла. Результаты расчета приведены в таблице 3.1.

.4 Тепловой баланс котла

В данном разделе представлены результаты расчетно-экспериментального определения теплового баланса электродного котла (рис.3.2) с целью получения информации о: 1) теплоте, выделяемой в котле, 2) теплоте, воспринимаемой водой, 3) теплоте рассеивающейся в помещении. Основные результаты исследования, представленные в данном разделе опубликованы в сборниках научных конференциях [33-37].

Рассмотрим тепловой баланс электродного котла и на его основе составим дифференциальное уравнение. Пусть в единицу времени в воде выделяется количество теплоты

Таблица 3.1 - Результаты гидравлического расчета

Номер участкаСкорость водыНа участкеСумма коэффициентов местных сопротивленийПотери давления в местных сопротивленияхСуммарные потери давления на участкеЧисло РейнольдсаКоэффициент гидравлического тренияУдельные потери давления на трениеАбсолютное давлениеПотери механической энергииУравнение БернуллиМеханическая работа, ДжwRlΣξhм.с.Rl+hReλRРабсΔhh вх.вых.ΔLм/сПамПаПа/мПаммДжсхема с конвекторами третья скорость насоса при α=0°0_10,6269790внезапное расширение0,11816410,002369930,0023699313088,040,0366610134500,70,2276081,4466395599765,61_20,2700170,010534поворот1,50,00557980,016113838589,0250,0368570,065838134500,72,3221661,44663952_30,0432030,000139внезапное расширение0,363,4282E-050,000173723435,610,0422030,00082134500,70,0227271,43140093_40,6269790внезапное сужение0,54390630,010908740,0109087413088,040,0366610134500,71,0476751,4031269

,

где Ро - электрическая мощность, Вт. Тогда за бесконечно малый промежуток времени количество теплоты будет идти на нагрев воды Q1 и частично отдаваться во внешнюю среду Q2.

Тепловой баланс электродного котла представим в виде уравнения (3.8):

Q=Q1+Q2 (3.8)

Рисунок 3.2 - Геометрия электродного теплогенератора

. Определим теплоту, выделяемую в котле.

В исследуемом теплоэнергетическом устройстве происходит процесс преобразования электрической энергии в тепловую.

По закону Джоуля-Ленца в электронной теории энергия, накапливаемая электронами, при столкновениях передается ионам кристаллической решетки. Полная энергия, выделяющаяся в единицах объема за единицу времени, равна (3.9):

. (3.9)

Это есть закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

Если однородный цилиндрический проводник имеет длину l и поперечное сечение S, то мощность , выделяемая в объеме V=lS (3.10):

,(3.10)

гдеR - полное сопротивление проводника;

Q - количество теплоты эквивалентное подаваемой электрической форме энергии;

- удельное сопротивление проводника;напряжение на концах цилиндрического проводника;

Тепловая мощность, преобразованная из электрической мощности, определяется по формуле (3.11):

(3.11)

Это выражение закона Джоуля-Ленца в интегральной форме.

. Определим теплоту, которая передаётся теплоносителю.

Внутри проточной части электродного котла идёт процесс трансформации тепловой энергии теплоносителя.

Процесс нагрева в электроводонагревателе электродного типа происходит посредством протекания электрического тока через теплоноситель, за счет электрического сопротивления которого и происходит нагрев. Электрический ток должен быть переменным для снижения явления электролиза. Эффективность нагрева зависит от свойств теплоносителя.

(3.11)

где G1 - расход воды, м3/ч;

Ср1 - удельная теплоёмкость воды, кДж/м2*0С;в1 -температура воды в момент времени τ1, 0С;в2- температура воды в момент времени τ2, 0С.

. Определим теплоту, отданную от стенки котла.

На основании экспериментальных данных по плотности теплового потока определяем количество теплоты, отданное от стенки котла помещению по формуле (3.12).

, Вт (3.12)

где q1 - плотность теплового потока, Вт/м2;

Результаты расчетно-экспериментального определения теплового баланса приведены в таблице 3.2, а основные зависимости представлены на рисунках 3.3 - 3.6.

Рисунок 3.3 - Импульсный режим работы котла.

Таблица 3.2 - Расчет теплового баланса по экспериментальным данным

ВремяТемпература водыТемпература внутреннего воздухаПлотность теплового потока от конвектораТепловая мощность от конвектораПотребляемая электрическая энергияТеплота, выделяемая в котлеТепловая мощность от котлаТепловая энергия от котлаТепловая энергия, воспринятая водойτ t водыt внq1Q 2экс кон.ЕQQ2 экс. котлаQ2 экс.котлаQ1мин°С°СВт/м2ВткВт*чкВт*чкВткВт*чкВт*ч02015-5-2,50000002015-5-2,5000002,59015,510005000,4166670,3756,60,2750,37517,580171460730001,040,260199017,514007000,4166670,3756,60,2750,3753480201460730001,040,2604470221360680001,320,2205950251160580000,60,1501192018-5-2,500000

Рисунок 3.4 - Тепловой баланс котла.

Рисунок 3.5 - Тепловая мощность конвектора.

Рисунок 3.6 - Экономическое обоснование математической модели импульсного режима работы котла.

4. Разработка экономичного режима работы электродного котла в MATLAB

Постановка задачи.

В данном разделе представлены результаты исследований численными методами дифференциального уравнения теплового баланса электродного котла с целью получения информации об оптимальных: 1) конструкции корпуса электродного теплогенератора и электродов, 2) режимах работы электродного теплогенератора. При разработке математической модели использованы следующие источники литературы [38-57].

В литературе известно дифференциальное уравнение теплового баланса электродного котла. Задача данного раздела представить результаты усовершенствованной математической модели на основе натурных исследований.

Построение модели.

В основу анализа процесса нагрева воды в электродном котле (рис.1) может быть принята теория нагрева идеального однородного тела, под которым понимается тело с равномерным рассеиванием теплоты со всей поверхности и равномерным распределением температуры по объему.

Рассмотрим тепловой баланс электродного котла и на его основе составим дифференциальное уравнение. Пусть в единицу времени в воде выделяется количество теплоты , где Ро - электрическая мощность, Вт. Тогда за бесконечно малый промежуток времени количество теплоты будет идти на нагрев воды Q1 и частично отдаваться во внешнюю среду Q2.

Тепловой баланс электродного котла представим в виде уравнения (3.8).

Если за время dt температура воды повысилась на dU, то за это время в воде накопилась теплота m1c1dU, где m1 - масса воды, кг и с1 - ее удельная теплоемкость, Дж/(кг*0С).

Если за этот же промежуток времени превышение температуры электродного котла над окружающей средой равно (U-ν), то количество теплоты, отдаваемого в окружающее пространство за время dt, будет равно Sα(U-ν)dt, где S - площадь охлаждаемой поверхности электродного котла, м2; α- коэффициент теплоотдачи с поверхности, Вт/(<#"justify">Введем следующие условные обозначения:(t) - температура воды в момент времени t, 0С.(t) - температура воздуха в помещении в момент времени t, 0С.

температура снаружи0 - мощность нагревателя, кВт.- масса воды, кг.

с - теплоёмкость воды, кДж/(кг*0С).- площадь наружной поверхности нагревателя, м2.

4.1 Алгоритм определения неизвестных коэффициентов

. Запишем систему двух уравнений: 1) тепловой баланс электродного котла в дифференциальной форме, 2) взаимосвязь с окружающей средой:

(4.1)

Рисунок 3.7 - Математическая модель импульсного режима работы котла.

Рисунок 3.8 - Реализация математической модели в Matlab.

. После преобразования системы уравнений (4.1)

(4.2)

;

- температура воды, 0С. Ограничение Umax = 90, 0С;

v - температура воздуха внутри помещения, 0С. Ограничение: vmin = 18 0С; vmax = 25 0С;

w - температура окружающей (наружной) среды, 0С при условии постоянства;0 - электрическая мощность котла, Вт;

α1 - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки котла в воздух помещения, Вт/(м2*0С);

α2 - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки помещения в воздух окружающей среды, Вт/(м2*0С);

S1 - площадь поверхности наружной поверхности стенки котла, м2;

S2 - площадь поверхности ограждающей конструкции помещения, м2;

m1 - масса воды, кг;

m2 - масса воздуха, кг;

c1 - теплоёмкость воды, Дж/(кг*0С);

c2 - теплоёмкость воздуха, Дж/(кг*0С);

k - коэффициент эффективности нагрева помещения, характеризующий геометрию и теплотехнические свойства ограждающих конструкций помещения.

. Найдем неизвестные коэффициенты a, b, k из системы уравнений (4.2) при условиях, что P, w - заданные числа. Найдем общее решение, т.е. множество всех решений системы (4.2) следующим образом:

.1. Найдем постоянное решение системы (4.2), т.е. пару чисел (), удовлетворяющих условиям:

(4.3)

.2. Находим общее решение однородной системы:

(4.4)

.3. Тогда общее решение системы (4.2) представим в следующем виде:

(4.5)

.4. Решая систему уравнений (4.3), находим и :

(4.6)

(4.7)

(4.8)

(4.9)

.5. Чтобы найти общее решение системы (4.4), продифференцируем (возьмем производную) первое уравнение системы и вместо y подставим выражение из второго уравнения:

(4.10)

.6. Таким образом, систему уравнений (4.4) свели к одному уравнению (4.10). Находим общее решение уравнения (4.10), составляя характеристическое уравнение:

(4.11)

3.7. Заметим, что в наших уравнениях a>0, b>0, c=k*a>0 и имеет место неравенство:

(4.12)

Действительно,

(4.13)

Значит, корни квадратного уравнения действительны, и они равны (4.14):

(4.14)

3.8. По числам λ1 и λ2 выписываем общее решение уравнения (4.10):

(4.15)

3.9. Учитывая равенство , находим y:

(4.16)

(4.17)

.10. Таким образом, общее решение системы (4.4) определяется формулами (4.15), (4.17). Из формул (4.5), (4.9) и (4.15), (4.17) вытекает, что общее решение исходной системы (4.5) определяется формулами:

(4.18)

(4.19)

.11. Для разности функций (U(t)-ν(t)) имеем формулу:

(4.20)

.12. А для разности (ν(t)-w) имеем:

(4.21)

3.13. Пусть нам заданы условия:

(4.22)

где определяются из экспериментальных измерений и, кроме того, считаются известными . Тогда, в силу формул (4.20), (4.21), получаем следующую систему алгебраических уравнений для определения неизвестных D1, D2, a и b:

(4.23)

Согласно формулам (4.14), λ1, λ2 определяются следующими равенствами:

(4.24)

Реализация алгоритма нахождения неизвестных коэффициентов представлена в Приложении 4.

Заключение

В данной магистерской диссертации показаны пути повышения эффективности работы децентрализованной системы теплоснабжения с электродным теплогенератором с целью повысить качество и надежность работы системы в целом, что является актуальным при теплоснабжении индивидуальных в местах, удаленных от дешевых энергоресурсов.

В ходе работы использованы методы системного анализа, неравновесной и феноменологической термодинамики с применением численного и натурного моделирования гидродинамических и теплообменных процессов. А также метод конечных элементов (МКЭ) для решения задачи анализа тепловых полей (пакет программ ANSYS), методы параметрической оптимизации, методы сбора и анализа физических параметров в программной среде Matlab. Теоретические исследования проводились с применением законов электротехники и теплотехники, теории установок электродного нагрева.

В ходе работы разработаны: физическая, математическая и компьютерная модели для расчетно-экспериментального определения всех тепло, гидро, электрических параметров децентрализованной системы отопления с электродным котлом с целью повышения эффективности ее работы.

В диссертации решены следующие задачи:

. Исследован принцип действия установки. Выявлены закономерности эффективного преобразования электрической энергии в тепловую энергию в зависимости от геометрических размеров стержней.

. Разработана математическая и трехмерная компьютерная модели для анализа электро-, тепло- гидравлических процессов, происходящих в котле.

. Оптимизирована конструкция электродов, определён экономный режим работы котла с помощью математической модели, что позволяет снизить электропотребление.

Полученные в диссертационной работе результаты натурных испытаний получены от нескольких серий экспериментов на физической модели.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ в сборниках научных трудов VII Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Исследования молодежи - экономике, производству, образованию», Приборостроение и автоматизированный электропривод в топливно-энергетическом комплексе и жилищно-коммунальном хозяйстве: материалы докладов I Поволжской научно-практической конференции, Энергетика: Эффективность, надежность, безопасность: материалы XXI всероссийской научно-технической конференции [33-37]. Также получен акт внедрения результатов работ на предприятии (Приложение 5).

Список использованных источников

1.Федеральный закон от 23.11.2009 N 261-ФЗ (ред. от 13.07.2015) "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации": Интернет-портал "Консультант Плюс".

2.Распоряжение Правительства РФ от 08.01.2009 N 1-р (ред. от 05.05.2016) «Об основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2024 года»: Интернет-портал "Консультант Плюс".

3.Электродный котёл «Галан». официальный сайт фирмы-производителя

4.Электродный котёл фирмы «Электрокотлы»: официальный сайт фирмы-производителя

5.Электродный котёл «Луч»: официальный сайт фирмы-производителя

6.Электродный котёл «ЭПЗ» официальный сайт фирмы-производителя

7.Электродный котёл «ЭПГ»: официальный сайт фирмы-производителя

8.Электродный котёл «ION»: официальный сайт фирмы-производителя

9.Электродный котёл «Градиент». официальный сайт фирмы-производителя

10.Информационно-аналитический Интернет портал о технологиях

11.Шишинина Н.Г. Снижение энергозатрат на нагрев воды при дойке коров за счет плавного регулирования мощности электродных водонагревателей объемным экраном: Автореферат дис. канд. техн. наук. - Саратов: СГАУ им. Н.И. Вавилова, 2012. - 22 с.

12.Игонин В.И. К разработке методики определения эффективности от диссипативных энергетических процессов для электрического теплогенератора проточно-гидравлического типа / В.И. Игонин, О.В. Стратунов // Современные наукоемкие технологии. 2014.№4. С. 70-75.

13.Свод правил: СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция взамен СНиП 23-02-2013 / НИИ строит. физики Российская академия архитектуры и строительства. [Текст] : нормативно-технический материал. - - М. : Госстрой России, 2004. - 26 с.

14.СТОМП АВОК-2.1-2008 Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена: утв. МП «АВОК 02.09.2002 : взамен СТО МП АВОК-1-2004 : дата введ. 09.06.2004. М. : ПП АВОК, 2004. - 27 с.

15.В.И. Игонин Н.В. Мнушкин К выбору источника теплоты электротеплогидравлического типа. Энергоаудит зданий, сооружений и инженерных сетей. Научно-исследовательская работа в семестре. Методические указания. - Вологда: ВоГТУ,2014. -90 стр., с ил.

16.Мнушкин Н.В. Расчетно-экспериментальное исследование эффективности работы системы децентрализованного отопления. Молодые исследователи - регионам: материалы международной научной конференции. В 3-х т. / Мин-во обр. и науки РФ; Вологод. гос. ун-т. - Вологда ВоГУ, 2015. - Т. 1. - С. 280-281.

17.Мнушкин Н.В. Иллюстративность неравновесной динамики моделирования энергетических систем с диссипативными составляющими Н.В. Мнушкин, В.И, Игонин. Журнал "Современные наукоёмкие технологии". - 2015. - №1 (часть 1). - С. 23-30.

18.Игонин, В. И. Технологические особенности энергообследования зданий, сооружений и инженерных сетей : курс лекций: [для студентов всех форм обучения, обучающихся по направлениям 270800 - Строительство и 140100 - Теплоэнергетика и теплотехника] / В.И. Игонин. - Вологда: ВоГТУ, 2012. - 107 с.

19.Игонин В.И. Особенности системного анализа энергетической установки через ее удельные характеристики /В.И.Игонин, Н.В. Мнушкин //Вестник МАНЭБ: научный журнал. - 2012. - No4 (17). - С.66-72.

20.Игонин В.И. К внедрению и выбору новых технологических решений в системах теплоснабжения в учреждениях образовательного типа /В.И. Игонин, Н.В.Мнушкин //Энергоэффективные технологии в современном учреждении: материалы Международного энергетического форума /ВоГТУ. - Вологда, 2013. - С. 39-42.

21.Игонин, В.И. Проявления свойств интегральности при системном термодинамическом анализе энергетической установки./ В.И. Игонин. Международный научно-исследовательский журнал. Часть1.5(5) .2012.Research Journal of International Studies, ISSN 23ОЗ-9868, технические науки.стр.93-94.

22.Игонин В.И. Об очевидности проявления свойств интегральности при системном термодинамическом анализе энергетической установки./ В.И. Игонин. Вестник Череповецкого государственного университета. Научный журнал. №1(45) -2013.с 12-14.

23.Игонин В.И. методические особенности структуризации научно-исследовательских лабораторно-практических занятий на лабораторно-вычислительном комплексе теплогидравлического типа. В.И. Игонин. Методические указания. - Вологда: ВоГТУ, 2013. - 40с.

24.Стратунов О.В. Исследование гидротермических характеристик электротеплогенератора/ Куцентов А.А., Стратунов О.В. Молодые исследователи - регионам: Материалы всероссийской научной конференции студентов и аспирантов. В 2-х т. - Вологда: ВоГТУ, 2009. - Т.1. - 2009.

25.Игонин В.И. Обобщенная междисциплинарная образовательная модель для образовательных учреждений. Энергоэффективные технологии в современном учреждении: материалы международного энергетического форума.- Вологда: ВоГТУ, 2013. с.35-38.

26.L.-E. Janson, Plastics pipes for water supply and sewage disposal. Boras, Borealis, 4th edition, 2003 - 404 c.

27.Игонин В.И. Научно-исследовательская работа в семестре: лабораторный практикум часть1 ./В.И. Игонин, О.В. Стратунов.-Вологда: ВоГу, 2012г.-67с.

28.Игонин В.И. Методология научных исследований и научно-техническое развитие «субъекта»: учебное пособие [для магистров по направлениям 270800 - "Строительство", 140100 - "Теплоэнергетика и теплотехника"] / В.И. Игонин. - Вологда: ВоГТУ, 2013. - 111с.

29.Игонин В.И. Пути повышения эффективности теплоэнергетических систем: монография / В.И. Игонин. - Вологда: ВоГТУ, 2007. - 119 с. 6. Игонин, В.И. Основные задачи проектирования эффективного теплоснабжения здания: методические указания /сост. В.И. Игонин. - Вологда: ВоГТУ, 2012. - 80с.

30.Методические особенности структуризации научно-исследовательских лабораторно-практических занятий на лабораторно-вычислительном комплексе теплогидравлического типа: методическое пособие к лабораторно-практическим занятиям / сост. В.И. Игонин. - Вологда: ВоГТУ, 2013. - 35 с.

31.Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960.-464 с., ил.

32.Слободянюк,Д.А. К вопросу повышения эффективности теплоэнергетических систем для функционирования промышленных, коммунальных объектов и систем / Д.А. Слободянюк, Н.В. Мнушкин // «Исследования молодежи - экономике, производству, образованию»: материалы VII Всероссийской молодежной научно-практической конференции / Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования. - Сыктывкар: СЛИ, 2016. - С. 215 - 218.

33.Слободянюк Д.А. Численно-экспериментальное моделирование температурного поля многослойного стенового блока на основе Mathcad / Д.А. Слободянюк, С.В. Поскотинов, И.А. Перов // Приборостроение и автоматизированный электропривод в топливно-энергетическом комплексе и жилищно-коммунальном хозяйстве: материалы докладов I Поволжской научно-практической конференции - 2015. - С. 416 - 418.

34.Слободянюк Д.А. Экспериментальное исследование теплофизических свойств многослойного стенового блока / Д.А. Слободянюк, С.В. Поскотинов, И.А. Перов // Приборостроение и автоматизированный электропривод в топливно-энергетическом комплексе и жилищно-коммунальном хозяйстве: материалы докладов I Поволжской научно-практической конференции - 2015. - С. 467 - 469.

35.Слободянюк Д.А. Исследование теплоэффективности теплоблока / Д.А. Слободянюк, И.А. Перов // Энергетика: Эффективность, надежность, безопасность: материалы XXI всероссийской научно-технической конференции / Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во «Скан», 2015. - 1 Т. - С. 402 - 405.

36.Слободянюк Д.А. К вопросу создания инженерной методики определения коэффициентов теплопроводности строительных конструкций / Д.А. Слободянюк // Энергетика: Эффективность, надежность, безопасность: материалы XXI всероссийской научно-технической конференции / Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во «Скан», 2015. - 1 Т. - С. 409 - 411.

37.Барилович В.А., Смирнов Ю.А. Основы технической термодинамики и теории тепло- и массообмена.- СПб.: Изд. «Нестор», 2001.-402 с.

38.Барилович В.А., Смирнов Ю.А. Основы термогазодинамики двухфазных потоков и их численное моделирование.- СПб.: Изд. «Нестор», 2001.-294 с.

39.Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. - М.: Лаборатория Базовых знаний, 2001.-632 с.

40.Белоцерковский О.М. Математическое моделирование на суперкомпьютерах// в кн. «Новое в численном моделировании. Алгоритмы, вычислительные эксперименты, результаты».- М.: Наука, 2000.- 247 с

41.Бицадзе А.В., Калиниченко Д.Ф. Сборник задач по уравнениям математической физики.- М.: Наука, Физматлит, 1977.-224 с.

42.Бутковский А.Г. Теория оптимального управления системами с распределенными параметрами.- М.: Наука, 1965.

43.Власова Е.А., Зарубин B.C., Кувыркин Т.Н. Приближенные методы математической физики.- М.: Изд. МГТУим. Н.Э. Баумана, 2001.-699 с.

44.Годунов С.К., Рябенький В.С. Разностные схемы. М.: Наука, 1973,-245с.

45.Дегтярев Г.Л. Об оптимальном управлении процессами тепло- и массопереноса, Труды КАИ, вып. 97,1968. с.67-72.

46.Егоров А.И. Оптимальное управление тепловыми и диффузионными процессами.- М.: Наука, 1978.- 463 с.

47.Карташев Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел.-М.: Высшая школа, 2001.-550 с.

48.Карташев Э.М. Аналитические методы решения краевых задач нестационарной теплопроводности в области с движущимися границами (обзор).- Инженерно-физический журнал, 2000, т.74, № 2, с. 1 24.

49.Карташев Э.М. Аналитические методы решения смешанных граничных задач теории теплопроводности (обзор). Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, 1986, № 6, с. 116 129.

50.Коздоба Л.A. Методы решения нелинейных задач теплопроводности.- М.: 1975. -320 с.

51.Козлов В.Н., Магомедов К.А. Негладкие операторы и электрические цепи, СПб.: изд. СПбГПУ,- 2003. -120 с.275

52.Козлов В.Н. Метод нелинейных операторов в автоматизированном проектировании динамических систем- Л.: Изд-во ЛГУ им. А.А.Жданова, 1986. -166 с.

53.Козлов В.Н., Куприянов В.Е., Заборовский B.C. Вычислительные методы синтеза систем автоматического управления,- Л.: Изд. ЛГУ им. А.А.Жданова, 1989. 232 с.

54.Козлов В.Н., Магомедов К.А. Разностные схемы на основе принципа аддитивности для кусочно линейных систем. - Сб. «Фундаментальные исследования в технических университетах».- СПб.: изд. СПбГТУ, 2001. с. 34-35.

55.Кудинов В.А., Карташев Э.М. Техническая термодинамика, М.: Высшая школа.-2000.- 261 с.

56.Кулик Л.М., Шаповалов Г.Е. Неустановившаяся теплопередача через многослойную плоскую пластину.- Изв. АН СССР, серия «Энергетика иавтоматика», 1971, № 2, с. 72-77.

Приложение 1

Таблица П1.1 - Коэффициенты кинематической вязкости

ТемператураДинамическая вязкостьКинематическая вязкостьоС(Н ∙ c / м2) ∙ 10-32/ с) ∙ 10-601,7871,78751,5191,519101,3071,307201,0021,004300,7980,801400,6530,658500,5470,658600,4670,475700,4040,413800,3550,365900,3150,3261000,2820,294

Приложение 2

Последовательность определения гидравлического сопротивления с помощью компьютерного моделирования

) Запуск Ansys Worbench

) Сохранение проекта в папку с новым проектом

Рисунок П2.1 - Сохранение проекта в папку с новым проектом

) Добавляем модуль Geometry, нажав двойным щелчком кнопку Geometry в окне Component Systems.

) Запускаем Design Modeler двойным щелчком по знаку вопроса в окне Geometry.

) Рисуем 3D модель электродного котла.

.1) Нажимаем на систему координат XYplane.

.2) Переходим во вкладку Scetching.

.3) Нажимаем на кнопку Circle.

.4) Рисуем окружность произвольного радиуса из центра оси координат.

.5) Переходим во вкладку Dimensions.

Рисунок П2.2 - Добавляем модуль Geometry

.6) Нажимаем на кнопку Diameter.

.7) Нажимаем на периметр окружности и выставляем выноску в произвольную точку.

.8) Задаем диаметр окружности (выходного канала) в поле D1 согласно исходным данным, нажимаем кнопку Generate и масштабируем область до момента, когда диаметр заполнит экран.

5.9) Рисуем 3D модель входного патрубка.

.9.1) Нажимаем на кнопку Extrude.

5.9.2) Задаем длину трубопровода в поле FD1, Depth>1

5.9.3) Нажимаем Generate.

Рисунок П2.3 - Входной патрубок

5.10) Выбираем систему координат ZXplane во вкладке Modeling и нажимаем кнопку New Plane.

.11) В окне Details View в поле Transform 1 (RMB) нажимаем на кнопку Offset X и в поле FG1, Value1 задаем смещение системы координат вдоль оси X и нажимаем на кнопку Generate.

.12) Выбираем созданную систему координат Plane 4 во вкладке Modeling и нажимаем кнопку New Plane.

.13) В окне Details View в поле Transform 1 (RMB) нажимаем на кнопку Offset Z и в поле FG1, Value1 задаем смещение системы координат вдоль оси Z и нажимаем на кнопку Generate.

.14) Рисуем окружность с заданным диаметром из центра новой системы координат.

.15) Рисуем 3D модель проточной части электродного котла.

.16) Выбираем созданную систему координат Plane 5 во вкладке Modeling и нажимаем кнопку New Plane.

.17) В окне Details View в поле Transform 1 (RMB) нажимаем на кнопку Offset Z и в поле FG1, Value1 задаем смещение системы координат вдоль оси Z и нажимаем на кнопку Generate.

.18) Рисуем окружность с заданным диаметром из центра новой системы координат.

.19) Рисуем 3D модель выходного патрубка.

Рисунок П2.4 - Геометрия теплогенератора без электродов

.20) Аналогичным образом рисуем 3D модель электродов.

5.20.1) Нажимаем на Plane 5 и создаем новую систему координат с помощью кнопки New Plane.

5.20.2) В окне Details View в поле Transform 1 (RMB) нажимаем на кнопку Offset X и в поле FG1, Value1 задаем смещение системы координат вдоль оси X на 0,01 и нажимаем на кнопку Generate.

5.20.3) Нажимаем на Plane 9 и создаем новую систему координат с помощью кнопки New Plane.

5.20.4) В окне Details View в поле Transform 1 (RMB) нажимаем на кнопку Offset X и в поле FG1, Value1 задаем смещение системы координат вдоль оси X на 0,01734 и нажимаем на кнопку Generate.

.20.5) Рисуем окружность (электрода) с заданным диаметром из центра новой системы координат.

.20.6) Рисуем 3D модель проточной части электродного котла.

5.20.7) Нажимаем на кнопку Extrude.

5.20.8) Задаем длину трубопровода 0,15 в поле FD1, Depth>1.

.20.9) Выбираем в поле Operation настройку Add Frozen.

5.20.10) Нажимаем Generate.

.20.11) Аналогичным образом строятся остальные 3 электрода.

.21) Объединяем 3 электрода с проточной частью.

.21.1) Нажимаем на кнопку Boolean.

.21.2) В окне Details View в поле Operation выбираем Substract.

.21.3) Нажимаем на поле Target Bodies и нажимаем на проточную часть теплогенератора (кнопка Solid 1).

.21.3) Нажимаем на поле Tool Bodies и выделяем 3 электрода (кнопка Solid 1).

.21.4) Нажимаем Generate.

Рисунок П2.5 - Геометрия теплогенератора с электродами

5.22) Разбиваем полученную модель на конечные элементы (создаем сетку).

5.22.1) Запускаем модуль Mesh.

.22.2) Передаём данные из модуля Geometry в модуль Mesh.

Рисунок П2.6 - Геометрия с электродами с расположением двух электродов напротив входного патрубка

5.22.3) Запускаем Meshing

.22.4) Применяем следующие настройки сеткопостроителя:

.22.4) Нажимаем на Generate.

Рисунок П2.7 - Призматически-тетраэдральная сетка с уменьшенным шагом в пристеночных областях

5.23) Нажимаем на модуль Fluent и далее задаем граничные условия и запускаем решение.

.23.1) Передаем в модуль Fluent данные из Mesh.

.23.2) Нажимаем Update по модулю Mesh.

.23.3) Запускаем Fluent.

Рисунок П2.8 - Запуск Fluent

5.23.4) Задаем граничные условия по заранее названным границам модели, которые должны задаваться в модуле Mesh (Inlet - вход, outlet - выход, wall - стенка).

.23.5) Задаем следующие настройки и граничные условия для решения.

Рисунок П2.9 - Включение модели энергии

Рисунок П2.11 - Выбор модели турбулентности

Рисунок П2.12 - Добавление новых материалов

Рисунок П2.12 - Настройка сеточной зоны

Рисунок П2.13 - Граничные условия для входа

Рисунок П2.14 - Граничные условия для выхода

Рисунок П2.15 - Граничные условия для стенки

5.23.6) Запускаем инициализацию расчета (определяем начальное решение).

Рисунок П2.16 - Инициализация расчета

.23.6) Запускаем расчет.

Рисунок П2.17 - Запуск расчета

5.24) Вывод информации

.24.1) Добавляем модуль Results и передаем результаты из Fluent

Рисунок П2.18 - Итоговая схема компьютерного моделирования

.24.2) Осуществляем вывод необходимой информации

Рисунок П2.19 - Распределение скорости во входном патрубке, в проточной части и выходном патрубке котла

.25) Расчеты были произведены для 3 видов геометрии при одинаковых граничных условиях:

без электродов;

с электродами, когда 1 электрод расположен напротив входного патрубка;

с электродами, когда 2 электрода расположены напротив входного патрубка.

Расчетная схема в окне Workbench представлена на рисунке 5.19.

Рисунок П2.20 - Итоговая расчетная схема моделирования 3-х вариантов геометрий котла при одинаковых граничных условиях

По результатам моделирования по определенным граничным условиям в модуле Results выводятся значения давлений на входном и выходном патрубках, а затем по формуле из литературы [32] определяем значение гидравлического сопротивления.

Приложение 3

Парк измерительных приборов

Таблица П 3.1 - Приборы.

Прибор для измерения влажности и температуры Testo 625 Компактный термогигрометр с наконечником зонда в комплекте. Большой двухсторонний дисплей отображает температуру, относительную влажность, температуру шарика смоченного термометра, температуру точки росы. При измерении в труднодоступных местах наконечник зонда влажности легко отсоединить и прикрепить к рукоятке через кабель зонда Технические характеристики: диапазон измерений температуры: от -10 до 60 0С; погрешность измерения температуры: ±0,5 0С; разрешение измерения температуры: 0,1 0С; диапазон измерения относительной влажности: от 0 до 100%; погрешность измерения относительной влажности: 2,5%; разрешение измерения относительной влажности: 0,1%; Погрешности измерения температуры ±0,5ºС, влажности: ±2,5 % .Пирометр Testo 845 Температура хранения -40…+70°C Рабочая температура -20…+50°C Тип батарейки 2 тип АА или через USB Ресурс батареи 25 ч. (без лазера); 10 (с лазером без подсветки); 5 ч (с лазером и 50% подсветки) Вес 465 г. Габариты 155х58х195 ммИПП-2 Измеритель плотности теплового потока Диапазон измерения плотности теплового потока: от 10 до 250, 500, 2000, 9999 Вт/м2.Счётчик тепловой энергии Меркурий 205.1 Приборы для измерения и учета активной энергии в трехфазных трех- и четырехпроводных сетях переменного тока, Технические характеристики: номинальное напряжение: 220; 230 В; номинальный максимальный ток: 5(60) А; номинальное значение частоты: 50 Гц; габаритные размеры: 105х105х65 мм; класс точности: 1; диапазон рабочих температур: от -20 до +550С.Счетчик тепловой энергии Энергомера ЦЭ6803ВШ Приборы для измерения и учета активной энергии в трехфазных трех- и четырехпроводных сетях переменного тока. Характеристика прибора: Класс точности: 1 Частота измерительной сети, Гц: 50±2,5 (60±3) Максимальная сила тока*, А: 60; 100 Диапазон рабочих температур, °С : от -40 до 70 Габаритные размеры, мм : 143 x 170 x 52Счетчик тепловой энергии Меркурий 230 .Приборы для измерения и учета активной энергии в трехфазных трех- и четырехпроводных сетях переменного тока. Характеристика прибора: · класс точности 0.5S, 1.0 · интерфейсы: RS-485; CAN, IrDA, PLC; · Возможность подключения резервного питания Uрез= 5,5...9 В; · Измерение мощности, токов, напряжений, частоты, cosfi; · Встроенный модем PLC для передачи данных по силовой сети 220 В (в зависимости от модификации); · Два стандартных гальванически развязанных телеметрических выхода ( DIN 43864), по одному на каждый вид энергии; · Счётчики работают в сторону увеличения показаний при любом нарушении фазировки подключения токовых цепей; · Автоматическая самодиагностика с индикацией ошибок; · Управление нагрузкой через внешние цепи коммутации (УЗО); · Электронная пломба.Амперметр LIRRD DP6-AA Амперметр - прибор измерения тока в цепях постоянного тока. Способ включения: c наружным калиброванным шунтом 75 ШС с калиброванными проводами Технические характеристики: диапазон измерений: 0-2000 А; класс точности: 0.5; габаритные размеры прибора: 75x756x40 мм; Рабочая частота: 5 - 60Hz Скорость измерения 2.5 изм/сек. Питание: AC 220VВольтметр лабораторный LIRRDLRDP6-AV Вольтметр лабораторныйLIRRDLRDP6-AV предназначен для точных измерений напряжения, в цепях переменного и постоянного тока, а также для проверки менее точных приборов. Технические характеристики: Класс точности 0,5; Диапазоны измерения напряжений: DCV 2,20,200,600 V (выбирается DIP переключателем) Входное сопротивление: >10MОМ Габаритные размеры 72 x 46.5 x 28mm.

Приложение 4

Код программы

MF2

% Первый вариант задания значений a, b, c, P

% a=0.5; % характеризует теплоотдачу воды внутреннему воздуху

% c=0.3;

% b=0.1; % характеризует теплоотдачу внутреннего воздуха наружнему воздуху

% P=20; % характеризует мощность нагревателя (мощность нагревателя большая)

% Второй вариант задания значений a, b, c, P

a=1; % характеризует теплоотдачу воды внутреннему воздуху

k=0.2; c=k*a;

b=0.08; % характеризует теплоотдачу внутреннего воздуха наружнему воздуху

P=70; % характеризует мощность нагревателя (мощность нагревателя умеренная)

Umax=90; % верхнее пороговок значение температуры воды

% при достижении которого нагреватель отключается

Vmax=25; % верхнее пороговое значение температуры внутреннего воздуха

% при достижении которого нагреватель отключается

Vmin=18; % нижнее пороговое значение температуры внутреннего воздуха

% при достижении которого нагреватель включается

w0=-10; % среднее значение наружнего воздуха

T=120; % общее время процесса

global T; % ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ЗНАЧЕНИЯ Т ПРОГРАММУ МАТЛАБ ПЕРЕЗАПУСТИТЬ

global a; global c; global b; % после этих объявленийUmax; global Vmin; global Vmax; % значения переменных w0; global P; % доступны любой программе

s=0:0.01:T; % задаем сетку времени с заданным шагом

n=size(s(:)); % определяем количество точек в сетке времени

for i=1:10 % задаем (измеряем) значения

Fw(i)=w0+0*rand; % температуры наружнего воздуха

end % в десяти моментах времени

global Fw;

for i=1:n

w(i)=W1(s(i)); % находим значения температуры наружнего воздуха

% во всех точках сетки времени

FVmin(i)=Vmin+0*i; % определяем функцию нижнего порогового значения

% температуры внутреннего воздуха

FVmax(i)=Vmax+0*i; % определяем функцию верхнего порогового значения

% температуры внутреннего воздуха

end

for u0=30:30 % задаем всевозможные значения начальной темпеартуры воды

for v0=15:15 % задаем всевозможные значения начальной температуры внутреннего воздуха

[t y]=ode45(@DE2,s,[u0, v0]); % решаем систему обыкновенных дифференциальных

% уравнений на сетке s с начальными

% условиями u0 и v0

u=y(:,1); v=y(:,2); % пару функций, составляющих решение системы обыкновенных

% дифференциальных уравнений,

% обозначаем через u и v

for i=1:n(i)=F(t(i),u(i),v(i))-a*(u(i)-v(i)); % находим производную функции u

% в точках сетки времени % времени

v1(i)=c*(u(i)-v(i))-b*(v(i)-W1(t(i))); % находим производную функции v

% в точках сетки времени

end

subplot(2,3,1:3)

for i=2:n

plot(t(1:i),u(1:i),t(1:i),v(1:i),t(1:i),w(1:i),t(1:i),FVmin(1:i),['K','--'], t(1:i),FVmax(1:i),['K','--'])

% title('Графики функций u(t), v(t), w(t)');

axis([0 T w0-1 Umax]) on (0.01)(2,3,4)(u,v);

% axis([Vmin-1 Vmax+10 Vmin-1 Vmax+1]); on

% title('Фазовый портрет на плоскости (u,v)');

subplot(2,3,5)(u,u1);

% axis([Vmin-1 Vmax+10 -3 3]); on

% title('Фазовый портрет на плоскости (u,u1)');

subplot(2,3,6)(v,v1);

% axis([ Vmin-1 Vmax+1 -3 3 ]); on

% title('Фазовый портрет на плоскости (v,v1)');

% pausez=DE2(t,y)a; global c; global b; =F(t,y(1),y(2))-a*(y(1)-y(2));=c*(y(1)-y(2))-b*(y(2)-W1(t));=[z1;z2];z=F(t,u,v)a; global c; global b;Umax; global Vmin; global Vmax; global P;

% Первый вариант=or(v<=Vmin, (v>Vmin)*(v<Vmax)*(c*(u-v)-b*(v-W1(t))>0)*(u<Umax));USL=P;=0;

z=z1;

% Второй вариант

% if v<=Vmin

% z1=P;

% else

% if (v<Vmax)*(c*(u-v)-b*(v-W1(t))>0)*(u<Umax)

% z1=P;

% else

% z1=0;

% end

% end

% z=z1;

% Третий вариант

% if v<=Vmin

% z1=P;

% end

% if (v>Vmin)*(v<Vmax)*(c*(u-v)-b*(v-W1(t))>0)

% z1=P;

% end

% if (v>Vmin)*(v<Vmax)*(c*(u-v)-b*(v-W1(t))<0)

% z1=0;

% end

%

% if v>=Vmax

% z1=0;

% end

% if u>=Umax

% z1=0;

% end

% z=z1;z=W1(t)w0; global T; global Fw;=linspace(0,T,10);

% Первый вариант задания температуры снаружи

% Fw(1)=w0+0; Fw(2)=w0+0; Fw(3)=w0+1; Fw(4)=w0+2; Fw(5)=w0-1;

% Fw(6)=w0-2; Fw(7)=w0-3; Fw(8)=w0-1; Fw(9)=w0-1; Fw(10)=w0+1;

% Второй вариант задания температуры снаружи

% for i=1:n%

% Fw(i)=w0+1*rand;

% end

% Третий вариант задания температуры снаружи

% eps=2;

% eps=-eps;

% Fw(i)=w0+eps;

% end=t; z1=0;l=1:9(t1>=tau(l))*(t1<=tau(l+1))=Fw(l)+(Fw(l+1)-Fw(l))*(t1-tau(l))/(tau(l+1)-tau(l));=z1;z=SU(x)=0.2; w=-10; P=70;=20; v0=15; u1=79.9; v1=25; t=1.9;=x(1); D2=x(2); a=x(3); b=x(4); c=k*a;=-0.5*(a+b+c+sqrt((a+b+c)^2-4*a*b));=-0.5*(a+b+c-sqrt((a+b+c)^2-4*a*b));=L1*D1+L2*D2-P+a*(u0-v0);=L1*D1*exp(L1*t)+L2*D2*exp(L2*t)-P+a*(u1-v1);=(a+L1)*D1+(a+L2)*D2+k*P*a/b-a*(v0-w);=(a+L1)*D1*exp(L1*t)+(a+L2)*D2*exp(L2*t)+k*P*a/b-a*(v1-w);=[z1;z2;z3;z4];=fsolve('SU',[-1 1 1 1]);=y(1)=y(2)=y(3)=y(4)

Похожие работы на - Повышение эффективности работы децентрализованной системы теплоснабжения с электродным теплогенератором

 

Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу
Без плагиата!