Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ЧАСТИЧНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ РАБОТУ ТРАНСПОРТИРОВКИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

Левцев А.П. 1, 1 Лысяков А.И. 1 Кудашев С.Ф. 1 Цыцарева Е.И. 1
1 ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева»
Представлены результаты экспериментального исследования циркуляции теплоносителя за счет тепловой энергии уходящих газов котельного агрегата, путем преобразования её части в механическую работу. Исследования проводились на лабораторной установке, представляющей систему теплоснабжения, состоящей из источника теплоты, теплообменника утилизатора, сетевого трубопровода, потребителя теплоты и др. Циркуляция теплоносителя осуществлялась работы системы, запатентованной авторами. При этом проанализирована работа системы, выявлены значения термодинамических параметров в каждой характерной точке. Выявлен потенциал повышения коэффициента теплоотдачи с помощью предложенного способа как на источнике, так и на остальных теплообменных поверхностях. Экспериментально установлено, что устройство полностью обеспечивает циркуляцию теплоносителя без использования электрической энергии, используя сбросное тепло уходящих газов. При этом производительность и напор, создаваемые системой в полной мере обеспечивают необходимый расход сетевой воды.
производительность насоса
циркуляция теплоносителя
термодинамический цикл
утилизация тепловой энергии
1. Левцев А.П. Влияние импульсного режима течения теплоносителя на коэффициент теплопередачи в пластинчатом теплообменнике системы горячего водоснабжения / Левцев А.П., Кудашев С.Ф., Макеев А.Н., Лысяков А.И. // Современные проблемы науки и образования. – 2014, - №2. – С. 89.
2. Левцев А.П. Импульсные системы теплоснабжения общественных зданий / А. Н. Макеев, А. П. Левцев // Региональная архитектура и строительство. – Пенза, 2010. – №2 (9). – С. 45–51.
3. Лысяков А.И. Использование импульсного режима для интенсификации теплообмена в контуре ГВС с пластинчатыми теплообменниками / Лысяков А.И., Кудашев С.Ф., Левцев А.П. // Образование. Наука. Научные кадры. – 2013, - № 5. - С. 213-217.
4. Система теплоснабжения и способ организации ее работы: пат. 2510465 Рос. Федерация: МПК F01K17/00 / Левцев А.П., Лысяков А.И., Лямзин А.А.: заявитель и патентообладатель Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева. - № 2012156151/06; заявл. 24.12.2012; опубл. 27.03.2014.
5. Способ преобразования тепловой энергии в механическую и устройство для его осуществления: пат. 2503846 Рос. Федерация: МПК F 03 G 7/06 / Левцев А.П., Лысяков А.И.: заявитель и патентообладатель Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева. - №2011130026/06; заявл. 19.07.2011; опубл. 10.01.2014.

Современные тенденции развития теплоснабжения характеризуются увеличением числа автономных теплогенераторов. Это обуславливается тем, что системы централизованного теплоснабжения на сегодняшний день не могут обеспечить всех потребностей из-за их высокой рассредоточенности и изношенности тепловых сетей. Практика теплоснабжения городов показывает, что даже при разветвленной магистральной теплосети некоторая часть застройщиков уходит на индивидуальное теплоснабжение (крышные и пристроенные котельные).

При этом большинство индивидуальных котельных не имеют резервных источников электроснабжения, ввиду того, что стоимость технологического подключения по 1-ой категории надежности с установкой резервных генераторов, источников бесперебойного питания достаточно высокая. Вследствие перечисленного даже кратковременное отключение электроэнергии зачастую непременно ведет к перебоям в поставке тепловой энергии. Данную проблему решают созданием электрически независимых котлов и обеспечением естественной циркуляции теплоносителя, но естественная циркуляция мало применима ввиду технических причин в разветвленных сетях, даже с незначительным перепадом высот участков.

Вследствие перечисленного разработка систем транспорта теплоносителя независимых от электрической энергии и при этом обеспечивающих необходимый располагаемый напор на источнике является несомненно значимой и перспективной. Проанализировав возможные методы обеспечения циркуляции теплоносителя, можно сделать вывод, что постоянным источником энергии в системах теплоснабжения является теплота уходящих газов котельного агрегата. Так как, если будет происходить сгорание топлива в котле, то всегда некоторая часть тепловой энергии остается в потерях с уходящими газами q2.

Поэтому, было принято решение разработки системы преобразования тепловой энергии уходящих газов котельного агрегата в механическую энергию транспортировки теплоносителя. При этом утилизация теплоты уходящих газов позволит сократить потери с уходящими газами q2 и соответственно повысить коэффициент полезного действия источника теплоснабжения.

Материал и методы исследования

Для разработки системы было организована экспериментальная установка, имитирующая систему теплоснабжения. В ходе разработки системы было предложено несколько устройств на которые получены патенты [4,5]. Все они обладают рядом преимуществ и недостатков, но наиболее перспективным и подходящим для первоначальной задачи выглядит следующая схема, изображенная на рис. 1. которое состоит: 1 – водогрейный котел, 2 – потребитель теплоты, 3 – испаритель (теплообменник утилизатор), 4 – мембранный бак расширитель, 5 – сбросной клапан, 6 – обратный клапан возврата конденсата, 7 и 8 – обратные клапана, задающие направление движения теплоносителя. При этом для точного измерения мощности передаваемой в котле и испарителе используем теплоэлектронагреватели (ТЭН) мощностью = 22 кВт в котле и = 2,2 кВт в испарителе. Тем самым имитируя источник теплоснабжения с 10% потерями с уходящими газами.

Рис. 1. Экспериментальная установка преобразования тепловой энергии в механическую работу транспортировки теплоносителя.

Работа системы осуществляется следующим образом: в водогрейном котле 1 подогревается теплоноситель (вода) и направляется к потребителям 2 для покрытия их тепловой нагрузки. Отдав часть тепловой энергии, теплоноситель возвращается к источнику. В испарителе 3 испаряется теплоноситель и его пар накапливается в мембранном расширительном баке 4. При полном заполнении мембранного бака 4 паром в нем повышается давление за счет дополнительно поступающих паров из испарителя 3. Достигнув определенного значения, сбросной клапан 5 открывается и пар из расширительного бака устремляется в обратный трубопровод сетевой воды, тем самым вытесняя через обратный клапан 8 теплоноситель. Через несколько секунд клапан 5 закрывается вследствие выравнивания температуры в испарителе и обратном трубопроводе. Пар в обратном трубопроводе за счет контакта с холодным теплоносителем конденсируется, тем самым создавая разрежение. Благодаря этому, теплоноситель всасывается от потребителя через обратный клапан 7. Возврат конденсата осуществляется в момент закрытия клапана 5 за счет гидростатических сил.

Результаты исследования и их обсуждения

Для анализа гидродинамики устройства была организована система сбора данных с преобразователей давления, установленных согласно схеме, изображенной на рис. 1, где Р1 – давление в испарителе, Р2 – давление конденсата, Р3 – давление в насосе, Р4 – давление на нагнетании насоса, P5 – давление на всасывании насоса. На рис. 2 приведены результаты эксперимента в виде графика, где на оси абсцисс отложено время, а на оси ординат давление в кг/см2.

Рис. 2. Графики изменения давлений в элементах схемы в процессе работы экспериментальной установки.

Для подробного анализа и описания происходящих процессов, рассмотрим один полный цикл открытие-закрытие-открытие клапана 5. График представлен на рис. 3.

Рис. 3. Один полный цикл работы системы.

Открытие клапана 5 начинается в точке 1 на временной отсечке 22,66 с, при давлении 2,12 кг/см2, открытие клапана продемонстрировано на участке а-б, длившимся 0,416 с. При этом давление в испарителе резко падает до значения 1,84 кг/см2 в точке 2. Давление конденсата начинает резко возрастать со значения 1,1 кг/см2 по линии a под воздействием давления испарителя и выравнивается с ним на линии б. Давление в насосе и соответственно на всасывании и нагнетании относительно плавно возрастает. На участке б-в клапан полностью открыт и происходит перемещение пара из испарителя в трубопровод обратной сетевой воды за временной промежуток времени составляющий 3,96 с, вследствие чего вытесняется вода из насоса в котел. В системе испаритель-конденсат давление снижается до значения 1,73 кг/см2 по линии в, в насосе, на нагнетании и всасывании давление плавно возрастает. Давление в насосе выравнивается с давлением в испарителе и конденсата. На всасывании и нагнетании давление достигает своего максимального значения в 1,65 кг/см2 и 1,67 кг/см2 соответственно. На участке в-г происходит закрытие клапана за период 0,54 с, вследствие чего давление в испарителе начинает возрастать до значения 1,78 кг/см2 из-за сокращения потока пара в обратный трубопровод. При этом в обратном трубопроводе начинается конденсация паров с сокращением части поступающего пара. Поэтому, давление снижается до значения 1,47 кг/см2. На линии г клапан полностью закрылся. В процессе г-д (продолжительность 5,71 с) после закрытия клапана в испарителе постепенно возрастает давление. В насосе, на всасывании и нагнетании происходит полная конденсация паров и соответственно уменьшается давление. Давление в насосе и конденсата опускается до значения 1,56 кг/см2. На всасывании и нагнетании до 1,425 кг/см2. На участке д-е происходит переохлаждение жидкости (1,245 с) и соответственно резкое снижение давления в насосе, при этом оно становится ниже, чем давление на линии всасывания, вследствие чего производится всасывание сетевой воды от потребителя (участок 5-6 0,581 с). Далее значения давлений конденсата, в насосе, на нагнетании и всасывании выравниваются. В испарителе давление плавно возрастает до давления 2,12 кг/см2. При достижении разности давления между испарителем и насосом 0,925 кг/см2 клапан открывается и процесс повторяется.

Для анализа получаемых мощностей и совершаемой работы изобразим термодинамический цикл работы устройства в lgP-h диаграмме (рис.4). При построении учитываем установившиеся значения температур конденсата возвращаемого в испаритель 90 оС, пара попадающего в насос 122 оС. Точки на диаграмме соответствуют точкам на рис.3.

Рис. 4. Термодинамический цикл работы устройства.

По построенной диаграмме определим значения термодинамических параметров в каждой точке процесса. Полученные параметры занесем в таблицу 1.

Таблица 1

Термодинамические параметры в характерных точках процесса

Точка

Температура

t, оС

Давление

P, кг/см2

Удельный объем v, м3/кг

Энтальпия

h, кДж/кг

1

122

2,12

0,84

2709,5

3

116

1,73

0,99

2662,5

4

117

1,78

-

2700

5

113

1,42

-

460

6

90

1,245

-

377

7

90

1,78

-

377

Определим производство пара в испарителе. Так как мощность ТЭНа в испарителе равняется 2,2 кВт и, учитывая, что конденсат возвращается с температурой 90 оС (точка7), а пар нагревается до температуры 122 оС (точка 1), то расход пара равен

, кг/с,

где , - энтальпия соответственно пара и конденсата, кДж/кг.

кг/с.

Механическая работа, полученная данным способом будет равняться

, кДж/кг.

где , - энтальпия соответственно в точке 1 и 3, кДж/кг;

кДж/кг.

Механическая мощность, полученная в устройстве

, кВт.

кВт.

Количество тепловой энергии, переданное рабочему веществу в испарителе за период закрытия клапана 5 (процесс 3-4)

, кВт,

где , - энтальпия соответственно в точке 4 и 3, кДж/кг.

кВт.

Количество тепловой энергии, переданное обратной сетевой воде равно

, кВт.

где - энтальпия в точке 6, кДж/кг.

кВт.

Составим энергетический баланс устройства

;

;

.

Определим расход сетевой воды в системе теплоснабжения и соответственно производительность насоса в системе теплоснабжения по величине изменения удельного объема пара в момент сбрасывания его в обратный трубопровод (точка 1) и в момент закрытия клапана, т.е. в момент выравнивания давления в испарителе и в обратном сетевом трубопроводе (точка 3):

, м3/с.

.

Проверим достаточность производительности насоса при температурном графике 95/70, который моделировался при проведении эксперимента:

, кг/с.

где - необходимый расход сетевой воды, кг/с;

- теплоемкость воды, кДж/кг.оС;

- разность температур в подающем и обратном трубопроводе, оС.

кг/с.

Выводы

По полученным результатам можно сделать несколько выводов:

  1. Устройство полностью обеспечивает циркуляцию теплоносителя без использования электрической энергии, используя сбросное тепло уходящих газов.
  2. Механическая мощность полученного насоса для данных условий составляет 44,37 Вт.
  3. Производительность насоса в 0,217 кг/с в полной мере обеспечивает необходимый расход сетевой воды.

Учитывая все преимущества данной системы выделяется и существенный недостаток. При резкой конденсации паров в воде происходят гидроудары, которые создают дополнительные механические нагрузки на трубопровод и оборудование, а также шум. Но при полученном резком пульсирующем течении теплоносителя повышается теплопередача теплопередающих поверхностей, что подтверждено в ряде проведенных исследований [1-3]. Исходя из этого, можно наметить несколько направлений развития системы таких как, сокращение механических нагрузок на оборудование, повышение коэффициента теплоотдачи на поверхностях теплообмена, повышения механической мощности устройства, повышения производительности насоса.

Рецензенты:

Котин А.В., д.т.н., профессор, директор Института механики и энергетики ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва», Институт механики и энергетики, г. Саранск, п. Ялга.

Савельев А.П., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой безопасности жизнедеятельности, ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва», Институт механики и энергетики, г. Саранск, п. Ялга.


Библиографическая ссылка

Левцев А.П., Левцев А.П., Лысяков А.И., Кудашев С.Ф., Цыцарева Е.И. ЧАСТИЧНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ РАБОТУ ТРАНСПОРТИРОВКИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 4. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=14122 (дата обращения: 28.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074