Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Тепловой пункт занимает важное место в современной системе централизованного теплоснабжения (СЦТ). С его помощью осуществляется согласование гидравлических и температурных режимов источника и потребителей тепловой энергии [1,10].  При этом особое место отводится согласованию температуры обратной сетевой воды, возвращаемой в тепловую сеть.  По целому ряду причин температура обратной сетевой воды, как возвращаемой с квартала жилой нагрузки, так и теплообменника горячей воды оказывается выше требуемой для большинства теплопунктов (завышен расход сетевой воды, не тот типоразмер регулятора, несогласованны циркулирующие насосы и т.п.). Превышение температуры обратной сетевой воды, возвращаемой на источник для теплоснабжающей организации нежелательно в силу известных причин. Основные из них – это увеличенные потери через ограждающие конструкции теплопроводов и снижение эффективности теплопередачи теплоприготовительного оборудования. В связи с этим Правила эксплуатации тепловых установок [10] предусматривают предельную величину завышения температуры обратной сетевой воды для потребителей в размере 5%. Превышение указанного норматива предусматривает применение штрафных санкций.

Для снижения температуры обратной сетевой воды в схеме тепловых пунктов обычно предусматривается корректирующий контур (корректирующая линия), представляющий собой систему трубопроводов в совокупности с регулирующей  и запорной арматурой и, как правило,  перекачивающим устройством, при помощи которых производится регулируемый подмес теплоносителя из обратного трубопровода в подающий с целью поддержания температуры теплоносителя на выходе из теплового пункта  в тепловую сеть и на входе его в систему теплопотребления согласно температурному графику. С этой же целью для управления электронасосами применяются преобразователи частоты, регулирующие вентили и задвижки, а на входе и выходе из теплового пункта устанавливаются приборы учёта. Вместе с тем практика показывает, что осуществление подмеса из обратного трубопровода в подающий требует значительных затрат энергии, тогда как часть напора в подающем трубопроводе на входе в теплопункт дросселируется шайбой.

Цель исследования

Поиск технического решения по оптимизации работы теплового пункта за счет:

–  организации импульсной циркуляции теплоносителя в корректирующей линии от использования в гидравлической схеме самоподдерживающегося водоподъемного устройства на основе гидравлического тарана;

– снижения потребления электрической энергии на обеспечение  регулируемого подмеса в корректирующей линии;

– повышения эффективности работы теплоэнергетического оборудования теплового пункта от интенсификации теплообмена в случае импульсной циркуляции теплоносителя относительно поверхности теплообмена.

Материал и методы исследования

Используемый метод исследования – сравнение по наиболее важным, существенным (в плане познавательной задачи) признакам. Применяемые методы анализа и синтеза научных изысканий позволили получить техническое решение, являющееся одним из возможных путей по оптимизации корректирующего контура в тепловом пункте системы теплоснабжения, на которое был получен патент на изобретение.

Результаты исследования и их обсуждение

Известны стандартные схемы организации корректирующего контура на основе электронасосов, водоструйных элеваторов, струйных смесительных аппаратов (фисонников), гидрострелок, регуляторов температуры сетевой воды  и т.п. Также известны нестандартные схемы организации корректирующего контура, которые применимы как для  центральных, так и индивидуальных тепловых пунктов. Например, способ автоматического регулирования тепловой нагрузки здания закрытой системы теплоснабжения с зависимым присоединением абонентских вводов контура системы отопления через водо-водяной элеватор, включающий поддержание заданной тепловой нагрузки здания с учетом действительной температуры наружного воздуха. Тепловую нагрузку регулируют соответствующим изменением расхода воды через систему отопления в зависимости от мгновенного изменения метеоусловий ниже точки излома температурного графика изменением инжекции элеватора и дополнительно корректирующим насосом при работе системы теплоснабжения выше точки излома температурного графика [6].       

В данной схеме в корректирующем контуре используется принцип регулирования величины инжекции элеваторного узла с параллельным включением, при необходимости, электронасоса, двигатель которого имеет определённый ресурс и часто нуждается в ревизиях и ремонтах. Естественно, возникает вопрос, как же сделать работу теплового пункта еще более эффективной?

Ответом может стать использование в корректирующем контуре водоподъемного устройства на основе гидравлического тарана [5,8], принцип работы которого основывается на гидроударе. Так в работе [4] представлена схема теплового пункта с пульсирующим корректирующим контуром  для  присоединения систем теплопотребления по  зависимой схеме. Следует отметить, что названное техническое решение характеризуется такими недостатками, как узкий диапазон изменения расхода теплоносителя через корректирующую линию и, следовательно, имеет относительно малую вариативность коэффициента смешения. Данные обстоятельства обусловлены низкой устойчивостью работы самовозбуждаемого генератора гидравлического удара на основе однопоточного ударного узла (прерывателя потока) [9].

На рисунке 1  представлена блок-схема теплового пункта с корректирующим контуром  на основе принципа работы гидравлического тарана для  присоединения систем теплопотребления по  независимой схеме, в котором обозначенные недостатки устранены путем введения в схему двухпоточного ударного узла (генератора гидравлического удара)[7].

Рис.1. Корректирующий контур на основе гидравлического тарана в схеме теплового пункта:

1 и 2 – подающий и обратный трубопроводы тепловой сети; 3 – теплообменник; 4 и 5  – подающий  и обратный  трубопроводы системы теплопотребления; 6 – генератор гидравлического удара; 7 – импульсный нагнетатель; 8 – эластичная диафрагма; 9 и 10 – обратные клапаны входа и выхода; 11 – дополнительный теплообменник, 12 – обратный клапан корректирующей линии; 13 – регуляторы температуры с контролирующими элементами; 14, 15 –  гидроаккумуляторы;  16 – задвижки.

Тепловой пункт  работает следующим образом. Изначально осуществляют присоединение соответствующих трубопроводов теплового пункта через установленные на них задвижки 16 к тепловой сети и системе теплопотребления (на рисунке 1 не указаны). Затем, через входную задвижку 16, осуществляют подачу греющей среды по  подающему 1 трубопроводу тепловой сети через  регулятор температуры 13 параллельно на входы по греющей среде теплообменника 3 и дополнительного теплообменника 11, после которых она поступает ко входам рабочей среды самовозбуждаемого генератора гидравлического удара 6 и через его выход(ы) рабочей среды истекает в обратный трубопровод 2 тепловой сети. При этом самовозбуждаемый генератор гидравлического удара 6 попеременно генерирует импульсы количества движения рабочей среды во входах рабочей среды, благодаря чему обеспечивается импульсная подача греющей среды с выхода дополнительного теплообменника 11 и/или теплообменника 3 через дополнительный обратный клапан 12 в гидроаккумулятор 15, где пульсации сглаживаются и греющая среда через второй регулятор температуры 13 по корректирующей линии вновь поступает в подающий трубопровод 1 тепловой сети и затем ко входам по греющей среде  теплообменника 3  и дополнительного теплообменника 11. Температура нагреваемой среды постоянно фиксируется контролирующим элементом 14 первого регулятора температуры 13 и, в случае ее перегрева или недогрева, количество греющей среды, поступающей к теплообменнику 3 и дополнительному теплообменнику 11, пропорционально уменьшается или увеличивается.  Второй гидроаккумулятор 15 предназначен для сглаживания остаточных пульсаций греющей среды, распространяющихся от самовозбуждаемого генератора гидравлического удара 6 к входной задвижке 16 подающего трубопровода 1 тепловой сети.  Контролирующий элемент 14 второго регулятора температуры 13, установленный в обратном 2 трубопроводе тепловой сети, регулирует подачу греющей среды  из обратного 2 в подающий 1 трубопровод тепловой сети пропорционально общему расходу греющей среды,  поступающей  по подающему 1 трубопроводу тепловой сети в теплообменники 3  и 11 и ее температуре в обратном трубопроводе 2 тепловой сети. Импульсы количества движения греющей среды на выходе теплообменника 3 и/или дополнительного теплообменника 11 обеспечивают пульсирующее изменение пространственного положения эластичной диафрагмы 8 импульсного нагнетателя 7, благодаря чему через систему обратных клапанов входа 9 и выхода 10 импульсного нагнетателя 7 обеспечивается пульсирующая циркуляция нагреваемой среды в теплообменнике 3 и дополнительном теплообменнике 11, которая, поступая в третий гидроаккумулятор 16, стабилизируется по давлению и подается через выходную задвижку 16 подающего 4 трубопровода системы теплопотребления непосредственно в саму систему теплопотребления (на рисунке 1 не указана).

В случае, если конструкцию данного теплового пункта предполагается использовать для подключения системы горячего водоснабжения, а также в других случаях при необходимости, в рециркуляционный трубопровод между подающим 4 и обратным 5 трубопроводами системы теплопотребления возможна установка регулятора давления «до себя» и/или регулятора по температуре, назначение которых – защита теплообменника от  чрезмерного повышения давления при отсутствии разбора горячей воды и дополнительный подогрев нагреваемой среды за счет ее рециркуляции. Для повышения надежности работы теплового пункта между подающим 4 и обратным 5 трубопроводами системы теплопотребления, а также в корректирующий контур  тепловой сети могут быть установлены электронасосы, которые, в случае отказа, ремонта или по иной причине остановки самовозбуждаемого генератора гидравлического удара 6, позволят  защитить теплообменник 3 и дополнительный теплообменник 11 от «закипания» и обеспечат работу теплового пункта в режиме традиционной (постоянной) циркуляции греющей и нагреваемой сред через теплообменники 3 и 11.

С целью апробации предложенного технического решения был изготовлен макетный образец теплового пункта, выполненный согласно схеме рисунка 1 на базе двух пластинчатых теплообменников «Ридан», который представлен на рисунке 2.

Рис.2. Общий вид макетного образца теплового пункта с корректирующим контуром импульсной циркуляции

Работоспособность данного технического решения была оценена в учебно-научной лаборатории «Импульсные системы тепло- и водоснабжения» ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарёва» г. Саранск. На рисунке 3 представлены графики пульсации давления, генерируемые на вход теплообменников теплового пункта. Данные пульсации являются локальными и за пределы гидравлической схемы теплового пункта не распространяются. Это обеспечивается за счет применения гидроаккумуляторов 15 (рисунок 1).

Рис.3. Графики пульсации давлений, генерируемые двухпоточным ударным клапаном в теплообменники макета теплового пункта

 

Из графика, представленного на рисунке 3, видно, что обеспечиваемые двухпоточным ударным узлом пульсации греющей среды являются периодическими и успешно могут быть использованы для реализации импульсной корректирующей линии. Предварительный массовый  расход среды через корректирующую линию  может быть определен по отношению ее массы m к общей массе теплоносителя М, поступившей к двухпоточному ударному узлу, которая связана отношением величины давления h, поддерживаемого в гидроаккумуляторе 15 перед вторым регулятором температуры 13,  к располагаемому напору Н на теплообменниках 3 и 11 теплового пункта (таблица 1).

Таблица 1

Производительность корректирующей линии

Из таблицы 1 видно, что смешение теплоносителя из корректирующей линии и теплоносителя, поступающего из тепловой сети на вход теплообменников теплового пункта может быть осуществлено в относительно широком диапазоне изменения величины их давлений и расходов.

Заключение

1.             Испытания макетного образца позволили подтвердить устойчивость работы  предложенного технического решения по организации импульсной корректирующей линии при изменении частоты генерации импульсов количества движения греющего теплоносителя от 0,1 до 0,5 Гц.

2.             Осуществление регулируемого подмеса теплоносителя из корректирующей линии к теплоносителю, поступающего из тепловой сети обеспечивается без дополнительных затрат электрической энергии.

3.             Наличие одновременных признаков, таких как периодические пульсации давления и расхода теплоносителя, установленных в данной работе, с учетом фактов, полученных в ранних работах [2], позволяют утверждать, что            применение данного технического решения по организации корректирующего контура с импульсной циркуляцией теплоносителя  в тепловом пункте позволит наиболее полно использовать топливно-энергетические ресурсы за счет:

- увеличения коэффициента теплопередачи  между греющей и нагреваемой средами в теплообменнике;

- обеспечения возможности трансформации располагаемого напора греющей среды тепловой сети в напор нагреваемой среды системы теплопотребления;

- реализации условий для самоочищения теплопередающих поверхностей в теплообменнике [1, 3].

Причем, данные процессы в предлагаемой схеме теплового пункта обеспечиваются при достаточно надежном регулировании параметров греющей среды тепловой сети и нагреваемой среды системы теплопотребления.

Рецензенты:

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

Комаров В.А., д.т.н., профессор, заместитель директора по научной работе Института механики и энергетики ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва», г. Саранск.