Исследование

Система отопления здания с улучшенной эффективностью теплопередачи отопительных приборов


Тип исследования
Фундаментальное
Грантодающая организация
Министерство промышленности, науки и новых технологий Республики Мордовия
Номер проекта (по данным грантодающей организации)
18-48-130008 р_а
Срок реализации
2018 - 2020
Финансирование по годам
2018 1 000 000,00 ₽
Всего 1 000 000,00 ₽

Исполнители:


В системах отопления зданий широко используются секционные радиаторы, которые показывают низкую эффективность при температурах теплоносителя 40-60 С когда секционный радиатор теряет до 70% мощности из-за низкой доли излучения. В данном проекте повысить эффективность секционных радиаторов предлагается за счет перехода течения теплоносителя в пульсирующий режим, при котором увеличивается на 30% и более эффективность теплопередачи за счет уменьшения зон с пониженной температурой и более рационально используется напор теплосети. Это особенно актуально для систем централизованного теплоснабжения со сложным рельефом местности и протяженными магистралями, в том числе и для системы централизованного теплоснабжения от Саранской ТЭЦ-2. В результате реализации проекта предлагается создание научных основ (способ организации пульсирующей циркуляции теплоносителя, математические модели, описывающие гидродинамические и тепловые процессы в секционных радиаторах, экспериментальные зависимости эффективности теплопередачи различных типов отопительных приборов при частоте колебаний потока и температуры теплоносителя от 0,5 до 5 Гц) для создания систем отопления с улучшенной эффективностью теплопередачи секционных радиаторов при низких температурах теплоносителя путем организации пульсирующего режима теплоносителя за счет использования в качестве нагнетателя импульсного мембранного насоса, работающего за счет располагаемого напора теплосети.

Powered by Froala Editor


Отчет о проделанной работе по состоянию на 1 сентября 2019 г.

    Важнейшие результаты, полученные при реализации проекта. 

 1. Одним из вариантов повышения эффективности работы систем теплоснабжения зданий с секционными биметаллическими радиаторами, является использование пульсирующего режима движения и смешения теплоносителя. Установлено, что использование пульсирующего режима движения теплоносителя в секционных радиаторах при пониженных  температурах его повышает их эффективность в два раза. Эти задачи можно решить за счет включения в схему ИТП энергонезависимого двухпоточного мембранного   насоса, использующего для работы определенную часть располагаемого напора тепловой сети. 

     2. Проведено патентное исследование по проблеме повышения эффективности систем теплоснабжения зданий согласно ГОСТ Р 15.011-96. Патентный анализ подтверждает актуальность проблемы, ее научное и практическое значение. Большая часть сторонних патентов посвящена рациональному отпуску тепловой энергии на ИТП и ЦТП без учета эффективности отопительных приборов, отдельные патенты позволяют определять КПД теплообменника, но управлять эффективностью могут только изменением расхода теплоносителя. Из 50 патентов участвующих в анализе 14 принадлежит исполнителям, которые создают научный задел для реализации данного проекта;

     3. Обоснован и реализован способ организации пульсирующей циркуляции теплоносителя (расход и температура) в секционных радиаторах (СР) систем отопления зданий, с зависимым их присоединением к тепловым сетям. Для осуществления способа предложена схема ИТП с двухконтурным мембранным насосом для организации пульсирующей циркуляции теплоносителя (расхода и температуры). Суть способа заключается в  пульсирующем реверсивном пропуске через отопительные приборы  горячего и охлажденного теплоносителя. Способ позволяет добиться более равномерной температуры на поверхности отопительного прибора, а следовательно повысить эффективность СР;

     4. Разработана математическая модель на базе энергетической цепи, адекватно описывающая гидродинамику процессов в системе отопления с СР и пульсирующей циркуляцией теплоносителя.  Участок теплосети и каждый СР характеризуется массой m воды, гидравлическим сопротивлением r, и податливостью l (утечки). Модель позволяет прогнозировать падение давления в контуре отопления с пульсирующей циркуляцией теплоносителя от параметров сети, СР, схемы и числа подключенных приборов. Для последовательного подключения СР с сетью установлено, что увеличение числа подключенных отопительных приборов   приводит к росту падения давления от 15 кПа при одном приборе до 85 кПа при 8. Причем на низких частотах пульсации теплоносителя (ниже 4 рад/с) отмечается увеличение падения давления.   Для параллельного соединения СР с сетью выявлено, что увеличение числа подключенных отопительных приборов   приводит к снижению падения давления от 9,8кПа при двух приборах до 6 кПа при 8. Причем на низких частотах пульсации теплоносителя (ниже 4 рад/с) отмечается существенное снижение падения давления;

     5. Разработана математическая модель на базе энергетической цепи, адекватно описывающая теплопередачу процессов в системе отопления с СР и пульсирующей циркуляцией теплоносителя. Энергетическая цепь теплопередачи включает три звена: первое учитывает снижение энтальпии за счет массы m, кг, теплоносителя; второе звено – преобразовательное, преобразует энтальпию h, Дж/кг, в температуру t, °С, а массовый расход g, кг/с, в удельный тепловой поток q, Вт/°С, через теплоемкость c; третье звено тепловое, учитывает  падение температуры на СР с помощью термических активных сопротивлений R1, R2, R3, °С2/Вт, соответственно от теплоносителя к поверхности нагрева, теплопроводность стенки и от стенки к воздуху, а также аккумулирующей способности воды податливостью l1, Вт/с, и аккумулирующей способностью стенки податливостью l2, Вт/с. Модель позволяет прогнозировать эффективность СР по снижению температуры теплоносителя в зависимости от массы теплоносителя, термических сопротивлений, аккумулирующих свойств теплоносителя, теплопередающих поверхностей и схем их включения. В результате моделирования в базовом режиме наибольшее снижение температуры на выходе СР наблюдается на частоте 3,6 рад/с и соответствует 3,6 °С, что полностью совпадает с экспериментально полученными зависимостями эффективности СР на данной частоте. При параллельном соединении СР активное термическое сопротивление снижается в два раза, происходит лучшее перемешивание, а частота, при которой наблюдается наибольшее снижение температуры на выходе СР составляет 3 рад/с и соответствует 2,23 °С. При последовательном соединении СР, активные термические сопротивления возрастают в два раза, увеличивается масса теплоносителя на 2,4 кг. Что касается температуры на выходе последнего СР, то они возрастают до 6,7 °С, а частота сдвигается в большую сторону и составляет 4,2 рад/с. При последовательном соединении СР с увеличенным в два раза расходом частота работы двухпоточного мембранного насоса снижается до 3 рад/с, а минимальная температура на выходе из последнего СР составляет 4,33 °С. - смонтирована экспериментальная установка для исследования тепловых и гидродинамических процессов в отопительных приборах систем с пульсирующей циркуляцией теплоносителя производительностью 3000 кг/ч; 

     6. Разработана конструкторская документация на изготовление опытных образцов основных узлов (импульсного распределителя потока и двухпоточного мембранного насоса) и их 3D модели, изготовлены опытные образцы данных узлов на расходы 2000 кг/ч.7. Опубликованы 3 статьи, из которых 2 в базе данных ВАК и одна в Web of Science  и получены два патента на полезные модели.

Проект выполнен в соответствии с заявленным на 2019 г. полностью.

Отчет по состоянию на 1 июля 2019 г.

Изготовлен экспериментальный образец импульсного распределителя потока двухпоточного мембранного насоса.

Получены математические модели, описывающие гидродинамику процессов в двухпоточном мембранном насосе с учетом использования обратной волны гидроудара.

Результаты исследований отражены в публикациях (1 в журнале, индексируемом Web of Science; 1 в журнале из перечня ВАК; 1 находится в печати в журнале индексируемом Scopus).

Отчет по состоянию на 1 апреля 2019 г.

  1. Разработана конструкторская документация на изготовление импульсного распределителя потока двухпоточного мембранного насоса. В графическом редакторе построена 3D модель импульсного распределителя потока.

  2. Проведено моделирование гидродинамики в двухпоточном мембранном насосе на основе энергетической цепи. Определены  рациональные конструктивные параметры двухпоточного мембранного насоса для производительности 1-2  м3/ч. 

  3. Проведены гидравлические и тепловые испытания секционных радиаторов при пониженных температурах (40-70С). Построены зависимости эффективности отопительных приборов от частоты и расхода теплоносителя. 

Powered by Froala Editor