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


Итоговый отчет (аннотация).

    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