Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

Повышение тепловой эффективности и эксплуатационной надежности паровых нагревателей систем воздушного отопления

1.Анализ состояния вопроса

паровой нагреватель теплосъем

В системах воздушного отопления применяются паровые нагреватели воздуха (ПНВ) коллекторного типа, состоящие из распределительного и сборного коллекторов, соединенных прямыми теплообменными трубками с пластинчатым (рис. 1) или спиральным оребрением [1]. Нагреватель набирается из двух-трех таких рядов секций. Подача пара в каждый ряд индивидуальная. На линии отвода конденсата после каждого ряда установлен конденсатоотводчик (КО). Стабильный отвод конденсата конденсатоотводчиком возможен только при некотором его переохлаждении. Из-за крайне низкой интенсивности теплоотдачи к конденсату на хвостовых, примыкающих к сборному коллектору, участках трубок плотности тепловых потоков в 3…5 раз ниже, чем на участках интенсивного фазового перехода, расположенных выше по теплоносителю.

Поэтому при приходящейся на хвостовые участки доле тепловой нагрузки 5…10% их поверхность достигает 30…40% суммарной. При отрицательных температурах наружного воздуха, подаваемого на вход ПНВ, именно эти участки представляют собой постоянную опасность с точки зрения замерзания конденсата. Однако методики теплового расчета, приведенные в соответствующих нормативных документах [2], не учитывают падение интенсивности теплопередачи на заполненных конденсатом участках поверхности. Это приводит к тому, что реальные теплосъемы с поверхности ПНВ оказываются на 20…30% ниже расчетных. Из-за опасности замерзания конденсата степень оребрения первого по ходу воздуха ряда трубок всегда меньше, чем последующих рядов.

В случае заниженной поверхности теплопередачи нагреватель работает в режиме постоянных, обусловленных конденсатоотводчиком, пульсаций расхода и давления пара. Такие режимы приводят к износу запорно-регулирующей арматуры и самих КО. Нестабильный отвод конденсата нарушает его циркуляцию в трубках ПНВ, что также является причиной его замерзания. Вероятность этого возрастает из-за возможного неравномерного распределения воздушного потока в сечении и пара по трубкам ПНВ [3]. В первом случае из трубок, расположенных в зоне повышенных скоростей воздуха, выходит переохлажденный конденсат, а из трубок в зоне низких скоростей пароконденсатная смесь. Из-за недостаточно интенсивного перемешивания пара, поступающего в сборный коллектор из наименее теплонапряженных трубок, и конденсата из трубок, расположенных в зоне повышенных скоростей воздуха, имеет место «проскок» пара в отводящий конденсатопровод, реагируя на который, КО отсекает подачу пара на нагреватель даже при относительно высокой тепловой нагрузке. Таким образом, КО реагирует на тепловую нагрузку не нагревателя в целом, а на параметры теплоносителя в сборном коллекторе и находится в закрытом состоянии до полной конденсации «пролетного» пара в сборном коллекторе. К тому же результаты проведенных авторами натурных испытаний коллекторных ПНВ показали наличие всплеска расхода пара во второй-третьей трубках, прилегающих к выходу из сборного коллектора. Несконденсировавшийся в этих трубках пар также является источником пульсационной работы ПНВ совместно с КО. Таким образом, как существенная доля поверхности ПНВ, приходящаяся на переохлаждение конденсата с крайне низкой интенсивностью теплопередачи, так и нестабильный его отвод, особенно при неравномерном распределении воздушных и паровых потоков, являются причиной невысокой тепловой эффективности традиционных ПНВ и постоянным источником опасности замерзания конденсата в трубках.

2.Повышение тепловой эффективности и обеспечение гидродинамически стабильной работы паровых нагревателей

Характеристика работы двухступенчатых ПНВ может быть представлена зависимостью суммарного теплосъема Q от относительного расхода пара через первую ступень G_1отн (G_1отн = G₁ / G_п, где G_п суммарный расход пара, G_п = G₁ + G₂) при разных температурах воздуха на входе t_в1 и требуемой температуре воздуха на выходе t_в2 = 20 С (рис. 2). Следует отметить, что с повышением t_в1 (сокращением тепловой нагрузки) система автоматического регулирования уменьшает G_п, что приводит к более глубокому переохлаждению конденсата, а с понижением t_в1 (возрастанием тепловой нагрузки) увеличение G_п, наоборот, к повышению температуры конденсата t_кт вплоть до температуры насыщения t_s и неполной конденсации при t_в1 < (25…30) С. Последнее говорит о том, что достижение требуемой t_в2 при t_в1 < (25…30) С возможно только с переходом нагревателя на неполную конденсацию, т.е. на иной принцип работы.

Как видно, с повышением t_в1 графики становятся пологими, допуская значительные изменения G_1отн без заметного сокращения теплосъема. Это связано с более глубоким переохлаждением конденсата при уменьшении системой автоматического регулирования суммарного расхода пара G_п в соответствии со снижением тепловой нагрузки (увеличением t_в1), поскольку изменение расхода пара G_п сказывается на теплосъеме с затопленного ПНВ гораздо в меньшей степени, чем с ПНВ, из которого выходит либо конденсат в состоянии, близком к насыщению, либо пар. Последнее имеет место при низких t_в1: 25…35 С.

Максимальному теплосъему Q соответствует некоторое оптимальное значение . Как видно, 0,55. При этом температура конденсата t_кт на выходе из обеих ступеней оказывается примерно одинаковой: t_кт = t_кт1 = t_кт2 (125 С при t_в1 = 25 С и 80 С при t_в1 = 10 С). В области слева от = 0,55 параметры теплоносителя (паросодержание х или температура конденсата t_кт) после второй ступени будут выше, чем после первой, а справа наоборот, после первой ступени выше. Именно режимы эксплуатации ПНВ, соответствующие первой области (слева от ), представляют наибольшую опасность с точки зрения замерзания конденсата. Крутые пунктирные линии соответствуют насыщенному конденсату на выходе из второй (х_2-2 = 0 слева от = 0,55) и первой (х_2-1 = 0 справа от = 0,55) ступеней.

Идеальный КО тот, который обеспечивает паросодержание на выходе из ПНВ, равное нулю. Такой КО обеспечил бы эффективную эксплуатацию обеих ступеней (с паросодержанием на выходе из каждой ступени, равным нулю) только на одном режиме при t_в1 = (25…30) С, т.е. при максимальной тепловой нагрузке. На частичных режимах равное нулю паросодержание возможно на выходе только одной из ступеней. При этом изменение величины G_1отн должно соответствовать пунктирным линиям х = 0. С повышением t_в1 при паросодержании на выходе из одной ступени, равном нулю, температура конденсата на выходе из другой ступени будет уменьшаться. Таким образом, работа обеих ступеней ПНВ с идеальным КО (вдоль пунктирных линий х = 0) на частичных режимах невозможна в принципе. Остается вариант с использованием КО с переохлаждением конденсата вдоль вертикальной прямой = 0,55. Однако недостаточно глубокое переохлаждение конденсата (125 С при t_в1 = 25 С и 80 С при t_в1 = 10 С) исключает эксплуатацию КО в режиме стабильного отвода конденсата (безимпульсном), а значит и без пропуска пара в конденсатопровод. Итак, сравнительно эффективная эксплуатация ПНВ возможна внутри области, ограниченной пунктирными линиями х = 0.

Основными требованиями, предъявляемыми к системе автоматического регулирования ПНВ, являются поддержание необходимой температуры воздуха на выходе изменением расхода пара, а также обеспечение надежной, исключающей опасность замерзания конденсата в трубках, работы нагревателя. В настоящее время применяется способ регулирования расхода пара путем его дросселирования.

Традиционная схема регулирования двухступенчатого ПНВ приведена на рис. 3, а. Термобаллоны ТБ регуляторов первой и второй ступеней настраивают на температуру воздуха на выходе каждой ступени, равную требуемой температуре воздуха после второй ступени, например 20 С. На номинальном режиме (например, при температуре воздуха на входе 20 С) оба дроссельных клапана ДК1 и ДК2 полностью открыты, и расход пара регулируется только конденсатоотводчиками КО.

При изменении температуры воздуха на входе, например от номинального ее значения 20 С до 5 С, сначала уменьшается расход пара через вторую, высокотемпературную, ступень вплоть до полного ее отсечения от питающего паропровода. Дроссельный клапан первой, низкотемпературной, ступени ДК1 при этом полностью открыт, т.е. регулирование расхода пара через нее осуществляется исключительно конденсатоотводчиком со всеми вытекающими из пульсаций расхода отрицательными последствиями: проскок несконденсировавшегося пара в конденсатопровод; замерзание конденсата, скапливающегося в трубках при закрытом КО и отрицательной температуре воздуха. При дальнейшем увеличении температуры воздуха на входе ПНВ (после полного закрытия дроссельного клапана второй ступени ДК2) регулирование расхода пара через первую ступень осуществляется дроссельным клапаном ДК1.

Как было показано выше, для обеспечения максимального теплосъема с поверхности двухступенчатых ПНВ необходимо поддерживать оптимальное соотношение расходов пара между первой и второй ступенями. С учетом этого суммарный расход пара через обе ступени ПНВ регулируется автоматически дроссельным клапаном ДК (рис. 3, б). Необходимое оптимальное соотношение расходов между ступенями устанавливается ручной регулировкой с помощью клапанов ДК1 и ДК2.

Чтобы избежать пульсаций расхода с перерасходом пара на ПНВ из-за его проскока через КО достаточно не доводить процесс конденсации до своего завершения, обрывая его при паросодержаниях, близких нулю: х₂ < 0,2. Несконденсировавшийся пар необходимо отделять от конденсата в сепараторе пара и снова подавать на вход в ПНВ, т.е. рециркулировать (рис. 4, а), либо направлять во вторую ступень нагревателя (рис. 4, б, в), т.е. перейти на двухступенчатую конденсацию: с неполным фазовым переходом в первой ступени ПНВ и последующей конденсацией несконденсировавшегося в ней пара во второй ступени. В качестве циркуляционного устройства можно применять пароструйный инжектор, использующий разность давлений в паровой магистрали и на входе ПНВ, т.е. работу расширения, обычно теряемую в дроссельном клапане.

Неполный фазовый переход позволяет увеличить теплосъем с поверхности серийно выпускаемых ПНВ примерно на 30% и соответственно срабатываемый в них перепад температур воздуха, т.е. значительно расширить диапазон их работы по тепловым нагрузкам (рис. 5). При этом полностью исключается вероятность замерзания конденсата при отрицательных температурах наружного воздуха.

Выводы

Результаты анализа паровых нагревателей систем воздушного отопления свидетельствуют о невысоких тепловой их эффективности и эксплуатационной надежности, связанных с возможным замерзанием конденсата в трубках при отрицательной температуре наружного воздуха на входе. Разработан новый принцип работы паровых нагревателей, основанный на неполной конденсации и сепарации несконденсировавшегося пара. Предложены схемные решения, реализующие этот принцип. Использование неполного фазового перехода обеспечивает интенсивную теплопередачу на всей поверхности серийно выпускаемых нагревателей с повышением теплосъема примерно на 30%. При этом опасность замерзания конденсата в трубках нагревателей исключена полностью.

Литература

1. Проспект фирмы Armstrong. Bulletin AH-125. 1997. № 12.

2. ГОСТ 26548-85. Воздухонагреватели. Методы испытаний. М.: Изд-во стандартов. 1985. С. 16.

3. Радченко Н.И., Скородумов А.П. Пути повышения тепловой эффективности паровых нагревателей воздуха систем кондиционирования // Вестник Международной академии холода. - С.-Петербург. - Москва. - 2002. - Вып. 1. - С. 10-13.

Размещено на Allbest.ru