Экспериментальное исследование мощности отопительных приборов и газоводяных теплообменников

Размещено на http://www.allbest.ru//

43

Размещено на http://www.allbest.ru//

ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет»

Экспериментальное исследование мощности отопительных приборов и газоводяных теплообменников

Бранфилева А.Н.

При проектировании новых конструкций отопительных приборов, промышленных теплообменников и экономайзеров для интенсификации теплообмена в инженерной практике принято использовать оребрение с газовой стороны. Но, как показали исследования, это не всегда оказывается эффективным, так как при возрастании площади теплообмена с газовой стороны, поверхность теплообмена со стороны теплоносителя остается неизменной. В данной работе приведены результаты исследований традиционных отопительных приборов МС-140, а также газо-водяного теплообменника новой конструкции из параллельно- последовательно соединенных труб. Проведенные исследования могут быть использованы при проектировании теплообменников для парогенераторов и водогрейных котлов. А также при выборе отопительных приборов при проектировании систем отопления.

Ключевые слова:мощность отопительных приборов и теплообменников, экспериментальная установка, коэффициент теплоотдачи, естественная и вынужденная конвекция.

EXPERIMENTAL STUDY OF POWER OF HETING APPLIANCES

AND HEAT GAS-WATER HEAT EXCHANGERS

Branfileva A.N., Shein V.M., Kuklova E.A., Khalikova L.D.

When designing new designs of heating devices, industrial heat exchangers and economizers for intensifying heat transfer in engineering practice, it is common to use finning from the gas side. But, as studies have shown, this is not always effective, since with increasing heat exchange area from the gas side, the surface of heat exchange on the coolant side remains unchanged. In this paper, we present the results of studies of traditional MC-140 heaters, as well as a new-design gas-water heat exchanger from parallel-series-connected pipes. The carried out researches can be used at designing of heat exchangers for steam generators and water boilers. And also when choosing radiators for the design of heating systems

Keywords: power of heaters and heat exchangers, experimental installation, heat transfer coefficient, natural and forced convection.

В настоящее время актуальной проблемой является уменьшение массы и габаритов теплообменных аппаратов, решение которой достигается путем интенси-фикации процессов теплообмена. Основным условием интенсификации является увеличение коэффициента теплопередачи, величина которого определяется коэффициентами теплоотдачи со стороны греющего и нагреваемого теплоносителей.

При технических расчетах разных видов отопительных приборов и газоводяных теплообменников появляются некоторые сложности, связанные с неопределенностью граничных условий теплообмена и, особенно, в случае газоводяных теплообменников. Поэтому наиболее эффективным способом определения средних коэффициентов теплоотдачи является эксперимент, позволяющий определять мощность разных видов отопительных приборов и теплообменников при различных скоростях течения газа и теплоносителя. Средние коэффициенты теплоотдачи могут быть найдены по известной мощности приборов и заданным поверхностям теплообменника [1, 4 - 8].

Исследования выполнялись на экспериментальной установке, являющейся универсальным испытательным стендом для определения тепловой мощности отопительных приборов и разного вида теплообменников. Она включает: 1 - электроотопительный котел (мощность 7500 Вт); 2 - блок автоматического регулирования температуры нагрева воды (tmax ?90єC); 3 - испытуемый прибор, мощность которого подлежит определению; 4 - расходомер; 5 - манометры; 6 - термометры; 7 - задвижка; 8 - насос; 9 - мембранный расширительный бак; 10 - манометр для измерения давления в расширительном баке; 11 - предохранительный клапан; 12 - воздушник; 13 - трубопровод для подачи воды; 14 - трубопровод слива воды (рис. 1).

Принцип работы экспериментальной установки состоит в следующем. Нагретая в котле 1 вода насосом 8 прокачивается через испытуемый прибор 3, мощность которого требуется определить. Задать требуемую температуру нагрева можно с помощью блока автоматического регулирования. Необходимая температура автоматически поддерживается на нужном уровне. Соответствующими измерительными приборами 4, 5, 6 определяются расход воды, ее давление и температура на входе и выходе из теплообменника. При нагреве жидкости в замкнутом пространстве необходимо применять мембранный расширительный бак, т.к. он предотвращает повышения давления сверх допустимых величин. Он представляет собой металлический бак с мембраной внутри, которая разделяет нагреваемую жидкость и сжатый воздух. При превышении давления в системе более 3 атм срабатывает предохранительный аварийный клапан 11. Для удаления воздуха из системы при ее заполнении водой в установке предусмотрен воздушный клапан.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

При подсчете тепловая мощность отопительного прибора используется формула [2, 3]:

Q GC pm(t' t") , (1)

где Q - тепловая мощность, Вт; Сpm- средняя изобарная теплоёмкость воды в диапазоне температур от t до t Дж/(кг К); t, t- температуры воды на входе и выходе из отопительного прибора соответственно, К; G - массовый расход жидкости, кг/с.

Массовый расход находится по соотношению: G??V , где ? ? плотность воды, кг/м3; V ? объёмный расход, м3/с (определяется расходомером).

Работоспособность установки была проверена на испытании стандартного чугунного отопительного прибора МС-140 (рис. 2), состоящего из 7 секций, общей мощностью 1120 Вт. Исследования на установке показали ее мощность 1160 Вт, то есть погрешность прибора составляет 6% и находиться в допустимых пределах.

Рис. 2. Схема отопительного прибора МС-140

Эксперимент выполнялся для теплообменника усовершенствованной конструкции, представляющего систему четырех соединенных последовательно блоков труб, в каждом из которых применены по четыре параллельно установленные трубы диаметром 0,027 м (рис. 3). Основная цель данного исследования состояла в том, чтобы оценить энергоэффективность предложенной конструкции теплообменника в условиях свободной и вынужденной конвекции.

При проведении опытов средняя изобарная теплоёмкость воды в диапазоне температур от t?доt??во всех опытах принималась равной Сpm ?4187 Дж/(кг К), температура воздуха в лабораторииta ?25 єС (принималась одинаковой во всех выполненных экспериментах). Скорость обдува потоком воздуха при вынужденной конвекции принималась равной 1,5 м/с.

Рис. 3. Теплообменник из параллельно - последовательно соединенных труб

отопительный газоводяной теплообменник

Испытание теплообменника предложенной конструкции

Применительно к испытуемому теплообменнику из параллельно - последовательно соединенных труб (рис. 3) при естественной конвекции в результате эксперимента были найдены: массовый расход воды G? 0,01кг/с; температура жидкости на входе в теплообменник t?= 87 єС; температура жидкости на выходе из теплообменника t??= 69 єС; средняя температура поверхности стенки теплообменника tw 78 єC. Площадь поверхности теплообмена F 1,44м2. Тепловая мощность прибора согласно формуле (1) равна Q 754Вт. Коэффициент теплоотдачи от поверхности теплообменника к воздуху10 Вт/(м2 К).

При обдуве теплообменника потоком воздуха со скоростью 1,5 м/с в результате эксперимента были получены: массовый расход теплоносителя G? 0,0112кг/с; температура жидкости на входе в теплообменникt 90єС; температура жидкости на выходе из теплообменника t = 52 єС; средняя температура поверхности стенки теплообменника tw 71 єC.

Тепловая мощность прибора и коэффициент теплоотдачи применительно к данному опыту оказались равнымиQ?950Вт и ??15Вт/(м2 К). Сводные результаты приведены в таблице 1

Таблица 1. Результаты испытаний при свободной и вынужденной конвекции

Выводы

В классической теории теплообмена принято интенсифицировать теплообмен с помощью оребрения теплообменников с газовой стороны, однако, как показали результаты проведенных исследований, эффективным оказывается также увеличение площади теплообмена со стороны воды. При сравнении испытуемого теплообменника в условиях естественной и вынужденной конвекции было обнаружено, что при увеличении тепловой мощности прибора в условиях вынужденной конвекции в 1,3 раза, его коэффициент теплоотдачи возрастает в 1,5 раза. Данный факт интенсификация теплообмена следует объяснить тем, что в межтрубном пространстве происходит интенсивная циркуляции воздуха благодаря большому расстоянию между соседними трубами (3 - 4 см), а также тем, что вместо увеличения площади теплообмена с газовой стороны за счет оребрения была увеличена площадь теплообмена со стороны воды, что оказалось весьма эффективной мерой.

Полученные результаты открывают новые перспективы в области развития рынка отопительной техники. В настоящее время в инженерной практике применяются сложные отопительные приборы, в конструкцию которых входят гладкие и ребристые трубы, а также система вентиляторов для создания условий вынужденной конвекции. Поэтому данные исследования имеют практическую значимость.

Список литературы

Вытчиков Ю.С., Кудинов И.В. Расчет и проектирование водонагревателей. Самарский государственный архитектурно-строительный университет. - Самара, 2011. 88 с.

Гортышов Ю.Ф., Папов И.А. Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудование -Казань.2009 г.

ГОСТ Р 53583-2009. Национальный стандарт Российской Федерации: Приборы отопительные. Методы Испытаний. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии.

Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1990. 200с.

Кудинов В.А., Карташов Э.М., Стефанюк Е.В. Техническая термодинамика и теплопередача: учебник для бакалавров. - 3 - е изд., перераб. и доп. ? М.: Издательство Юрайт, 2016. 566 с.

Кузьма-Кичта Ю.А. Метод интенсификации теплообмена.-М:МИЭ,2003 г.,112с.

Кунахович А.И. Методика определения номинального теплового потока отопительных приборов при теплоносителе воде. НИИ сантехники, 1984. 26 с.

Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Изд. 2-е, М.: «Энергия», 1977.

Размещено на Allbest.ru