СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОИ ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ
РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКОВ И БАКОВ-АККУМУЛЯТОРОВ
В двухконтурных системах солнечного тепло - и хладоснабжения используют как проточные, так и емкостные теплообменники. При расходах теплоносителя, превышающих 2000 кг/ч, рекомендуется применять водоводяные секционные подогреватели, а при меньших расходах - теплообменники типа ТТ - "труба в трубе" (рис. 6.4, табл. 6.2). Проточные теплообменники систем солнечного тепло - и хладоснабжения подключают по противоточной схеме.
|
6.2. Технические характеристики теплообменников типа ТЦ разработанных ВНИИнефтемаш
|
|
Рис. 6.4. Секция проточного теплообменника типа "труба в трубе" СП) 1 - наружная труба; 2 - внутренняя труба; 3 — распределительная камера; 4 — поворотная камера |
Расчет скорости теплообменников, включенных в установки солнечного теплоснабжения, выполняют по известным зависимостям, в том числе по выражениям, определяющим понятие эффективности теплообменника (метод £ - Ntu):
|
W (Т - Т ) В г. в х. в W (Т - Т )' Min вых вх |
|
W(T - т ) Т вых вх W (Т - т Min вых вх |
|
(6.20) |
£ L-exp[-NTU(l-i?)] t
То= |-JR Г— NTU(1 — Л)] exp
Где С — эффективность теплообменника; W ; WB — соответственно водяные эквиваленты расходов теплоносителя н воды; R = ^rnin^max ~ отношение минимального и максимального из двух водяных эквивалентов расходов теплоносителя и подогреваемой среды, проходящих через теплообменник; NTU — так называемое число единиц переноса тепла (Г — температура, V — приведенный коэффициент теплопередачи): NTU = jn, где
|
(6.21) |
Fc - коэффициент теплопередачи, Вт/ м2оС ; FJ(J - площадь поверхности нагрева, м2; Тг в, Тх в — температура соответственно горячей и холодной воды.
|
(6.22) |
Трудность расчета теплообменников при проектировании установок солнечного теплоснабжения связана с тем, что они работают при переменных температурах, а часто и непостоянных расходах теплоносителей. Поэтому на практике можно использовать упрощенные зависимости для определения необходимых площадей теплообмена
FTO = Сср(Гг. в - Тх. в.)/3600 tA Тк>
где Gcp — количество воды, нагреваемой за период работы установки, кг; Т - продолжительность суточного цикла работы установки, ч; А Т — средний температурный напор в теплообменнике, принимаемый не более 5 °С;к — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2.°С).
Значение к определяют по эмпирической формуле
Лс = av5'8/[l + (vj^)0'8!'
Где a = 5500 для секционных водоподогревателей, а = 5150 для подогревателей типа ТТ; vp v2 — скорости движения теплоносителя соответственно в трубном и межтрубном сечениях теплообменника, м/с (значения скоростей v^ и v2 для секционных водоподогревателей следует принимать в пределах 0,3 ... 1 м/с, для теплообменников типа ТТ — 0,5 ... 1 м/с).
При использовании в солнечном контуре антифризов коэффициент теплопередачи уменьшают на 10... 15 %.
Гидравлическое сопротивление проточных теплообменников определяют по известным зависимостям или по приближенным формулам.
Для секционных водоподогревателей потери давления внутри труб и межтрубном пространстве соответственно равны:
= 5000^2; AP2*№00V$R, (6.24)
Для теплообменников типа ТТ
APj = 8000vfz/n; ДР2 = 13400v^/n> (6.25)
|
(6.23) |
Где z — число секций; п - число параллельных ходов (n = 1 для ТТ1 и л = 2 для ТТ2).
|
(6.26) |
|
(6.27) |
|
Т |
Формулы получены для воды; при использовании других теплоносителей потери давления могут быть определены из соотношения
Л Р*= 2,7-10-f^iyVr0,25.
Эффективность теплообменника, совмещенного с баком-аккумулятором (емкостной водонагреватель), работающего в режиме нагрева без отбора тепла (пренебрегая теплопотерями нагреваемой и нагревающей жидкостей и с учетом среднелогарифмического значения их разности) выражают известным уравнением (при w6 »WTT )
F б = 1-ex p(-NTU6).
Удельную производительность за время Т находят из выражения
|
|
|
|
|
Рабочая вмес |
Диаметр труб |
Полная длина |
Суммарная |
Поверхность |
Сечение |
Масса |
|
Тимость, мЗ |
Змеевика, мм |
Змеевнка, мм |
Длина труб El, М |
Нагрева, м2 |
Змеевика, |
Змееви |
|
Мм2 |
Ка, кг |
|
63. Техническая характеристика змеевиков емкостных теплообменников |
|
20 20 32 32 |
|
1680 2780 2300 3600 |
|
20,9 34,1 28,1 43,8 |
|
1,75 2,85 3.7 5.8 |
|
350 350 1000 1000 |
|
35 56,5 108 168 |
В аппаратах с гладкотрубными теплообменниками точное определение коэффициентов теплопередачи через внутреннюю и наружную поверхности достаточно сложно. Для их нахождения при свободном и вынужденном движениях сред существует целый ряд методических пособий и номограмм.
|
1 1,6 2,5 4 |
Расчет емкостных теплообменников также можно выполнять по формуле (6.22). При этом средний температурный напор следует принимать большим, чем в скоростных теплообменниках (10... 15 °С), а коэффициент теплопередачи - 250... 300 Вт/(м2-°С).
|
(6.29) |
|
Где Z I — суммарная длина труб теплообменника, м; D — условный проход труб, м; v —; скорость теплоносителя в трубах, м/с.
Рис.-6.5. Конструкция змеевика емкостного теплообменника типа СТД |
|
6-6
|
Для серийных емкостных теплообменников типа СТД рекомендуется использовать гладкотрубные однопроходные змеевики (рис. 6.5, Табл. 6.3). Гидравлическое сопротивление змеевиков определяют по формуле
ДР = 125(2 L/D + 940)гЛ
На практике площадь проточных теплообменников принимают 0,05 ... 0,07 м2, а для емкостных 0,08 ... 0,12 м2 на 1 м2 солнечного коллектора.
Тепловой расчет баков-аккумуляторов выполняют по балансовым уравнениям, которые в общем случае имеют вид
W6 = DT6/D 1 = Wr(TBbIX - твх) - WB(T6 - Тх в) — J" (Tg - T0), (6.30)
Где X— теплопотери, Вт/°С.
В случае N-секционного бака-аккумулятора необходимо устройство автоматического управления, предотвращающего переход тепла от более нагретых секций к менее нагретым. Их работу описывают управляющие функции Ф^], Фн, определяемые как
= fi-приЩ >ТбИ; б[0 J 0 — в остальных случаях;
(6.31)
|
( |
1 — при работе насоса циркуляционного контура : О — в остальных случаях.
Баланс энергии j-й секции ^-секционного бака записывают в виде
W6[,]dT6[i]/dt = фB*j. qwjrjii - rt[f +1] + w6(t6[,] - r6[i +1]) + / (T6[i] - Т0).
(6.32)
Решая уравнения (6.30) ... (6.32) с учетом начальных условий (в тб = тнач при Т = 0), находят изменение температуры воды в баке - аккумуляторе в предположении неизменности факторов в течение периода интегрирования уравнения
Гб=Тпред-(Тпред-Тнач)ехРН»Г (6-33)
Где Тпред — предельная температура, до которой можно нагреть данный бак при прочих заданных параметрах.
B = (wb+ r + wtЈjw6. (6.34)
В случае ^-секционного бака (без стратификации в отдельных секциях) выражения для расчета температур принимают следующий вид:
A(i] = (wB[i]T6[i +1] + г 1Щ + ®6[>]wT £ gpjr^WeW;
ВД - (wB[i] + r [«] + £ бГФ/ида
Tgp] = A[i]/B[i] - {АЩ1ВЩ - Tm4[iJ) exp(- B[i f ). (6.35)
По этим выражениям составляют систему рекуррентных уравнений, легко программируемую на ЭВМ, для расчета многосекционного стратифицированного бака-аккумулятора.
Расчет грунтового аккумулятора в силу цикличности режима его работы выполняют отдельно для зарядки и разрядки.
Балансовое уравнение для инженерного расчета слоевого грунтового (гравийного, каменного) аккумулятора в режиме зарядки имеет следующий вид (для гго слоя):
M[i]CdTa[i]/dt = «tvvii](rr[i] - тай) - F (Ta[i] - tj, (6.36)
Где M, С, V - соответственно масса, теплоемкое» и объем засыпки; — объемный коэффициент теплопотери.
Температуру Ьоздуха, выходящего из аккумулятора, определяют по уравнению
ЩТВЫХ - Гвх) = <*- vnrBbIX - Тл). (6.37)
Для нахождения объемного коэффициента теплоотдачи имеется эмпирическое соотношение, устанавливающее его зависимость от расхода воздуха G и эквивалентного сферического диаметра частиц D:
<*v = 650(G/d)4 (6.38)
V 1/
Где D = (---- ) / (v — суммарный объем частиц; л — число частиц).
П 3
Для режима разрядки уравнение теплового баланса имеет вид
CMli]dTa[,]/d? - W(Ta{i] - TJi -1» -r Vfi](raR] - TJ. (6.39)
Составляя систему из уравнений для всех слоев аккумулятора, можно сформировать математическую модель для его расчета.
Тепловую изоляцию баков-аккумуляторов можно рассчитать по формулам:
Где <f из — толЗДина изоляции, м; Л из — коэффициент теплопроводности изоляции, ВтI м-°С ; <зС — коэффициент теплообмена; А. из — коэффициент теплопередачи через изоляцию Вт/(м2.°С); Qn - допустимые потери тепла, Вт; Ag - площадь бака-аккуму ля - тора, м2; Tg - расчетная температура воды в баке, °С.
