Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и обоснование задач исследования 13
1.1. Способы утилизации геотермальной теплоты и холода 13
1.2. Методы расчета поверхностных теплообменников, предназначенных для охлаждения и осушения воздуха 24
1.3. Выводы и постановка задач работы 35
2. Анализ процессов тепломассообмена и аэро.линамики при осушении насыщенного воздуха в рекуператорах 39
2.1. Разработка приближенной математической модели процессов 39
2.2. Влияние начальных параметров и схемы взаимного движения потоков на теплотехнические характеристики аппаратов 47
2.3. Определение толщины пленки конденсата и аэродинамического сопротивления каналов теплоотдающей среды 58
2.4. Выводы по главе 65
3. Экспериментальное изучение теплопередачи от охлаж даемой насыщенной паровоздушной смеси к нагреваемому воздуху в поверхностных аппаратах пластинчатого типа 68
3.1. Лабораторное исследование процессов тепломассообмена в щелевых каналах на моделях рекуператоров 68
3.2. Исследование в натурных условиях 88
3.3. Выводы по главе 98
4. Разработка и исследование системы комплексного теплохладоснабжения животноводческих зданий на базе минерализованных агрессивных геотермальных вод 100
4.1. Разработка схемного решения установки и приближенной математической модели процессов тепломассообмена в ее аппаратах 100
4.2. Теплоэнергетический анализ летнего режима работы 107
4.3. Особенности эксплуатации в отопительный период 117
4.4. Выводы по главе 125
5. Практическое применение результатов исследований 127
5.1. Инженерные методы расчета систем утилизации теплоты и холода минерализованных агрессивных гидротерм 127
5.2. Технико-экономическая эффективность использования геотермальной теплоты для обеспечения требуемого микроклимата в животноводческих зданиях 146
5.3. Выводы по главе 150
Основные выводы 152
Список литературы 156
Приложения 174
- Методы расчета поверхностных теплообменников, предназначенных для охлаждения и осушения воздуха
- Влияние начальных параметров и схемы взаимного движения потоков на теплотехнические характеристики аппаратов
- Теплоэнергетический анализ летнего режима работы
- Технико-экономическая эффективность использования геотермальной теплоты для обеспечения требуемого микроклимата в животноводческих зданиях
Введение к работе
Важнейшей задачей экономической политики партии,как отмечено в принятых на ХХУІ съезде КПСС Основных направлениях развития народного хозяйства на период до 1990 года [1] , является повышение эффективности использования топлива и энергии. При этом, вследствие истощаемости запасов угля и нефти,особое значение приобретает вовлечение в энергобаланс страны возобновляемых природных ресурсов, к которым в первую очередь относятся геотермальные воды. Утилизация их теплового потенциала приводит к высвобождению топлива, исключает транспортные расходы на его доставку, способствует охране воздушной среды от продуктов сгорания. Необходимость скорейшего развертывания научно-исследовательских и практических работ по извлечению и применению геотермальной теплоты в народном хозяйстве подчеркивалась на ноябрьском (1979г) Пленуме ЦК КПСС [2]
В СССР имеются огромные запасы гидротерм, общий тепловой потенциал которых оценивается угольным эквивалентом 40 млн.тонн в год [99,168] . С точки зрения практического использования подземной теплоты наиболее перспективен Западно-Сибирский артезианский бассейн площадью свыше 2 млн.кв.км, содержащий 75/ по дебиту и 72% по теплосодержанию всех геотермальных вод страны [99].
Данный район характеризуется интенсивным развитием сельского хозяйства и является одним из основных поставщиков мясомолочной продукции. В Продовольственной программе СССР намечены направления и мероприятия по увеличению среднегодового производства мяса и молока на период до 1990 года [3] . Важное место в реализации программы отводится вопросам повышения эффективности сельского хозяйства Сибири, что нашло отражение в соответствующем постановлении партии и правительства С 4]
Для успешного решения поставленной задачи в колхозах и совхозах необходимо осуществлять меры по созданию оптимального микроклимата в животноводческих зданиях, оказывающего существенное влияние на продуктивность животных [54,150]. Кроме того, одним из условий нормальной работы ферм является их надежное инженерное обеспечение, включающее горячее и хозяйственно-питьевое водоснабжение, а также холодильные установки для охлаждения и первичного хранения продукции.
Многие хозяйства Западно-Сибирского региона удалены от поверхностных водоемов и вынуждены осуществлять дальнюю транспортировку воды, на что отвлекается большое количество людей и техники. Частично проблема решается за счет бурения скважин для вывода на поверхность подземных водоносных пластов. Получаемая при этом вода в зависимости от теплосодержания может служить тепло или хла-доносителем. В летнее время наиболее перспективно применение низкопотенциальных гидротерм для одновременной выработки теплоты и холода, необходимых на животноводческих фермах[57].
При выборе способа теплотехнического использования подземных вод наряду с температурой существенное значение имеют такие факторы, как их химический состав, минерализация и газонасыщенность, определяющие возможность коррозии и солеотложения в теплообмен-ной аппаратуре. В связи с этим, для учета особенностей применения гидротерм в качестве тепло- и хладоносителей имеет смысл разделить их на следующие группы [121] :
а) допускающие возможность непосредственной подачи в типовые
поверхностные теплообменники, то есть геотермальные воды высоко
го качества;
б) минерализованные и агрессивные гидротермы, которые нельзя
направлять в рекуперативные аппараты.
Наибольшие трудности возникают при использовании подземных вод второй группы. Вместе с тем, именно они составляют основную часть Западно-Сибирского артезианского бассейна[39].
Вышеизложенное обуславливает актуальность настоящей диссертации. Цель ее заключается в разработке схемных решений и методов расчета утилизации теплоты и холода минерализованных агрессивных гидротерм для вентиляции и комплексного теплохладоснабже-ния животноводческих зданий в условиях Западной Сибири.
В работе предлагается одновременное использование тепловой энергии вытяжного воздуха и геотермальной воды с помощью известной установкиСТІдля обеспечения требуемого микроклимата в производственных помещениях. Идея состоит в контактном нагреве вытяжного воздуха гидротермой с последующей отдачей теплоты приточному воздуху рекуперативным способом.
При такой схеме охлаждаемой средой в поверхностном теплообменнике является насыщенная паровоздушная смесь. При этом, как показывают результаты теоретических и экспериментальных исследований ряда авторов [4г5,МЛ5,А7,56,81] , наблюдается нарушение подобия полей температур и влагосодержаний в пограничном слое, что приводит к уменьшению соотношения Льюиса. Поскольку существующие аналитические методы расчета рекуператоров основаны на предположении справедливости аналогии между тепло - и массообме-ном и связанного с ней уравнения Меркеля, то в рассматриваемом случае они дают некоторую погрешность. С учетом вышеизложенного, возникла необходимость разработки специальной математической модели процессов тепломассопереноса в утилизаторах теплоты насыщенного воздуха.
В результате ее решения получены формулы для определения изменений температур потоков и поверхности теплообмена, а также выражения для вычисления средней по длине аппаратов толщины пленки
образующегося конденсата.
Экспериментальные исследования, проведенные на лабораторной и опытно-промышленной установках, подтвердили достоверность выведенных зависимостей.
В работе разработана система комплексного теплохладоснабже-ния животноводческих зданий на базе минерализованных агрессивных гидротерм и приближенная математическая модель процессов тепломассообмена в ее аппаратах. На основе выполненного энергетического анализа выявлена оптимальная область применения схемы для климатических условий Западной Сибири.
Практическая реализация результатов исследований заключается в создании инженерных методик расчета рассмотренных выше установок. Одна из них использована при проектировании опытно-промышленной системы воздушного отопления, сооруженной в Омской области на базе существующей геотермальной скважины, и разработке аналогического проектно-конструкторского решения, принятого к внедрению в хозяйствах Новосибирской области. Составной частью этой методики является способ теплоаэродинамического расчета рекуперативных утилизаторов теплоты насыщенного воздуха, который также применен при проектировании реальных объектов.
ІЗ І. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
І.І. Способы утилизации геотермальной теплоты и холода
Наиболее простым способом использования тепловой энергии геотермальных вод первой группы является непосредственная подача их в отопительные приборы с последующим направлением для горячего водоснабжения, либо для различных технологических целей. Догрев теплоносителя и регулирование теплопроизводитель-ности может осуществляться с помощью пиковой котельной. Такие системы проектируются и успешно эксплуатируются в СССР, Венгрии, Исландии, Болгарии и других странах [15,30,63,66,89,99,109,159, 160,161,172,185]. Однако, применение подобных схем целесообразно лишь при высокой температуре воды, позволяющей покрывать основную часть отопительной нагрузки за счет геотермальной теплоты.
Рядом авторов предлагаются различные инженерные решения, направленные на обеспечение максимального использования теплового потенциала гидротерм в системах отопления. Одно из них заключается в увеличении температурного перепада геотермальной воды в нагревательных приборах. Исследования по возможности применения таких схем были начаты в работах Г 52,53] и продолжены в разработках ДагНИОЭ [121,122,123,142] , практически реализованных при строительстве жилого дома в г.Махачкале. Отрицательные свойства систем с повышенным перепадом температур теплоносителя обусловлены их малой гидравлической устойчивостью и высокими единовременными вложениями, связанными со значительной требуемой поверхностью отопительных элементов.
При необходимости воздушного отопления перспективно исполь-
14 зование установки, позволяющей осуществить сочетание контактного и поверхностного способа обработки воздуха [Н5] . В ней ги-цротерма подается на калориферы, служащие второй ступенью нагрева, а затем распыляется в тепломассообменном аппарате ( первая ступень).
В случае недопустимости увлажнения приточного воздуха возможно применение схемы, предложенной Б.А. Локшиным [98,99,100] Идея заключается в параллельном поступлении геотермальной воды, с одной стороны, в систему водяного отопления с последующим направлением на калориферы первого поцогрева системы воздушного отопления, а с другой, - на калориферы второго поцогрева с дальнейшей подачей для целей горячего водоснабжения.
В результате охлаждения гидротермы в нескольких теплообмен-ных аппаратах снижается температура сбрасываемой воды, что приводит к повышению эффективности использования скважины в течение отопительного периода.
Некоторыми авторами {8,83,100,108,121,125,126,179] цля увеличения степени утилизации геотермальной энергии предлагается применение термотрансформатрров. В таких установках гицротерма после отопительных приборов или других поверхностных теплообменников поступает на испарители тепловых насосов, в конденсаторах которых осуществляется нагрев воды цля целей теплоснабжения.Одна из подобных систем разработана в Институте теплофизики СО АН СССР и практически сооружена в поселке Термальный Камчатской об-лаоти108,126]
В случае наличия низкотемпературной гицротермы, она может подаваться на испарители непосредственно из скважины [58,121, 158,166,167,171,181,185] .Несмотря на расход электроэнергии в теп-лонасосном цикле и значительные капитальные затраты, аналогичные установки позволяют получить экономию топлива за счет утилизации
низкопотенциальной теплоты. Кроме.того, их преимущества связаны с возможностью использования тепловых насосов в летнее время для выработки холода, что повышает эффективность эксплуатации скважины в течение года и снижает ее себестоимость. Отмеченные положительные факторы обуславливают широкое распространение таких систем, особенно за рубежом.
При необходимости наряду с теплоснабжением одновременного обеспечения и хладоснабжения целесообразно применение комбинированной схемы, предложенной в работе [117] . Идея заключается в подаче гидротермы параллельно в систему водяного и на калориферы второго подогрева воздушного отопления, а затем, последовательном направлении смеси обратной воды из этих систем на горячее, техническое водоснабжение и конденсатор холодильной машины. Нагретая в конденсаторе вода поступает в калориферы первого подогрева, после которых сбрасывается в канализацию. Испаритель холодильной машины соединен с камерой охлаждения.
Данная схема позволяет осуществить круглогодичную загрузку оборудования, более полно использовать дебит скважины и тепловой потенциал геотермального месторождения. Однако, ее применение возможно лишь при наличии гидротермы с температурой не ниже 60С.
В то же время в Западной Сибири преимущественное распространение среди геотермальных вод, пригодных для непосредственного использования у потребителя, имеют воды с температурой Ю*30С [59] . Это связано с характером распределения минерализации и теплосодержания водоносных пластов в зависимости от глубины их залегания. Гидротермы более глубоких горизонтов обладают сравнительно высоким тепловым потенциалом, но имеют значительную минерализацию и в ряде случаев бывают агрессивны по отношению к обычным конструкционным материалам. Выводимые на поверхность с целью
водоснабжения неглубоко залегающие геотермальные воды часто являются слабоминерализованными и низкотемпературными. Наличие в сельскохозяйственных районах Западной Сибири большого числа во-доснабженческих скважин, ограниченные возможности доставки и высокая стоимость топлива вызвали необходимость создания систем теплохладоснабжения на базе качественных гицротерм низкого теплосодержания,
В работе t 57] разработана и исследована подобная установка для животноводческих зданий. Её принципиальная схема изображена на рис, I.I.
В отопительный период геотермальная вода подаётся параллельно в испарители двух тепловых насосов, охлаждается и поступает затем на хозяйственно-питьевое водоснабжение. Один из тепловых насосов служит для нагрева теплоносителя системы отопления, к которой подключен пиковый котел. Другой - для повышения теплового потенциала геотермальной воды, предназначенной в систему горячего водоснабжения. В летнее время первый тепловой насос работает в режиме холодильной машины. При этом, испарителем является специально подключаемая камера первичного охлаждения и хранения продуктов животноводства.
Преимущества установки заключаются в её универсальности,обеспечении круглогодичной загрузки оборудования и, тем самым, снижения себестоимости геотермальной скважины,
С целью повышения термодинамической эффективности холодильного цикла в теплый период года, имеет смысл дополнительно осуществить соединение испарителя теплового насоса, используемого для водоснабжения, с конденсатором холодильной машины посредством трубопровода, снабженного трехходовым краном и обратным клапаном [155] Получающиеся изменения в схеме показаны пунктиром на рис, I.I. Рассмотренное техническое решение позволяет произ-
17 водить охлаждение конденсатора холодильной машины водой, направляемой после испарителя теплового насоса. Эта вода имеет более низкую температуру, чем гидротерма на устье скважины. Данное предложение защищено авторским свидетельством на изобретение [10].
Большей частью гидротермы имеют значительную минерализацию и коррозионную активность по отношению к обычным конструкционным материалам, что исключает возможность их непосредственной подачи в типовые поверхностные аппараты.
Простейшим способом утилизации теплоты агрессивных подземных вод является применение коррозионно стойких рекуператоров или неметаллических нагревательных приборов [50,165,166,173 J .
В городе Крейль (Франция) эксплуатируется наиболее крупная подобная установка [165,173] , схема которой показана на рис. 1.2. Принцип работы её заключается в том, что гицротерма, проходя через титановые поверхностные теплообменники, нагревает теплоноситель системы отопления первой группы зданий. Повышение теплового потенциала теплофикационной воды второй группы зданий производится в конденсаторах трех последовательно включенных тепловых насосов, на испарители которых поступает вода, охлажденная в отопительных приборах первой группы зданий.Рассматриваемая установка обслуживает 4 тыс.квартир жилого дома и позволяет получить годовую экономию около 3 тыс.тонн условного топлива по сравнению с котельной.
В работах [121,124] предлагается в качестве рекуператора применять магистральный теплопровод типа "труба в трубе" с про-тивоточным движением теплообменивающих сред. По внутреннему каналу подаётся геотермальная вода, а по кольцевому зазору -пресная.
22SZ22Z2
Рис. I.I Установка для комплексного теплохлацоснабжения животноводческих зданий:
1-геотермальная скважина, 2 и 3 -испарители и конденсаторы тепловых насосов, 4 и 5 -системы горячего и хозяйственно-питьевого водоснабжения, 5 -холодильная камера, 7-система отопления, 8-пиковый котел, 9 -трубопровод, снабженный трехходовым краном и обратным клапаном
2 группа
зданий
I группа зданий
Рис. 1.2 Геотермальная система отопления в г. Крейль (Франция):
I и 2 -подъемная и реинжекционная скважины, 3- титановые теплообменники, 4 и 5 -испарители и конденсаторы тепловых насосов
Недостатки рассмотренных систем связаны с низким коэффициентом теплопередачи и малой прочностью неметаллических нагревательных приборов, опасностью солеотложения в теплообменной аппаратуре.
Имеются разработки установок с использованием принципа вакуумного испарения гицротерм. Образующийся пар может непосредственно нагревать пресную воду С37] , сжиматься в компрессоре с последующей отдачей энергии сжатия теплоносителю системы отопления f<57j или конденсироваться в испарителе теплового насоса [6,139] Последняя схема предложена в Киевском инженерно-строительном институте.
Подобные системы характеризуются высокой эффективностью передачи теплоты от геотермальной воды к теплофикационной. Однако, ввиду значительных капитальных и эксплуатационных затрат, связанных с обеспечением вакуума, их применение целесообразно лишь для крупных объектов теплоснабжения.
Помимо описанной выше установки в КЖИ разработано несколько оригинальных способов утилизации энергетического потенциала минерализованных и агрессивных гидротерм для отопления культивационных сооружений. Исследования, проведенные в лабораторных и производственных условиях, подтвердили техническую возможность и экономическую эффективность предложенных решений.
Простейшим из них является применение канальной системы обогрева [9] . Суть её заключается в пропуске геотермальной воды по пластмассовым или железобетонным каналам,покрытым сверху перфорированной полиэтиленовой пленкой. Для увеличения поверхности теплообмена по длине каналов установлены оребренные термосифоны. Такая система позволяет помимо нагрева осуществлять также и увлажнение воздуха. Однако, вследствие того, что каналы занимают значительную часть полезной площади теплицы, их сооружение пред-
почтительнее при высоких температурах гицротерм.
Наиболее перспективными являются способы использования теплоты минерализованных и агрессивных геотермальных вод с помощью промежуточного теплоносителя* В качестве последнего применяется гидрофобная жидкость [32,33,34] или воздух [5] . Идея состоит в циркуляции промежуточной среды по замкнутому контуру между двумя контактными аппаратами. При этом, в одном из них она воспринимает тепловую энергию гидротермы, а в другом передает ее теплофикационной воде. Вместо двух теплообменников возможно использование одного, совмещающего в себе их функции [22] .
Подобные установки отличаются высокой эффективностью утилизации геотермальной теплоты и большой эксплуатационной надежностью.
В случае низкой температуры имеющейся гидротермы имеет смысл непосредственно подавать паровоздушную смесь после первого тепло-масс ообменного аппарата в отопительные приборы [127] . Такая схема также исследовалась в.КИСИ. В качестве нагревательных элементов применялись эластичные рукава из полиэтиленовой пленки.
Как показали испытания, со временем наблюдается провисание пленки вследствие ее теплового удлинения [127] . Кроме того, пленочные отопительные приборы обладают повышенным аэродинамическим сопротивлением из-за вибрации при движении по ним воздуха и требуют значительных поверхностей нагрева ввиду низкого коэффициента теплопередачи. Несмотря на это, возможность утилизации низкопотенциальных энергоресурсов и простота конструкции обеспечивают технико-экономическую эффективность рассмотренных систем.
С целью увеличения степени использования подземной теплоты в работе [34] предлагаются комбинированные схемы отопления теплиц. Согласно одной из них (рис.1.3.) геотермальная вода подается в контактно-поверхностный теплообменный аппарат,имеющий орошаемые и неорошаемые каналы. Конструкция такого теплообменника предложе-
22 на в работе [M6J . После орошаемых каналов паровоздушная смесь
Методы расчета поверхностных теплообменников, предназначенных для охлаждения и осушения воздуха
При охлаждении влажного воздуха до температуры ниже точки росы из него конденсируются водяные пары. Это приводит к значительному усложнению теплотехнического расчета аппаратов вследствие взаимного влияния тепло- и массопереноса. Кроме того, необходимо учитывать, что образующаяся на поверхности пленка конденсата вызывает увеличение аэродинамического сопротивления каналов теплоотдающего потока в связи с дополнительно возникающими в них силами трения на границе раздела газообразной и жидкой фазы.
Исследованию процессов охлаждения и осушения влажного воздуха в рекуператорах посвящены работы В.Н.Богословского, А.А.Гоголина, О.Я.Кокорина, Е.Е.Карписа, Л.Д.Бермана, М.Я.Поза, В.П.Бы-строва, Л.М.Зусмановича, В.П.Ильина, Л.С.Бобе, М.А.Михайлянца, Л.Л.Товажнянского, Goodman,Z».SiecjeE и ряда других авторов.
При расчете совместного переноса теплоты и массы принципиальное значение имеет вопрос о справедливости соотношения OC/JB = C, выведенного Льюисом в работе ІІТ5] , Утвердительный от вет означает существование подобия полей температур и влагосо-держаний в пограничном слое, позволяющего использовать уравнение Меркеля [177] : где Jw -энтальпия воздуха при температуре поверхности tw , кДж/кг. В этом случае, как следует из формулы (I.I), величина оС полностью определяет условия тепло - и массообмена в каналах охлаждаемого потока.
Одним из первых доказательство справедливости равенства Ае =Н при осушении воздуха в рекуператорах произвелАіпдерїб]. Его опыты осуществлялись в обычном для систем кондиционирования диапазоне изменения температур теплообменивающихся сред. Впоследствии подтверждение существования приближенной аналогии между процессами тепло - и массопереноса при небольшом начальном влагосодержании охлаждаемого воздуха было получено в работах [41,60,75,80,82,153,163] #
В то же время исследования ряда авторов [16,18,23,136,147] по рекуперативному осушению паровоздушных смесей различных параметров показывают, что при высокой интенсивности поперечного потока водяного пара соотношение Льюиса не соблюдается.
Детальный анализ границ применимости равенства LQ - і сделан Л.Д.Берманом [18,20] . В результате обобщения данных многочисленных опытов, проведенных во Всесоюзном теплотехническом институте, им предложено выражение : где Мі д -диффузионное число Нуссельта при плотности поперечного потока массы, стремящейся к нулю (определяется при аналогии между тепло- и массообменом ); Rn/Rr -соотношение универсальных газовых постоянных пара и газа. Если же г/ о 2,5 то можно использовать упрощенную формулу [19,22]
В обычном для систем кондиционирования диапазоне изменения параметров теплообменивающихся сред г Q9 и, следовательно, с достаточной степенью точности соотношение Льюиса соблюдается. Однако, с повышением влагосодержания охлаждаемого потока при одновременном снижении температуры поверхности теплообмена наблюдается возрастание коэффициента массоотдачи. При этом фактическое диффузионное число Нуссельта может отличаться от теоретического (найденного в предположении справедливости аналогии между тепло- и массообменом ) более, чем на 10 %.
В случае охлаждения в рекуператорах насыщенного или близко к насыщенному воздуха, как показано А.А.Гоголиным аналитическим путем [43, ,45,47] , величина Z»e будет меньше, чем для ненасыщенного. Это связано с образованием зоны тумана в каналах теп-лоотдающей среды. Причем, конденсация влаги происходит как на твердой поверхности, так и в самом потоке. Выводы А.А.Гоголина подтверждены экспериментальными данными ряда авторов. Так в опыт тах В.С.Жуковского и К.И.Резниковича Г56] число Льюиса изменялось от 0,69 до 0,89, равняясь в среднем 0,76. В экспериментах В.Н. Кефера и В.К.Черниченко [81] значения L& получались в интервале 0,65 Ас 0,95, а в среднем - около 0,8.
Одним из невыясненных до конца вопросов является соотношение коэффициентов явной теплоотдачи при сухом охлаждении воздуха и охлаждении, сопровождающемся массопереносом.
Несколькими исследователями 16,46,84,153] делаются выводы о некотором изменении величины об во втором случае по сравнению с первым. Это дало им повод при расчете совместно протекающих процессов тепло - и массопереноса ввести дополнительно в критериальное уравнение вида M =f(Re/ гигрометрическое число Гухмана, учитывающее зависимость теплообмена от начального вла-гооодержания охлаждаемого потока [16] .
Влияние начальных параметров и схемы взаимного движения потоков на теплотехнические характеристики аппаратов
Продифференцируем обе части выражения (2.15) по независимой переменной X : Подставив полученную формулу в (2.3), имеем: В уравнении (2.24) коэффициент увеличения полного теплообмена за счет массообмена определяется: где dQn,dQ„ -соответственно количество полной и явной теплоты, отдаваемой охлаждаемым воздухом на участке длиной dx , Вт Принимая во внимание левую часть выражения (2.24), можно записать: Рассмотрим прямоточную схему движения потоков в рекуператоре. Первоначально решаем систему двух дифференциальных уравнений (2.5) и (2.24), представив их в вице: Найдем вторую производную левой части выражения (2.5) по переменной X : Подставляя в данную формулу значение dU/dx из (2.24), после соответствующих преобразований имеем: Характеристическое уравнение для этого случая записывается в вице [ft] : а его корни определяются следующим образом: Тогда, общим решением рассматриваемого цифференциального уравнения второго поряцка (2.28) буцет функция: где С ,Сг -постоянные интегрирования. Найдем вторую произвоцную полученного выражения по перемен ной X : п С помощью зависимостей (2.5) и (2.4) опрецеляем величины ч HW Как следует из уравнений (2.42) - (2.45) и (2.59)-(2.62), искомые величины определяются с помощью безразмерных комплек сов , которые в свою очередь являются функциями геометрических размеров каналов, массовых скоростей и началь ных температур взаимодействующих сред. С целью выяснения харак тера этих зависимостей были произведены вычисления на ЭВМ "БЭСМ-6" для прямоточной и противоточной схем в предположении, что термическое сопротивление пленки конденсата пренебрежимо мало. Правомерность такого допущения, а также блок-схема прог раммы рассматриваются в следующем пункте настоящей главы.
При проведении расчетов задавались реальные геометрические размеры пластинчатых рекуператоров; 0,5м Л 1,5м;0,5м$С2,0м; 0,01мп0,02м. Массовые расходы в каналах варьировались в пределах: 2,5 I0"/c$Mi7,5-I0 2 кг/с; 2,5гЮ"2 кг/с Мг 7,5?10 кг/с, исходя из условия обеспечения скорости движения воздуха 2 8 м/с. Температуры потоков на входе в аппарат изме нялись следующим образом: I0C t H90C, -40С t2H 0С. Результаты расчетов показывают, что отноиение NlUn/N1U (Кп/к) и комплекс Р с погрешностью не более 3,5% определяются лишь значениями tiH и Мг/Мь В связи с этим, как видно из формул (2.42), (2.43),(2.59),(2.60), при заданных геометрических размерах теплообменника величины Е и ft также являются функциями только начальной температуры теплоотдающего потока и соотношения массовых расходов взаимодействующих сред. На рис. 2.3 приведены кривые Л/Шп/А/Ш= (М2/М н), полученные при t2H =-20С. График свидетельствует о том, что коэффициент теплопередачи пластинчатого рекуператора при охлаждении в нем насыщенной паровоздушной смеси в 1,2 3 раза выше, чем при охлаждении сухого воздуха. Уравнения (2.42), (2.43), (2,59), (2.60) позволяют построить зависимости относительного изменения температуры теплоот-лающей среды и температурного коэффициента эффективности аппарата, работающего в режиме выпадения конденсата на всей поверхности, от параметров tiH,Mz/Mi и схемы взаимного движения потоков.
Кривые, полученные при а =1м; t =1м; h =0,01м; ttn =-20С,изображены на рис. 2.4 и 2.5. Пунктиром нанесены линии для случая охлаждения сухого воздуха (j =l) , которые являются функцией только лишь соотношения Мг/М . Как видно из рис. 2.4 и 2.5, при использовании в качестве теплоотдающей среды насыщенной паровоздушной смеси величина Е значительно больше, a Qi меньше, чем при отсутствии массообмена. Причем, с возрастанием начальной температуры охлаждаемого потока эта разница увеличивается. По сравнению с прямотоком,противоточ-ная схема дает более высокие значения коэффициента эффективности (рис. 2.5). Результаты расчетов, произведенных по формулам (2.44) и (2.61), показывают, что при заданных геометрических размерах каналов относительное изменение температуры поверхности теплообмена не зависит от конкретных массовых расходов М и Мг , а определяется их соотношением.
Теплоэнергетический анализ летнего режима работы
Пренебрегая термическим сопротивлением стенки воздухоохладителя, величину Кпи » входящую в правую часть зависимости (4.1), для неоребренного аппарата можно определить по формуле: При этом значение j находится следующим образом [42] : где WWK -влагосоцержание насыщенного воздуха при температуре В испарителе процесс охлаждения промежуточной среды протекает по линии Ф =Ю0$. Это позволяет использовать уравнение (4.3) для подсчета разности ( d H - OIWK) : Вследствие малости термического сопротивления стенки воздухоохладителя, можно принять Подставляя формулы (4.21) и (4.22) в (4.20), имеем: Выразим также разность (diH-dw) через соответствующие температуры с помощью выражения (4.3): Подставив данное равенство и зависимости (4.15),(4.19),(4.23)в (4.1), после преобразований получим: где NTJNO -затраты электроэнергии на осуществление теплонасос-ного и холодильного циклов,кВт. На основании результатов проведенных исследований В.С.Мартыновским U01 ] показано, что величина [? с достаточной степенью точности является функцией лишь температуры кипения рабочего тела в испарителе(Ти) и температуры его конденсации в конденсаторе (tT).
Для практического вычисления действительного коэффициента преобразования теплового насоса им предложена полуэмпирическая зависимость, которая с учетом уравнений (4.13) и (4.14) записывается в виде: где t0 -температура кипения хладагента в камере охлаждения, С. Энергетическая эффективность совместной выработки тепла и холода характеризуется коэффициентом совмещенного цикла и19J : Обозначим 8=Qr/Q и разделим числитель и знаменатель уравнения (4.36) на величинуQ0 . Используя формулы (4.32) и (4.33), преобразуем его затем к виду: Количества вырабатываемых установкой теплоты и холода в свою очередь определяются и0 ] : Подставляя зависимости (4.1),(4.24) в (4.38, а также (4.27) в (4.39), имеем: . Согласно нормативным данным C 2J , температура горячей воды для производственных нужд зданий содержания крупного рогатого скота должна быть в пределах 55-65С. Учитывая снижение энергетической эффективности теплонасосного цикла при повышении температуры конденсации рабочего тела, наиболее целесообразно вы брать минимальное значение из указанного интервала [104] При этом, имея ввиду, что величина tT приблизительно на 5С выше температуры воды, выходящей из конденсатора [86] , полагаем tT =60С. По технологии первичное охлаждение молока после дойки на ферме необходимо осуществлять до ЮС [Иб] . Поскольку в камерах непосредственного охлаждения температура кипения хладагента принимается на ЮС ниже температуры обрабатываемых в них продуктов [86J , считаем t0 =0С. В различных типах воздушных испарителей и конденсаторов разности ДІи и &tK изменяются незначительно. Поэтому при проведении расчетов их обычной считают постоянными и задают в зависимости от температур t и tx . Применительно к рассматриваемому случаю можно принять /vtM = Atx =I2C86].
С учетом вышеизложенного, из формул (4.1)-(4.11),(4.34)--(4.37),(4.40),(4.41) следует, что величины ]?у, 8 являются функциями параметров teHyJ A/TUx, /VTU1M, Л/Ш2и Для выяснения характера этих зависимостей произведены расчеты на ЭВМ при 10С : UH 45С; 0,5 JUC 2,0; 0,5 Л/Шх 1,5; 0,6 Г /УШ1И 3,0; 0,2 /V7lU/A/rU2M 4 1.0. Решение систем нелинейных уравнений, описывающих процессы тепломассообмена в аппаратах установки, осуществлялось методом Ньютона [87] . Блок-схема программы приведена в следующем пункте настоящей главы. Как выявлено в результате вычислений, значения комплексов MTU , AIT Щи, NTIXZH не оказывают существенного влияния на искомые величины, которые с погрешностью, не превышающей 6%, определяются лишь начальной температурой геотермальной воды (te„) , коэффициентом орошения ( с) , а также соотношением чисел единиц переноса полной теплоты в испарителе теплового на coca, работающем в "сухом" режиме, в конденсаторе холодильной машины (/VTUM/A/TUX). Причем, учитывая справедливость равенства [107] : параметр МШ можно найти с помощью выражения На рис.4.2 изображены графики # = (/УШи//УШх,1вн) и# = =ц (Л/Ши//УШх;г/ис).Если NTUH-NTUX , то коэффициент орошения не оказывает влияния на соотношение тепло-и холодолроизводитель-ности установки. С понижением начальной температуры воды величина о уменьшается. На рис. 4.3 показаны функции NTUH/MTUX). ИЗ графиков видно, что если А/Ши=Л/Тих , то значения g и не зависят от коэффициента орошения. При MTU " -NTUx 0 С возрастанием Jlc параметр j? увеличивав тс я,а уменьшается.
Если же Ши /»TUX f то наоборот, с повышением степени орошения наблюдается увеличение холодильного коэффициента и уменьшение коэффициента преобразования. На рис.4.4. изображена зависимость величин р и от начальной температуры геотермальной воды. Как видно из графика, возрастание значениями приводит к понижению коэффициента и увеличению g С помощью рис.4.4 можно найти максимальную температуру гидротермы (Лън ) , на базе которой целесообразна организация установки для комбинированного теплохлацоснабжения.
Технико-экономическая эффективность использования геотермальной теплоты для обеспечения требуемого микроклимата в животноводческих зданиях
Технико-экономическую эффективность применения систем воздушного отопления животноводческих зданий на базе геотермальных вод (рис.5.1) определим на примере установки, внедренной в совхозе "Красовский" Омской области. Температура воды существующей в данном хозяйстве скважины является характерной для гидротерм Западно-Сибирского артезианского бассейназ9,402]. Расчет эффективности произведем в соответствии с методикой, изложенной в литературе [67,68] . в качестве базы для сравнения следует принимать технико-акономические показатели заменяемого оборудования [67] , в рассматриваемом случае -это система воздушного отопления, теплоснабжение которой осуществляется с помощью работающей на мазуте котельной. Считая, что сопутствующие капитальные вложения в течение всего срока эксплуатации в сравниваемых вариантах отсутствуют, годовой экономический эффект от внедрения установки подсчитаем по формуле: где ЗБ И 3у -приведенные затраты по базовому и по новому варианту, руб/ (ГДж/гоц), Ву/ВБ -коэффициент учета роста производительности труда в новом варианте по сравнению с базовым. Ввиду равенства годовой выработки теплоты в обоих вариантах, полагаем 8У=ВБ » «Б Ее -коэффициент учета изменения срока службы уста новки с использованием геотермальной теплоты по сравнению с калориферной системой обогрева,снабжаемой тепловой энергией от котельной.
Поскольку срок службы внутренних санитарно-техни ческих устройств и вентиляторов в рассматриваемых вариантах одинаков, принимаем, что Jj+Ec=fy+Ec , Q -годовой объем внедрения, представляющий собой количество вырабатываемой установкой в течение года теплоты,ГДж/год. Величину Qy можно найти следующим образом: где ПР -число режимов регулирования теплопроизводительнос-ти системы по температуре наружного воздуха, i -продолжительность работы установки в заданном режиме, определяемая по климатологическим данным приложения 3 [1Ь ] ,ч. В связи с ограниченными возможностями осуществления плавного регулирования в условиях сельского хозяйства, принимаем Пр = 3»при параметрах наружного воздуха: t2H -30С; -30 В результате подсчета по формуле (5.31) получим: Оу =1048,8 ГДж/год. Приведенные затраты для сравниваемых вариантов вычисляются с помощью выражения [67,68] : где С -себестоимость тепловой энергии по базовому (СБ) И ПО новому(Су) варианту, руб/(ГДж/год), Efc -нормативный коэффициент эффективности, Ес =0,15 [67], К -удельные вапитальные вложения, приходящиеся на единицу выработанной теплоты, по базовому (КБ) и по новому (Ку) вариантам, руб/(ГДж/гоц). Сметная стоимость установки для воздушного отопления с ис пользованием геотермальной теплоты (Ку) и сметная стоимость калориферной системы обогрева, включая затраты на сооружение котельной, (КБ) определяются: где Кор,КТ0 КТр,КкА -затраты на контактный аппарат, пластинчатый теплообменник, наружную теплотрассу и калориферы, РУб, Кко -капитальные вложения в котельную на жидком теп-ливе, руб.
В формулах (5.33), (5.34) не учтены статьи расходов, которые можно считать одинаковыми в обоих вариантах: на приточной и вытяжной вентиляторы, воздуховоды, внутреннюю разводку трубопроводов. В результате сложения отдельных составляющих капитальных вложений получим [72] : К у =3127,7 руб; КБ =4249 руб. Эксплуатационные затраты поцсчитываются по выражениям: где Су,Св -эксплуатационные издержки по новому и по базовому вариантам, руб/год, САУ Сру -ежегодные расходы на амортизацию и ремонт системы воздушного отопления с использованием геотермальной теплоты, руб/год, Сэу -затраты на электроэнергию, требуемую для преодоления аэродинамического сопротивления установки проходу вытяжного воздуха в новом варианте, руб/год, Сгп -Расходы на топливо для котельной, руб/год, СА6,СРБ -отчисления на амортизацию и ремонт в базовом варианте, руб/гоц, Сзп -заработная плата обслуживающего персонала котельной, руб/год, СЭБ,СВД,СПР -соответственно затраты на электроэнергию,воду и прочие издержки в котельной, руб/год, В формулах (5.35) и (5.36) не учтены стоимости электроэнергии, требуемой для преодоления аэродинамического сопротивления нагреваемому потоку, поскольку эти расходы можно считать одинаковыми в обоих вариантах. Суммирование слагаемых правых частей уравнений (5.35) и (5.36) дает следующие численные значения [Г2] : Су =400,8 руб/гоц; С Б =4236,2 руб/год.
При этом стоимость мазута находилась как сумма его оптовой цены, доплаты за затаривание и расходов на доставку к месту потребления.
