Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления

Раздел: Отопление

С точки зрения исследования динамических характеристик применяемые в системах теплоснабжения теплообменные аппараты могут быть разделены на три группы.

В первой группе рассматривается движение по каналу одной жидкости, при этом тепловой поток вдоль повернхости нагрева считается заданным (радиационные поверхности нагрева котла). Ко второй группе относятся теплообменные устройства с постоянной по длине температурой греющего теплоносителя (пароводяные подогреватели), а к третьей — устройства с переменной по длине температурой греющего и нагреваемого теплоносителей (водоводяные подогреватели, калориферы, конвективные поверхности нагрева котла).

Теплообмен с однофазным потоком теплоносителя является одним из важнейших физических процессов в теплоэнергетике. Вопросы автоматизации тепловых энергетических объектов не могут быть успешно решены без исчерпывающих сведений о динамических особенностях теплообменных систем с однофазным потоком. Естественно, что интерес к проблемам нестационарного теплообмена рос прямо пропорционально внедрению автоматики в энергетику. Начиная с появления первых, основополагающих в этой области работ —П. Профоса и Я- Тахакаси за рубежом, А. А. Арманда и А. А. Таля в СССР —литература по динамике теплообмена неуклонно пополнялась, и сейчас библиография, посвященная этому вопросу, весьма внушительна. Едва ли есть

необходимость останавливаться па разборе отдельных работ, тем более что подход к решению задач в большинстве из них одинаков. Теплообменные устройства состоят, по крайней мере, из трех взаимосвязанных подсистем — двух движущихся теплоносителей и оболочки между ними, которая пропускает теплоту. Характер взаимодействия с окружающей средой зависит от свойств системы и задается в виде граничных условий. Каждая из рассматриваемых подсистем является трехмерной. Уравнения, описывающие динамику процесса, как правило, нелинейны, а аналитическое решение их в общем виде невозможно, поэтому для их решения вводятся упрощения, направленные на исключение отдельных связей, накладываемых уравнениями и краевыми условиями.

Общепринятыми, как показали экспериментальные исследования, и вполне оправданными для теплообменных аппаратов являются следующие упрощения: отказ от рассмотрения сопутствующих (перекрестных) процессов; пренебрежение членом, определяющим кинетическую энергию потока; замена механизма вязкого трения в уравнении движения эмпирической зависимостью, учитывающей сопротивление движению в каналах.

Дальнейшим упрощением уравнений, принятым подавляющим большинством авторов, является отказ от рассмотрения реальной трехмерности потока. Движение и теплоносителя, и охлаждаемой среды принимается как одномерное. При этом жидкости рассматриваются как гомогенные. Единственная из пространственных координат ориентирована в направлении движения центра масс жидкости.

Подробный анализ работ, посвященных исследованию нестационарных процессов теплообмена, выполнен Е. П. Серовым и Б. П. Корольковым.

При проведении аналитического исследования динамики рассматриваемых элементов системы теплоснабжения, на наш взгляд, целесообразно использовать результаты математического описания динамических свойств, предложенных А. А. Та- лем, Б. П. Корольковым, В. М. Рущинским.

При выводе передаточных функций радиационных теплообменных устройств с независимым обогревом (5.12) предполагается, что:

тепловой поток по длине участка постоянен;

в переходном режиме изменение давления рабочей среды и се массовый расход постоянны по длине;

температура металла по радиусу трубы постоянна;

теплосодержание среды является линейной функцией температуры и давления на участке.

Как видно из структурной схемы теплообменного устройства с независимым обогревом, приведенной на  5. 10, входными параметрами являются температура (/j) и расход среды

на входе в участок, подвод теплоты к поверхности нагрева (q), а выходной — температура среды на выходе из участка (/").

Передаточные функции по всем каналам связи, полученные в результате решения системы дифференциальных уравнений (5.12), приведены в  5.14.

Допущения, принимаемые при написании исходных уравнений (5.13) и их решений, аналогичны допущениям, принимаемым для радиационных теплообменников. Входными параметрами парожидкостных теплообменников ( 5.10) являются температура (70 и расход (Z)2) греющего теплоносителя, температура (/{) и расход (/),) нагреваемого теплоносителя на входе в теплообменник, а выходным — температура нагреваемого теплоносителя на выходе из теплообменника (/"). Результаты решения сведены в  5.14.

Анализ обшего случая обмена теплотой между двумя потоками значительно сложнее, чем для частных случаев независимого обогрева и обогрева при постоянном значении температуры одной из жидкостей. Даже без учета (как это делается в большинстве работ) влияния теплоемкости кожуха и потерь тепла через него решению, при условии несжимаемости обеих жидкостей, подлежит система трех дифференциальных уравнений в частных производных.

Для случая теплоемкой разделяющей стенки (ЯПоп = Япрод = 0) решение удается получить только в области изображений по Лапласу. Дж. Ризика рассматривал теплообмен между двумя потоками газа и упростил задачу отказом от учета эффекта аккумуляции тепла в газах. Его передаточные функции хотя и проще, чем получаемые в общем случае, но все же переход от них к временным характеристикам затруднителен.

Переходная характеристика является наиболее желательным итогом решения исходной системы дифференциальных уравнений, поэтому, стремясь получить временные зависимости для теплообменников типа «Труба в трубэ», многие авторы делают различные упрощающие предпосылки. Наиболее часто встречается отказ от учета влияния на переходный процесс тепловой аккумуляции в разделяющей стенке. Введение такого рода упрощающих предпосылок существенно сказывается на точности получаемых результатов.

Сопоставление результатов аналитического исследования распределенной и сосредоточенной модели теплообменника типа «Труба в трубе» показывает, что точность результатов решения для распределенной модели при принимаемых упрощениях не превышает точности результатов решения для сосредоточенной модели. Поэтому при аналитическом исследовании динамики водоводяиых теплообменников и калориферов они считались сосредоточенными по длине. Это существенно упрощает процесс получения передаточных функций и дальнейшее их использование.

Для этого случая принимаются следующие допущения:

температура металла труб по радиусу постоянна;

теплообмен между наружной стенкой и окружающей средой отсутствует;

теплосодержание среды является линейной функцией температуры;

давление среды в стационарном и нестационарном режимах постоянно.