На ТЭЦ или в котельной (источник теплоты) в теплообменнике подогревается теплоноситель, который по системе трубопроводов, образующей циркуляционный контур, подается в теплообменник, расположенный у потребителя, подогревая теплоноситель системы отопления. Аналогично можно рассматривать и систему приготовления воды в системе горячего водоснабжения, системы теплоснабжения приточных систем вентиляции и установок кондиционирования. Замкнутыми системами являются и системы холодоснабжения.
Расчет теплообменного оборудования всех этих систем ведется по принципам интуитивного, с учетом сложившейся практики выбора тех или иных теплотехнических параметров. В результате выбор теплотехнического оборудования и количество перекачиваемого теплоносителя не всегда удовлетворяют инженерной целесообразности.
Широко распространена практика, когда в существующий циркуляционный контур включают дополнительных потребителей теплоты (холода) без изменения количества циркулирующего теплоносителя или поверхностей теплообмена у источника.
На рис. 1 изображена простейшая схема циркуляционного кольца с теплообменниками, размещенными у источника теплоты (горячая среда) и у потребителя теплоты (холодная среда). В первом теплообменнике теплота отводится от горячей среды к циркулирующему в контуре кольца теплоносителю, который, нагревшись, поступает во второй теплообменник. Во втором теплообменнике циркулирующий теплоноситель отдает теплоту холодной среде потребителя.
Одной из основных особенностей расчета таких систем является необходимость правильного выбора расхода теплового эквивалента циркулирующего теплоносителя Wц. Расходы тепловых эквивалентов горячей и холодной сред, как правило, заданы и связаны тепловым балансом теплоносителей и их температурами. Соответственно, при выборе чрезмерно малого расхода циркулирующего теплоносителя его температуры стремятся к температурам горячего теплоносителя, а количество теплоты, воспринятой циркулирующим теплоносителем, ограничивается его расходом.
При выборе большого расхода циркулирующего теплоносителя его температуры меняются незначительно, а количество воспринятой теплоты ограничивается разностью температур всех взаимодействующих теплоносителей. Наибольшее количество теплоты циркулирующий теплоноситель перенесет при каком-то промежуточном расходе.
Установим в данной работе основные условия, при которых циркуляционными кольцами инженерных систем будет осуществляться наиболее эффективный перенос теплоты.
Известно, что наиболее эффективный перенос теплоты осуществляется в теплообменниках при противоточном движении взаимодействующих сред. В связи с этим все теплообменники в циркуляционных контурах инженерами включаются по противоточной схеме движения теплообменивающихся сред.
В каждом теплообменнике взаимодействующие среды движутся навстречу друг другу, соответственно изменяются и средние разности температур взаимодействующих сред:
— в теплообменнике источника теплоты (горячая среда)
— в теплообменнике у потребителя теплоты (холодная среда)
Средняя разность температур основных взаимодействующих сред (горячей и холодной) описывается следующей зависимостью:
Из зависимости (3) видно, что, несмотря на противоточную организации движения, характер изменения средней разности температур основных взаимодействующих сред (между источником и потребителем теплоты) существенно отличается от характерного для противоточного движения, который должен иметь следующий вид:
Преобразуем зависимость формулы (3) к такому виду:
Функции (4) и (5) будут идентичными при следующих условиях:
Данное равенство возможно только, если тепловой эквивалент циркуляционного теплоносителя будет удовлетворять условию:
Зависимость (7) указывает, что теплотехническая эффективность циркуляционных колец при любом распределении поверхностей теплообмена теплообменников между источником и потребителем будет удовлетворять противоточному движению основных сред. Другими словами, присоединяя к циркуляционным кольцам дополнительных потребителей, необходимо скорректировать расход теплового эквивалента циркулирующего теплоносителя.
Для любого реального циркуляционного кольца по зависимости (7) можно определить Wц и тем самым повысить количество транспортируемого по кольцу теплоты.
Характеризовать эффективность работы теплообменников принято безразмерными коэффициентами теплообмена, которые имеют вид:
— для теплообменника в горячей среде
и
— а для теплообменника в холодной среде будет иметь место
— для всего циркуляционного кольца
Данные зависимости при определении теплового эквивалента циркуляционного теплоносителя по формуле (7) преобразуются к виду:
— для теплообменника в горячей среде
— а для теплообменника в холодной среде будет иметь место
— для всего циркуляционного кольца
Отметим, что зависимости
характеризующее особенности распределения удельных тепловых потоков теплообменников, а также поверхностей теплообмена и физических свойств теплоносителей. Это выражение имеет два максимума в зависимости от особенностей условий оптимизации. Как условие оптимизации может быть принято:
Экстремального значения приведенные зависимости достигаются в следующем случае:
Из (18) и (19) следуют закономерности распределения поверхностей теплообмена теплообменников между источником и потребителем теплоты.
Общая суммарная поверхность теплообмена теплообменников циркуляционного кольца будет оцениваться следующим соотношением:
Из анализа зависимости (20) и данных табл. 2 и 3 следует, что наименьшая поверхность теплообмена теплообменников циркуляционного контура достигается при оптимизации контура по варианту Б, то есть, когда используются разнородные теплоносители (табл. 3).
При использовании однородных теплоносителей оптимизация поверхности теплообмена теплообменников в обоих случаях будет одинакова. Кроме того, следует отметить, что при использовании однородных теплоносителей коэффициенты теплообмена будут примерно одинаковы, что обусловливает потребность в каждом потоке устанавливать теплообменники с одинаковой поверхностью теплообмена.
Данный факт удобен при прогнозировании потребности в оборудовании для осуществления перспективных проектов и оценки принимаемых решений.
Продолжение следует.
1. Аничхин А.Г. Оптимизация установок передачи теплоты // Водоснабжение и санитарная техника, № 1/1988.
2. Аничхин А.Г. Расчет минимально необходимых поверхностей теплообмена в системах утилизации тепле с промежуточным теплоносителем / В кн.: «Энергосбережение в системах отопления, вентиляции, кондиционирования». — М.: Наука, 1990.
