Математическое моделирование работы ГЭТУ в режиме ночного электрического нагрева технологической воды в бойлере

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 20Следующая ⇒

В ночное время нагрев воды в бойлере осуществляется первым теплообменник ТО1 10 при включенных пароводонагревателе, насосе 27 и электромагнитном клапане 24. При этомэлектромагнитные клапаны 11,18 закрыты, насосы 21, 33 отключены.

После подачи напряжения наэлектроды котловая вода нагревается, а затем закипает. Образовавшийся при этом пар поднимается вверх, в паровое пространство полости, и, соприкасаясь с наружной стенкой теплообменника ТО1, конденсируется. Выделяемаяпри конденсации пара теплота передается через стенку кпроходящей через теплообменник ТО1 технологической воде. Конденсат пара стекает вниз и попадает обратно в кипящую воду, и в дальнейшем повторно участвует в процессе парообразования.

Анализ работы ГЭТУ в рассматриваемом режиме показывает, что для построения математической модели необходимо совместно рассматриватьпроцессы, связанные с электродным способом преобразования электрической энергии в тепловую, и теплообменные процессы, обеспечивающиенагрев технологической воды, а также термо– и гидродинамические процессы, обеспечивающие саморегулирование мощности нагревателя.

На рисунке 4 показана расчетная схема.При описании теплофизических процессов сделаны следующие допущения, идеализирующие характер происходящих явлений: температура стенки бака равна температуре воды в бойлере; тепловые процессы, происходящие между отдельными областями модели, характеризуются средними значениями коэффициентов теплоотдачи.

В зависимости от характера изменения мощности установки весь цикл процесса нагрева заданного объема технологической воды можно разбить на четыре стадий. Первые две стадии, связанные с процессами нагрева котловой воды до температуры кипения и стабильного парообразования, рассмотреныв предыдущем подразделе.

Третья стадия начинается с момента начала конденсации пара на поверхности теплообменника ТО1. При этом происходит передача теплового потока от пара к проходящей через теплообменник ТО1 нагреваемой воде, которая поступаетв бойлер, и тем самымповышает среднюю температуру технологической воды.

1- корпус; 2 – электрод; 3насос; 4 –бойлер; 5теплообменник ТО1;

6теплообменник ТО2; 7вытеснительная труба;8 –вытеснительный бачок

Рисунок 4–Расчетная схема

На основании закона сохранения энергии составляем уравнение теплового баланса для каждого элемента тепловой модели.

Тепловой поток , идущий на нагрев технологической воды в бойлере, за элементарный промежуток времени :

, (19)

где с_твудельная теплоемкость воды, Дж/кг·°С; т_твмасса воды, кг; t_твсредняя температура технологической воды в бойлере, ºС; С_твполная теплоемкость воды,Дж/°С.

Тепловые потери на нагрев металлоконструкций бойлера–аккумулятора за элементарный промежуток времени :

, (20)

где с_мбудельная теплоемкость материала бойлера, Дж/кг·°С; т_мбмассакорпуса бойлера, кг; – полная теплоемкость материала бойлера,Дж/°С; – температура стенки бойлера, принимаем .

Тепловые потери через теплоизолированные стенки бака–аккумулятораопределяются по уравнению теплопередачи:

, (21)

где К_изкоэффициент теплопередачи через теплоизолированные стенки бака, Вт/м²·°С; F_изплощадь поверхности бака, м²; – температура технологической воды баке, °С; – температура воздуха в помещении, °С.

Тепловой поток , передаваемый через теплообменник ТО1 от пара к проходящей воде

, (22)

где К_то₁коэффициент теплопередачи через теплообменник ТО1, Вт/м²·°С; F_то₁площадь поверхноститеплообменника ТО1, м²; – температура пара, °С; – средняя температура воды, проходящейчерез теплообменник ТО1, °С.

Тепловой поток , воспринимаемый проходящим черезтеплообменник ТО1потоком технологической воды

, (23)

где – удельная теплоемкость воды, Дж/кг·°С; расход воды, проходящей через теплообменник ТО1, кг/с.

Тепловые потери на нагрев металлоконструкций теплообменника ТО1 за элементарный промежуток времени :

, (24)

где с_мто1удельная теплоемкость материала теплообменника ТО1, Дж/кг·°С; т_мто1массатеплообменника ТО1, кг; – полная теплоемкость материала теплообменника ТО1,Дж/°С; – температура стенки бойлера, °С, принимаем .

На основании закона сохранения энергии составляем уравнение теплового баланса длятеплообменника ТО1 и бойлера. После некоторых алгебраических преобразовании получим

, (25)

В начальный момент интенсивного парообразования весьпар конденсируется на стенках теплообменникаи выделяемый при этомтепловой поток идет на нагрев технологической воды и металлической конструкции корпуса. С течением времени в результате повышения температуры технологической воды происходит уменьшение значения температурного напора (т.е. разности ), что приводит к уменьшению . В результате возникает дисбаланс ( ) междумощностью,выделяемой в межэлектродном пространстве, и мощностью , передаваемой через теплообменник к технологической воде. Он проявляется в том, что часть объема пара не конденсируется и, какследствие, в паровом пространстве создается избытокпара. Это, в свою очередь, с течением времени приводит к повышению давления над котловой водой ипоследующему его превышению атмосферного давления над подпиточной водой.

Как любая система, стремящаяся к равновесному состоянию, и в данном случаерассматриваемая система также стремится к установлению равных давлений в сообщающихся сосудах. Поэтому появившееся избыточное давление начинает вытеснять некоторую часть котловой воды в вытеснительный бачок до тех пор, пока не наступит равновесное состояние по давлениям. При этом объем парового пространства несколько ( ) увеличится, а уровень котловой воды в межэлектродном пространстве снижается на . Следовательно, совершается работа за счет расширения объема избыточного пара.

Поскольку при электродном нагреве величина электрической мощности прямо пропорционально активнойвысоте электродной системы (высоте уровня котловой воды в межэлектродном пространстве), то понижение уровня котловой воды приводит к снижению мощности нагревателя до величины, соответствующей значению в данный момент времени.

Поскольку температурный напор с течением времени уменьшается, то очевидно, что в начале процесса нагреве воды потребляемая мощность нагревателя максимальна, и ближе к концу нагрева она становится минимальной.

Таким образом, в данном электродном нагревателе имеет место гидравлический способ автоматического регулирования мощностиэлектродной тепловой установки в соответствии динамикой изменения мощности тепловой нагрузки потребителя.

Поскольку вывод дифференциального уравнения, описывающего динамику изменения снижение уровня котловой воды, а следовательно, мощности, приведен в отчете за 2012 год, то его здесь не приводим, а покажем это уравнение окончательном виде.

Тогда система дифференциальных уравнений, описывающая процесс нагрева воды вбойлере имеет вид:

,(26)

где h_уквеличина снижения уровня котловой воды от первоначального значения, м;g =9,8 м/с²– ускорение силы тяжести; – средняя плотностькотловойи подпиточной воды, определяемой при средней температуре , кг/м³;^. –начальный объем парового пространства, м³; –температура пара, К; – универсальная газовая постоянная, равная 8314 Дж/град.моль;S_н– площадьгоризонтального сечения корпуса нагревателя,м²; р_ат–атмосферное давление, Па.

Решив систему уравнений (26), находим закономерность изменения температуры технологической воды и уровня котловой воды.

При этом закономерность изменения мощности электродного пароводонагревателяопределяется через и описывается следующим выражением:

(27)

Четвертая стадия процесса нагрева воды характеризуется тем, что мощность установки и температура технологической воды практически не изменяется. Мощность стабилизируется на уровне минимального значения ,

достаточного для компенсации теплопотерь. Температура технологической воды достигает максимально возможного значения , определяемоготемпературным напором, параметрамитеплообменныхповерхностей и теплоизоляции.

В этом случае минимальное значение мощности определяется по выражению:

(28)

Полученная математическая модель позволяет проследить динамику изменения температуры воды в бойлере и электрической мощности пароводонагревателяпри различных значениях исходных данных, поэтомуее можно использовать для оптимизации теплообменной площадитеплообменной поверхности теплообменника ТО1 и расхода проходящей через него нагреваемой воды.

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 373; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 678 9 10 11 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!