Исследование процесса нагрева воды при помощи встроенного теплообменника в парогенераторе

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 14Следующая ⇒

Рассматриваются следующие три варианта теплотехнической схемы установки, использующей для нагрева воды встроенный теплообменник в парогенераторе.

По первому варианту схемы верхний патрубок встроенного теплообменника соединяется с верхним патрубком бойлера №1, а нижний патрубок - с нижним патрубком бойлера №1. При этом образуется замкнутый контур нагрева «встроенный теплообменник - подающий трубопровод - бойлер №1 - обратный трубопровод - встроенный теплообменник» (рисунок 16). В замкнутом контуре имеет место естественная циркуляция нагреваемой воды. Вода при прохождении через теплообменник нагревается за счет теплового потока, передаваемого паром его при конденсации на внешней поверхности теплообменника. Нагретая в теплообменнике вода поступает в верхнюю часть бойлера.

Второй вариант теплотехнической схемы отличается от первого тем, что предусматривается контур перемешивания холодных и горячих слоев воды в бойлере во время нагрева и используется бойлер №2 с улучшенной теплоизоляцией (рисунок 17).

Этот контур включает циркуляционный насос и трубопроводы, соединяющие насос с нижним и верхним частями бойлера. Насос перекачивает менее нагретую воду в нижней части бойлера в его верхнюю часть, вследствие чего происходит перемешивание холодных и горячих слоев воды. Он работает периодически.

1 - парогенератор; 2- электродная система; 3 - встроенный теплообменник; 4 - подающий трубопровод; 5 - бойлер №1; 6, 7 - датчики температуры; 8 - обратный трубопровод.

Рисунок 16 - Первый вариант теплотехнической схемы установки для нагрева воды в бойлере при помощи встроенного теплообменника

1 - парогенератор; 2- электродная система; 3 - теплообменник; 4 - подающий трубопровод; 5 - бойлер №2; 6, 7 - датчики температуры; 8 - обратный трубопровод; 9 - циркуляционный насос; 10 - трубопровод циркуляционного контура

Рисунок 17 - Второй вариант теплотехнической схемы установки для нагрева воды в бойлере при помощи встроенного теплообменника

По третьему варианту теплотехнической схемы предусматривается принудительная циркуляция воды по замкнутому контуру нагрева при помощи насоса, использование бойлера №2 и исключение из схемы контура перемешивания (рисунок 18).

Общий вид установки и бойлера №2 с улучшенной теплоизоляцией показан на рисунке 19.

1 - парогенератор; 2- электродная система; 3 - теплообменник; 4 - датчик температуры (Т4); 5 - счетчик воды; 6 - подающий трубопровод; 7 - бойлер №2; 8 - датчик температуры (Т2); 9 - датчик температуры (Т3); 10 - датчик температуры (Т4); 11 - обратный трубопровод; 12 - циркуляционный насос.

Рисунок 18 - Третий вариант теплотехнической схемы установки для нагрева воды в бойлере при помощи встроенного теплообменника

Рисунок 19 - Общий вид установки и бойлера №2 с улучшенной теплоизоляцией

Для изучения процесса нагрева воды при вышеперечисленных вариантах теплотехнической схемы исследуемой установки проводились эксперименты №5, №6 и №7.

Во время экспериментов измерялись линейные токи и напряжения, мощность, расход энергии, температуры в нижней и верхней частях бойлера, температура и давление пара.

Экспериментальные данные и результаты расчетов приведены в таблице 7.

На рисунке 20 показана динамика изменения мощности ЭПГ и температур воды в нижней и верхней частях бойлера, соответствующая первому варианту теплотехнической схемы.

Из графика следует, что в начальный период нагрева мощность ЭПГ резко снижается до определенного уровня, а затем снижение замедляется. В середине периода нагрева мощность стабилизируется на уровне 9,9 кВт. Это объясняется тем, что в данный промежуток времени в теплообменнике поддерживается постоянный перепад температур и постоянная скорость естественной циркуляции. Как только начинает поступать в теплообменник нагретая вода из нижней части бойлера, происходит снижение мощности. Поскольку температура воды в нижней части ближе к концу нагрева будет интенсивно расти, то и мощность будет непрерывно снижаться. Изменение мощности в течение периода нагрева характеризуется плавностью, без заметных колебаний.

В начальный период температура верхних слоев воды повышается быстро, а затем рост замедляется. Благодаря естественной циркуляции холодные слои воды в нижней части бойлера постоянно поступает в теплообменник, а верхние нагретые слои воды опускаются, занимая места ушедших из бойлера холодных слоев. Поэтому температура в нижней части долгое время поддерживается практически неизменной. Она будет расти тогда, когда дойдут верхние горячие слой воды до нижней части бойлера.

Анализ приведенных в таблице данных показывает, что τ= 268 мин (4,47 ч) Р_ср= 11,32 кВт и η=0,671. Причиной низкого к.п.д. является недостаточная теплоизоляция бойлера №1.

На рисунке 21 показана динамика изменения мощности ЭПГ и температур воды в нижней и верхней частях бойлера, соответствующая второму варианту схемы.

Как видно из графика, в начальный период мощность колеблется с сравнительно большой амплитудой, а затем по мере уменьшения несоответствия между текущей мощностью ЭПГ и тепловой мощностью, передаваемой теплообменником к нагреваемой воде, амплитуда колебания уменьшается. Причем, колебание происходит около некоторого среднего значения, которое с течением времени уменьшается. Это уменьшение объясняется уменьшением температурного напора, определяющего интенсивности процесса теплообмена.

Рисунок 20 - Динамика изменения мощности ЭПГ и температур воды в нижней и верхней частях бойлера, соответствующая первому варианту теплотехнической схемы.

Из графиков температур также видно, как влияет работа насоса на характер их изменения. При отключенном насосе резко возрастает температура в верхней части, тогда как температура воды в нижней части растет очень медленно.

При включенном насосе происходит выравнивание температур вод в нижней и верхней частях бойлера. Это тоже оказывает влияние на величину мощности.

В таблицу 7 сведены экспериментальные данные и результаты расчетов.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что τ= 175 мин (2,92 ч), Р_ср= 8,57 кВт и η=0,93.

Сравнительно высокий к.п.д. достигнут благодаря хорошей теплоизоляции бойлера №2.

На рисунке 22 показана динамика изменения мощности ЭПГ и температур вод в нижней и верхней частях бойлера, соответствующая третьему варианту схемы.

Рисунок 21 - Динамика изменения мощности ЭПГ и температуры воды в нижней и верхней частях бойлера, соответствующая второму варианту схемы

Таблицу 7 - Экспериментальные данные

Параметры	Опыт №5	Опыт №6	Опыт №7
Масса воды в бойлере, т,кг	500	500	500
Начальная температура воды в нижней части бойлера, , °C	20,6	20	20
Начальная температура воды в верхней части бойлера, °C	20,6	20	20
Конечная температура воды в нижней части бойлера, °C	90,3	60	89
Конечная температура воды в верхней части бойлера, , °C	67,6	60	79
Степень нагрева воды, Δt, °C	58,35	40	64
Продолжительность нагрева, τ, мин, (ч)	268 (4,47)	175 (2,92)	153 (2,55)
Расход электроэнергии, ΔW_э, кВт·ч	50,58	25,03	39,65
Средняя мощность ЭПГ за период нагрева, Р_ср, кВт	11,32	8,57	15,55
К.п.д.	0,671	0,93	0,939
Удельный расход энергии, W_уд, кВт·ч/кг·°C	0,001734	0,001251	0,001239
Избыточное давление, мПа	0…0,027	0…0,028	0…0,029

Из рисунка 22 видно, в течение периода нагрева мощность снижается от максимального значения 25,5 кВт до 8 кВт. Причем, характер изменения мощности таков, что резкое ее снижение в определенном промежутке времени чередуются с ее постоянством в следующем промежутке времени. Такой же характер имеют графики температур, но резкое повышение в определенном промежутке времени чередуются с ее постоянством в следующем промежутке времени.

Это объясняется тем, что в результате принудительной циркуляции весь объем воды, находящейся в бойлере, несколько раз проходит через теплообменник. Когда первый раз проходит весь объем воды, она нагревается до определенной температуры, отличающейся от первоначальной. Поэтому, когда второй раз этот же объем воды проходит через теплообменник, то туда поступает вода уже с повышенной температурой. Это вызывает резкое снижение мощности, а затем ее стабилизацию на более низком уровне в течение времени, пока данный объем воды полностью не пройдет через теплообменник.

Т1 - температура воды в нижней части бойлера; Т2 температура воды в верхней части бойлера; Т3 - температура воды на входе теплообменника Т4 - температура воды на выходе из теплообменника

Рисунок 22 - Динамика изменения мощности ЭПГ и температур вод в нижней и верхней частях бойлера, соответствующая третьему варианту схемы.

Анализ экспериментальных данных показывает, что данная установка с принудительной циркуляцией нагреваемой воды имеют хорошие технические показатели: τ= 153 мин (2,55 ч), Р_ср= 15,55 кВт, η=0,939, Δt =64 °С.

Выводы. Сравнительный анализ технических характеристик трех установок, выполненных по вышерассмотренным теплотехническим схемам, показывает, что наилучшими техническими параметрами обладает установка с принудительной циркуляцией нагреваемой воды и бойлером №2 с хорошей теплоизоляцией. Именно она полностью отвечает требованиям ТЗ.

Дата добавления: 2018-05-31; просмотров: 266; 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!