3241
.pdfработоспособной в связи с тем, что элеваторный узел не в состоянии обеспечить минимальные требуемые потери давления на регулирующем клапане (примерно 30 кПа).
Необходимость поддержания перед элеватором повышенного давления в теплосети также является ощутимым недостатком данной системы. Соблюдение данного условия приводит к преждевременному износу трубопроводов и оборудования системы отопления, что существенно повышает аварийность и затраты на её обслуживание и ремонт.
Для повышения энергоэффективности и поддержания комфортного микроклимата в отапливаемых помещениях необходимо заменить элеваторный тепловой узел на автоматизированный узел управления (АУУ), который служит для регулирования и поддержания расчетных параметров теплоносителя (температура, давление), поступающего из тепловой сети в систему отопления обслуживаемого здания или сооружения в автоматическом режиме. Регулирование осуществляется в соответствии с температурой наружного воздуха: чем она ниже, тем выше температура теплоносителя, и наоборот. Также применение АУУ позволяет поддерживать расчетный перепад давления между подающим и обратным трубопроводами системы отопления.
В процессе исследования был переоборудован тепловой пункт с элеваторным узлом смешения (рис. 2). Согласно проведенным измерениям (табл. 1), температура теплоносителя в обратном трубопроводе свидетельствуют о «недогреве» или «перегреве» в обслуживаемых помещениях.
2 3 |
4 |
|
2 3 |
7 |
1 |
|
|
1 |
|
2 3 |
5 |
3 |
3 |
|
1 |
|
6 |
1 |
|
|
|
|
|
8 |
|
1 |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
Ду 80 |
Ду 80 |
|
Ду 50 |
Ду 40 |
Ду 50 |
|
|
1 |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
Ду 80 |
Ду 80 |
|
Ду 50 |
Ду 40 |
Ду 40 |
|
|
а |
б |
в |
г |
|
д |
Рис. 2. Принципиальная схема ИТП до реконструкции:
1 – кран шаровой; 2 – термометр; 3 – манометр; 4 – элеватор; 5 – реле давления; 6 – фильтр; 7 – воздушник; 8 – спускник
30
Таблица 1 Показатели системы отопления с элеваторным узлом смешения
№ п/п |
Расход, м³/ч |
Температура теплоносителя |
|
(обратный трубопровод), ºС |
|||
|
|
||
Ответвление а |
8 |
20,2 |
|
|
|
|
|
Ответвление б |
4,1 |
41,5 |
|
|
|
|
|
Ответвление в |
4 |
38 |
|
|
|
|
|
Ответвление г |
3,5 |
41,5 |
|
|
|
|
|
Ответвление д |
2,4 |
45 |
|
|
|
|
Для регулировки расхода теплоносителя на ответвлениях обратного трубопровода были установлены балансировочные клапаны MNF производителя Danfoss. Выбор диаметров и настройки клапанов осуществлен по номограмме (рис. 3). Настройка балансировочных клапанов выполняется для дросселирования определённого давления, либо для ограничения заданного расхода.
Рис.3. Диаграмма для выбора диаметров и настройки балансировочных клапанов MNF [8]
31
В процессе реконструкции данного теплового пункта было принято решение о замене элеваторного узла смешения на автоматизированный узел управления с насосным смешением (рис. 4). Параметры теплоносителя в обратном трубопроводе приведены в табл. 2.
|
|
|
|
|
18 |
Шкаф |
|
|
|
80 |
80 |
50 |
40 |
40 |
|
|
|
|
|
управления |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
ИТП |
|
|
|
Ду |
Ду |
Ду |
Ду |
Ду |
|
|
|
|
|
ТЕ |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
2 |
4 2 5 |
5 2 4 7 |
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
1 |
3 |
|
8 |
|
|
|
|
1 |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
4 2 |
2 4 |
|
|
11 |
2 |
|
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
б |
в |
г |
д |
1 |
|
|
1 |
9 |
10 |
9 |
12 |
1 |
|
80 |
80 |
50 |
40 |
40 |
|
|
|
6 |
Ду |
Ду |
Ду |
Ду |
Ду |
||||||
|
|
6 6 |
|
|
|
6 |
|
|
Рис. 4. Принципиальная схема ИТП после реконструкции: 1 – кран шаровой; 2 – манометр; 3 – регулирующий клапан
с электроприводом; 4 – термометр; 5 – воздушник; 6 – спускник; 7 – датчик температуры; 8 – обратный клапан; 9 – вибровставка; 10 – циркуляционный насос; 11 – реле давления; 12 – фильтр;
13 – балансировочный клапан № 1; 14 – балансировочный клапан № 2; 15 – балансировочный клапан № 3; 16 - балансировочный клапан № 4; 17 – балансировочный клапан № 5; 18 – датчик температуры наружного воздуха
Таблица 2 Показатели системы отопления с автоматизированным узлом
управления
|
|
|
Перепад |
|
Температура |
|
|
|
|
давления |
Значение |
||
|
|
|
теплоносителя |
|||
№ |
Наименован |
Расход, |
между |
настрой- |
||
(обратный |
||||||
п/п |
ие клапана |
м³/ч |
подающей и |
ки |
||
трубопровод), |
||||||
|
|
|
обратной |
клапана |
||
|
|
|
ºС |
|||
|
|
|
линией, кПа |
|
||
|
|
|
|
|
||
Отв. а |
MNF DN 80 |
12 |
3,6 |
4,6 |
37,8 |
|
Отв. б |
MNF DN 80 |
5,7 |
6,1 |
2,9 |
37,9 |
|
Отв. в |
MNF DN 50 |
2,9 |
18,3 |
0,9 |
38 |
|
Отв. г |
MNF DN 40 |
2,3 |
10,3 |
1,5 |
37,9 |
|
Отв. д |
MNF DN 40 |
0,9 |
9,8 |
1,4 |
38 |
32
В результате обсуждения проведенного опыта по модернизации теплового пункта были выявлены следующие изменения:
-на ответвлении «а» расход увеличился на 50 %, температура повысилась на 87,1 %;
-на ответвлении «б» расход увеличился на 39 %, температура понизилась на 8,7 %;
-на ответвлении «в» расход уменьшился на 27,5 %, температура осталась прежней;
-на ответвлении «г» расход уменьшился на 34,3 %, температура понизилась на 8,7 %;
-на ответвлении «д» расход уменьшился на 62,5 %, температура понизилась на 15,6 %.
Произошло фактическое понижение температуры в обратном трубопроводе. Замена элеваторного узла на автоматизированный узел управления привела к энергоэффективному понижению температуры в обратном трубопроводе за счет погодозависимого регулирования. Установка и настройка ручных балансировочных клапанов позволила правильно распределить расход теплоносителя по внутренним контурам системы отопления.
Все вышеперечисленные меры привели к тому, что в помещениях с «перегревом» и «недогревом» удалось нормализовать температуру внутреннего воздуха, согласно оптимальным параметрам микроклимата, приведённым в нормативной документации [9].
Литература
1.Исанова, А.В. Оптимизация работы теплонасосной пофасадной системы отопления при соблюдении требуемых параметров теплового комфорта жилых зданий / А.В. Исанова, Г.Н. Мартыненко // Научный журнал строительства и архитектуры. ‒ 2018. ‒ № 3 (51). ‒ С. 40-47.
2.Isanova, A.V. Optimization of operation of a heat-pump facade system of heating during observance of the required parameters of thermal comfort of residential buildings / A.V. Isanova, G.N. Martynenko, A.A. Sedaev // Russian Journal of Building Construction and Architecture. ‒ 2018. ‒ № 4 (40). ‒ С. 6-14.3.
3.Китаев, Д.Н. Уравнения характерных значений температурных графиков / Д.Н. Китаев, Г.Н. Мартыненко, А.В.
33
Лобода // Научный журнал строительства и архитектуры. ‒ 2019. ‒
№3 (55). ‒ С. 21-27.
4.Маслова, Т.О. Энергосбережение в жилищном фонде Маслова Т.О., Курасов И.С., Мартыненко Г.Н. Градостроительство. Инфраструктура. Коммуникации. – 2018. – № 1 (10). – С. 20-31.
5.Исанова, А.В. Аспекты внедрения теплонасосных систем теплоснабжения / А.В. Исанова, Г.Н. Мартыненко, В.И. Лукьяненко // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды науч.-техн. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов. – Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2014. – Вып. 16. ‒ С. 82-86.
6.СП 41-101-95 Проектирование тепловых пунктов. – М.: Минстрой России, 1996. – 165 с.
7.СП 60.13330.2012 Отопление, вентиляция и
кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41-01-2003: Введен 2013-01-01. – М.: Минрегион России, 2012. ‒ 88с.
8.Тепловая автоматика. – Электрон. дан. – Режим доступа: https://www.danfoss.com/ru-ru/about-danfoss/our-businesses/heating/ catalogues.
9.ГОСТ 30494-2011 Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. ‒ М.: Стандартинформ, 2011. ‒ 20 с.
34
УДК 667.712
МОДЕЛИРОВАНИЕ РОСТА ЧАСТИЦ В ПОТОКЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ С УЧЕТОМ УВЕЛИЧЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛИЯНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ
А.В. Муравьев1, Т.А. Чикина2, В.Ю. Дубанин3, Д.А. Прутских4, А.М. Наумов5
1Канд. техн. наук, nix2001@yandex.ru
2Бакалавр гр. бПТ-171, chikina.tanya99@mail.ru
3Канд. техн. наук, vdubanin@cchgeu.ru
4Канд. техн. наук, dprutskikh@cchgeu.ru
5Канд. техн. наук, anaumov@cchgeu.ru
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
Аннотация: в данной работе предложено математическое моделирование частиц осадка карбоната кальция в виде отложений на внутренней стенке с учётом концентрации раствора и влияния температуры
Ключевые слова: концентрация, отложения, осадок, карбонат кальция
Фазовые отложения формируются при помощи различных физических и химических факторов таких как; температура, скорость, pH, диаметр, метал, шероховатость поверхности и др. В водной среде всегда находятся частицы различных размеров и разных по химико-биологическому составу. Так же погодные условия и времена года оказывают на воду существенное изменение по химическому составу. Одним из главных факторов, который влияет на формирование осадка в теплообменном оборудовании, является наличие кальция и рН воды. Исследования показывают, что рН с высоким показателем жидкости приводит к уменьшению растворимости газов, при этом рН пропорционально соизмерим с температурным эффектом. Так при химико-физических процессах происходит образование частиц различного размера. Частицы могут быть от 0,001 до 50 и более мкм. В процессе роста частиц они могут иметь различные размеры, и при их слиянии происходит укрупнение до 50 мкм. На рост частиц влияет и присутствие в них разности их потенциалов. Рост частиц из водного раствора происходит за счет разносности потенциалов химических элементов. Для нахождения
35
данного потенциала запишем уравнение для находящегося раствора в равновесном объёме:
0 kT ln(S 1) , |
(1) |
где S – растворенное вещество в объёме. |
|
Рост |
одной частицы будет являться - молекула данного раствора |
|||
и таким |
образом можем записать уравнение для раствора с |
|||
пресыщением: |
|
|||
|
S |
C |
, |
(2) |
|
|
|||
|
|
C0 |
|
где C0 – содержание в растворе CaCO3.
При расчёте данного роста частиц необходимо рассмотреть существование как положительных, так и отрицательных ионов в частице, они присутствуют в частице и могут быть разными по содержанию и количеству. Частицы, не имеющие ионов со знаком «+» и «-» не будут рассматриваться в процессе, так как не взаимодействуют между собой.
Для расчёта данных частиц необходимо воспользоваться формулой Рашковича и в следствии получим:
|
S (C C / P )1/2 |
1 , |
|
(3) |
||
|
|
|
S |
|
|
|
где C |
– катионы , C |
– анионы, PS C 0C 0 |
– растворимость, |
|||
C 0 – исходное состояние катионов |
в воде, |
C 0 |
– исходное |
|||
состояние анионов в воде. |
|
|
|
|
|
|
Тогда |
C 0 C 0 C |
следственно |
уравнение |
тождественно |
уравнению (2). Уравнение (3) применимо только для низкого содержания концентрата в системе. Таким образом запишем уравнение для «+» и «-» ионов и повышенной концентрации вещества, справедливо уравнение:
S f (C C |
/ P )1/2 |
1 , |
(4) |
|
|
|
S |
|
|
где f - фактор активности. |
|
|
|
|
Содержание концентрации |
|
C (T ) |
существенным |
образом |
оказывает на расчёты за счёт солесодержания pH, в рамках заданной площади жидкости и наличие CO2 . Сам карбонат кальция может
находится в системе в двух соединениях, в одном варианте из анионов и образуется в кислых средах и нейтральных и тогда получим уравнение:
36
CO2 H |
О HCO OH . |
(5) |
|
3 |
2 |
3 |
|
Вследствие чего, если концентрация его увеличивается и |
|||
становится более щелочной, |
то [OH ] приводит |
к равновесию |
самой системы и происходит окисление и следственно к снижению
растворимости |
самого карбоната кальция CaCO3 . |
С кислыми |
|||
растворами расчёт будет производиться по формуле: |
|
|
|||
|
|
CO2 H HCO . |
|
(6) |
|
|
|
3 |
3 |
|
|
Таким образом, если концентрация раствора |
[H ] |
будет |
|||
повышаться, |
то |
гидрокарбонатные |
частицы |
HCO |
будут |
|
|
|
|
3 |
|
увеличивать растворимость карбоната кальция CaCO3 .
Если рассматривать нашу систему как замкнутую, без доступа воздуха СО3, то карбонат кальция будет формироваться из концентрации ионов Са2+ в системе. Следственно получим формулу для пересыщения (2).
Увеличение в объёме одной частицы возрастает с повышением температуры в системе. Следственно в системе это происходит по гетерогенному закону, и вследствии чего можем записать уравнение:
(7)
где Nc – концентрация частиц зарождения; – временной фактор; Wg – фактор, зависящий от поверхностного натяжения
частицы; S – раствор перенасыщенный.
Далее будем принимать, что зарождение новых частиц будет меняться в сторону увеличения роста более новых частиц.
Рост частицы определяется за счёт движения самого атома:
|
|
|
w kT |
ln |
1 l |
|
, |
|
(8) |
|||
l |
|
|
||||||||||
|
|
|
a |
1 l |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где l exp( w / kT) ; |
|
w – энергия единицы частицы. |
||||||||||
Энергия частицы l |
уменьшается с повышением |
температуры |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
и равна нулю при температуре TR |
= l |
|
|
2 1, из этого получаем |
||||||||
w / kTR 0,88 . Следственно |
T TR |
зарождение |
частицы не |
|||||||||
возможно. Тогда при T TR |
происходит |
|
активный |
рост частиц. |
||||||||
Тогда энергии связи w производится из уравнения w |
H / Z1 ,где |
H – энтальпия образования самого каркаса частиц, Z1 – отчёт
37
образования частиц. При учёте всех факторов запишем простой критерий для учёта структуры шероховатости самой частицы и её геометрические характеристики: если H / kT 2 , шероховатость частицы; в случае же H / kT 2 тогда структура гладкая. Тогда можно сделать вывод, что сама форма частицы неоднородна и многогранна. В действительности, появление новых частиц и их рост будет происходить из солей водного раствора, что подтверждено многочисленными публикациями.
Рост частицы запишем [1]:
|
|
|
|
|
|
V S 1 V0 T . |
|
(9) |
|
|
|
T K |
e |
W0 |
|
|
|
|
|
где |
V |
RT |
; |
K |
– фактор роста; W |
– активации роста |
|||
|
0 |
0 |
|
|
|
|
0 |
0 |
частицы.
Когда у нас присутствует малая концентрация солей в растворе [2], то и скорость образования частицы будет невелика в итоге получим следующую задачу:
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2 C |
0; R0 |
r R1; |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
|||||
|
|
2 |
|
r |
r |
|
|||||||||
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С(R1 ) С1; |
|
|
|
|
|
(10) |
||||||||
|
D |
|
|
C |
|
|
C(R ) C |
|
|||||||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
(R0 ) V0 |
|
0 |
0 |
V (R0 ). |
|
||
|
|
|
|
r |
|
C |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
Тогда D0 |
– диффузия СаСО3 в растворе, R0 – радиус частицы, |
||||||||||||||
– концентрация СаСО3. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Учитывая что поток теплоносителя является турбулентным [3], |
|||||||||||||||
тогда величина 2R1 |
|
и |
D / * , |
где |
* – скорость |
динамики |
|||||||||
частицы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Учитывая, |
что |
|
|
мы всегда имеем |
пристеночный |
ламинарий |
подслой то R1 R0 20 .
Тогда коэффициент V (d ) определяет:
V (d ,C) |
(S 1)V0 |
. |
(11) |
||
1 Z |
d |
||||
|
|
|
|||
|
|
|
|
||
|
d |
|
|
||
|
0 |
|
|
38
Здесь |
применим |
коэффициент |
Z |
V0 0 |
, |
который |
|
||||||
|
|
|
|
D0C0 |
|
характеризует влияние молекулярной зависимости и диффузии [4] в росте частицы. При Z 1 высокий рост d 0 . Если же Z 1, то происходит слабый рост частиц.
Литература
1.Муравьев, А.В. Экспериментальные исследования процесса образования отложений в каналах с кольцевыми турбулизаторами энергетических установок / А.В. Муравьев, Д.А. Прутских, А.В. Бараков, Н.Н. Кожухов // Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса: матер. Междунар. науч.-практ. конф. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. – С. 179-183.
2.Муравьев, А.В. Модель распределения частиц по размерам в потоке теплоносителя теплообменной трубки / А.В. Муравьев // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды научно-технической конференции молодых учёных, аспирантов и студентов. – Воронеж: Воронежский государственного технического университета, – 2014. – Вып. 16. – С. 4-11.
3.Муравьев, А.В. Математическое моделирование образования отложений на теплообменной поверхности трубки в условиях турбулизации / А.В. Муравьев, И.Л. Батаронов // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2015.
–Т. 11. № 4. – С. 111-114.
4.Муравьев А.В. Распределение температуры вдоль канала теплообменной системы / А.В. Муравьев, Н.О. Мартыненко // Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения: труды научно-технической конференции молодых учёных, аспирантов и студентов. – Воронеж: Воронежский государственного технического университета, – 2012. – Вып. 14. – С. 38-44.
39