АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ 

Кафедра промышленной теплоэнергетики

  

Централизованные и автономные системы энергоснабжения

Методические указания к лабораторным работам 

для высших учебных заведений по специальности 050717 - Теплоэнергетика

 

СОСТАВИТЕЛИ: Л.Ю. Васильченко. «Централизованные и автономные системы энергоснабжения». Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальностей  050717 - Теплоэнергетика. - Алматы: АИЭС, 2009. - 33 с. 

Методические указания содержат положения по подготовке и проведению лабораторных работ, оформлению отчетов, описания лабораторных работ, которые охватывают все основные разделы дисциплины.

Описания лабораторных работ включают основные теоретические положения, описание методики проведения работ и экспериментальной установки, порядок проведения и обработки опытных данных, перечень рекомендуемой литературы.

Методические указания к лабораторным работам предназначены для студентов специальностей направления - Теплоэнергетика.

 

Введение

Лабораторные работы по курсу ставят целью закрепление приобретенных навыков и знаний на лекционных и практических занятиях, получение навыков экспериментального исследования схем теплофикации, расходов тепла на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение и технологические нужды,  систем теплоснабжения, методов регулирования отпуска тепла.

Перед выполнением работы следует изучить методическое указание, рекомендуемую литературу к работе, четко представлять методику эксперимента, функциональную схему установки, порядок проведения эксперимента и обработки данных. Желательно на этом этапе составить бланк протокола наблюдения и обработки данных.

Обязательно нужно оценить погрешность полученных результатов и привести сравнение с имеющимися литературными данными.

Отчет по работе составляется каждым студентом на листах формата А4. Он должен содержать:

1. Цель работы.

2. Краткие теоретические выкладки и основные расчетные формулы.

3. Принципиальную схему экспериментальной установки.

4. Протокол наблюдений и обработки данных, оценку погрешности эксперимента.

5. Выводы по работе, вытекающие из сравнительного анализа результатов, полученных в работе, и литературных данных.

При выполнении работы строго соблюдайте правила техники безопасности.

 

Лабораторная работа №1. Исследование качественного регулирования отпуска тепла водяной системы теплоснабжения

 

1.1 Цель работы

Целью работы является углубление знаний в области систем регулирования отпуска тепла, получение навыков проведения теплотехнических экспериментов и экспериментального определения параметров регулирования водяной системы теплоснабжения.

Задачей работы является экспериментальное определение тепловой нагрузки нагревательного прибора в зависимости от температур в подающей и обратной магистрали тепловой сети и построение по этим данным температурного графика при качественном регулировании отопительной нагрузки водяной системы теплоснабжения при непосредственной схеме присоединения отопительной нагрузки к тепловой сети. 

 

1.2 Теоретическое введение

Тепловая нагрузка разнородных потребителей тепла зависит от метеорологических условий, режимов работы потребителей тепла. Для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха главным фактором, влияющим на расход тепла, является температура наружного воздуха. Расход тепла на горячее водоснабжение и технологическое пароснабжение от температуры наружного воздуха зависит незначительно.

Система изменения тепловой нагрузки теплопотребителей в соответствии с графиком их теплопотребления называется системой регулирования отпуска тепла. Различают центральное, групповое и местное регулирование отпуска тепла. Центральное регулирование тепловой нагрузки осуществляется у источника тепла - на ТЭЦ или районной котельной. Групповое и местное регулирование производится у потребителей и рассматривается как дополнительное к центральному.

Все количество тепла, полученное из источника теплоснабжения по тепловым сетям, расходуется в нагревательных приборах для нагрева воздуха в помещениях, воздуха в вентиляционных приточных камерах, воды в водонагревателях. Тепловая нагрузка систем теплоснабжения, таким образом, зависит от режима теплоотдачи нагревательных приборов.

Теплопередача рекуперативного нагревательного прибора определяется по уравнению:

                                                   (1.1)

где     - количество тепла, отданное нагревательным прибором

за время   , кДж;

k - коэффициент теплопередачи, кВт/м2 К;

F – площадь нагреваемой поверхности  прибора, м2;

Dt - средняя разность температур между греющей и нагреваемой средой, К.

Уравнение  (1.1) показывает, что тепловую нагрузку системы теплоснабжения можно регулировать воздействием на любой из сомножителей правой части уравнения (1.1), изменением коэффициента теплопередачи, изменением поверхности нагрева, изменением средней разности температур, изменением времени работы прибора.

В соответствии с этим регулирование отпуска тепла в водяных системах теплоснабжения может осуществляться следующими способами:

а) качественное регулирование - расход воды постоянен;

б) количественное регулирование - температуры на входе постоянны;

в) качественно-количественное регулирование;

г) регулирование пропусками.

Для регулирования отпуска тепла соотношение (1.1) неудобно. Поэтому нагрузку теплообменного аппарата представляют в виде:

 

Q= S WMÑ,                                 (1.2)

где Q= Qt/t , кВт;

      WM- меньшая массовая теплоемкость теплоносителя, кВт/К;

      Ñ- максимальная разность температур между греющим и нагреваемым теплоносителями, 0С, в нагревательных приборах отопления она равна t1 -tB;

     S- безразмерная удельная тепловая нагрузка;

      t1, t2, tB, Dtа, DtL- соответственно температуры на входе и выходе в нагревательный прибор, температура воздуха в помещении, температурные напоры средне-арефметический и среднелогарифмический, 0С.

Очевидно, что

Dtа=                       (1.3)

DtL=  (1.4)

 Величина S по результатам экспериментальных исследований всех типов нагревательных приборов отопления может быть представлена в виде:

                           (1.5)

где w= kF/WM- режимный коэффициент, он равен

 

w= wос /Wм ,                 (1.6)

где wос= - режимный коэффициент основного режима (за который обычно принимается расчетный режим) `Q0=Q/Q0;   

Q, Q0 -нагрузки нагревательного прибора в любом и основном режиме.

Величина n зависит от типа нагревательных приборов и способов их присоединения к стенкам и колеблется в пределах от 0,17 до 0,33. В большинстве случаев n=0,25. Тогда (1.6) принимает вид

w=wос `Q0,2/`Wm                           (1.7).

При мгновенном регулировании расход греющей среды остается постоянным и поэтому `W=1. Тогда путем несложных преобразований можно получить следующие соотношения:

                     (1.8)

t1=2tB-t2+2DtЛ Q0,8             (1.9)

Эти соотношения положены в основу данной работы.

 

1.3     Описание экспериментальной установки

В настоящей работе необходимо, на основе исследования режима тепловой модели нагревательного прибора отопительной нагрузки, экспериментально определить температурный график при качественном регулировании отпуска тепла.

Принципиальная схема экспериментальной установки приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Принципиальная схема экспериментальной установки

1- задатчик ручного управления температурой; 2- регулятор температуры; 3- источник тепла; 4- циркуляционный насос; 5- теплообменник с естественной конвекцией;  6- регулирующий клапан общего потока теплоносителя; 7- регулирующие клапаны теплообменников; 8- теплообменник с принудительной конвекцией (воздушным калорифером); 9- переключатель трансформатора для ручного регулирования температуры источника тепла; 10- переключатель с ручного на автоматическое регулирование; 11- автотрансформатор.

Лабораторная установка моделирует автономную систему теплоснабжения, в которой нагревательный прибор включен к источнику без узла смешения.

Так, термостат (3) выполняет роль источника теплоснабжения (водогрейного котла). Насос термостата  моделирует работу сетевого насоса, трубопроводы – магистральные теплопроводы тепловых сетей, а роль нагревательного прибора (потребителя тепла) выполняет модель отопительной батарей – теплообменник с естественным  охлаждением (8) или теплообменник с исскуственным охлаждением  - (5).  Для охлаждения теплообменника (5) служит воздушный калорифер.

Расход воды  в нагревательных приборах регулируется  при помощи вентиля - 6 и определяется по мощности нагревателя термостата. Мощность нагревателя (тэна) зависит от силы тока в нагревателе и от величины задаваемого напряжения. Перед началом работы проводится тарировка установки  для определения расхода  воды, т.е. для нескольких открытых положений вентиля  6 определяются расходы воды , циркулирующей по системе  теплоснабжения.

1.4     Порядок проведения работы

1.4.1 Изучить инструкцию «Порядок работы на установке» (см. Приложение  1).

1.4.2. Включить термостат, выставить температуру t1.

1.4.3. Включить нагреватели термостата. Через 10-15 минут в системе устанавливается стационарный режим работы. Характеристикой стационарности режима является неизменность во времени температур t1 и t2.

1.4.4. При наступлении установившегося режима необходимо определить расход воды g, температуры t1 и t2.

1.4.5. Установить на регулировочном термостате новое значение температуры и определить параметры другого режима. Всего нужно провести исследование в 3-4 режимах. При этом необходимо следить, чтобы величина расхода воды оставалась постоянной.

 

1.5      Порядок расчета

Количество тепла, отданное сетевой водой через нагревательный прибор в данное помещение, определяется по формуле:

 

Q = gc(t1 - t2) = Wm(t1-t2)                 (1.10)

где g - расход воды, кг/с;

      c - удельная теплоемкость воды, кДж/кг К;

      Wm=gc.

Определив для каждого режима величину Q, нужно построить график, на котором по оси абсцисс откладывается значения Q, а по оси ординат измеренные значения температур t1 и t2.

Для определения температурного графика качественного регулирования отпуска тепла необходимо максимальный по величине исследованный режим принять за расчетный. Затем по результатам измерений в различных режимах определить Q0, Dtа, DtL , S в каждом режиме, построить график  и ln  и определить значение n. Используя соотношение (1.9), построить график Q= f(t1,t2,tB). В последнем случае принять tB= 200C.

 

1.6      Обработка опытных данных и оформление отчета

Перед началом работы следует подготовить форму протокола наблюдений и таблицы обработки данных. Рекомендуемая форма приведена ниже.

 

Т а б л и ц а  1 . 1

№

g, кг/с

t1, OC

t2, OC

Q, кВт

Q0,кВт

S

Lta /LtL

LtL

Ln Q0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отчет должен содержать построенный по данным работы температурный график при качественном регулировании водяной системы теплоснабжения, оценку погрешности экспериментального определения Q в одном режиме и краткие выводы.

   

1.7       Контрольные вопросы

 

1.7.1      Каков порядок выполнения лабораторной работы?

1.7.2      Какие методы регулирования отпуска теплоты применяются для водяных СЦТ?

1.7.3      Охарактеризуйте принципы выбора метода регулирования отпуска теплоты потребителю.

1.7.4      Когда применяется метод регулирования «пропусками»?

1.7.5      Когда применяется метод регулирования по суммарной нагрузке в закрытых водяных СЦТ?

1.7.6      Каково влияние климатических условий на графики температур и расходов теплоносителей в СЦТ?

 

Лабораторная работа №2. Исследование количественного метода регулирования отпуска тепла водяной системой теплоснабжения

 

2.1 Цель работы

Целью работы является углубление знаний в области теплоснабжения промышленных предприятий, систем регулирования отпуска тепла и построение графика количественного регулирования  отопительной нагрузки, на основе экспериментального определения тепловой нагрузки нагревательного прибора.

 

2.2             Теоретическое введение

 

Режим регулирования водяных систем теплоснабжения зависит от многочисленных факторов, но основным является вид тепловой нагрузки и схемы узлов вводов абонентов.  Регулирование отпуска тепла значительно упрощается при однородной тепловой нагрузке. В этих случаях можно ограничиться только центральным регулированием. Центральное регулирование осуществляется в соответствии с потребностью тепла для отопления зданий при различных наружных температурах воздуха.

Общее уравнение для регулирования отопительной нагрузки  при зависимых схемах присоединения отопительных установок к тепловой сети может быть представлена в виде

 

                         (2.1)

где  расход тепла на отопление при текущей температуре наружного воздуха ;

- соответственно температура сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах тепловой сети;

 коэффициент теплопередачи;

 температурный напор в нагревательном приборе при тех же условиях;

 ,   ,  ,  те же величины при расчетной температуре наружного воздуха .

При количественном регулировании температура сетевой воды в подающем трубопроводе постоянна.  Регулирование тепловой нагрузки  осуществляется изменением расхода воды. Задачей расчета является определение расхода воды и температуры обратной сетевой воды в зависимости от величины отопительной нагрузки. В этом случае относительный расход сетевой воды и температура обратной воды определяется на основе общего уравнения регулирования (2.1) при условии = const:

 

                          (2.2)

 

                                                         (2.3)

где , - температурный напор  при смешении воды в узле ввода; 

 - температура воды в подающем трубопроводе отопительной системы после смесительного устройства;

- расчетная разность температур сетевой воды;

- расчетный перепад температур в отопительной системе.

При уменьшении тепловой нагрузки и снижении расхода воды температура обратной воды достигает температуры воздуха помещения. Дальнейшее снижение теплоотдачи приборов происходит за счет частичного заполнения нагревательных приборов водой с температурой .

Основным достоинством количественного регулирования является сокращение расхода электроэнергии на перекачку теплоносителя. Это преимущество может быть использовано в магистральных трубопроводах двухступенчатых сетей, к которым абоненты присоединяются по независимым схемам или с помощью смесительных насосных подстанции. При снижении расхода сетевой воды в магистральных сетях смесительные насосы, работающие с переменным коэффициентом смешения, увеличивают подачу воды из обратной магистрали. Благодаря этому в системах отопления сохраняется необходимый расход воды и тем самым устраняется основной недостаток количественного регулирования – разрегулировка отопительных систем.

 

2.3  Описание экспериментальной установки

 

В настоящей работе необходимо на основе исследования режима тепловой модели нагревательного прибора отопительной нагрузки экспериментально определить температурный график при количественном регулировании отпуска тепла.

      Принципиальная схема экспериментальной установки приведена на рисунке 1.1. Описание экспериментальной установки смотри в лабораторной работе №1

 

2.4     Последовательность выполнения работы и обработки результатов  измерений

2.4.1      Провести градуировку расходомера- вентиля 2. Для этого термостат 1 с помощью переключателя 10 приводится в автоматический режим работы (положение А). Вентиль 2 приоткрыть незначительно и задать постоянное напряжение на автотрансформаторе 12 и измерить силу тока. Тепловую мощность тэна (нагревательного элемента термостата) определяют по формуле                                                            (2.4).

2.4.2       С помощью термопар 11 и 14 определить температуры  и . Так как при установлении стационарного режима работы нагревательного прибора 5 его тепловая нагрузка равна тепловой мощности тэна, выражение (2.4) можно переписать как  ,   где           (2.5).

2.4.3      Далее из выражения (2.5) определяется значение расхода сетевой воды  в кг/с при данной тепловой мощности тэна ,                                             (2.6).

2.4.4      После этого при других открытых положениях вентиля 2 повторно измеряют параметры I,U,,. Данный порядок проведения градуировки осуществляют и при полностью открытом вентиле 2. В конце градуировки строится график зависимости G= f(I) при постоянных значениях напряжения U и температуры внутри помещения.

2.4.5        Для исследования количественного регулирования работу термостата переводят в ручной режим с помощью переключателя 10. Температуру сетевой воды  t1на входе в нагревательный прибор 5  или  6 поддерживают постоянной. Вентиль 2 приоткрывают и из градуировочного графика определяют текущий расход воды.

2.4.6       С помощью термопары 14 или 18 определяют температуру сетевой воды на выходе из нагревательного прибора 5 или 6. То же самое повторяют при других значениях расхода воды до полного открытого положения вентиля 2.

2.4.7      При полностью открытом вентиле 2 определяют из градуировки расходомера, Gмах и затем Qмах.

2.4.8      По измеренным значениям    ,   и     строят график зависимости     .      

2.4.9      По формуле (2.3) определяют теоретическую зависимость . 

 

2.5            Контрольные вопросы

 

2.5.1      Укажите  возможные системы регулирования тепловой нагрузки и их характеристики. Каковы особенности центрального, группового, местного и индивидуального регулирования?

2.5.2      Путем изменения каких параметров принципиально возможно центральное регулирование тепловой нагрузки в водяных системах теплоснабжения?

2.5.3      Охарактеризуйте принципы выбора метода регулирования отпуска теплоты потребителю.

2.5.4      Каковы особенности количественного метода регулирования в СЦТ?

2.5.5      Каким уравнением описывается зависимость относительной отопительной нагрузки от относительного расхода сетевой воды при количественном регулировании?

2.5.6      В чем заключаются методы центрального регулирования открытых систем теплоснабжения по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения? Укажите преимущества и недостатки качественного, количественного и качественно-количественного методов.

2.5.7      В чем состоит метод расчета графика температур тепловой сети при центральном?

Лабораторная работа №3 Автономная система теплоснабжения с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии

 

3.1 Цель работы

Целью работы является углубление знаний и умений  в области автономного  энергоснабжения с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии с помощью программного продукта.

 

3.2            Теоретическое введение

 

Как известно, подготовка студентов к использованию в будущей профессиональной деятельности компьютерных технологий будет наиболее эффективной при условии наличия системы формирования у студентов знаний и умений в области использования компьютерных технологий в будущей профессиональной деятельности, обеспечивающей соответствие их профессиональной подготовки потребностям современного общества, а также  наличия учебно-материальной базы и соответствующего методического обеспечения, позволяющих сформировать у студентов необходимые знания и умения.  В соответствии с этим, разработанная программа позволяет проведение  экспериментальной проверки эффективности приведенной системы. Компьютерные технологии должны быть, прежде всего, средством расширения и углубления знаний в области будущей профессиональной деятельности специалиста, обеспечивать полное раскрытие его творческого потенциала, познавательных способностей, формирование научной картины мира.

Занятие, рассчитанное на два академических часа, представляет собой интерфейс в  объектно-ориентированном  пространстве  программирования Delphi  (см. рисунок 3.1).

 

3.3 Порядок проведения работ

 

Задание  состоит из пяти этапов.

3.3.1  На первом этапе изучить теоретическое описание методов утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) и способов получения биогаза. Открыть файл «Theory». 

3.3.2  Выбор  схемы утилизации и тщательного ее изучения.  Открыть файлы под названием  «Рисунок1-4».

3.3.3  Произвести расчет выбранной схемы автономного теплоснабжения.

3.3.4  Рассчитать оборудование, входящее в схему. Рассчитывается котел-утилизатор, производится тепловой и гидравлический расчет систем теплоснабжения. Открыть файлы «kotel», «Расчет производительности теплогенератора1-2». После ознакомления открыть программу «Расчет астс НВИЭ.exe» и произвести расчеты.

3.3.5  Провести анализ сравнения  результатов, полученных при  различных способах утилизации и различных схемах  использования биогаза в автономных системах теплоснабжения. 

 

 

Рисунок 3.1- Интерфейс программного продукта по теме лабораторного занятия. 

 

3.4            Контрольные вопросы

3.4.1      Перечислите методы утилизации твердых бытовых отходов.

3.4.2      Какие способы получения биогаза наиболее эффективны?

3.4.3      Нарисовать и объяснить схему автономного теплоснабжения.

3.4.4      Привести алгоритм расчета котла-утилизатора.

3.4.5      Сравнить  результаты, полученные при  различных способах утилизации и различных схемах  использования биогаза.

 

Лабораторная работа №4. Тепловое испытание водяного аккумулятора

4.1 Цель работы.

Ознакомиться с работой водяного аккумулятора, провести тепловое испытание.

4.2. Задание

4.2.1 Провести эксперимент и на основании полученных данных построить температурные зависимости:

а) нагрева воды в аккумуляторе ;

б) греющего теплоносителя на входе ;

на выходе из аппарата -                            ;

в) поверхности нагрева: .                       .

4.2.2 Построить  температурно-временную зависимость вторичного теплоносителя потребителя

4.2.3 Составить уравнение баланса и определить полную теплоемкость аккумулятора за весь период нагрева.

4.2.4 Построить график изменения расхода тепла при накоплении и отдаче энергии. 

4.2.5 Пользуясь графиками пп 1- 4, построить график изменения удельной теплопроизводительности аппарата  и сравнить его со значением kF, расчитанном при допущении постоянства коэффициента теплопередачи в течение всего эксперимента.

4.2.6 Построить графики экспериментальной и теоретической  кривых  и  теоретический  k рассчитывать при средних во времени значениях температур теплоносителей.

4.3 Основные теоретические положения.

Водяной аккумулятор-подогреватель относится к рекуперативным   теплообменным аппаратам периодического действия. В основе расчета таких аппаратов лежат два основных  уравнения теплопередачи (4.1) и уравнение теплового баланса  (4.2).

(4.1)                                                                                     

где k - коэффициент теплопередачи;

       F -поверхность нагрева;

       -температурный напор в.момент времени .

 

    (4.2)

где -расход  и теплоемкость греющего теплоносителя;

       -температуры греющего теплоносителя на входе и на выходе,

       G,c -.полная масса и теплоемкость аппарата  ;

      -масса и теплоемкость нагреваемой среды;

      -масса и теплоемкость корпуса и других деталей аппарата.

Приняв допущение о постоянстве коэффициента теплопередачи,  для удельной тепловой производительности получают следующую зависимость

               (4.3).

При расчете теоретического коэффициента теплопередачи следует учесть, что греющая поверхность выполняется в форме змеевика из труб с соотношением диаметров dн/dвн = 1,5.

Поэтому необходимо пользоваться формулой

   ;                 (4.4)

Значения коэффициентов теплоотдачи   можно определить из формулы

.                                   (4.5)

За определяющий  размер в числах Re и Nu берут внутренний диаметр,

а физические константы - по среднемассовой температуре жидкости.

где D- диаметр витка змеевика.

Используя вышесказанное,  приводим (4.5) к виду

                                           (4.6)

(Значения А из таблицы 1 приложения).

При естественной конвекции и змеевиковом обогреве коэффициент теплоотдачи может быть определен по формуле Михеева:

                                                      (4.7)

где  при переходном режиме    при

        при ламинарном режиме   при

        при вихревом режиме        при

Физические константы в критериях  Nu, Gr, Pr берут при температуре , где -среднее значение температуры нагреваемой среды и стенки

.

Формула (4.7) преобразовывается к виду:

при             

при             

 

Значения  из таблицы 4.1.

 

4.4 Описание лабораторной установки

 

Принципиальная схема лабораторной  установки показана на рисунке 4.1.  

Рисунок 4.1 -  Схема лабораторной установки.

 

Подготовка греющего теплоносителя  воды   осуществляется в термостате - 2. Передача тепла   аккумулирующему телу происходит в   аккумуляторе – 1.  Схема предусматривает поочередное включение первого или второго контуров, когда установка работает   соответственно в режиме   накопления тепла или отдачи. Расходы греющего теплоносителя и теплоносителя потребителя тепла 3 регулируются вентилями  В1, В2. Термопары, предназначенные для регистрации температур первого и второго контуров на входе и на выходе, температур различных точек поверхностей нагрева, аккумулирующей воды в самом аппарате, выведены на самопишущий потенциометр КСП-4.

 

4.5 Порядок проведения эксперимента

 

4.5.1 Перед проведением эксперимента необходимо проверить рабочее состояние установки. В термостате и в аккумуляторе вода должна находиться на заданном уровне, насос термостата отключен.

4.5.2  Включить нагреватель термостата и нагреть  до температуры аккумулирующей среды 30°-90С (заданной преподавателем).

4.5.3 Включить насос термостата и перегонять теплоноситель по первичному контуру. Одновременно с началом циркуляции греющего теплоносителя следует включить потенциометр КСП-4.

4.5.4 При достижении заданной температуры, закрыть вентили В1, В3, выдержать аппарат в состоянии покоя 3-5 мин.

4.5.5 Включить насос второго контура и сбросить температуру воды в аккумуляторе до 50-60°С.

Расходы теплоносителей первого и второго контуров определяются по расходомеру и тарировочному графику. Временные распределения температур в различных точках аппарата определяются обработкой диаграммной ленты потенциометра. Остальные характеристики аккумулятора приведены в приложении. По завершению эксперимента отключают потенциометр, насос второго контура.

 

4.6 Обработка результатов наблюдений, требования к отчету

 

Отчет составляется каждым студентом и должен содержать:

4.6.1 принципиальную схему установки;

4.6.2 протокол наблюдений и результатов обработки эксперименталь­ных данных;

4.6.3 основные выполненные расчеты и используемые формулы;

4.6.4 анализ полученных результатов;

4.6.5 оценку погрешностей, найденных из опыта величин.

 

Приложение.

Т а б л и ц а 4.1. – Значение коэффициентов А, А1, А2

t,0C

30

40

50

60

70

80

90

A

2100

2400

2600

2700

2850

300

3100

 

t,0C

20

40

60

80

100

130

A1

112

149

178

205

227

274

A2

198

291

363

426

482

607

 

Масса аккумулирующей воды                              6-7кг

Масса корпуса                                                        5,5 кг

Масса спирали                                                        0,8кг

Теплоемкость аккумулирующей воды                 4,18 кДж / кг*К

Теплоемкость корпуса                                           0,385  кДж / кг*К

Теплоемкость спирали                                           0,385  кДж / кг*К

Внутренний диаметр спирали                               150 мм

Внутренний диаметр аккумулятора                      40 мм

Высота аккумулятора                                             500 мм

Шаг спирали                                                            40 мм 

 

4.7 Контрольные вопросы

 

4.7.1  Чем отличается аккумулятор-подогреватель от теплообменника непрерывного действия? Преимущества и недостатки.

4.7.2  Как будет изменяться во времени удельная теплопроизводительность и расход тепла в тепловом аккумуляторе?

4.7.3. Каким требованиям должен отвечать идеальный теплообменник данного вида?

4.7.4 При каком способе обогрева: паровом или водяном, быстрее нагревается одно и то же  количество воды, если температура греющего насыщенного пара и греющей воды на входе в аппарат одинакова?

4.7.5 Укажите физический смысл критериев Nu, Gr, Pr, Pe.

 

Лабораторная работа №5.  Исследование компенсации температурных деформаций трубопроводов теплосети

 

5.1 Цель работы

Целью работы является углубление знаний в области применения различных способов компенсации температур­ных удлинений трубопроводов теплосети.

 

5.2 Теоретическое введение

При сильном нагревании трубопроводов в его стенках могут возникнуть разрушающие напряжения, величина которых определяется
законом Гука        

σ=Е i, Па                 (5.1)

где Е - модуль продольной упругости, Па;

        i - относительная деформация.

Изменение температуры трубы длиной 1 при нагреве на ∆t вызывает удлинение

∆ = α 1 ∆t, м                       (5.2)

где α - коэффициент линейного удлинения, 1/К.

При этом относительное сжатие  равно

i = ∆ /l = α∆t                    (5.3)

Величина напряжения сжатия, возникающего при нагреве прямолинейного участка трубопровода, не зависит от диаметра, толщины стенки и длины трубопровода и определяется только материалом и пе­репадом температур

σ= αE∆t, Па               (5.4).

Возникающее при этом усилие сжатия определяется по формуле

Р = σ f= Е i f, Н        (5.5)

где f - площадь поперечного сечения стенок трубопровода, м2.

Для уменьшения напряжений, возникающих в трубопроводе при его нагреве, используют различные способы компенсации температур­ных удлинений. По своему характеру все компенсаторы могут быть разбиты на осевые и радиальные.

Осевые компенсаторы применяются для компенсаций тем­пературных удлинений прямолинейных участков трубопроводов. Ра­диальная компенсация может быть использована при любой конфигурации трубопровода.

 

5.3  Описание лабораторного стенда

Основными элементами стенда являются трубопроводы  с различными компенсаторами. Трубопроводы на концах неподвижно закреплены на опорах. Внутри трубопроводов установлены нагревательные элементы. Величина нагрева регулируется с помощью лабо­раторного трансформатора, температура поверхности трубы измеря­ется с помощью термопар ХА 6 и регистрируется на КСП. Температурные удлинения трубопроводов определяются по реперным точкам с помощью индикаторов часового типа или штангенциркуля.

 

5.4 Порядок выполнения работы

5. 4. 1    По   заданию    преподавателя    исследуется    работа    осевого
(сальникового) и одного из радиальных ("П" или "Г" образные) компенсаторов при 3 режимах нагрева.

5. 4. 2.  Проводятся через каждые 5 минут замеры температуры поверхности трубы и ее температурное удлинение с помощью микрометра до наступления стационарного режима.

 

Т а б л и ц а 5.1 -  Данные эксперимента

№ замера

Мощность

нагревателя

Температура трубы

Средняя темп. трубы

Удлинение трубы

Изменение сальникового компенсатора

1

2

3

1

2

3

 

 

  

5.5 Обработка результатов эксперимента

Для стационарных режимов строится график зависимости температурного удлинения трубы с радиальным компенсатором и изменения зазора в трубе с сальниковым компенсатором от средней температуры.

Для стационарных режимов и использованием данных таблиц
 рассчитывается напряжение сжатия в трубе без компенсации температурных удлинений (максимально возможное напряжение сжатия).

σ=∆E/l = αЕ(tср - to)                                               (5.7)

где tcp = (t1 + t2 + t3)/ 3- средняя по длине температура стенки трубы;

       to - температура окружающего воздуха.

 

5.5.1  Осевые усилия на неподвижные опоры

5.5.1.1 Трубопровод с сальниковым компенсатором

Рэ=4S/(fldв2), Па                                                (5.8)

Осевые усилия в опорах определяются силой трения в сальниковом компенсаторе

S =fldн2Ppbαµ,   Н                                                                               (5.9)

где РР - рабочее давление cреды (для магистральных трубопроводов равно 0,9 - 1,6 МПа);

         b = 0,6 - отношение высоты сальниковой набивки к наружному диаметру;

         α = 1,5 - отношение удельного давления сальниковой набивки к рабочему давлению;

         µ = 0,15 - 0,4 - коэффициент трения набивки по стакану (в рассматриваемом случае 0,15).

5.5.1.2. Трубопроводы с "П"-образным и "Г"-образным компенсаторами

Р = ∆ЕJ/А, Н

где ∆ = σ1+σ2 - удлинения участка трубопровода, м;

      J = 0,05(dH4 - dB4) - экваториальный момент инерции трубы, м4.

Величина А равна для трубопровода со сварными коленами (R=0)

А=0/S У2ӘS/R=((2l+3l1)l2)/2

 

5.5.2  Напряжение в трубопроводе

5.5.2.1         С "П "-образным компенсатором на участке С-В (в спинке компенсатора)

σ=(∆EdнУмакс)/2А

где Умакс = 1 - расстояние середины участка от исправления действия силы (вылет компенсатора), м;

       А - величина, рассчитанная в пункте 5.5.1.2.

В случае замены жестких сварных колен с R=0 гнутыми коленами R = 4dy (как в нашем случае) напряжение от тепловых удлинений снижается примерно в 1,15 раза.

5.5.2.2  С «Г»-образным компенсатором в наиболее напряженной точке А

σ=СА∆Еdн/l2, Па

где ∆ = δ1 - боковое смещение малого плеча (удлинение большого плеча), м.

Коэффициент СА для жесткого сварного колена R=0 равен

СА= 1,5(1+1/n)

где n = L/1 - отношение длин плеч трубопровода.

 

5.5.3  По данным расчетов для исследуемых компенсаторов построить зависимости Р = f(t) и σ=f(t). Допустимое напряжение трубопровода от тепловых удлинений   σ Ә= 70 МПа.

 

Т а б л и ц а 5.2 -  Физические свойства стали 20

T,K

20

100

200

300

α*106, l/К

-

11,6

12,6

13,1

Е*10-10, кг/м2

2,1

2,03

1,99

1,90

 

Т а б л и ц а 5.3 - Геометрические размеры трубопроводов с диаметром dв/dн=33/38 мм

Размеры

L,мм

l,мм

l1,мм

R,мм

Вид компенсатора

Сальниковый

1200

-

-

-

П-образный

1700

225

165

4dp

Г-образный

1700

550

-

4dв

 

5.7      Контрольные вопросы

5.7.1   Каков порядок выполнения лабораторной работы?

5.7.2 Сформулируйте закон Гука.

5.7.3 Чему равно удлинение, вызываемое  изменением температуры трубы ∆t?

5.7.4 Чем определяется величина напряжения сжатия, возникающего при нагреве прямолинейного участка трубопровода?

5.7.5 Как определяется усилие сжатия?

5.7.6  Способы компенсации температур­ных удлинений?

5.7.7 Написать, как определяются осевые усилия на неподвижные опоры для  трубопровод с сальниковым компенсатором, «П» и «Г»-образным?

5.7.8 Определение напряжения в трубопроводе с сальниковым, «П» и «Г»-образным компенсатороми.

5.7.9 Принцип действия различных типов компенсаторов ( по указанию преподавателя).

5.7.10 Сделайте анализ полученных зависимостей Р = f(t) и σ=f(t) для исследуемых компенсаторов.  

 

Лабораторная работа № 6  Годовое теплопотребление промышленных предприятий городов

6.1   Цель работы.

Целью настоящей работы является расширение и улубление знаний по разделу "Тепловое потребление промышленных предприятий от источников централизованного теплоснабжения".

В ходе выполнения работы исследуется влияние изменений в соотношениях круглогодовой и сезонной тепловых нагрузок предприятий на величину их годового теплопотребления, годовое число часов использования расчетной тепловой нагрузки.

Исследование проводится для предприятий, расположенных в разных климатических регионах страны, и осуществляется с использованием математической модели. Одновременно при выполнении работы приобретаются навыки использования математических моделей и современных методов обработки результатов расчетного эксперимента с применением ЭВМ для исследования и анализа промышленных теплоэнергетических систем.

 

6.2    Краткое теоретическое содержание работы

Студенты, используя математическую модель, реализованную в виде программы, исследуют характер графиков продолжительности тепловой нагрузки, годового теплопотребления и годового числа часов использования расчетной тепловой нагрузки нескольких промышленных предприятий с одинаковой суммарной расчетной часовой потребностью в тепле, но с различным соотношением сезонной и круглогодовой тепловых нагрузок, связанных между собой выражениями:

Q’ч = Qс’+Qср.чкг;   Q’с=Q’о+Q’в;  Qср.чкг =Qгв+Qср.чт; 

n = Qгод / Q’ч               (6.1)

где Q0’, Q’в - соответственно расчетное часовое теплопотребление для отопления и вентиляции предприятия, Гдж/ч;

       Qср.чгв, Qср.чт -  соответственно средненедельные часовые тепловые нагрузки на горячее водоснабжение и технологические нужды предприятия, Гдж/ч;

        Q’ч,  Qс’, Qср.чкг- соответственно суммарная, сезонная и среднечасовая круглогодовая тепловые нагрузки, Гдж/ч;

        n- годовое число использования расчетной тепловой нагрузки, ч/год;

        Qгод - годовое теплопотребления, Гдж/год.

Выражения (6.1) использованы при создании математической модели для программы.

 

6.3    Домашнее задание

До начала лабораторного занятия студенты должны изучить материал, изложенный на стр. 35-51 (Л.3), и построить график продолжительности тепловой нагрузки для предприятия с определенным соотношением сезонной и круглогодовой тепловых нагрузок и климатической зоны его расположения. Исходные данные для выполнения домашнего задания выдаются преподавателем индивидуально для каждого студента.

6.4     Порядок выполнения работы

6.7.1      При выполнении лабораторной работы каждая бригада студентов в составе 2-3 человек определяет годовую потребность в теплоте промышленных потребителей с одинаковой расчетной суммарной часовой тепловой нагрузкой, но с пятью разными соотношениями между составляющими ее расчетной сезонной и среднечасовой круглогодовой нагрузками.

6.7.2      Для одного из указанных предприятий анализируется влияние климатической зоны его расположения на величину годового теплопотребления.

6.7.3      Одновременно исследуется влияние изменения всех перечисленных факторов на величину годового числа часов использования расчетной суммарной тепловой нагрузки.

6.7.4      На основе полученных зависимостей строится график годового теплопотребления предприятий городов.

6.7.5      Исходные данные для выполнения лабораторной работы задаются каждой бригаде в виде таблиц 1и 2.

 

6.5.          Обработка результатов

6.5.1.     Вводятся исходные данные для предприятия первого города.

6.5.2.    После проведения 5 вариантов расчетов предприятий с разной тепловой нагрузкой вводят исходные данные по второму городу.

6.5.3.    Расчеты повторяются. Порядок ввода исходных данных осуществляется по п.6.4.

6.5.4.    На основе полученных результатов студенты строят графики продолжительности тепловой нагрузки каждого предприятия для вариантов его размещения в трех разных климатических зонах.

6.5.5.    Строятся графики изменения годового теплопотребления предприятий и годового числа часов использования расчетной тепловой нагрузки при изменениях структуры его тепловой нагрузки и климатической зоны размещения.

 

 

 

6.6              Требования к отчету

Отчет должен содержать формулировку цели работы; комплекс исходных данных по форме таблицы 1; результаты расчетов домашнего задания; рабочую таблицу 6.2; графики полученных зависимостей; выводы по работе.

 

Т а б л и ц а 6.1 -  Исходные данные

Сумарная годовая нагрузка, ГДж/ч*10

Составляющие тепловой структуры предприятия, ГДж/ч*10

 

Климатическая зона регулирования

Город

 

1.0

0.75

0.5

0.25

0

 

Q’c

Q’kr

 

 

Q’c

Q’kr

Q’c

Q’kr

 

 

Q’c

Q’kr

 

 

Q’c

Q’kr

tнв

tнв

4

4

0

3

1

2

2

1

3

0

4

 

 

 

Таблица 6.2. Годовое  число часов продолжительности использования расчетной тепловой нагрузки и годового теплопотребления городов.

Tнв

-45

 

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

 

0

 

+8

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.7              Контрольные вопросы

 

6.7.1       Как подсчитать максимальную часовую потребность в тепле на отопление цехов предприятий?

6.7.2      Как рассчитывается максимальная и средненедельная часовые потребности предприятий на нужды горячего водоснабжения?

6.7.3      Каков порядок построения годового графика продолжительности тепловой нагрузки?

6.7.4      Какое влияние  оказывает увеличение доли круглогодового теплопотребления предприятий на продолжительность тепловой нагрузки?

6.7.5      Каково влияние климатической зоны расположения предприятия на величину годового числа часов использования расчетной тепловой нагрузки? 

 

 Лабораторная работа № 7.   Исследование графиков температур и расходов теплоносителей в водяных системах централизованного теплоснабжения городов

7.1  Цель работы.

Целью работы является исследование с помощью ПК влияния ряда расчетных параметров и режимных условий на характер изменения графиков температур и расходов теплоносителей в СЦТ. Одновременно студенты приобретают навыки использования математических моделей для исследования и анализа методов регулирования отпуска тепла в системах централизованного теплоснабжения (СЦТ) от большого количества факторов. (Л- 3. стр. 113-118).

 

7.2. Укрупненная схема исследования

Исследование графиков температур и расходов теплоносителей в СЦТ проводится в пять этапов:

7.2.1.   Первый этап заключается в выявлении характера графиков температур для одного базового режима. Исследование проводится для конкретного метода регулирования (качественного, количественного) и схемы присоединения потребителей к тепловой сети. Метод регулирования и схема присоединения задается преподавателем. Для качественного регулирования закрытой и зависимой схемы присоединения потребителей к теплопроводам (см. рисунок 7.1) расчет температур и расходов теплоносителей в системе определяется по формулам:

 

t01 = t’в + (( t’03 +t’02)/ 2 – t’в))*Q 00.8 + (( t’01 - t’02) –

(t/03 - t’02)/2) *`Q0;                                                                  (1)

t02 = tв’ + (( t03‘+t02’) /2 – tв’)*`Q00.8 - ((t03’ - t02’) /2)*`Q0;   (2)

t03 = tв’+ (( t03‘ +t02’) /2 – tв’)*`Q00.8 + ((t03’ - t02’) /2)*`Q0;   (3)

 

где t01- температура сетевой воды в подающей линии теплопровода;

t02 - температура сетевой воды в обратной линии теплопровода;

t03 - температура сетевой воды после смесителя;

tв’ – расчетная температура воздуха внутри помещения;

t03’ – расчетная температура сетевой воды после смесителя;

t02’ – расчетная температура сетевой воды после отопительной установки;

t01’– расчетная температура сетевой воды в подающей линии теплопровода;`

Q0 – относительная отопительная нагрузка при температуре наружного воздуха.

Температуры сетевой воды в подающей и обратной линиях и расходы теплоносителя, при независимой схеме присоединения отопительных установок и качественном методе регулирования (см. рисунок 7.2), определяются по формулам:

 

t1 = t01+ (t01’ - t02’) ( (W0 / WTeT )-1)`Q0;       (4)

t2 = t02 +(t01’ - t02’) ( (W0 / WTeT )-1)`Q0       (5)

 

где W0 – эквивалент расхода нагреваемого теплоносителя;

WТ - эквивалент расхода греющего теплоносителя;

eТ -эффективность отопительной установки.

Суммарный эквивалент расхода теплоносителя в тепломагистрали равен:

SWT = WT0 + WTВ

где WT0 – эквивалент расхода в транзитной тепломагистрали при независимой схеме присоединения;

      WTВ – эквивалент расхода на круглогодовую тепловую нагрузку.

7.2.2  Второй этап включает расчет графиков температур и расходов теплоносителей (при базовом режиме) при различных расчетных температурах наружного воздуха (разные климатические районы).

7.2.3  На третьем этапе  определяются графики при изменении расчетной температуры теплоносителя в подающей магистрали для определенного климатического района.

7.2.4  Далее рассчитываются графики при изменении расчетной температуры воздуха внутри помещения.

7.2.5  На пятом этапе  определяются графики расхода теплоносителя при изменении соотношений сезонной и круглогодовой тепловых нагрузок.

 

7.3.    Домашнее задание

Во время домашней подготовки к выполнению лабораторной работы студенты должны ознакомиться со схемами подключения теплообменников для различных видов тепловых нагрузок (отопления, горячего водоснабжения) к тепломагистрали, изучить методы регулирования отпуска теплоты потребителям; ознакомиться с расчетными зависимостями и факторами, влияющими на графики температур и расходов теплоносителей в системе.

 

7.4.   Порядок проведения работы

7.4.1.    Первый этап выполняется в следующей последовательности:

7.4.1.2                       Установить с помощью оператора-лаборанта программу расчета годового теплопотребления городов.

7.4.1.3                       В соответствии с индивидуальным заданием осуществляется ввод Т(1-11) данных и нажатием на клавишу «Enter» отправляют их в память.

7.4.1.4                       Далее таким же образом вводятся расчетные температуры теплоносителей в подающей линии (t1), транзитной линиях и внутризаводской сети G1, G2, расчетная температура наружного воздуха G3, расчетная температура внутри цеха G4.

а) зависимая схема присоединения;

б) независимая схема присоединения.

Рисунок 7.1 - Схемы присоединения в тепловых сетях

 

7.4.2.    Второй этап: определение графиков температур и расходов теплоносителей при различных расчетных температурах наружного воздуха.

7.4.3.       Третий этап: определение графиков при изменении расчетной температуры теплоносителя в подающей линии трубопровода (t1)

7.4.4.    . Четвертый этап: определение графиков при изменении расчетной температуры внутри помещения G4.

7.4.5.    Пятый этап: определение графиков при изменении соотношений сезонной и круглогодичной тепловых нагрузок, при этом набираются значения Т6= 0- 0.5 и Т10= 1- 0.5 так, чтобы сумма этих величин была равна 1.

 

7.5.     Требования к отчету

7.5.1.    Основные расчетные зависимости модели.

7.5.2.     Результаты расчета домашнего задания.

7.5.3.     Результаты расчета лабораторного задания.

7.5.4.     Графики перечисленных зависимостей с нанесенными на них

 результатами расчета домашнего задания.

7.5.5.    Выводы по работе.

 Рисунок 7.2 - График температур и относительного расхода сетевой воды в тепловой сети в зависимости: 1- Т(6)= 0.1; 2 – Т(6)= 0.2; 3- Т(6)= 0.3.

 Рисунок 7.3 - График температур и относительных расходов сетевой воды в тепловой сети при расчетной температуре наружного воздуха, tнв = -49оС и Т(6)= 0.2.

7.6.       Контрольные вопросы

7.6.1.    Какие методы регулирования отпуска теплоты применяются для водяных СЦТ?

7.6.2.    Охарактеризуйте принципы выбора метода регулирования отпуска теплоты потребителю.

7.6.3.    Какие особенности количественного метода регулирования в СЦТ?

7.6.4.    Когда применяется метод регулирования « пропусками»?

7.6.5.    Когда применяется метод регулирования по суммарной нагрузке в закрытых водяных СЦТ?

7.6.6.    Напишите уравнение теплового баланса элеваторного узла.

7.6.7.    Каково влияние климатических условий на графики температур и расходов теплоносителей в СЦТ?

Список литературы

1.    Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. –М.:МЭИ,2001.-472с.

2.    Немцев З.Ф., Арсеньев Т.В. Теплоэнергетические установки и теплоснабжение. -М.: Энергоиздат, 1982. -400 с.

3.    Соловьев Ю.П. Проектирование теплоснабжающих установок для
 промышленного предприятия. -М.: Энергия, 1978. -192 с.

4.    Белинский С.Я., Липов Ю.М. Энергетические установки электростанций. -М.: Энергия, 1978. -301 с. 1.

5.    Хазен М.М:, Матвеев Г.А., Грицевский М.Е. Теплотехника. -М.: Высшая школа, 1984. -479 с.

6.    Дукенбаев К.Д. Нурекен Е. Энергетика Казахстана (технический аспект). -Алматы:, 2001.-312с.

7.    Дукенбаев К.Д. Энергетика Казахстана. Движение к рынку.-Алматы: Гылым,1988.-584с.

8.    Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. М.: Энергоатомиздат, 1987.- 328с.

9.    Тепловые и атомные электрические станции: Справочник/Под общ. Ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина.-2-е изд., перераб.- М.:  Энергоатомиздат, 1989.- 608с.

10.              Волков Э.П. и др. Энергетические установки электростанций. – М.: Энергоатомиздат,1983. – 280с.

11.              Тепловое оборудование и тепловые сети / Арсеньев Г.В. и др.- М.: Энергоатомиздат,1988. – 400с.

12.              Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара.-М.: Энергия 1975.

13.              Величко В.И., Пронин В.А. Теплоотдача и энергетическая эффективность трубчатых поверхностей теплообмена.- М.: Изд-во МЭИ, 2003.-63с.

14.              Беляев Л.С. и др. Мировая энергетика и переход к устойчивому развитию.- Новосибирск: Наука, 2000.-269с.

15.              Сафонов А.П. Сборник задач по теплофикации и тепловым сетям.  -М.:  Энергоатомиздат, 1985. -232с.

16.              Фирменный стандарт. Работы учебные. Общие требования к построению, изложению, оформлению и содержанию. – Алматы: АИЭС, 2002. – 34с.

17.              Зингер Н.М. Гидравлические и тепловые режимы теплофикационных систем. М.1976.

18.              Хзмалян Д. Я., Каган Я. Н. Теория горения и топочные устройства.-М.: Энергия, 1976.-488 с.

19.              Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. -М.: Энергия, 1982.

20.               Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М., 1978.

21.              Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник (Под общей ред. В.А.Григорьева, В.М.Зорина)-М.: Энергоиздат, 1983.

 

Содержание

Введение------------------------------------------------------------------------------------------- 3

Лабораторная работа №1. Исследование качественного регулирования отпуска тепла водяной системы теплоснабжения--------------------------------------------- 3

Лабораторная работа №2. Исследование количественного метода регулирования отпуска тепла водяной системой теплоснабжения-------------------------------- 8

Лабораторная работа №3 Автономная система теплоснабжения с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии----------------------- 12

Лабораторная работа №4. Тепловое испытание водяного аккумулятора 14

Лабораторная работа №5.  Исследование компенсации температурных деформаций трубопроводов теплосети------------------------------------------------------------------ 18

Лабораторная работа № 6  Годовое теплопотребление промышленных предприятий городов-------------------------------------------------------------------------------------------- 22

Лабораторная работа № 7.   Исследование графиков температур и расходов теплоносителей в водяных системах централизованного теплоснабжения городов 25

Список литературы-------------------------------------------------------------------------- 29