ВКР. Магистерская диссертация
 Скачать 2.12 Mb.
|
|
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт инженерной физики и радиоэлектроники Кафедра теплофизики УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой _______ _____________ подпись инициалы, фамилия «_____» _________20 __ г. МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ 14.04.01 Ядерная энергетика и теплофизика Моделирование процессов отопления и кондиционирования помещений тема Научный руководитель __________ _________________ _____________ подпись, дата должность, ученая степень инициалы, фамилия Выпускник ____________________ _____________________ подпись, дата инициалы, фамилия Нормоконтролер ____________________ ____________________ подпись, дата инициалы, фамилия Красноярск 2019 СОДЕРЖАНИЕ Введение………………………………………………………………………… 1 Источники тепла для низкотемпературной системы отопления 1.1 Конденсационный котел 1.2 Тепловой насос 1.3 Солнечный коллектор 2 Отопительные приборы для низкотемпературной системы отопления 2.1 Конвектор 2.2 Теплый пол 2.3 Устройства с вынужденной конвекцией 3 Тепловой расчет 3.1 Необходимая тепловая нагрузка на помещение 3.2 Термодинамический цикл источника тепла 3.3 Расчет теплого пола 3.4 Расчет конвектора 3.5 Расчет фанкойла Введение Обеспечение требуемых параметров микроклимата в жилых помещениях является важной и актуальной задачей. От качества решения данной задачи зависит самочувствие людей. Применяемые ныне нормативные методики теплотехнических расчетов и проектирования систем отопления основаны, главным образом, на использовании осредненных значений расчетных величин, рассматриваемых для установившихся режимов. Реальные процессы теплопереноса являются нестационарными и переменными в пространстве. Таким образом, численное значение локальных и мгновенных параметров микроклимата остается за рамками анализа. Наиболее эффективно и глубоко изучить данную проблему можно на основе численных экспериментов, основанных на решении дифференциальных уравнений, описывающих поведение изучаемой системы. Достоверность получаемых таким образом результатов доказана опытом исследований в различных областях науки и техники. Вследствие роста тарифов на отопление одной из основных актуальных задач в обеспечении теплом жилых помещений является снижение энергозатрат. Решение данной задачи – использование низкотемпературных систем отопления, которые позволят достичь необходимых параметров микроклимата в помещениях, сокращая при этом энергозатраты на нагрев теплоносителя. Оптимальным вариантом для таких систем отопления являются жилые здания, расположенные вдали от города и не имеющие возможности подключения к городским отопительным магистралям. Целью данной работы является анализ способов отопления и вентиляции помещений в отношении возможности снижения температуры теплоносителя системы отопления и обеспечения комфортных климатических условий. В ходе данной работы необходимо решить следующие задачи: Провести сравнительный анализ различных способов и устройств отопления помещений. Провести сравнительный анализ источников тепла для низкотемпературных систем отопления. Методами численного моделирования провести сопоставление традиционного способа отопления со способом, основанным на использовании крупногабаритных конвекторов и сопоставить энергоэффективность способа, основанного на использовании крупногабаритных конвекторов и других способов отопления при использовании теплового насоса в качестве источника тепла. Методами численного моделирования оценить возможность полного совмещения отопления и вентиляции помещения при использовании низкотемпературного источника тепла в системе отопления. 1 Источники тепла для низкотемпературной системы отопления Прежде чем приступить к рассмотрению источников тепла для низкотемпературной системы отопления, разберем само понятие «низкотемпературная система отопления». Под низкотемпературной системой отопления понимают систему, в которой выходящий из котельного оборудования теплоноситель имеет температуру - 55 оС, а входящий - 40 оС. Данный тепловой режим прописан в европейском нормативном документе EN-442. Низкотемпературные системы отопления можно разделить – по способу приготовления тепла: монолитные, бивалентные и комбинированные. В монолитных используются один или несколько теплогенераторов. В бивалентных используются два теплогенератора, имеющих различные принципы работы, один из которых может включаться как дополнительный источник тепла при очень низких температурах наружного воздуха.В комбинированных, используются несколько теплогенераторов, включенных параллельно. Нагрев теплоносителя во всех системах отопления может осуществляться прямым способом или косвенным. Примером прямого нагрева являются водонагревательные котлы различного типа, работающие на твердом, жидком или газообразном топливе, а также и электрические котлы. Косвенным способом нагревают теплоноситель в теплообменниках (бойлерах) или теплоаккумуляторах. Данный способ очень широко используется в системах, работающих на возобновляемых источниках энергии – ветряных и солнечных. Также системы низкотемпературного отопления можно разделять по типу теплоносителя – жидкие, газовые, воздушные и электрические, и по виду отопительных приборов – поверхностные, конвекционные и панельно-лучевые. В данной работе, в качестве источников тепла, рассмотрим: тепловой насос, конденсационный котел и солнечный коллектор. 1.1 Конденсационный котел В обычном газовом котле продукты сгорания проходят через теплообменные поверхности котла, где отдают большую часть своей энергии теплоносителю. Продукты сгорания уходят из котла и через дымоотводную систему выбрасываются в атмосферу. При этом некоторое количество теплоты теряется, поскольку вместе с газами уходит водяной пар, образовавшийся при сгорании топлива из воды, находящейся в природном газе в нормальном состоянии. Этот пар уносит с собой скрытую энергию парообразования, которую способен отобрать и передать системе отопления конденсационный котел. Конденсационные котлы имеют перед теплообменником нагнетающий вентилятор с изменяемым числом оборотов, поэтому они сделаны с закрытой камерой сгорания и выбросом продуктов сгорания через коаксиальный дымоход. Управление числом оборотов вентилятора дает возможность всегда поддерживать оптимальное для сгорания соотношение воздуха и газа. Конденсационный котел не всегда работает с максимально возможной эффективностью. Чтобы потери тепла с дымовыми газами были минимальными, в теплообменнике котла должна происходить конденсация водяных паров из дымовых газов. Это возможно тогда, когда температура хотя бы части теплообменной поверхности равна или ниже температуры точки росы. Поэтому, чтобы котел работал в режиме конденсации, температура теплоносителя в обратной линии должна быть не выше температуры точки росы. Если это условие не выполняется, то тогда КПД конденсационного котла уменьшается, но все равно оно будет на 4-5% выше, чем КПД неконденсационного котла (за счет большой площади теплообмена и контроля соотношения газ/воздух во всем диапазоне мощности). КПД конденсационного котла тем выше, чем ниже температурный режим системы отопления.  Рисунок 1 – Принцип работы конденсационного котла В ходе исследования [1] были проведены эксперименты, в ходе которых сравнивалась работа двух котлов: Viessmann Vitopend 100 и Viessmann Vitodens 100 – при их работе на номинальной мощности. В домах, где установлены котлы, в качестве систем отопления использовались теплые полы, настенные и напольные радиаторы. Технические характеристики котлов представлены в таблице 1. Полученные результаты исследования представлены в таблице 2. Исследования проводились на котлах настенного типа, работающих на сжиженном природном газе. Один из них традиционного комбинированного типа, а второй – конденсационного. Таблица 1 – Основные характеристики котлов
Таблица 2 – Результаты исследования котлов.
Результаты исследования показали, что КПД брутто конденсационного котла более чем на 10 % превышает КПД традиционного котла комбинированного типа, что в первую очередь связано с наличием вторичного теплообменника, обеспечивающего «глубокое» охлаждение уходящих газов. 1.2 Тепловой насос Тепловой насос – это установка для переноса теплоты от более холодного теплоносителя к более горячему за счет подвода внешней энергии или затраты работы. Принцип действия теплового насоса основан на отдаче и поглощении теплоты рабочего хладагента в цикле при периодическом переходе его из одного состояния в другое. Наиболее распространенный вид теплового насоса – парокомпрессионный тепловой насос (ПКТН). На рисунке 2 представлен принцип действия ПКТН.  Рисунок 2 – Принцип действия ПКТН Где: qи – теплота, отдаваемая низкопотенциальным теплоносителем и получаемая хладагентом при его испарении; qк – теплота, отдаваемая хладагентом при его конденсации и получаемая высокопотенциальным теплоносителем; lсж – работа, необходимая для сжатия хладагента; qтн – тепловая нагрузка теплового насоса. При более высоком давлении температура конденсации повышается, поэтому хладагент конденсируется при более высокой температуре, чем испаряется. Поэтому тепловой насос позволяет передавать теплоту от холодного теплоносителя к горячему. При этом он потребляет энергию, необходимую для сжатия хладагента, но эта энергия должна быть меньше, чем количество теплоты, получаемое горячим теплоносителем. Отношение теплоты, переданной горячему теплоносителю, к работе, затрачиваемой на сжатие, называется коэффициентом преобразования теплоты (1):
Коэффициент преобразования теплоты идеального парокомпрессионного цикла Карно µид является величиной, обратной термодинамическому КПД цикла Карно, определяется по формуле (8):
где  температура конденсации рабочего тела;Тн – температура испарения рабочего тела. Значение  при разных температурах испарения и конденсации представлено на рисунке 3. Видно, что наиболее высок при минимальной разнице между температурами испарения и конденсации, то есть между температурами горячего и холодного теплоносителя. Рисунок 3 – Зависимость от температуры испарения и конденсации1.3 Солнечный коллектор Солнечный коллектор – это устройство для сбора тепловой энергии Солнца, переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. Принцип работы солнечных коллекторов основан на трансформации лучистой энергии Солнца в тепловую энергию. Происходит это путем нагревания циркулирующего в коллекторе теплоносителя и последующей передачи накопленного тепла. Солнечные лучи нагревают теплоноситель, который по тонким трубкам поступает в заполненный водой бак. Трубки с теплоносителем проходят через весь внутренний объем бака и нагревают находящуюся в нем воду. Различают два вида солнечных коллекторов: плоские и вакуумные. Плоский солнечный коллектор нагревает теплоноситель при помощи пластинчатого абсорбера. По сути, это пластина теплоемкого металла, выкрашенная сверху в черный цвет специальной краской. К нижней поверхности пластины плотно прилегает (приваривается) змеевидная трубка, по которой и циркулирует жидкость. Черная селективная краска обеспечивает максимальное поглощение солнечных лучей, причем их отражение практически равно нулю. Поглощенные лучи прогревают теплоноситель под абсорбером, он, в свою очередь, подается далее в систему. Для минимизации теплопотерь применяются теплоизоляция абсорбера от корпуса коллектора и закаленное стекло, почти не содержащее окислов железа. Оно устанавливается над абсорбером и выполняет функцию верхней крышки корпуса. Кроме того, использование подобного стекла позволяет создать своеобразный «эффект парника», что еще больше увеличивает прогрев абсорбера, а значит, и температуру теплоносителя. Принцип работы вакуумных коллекторов иной. Объясняется это прежде всего разницей в конструкции. Главным рабочим элементом в вакуумных моделях является не пластина абсорбера, а система вакуумированных трубок и теплосборник. Причем вариантов конструкций таких трубок несколько. Тем не менее, несмотря на конструктивные различия, общая схема действия таких трубок фактически одинакова. Стеклянная поверхность поглощает максимум солнечных лучей благодаря специальному высокоселективному покрытию. Энергия солнца нагревает внутренний теплоноситель, а вакуумная прослойка ликвидирует теплопотери, так как вакуум – лучший изолятор. Через теплосборник аккумулированное тепло поступает далее в систему и используется для нагрева воды в баке-накопителе. В целом коллектор этого типа обеспечивает более высокую производительность по сравнению с плоским аналогом. Для эффективной работы необходимо предусматривать ряд факторов при установке и эксплуатации. Солнечные коллектора устанавливаются на крыше зданий под углом к горизонту, равным географической широте местности. Оптимальный угол наклона зимой составляет 60°, летом – 30°. Вторым параметром является азимут, который не должен отклоняться от 0° (южное направление). Поскольку имеются архитектурнопланировочные ограничения, допускается отклонение от южного направления до 45°. В ходе исследованний [3] была рассмотрена система из 8 коллекторов вакуумного типа MVK 001, рассчитанная на нагрев воды ГВС в объеме 1300 л/сут в температурном диапазоне от 10оС до 60 оС. Результаты исследований представлены в таблице 3. Таблица 3 – Результаты исследований системы солнечного коллектора
|
должно быть больше 1, чем оно выше тем работа теплового насоса эффективней. При 
, работа теплового насоса теряет смысл [2].