ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ СТЕНД ИСПЫТАНИЯ ГАЗОВЫХ КОТЛОВ С ИМИТАТОРОМ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к области лабораторных теплофизических измерений, в частности к определению тепловых, аэродинамических и гидравлических параметров теплообменных аппаратов различных типов, выполняемых в ходе научных исследований и учебной подготовки специалистов в области теплотехнического оборудования, испытаний теплообменных аппаратов с целью определения их основных параметров. Примером исследования могут быть настенные газовые котлы автономных систем отопления и подготовки горячей воды.
Предлагаемая экспериментальная установка для изучения теплообменных аппаратов позволит проводить теплотехнические и гидравлические испытания различных теплообменных аппаратов с целью выявления их реальных параметров и характеристик с высокой точностью.
Уровень техники
В последние десятилетия настенные газовые котлы широко применяются для автономных систем отопления и горячего водоснабжения индивидуальных домов, а также для поквартирного теплоснабжения в многоквартирных многоэтажных домах. Государственными органами постоянно ставится вопрос о повышении энергетической эффективности тепловых энергоустановок и снижения выбросов парниковых газов, возникающих в процессе горения при выделении тепловой энергии. Испытательные стенды настенных газовых котлов - сложные технические устройства для изменения энергетической эффективности, теплотехнических, гидравлических, аэродинамических параметров, возникающих в контурах сгорания топлива, удаления продуктов сгорания и выбросов их в атмосферу. Испытательные стенды должны быть оснащены блоком имитации тепловой нагрузки отопительной системы.
Из существующего уровня техники известен стенд для испытания теплообменников.
Стенд для испытания теплообменников содержит насос, экспериментальный участок с входным и выходным патрубками и трубными дисками для крепления теплообменных труб и контрольно-измерительные приборы. Экспериментальный участок выполнен секционным, каждая секция которого имеет форму параллелепипеда и отделена от смежных посредством съемных диафрагм, а по межтрубному пространству секции соединены посредством переходников, образующих зигзагообразный канал, подключенный к входному и выходному патрубкам (авторское свидетельство СССР №951063, опубликованное 15.08.1982, МПК F28F 27/00, F28D 7/00, G01M 10/00). Недостаткам данного технического решения является малое разнообразие типов проверяемых рекуперативных теплообменных аппаратов, а именно только трубчатые рекуперативные теплообменные аппараты.
Настенные газовые котлы, как основные теплогененирующие устройства автономных систем отопления и горячего водоснабжения, стали применяться в поквартирном теплоснабжении многоквартирных многоэтажных домов только после 2000 года. Исследования энергетической эффективности работы котла и сравнения работы разных котлов, требует создание комплексного стенда, где кроме точного определения тепловых, гидравлических, аэродинамических параметров, необходим блок имитации тепловых нагрузок. Только при наличии блока имитации тепловых нагрузок можно сравнивать эффективность систем управления котлов разных типов и марок. Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сути является Экспериментальная установка для изучения теплообменных аппаратов, содержащая гидролинии, циркуляционные насосы, вентили, электронагреватель теплоносителя, расходомеры, дифференциальные манометры, приборы измерения температуры, исследуемые рекуперативные теплообменники, отличающаяся тем, что дополнительно содержит рекуперативный теплообменник охладитель теплоносителя, манометры, сепараторы воздуха, гидроаккумуляторы для компенсации теплового расширения теплоносителя, воздушный радиатор с электровентилятором, систему автоматического управления и контроля (см. патент RU №2619037, МПК F28F 27/00, F28D 7/00, F28D 9/00, G01M 10/00, G01M 99/00 от 27.05.2015 г.)
Недостатком данной конструкции является отсутствие возможности измерения всех параметров работы настенных газовых котлов и отсутствие блока имитации внешних тепловых нагрузок, без которых нет возможности определять энергетическую эффективность систем управления газовых котлов разного типа.
Раскрытие сущности полезной модели
Исследовательский стенд для испытания газовых котлов содержит гидролинии, линии газоснабжения, вентили, расходомеры, дифференциальные манометры, приборы измерения температуры, систему дымоудаления продуктов сгорания, измерительный комплекс технических параметров.
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка универсального стенда испытаний тепловых агрегатов с возможностью измерения объема циркуляции теплоносителя, температуры прямой и обратной линий, температуры и газового состава продуктов сгорания, объемов горючего газа при исследуемом процессе и наличием блока имитации внешней тепловой нагрузки.
Технический результат достигается с помощью создания стенда, оснащенного блоком имитации тепловой нагрузки, состоящего из водяных калориферов с вентиляторами, размещенных на открытом воздухе, соединенных с контуром отопления исследуемого теплового агрегата с помощью трубопровода, образующего с котлом и измерительной системой замкнутый контур. Водяные калориферы с вентиляторами обеспечивают съем тепловой нагрузки. Стенд оснащен высокоточными приборами измерения: расхода горючего газа, расхода теплоносителя по контуру отопления, температуры теплоносителя, давления теплоносителя, температуры атмосферного воздуха, атмосферного давления, температуры дымовых газов в дымоходе исследуемого агрегата, составом дымовых газов (продуктов сгорания).
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена гидравлическая и газовая схемы исследовательского стенда для испытания газовых котлов, оснащенного блоком имитации тепловой нагрузки. На фиг. 2 представлена схема контрольно-измерительного комплекса исследовательского стенда для испытания газовых котлов.
Осуществление полезной модели
Гидравлическая и газовая схема исследовательского стенда для испытания газовых котлов (фиг. 1) содержит: котел газовый 1 с циркуляционным насосом 2 и дымоходом 3 с газовым анализатором 4 и датчиком температуры дымовых газов; блок имитации тепловой нагрузки 28 с вентилями 15 линий блока имитации тепловой нагрузки; подающие 9,13 и обратные линии 8,14 отопления; вентили линии отопления 5; датчик расхода отопительной жидкости 35; расширительный бак 17; манометр 18; дифференциальный манометр 20 и датчик температуры 21 обратной линии отопления; датчик температуры 24 и датчик давления дифференциальный манометр 23 подающей линии отопления и воздухоудалитель 19; линию горючего газа с вентилем 7, датчиком расхода горючего газа 30, датчиком температуры горючего газа 31 и датчиком давления горючего газа 32 линии газоснабжения 12; датчик давления подачи горючего газа на горелку котла 25; линию подачи холодной воды 10 с вентилем 16, датчиком температуры 37 и датчиком давления 22 холодной воды; вентили линии водоснабжения 6; линию подачи горячей воды 11 с вентилем 36, датчиком температуры 38 и датчиком расхода 39; емкость горячей воды 40, датчик температуры атмосферного воздуха 27; датчик атмосферного давления 26.
Схема контрольно-измерительного комплекса исследовательского стенда для испытания газовых котлов (фиг. 2) содержит источник вторичного электропитания 43, вычислитель сигналов 41, компьютер 42 и датчики, обозначенные на фиг. 1 и фиг. 2: датчики расхода горючего газа 30, отопительной жидкости 35 и расхода горячей воды 39, датчики температуры обратной линии отопления 21, подающей линии отопления 24, атмосферного воздуха 27, горючего газа 31, дымовых газов 33, холодной воды 37 и горячей воды 38, дифференциальные манометры в обратной 20 и подающей 23 линиях отопления, датчики давления подачи холодной воды 22, подачи газа на горелку 25, горючего газа 32 и атмосферного давления 26.
Настенный котел газовый 1 (фиг. 1) - пример исследуемого объекта подключен к дымоходу 3, к линии газоснабжения 12, линии подачи холодной воды 10 через вентиль 6, линии подачи горячей воды 11 через вентиль 6, к подающей линии отопления 9 через вентиль 5 и к обратной линии отопления 8 через вентиль 5. Дымоход 3 снабжен газовым анализатором 4, определяющим состав дымовых газов и датчиком температуры дымовых газов 33.
Линия газоснабжения 12 снабжена вентилем линии газоснабжения 7, датчиком расхода 30, датчиком температуры 31 и датчиком давления 32 горючего газа. В линию газоснабжения, после газового клапана котла (на фиг. 1 не показан) подключен датчик давления 25 подачи горючего газа на горелку котла.
Линия подачи холодной воды 10 снабжена датчиком температуры 37 и датчиком давления 22 холодной воды. Линия подачи горячей воды 11 снабжена датчиком температуры 38 и датчиком расхода 39 горячей воды, емкостью 40 горячей воды. Подающая линия отопления 9 соединяется с подающая линией отопления блока имитации тепловой нагрузки 13 через вентиль 15, а обратная линия отопления 8 соединяется с обратной линией отопления блока имитации тепловой нагрузки 14 через вентиль 15. Подающая и обратная линии отопления замыкаются в блоке имитации тепловой нагрузки 28, образуя контур отопления.
При работе котла газового 1 горючий газ поступает по линии газоснабжения 12 на горелку котла (на фиг. 1 не показана), сгорает и нагревает теплоноситель в теплообменнике отопительной системы (на фиг. 1 не показан). Теплообменник отопительной системы соединяется с подающей 9 и обратной 8 линиями отопления. Циркуляция теплоносителя через теплообменник отопительной системы котла, блок имитации тепловой нагрузки осуществляется по линиям отопления с помощью циркуляционного насоса 2 котла газового. Блок имитации тепловой нагрузки 28 размещен на открытом воздухе и оснащен водяными калориферами с вентиляторами 29 и электромеханическим клапанами 34 линии подачи водяного калорифера. Подающая линия отопления 9 оснащена датчиком температуры 24, дифференциальным манометром 23, воздухоудалителем 19 для удаления воздуха. Обратная линия отопления оснащена датчиком расхода отопительной жидкости 35, расширительным баком 17 для компенсации теплового расширения теплоносителя, манометром 18, дифференциальным манометром 20 и датчиком температуры 21. Исследовательский стенд для испытания газовых котлов оснащен датчиком температуры атмосферного воздуха 27 и датчиком атмосферного давления 26, которые размещаются на открытом воздухе.
Имитация тепловой нагрузки контура отопления задается в компьютере 42 (фиг. 2) графиком на время испытания. Для изменения тепловой нагрузки используются водяные калориферы с вентиляторами 29, которые, в зависимости от графика имитации, подключаются к контуру отопления или отключаются от него с помощью электромеханических клапанов 34 линии подачи водяного калорифера.
При приготовлении горячей воды система управления переводит котел в режим работы с приоритетом приготовления горячей воды, перекрывает подачу теплоносителя в контур отопления и направляет теплоноситель в первый контур пластинчатого теплообменника подогрева горячей воды (на фиг. 1 не показан). Холодная вода по линии подачи холодной воды 10 поступает во второй контур пластинчатого теплообменника подогрева горячей воды, нагревается и через линию подачи горячей воды 11 поступает в емкость горячей воды 40, где накапливается.
Данные от всех датчиков температуры, расхода, давления, дифференциальных манометров по линиям связи поступают в вычислитель сигналов 41 контрольно-измерительного комплекса (фиг 2).
Контрольно-измерительный комплекс (фиг. 2) исследовательского стенда для испытания газовых котлов содержит: вычислитель сигналов 41, который измеряет, преобразовывает и вычисляет энергетические параметры, компьютер с программой 42, источник вторичного электропитания 43, который питает датчики и вычислитель электроэнергией напряжением 3,6 Вольт и 24 Вольт постоянного тока. Вычислитель сигналов 41 проводит измерение, преобразование и вычисление следующих энергетических параметров: тепловой энергии в водяных системах теплоснабжения и водоснабжения; температуры, давления, объема, массы воды и теплоносителя на нужды горячего и холодного водоснабжения и отопления; количества природного газа, потребленного теплоэнергетическими установками.
Предлагаемая полезная модель, по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями, имеет преимущество в универсальности стенда испытаний тепловых агрегатов с возможностью измерения объема циркуляции теплоносителя, температуры прямой и обратной линий, температуры и газового состава продуктов сгорания, объемов горючего газа при исследуемом процессе и в наличии блока имитации внешней тепловой нагрузки, который позволяет определять энергетическую эффективность систем управления газовых котлов разного типа.