МЕСТНАЯ СИСТЕМА ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Полезная модель относится к системам местного горячего водоснабжения, использующим греющую воду систем центрального отопления жилых и производственных помещений.
Известна система местного горячего водоснабжения, подключенная параллельно системе центрального отопления. Система содержит подводящий трубопровод греющей сетевой воды с терморегулятором, подогреватель водопроводной воды, отводящий трубопровод сетевой воды, подводящий трубопровод водопроводной воды и разборный трубопровод горячего водоснабжения. (См. Система нормативных документов в строительстве. Своды правил по проектированию и строительству. Проектирование тепловых пунктов. СП 41-101-95. Издание официальное. Министерство строительства Российской Федерации (МИНСТРОЙ РОССИИ). Москва, 1997. - 78 стр.с ил. Стр. 6, 7, 8, 13, 14, 16, 34.)
Согласно принятым нормам температура греющей воды на входе в подогреватель ≥70°С, на выходе ≥30°С. Температура водопроводной воды на входе в подогреватель ≥5°С, на выходе из подогревателя ≥60°С. Отношение разницы температур теплоносителей 55/40, обеспечивает компактность подогревателя, но не обеспечивает полное использование теплосодержания греющей сетевой воды, вызывает завышение ее расхода и затрат энергии на циркуляцию. Завышенный расход сетевой воды требует применения труб большего диаметра и соответствующего увеличения затрат на строительство системы.
Известна также двухступенчатая система местного горячего водоснабжения. (См. Теплоснабжение. Козин В.Е., Левина Т.А., Марков А.П., Пронина И.Б., Слемзин В.А. - М.: Высш. Шк., 1980., - 228 с.ил., с.30...35).
Подогреватель первой ступени подключен последовательно системе центрального отопления к ее обратному трубопроводу. Подогреватель второй ступени подключен параллельно регулятору расхода, который установлен на напорном трубопроводе системы центрального отопления посредством подводящего трубопровода греющей сетевой воды с терморегулятором и отводящего трубопровода сетевой воды.
Водопроводная вода последовательно подводится к подогревателям первой и второй ступеней, а затем поступает в разборный трубопровод горячего водоснабжения.
Обратный поток сетевой воды подогревает водопроводную воду в первой ступени до 30-40°С.
Во второй ступени водопроводная вода доводится до требуемой температуры (обычно 60°С), греющей сетевой водой напорного трубопровода.
Расход греющей сетевой воды через подогреватель второй ступени управляется терморегулятором, а расход греющей сетевой воды через систему отопления - регулятором расхода. Совместная работа терморегулятора и регулятора расхода позволяет снизить расход греющей сетевой воды за счет
глубоко охлаждения в теплообменнике первой ступени, что повышает использование ее теплосодержания.
Однако, в двухступенчатой системе подогреватель первой ступени является дополнительным сопротивлением для греющей сетевой воды и требует дополнительных затрат энергии на обеспечение циркуляции. Кроме того, при отсутствии разбора воды (в ночное время) происходит интенсивное отложение накипи в «застойной» воде подогревателя первой ступени, что приводит к росту затрат на ремонт и обслуживание. Затраты на строительство двухступенчатой системы горячего водоснабжения значительно выше, чем затраты на строительство одноступенчатой параллельной системы, за счет применения второго подогревателя, регулятора расхода и сопутствующих им трубопроводов. Кроме того, в двухступенчатой системе рассеивание тепла в окружающую среду выше, чем в одноступенчатой системе.
Задача, решаемая полезной моделью - глубокое охлаждение греющей сетевой воды в одном теплообменнике, сокращение рассеивания тепла в окружающую среду, затрат на циркуляцию греющей сетевой воды, размеров и арматуры трубопроводов.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении полезной теплоотдачи, упрощении конструкции местной системы горячего водоснабжения и сокращение затрат на строительство.
Указанный результат достигается тем, что в системе горячего водоснабжения, подключенной параллельно системе центрального отопления и содержащей пластинчатый подогреватель водопроводной воды, подводящий трубопровод греющей сетевой воды с терморегулятором, отводящий трубопровод сетевой воды, подводящий трубопровод водопроводной воды и разборный трубопровод горячего водоснабжения число и размеры пластин удовлетворяют следующим условиям:
равенство расходов греющей и водопроводной воды в целях, глубокого охлаждения греющей воды и минимизации затрат энергии на ее циркуляцию в системе;
минимум периметра живого сечения пластинчатого подогревателя, определяемого для суммарного расхода теплоносителей, без учета толщины пластин, в целях снижения рассеивания тепла в окружающую среду:
Первое условие определяется равенством
1
G - расход греющей воды, кг/сек.;
2
G - расход водопроводной воды, кг/сек;
G - расход каждого теплоносителя.
Известное соотношение для теплового потока в теплообменном аппарате (См. книгу: Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа. 1975. 496 с.с ил., стр.450, 451.) имеет вид:
где: Q - нагрузка системы горячего водоснабжения, ккал/сек.;
2
k - коэффициент теплопередачи подогревателя ккал/(м×°С×сек.);
2
F - площадь поверхности теплообмена, м;
ср
Δt - средний логарифмический температурный напор°С;
где:
1
τ - разность температур греющей и водопроводной воды на стороне входа в подогреватель греющей воды, °С;
2
τ - разность температур греющей и водопроводной воды на стороне выхода из подогревателя греющей воды, °С.
Из формулы (3) следует соотношение для площади поверхности теплообмена подогревателя:
Без учета рассеивания тепла во внешнюю среду уравнение теплового баланса пластинчатого теплообменника, имеет вид:
где:
1
C - теплоемкость греющей воды, ккал/кг×°С;
2
С - теплоемкость водопроводной воды, ккал/кг×°С;
1
T' - температура греющей сетевой воды на входе, °С;
1
T" - температура греющей сетевой воды на выходе, °С;
2
Т' - температура водопроводной воды на входе,°С;
2
Т" - температура водопроводной воды на выходе,°С.
1
2
Из соотношений (1) и (5), принимая равенство теплоемкостей c и c, для противоточного подогревателя получим:
Для равенства расходов теплоносителей функция (3) среднего логарифмического температурного напора представляет собой неопределенность вида 0/0, раскрытие которой (например, по правилу Лопиталя) приводит к формуле для площади рабочей поверхности пластинчатого подогревателя:
Второе условие - минимум периметра живого сечения пластинчатого подогревателя, определяемого для суммарного расхода теплоносителей, без учета толщины пластин, имеет место для формы квадрата со стороной, равной ширине канала в пластине.
Число пластин подогревателя определяется выражением:
где:
а - ширина канала, м;
t - глубина канала, м.
В целях сокращения рассеивания тепла внешние пластины пакета ограничивают каналы водопроводной воды. Следовательно, число каналов водопроводной воды на единицу больше, числа каналов греющей сетевой воды. Из этого конструктивного условия следует:
Число каналов греющей сетевой воды:
число каналов водопроводной воды:
при этом число пластин n должно быть четным.
Суммарная площадь сечения каналов каждого теплоносителя:
где:
ρ - плотность воды, кг/м3;
v - скорость теплоносителя, м/сек.
Ширина канала определяется для греющей сетевой воды с учетом (12):
Учитывая, что число пластин, образующих поверхность теплообмена, на 2 меньше общего числа пластин, с учетом (10)и(15) получим выражение для длины пластины:
Из соотношения (15) с учетом (11) следует:
Система соотношений (11), (16) и (18), где n - четное число, определяет основные параметры подогревателя, обеспечивающие достижение указанного выше технического результата.
На фиг.1 представлена схема предлагаемой системы местного горячего водоснабжения.
Графики на фиг.2 показывают отношение параметров системы горячего водоснабжения, к одноименным параметрам полезной модели, имеющих индекс "G", для различной степени охлаждения греющей воды.
Местная система горячего водоснабжения подключена параллельно системе центрального отопления 1 и содержит: подводящий трубопровод 2 греющей сетевой воды с терморегулятором 3, подогреватель 4 водопроводной воды, отводящий трубопровод 5 сетевой воды, подводящий трубопровод 6
водопроводной воды и разборный трубопровод 7 горячего водоснабжения. Главные параметры подогревателя определяются соотношениями (11), (16) и (18), в которых n - четное число.
Система работает следующим образом. Греющая сетевая вода поступает из системы 1 центрального отопления в подводящий трубопровод 2. Терморегулятор 3 управляет расходом греющей воды через подогреватель 4 и отводящий трубопровод 5 в зависимости от нагрузки на трубопроводы 6 и 7 горячего водоснабжения. Конструктивные соотношения подогревателя, определенные с учетом параметров системы, обеспечивают достижение указанного эффекта.
Для построения графиков на фиг.2 в качестве показателя степени охлаждения греющей воды - ось абсцисс, принято отношение ее температуры на выходе из подогревателя к температуре греющей воды на выходе из подогревателя по предлагаемой полезной модели.
G
График 1 показывает отношение площадей теплообмена F/F.
G
График 2 показывает отношение рабочих длин пластин l/l.
G
График 3 показывает отношение затрат энергии на циркуляцию ΔN/ΔN.
Отношение затрат энергии определено как куб отношения расходов горячего теплоносителя при различной степени охлаждения греющей воды.
График 4 показывает отношение периметров прямоугольного и квадратного сечения одинаковой площади в зависимости от отношения сторон прямоугольного сечения - ось абсцисс.
При таком подходе система координат является безразмерной и характеризует относительные свойства предлагаемой полезной модели. Параметры предлагаемой полезной модели соответствуют точке с координатами 1; 1.
Из графиков 1, 2, 3 следует, что полезная модель обеспечивает глубокое охлаждение греющей воды одним подогревателем, при сокращении затрат энергии на циркуляцию, но сопровождается увеличением площади поверхности теплообмена и длины пластин.
График 4 показывает, что полезная модель имеет минимум периметра сечения подогревателя, а из соотношения (16) - что длина пластин не зависит от ширины канала в пластине и числа пластин. Таким образом, у предлагаемой полезной модели наружная поверхность рассеивания имеет минимальное значение, что увеличивает полезную теплоотдачу и повышает экономичность системы.
Предлагаемая система местного горячего водоснабжения может быть реализована в условиях предприятий, специализирующихся на производстве пластинчатых теплообменных аппаратов.