1.4.2 Обоснование конструктивно-технологической схемы струйного теплового модуля энергосберегающей технологии нагрева воды

Обоснование конструктивно-технологической схемы струйного теплового модуля энергосберегающей технологии нагрева воды выполнено на основании материалов обзора работ и патентных исследований, анализа существующих принципиальных схем альтернативных тепловых модулей, принятого направления исследования, выполненных предварительных исследовании [11] авторами проекта по данному направлению и удовлетворяющих основным требованиям, изложенным выше методики обоснования.

В результате выполненных исследований по направлению работы было установлено, что тепловые модули (теплогенераторы) разрабатывались по четырём опробированным типам: а) паро-газо-струйному; б) вихревому; в) кавитационно-гидродинамическому ; г) водовоздухо-струйному, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки, изложенные выше.

Нами, с учетом преимуществ и недостатков рассмотренных типов тепловых модулей (теплогенераторов), их положительной апробаций и обоснованному выше направлению выбрана для выполнения работы технологическая схема энергосберегающей технологии нагрева воды с использованием водовоздухо-струйного типа теплового модуля, который имеет существенные отличия от аналогов, обладает технической и научной навизной. Разработанная технологическая схема энергосберегающей технологии нагрева воды приведена на рисунке 1.13, которая должна удовлетворять следующим основным требованиям:

-обеспечивание выполнения технологического процесса нагрева воды с использованием водовоздухо-струйного типа теплового модуля при низком напоре подаваемой воды до 20-50 м. водяного столба;

-использование для технологического процесса нагрева воды суммарного эффекта нагрева воды за счёт трения встречных противоположно направленных слоёв воды вращательного и поступательного движения, сил трения движущихся струй воды и воздуха с разной скоростью и передаче тепловой энергии воздуха воде при воздействии создаваемых эффектов вакуума и кавитаций;

- возможность использования теплоотдачи атмосферного воздуха, и в т.ч. повторной утилизаций тепла отработанных газо-воздушных смесей;

- применение основного узла теплового модуля, обладающего технической, научной новизной и эффективностью - эжектора с дополнительным пассивным соплом;

-расширение области использования - очистки загрязнённого воздуха от запыленности, твердых частиц и запахов;

- простоте и безопасности технологического процесса нагрева воды и надежности работы разрабатываемой конструктивно-технологической схемы струйного теплового модуля.

Таким образом, обоснованная конструктивно-технологической схемы струйного теплового модуля энергосберегающей технологии нагрева воды для теплоснабжения объектов и технологических процессов явилось основанием для разработки его лабораторного и опытного образцов.

1.4.3 Устройство и технологический процесс струйного теплового модуля энергосберегающей технологии нагрева воды

Устройство струйного теплового модуля. Струйный тепловой модуль содержит теплогенераторы 1, бак 2, электронасос 3 и соединяющие их трубопроводы 4,5,6, входные патрубки 7 и 8 теплогенераторов 1 соединены с установленным коллектором 9 с входным 10 и выходным 11 патрубками, связанным через трубопровод 5 с напорным патрубком 12 электронасоса 3 , а выходные патрубки 13и 14 теплогенераторов 1 соединены с теплообразующим устройством 16 и далее с баком 2, при этом теплогенераторы 1 содержат камеры закрутки 15, соединённые между собой через выходные патрубки 13 и 14 соединительным трубопроводом 6 теплообразующего устройства 16 с входным 17 и выходным 18 патрубками.

Рисунок 1.14 – Конструктивно- технологическая схема струйного теплового модуля энергосберегающей технологии нагрева воды

Камеры закрутки 15 теплогенератора 1 установлены к коллектору 9 с асимметричным расположением диагональных патрубков 7 и 8, при которых движение закручиваемой жидкости в камерах закрутки 15 и выход её из выходных патрубков 13 и 14 в теплообразующее устройство 16 направлено с противоположным вращением и навстречу друг к другу. Теплообразующее устройство 16 выполнено в виде соединительного трубопровода 6 и струйного эжектора, включающего подающий патрубок 19 с активным соплом 20, соединённый через патрубок 17 и соединительный трубопровод 6 с выходными патрубками 13 и 14 теплогенераторов 1, всасывающего патрубка 21 пассивного сопла 22, соединённого через смесительную камеру 23 и диффузор 24 с водонагревательным баком 2 и сообщённого в зоне образования вакуума с атмосферным воздухом, например, через трубопровод 25, соединённый с вентиляционным патрубком 26 бака 2, при этом внутри подающего патрубка активного сопла установлено Г-образное пассивное сопло 27, сообщённое через вентиль 28 с атмосферой установленным коллектором 9 с входным 10 и выходным 11 патрубками, связанным через трубопровод 5 с напорным патрубком 12 электронасоса 3 , а выходные патрубки 13и 14 теплогенераторов 1 соединены с теплообразующим устройством 16 и далее с баком 2, при этом теплогенераторы 1 содержат камеры закрутки 15, соединённые между собой через выходные патрубки 13 и 14 соединительным трубопроводом 6 теплообразующего устройства 16 с входным 17 и выходным 18 патрубками. Камеры закрутки 15 теплогенератора 1 установлены к коллектору 9 с асимметричным расположением диагональных патрубков 7 и 8, при которых движение закручиваемой жидкости в камерах закрутки 15 и выход её из выходных патрубков 13 и 14 в теплообразующее устройство 16 направлено с противоположным вращением и навстречу друг к другу. Теплообразующее устройство 16 выполнено в виде соединительного трубопровода 6 и струйного эжектора, включающего подающий патрубок 19 с активным соплом 20, соединённый через патрубок 17 и соединительный трубопровод 6 с выходными патрубками 13 и 14 теплогенераторов 1, всасывающего патрубка 21 пассивного сопла 22, соединённого через смесительную камеру 23 и диффузор 24 с водонагревательным баком 2 и сообщённого в зоне образования вакуума с атмосферным воздухом, например, через трубопровод 25, соединённый с вентиляционным патрубком 26 бака 2, при этом внутри подающего патрубка активного сопла установлено Г-образное пассивное сопло 27, сообщённое через вентиль 28 с атмосферой.

Активное сопло 20 эжектора 16 выполнено съёмным и по отношению к пассивному соплу 22 регулируемой в осевом направлении посредством, например, регулируемых прокладок 29, а Г-образное пассивное сопло 27 по отношению к активному соплу 20 - регулируемое , например, посредством резьбового соединения 30. Входная часть коллектора 9 снабжена вентилем 31, соединённым с нагнетательным патрубком 12 насоса 3 через тройник 5, который снабжён отводом 32 с вентилем 33 для подключения напорной части 12 насоса 3 к отопительной системе трубопроводом 34. Бак 2 для нагреваемой воды в нижней его части снабжён отводным патрубком 35 с вентилем 36 для подключения сливной части отопительной системы трубопроводом 37, а в верхней – вентиляционным патрубком 26 с крышкой 38.

Технологический процесс струйного теплового модуля. Струйный тепловой модуль работает следующим образом. Запускается центробежный насос 3 через пульт управления. Нагреваемая вода из бака 2 центробежным насосом 3, соединённым всасывающей частью через патрубок 4, подаётся по нагнетательному патрубку 12, тройнику 5 и открытому вентилю 31 в коллектор 9 и далее через входные патрубки 7, 8 и 11 поступает в камеры закрутки 15 теплогенераторов 1, в которых вода за счёт напора и тангенсального подвода преобразуется во вращательное её движение и через выходные патрубки 13 и 14 с противоположным вращением и поступательным движением навстречу друг к другу под напором подаётся в теплообразующее устройство 16, где, начиная в соединительном трубопроводе 6, происходит процесс нагрева воды за счёт трения встречных противоположно направленных слоёв воды вращательного и поступательного движения. Далее, частично подогретая вода, из соединительного трубопровода 6 поступает по патрубку 17 в струйный эжектор 16, в котором вода, проходя через активное сопло 20 подводящего патрубка 19, создаёт разряжение ( вакуум) в Г-образном пассивном сопле 27 и воздух при открытии вентиля 28 засасывается в активное сопло 20. Струи воды и воздуха, двигаясь с разной скоростью через сопло 20 и далее через смесительную камеру 23 за счёт сил трения кинетическая энергия воды переходит в тепловую и вода нагревается. Одновременно струя воды и воздуха, выходя из активного сопла 20, создаёт в щелевом отверстии пассивного сопла 21 эжектора разряжение (вакуум), который через воздуховпускной трубопровод 25 засасывает воздух из помещения, который вместе со струйным движением воды, отдавая тепловую энергию воде, поступает в бак 2. В баке 2 воздух отделяется от воды и выходит часть в помещение, часть повторно засасывается в струйный эжектор 16.

Струйный тепловой модуль после нагрева воды подключается к системе отопления через отводной патрубок 32, вентиль 33 и трубопровод 34 к напорной линии , а через патрубок 35 бака 2 , вентиль 36 и трубопровод 37 к обратной линии. Режим работы насоса 3, теплогенераторов 1, струйного эжектора 16 и отопительной системы регулируется вентилями 31,33, 36 и 28 методом дросселирования и контролируется по установленным манометрам 39 и 40.

Таким образом, предлагаемая конструкция струйного теплового модуля обеспечивает повышение энергетических показателей – увеличения КПД от использования суммарного эффекта нагрева воды за счёт трения встречных противоположно направленных слоёв воды вращательного и поступательного движения , сил трения движущихся струй воды и воздуха с разной скоростью и передаче тепловой энергии воздуха воде при воздействии создаваемого вакуума и кавитации.

Выводы по разделу

1) Проведенный обзор работ по энергосберегающим технологиям и техническим средствам нагрева воды показал, что существует несколько технологий нагрева воды для теплоснабжения промышленных и сельскохозяйственных объектов, в том числе автономных, которые подразделяются на три направления: теплоснабжение на основе сжигания газа, твёрдого и жидкого топлива; использование электрической энергии; альтернативные тепловые модули (теплогенераторы), которые отдают энергию в виде тепла больше, чем забирают из энергосети за счёт изменения динамического состояния самой жидкости и окружающего воздуха.

2) На основании выполненных патентных исследований по технологии нагрева воды и техническим решениям струйных тепловых модулей, дан анализ выявленных технических решений, близких к разрабатываемому струйному тепловому модулю, определены аналоги, выявлены новые технические решение, которые были приняты для разработки новой его конструктивно-технологической схемы.

3) Составлена заявка на предполагаемое изобретение и получен патент № 29678 «Струйный тепловой модуль», зарегистрированный в Государственном реестре изобретений Республики Казахстан от 24.02.2015 г., патентообладателем которого является КазНАУ, на техническое решение струйного теплового модуля, который обеспечивает повышение энергетических показателей – увеличения КПД от использования суммарного эффекта нагрева воды за счёт трения встречных противоположно направленных слоёв воды вращательного и поступательного движения, сил трения движущихся струй воды и воздуха с разной скоростью и передаче тепловой энергии воздуха воде при воздействии создаваемого вакуума и кавитации.

4) На основании проведённых исследований обоснованы энергосберегающая технология нагрева воды и конструктивно-технологическая схема струйного теплового модуля для повышение эффективности теплоснабжения автономных объектов и технологических процессов , которые явились основанием для разработки его лабораторного и опытного образцов.

2 Обоснование технологических и технических параметров на лабораторный и опытный образцы струйного теплового модуля для автономного теплоснабжения

2.1 Теоретические основы по энергосберегающей технологии гидронагрева воды и струйному тепловому модулю

2.1.1 Методика выполнения теоретических исследований по технологии нагрева воды струйным тепловым модулем

Теоретические исследований по технологии нагрева воды с использованием струйного теплового модуля заключались в определении аналитических зависимостей между основными энергетическими параметрами теплового модуля.

При теоретических исследованиях технологии нагрева воды посредством струйного теплового модуля использовались известные аналитические зависимости с внесением уточнений и изменений, в связи с отличительными особенностями исследуемой схемы от известных по литературным источникам [4,5,11].

Основные энергетические параметры теплового модуля при нагреве воды: количество теплоты Q_T, полученной при нагреве воды определенной массы за единицу времени; полезная Р_П и затраченная Р₃ мощности и полезная W_П и затраченная W₃ энергии и КПД теплового модуля.