2.1.2 Результаты теоретических исследований по технологии нагрева воды с использованием струйного теплового модуля

Теоретические исследования выполнены по методике, приведённой выше , которые заключались в определении аналитических зависимостей по разработанной технологической схеме нагрева воды с использованием струйного теплового модуля 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.

Количество теплоты, полученной при нагреве вода, определяется по формуле:

, кКал (1.34)

где С – удельная теплоемкость, кКал/кг·град (для воды С=1 кКал/кг·град);

m – масса нагреваемой воды, кг:

, (1.35)

где V – объем нагреваемой воды, м³;

= 1000кг/м³ – плотность нагреваемой воды;

повышение температуры нагрева воды ⁰С:

, (1.36)

где температура нагреваемой воды начальная и конечная, ⁰С.

Полезная мощность Р_П и энергия W_П :

, Вт (1.37)

где А – механический эквивалент теплоты (А=4,2 Дж/Кал, или 0,427 кГм/Кал или 427 кГм/кКал или 4200 Нм/кКал);

t – продолжительность нагрева воды (работы теплового модуля), с.

Q_Т – количество теплоты, полученной при нагреве воды, кКал;

, кВт·ч (1.38)

где Р_П – полезная мощность, кВт;

Т – время работы теплового модуля, ч.

Затраченная мощность Р₃ и энергия W₃:

, Вт (1.39)

где = 1000 кг/м³ – плотность нагреваемой воды;

g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения;

Q_H – подача насоса теплового модуля при рабочем напоре Н_р, м³/с;

Н_р – рабочий напор насоса, м;

КПД используемого насоса в тепловом модуле;

W₃ = Р₃ · Т, кВт · ч (1.40)

где Р₃ – затраченная мощность, кВт;

Т – время работы теплового модуля, ч.

КПД теплового модуля:

(1.41)

или

. (1.42)

Результаты теоретических исследований по определению технических параметров струйного теплового модуля

Основными техническими параметрами струйного теплового модуля являются: подача насоса , необходимая для выполнения технологического процесса нагрева воды и теплоснабжения; внутренний диаметр напорного трубопровода ; потребное избыточное давления воды (напор ), необходимое для эжектора и системы теплоснабжения Н_р; параметры эжектора: внутренние диаметры активного и дополнительного пассивного сопел и смесительной камеры , площадь щелевых отверстий внутри активного и пассивного сопел, внутренние диаметры впускных патрубков: для дополнительного пассивного и активного сопел.

Потребная подача насоса для выполнения технологического процесса нагрева воды и теплоснабжения определяется по формуле :

, м /с (1.43)

где - полезная мощность, Вт;

- напор насоса при расчетной подаче (принимается м);

м/с - ускорение свободного падения.

Внутренний диаметр напорного трубопровода определяется ипо формуле :

,м (1.44)

где м/с – допустимая скорость воды в нагнетательном трубопроводе;

- коэффициент расхода воды в трубах.

Потребное избыточное давление воды (напор ) для эжектора определяется по формуле :

, м (1.45)

где - напор насоса, м ;

, - скорость воды на входе и выходе напорного трубопровода, м/с;

h_vн – потери напора в напорном трубопроводе, м ( которые задаются или определяются по известной формуле [30].

Параметры эжектора. Внутренние диаметры активного dac и дополнительного пассивного dg сопел и смесительной камеры dk определяются по аналогичной формуле (44), при этом скорости для каждого сопла и смесительной камеры определяются по фактическим напорам (разряжениям) и соответствующим расходам воды (воздуха):

, (1.46)

где - соответствующий расход через проходный сечения, м /с:

- для активного сопла

, (1.47)

- для дополнительного пассивного сопла

, (1.48)

где - плотность воды ( кг/м ) и плотность сжатого воздуха, кг/м :

, (1.49)

где кг/м - плотность воздуха;

- для смесительной камеры

, (1.50)

где - плотность водовоздушной смеси через соответствующие проходные сечения, кг/м³;

- для активного сопла

, (1.51)

где - коэффициент расхода через сопло;

м/с - ускорение свободного падения;

, - избыточное давление воды в активном сопле на входе и выходе, Па, определяются из уравнений (30) и (32);

, - напор воды на входе и выходе активного сопла, м, определяется по формулам:

, (1.52)

, (1.53)

где - удельный вес воды, :

, (1.54)

где - плотность воды, кг/м ;

- для дополнительного пассивного сопла

, (1.55)

где - коэффициент расхода через сопла;

, - давление атмосферное и избыточное на выходе из дополнительного пассивного сопла, Па;

- вакуумный напор в дополнительном пассивном сопле, м. вот. ст.:

, (1.56)

- для смесительной камеры

, (1.57)

где - коэффициент расхода через смесительную камеру;

, - избыточное давление в смесительной камере на входе и выходе, Па;

, - напор на входе и выходе смесительной камеры, м ; (определяются по аналогичным формулам (52) и (53)).

Площади щелевых отверстий внутри активного и пассивного сопел определяются из условия равного соответственно объёмного расхода и соотношения площадей смесительной камеры и активного сопла по следующим формулам:

, (1.58) , (1.59)

где , - скорость движения в активном сопле и в щелевом отверстии внутри активного сопла, м/с;

, - внутренний диаметр активного сопла и смесительной камеры, м.

Внутренние диаметры воздуховыпускных патрубков дополнительного пассивного и пассивного сопел определяются из условия равенства проходных сечений соответственно дополнительного пассивного сопла и щелевого сечения отверстия внутри пассивного сопла по следующим формулам:

, (1.60)

, (1.61)

где - площадь щелевого отверстия внутри пассивного сопла, м , определяется по формуле (59).

2.2 Обоснование технологических и технических параметров на лабораторный и опытный образцы струйного теплового модуля

2.2.1 Методика обоснование технологических и технических параметров струйного теплового модуля и основных его узлов

Обоснование технологических параметров теплового модуля и технических параметров основных его узлов выполнялись на основании теоретических основ, конструктивных исполнений [2,11,15,25 ] и инженерных расчётных формул с учётом выполненных конструкций [ 34, 35,36 ].

Основными технологическими параметрами теплового модуля являются: мощность затраченная Р₃, напор насоса Н_р, расход воды ( подача насоса) Q_H и КПД теплового модуля Ƞ_тм, которые определяются по ниже приведённым формулам:

• мощность затраченная Р₃:

, Вт (1.62)

где = 1000 кг/м³ – плотность нагреваемой воды;

g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения;

Q_H – подача насоса теплового модуля при рабочем напоре Н_р, м³/с;

Н_р – рабочий напор насоса (принимается м), м;

КПД используемого насоса в тепловом модуле;

– подача насоса теплового модуля Q_H :

, м /с (1.63)

где - полезная мощность, Вт:

, Вт (1.64)

где Q_Т – количество теплоты, полученной при нагреве воды, кКал:

, кКал (1.65)

где С – удельная теплоемкость, кКал/кг·град (для воды С=1 кКал/кг·град);

m – масса нагреваемой воды, кг:

, (1.66)

где V – объем нагреваемой воды, м³;

повышение температуры нагрева воды ⁰С:

, (1.67)

где температура нагреваемой воды начальная и конечная, ⁰С;

А – механический эквивалент теплоты (А=4,2 Дж/Кал, или 0,427 кГм/Кал или 427 кГм/кКал или 4200 Нм/кКал);

t – продолжительность нагрева воды (работы теплового модуля), с;

• КПД теплового модуля:

, (1.68)

где Р_П, P_З – полезная и затраченная мощности теплового модуля, Вт.

Основными техническими параметрами струйного теплового модуля являются: подача насоса , необходимая для выполнения технологического процесса нагрева воды и теплоснабжения; внутренний диаметр напорного трубопровода ; потребное избыточное давления воды (напор ), необходимое для эжектора и системы теплоснабжения Н_р; параметры эжектора: внутренние диаметры активного и дополнительного пассивного сопел и смесительной камеры , площадь щелевых отверстий внутри активного и пассивного сопел, внутренние диаметры впускных патрубков: для дополнительного пассивного и активного сопел.

Потребная подача насоса для выполнения технологического процесса нагрева воды и теплоснабжения определяется по формуле (2).

Внутренний диаметр напорного трубопровода определяется по формуле :

,м (1.69)

где м/с – допустимая скорость воды в нагнетательном трубопроводе;

- коэффициент расхода воды в трубах.

Потребное избыточное давление воды (напор ) для эжектора определяется по форме:

, м (1.70)

где - напор насоса, м ;

, - скорость воды на входе и выходе напорного трубопровода, м/с;

h_vн – потери напора в напорном трубопроводе, м ( которые задаются или определяются по известной формуле [ 27,28 ].

Параметры эжектора. Внутренние диаметры активного d_ac и дополнительного пассивного d_g сопел и смесительной камеры d_k определяются по аналогичной формуле (8), при этом скорости для каждого сопла и смесительной камеры определяются по фактическим напорам (разряжениям) и соответствующим расходам воды (воздуха):

, (1.71)

где - соответствующие расходы через проходные сечения, м /с:

- для активного сопла

, (1.72)

- для дополнительного пассивного сопла

, (1.73)

где - плотность воды ( кг/м ) и плотность сжатого воздуха, кг/м :

, (1.74)

где кг/м - плотность воздуха;

- для смесительной камеры

, (1.75)

где - плотность водовоздушной смеси через соответствующие проходные сечения, кг/м³;

- для активного сопла

, (1.76)

где - коэффициент расхода через сопло;

м/с - ускорение свободного падения;

, - избыточное давление воды в активном сопле на входе и выходе, Па;

, - напор воды на входе и выходе активного сопла, м, определяется по формулам:

, (1.77)

, (1.78)

где - удельный вес воды, :

, (1.79)

где - плотность воды, кг/м ;

- для дополнительного пассивного сопла

, (1.80)

где - коэффициент расхода через сопла;

, - давление атмосферное и избыточное на выходе из дополнительного пассивного сопла, Па;

- вакуумный напор в дополнительном пассивном сопле, м. вот. ст.:

, (1.81)

- для смесительной камеры

, (1.82)

где - коэффициент расхода через смесительную камеру;

, - избыточное давление в смесительной камере на входе и выходе, Па;

, - напор на входе и выходе смесительной камеры, м.

Площади щелевых отверстий внутри активного и пассивного сопел определяются из условия равного соответственно объёмного расхода и соотношения площадей смесительной камеры и активного сопла по следующим формулам:

, (1.83)

, (1.84)

где , - скорость движения в активном сопле и в щелевом отверстии внутри активного сопла, м/с;

, - внутренний диаметр активного сопла и смесительной камеры, м.

Внутренние диаметры воздуховпускных патрубков дополнительного пассивного и пассивного сопел определяются из условия равенства проходных сечений соответственно дополнительного пассивного сопла и щелевого сечения отверстия внутри пассивного сопла по следующим формулам:

, (1.85)

, (1.86)

где - площадь щелевого отверстия внутри пассивного сопла, м , определяется по формуле (23).