Расход пара теплообменников

A Плоский коллектор представляет собой теплообменник, который преобразует лучистую солнечную энергию солнца в тепловую энергию, используя хорошо известный парниковый эффект. Он собирает или улавливает солнечную энергию и использует эту энергию для нагрева воды в доме для купания, стирки и обогрева, и даже может использоваться для нагревания открытых бассейнов и джакузи.

Для большинства жилых и небольших коммерческих систем горячего водоснабжения солнечный плоский коллектор имеет тенденцию быть более рентабельным из-за их простой конструкции, низкой стоимости и относительно простой установки по сравнению с другими формами систем водяного отопления. Кроме того, солнечные плоские коллекторы более чем способны обеспечить необходимое количество горячей воды требуемой температуры.

Плоский солнечный коллектор обычно состоит из большой теплопоглощающей пластины, обычно большого листа меди или алюминия, поскольку они оба являются хорошими проводниками тепла, окрашенного или химически травленного в черный цвет для поглощения как можно большего количества солнечного излучения для максимальной эффективности.

Эта зачерненная теплопоглощающая поверхность имеет несколько параллельных медных труб или трубок, называемых стояками, которые проходят вдоль пластины и содержат теплоноситель, обычно воду.

Эти медные трубы соединены, припаяны или припаяны непосредственно к пластине абсорбера для обеспечения максимального контакта с поверхностью и теплопередачи. Солнечный свет нагревает поглощающую поверхность, температура которой увеличивается. По мере того, как пластина нагревается, это тепло передается по стоякам и поглощается жидкостью, протекающей внутри медных труб, которая затем используется в домашнем хозяйстве.

Трубы и поглощающая пластина заключены в изолированный металлический или деревянный ящик с листом остекления, стекла или пластика на передней части, чтобы защитить закрытую поглощающую пластину и создать изолирующее воздушное пространство. Этот материал для остекления не поглощает солнечную тепловую энергию в значительной степени, и поэтому большая часть поступающего излучения воспринимается зачерненным поглотителем.

Воздушный зазор между листом и материалом остекления задерживает это тепло, предотвращая его выход обратно в атмосферу. Когда пластина поглотителя нагревается, она передает тепло жидкости внутри коллектора, но также отдает тепло окружающей среде. Чтобы свести к минимуму эту потерю тепла, дно и боковые стороны плоского коллектора изолированы высокотемпературной жесткой пеной или изоляцией из алюминиевой фольги, как показано на рисунке.

Типичный плоский коллектор

Плоские коллекторы могут нагревать жидкость внутри с помощью прямого или непрямого солнечного света под разными углами. Они также работают при рассеянном свете, который преобладает в пасмурные дни, поскольку поглощается окружающее тепло, а не свет, в отличие от фотогальванических элементов. Насколько горячая циркулирующая вода будет зависеть в основном от времени года, чистоты неба и того, насколько медленно вода течет по коллекторным трубам.

Прямые и непрямые солнечные тепловые системы

Существует несколько различных способов нагрева воды для использования в быту. Солнечные водонагревательные системы, в которых используются плоские солнечные коллекторы для улавливания солнечной энергии, могут быть классифицированы как прямые или непрямые системы в зависимости от того, как они передают тепло вокруг системы. Чтобы успешно нагревать воду и использовать ее как днем, так и ночью, вам потребуется как солнечный коллектор для захвата тепла и передачи его воде, так и резервуар для горячей воды для хранения этой горячей воды для использования. по мере необходимости.

Читайте также:

Интерьеры, вдохновленные геометрией

Прямая солнечная тепловая система

Система прямого солнечного нагрева воды, также известная как активная система с открытым контуром, использует насос для циркуляции воды по системе. Более холодная вода перекачивается прямо из дома в центральное водохранилище или погружной резервуар и проходит через солнечный коллектор для нагрева. Горячая вода выходит из плоского коллектора и возвращается обратно в бак по непрерывному контуру. Оттуда вода закачивается обратно в дом в виде горячей воды.

Можно использовать низковольтный 12-вольтовый насос, который может питаться от небольшого фотогальванического элемента или электронного контроллера, что делает систему более экологичной. Прямые системы обычно используются в более теплом климате с небольшим количеством холодных дней или сливаются зимой, чтобы вода в трубах не замерзала. Химические вещества нельзя добавлять в воду для защиты, так как та же самая вода, которая циркулирует через плоский коллектор, используется в домашних условиях.

В пассивной системе прямого горячего водоснабжения система не использует насосы или механизмы управления для передачи созданного тепла в накопительный бак. Вместо этого пассивные системы — это так называемые «системы с открытым контуром», которые используют естественную силу гравитации, чтобы помочь циркулировать воде по системе. В системе этого типа используется плоский солнечный коллектор в сочетании с каким-либо горизонтально установленным накопительным баком, расположенным непосредственно над коллектором.

Вода, нагретая солнцем, поднимается естественным образом за счет конвекции по трубам солнечных коллекторов и поступает в расположенный выше накопительный бак. Когда нагретая вода поступает в резервуар для хранения наверху, более холодная вода вытесняется и стекает на дно коллекторов под действием силы тяжести, поскольку холодная вода более плотная, чем горячая. Этот цикл подъема горячей воды и опускания более холодной воды известен как «термосифонный поток» и постоянно повторяется без посторонней помощи, пока светит солнце.

Термосифонная система горячего водоснабжения

Термосифонная система является наиболее распространенным типом системы горячего водоснабжения с солнечным нагревом на рынке, и в большинстве коммерчески доступных пассивных систем горячего водоснабжения с прямым солнечным отоплением используется этот тип комбинации плоского пластинчатого коллектора, устанавливаемого на крыше, и накопительного бака.

Однако при установке такой системы необходимо соблюдать осторожность, так как общий вес солнечного коллектора, накопительного бака и самой воды может быть слишком большим для конструкции несущей крыши.

Когда пассивные солнечные системы горячего водоснабжения используются для более крупных зданий, чем для домов, предприятий или офисов, часто имеется более одного резервуара для хранения нагретой воды.

Так называемая удаленная термосифонная система работает по тому же принципу, что и предыдущая пассивная прямая термосифонная система, за исключением того, что накопительный бак расположен далеко в пространстве под крышей или в пустоте, рассеивая вес на большей площади, а также защищая накопительный бак от холода и температуры. . Однако для того, чтобы процесс термосифонирования работал правильно, основание резервуара для хранения воды должно располагаться как минимум на 1–2 фута (300–500 мм) выше верхней части плоских коллекторов. Это расстояние также известно как системная «высота головы».

Косвенная солнечная тепловая система

Непрямые системы горячего водоснабжения, которые также известны как системы с замкнутым контуром, отличаются от предыдущей термосифонной системы тем, что в них используется теплообменник, который отделен от солнечного плоского коллектора для нагрева воды в накопительном баке.

Системы косвенного нагрева воды являются активными системами и требуют насосов для циркуляции теплоносителя по системе с замкнутым контуром от коллектора к теплообменнику в резервуаре. Система содержит раствор антифриза, обычно смесь 50% гликоля и воды, в первичном замкнутом контуре, а не только воду, которая нагревается и хранится отдельно от основного бытового горячего водоснабжения.

Косвенная солнечная тепловая система

Теплообменник передает тепло от раствора антифриза в коллекторе воде, находящейся в резервуаре для хранения воды. Теплообменник может представлять собой медный змеевик внутри нижней части накопительного бака или плоский теплообменник снаружи накопительного бака.

Одним из основных преимуществ этой замкнутой системы косвенного нагрева является то, что раствор антифриза обеспечивает круглогодичную работу в районах, где температура падает ниже точки замерзания, а также защищает систему от коррозии коллекторов неочищенной водопроводной водой, содержащей газы и газы. различные растворенные соли.

Основное преимущество системы непрямого горячего водоснабжения с принудительной циркуляцией заключается в том, что существующую систему нагрева воды для бытовых нужд можно легко преобразовать в солнечную систему нагрева воды, просто добавив плоский коллектор и одиночный насос, поскольку в большинстве домов в качестве котлов используются газовые или жидкотопливные котлы. а также бак для хранения горячей воды со встроенным змеевиком теплообменника.

Система также, вероятно, будет более эффективной, а резервуар для хранения горячей воды можно разместить в любом месте дома, поскольку он не должен быть выше коллекторов, как в предыдущей пассивной или термосифонной системе.

Однако одним недостатком является то, что система с замкнутым контуром зависит от электричества для циркуляционного насоса, который может быть дорогим или ненадежным. В некоторых конструкциях рядом с коллектором используется небольшой низковольтный насос и фотоэлектрическая панель, что делает систему более эффективной и экологичной. Для более крупных установок и в более прохладном климате резервуары с горячей водой расположены под крышей внутри зданий, поэтому косвенный нагрев воды с принудительной циркуляцией является нормой.

Размеры солнечного коллектора с плоскими пластинами

Размер Солнечный плоский коллектор для использования в солнечной системе горячего водоснабжения или отопления зависит от потребности в горячей воде. Если потребление горячей воды в доме или максимальная температура воды снижены, потребность в горячей воде может быть обеспечена меньшей солнечной батареей, которую легко установить на крыше. Кроме того, небольшие тепловые системы дешевле в установке и быстрее окупаются за счет экономии энергии.

Размер системы солнечной тепловой энергии, конечно, зависит от ваших потребностей в горячей воде, температуры и потребления, но общие практические правила могут помочь дать представление о размере системы.

В Интернете доступны всевозможные учебные планы и книги, которые помогут вам построить собственный солнечный термальный водонагреватель, так почему бы не нажать здесь и не получить копию на Amazon набора чертежей солнечного водонагревателя «сделай сам» и заставить солнце работать в вашем доме. домой сегодня.

Плоские солнечные коллекторы обычно имеют размер от 32 квадратных футов (4 x 8 футов) или 3 квадратных метра и могут весить более 200 фунтов или 100 килограммов каждый. Один квадратный фут (1000 см 2 ) нагревает около двух галлонов или 10 литров воды в день до температуры более 70°C. Таким образом, одна панель площадью 20-30 квадратных футов нагреет около 60 галлонов (300 литров) воды, что примерно размер стандартного бака для хранения горячей воды.

Как правило, вам потребуется от 10 до 16 футов 2 площади плоского коллектора на человека и от 1.5 до 2.0 галлонов хранения горячей воды на квадратный фут площади коллектора. Таким образом, для семьи из четырех человек это составляет от 40 до 60 квадратных футов площади пластины коллектора и от 60 до 120 галлонов хранилища. Тогда для солнечной системы нагрева горячей воды для семьи из четырех человек потребуется как минимум два стандартных солнечных плоских коллектора площадью около 32 квадратных футов (4 x 8 футов) каждый.

Краткий обзор плоского коллектора

В то время как Плоские коллекторы преуспевают в более эффективном сборе солнечной энергии, коммерчески доступные коллекторы горячей воды иногда могут быть дорогими. Простые и более дешевые плоские панели можно сделать из старых радиаторов центрального отопления, выкрашенных в черный цвет, или даже из мотка пластикового шланга или водопроводной трубы, проложенных поверх крыши, но эффективность системы будет очень низкой.

Правильно установленные бытовые солнечные системы горячего водоснабжения эффективны и надежны. Конфигурации системы могут варьироваться от простых термосифонных систем, использующих гравитацию, до более сложных систем с принудительной циркуляцией, для которых требуются насосы, контроллеры и теплообменники.

Хотя они имеют более высокую первоначальную стоимость, чем обычные газовые, масляные и электрические водонагреватели, солнечные тепловые системы значительно снижают потребление топлива и могут иметь срок окупаемости менее 10 лет. Существует несколько типов конструкций и планов солнечных водонагревателей, которые в настоящее время производятся поставщиками. Какие системы и конструкции водяного отопления подходят для вашего дома или бизнеса, во многом зависит от регионального климата.

В следующем уроке о солнечное отопление и солнечная горячая вода, мы рассмотрим еще один более эффективный способ нагрева воды до гораздо более высокой температуры с использованием небольших отдельных медных коллекторов, запаянных в вакууме в стеклянной трубке. Эти типы коллекторов широко известны как вакуумные трубчатые коллекторы, которые становятся предпочтительным выбором для Плоский коллектор.

Принципы паровой техники и теплопередача

В этом учебном пособии объясняются и сравниваются различные типы теплообменников, а также расчеты потребления пара и другие вопросы, такие как релевантность пусковой нагрузки.

Термин «теплообменник» применяется строго ко всем типам оборудования, в котором осуществляется передача тепла от одной среды к другой. Бытовой радиатор, в котором горячая вода отдает свое тепло окружающему воздуху, можно назвать теплообменником. Точно так же паровой котел, в котором продукты сгорания отдают свое тепло воде для достижения испарения, может быть описан как теплообменник с пламенем.

Однако этот термин часто более конкретно применяется к кожухотрубным теплообменникам или пластинчатым теплообменникам, где первичная жидкость, такая как пар, используется для нагрева технологической жидкости. Кожухотрубный теплообменник, используемый для нагрева воды для отопления помещений (с использованием пара или воды), часто называют калорифером без аккумулирования. (Накопительный водонагреватель, как показано на рис. 2.13.1, устроен иначе, обычно он состоит из резервуара для хранения горячей воды со змеевиком первичного нагрева внутри).

Производители часто указывают тепловую мощность своих теплообменников в кВт, и исходя из этого можно определить расход пара, как и для батарей воздухонагревателей. Однако теплообменники (особенно кожухотрубные) часто слишком велики для систем, которые они должны обслуживать.

Водонагреватель без накопителя (как показано на рисунке 2.13.2) обычно выбирается из стандартного диапазона размеров и часто может иметь гораздо большую производительность, чем проектная цифра. Для водяного отопления зданий также могут быть определенные коэффициенты безопасности, включенные в расчеты тепловой нагрузки.

Пластинчатые теплообменники также могут быть выбраны из стандартного диапазона размеров, если блоки паяные или сварные. Однако размеры разборных пластинчатых теплообменников более гибки, поскольку пластины часто можно добавлять или снимать для достижения желаемой площади теплопередачи. Во многих случаях пластинчатые теплообменники имеют увеличенный размер просто для того, чтобы уменьшить падение давления вторичной жидкости.

На существующей установке можно получить данные о фактической нагрузке, если известны температуры подачи и возврата, а также скорость откачки. Однако важно отметить, что пропускная способность, указанная на табличке производителя насоса, вероятно, будет относиться к напору, который может присутствовать или отсутствовать на практике.

Расчет расхода пара для теплообменников

Кожухотрубные теплообменники и пластинчатые теплообменники являются типичными примерами применения проточного типа. Следовательно, при определении расхода пара для этих применений следует использовать уравнение 2.6.5.

Пусковую нагрузку можно игнорировать, если она возникает редко или если время, необходимое для достижения полной нагрузки, не слишком важно. Теплообменники чаще рассчитываются на полную рабочую нагрузку с возможным добавлением коэффициентов безопасности.

Тепловые потери редко учитываются в этих приложениях проточного типа, поскольку они значительно меньше полной рабочей нагрузки. Кожухотрубчатые теплообменники обычно имеют футеровку для предотвращения потери тепла и предотвращения возможного травмирования персонала. Пластинчатые теплообменники, как правило, более компактны и имеют гораздо меньшую площадь поверхности, контактирующую с окружающим воздухом, по сравнению с размером устройства.

Пример 2.13.1

Определить тепловую и паровую нагрузку следующего неаккумулирующего калорифера.

Читайте также:

Лучшие детские качели 2022 года

Нагревательный калорифер предназначен для работы при полной нагрузке с паром под давлением 2.8 бари в первом паровом пространстве.

Температуры подающей и обратной воды вторичного контура составляют 82 °C и 71 °C соответственно при расходе перекачиваемой воды 7.2 кг/с.

cp для воды = 4.19 кДж/кг °C

Таблица 2.13.1 Выдержка из паровых таблиц

Давление бар g	Температура насыщения °С	Энтальпия (энергия) в кДж/кг			Удельный объем сухого насыщенного пара м 3 /кг
Давление бар g	Температура насыщения °С	воды h_f	выпаривание h_fg	пар h_g	Удельный объем сухого насыщенного пара м 3 /кг
2	134	562	2 163	2 725	0.603
2.8	142	596	2 139	2 735	0.489
3	144	605	2 133	2 738	0.461

Часть 1 Определение тепловой нагрузки

Полная нагрузка может быть рассчитана с использованием уравнения 2.6.5:

Часть 2 Определение паровой нагрузки

Скорость конденсации при полной нагрузке можно определить, используя левую часть уравнения теплового баланса 2.6.6:

Пластинчатые теплообменники

Пластинчатый теплообменник состоит из ряда тонких гофрированных металлических пластин, между которыми образован ряд каналов, при этом первичная и вторичная жидкости проходят по чередующимся каналам. Теплопередача происходит от пара первичной жидкости к вторичной технологической жидкости в соседних каналах поперек пластины. На рис. 2.13.3 показано схематическое изображение пластинчатого теплообменника.

Гофрированный рисунок гребней увеличивает жесткость пластин и обеспечивает большую устойчивость к перепадам давления. Эта схема также создает турбулентный поток в каналах, повышая эффективность теплопередачи, что делает пластинчатый теплообменник более компактным, чем традиционный кожухотрубный теплообменник. Стимулирование турбулентного потока также устраняет наличие застойных зон и, таким образом, уменьшает засорение. Пластины обычно покрывают первичную сторону, чтобы способствовать капельной конденсации пара.

В прошлом на рынке паровых теплообменников доминировали кожухотрубные теплообменники, в то время как пластинчатые теплообменники часто отдавали предпочтение в пищевой промышленности и в системах водяного отопления. Однако последние достижения в области дизайна означают, что теперь пластинчатые теплообменники в равной степени подходят для систем парового отопления.

Пластинчатый теплообменник может обеспечивать как конденсацию, так и переохлаждение конденсата в одном блоке. Если конденсат сбрасывается в атмосферный ресивер, за счет снижения температуры конденсата количество выпарного пара, теряемого в атмосферу через выпуск ресивера, также уменьшается. Это может устранить необходимость в отдельном переохладителе или системе регенерации вторичного пара.

Хотя номинальная площадь теплопередачи теоретически может быть рассчитана с использованием уравнения 2.5.3, пластинчатые теплообменники являются запатентованными конструкциями и обычно определяются по согласованию с производителями.

Разборные пластинчатые теплообменники (пластинчатые и рамные теплообменники)

В разборном пластинчатом теплообменнике пластины скреплены вместе в раме, а тонкая прокладка (обычно из синтетического полимера) герметизирует каждую пластину по краю. Стяжные болты, установленные между пластинами, используются для сжатия пакета пластин между пластиной рамы и прижимной пластиной. Эта конструкция позволяет легко демонтировать устройство для очистки и позволяет изменять производительность устройства путем простого добавления или удаления пластин.

Использование прокладок придает пакету пластин определенную степень гибкости, предлагая некоторую устойчивость к термической усталости и внезапным изменениям давления. Это делает некоторые типы разборных пластинчатых теплообменников идеальным выбором в качестве парового нагревателя для мгновенного горячего водоснабжения, где пластины будут подвергаться определенному термоциклированию.

Ограничение использования разборных пластинчатых теплообменников заключается в диапазоне рабочих температур прокладок, что накладывает ограничение на давление пара, которое может использоваться в этих устройствах.

Паяные пластинчатые теплообменники

В теплообменнике с паяными пластинами все пластины спаяны вместе (обычно с использованием меди или никеля) в вакуумной печи. Это усовершенствование разборного пластинчатого теплообменника, которое было разработано для обеспечения большей устойчивости к более высоким давлениям и температурам при относительно низкой стоимости.

Однако, в отличие от разборного блока, паяный пластинчатый теплообменник не подлежит демонтажу. Если требуется очистка, она должна быть либо промыта обратной промывкой, либо подвергнута химической очистке. Это также означает, что эти единицы имеют стандартный диапазон размеров, следовательно, слишком большой размер является обычным явлением.

Хотя паяный теплообменник имеет более прочную конструкцию, чем разборный, он также более подвержен термической усталости из-за своей более жесткой конструкции. Поэтому следует избегать внезапных или частых изменений температуры и нагрузки и уделять больше внимания контролю на стороне пара, чтобы избежать термического стресса.

Паяные теплообменники больше подходят (и в основном используются) для применений, где колебания температуры медленны, например, в отоплении помещений. Их также можно успешно использовать с вторичными жидкостями, которые постепенно расширяются, например, с термальным маслом.

Сварные пластинчатые теплообменники

В сварном пластинчатом теплообменнике пакет пластин удерживается сварными швами между пластинами. Использование методов лазерной сварки позволяет сделать пакет пластин более гибким, чем пакет паяных пластин, что позволяет сварному блоку быть более устойчивым к пульсациям давления и температурным циклам. Рабочие пределы сварного блока при высоких температурах и давлении означают, что эти теплообменники обычно имеют более высокие технические характеристики и больше подходят для тяжелых условий эксплуатации в обрабатывающей промышленности. Они часто используются там, где требуется высокое давление или температура, или когда необходимо нагреть вязкие среды, такие как нефть и другие углеводороды.

Кожухотрубные теплообменники

Кожухотрубный теплообменник, вероятно, является наиболее распространенным методом обеспечения непрямого теплообмена в промышленных процессах. Кожухотрубный теплообменник состоит из пучка труб, заключенных в цилиндрическую оболочку. Концы труб вставлены в трубные решетки, которые разделяют первичную и вторичную жидкости.

Там, где в качестве теплоносителя используется конденсирующийся пар, теплообменник обычно горизонтальный, а внутри труб происходит конденсация. Переохлаждение также можно использовать как средство рекуперации дополнительного тепла из конденсата в теплообменнике. Однако, если требуемая степень переохлаждения относительно велика, зачастую удобнее использовать отдельный охладитель конденсата.

Неаккумулирующие калориферы с паровым обогревом

Обычная конструкция пароводяного калорифера без аккумулирования показана на рис. 2.13.4. Он известен как кожухотрубный теплообменник с одним кожухом и двумя проходами и состоит из пучка U-образных труб, вставленного в неподвижную трубную решетку.