Водяное отопление с естественной циркуляцией: Расчет параметров системы отопления с естественной циркуляцией: как добиться бесперебойной работы?

Содержание

Система отопления с естественной циркуляцией

Рассмотрена система отопления с естественной циркуляцией, ее виды (с верхней подачей воды и с нижней). Подробно расписана система отопления с принудительной циркуляцией, даны рекомендации по монтажу циркуляционного насоса.

Естественная циркуляция воды была известна и успешно применялась еще в довоенное время. Это достаточно простой, эффективный и надежный метод отапливания помещений. В настоящее время система отопления с естественной циркуляцией применяется в загородных домах и дачах, поскольку там часто случаются перебои с электроснабжением. Такие системы подразделяются на два вида — с верхней и с нижней подачей воды. Больших различий между ними нет, но все же рассмотрим каждую из них в отдельности. (См. также: Современное водяное отопление)

Отопление с естественной циркуляцией

Система «верхней подачи»

Вода (теплоноситель) нагревается в котле и подается в верхнюю часть системы по трубопроводу.

Подающая труба в диаметре больше чем остальные трубы, которые подают воду непосредственно к радиаторам. Благодаря этому достигается большое сопротивление теплообмена. Горизонтальные трубы монтируются под минимальным уклоном в пределах 10-ти миллиметров на один погонный метр трубы.

В самой верхней точке системы устанавливается расширительный бак, который выполняет функцию приемника пара и избыточного теплоносителя, ведь при нагревании вода, как известно, имеет свойство расширяться и образовывать пар. Этот бак должен иметь кран для слива, и он не должен быть герметичным, то есть в верхней его части должен быть клапан или крышка. Нагретая вода после распределения по подающей трубе поступает в вертикальные стояки и по ним непосредственно в радиаторы.

Совет! Отопление с естественной циркуляцией должно иметь подключение радиаторов диагональным способом. (См. также: Системы отопления частного дома)

После отдачи тепла помещению вода возвращается в котел по специальной трубе — обратке, после чего она опять подогревается и повторяет свой цикл.

Нагревательный котел располагается в самой нижней точке системы отопления с естественной циркуляцией, ниже уровня радиаторов. Как правило, они монтируются в подвальных помещениях, оборудованных под котельную.

Система «нижней подачи»

Система с нижней подачей теплоносителя применяется в домах, где отсутствует чердачное помещение или доступ к нему ограничен. Отличие такой системы в том, что трубы прокладывают под радиаторами. Расширительный бак тоже необходим, и его устанавливают на самой высокой точке системы, где-нибудь в хозяйственном помещении. Если в системе отопления нет циркуляции, проходящей естественным путем, тогда нужно ее создать.

Расширительный бак и циркуляционный насос

Принудительная циркуляция

В системе с принудительной циркуляцией воды, используются те же методы подключения, только в связи с отсутствием условий для наклона труб или же большой магистралью самой системы, появляется необходимость установки насоса для принудительной циркуляции теплоносителя в замкнутой системе.

Циркуляционный насос подключается к обратной магистральной трубе, за счет этого увеличивается срок эксплуатации системы. Благодаря использованию насоса появляется возможность обогрева одной тепломагистралью большого количества помещений, а также домов в несколько этажей. (См. также: Отопление «Ленинградка»)

Принудительная циркуляция в системе отопления

Для обеспечения нормальной работы системы необходимо постоянное электроснабжение. Установка циркуляционного насоса для отопления необходима для создания принудительной циркуляции теплоносителя в замкнутом контуре. Насос является одним из главных компонентов в оборудовании системы отопления. При расчете мощности и производительности насоса учитывается только потери при трении жидкости в трубе, высота же системы и самого здания в учет не берется, так как вода, которая подается насосом в подающую трубу, одновременно толкает воду в обратном направлении. За счет этого мощность циркуляционного насоса может быть относительно небольшой.

Название «циркуляционный насос» не отображает особенности конструкции, а всего лишь определяет функциональность его применения в различных системах трубопроводов. Циркуляционный насос обеспечивает бесперебойную работу системы отопления и должен соответствовать той системе, в которую устанавливается.

Насос для принудительной циркуляции

Выбор насоса

Характеристика и параметры для выбора циркуляционного насоса определяются из расчета: за один час он будет прогонять в три раза больше жидкости, чем есть в системе. Объем безопасного количества теплоносителя в системе обычно составляет 10 -12 литров на 1 кВт мощности котла. Конкретную модель циркуляционного насоса и его производительности можно определить по напорно-расходной характеристике, а именно, при напоре, который равен гидравлическому сопротивлению всей системы. (См. также: Расчёт системы отопления)

Обычно в системах принудительной циркуляции скорость движения теплоносителя не высокая и потери гидравлического сопротивления не превышают 1-2 метров (0,1 — 0,2 атм. ), поэтому рассчитать точное сопротивление затруднительно и производительность насоса определяют по средней точке. Система отопления с естественной циркуляцией обходится без насоса.

Виды циркуляционных насосов

Насос для создания циркуляции в системе подбирают, исходя из возможного перемещения тепловой энергии от котла к радиаторам. При расчете производительности нужно знать и учитывать размеры отапливаемой площади помещения и мощность источника тепловой энергии.

Рекомендации по установке циркулярного насоса:

  • на всасывающем патрубке непосредственно перед насосом обязательно устанавливают фильтр грубой очистки воды;
  • (См. также: Твердотопливные котлы)

  • если насос имеет «мокрый» ротор, то его следует устанавливать так, чтобы его вал располагался горизонтально;
  • не рекомендуется устанавливать насос высокой производительности, большей, чем этого требует система отопления с принудительной циркуляцией, поскольку возможно появление дополнительного шума при работе;
  • не допускается включение насоса при не заполненной водой системе, а также до удаления воздуха из нее.
  • при установке циркулярного насоса следите, чтобы вода не попала в коробку;
  • насос необходимо монтировать максимально ближе к расширительному бачку;
  • необходимо убедиться возможности стравливания воздуха из насоса и трубопровода, если же это не возможно необходимо использовать насос с воздухоотводчиком;
  • в закрытых системах циркуляционный насос по возможности устанавливают на обратке, так как в этом участке системы температура значительно ниже.

Монтаж насоса в систему отопления

Совет! Перед запуском промойте систему водой, чтобы удалить инородные частицы. Помните, что даже непродолжительная работа насоса вхолостую без воды, может привести к выходу из строя циркулярного насоса.

Почти все циркулярные насосы имеют связь с автоматической регулировкой нагревательных котлов, благодаря чему есть возможность регулировки температуры воздуха в помещении за счет изменения скорости циркуляции теплоносителя в системе. Для учета потребления тепловой энергии в домах устанавливаются счетчики тепла, это позволяет контролировать потери тепла, которые возникают из-за износа тепловой магистрали. В таком случае схема отопления с естественной циркуляцией (или с принудительной) практически не изменится.

Запрещено! Не допускается установка циркуляционного насоса со встроенным термостатом рядом с нагревательным баком.

Водяное отопление с естественной циркуляцией

Любой здравомыслящий человек стремится сэкономить своё время и деньги. Обустраивая свой дом, мы все чаще задаемся вопросом:что необходимо предпринять для того, чтобы он стал технологичнее и экономнее в плане отопления и энергосбережения.

Оказывается, решение есть. Энергосбережение и даже энергонезависимость возможно создать в системе отопления с естественной циркуляцией при помощи пиролизных котлов.

При правильной установке котла отопительная система может функционировать без электронасосов, создающих давление,а нагнетать его самостоятельно.

При нагреве воды в котле,вода становится легче,за счёт чего поднимается по трубе вертикально,а далее в горизонтальном положении по трубам,которые в свою очередь, подведены к батареям, обеспечивающим нагрев воздуха в помещении.При этом, теплоноситель теряет энергию и становится холодней и тяжелей,что позволяет ему спускаться по трубам обратно в котел, тем самым вытесняя нагретую воду на верх.Из чего следует,что теплоноситель двигается под действием гидростатического напора,появившегося вследствии разности нагретой и охлаждённой жидкости.Разница в температуре теплоносителя напрямую влияет на давление и скорость движения в системе отопления.Так же стоит заметить,что тепло,с помощью которого происходит обогрев помещения прямо пропорционально количеству воды и его температуре.В свою очередь, объём воды, движущийся к радиаторам, учитывает циркуляционное давление в системе отопления. А диаметр используемых труб при разводке отопления будет зависеть от давлентия.Существует два основных вида системы отопления: с нижней и верхней разводкой.

Система с естественной циркуляцией теплоносителя:ЗА и ПРОТИВ.

Среди достоинств такой системы отопления:

  • энергонезависимость;
  • простой монтаж и ввод в эксплуатацию;
  • экономичное и легкое использование системы;
  • не надо устанавливать насос для циркуляции теплоносителя, следовательно, система становится тише;
  • система отопления с естественной циркуляцией весьма долговечна и может не потребовать ремонта несколько десятков лет;
  • саморегулирование системы.

К недостаткам можно отнести следующее:

  • включение системы требует некоторого времени;
  • необходимость использования труб большого диаметра приводит к повышению затрат на установку системы;
  • есть риск «замерзания» системы в холодное время года (для этого в наших пирокотлах мы рекомендуем ипользовать незамерзающую жидкость для отопления домов на основе этиленгликоля. )

 

Принцип действия водяных систем отопления с естественной циркуляцией

Категория: Водяное отопление


Принцип действия водяных систем отопления с естественной циркуляцией

Принципиальная схема системы водяного отопления с естественной циркуляцией приведена на рис. 1, где условно показан лишь один нагревательный прибор (Н.п.), соединенный с водогрейным котлом (К) горячим и обратным трубопроводами (Г.тр. и О.тр.).

К высшей точке системы присоединен расширительный сосуд (Р.с.), служащий для вмещения прироста объема воды при ее нагревании, а в данном случае и для удаления из систем воздуха. В настоящее время для зданий со своей местной котельной применяют обычно системы отопления низкого давления, т. е. такие, у которых вода в расширительном сосуде всегда находится под атмосферным давлением.

В наполненном водой замкнутом кольце котел — горячий трубопровод— нагревательный прибор — обратный трубопровод — котел возникает циркуляция в направлении, указанном стрелками, вследствие того, что вода, нагреваясь в котле, уменьшается в весе и потому вытесняется снизу вверх по трубопроводу более тяжелой охлажденной водой, поступающей из нагревательных приборов. Охлаждение воды в нагревательном приборе, а частично и в трубах обеспечивает сохранение постоянной естественной циркуляции.

Давление, под действием которого происходит эта циркуляция, может быть определено, если известна температура, а следовательно, и объемный вес воды в различных точках циркуляционного кольца.

Давление измеряется в кГс/см2 и в технических атмосферах (атм.). Одна техническая атмосфера равна Давлению в 1 кГс/см2, или 10 000 кГс/м2, или 10 м водяного столба (вод. ст.). В отопительной технике небольшие давления измеряют в кГс/м2. Давление в 1 кГс/м2 равно давлению в 1 мм вод. ст.

В настоящее время применяют значительное число Различных схем системы водяного отопления зданий.

Рис. 1. Принципиальная cхема систем водяного отопления с естественной циркуляцией.

Однако все эти схемы можно подразделить на две основные группы.

Первая группа характеризуется последовательным прохождением воды через нагревательные приборы с последующим охлаждением в них греющей воды. Такие схемы называют однотрубными.

Ко второй группе относятся схемы, при которых горячая вода распределяется параллельно по всем нагревательным приборам. Из каждого нагревательного прибора вода непосредственно возвращается в котел, не попадая в другие нагревательные приборы. Эти схемы называют двухтрубными.



Водяное отопление — Принцип действия водяных систем отопления с естественной циркуляцией

Естественная циркуляция — обзор

16.9.1 Введение

Термогидравлический контур с естественной циркуляцией (NCL) является важным аспектом в конструкции, эксплуатации и безопасности всех концепций Gen IV. Некоторые концепции полагаются на естественную циркуляцию для нормальных рабочих условий и нестандартных условий безопасности. Другие зависят от естественной циркуляции только в пассивных ненормальных условиях безопасности. Целью пассивных систем безопасности с естественной циркуляцией является поддержание системы в безопасном отключенном состоянии в течение длительных периодов времени без необходимости вмешательства оператора или наличия электроэнергии.

Пассивные системы безопасности на основе естественной циркуляции предназначены для обеспечения максимального теплоотвода в случае нарушения нормальной работы системы охлаждения реактора. Из-за его критической важности фундаментальное понимание свойств и характеристик гидродинамики естественной циркуляции, тепловых откликов и термодинамики в сложном инженерном оборудовании энергетических систем ядерных реакторов имеет важное значение. Для систем поколения IV, которые основаны на естественной циркуляции в нормальных рабочих состояниях, также необходимо хорошо понимать свойства и характеристики в установившихся условиях.

Как правило, потоки с естественной циркуляцией, встречающиеся на атомных электростанциях, будут связаны с замкнутыми контурами, состоящими из трубопроводов, проточных каналов различной формы и нескольких компонентов оборудования. Петли обычно закрыты, но отказ трубопровода, составляющего петлю, может нарушить естественную циркуляцию и сделать систему непригодной для использования по назначению. Вторичная сторона парогенераторов (ПГ) для заводов, использующих естественную циркуляцию для нормальной работы, характеризуется как НКП с пропускной способностью; ввод питательной воды из конденсатора и отбор пара на выходе из ПГ для питания турбин.Все эти системы будут иметь области, в которых поток идет по параллельным каналам, таким как тепловыделяющие стержни и пучки тепловыделяющих элементов, в активной зоне и трубы в SG и HEX.

Потоки с естественной циркуляцией вокруг контуров и потоки в параллельных каналах подвержены как отклонениям от установившегося режима работы, так и переходам в колебательные и потенциально нестабильные состояния. Таким образом, энергетические системы ядерных реакторов поколения IV сочетают в себе тип потока жидкости и геометрию, которые, как известно, потенциально могут привести к нежелательным состояниям.В частности, следует избегать нежелательных колебательных состояний при установившемся режиме работы. Вся система и связанный с ней рабочий диапазон предназначены для предотвращения нестабильных состояний.

Обсуждения в следующих разделах будут сосредоточены на теплогидравлических свойствах и характеристиках потоков в параллельных каналах и NCL. Будет кратко рассмотрена литература по общим аспектам аналитического, экспериментального, математического моделирования, численным методам решения и вычислительным аспектам этих потоков.Эти аспекты, связанные с конкретными системами Gen IV, также будут обсуждаться.

Солнечное водонагревание

Солнечный водонагреватель

Солнечный водонагреватель, возможно, является наиболее энергоэффективным способом производства горячей воды, поскольку основным источником энергии является «солнечный свет». бесплатно. Солнечное водонагревание использовалось в течение многих лет в теплом солнечном климате, но оно может работать даже в таких северных районах, как Канада и Северная Европа. Если у вас большая семья или вы используете большое количество горячей воды, система солнечного нагрева воды может быть экономически эффективным вариантом.Пока в оборудовании есть более высокая начальная стоимость, чем у других типов водонагревателей, экономия энергии может более чем компенсировать затраты в течение всего срока службы системы.

Активные и пассивные солнечные батареи


Существует два основных типа солнечных водонагревательных систем — активные, в которых используется насос для циркуляции воды между баком и коллекторами, и пассивные, который основан на естественной конвекции для циркуляции воды.

Активные системы могут быть как с прямой, так и с непрямой циркуляцией.Системы прямой циркуляции обеспечивают циркуляцию бытовой воды через коллекторы в резервуар для хранения. Они лучше всего подходят для мягкого климата, где температура редко опускается ниже нуля. В системах с косвенной циркуляцией циркулируют незамерзающие теплоноситель через коллекторы, а затем через теплообменник в резервуаре-хранилище. Они предпочтительны в холодном климате, где трубы находятся в прямом система циркуляции может замерзнуть.

Пассивные системы обычно дешевле, но менее эффективны.Они могут быть как интегральными системами сбора / хранения, так и термосифонными системами. Интегральный Тип коллектора / накопителя обычно используется для предварительного нагрева воды для обычного водонагревателя и лучше всего подходит для климата, где температура редко опускается ниже замораживание. Системы Thermosyphon полагаются на естественную конвекцию для циркуляции воды, поэтому бак должен располагаться выше, чем панели коллектора — нагретая вода. от панелей течет вверх в бак, а более холодная вода возвращается в коллектор для обогрева.

Компоненты

Основными компонентами любой солнечной системы нагрева воды являются один или несколько коллекторов для улавливания солнечной энергии и хорошо изолированный резервуар для хранения воды.

Существует три распространенных типа коллекторов — плоские коллекторные панели, интегрированные коллекторно-накопительные системы и вакуумные трубчатые коллекторы.

Плоские коллекторные панели

имеют темную абсорбирующую пластину за стеклянной или полимерной крышкой. Вода циркулирует по темным трубам, проходящим через коллектор.Когда солнечный свет проходит через прозрачную крышку, его тепло поглощается пластиной поглотителя и трубопроводами и передается воде. Панели коллектора обычно установлен на крыше, обращен на юг. Их также можно установить на стене, выходящей на юг, или на подставке на земле (как при обогреве бассейна).

Интегральные системы сбора / хранения, также известные как «периодические» системы, имеют один или несколько черных резервуаров или трубок внутри изолированной коробки с прозрачным стеклом или пластиком. крышка.Их часто используют для предварительного нагрева воды перед тем, как она попадет в обычный водонагреватель накопительного типа. Их также можно комбинировать с безрезервуарными или по запросу. водонагреватель.

Вакуумные трубчатые коллекторы состоят из параллельных рядов прозрачных трубок, содержащих металлические поглотительные трубки, поглощающие солнечное тепло. Этот тип используется в основном в коммерческих приложениях.

Резервуары для хранения, как правило, представляют собой обычные водонагреватели большой емкости (80 галлонов или больше) (электрические или газовые).Чем больше емкость, тем больше «бесплатно» горячая вода в пасмурную погоду. Когда солнечные коллекторы не могут обеспечить достаточное количество горячей воды, резервные нагревательные элементы или горелки составляют разница. Система с одним резервуаром использует существующий водонагреватель как для хранения, так и для резервного копирования, в то время как система с двумя резервуарами предварительно нагревает воду, прежде чем она попадет в магистраль. бак водонагревателя.

Стоимость и выгода

Экономическая эффективность солнечной системы водяного отопления зависит от ряда факторов и должна оцениваться опытным профессионалом. Эти факторы включают:

  • Использование горячей воды — чем больше горячей воды вы используете, тем больше вероятность того, что солнечная система нагрева воды со временем окупится.Обычно они наиболее рентабельны. для больших семей или домов с повышенным спросом на горячую воду.
  • Стоимость системы — пассивные системы обычно дешевле, но во многих случаях могут оказаться непрактичными или неприемлемыми.
  • Количество доступного солнечного света — солнечные батареи, очевидно, лучше всего работают в местах с большим количеством доступного солнечного света. В идеале коллекционеры должны быть разоблачены попадание прямых солнечных лучей в течение максимально возможного количества часов в день, поэтому правильное расположение имеет решающее значение для достижения оптимальной производительности.

Сроки окупаемости будут зависеть от этих и других факторов, но налоговые льготы и другие стимулы могут значительно снизить начальную стоимость и сократить срок время окупаемости. Перед покупкой солнечной системы водяного отопления вы должны изучить все потенциальные стимулы и учесть их в своем решении.

Установка и обслуживание

Для любого типа солнечной системы водяного отопления правильная установка имеет решающее значение и должна выполняться только квалифицированным, опытным подрядчиком.При выборе подрядчика, ищите того, у кого есть большой опыт установки этого конкретного типа системы. Уточняйте лицензионные требования в своем штате или округе. проверяйте отзывы прошлых клиентов и проверяйте источники, такие как Better Business Bureau, на предмет каких-либо жалоб или проблем.

Как и в случае с любой другой крупной системой, правильное обслуживание очень важно. Для активных систем обязательно обсудите требования к обслуживанию с установщиком и проконсультируйтесь с руководство пользователя.Пассивные системы обычно не требуют значительного обслуживания, поскольку они проще и содержат меньше компонентов.

Связанные темы:

(PDF) Солнечная система водяного отопления с естественной циркуляцией в Басре

11

Выводы

1- Выполнено теоретическое исследование термосифонного солнечного водонагревателя.

2- Настоящий анализ может быть использован для прогнозирования и проектирования солнечной водяной системы

, работающей по принципу термосифона.

3- Производительность солнечного водонагревателя сильно зависит от параметров

, таких как расположение коллектора, наклон коллектора, скорость ветра и солнечное время.

4- Солнечная система нагрева воды эффективна в городе Басра.

Ссылки

1. Хуанг, Б.Дж., «Теория подобного солнечного водонагревателя с естественной циркуляцией», J.Solar Energy, vol.25,

pp.106-116, 1980.

2. Zerrauki, A. , Boumedien, A., и Bouhadef, K., «Модель

солнечного водонагревателя с естественной циркуляцией и линейным распределением температуры», J. Renewable Energy, vol.26, pp.549-559, 2002.

3. Koffi , ВЕЧЕРА.E., Andoh, HY, Gbaha, P., Toure, S. и Ado, G., «Теоретическое и экспериментальное исследование солнечного водонагревателя

с внутренним теплообменником с использованием термосифонной системы», J.Energy

Conversion & Management, vol. .xxx, pp.xxx-xxx, 2008.

4. Салех, Массачусетс, Касеб, С. и Эль-Рефай, М.Ф., «Стекло-азимутальная модификация для преобразования прямого солнечного тепла

», Дж. Булдинг и окружающая среда , т. 39, pp.653-659, 2004.

5.ASHRAE Справочник фундаментальных наук.Атланта, Джорджия, США. 1993.

6. Чоу, Т.Т., Хе, В., и Джи, Дж., «Гибридная фотоэлектрическая термосифонная система водяного отопления для жилых помещений

», J. Solar Energy, vol.80, pp.298-306, 2006.

7. www.wunderground.com/history/airport.

8. Писсави, П., «Моделирование динамического поведения резервуара для хранения солнечной энергии с внутренним теплообменником»,

Rev.Gen. Thermique, pp. 246-247, 1982.

د نﺎﺨﺳ ﻞﻤﻌﯾ ﺎﺑ هﺮﺼﺒﻟا ﺔﻨﯾﺪﻣ ﻲﻓ ﻲﻌﯿﺒﻄﻟا ﺮﯾوﺪﺘﻟ

د.يدﺎﻤﺣ ​​ﻢﺷﺎھ نﺎﻤﻠﺳ ﺔﺳﺪﻨﮭﻟا ﺔﯿﻠﻛ –ﻨﮭﻟا ﻢﺴﻗ ﺔﯿﻜﯿﻧﺎﻜﯿﻤﻟا ﺔﺳﺪ ﺮﺼﺒﻟا ﺔﻌﻣﺎﺟ ة

ا ﺺﺨﻠﻣ

ﮫﯿﺴ ~~ ﻤﺸﻟا ﮫ ~~ ﻗﺎﻄﻟا ماﺪﺨﺘ ~~ ﺳﺎﺑ هﺎ ~~ ﯿﻤﻟا ﻦﯿﺨﺴ ~~ ﺗ ﺔ ~~ ﻣﻮﻈﻨﻤﻟ ﮫ ~~ ﮫ ﺳارد ءاﺮ ~~ ﺟا ﻢ ~~ ﺗهﺮﺼ ~~ ﺒﻟا ﺔ ~~ ﻨﯾﺪﻣ ﻲ ~~ ﻓ. تﺪ ~~ ﻤﺘﻋا

~ ا ﺮﯾوﺪ ~ ﮫﻠﯿﺳﻮﻛ يراﺮﺤﻟا نﻮﻔﯿﺴﻟا أﺪﺒﻣ ارﺪﻟاا هﺬھ ﻲﻓ ا تﻼﯿﻠﺤﺘﻟا ﺔ ~ ا ﻲ ~ ﻓ.هﺬ ~ ھ نﻮ ~ ﻜﺘﺗ

ا ﻊﻣ واﺰﺑ ﻞﺋﺎﻣ يﻮﺘﺴﻣ ﻲﺴﻤﺷ ﻊﻤﺠﻣ ﻦﻣ ﺔﻣﻮﻈﻨﻤﻟاﻞﺼﺘﯾ ﺔ ~ ﻋﻮﻤﺠﻣ ﻖﯾﺮﻃ ﻦﻋ ﺎﯾراﺮﺣ لوﺰﻌﻣ ءﺎﻣ ناﺰﺨﺑ

اﻮﺘﻤﻟا ﺐﯿﺑﺎﻧﻻاا ﻦﻣ. ﺑ تﺎﺑﺎﺴﺤﻟا ﻊﯿﻤﺟ ﺖﯾﺮﺟأﺎﺎﻨﺘﺳﻻ مﻮ ~ ﯾ ﻲﻓ ا ﺔﻨﯾﺪﻣ ﻲﻓ هﺪﺋﺎﺴﻟا ﮫﯿﺧﺎﻨﻤﻟا فوﺮﻈﻟا ﻰﻟا د 21 ا نﻮﻧﺎﻛ. ادا نا ا تﺮﮭﻇأﻈ ﺲﻤﺸ ~ ا ﻦ ~ ﻲﺴ ~ ا ﻊ ~ ا ﻊﻗﻮﻣ ا نﺎﺨﺴﻟا ﺔﻣﻮ

ﮫﺘﺣﺎﺴﻣو ا ﻦﻋ ﮫﻠﯿﻣ وازوﺄﺑ ﺖ ~ او ضﺮﻌﻟا ﻂﺧ ﻰﻟا ﮫﻓﺎﺿﻻ. ~ ﻠﺒﺗ ﺚ ~ ﯿﺣ هﺮﺼ ~ ا ﺔ ~ ﻨﯾﺪﻣ ~ ﻰﺼ ~ ﻗا ﺔ ~ واز

ا عﺎﻔﺗرا ﻲﻟاﻮﺣ ﻲﻧﺎﺜﻟا نﻮﻧﺎﻛ ﻲﻓ ﺲ 40 ﻰ ~ ا ﻲﺴﻤﺸﻟا ا ا ﺔ ~ ا ا ﻞﯿﻣ ا ~ ا ا واز نﻮﻜﺗ ا ا وازا ~ ر ا نﻮﻜﺗ ا ا واز نﻮﻜﺗ ا ا واز نﻮﻜﺗ ا ا وازﻲﻟا ~ ر ا ~ ر ا نﻮﻜﺗ ر .

Границы | Исследование характеристик теплопередачи естественной циркуляции различных жидких металлов на основе факторного анализа

Введение

Естественная циркуляция имеет очень широкую перспективу применения в обеспечении безопасности реакторов, а также широко используется в других отраслях промышленности. Пассивная естественная циркуляция (Ma et al., 2017; Wang et al., 2018; Yagov et al., 2019) может упростить систему в реакторе и снизить зависимость системы от надежности внешнего источника питания, что значительно улучшает внутренняя безопасность реактора.Показатели безопасности AP1000 третьего поколения (Hashim et al., 2014) в 100 раз выше, чем у АЭС второго поколения. Одной из его особенностей является то, что система безопасности использует принцип пассивной естественной циркуляции во многих местах. В реакторе GM SBWR (Duncan, 1988) и в шведском реакторе PIUS используется естественная циркуляция для обеспечения безопасности реактора. Американские атомные подводные реакторы S5G, S6G и S8G (Liu, 2015) представляют собой реакторы с водой под давлением с естественной циркуляцией. Первоначальный интерес к изучению жидких металлов был связан с проектированием реакторов на быстрых нейтронах.Это происходит главным образом потому, что жидкий металл (Xie et al., 2016) имеет активную зону с высокой плотностью мощности, отличные тепловые и ядерно-физические свойства, что позволяет эффективно извлекать энергию из реактора. В настоящее время теплоносителем реактора-размножителя на быстрых нейтронах, разработанного различными странами, в основном является натрий или натрий-калиевый сплав. Химические свойства натрия и сплава натрий-калий особенно активны. Они легко вступают в реакцию с водой, кислородом и т. Д., Вызывая возгорание или даже взрыв.Поэтому изучение характеристик теплопередачи теплоносителя является очень важным техническим вопросом и вопросом безопасности при эксплуатации, техническом обслуживании и выводе из эксплуатации быстрых реакторов с натриевым теплоносителем. Жидкий свинец и свинцово-висмутовый сплав (Gaiying et al., 2012) являются основными материалами-кандидатами для охлаждающей жидкости ADS, которая обладает превосходными тепловыми свойствами, такими как высокая плотность, химическая инерция и способность естественной циркуляции, аналогичная воде. Принимая во внимание характеристики теплопередачи естественной циркуляции жидкого металла, ученые из разных стран провели в последние годы некоторые исследования.Чанг и Хан (2002) использовали программу SSC-K для расчета кипения натрия при тяжелой аварии KALIMER и получили кривые теплопередачи на границе раздела фаз, толщины пленки жидкости и коэффициента теплопередачи. Ma et al. (2007) изучили установившееся состояние естественной циркуляции контуров тяжелых металлов и пришли к выводу, что разница температур между геометрией системы и горячим и холодным участками влияет на естественный циркуляционный поток флюидов тяжелых металлов. На основе экспериментального стенда NACIE Тарантино и др.(2008) провели соответствующее исследование потока естественной циркуляции свинцово-висмутового сплава и проанализировали экспериментальные результаты. Gao et al. (2015) измерили коэффициент диффузии Ni и Cr в жидком свинцово-висмутовом сплаве с помощью капиллярной трубки и получили коэффициент диффузии LBE из экспериментальных данных по концентрации никеля. Watanabe et al. (2015) изучали метод оценки системы отвода остаточного тепла естественной циркуляции быстрого реактора с натриевым теплоносителем. Надежность анализа безопасности быстрого реактора с натриевым теплоносителем была проверена путем сравнения с трехмерным анализом модели турбулентности.Borgohain et al. (2016) провели эксперимент с естественной циркуляцией в свинцово-висмутовой цепи неоднородного диаметра. Естественная циркуляция установившегося и переходного режимов выполняется при различных режимах мощности. Факторный анализ — это многофакторный и многоуровневый экспериментальный план. Он может проверить не только разницу между уровнями каждого фактора, но и взаимодействие между факторами. Когда уровень одного фактора изменяется, изменяется влияние другого фактора или нескольких факторов, что указывает на наличие взаимодействия; в противном случае это означает отсутствие взаимодействия и независимость.Среди приведенных выше результатов исследований изучалась только естественная циркуляция отдельного жидкого металла, а взаимодействие между факторами, влияющими на теплопередачу естественной циркуляции, не анализировалось. Сравнивая естественный циркуляционный поток и характеристики теплопередачи различных жидких металлов, можно получить общие черты и различия в правилах теплопередачи, что имеет решающее значение для повышения безопасности реактора.

Объект исследования

Геометрическая модель

Модель естественной циркуляции разработана ANSYS ICEM и в основном включает секцию предварительного нагрева, секцию входа нагрева, секцию нагрева, секцию выхода нагрева, секцию охлаждения и секцию нисходящего потока.Конкретная структура модели показана на рисунке 1.

Рисунок 1 . Петля естественной циркуляции.

Как видно из рисунка 1, модель естественной циркуляции различных жидких металлов имеет высоту 2,5 м, ширину 3,5 м и диаметр трубы 4 мм. Длина участка предварительного нагрева 3,5 м, длина участка входа нагрева 0,25 м, длина участка нагрева 2 м, длина участка выхода нагрева 0,25 м, участка охлаждения 3.5 м, а нисходящий участок — 2,5 м. Секция предварительного нагрева используется для предварительного нагрева рабочей жидкости в трубопроводе до заданной температуры. Секция нагрева используется для продолжения нагрева рабочей жидкости и достижения рабочей температуры. Секция охлаждения используется для охлаждения рабочего тела в трубопроводе, и, наконец, рабочая жидкость образует естественную циркуляцию в трубопроводе. Чтобы гарантировать, что разница в потоке и теплопередаче не зависит от таких условий, как размер и высота петли, геометрические модели различных жидких металлов согласованы.

Создание сетки

Контур естественной циркуляции представляет собой сетку, часть структуры которой показана на Рисунке 2.

Рисунок 2 . Разбиение сетки.

Как видно из рисунка 2, модель контура естественной циркуляции имеет сетку о-типа. Чтобы повысить точность расчета, граничный слой зашифрован в настройках сетки, а количество сеток составляет 823674. Соответствующая информация о конкретном разделении узлов в каждой позиции показана в таблице 1.

Таблица 1 . Информация о делении узлов сети.

Граничные условия

Граничные условия согласованы при изучении характеристик теплопередачи естественной циркуляции различных жидких металлов. Поскольку температура плавления свинца высока, начальная температура области жидкости устанавливается равной 610 К. Когда мощность слишком велика, температура жидкости на выходе очень высока. По сравнению со свинцом и сплавом свинец-висмут, натрий и сплав натрий-калий имеют более низкую температуру кипения.Чтобы металл оставался в однофазном жидком состоянии, максимальная регулируемая мощность составляет 30 кВт / м 2 . В жидком диапазоне были изучены характеристики теплопередачи естественной циркуляции четырех металлов. Исходные параметры приведены в таблице 2.

Таблица 2 . Диапазон параметров.

Для удобства анализа мощность, давление и температура обозначены буквами A, B и C соответственно. Тогда эффект взаимодействия мощности и давления равен AB, эффект взаимодействия мощности и температуры — AC, эффект взаимодействия давления и температуры — BC, а эффект полного взаимодействия мощности, давления и температуры — ABC. .

Информация о стандартах конвергенции

В настройках управления решателя конкретные настройки решателя и информация о критериях сходимости показаны в таблице 3.

Таблица 3 . Сходимость стандартной информации.

Анализ чувствительности сетки

Влияние количества сеток на результаты расчетов было изучено для проверки чувствительности сетки. Количество сеток — 21640, 548262, 823674 и 1041780 соответственно. На примере сплава свинец-висмут изменение температуры основного потока в зависимости от осевого положения секции нагрева показано на рисунке 3.

Рисунок 3 . Анализ чувствительности сети.

Из рисунка 3 видно, что температуры основного потока в различных осевых положениях в основном одинаковы при количестве ячеек 823674 и 1041780. Следовательно, более целесообразно разделить число ячеек на 823674 на основе экономичного и точного расчета. процесс.

Расчетная модель факторного анализа

Факторный анализ (Jingjing et al., 2014) — это метод экспериментального дизайна, который можно использовать для изучения влияния отдельных факторов и взаимодействия между факторами.Когда уровень и количество факторов невелики, а взаимосвязь между факторами и эффектами более сложна, факторный анализ является хорошим аналитическим инструментом. Двухуровневый факторный тест k факторов записывается как факторный анализ 2 k (представляющий k факторов, каждый фактор имеет 2 уровня). Это наиболее часто используемый метод анализа, который может использовать относительно небольшую выборку для получения дополнительной информации, особенно факторный интерактивный анализ. Сравнение эффекта AB K показано в уравнении (1).

(Контраст) AB… K = (a ± 1) (b ± 1) ⋯ (k ± 1) (1)

(1) В формуле (1) (Контрастность) AB … K представляет собой сравнение эффектов; a, b и k представляют соответствующие коэффициенты. В расширении (1) используйте метод элементарной алгебры, чтобы расширить его, и замените «1» на [1], что означает, что все факторы принимают низкий уровень. Отрицательный знак в круглых скобках означает, что коэффициент принят, а положительный знак указывает, что коэффициент не принимается. После того, как эффекты рассчитаны, их предполагаемые эффекты и их сумма квадратов могут быть рассчитаны отдельно.

AB ⋯ K = 22nk (ContrastAB ⋯ K) (2) SSAB ⋯ K = 12nk (ContrastAB ⋯ K) 2 (3)

Среди них AB… K представляет собой оценку эффекта, SS AB… K представляет собой сумму квадратов эффектов, n представляет собой количество повторных экспериментов.

y — это значение отклика, x i ( i = 1, 2, 3) представляет каждый фактор, а формула подгонки показана в (4).

y = α0 + ∑αixi + ∑αijxixj + α123x1x2x3 (4)

Среди них α 0 , α i , α ij , α 123 — это, соответственно, среднее значение, влияние фактора i, влияние взаимодействия факторов i и j. , эффект взаимодействия трех факторов.

Результаты расчетов

Влияние мощности нагрева на теплопередачу потока

Влияние мощности на коэффициент теплопередачи

Рабочие жидкости: жидкий натрий, натрий-калиевый сплав, свинец и свинцово-висмутовый сплав. Предварительно установленное давление в системе составляет 1 МПа, температура секции предварительного нагрева — 620 K, температура секции охлаждения — 610 K, а удельная мощность колеблется от 2 до 30 кВт / м 2 . Тенденция изменения коэффициента теплопередачи четырех жидких металлов в зависимости от мощности показана на рисунке 4.

Рисунок 4 . Влияние мощности нагрева на коэффициенты теплоотдачи различных жидких металлов.

Из рисунка 4 видно, что коэффициент теплопередачи жидкого натрия уменьшается с увеличением мощности нагрева, а коэффициент теплопередачи натрий-калиевого сплава сначала увеличивается, а затем уменьшается с увеличением мощности. Коэффициент теплопередачи свинца и свинца-висмута увеличивается с увеличением мощности. Хотя коэффициент теплопередачи жидкого натрия отрицательно коррелирует с мощностью, коэффициент теплопередачи натрия намного больше, чем у натрий-калиевого сплава, свинца и свинцово-висмутового сплава.Поскольку жидкий металл имеет общее физическое свойство, его молекулярная теплопроводность велика, а молекулярное число Прандтля намного меньше, чем у обычной жидкости. Следовательно, молекулярная термодиффузионная способность намного лучше, чем импульсная диффузионная способность, молекулярная теплопроводность сильнее, чем турбулентный перенос тепла, а теплопроводность играет роль в содействии теплопередаче. Теплопроводность жидкого натрия больше, чем у трех других жидких металлов, а его удельная теплоемкость при постоянном давлении выше, чем у других металлов.Таким образом, эффективность теплопередачи лучше при тех же условиях мощности. Тенденция изменения коэффициента теплопередачи четырех металлов в зависимости от мощности в основном зависит от теплопроводности и разницы температур между горячей и холодной секциями. По мере увеличения мощности температура жидкости увеличивается. Теплопроводность жидкого натрия уменьшается с повышением температуры. В то же время с увеличением мощности разница температур между холодной и горячей секциями жидкости увеличивается, а тепловая движущая сила жидкости также увеличивается, поэтому теплопередача жидкости увеличивается.По сравнению с тремя другими жидкими металлами, теплопроводность жидкого натрия сильно зависит от мощности. Теплопроводность занимает доминирующее положение, а усилением теплопередачи, вызванным разницей температур, можно пренебречь. Следовательно, тенденция изменения коэффициента теплопередачи согласуется с тенденцией изменения теплопроводности. Для свинца и свинца-висмута теплопроводность меньше зависит от температуры, а увеличение разницы температур, вызванное мощностью, увеличивает способность к теплопередаче.В результате коэффициент теплопередачи свинца и свинца-висмута увеличивается с увеличением мощности. Коэффициент теплопередачи натрий-калиевого сплава сначала увеличивается, а затем уменьшается с увеличением мощности. Следовательно, этому способствует коэффициент теплопроводности и разница температур при небольшой мощности. Коэффициент теплопередачи увеличивается сначала с увеличением мощности, и скорость увеличения является быстрой. Когда мощность велика, теплопроводность уменьшается с увеличением мощности, и тормозящее влияние теплопроводности на теплопередачу больше, чем стимулирующее влияние разницы температур на теплопередачу.Таким образом, коэффициент теплопередачи натрий-калиевого сплава уменьшается с увеличением мощности, а уменьшение скорости происходит медленно.

Влияние мощности на массовый расход

При неизменных граничных условиях массовый расход четырех жидких металлов изменяется в зависимости от мощности, как показано на Рисунке 5.

Рисунок 5 . Влияние мощности нагрева на массовый расход различных жидких металлов.

Как видно из рисунка 5, массовый расход жидкого натрия, натрий-калиевого сплава, свинца и свинцово-висмутового сплава увеличивается с увеличением мощности.Массовый расход свинца и сплава свинец-висмут больше, чем у сплава натрия и натрия-калия. Это главным образом потому, что плотность свинца и свинца-висмута намного выше, чем плотность натрия и натрия-калия. Даже если скорость потока свинца и свинца-висмута мала, массовый поток будет выше, чем у натрия и натрия-калия. Поэтому обычно бывает более точным, сравнивая скорость потока при сравнении циркуляционной способности различных жидких металлов.

Влияние мощности на скорость

Поддержание постоянных граничных условий и изменение скорости в зависимости от мощности, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6 . Влияние мощности нагрева на скорость движения различных жидких металлов.

Из рисунка 6 видно, что скорость различных жидких металлов увеличивается с увеличением мощности. Скорость натрия калия была самой высокой, за ней следовала скорость натрия, а скорость свинца и висмута была самой низкой. Вначале разница в скоростях между четырьмя жидкими металлами невелика. По мере увеличения мощности разрыв между скоростями увеличивается.Это в основном связано с тем, что температура жидкости увеличивается с увеличением мощности, тепловое расширение жидкости вызывает увеличение разницы плотности между горячей и холодной секциями, что приводит к увеличению напора привода и увеличению скорости. . По сравнению с тремя другими жидкими металлами, плотность натрий-калиевого сплава сильнее изменяется с температурой, поэтому его скорость наиболее резко увеличивается с увеличением мощности. Среди четырех жидких металлов способность сплава натрия и калия к естественной циркуляции является самой высокой.

Влияние мощности на температуру на выходе

Граничные условия остаются постоянными, а изменения выходной температуры четырех жидких металлов при включении питания показаны на Рисунке 7.

Рисунок 7 . Влияние мощности нагрева на температуру различных жидких металлов на выходе.

Как видно из рисунка 7, температуры на выходе различных жидких металлов увеличиваются с увеличением мощности. При такой же мощности натрий-калиевый сплав имеет самую высокую температуру на выходе.При более низкой мощности нагрева температура на выходе из свинца и свинца-висмута ниже температуры на выходе из натрия. Когда мощность достигает примерно 5 кВт / м 2 , выходная температура свинца и свинца-висмута превышает температуру натрия, и сохраняется тенденция к превышению. Это связано с тем, что удельная теплоемкость натрия больше, чем у свинца и сплава свинец-висмут. Следовательно, повышение температуры, вызванное свинцом и свинцом-висмутом, больше, когда поглощается одно и то же тепло. При меньшей мощности теплопроводность абсолютно превосходит удельную теплоемкость жидкого натрия.В результате жидкий натрий может поглощать больше тепла при той же мощности, и эффективность теплопередачи выше. Следовательно, его температура на выходе больше, чем у свинца и свинца-висмута в целом. При дальнейшем увеличении мощности теплопроводность натрия уменьшается с увеличением мощности, теплопроводность свинца и свинца-висмута увеличивается с увеличением мощности. Таким образом, преимущество в теплопроводности натрия ослабляется, и разница в теплопроводности между натрием и свинцовым сплавом свинец-висмут уменьшается.В это время доминирующее положение занимает разница в удельной теплоемкости, что приводит к более высокой выходной температуре свинца и свинца-висмута.

Влияние давления на теплопередачу потока

Рабочие жидкости: жидкий натрий, натрий-калиевый сплав, свинец и свинцово-висмутовый сплав. Температура секции предварительного нагрева 620 K, температура секции охлаждения 610 K, удельная мощность 20 кВт / м 2 , значения давления 1, 2, 3, 4 и 5 МПа соответственно.Коэффициент теплопередачи, массовый расход, скорость и температура на выходе четырех жидких металлов изменяются в зависимости от давления, как показано на Рисунке 8.

Рисунок 8 . Эффект давления. (A) Влияние давления на коэффициент теплопередачи, (B) влияние давления на массовый расход, (C) влияние давления на скорость и (D) влияние давления на температуру на выходе.

Как видно из рисунка 8, коэффициент теплопередачи жидкого натрия имеет тенденцию незначительно уменьшаться с увеличением давления, в то время как у сплава натрий-калий, с другой стороны, имеет тенденцию к увеличению.Из раздела «Влияние факторов на коэффициент теплопередачи» можно увидеть, что на коэффициент теплопередачи натрия в основном влияет взаимодействие мощности и давления, и коэффициент вклада составляет около 32,73%. Следовательно, давление влияет на коэффициент теплопередачи за счет связи с мощностью. Для натрий-калиевых сплавов на коэффициент теплопередачи влияет взаимодействие температуры и давления на входе. Давление влияет на коэффициент теплопередачи за счет связи с температурой на входе.Для свинца и свинца-висмута нет взаимодействия между давлением и мощностью или температурой, поэтому его коэффициенты теплопередачи мало меняются с давлением. В целом влияние давления на коэффициент теплопередачи жидких металлов не очевидно. Давление практически не влияет на массовый расход, скорость и температуру жидкого металла на выходе. При одинаковом давлении скорость движения натрий-калиевого сплава, натрия, свинцово-висмутового сплава и свинца последовательно уменьшается. Скорость не изменяется с давлением, потому что плотность жидкого металла меньше зависит от давления.Повышение давления не вызывает изменения разницы плотностей горячего и холодного участков. Приводная головка системы имеет тенденцию к устойчивости, поэтому скорость потока жидкого металла не изменяется. Влияние давления на физические свойства жидкого металла невелико, поэтому температура на выходе различных жидких металлов имеет тенденцию быть стабильной.

Влияние температуры на входе на теплопередачу потока

Рабочие жидкости: жидкий натрий, натрий-калиевый сплав, свинец и свинцово-висмутовый сплав.Температура секции охлаждения составляет 610 K, удельная мощность составляет 20 кВт / м 2 , а температура секции предварительного нагрева — это температура на входе секции нагрева, и значения равны 620, 650, 680, 710 и 740 K, соответственно. Коэффициент теплопередачи, массовый расход, скорость и температура на выходе четырех жидких металлов зависят от температуры на входе, как показано на Рисунке 9.

Рисунок 9 . Влияние температуры на входе. (A) Влияние температуры на входе на коэффициент теплопередачи, (B) влияние температуры на входе на массовый расход, (C) влияние температуры на входе на скорость потока и (D) влияние температуры на входе от температуры на выходе.

Как видно из рисунка 9, коэффициент теплопередачи жидкого натрия уменьшается с увеличением температуры на входе. Температура на входе не влияет на коэффициент теплопередачи натрий-калиевого сплава, свинца и свинца-висмута. Это происходит главным образом потому, что теплопроводность жидкого натрия значительно изменяется с температурой, в то время как теплопроводность натрий-калиевых сплавов, свинца и свинца-висмута имеет меньшую тенденцию с температурой. Массовый расход, скорость и температура жидкого металла на выходе увеличиваются с увеличением температуры на входе.Плотность свинца и сплава свинец-висмут намного больше, чем у сплава натрия и натрия-калия, поэтому увеличение массового расхода более очевидно, чем у последнего. Однако увеличение скорости сплава натрий-калий и натрия было немного больше, чем у свинца и сплава свинец-висмут. При определенной мощности увеличение температуры жидкого металла на входе вызывает повышение температуры на выходе, что приводит к увеличению разницы температур между горячей и холодной секциями.В то же время это увеличивает движущую силу системы. Таким образом, скорость жидкого металла увеличивается с увеличением температуры на входе. Скорость увеличения выходной температуры сплава свинец-висмут больше, чем у свинца. Следовательно, когда температура на входе увеличивается до определенного значения, температура на выходе из свинца-висмута выше, чем температура на выходе из свинца. Это происходит главным образом потому, что удельная теплоемкость свинца увеличивается с увеличением температуры, а удельная теплоемкость свинца-висмута уменьшается с увеличением температуры, поэтому при поглощении того же количества тепла тенденция к повышению температуры свинца -висмут более очевиден.

Проверка результатов моделирования

Ma et al. (2007) провели экспериментальное исследование массового расхода и скорости естественной циркуляции свинца-висмута. Сравнение результатов моделирования и экспериментальных данных показано на рисунке 10.

Рисунок 10 . Сравнение результатов эксперимента и моделирования.

На рисунке 10, из-за разницы в размере модели между экспериментом и симуляцией, метод безразмерного среднего используется для работы с разницей температур, массовым расходом и скоростью потока.ΔT — разница температур между горячей и холодной секциями, ΔT ave — средняя разность температур, W — массовый расход, W ave — средний массовый расход, U — скорость потока, U ave — средняя скорость потока. Расчетные данные сравниваются с экспериментальными данными безразмерным методом. Тенденция изменения результатов экспериментов и моделирования в основном одинакова, поэтому можно определить адаптивность установленной имитационной модели.

Факторный анализ

Влияние взаимодействия на коэффициент теплопередачи

С помощью метода факторного анализа анализируется взаимодействие между факторами. Влияние взаимодействия на коэффициенты теплопередачи различных жидких металлов показано на рисунке 11.

Рисунок 11 . Влияние взаимодействия на коэффициенты теплоотдачи различных жидких металлов. (A) Влияние натрия на коэффициент теплопередачи, (B) влияние на коэффициент теплопередачи натрий-калиевого сплава, (C) влияние на коэффициент теплопередачи свинца и (D) влияние на коэффициент теплопередачи свинца-висмута.

Из рисунка 11 видно, что влияние факторов на коэффициент теплопередачи естественного цикла жидкого металла. Когда влияние одного фактора изменяется с другими факторами, и разница между ними превышает диапазон случайных колебаний, указывается взаимодействие между ними. На рисунке 11, если две линии пересекаются, это означает, что существует взаимодействие между двумя факторами; если две линии почти параллельны, это означает, что взаимодействие между двумя факторами можно игнорировать.Среди факторов, влияющих на коэффициент теплопередачи жидкого натрия, есть взаимодействие между мощностью и давлением. Среди факторов, влияющих на коэффициент теплопередачи натрий-калиевых сплавов, есть взаимодействие между давлением и температурой на входе. Взаимодействие факторов, влияющих на коэффициент теплопередачи жидкого свинца, отсутствует. Что касается факторов, влияющих на коэффициент теплопередачи свинца-висмута, существует взаимодействие между мощностью и входной температурой; в то время как для мощности и давления, хотя две прямые линии имеют определенный наклон, они почти параллельны, и можно видеть, что взаимодействие невелико и им можно пренебречь.

Влияние факторов на коэффициент теплопередачи

Подставляя данные расчета в разделе «Результаты расчетов» в формулы (1) — (3), можно получить предполагаемый эффект и взаимодействие между факторами. Полунормальная вероятность влияния коэффициента теплопередачи показана на рисунке 12.

Рисунок 12 . Полунормальная вероятность влияния коэффициента теплоотдачи. (A) Влияние коэффициента теплопередачи натрия, (B) влияние коэффициента теплопередачи натрий-калиевого сплава, (C) влияние коэффициента теплопередачи свинца и (D) влияние коэффициент теплопередачи свинца-висмута.

На рисунке 12 пренебрежимо малый эффект распределен нормально и обычно падает рядом с линией на графике. Эффект дальше от прямой указывает, что фактор статистически значим и имеет наибольшее влияние на коэффициент теплопередачи. Доля процентного вклада эффекта определяется отношением суммы квадратов эффектов к общей сумме квадратов, что указывает на степень зависимости между влияющими факторами и коэффициентом теплопередачи.Для жидкого натрия, за исключением эффекта A, эффекта AB и эффекта C, другие эффекты незначительны. Эффект А отклоняется от линии дальше всего, указывая на то, что он имеет наибольшее влияние на коэффициент теплопередачи, и его доля составляет около 40,16%; степень вклада эффекта AB составляет около 32,73%, что указывает на взаимодействие между мощностью и давлением; ставка вклада эффекта C составляет около 6,79%. Для натрий-калиевого сплава эффект A имеет наибольшее влияние на коэффициент теплопередачи, и коэффициент вклада составляет около 78.16%; степень вклада эффекта BC в коэффициент теплопередачи составляет около 7,70%, что указывает на наличие взаимодействия между давлением и температурой на входе; другие эффекты незначительны для натрий-калиевых сплавов. Для жидкого свинца, за исключением эффекта A, другие эффекты незначительны, и степень вклада эффекта A в коэффициент теплопередачи составляет около 97,95%. Для сплавов свинец-висмут доля эффекта A составляет около 92,19%; коэффициент влияния AC составляет около 5.62%, поэтому существует взаимосвязь между мощностью и температурой на входе; другие эффекты пренебрежимо малы для сплавов свинец-висмут.

Заключение

Течение и теплопередача при естественной циркуляции жидкого металла были численно смоделированы с помощью CFX. Факторы влияния сравнивались с помощью факторного анализа. Было получено влияние мощности, давления и температуры на входе на коэффициент теплопередачи жидкого металла.

(1) Коэффициент теплопередачи жидкого натрия уменьшается с увеличением мощности, тогда как коэффициент теплопередачи жидкого свинца и свинца-висмута увеличивается с увеличением мощности, а коэффициент теплопередачи натрий-калиевого сплава увеличивается в первую очередь и затем уменьшается с увеличением мощности.В тех же условиях натрий имеет лучшие характеристики теплопередачи, а его коэффициент теплопередачи намного больше, чем у трех других жидких металлов. Сплав натрий-калий обладает самой сильной способностью к естественной циркуляции, а его скорость потока выше, чем у других жидких металлов.

(2) Давление практически не влияет на скорость потока и температуру на выходе жидкого металла. На коэффициент теплопередачи жидкого натрия и натрий-калиевого сплава влияет давление.На коэффициент теплопередачи натрия влияет взаимодействие мощности и давления, и коэффициент вклада составляет около 32,73%. Следовательно, давление влияет на коэффициент теплопередачи за счет связи с мощностью. Для натрий-калиевых сплавов давление влияет на коэффициент теплопередачи за счет связи с температурой на входе. Для свинца и сплава свинец-висмут нет взаимодействия между давлением и мощностью или температурой, поэтому их коэффициенты теплопередачи мало изменяются с давлением.

(3) Для коэффициента теплопередачи четырех жидких металлов мощность является наиболее важным фактором. Степень вклада мощности в коэффициенты теплопередачи жидкого натрия, натрий-калиевого сплава, свинца и свинцово-висмутового сплава достигла 40,16, 78,16, 97,95 и 92,19% соответственно. Помимо свинца, на коэффициенты теплопередачи натрия, натрий-калиевого сплава и сплава свинец-висмут влияет взаимодействие между факторами. Следовательно, при улучшении коэффициента теплопередачи натрия, сплава натрий-калий и сплава свинец-висмут невозможно просто проанализировать влияние одного из факторов, и необходимо всесторонне рассмотреть взаимосвязь между факторами.

Заявление о доступности данных

Все наборы данных, созданные для этого исследования, включены в статью / дополнительный материал.

Авторские взносы

Все перечисленные авторы внесли существенный, прямой и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее к публикации.

Финансирование

Этот проект поддержан Фондом естественных наук муниципалитета Пекина (3172032).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

Боргохайн А., Махешвари Н. К. и Виджаян П. К. (2016). Эксперименты с естественной циркуляцией в свинцово-висмутовой петле неоднородного диаметра и проверка кода LeBENC. Progress Nuclear Energy 91, 68–82. DOI: 10.1016 / j.pnucene.2016.03.005

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чанг, В. П., и Хан, Д. (2002). «Разработка модели двухфазного потока натрия для анализа керна Kalimer», в International Conference on Nuclear Engineering (Вашингтон, округ Колумбия: Американское общество инженеров-механиков), 333–341.

Google Scholar

Дункан, Дж. Д. (1988). SBWR, упрощенный реактор с кипящей водой. Nuclear Eng. Дизайн. 109, 73–77. DOI: 10.1016 / 0029-5493 (88)

-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Gaiying, W., Qing, B., Sheng, G., Min, Z., and Qunying, H. (2012). Предварительные исследования технологии измерения концентрации кислорода в жидком свинце висмуте. Nuclear Sci. Англ. 32, 165–169. DOI: 10.3969 / j.issn.0258-0918.2012.02.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гао, Ю., Такахаши М., Номура М. (2015). Экспериментальное исследование диффузии Ni в эвтектике свинец-висмут (LBE). Energy Proc. 71, 313–319. DOI: 10.1016 / j.egypro.2014.11.884

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хашим, М., Йошикава, Х., Мацуока, Т., и Ян, М. (2014). Количественная динамическая оценка надежности систем пассивной безопасности AP1000 с использованием методологии FMEA и GO-FLOW. J. Nuclear Sci. Technol. 51, 526–542. DOI: 10.1080 / 00223131.2014.881727

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Jingjing, L., Tao, Z., Qijun, H., and Zejun, X. (2014). Исследование устойчивости естественного циркуляционного потока сверхкритической воды на основе факторного анализа. Nuclear Power Eng . 35, 66–69. DOI: 10.13832 / j.jnpe.2014.05.0066

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю, X. (2015). Анализ строительства зарубежных моделей реакторов на суше и их вклад в развитие ядерно-энергетического оборудования для кораблей. Подбородок. Корабль Res. 10, 84–91. DOI: 10.3969 / j.issn.1673-3185.2015.03.014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ма, Д., Чжоу, Т., Чен, Дж., Ци, С., Шахзад, М. А., и Сяо, З. (2017). Анализ прогноза коэффициента теплоотдачи сверхкритической воды на основе нейронной сети БП. Nuclear Eng. Des. 320, 400–408. DOI: 10.1016 / j.nucengdes.2017.06.013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ма, В., Карбоджян, А., Сегал, Б.Р. (2007). Экспериментальное исследование естественной циркуляции и ее устойчивости в петле тяжелого жидкого металла. Nuclear Eng. Проект 237, 1838–1847 гг. DOI: 10.1016 / j.nucengdes.2007.02.023

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тарантино, М., Грандис, С. Д., Бенамати, Г., и Ориоло, Ф. (2008). Естественная циркуляция в жидкометаллической одномерной петле. J. Nuclear Mater. 376, 409–414. DOI: 10.1016 / j.jnucmat.2008.02.080

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, Л., Chen, P., Zhou, Y., Li, W., Tang, C., Miao, Y., et al. (2018). Экспериментальное исследование конденсации пара с воздухом из вертикальных трубных пучков. Фронт. Energy Res. 6:32. DOI: 10.3389 / fenrg.2018.00032

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ватанабэ, О., Ояма, К., Эндо, Дж., Дода, Н., Оно, А., Камиде, Х. и др. (2015). Разработка методологии оценки системы отвода остаточного тепла естественной циркуляции в быстром реакторе с натриевым теплоносителем. Дж.Ядерная наука. Technol. 52, 1102–1121. DOI: 10.1080 / 00223131.2014.994049

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Qiu, Z., Lan, Z., Ma, Z., Qiu, S., Zan, Y, Xing, D., et al. (2016). Теоретическое исследование характеристик теплопередачи двухфазного потока жидкометаллического натрия при кипении. Nuclear Power Eng. 37, 124–127. DOI: 10.13832 / j.jnpe.2016.S2.0121

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ягов В.В., Зубов Н.О., Кабаньков О.Н., и Сукомель, Л.А. (2019). Экспериментальное и расчетное исследование теплогидравлических характеристик контура естественной циркуляции. Thermal Eng. 66, 477–490. DOI: 10.1134 / S00406015103

CrossRef Полный текст | Google Scholar

IRJET-Запрошенная вами страница не найдена на нашем сайте

IRJET приглашает статьи по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 11 (ноябрь 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 11, Ноя 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы управления качеством.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 11 (ноябрь 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 11, ноябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы управления качеством.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 11 (ноябрь 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 11, ноябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы управления качеством.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 11 (ноябрь 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 11, ноябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы управления качеством.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 11 (ноябрь 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 11, ноябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы управления качеством.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 11 (ноябрь 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 11, ноябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы управления качеством.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 11 (ноябрь 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 11, ноябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы управления качеством.


IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 11 (ноябрь 2021 г.)

Отправить сейчас


IRJET Vol-8, выпуск 11, ноябрь 2021 г. Публикация продолжается…

Обзор статей


IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь


IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы управления качеством.


Системы водяного отопления

Гидравлические системы отопления — это системы водяного отопления, в которых вода используется в качестве среды для передачи и передачи тепла в различные помещения и пространства внутри конструкции.Системы водяного отопления основаны либо на принципе самотечного нагрева, либо на принудительной циркуляции. Водяное отопление или водяное отопление широко применяется в жилых и коммерческих сооружениях.

В типичной системе водяного отопления вода нагревается в бойлере или водонагревателе и циркулирует по трубам к плинтусным конвекторам или радиаторам, расположенным в разных комнатах. Источником энергии, используемым для нагрева воды, может быть нефть, природный газ, пропан, электричество или твердое топливо, в зависимости от типа нагревательного блока.



Горячая вода циркулирует по трубам к плинтусным конвекторам или радиаторам, расположенным вдоль стен комнат, или через излучающие панели, установленные в полах или потолках. Расположенный в центре термостат контролирует температуру в небольших жилых и коммерческих зданиях. Когда термостат требует тепла, бойлер или водонагреватель нагревает воду, нагревает воду и направляет ее к комнатным конвекторам или панелям лучистого отопления, где она выпускается и распределяется по комнатам за счет естественной конвекции.

В больших домах и коммерческих зданиях системы отопления зонируются с помощью индивидуальных термостатов, контролирующих температуру в каждой зоне.

Классификация систем водяного отопления

Системы водяного отопления можно классифицировать по разным критериям в зависимости от используемых критериев. Общепризнанно следующие классификационные категории:

  • Тип циркуляции воды;
  • Расположение трубопроводов;
  • Температура подаваемой воды.

Во всех системах водяного отопления циркуляция воды осуществляется либо путем естественного течения, либо путем принудительного протекания ее по линии. Первая называется системой нагрева горячей воды самотеком , потому что циркуляция возникает из-за разницы в весе воды, вызванной разницей температур (тяжелая, когда холодная, легкая, когда горячая).

В системе водяного отопления ускоренная циркуляция воды может быть результатом:

  • Использование высокого давления;
  • Нагрев оборотной воды и конденсация пара;
  • Подача пара или воздуха в основной стояк;
  • Использование комбинации насосов и местных бустеров;
  • Использование только насосов.

Если в системе водяного отопления используется температура подаваемой воды выше 250 град. F, классифицируется как высокотемпературная система . Системы высокотемпературного отопления широко используются в крупных отопительных установках, таких как коммерческие или промышленные здания.

A система низкотемпературного отопления — система, имеющая температуру подаваемой воды ниже 250 град. F и обычно используется в жилых и небольших коммерческих зданиях.

Преимущества систем водяного отопления

Использование водяного отопления имеет ряд преимуществ по сравнению с паровым и воздушным отоплением. Вот некоторые из этих преимуществ:

  • Водяное отопление более гибкое, чем паровые системы низкого давления, поскольку температура может варьироваться в широких пределах.
  • Из-за низкой рабочей температуры воды тепло от системы водяного отопления относительно мягкое, и воздух не становится слишком сухим.
  • Функционируют как резервуар для хранения тепла, так как радиаторы остаются теплыми в течение некоторого времени после тушения пожара в котле.
  • Системы водяного отопления обеспечивают равномерное и комфортное тепло без проблем расслоения воздуха и холодных карманов.
  • Комфортный уровень влажности.
  • На циркуляцию воды расходуется меньше энергии, чем на продувку воздуха по каналам.
  • Тихая работа.
  • Легкое зонирование.

Недостатки систем водяного отопления

Основным недостатком систем водяного (водяного) отопления является первоначальная стоимость установки, которая оказывается выше по сравнению с системами отопления с принудительным теплым воздухом (FWA).Другие общеизвестные недостатки:

  • Более медленная тепловая реакция;
  • Застойный воздух из-за отсутствия вентиляции;
  • Плинтусные конвекторы могут мешать расстановке мебели;
  • Конденсация в некоторых системах охлаждения Hydronic.

Улучшение теплопередачи с использованием CO2 в контуре естественной циркуляции

Реферат

Контур естественной циркуляции (NCL) является высоконадежным и бесшумным устройством теплопередачи благодаря отсутствию движущихся компонентов.Рабочая жидкость, используемая в контуре естественной циркуляции, играет важную роль в улучшении теплопередачи контура. Это экспериментальное исследование исследует докритические и сверхкритические характеристики теплопередачи в контуре естественной циркуляции (NCL) с CO 2 в качестве рабочего тела. Рабочие давления и температуры изменяются таким образом, чтобы жидкость контура оставалась в заданном состоянии (переохлажденная жидкость, двухфазная, перегретый пар, сверхкритическое состояние). Вода и метанол используются в качестве внешних жидкостей в холодных и горячих теплообменниках для температур выше нуля и ниже нуля (в ° C) соответственно, в зависимости от рабочей температуры.Для циркуляционных жидкостей производительность CO 2 сравнивается с водой при положительных температурах и с рассолом при отрицательных температурах. Кроме того, также изучается влияние рабочего давления контура (35–90 бар) на производительность системы. Для температуры на входе горячего теплообменника (от 5 до 70 ° C) и температуры на входе холодного теплообменника (от -18 до 32 ° C) было отмечено, что максимальные скорости теплопередачи в случае докритического пара, подкритической жидкости, двухфазной и сверхкритические системы на основе CO 2 на 400%, 500%, 900% и 800% выше, чем системы на основе воды / рассола соответственно.

Тематические термины: Машиностроение, гидродинамика

Введение

Контуры теплопередачи (вторичные контуры) подразделяются на контур принудительной циркуляции (FCL) и контур естественной циркуляции (NCL). Контур принудительной циркуляции — это активная система, для которой требуется насос или компрессор для управления потоком жидкости, тогда как контур естественной циркуляции (NCL) представляет собой простую систему, в которой поток жидкости происходит из-за градиента плотности, вызванного наложенной разницей температур.

В NCL радиатор расположен выше, чем источник тепла. Это устанавливает градиент плотности в системе, из-за которого более легкая (более теплая) жидкость поднимается вверх, а более тяжелая (более холодная) жидкость движется вниз. Следовательно, тепловая энергия может передаваться от высокотемпературного источника к низкотемпературному приемнику без прямого контакта друг с другом, а также без использования какого-либо первичного двигателя.

NCL предпочтительнее контура с принудительной конвекцией, где безопасность является превыше всего.Он также обеспечивает бесшумную и необслуживаемую работу. NCL является многообещающим вариантом во многих инженерных приложениях, таких как ядерные реакторы 1 , химическая экстракция 2 , 3 электронная система охлаждения 4 , солнечные нагреватели 5 10 , геотермальные приложения 11 , 12 , системы криогенного охлаждения 13 , охлаждение лопаток турбины 14 , термосифонные ребойлеры 15 , 16 и кондиционирование воздуха , и 17 и др.По сравнению с системами с принудительной конвекцией скорость теплопередачи в системах с естественной конвекцией находится на более низком уровне, и ее улучшение является сложной задачей. Исследователи пытаются разными способами улучшить скорость теплопередачи, например, используя различные рабочие жидкости / наножидкости. Misale и др. . 18 и Наяк и др. . 19 экспериментально сообщил об увеличении скорости теплопередачи на 10–13% с наножидкостью (Al 2 O 3 + вода) по сравнению с NCL на водной основе.

Выбор рабочих жидкостей для NCL обычно осуществляется на основе некоторых благоприятных теплофизических свойств. Обычно используемые рабочие жидкости можно разделить на водные и неводные. Водные растворы, как правило, представляют собой продукты на основе соли или спирта. Они обладают одним или несколькими неблагоприятными эффектами, такими как коррозионная активность, токсичность, высокое значение pH и т. Д. Неводные растворы представляют собой коммерчески доступные химические вещества.

В последние годы CO 2 приобрел популярность в качестве петлевой жидкости в NCL благодаря своим превосходным теплофизическим свойствам и экологичности (отсутствие потенциала разрушения озонового слоя и незначительный потенциал глобального потепления) и использовался для различных приложений, таких как солнечное тепло. коллектор 20 , тепловой насос 21 , геотермальная система 22 и т. д.Пригодность CO 2 в качестве петлевого флюида была изучена Kiran Kumar и др. . 23 для NCL, а также Ядав и др. . 24 для контура принудительной циркуляции.

Любые жидкости, работающие в области, близкой к критической, демонстрируют очень хорошие характеристики теплопередачи и потока жидкости благодаря своим благоприятным теплофизическим свойствам. Углекислый газ имеет преимущество низкой критической температуры (~ 31 ° C) и вполне разумного критического давления (73.7 бар).

Swapnalee и др. . 25 провели экспериментальные исследования по изучению статической нестабильности сверхкритических СО 2 и НКЛ на водной основе с нагревателем в качестве источника тепла. Kiran и др. . 26 провели эксперименты и изучили поведение теплопередачи NCL с использованием докритического CO 2 с ограниченным диапазоном температуры и давления.

Хотя экспериментальных исследований очень мало из-за риска, связанного с работой с CO 2 при высоком рабочем давлении, достаточно большое количество численных исследований поведения теплопередачи для NCL на основе CO 2 доступно в открытая литература 27 29 .

Киран Кумар и др. . 27 выполнили численное исследование по стационарному анализу однофазных прямоугольных NCL с параллельными потоками теплообменников типа «труба в трубе». Ядав и др. . 28 выполнили переходный анализ контура естественной циркуляции (NCL) на основе диоксида углерода с торцевыми теплообменниками. Басу и др. . 29 , направлена ​​на разработку теоретической модели для моделирования стационарных характеристик прямоугольного однофазного контура естественной циркуляции и исследования роли различных геометрических параметров в поведении системы.Ядав и др. . 30 провели трехмерное исследование CFD и заявили, что скорость теплопередачи на ~ 700% выше в случае докритической жидкости, а также сверхкритического CO 2 по сравнению с водой. Двумерный анализ при 90 бар для различных температур источника тепла показал нестабильность, связанную со сверхкритическим потоком 31 , 32 .

Обширные численные исследования 27 29 на CO Доступны 2 NCL на основе с различными конфигурациями.Однако в литературе сообщается об очень небольшом количестве экспериментальных исследований из-за риска, связанного с обращением с CO 2 при более высоком рабочем давлении. Как и в большинстве инженерных исследований, имеющих практическое значение, экспериментальные исследования являются эталоном. Экспериментальные исследования NCL с использованием сверхкритического / субкритического CO 2 с концевыми теплообменниками в широком диапазоне температур, охватывающем отрицательную температуру, ограничены. Чтобы заполнить эту критическую пустоту, в данном экспериментальном исследовании представлено исследование поведения теплопередачи субкритических / сверхкритических НКЛ на основе CO 2 с торцевыми теплообменниками для широкого применения в диапазоне от минусовых (-18 ° C) до плюсовых (70 ° С). ° C) температуры.Исследование также включает в себя явление теплопередачи в однофазном (жидкость и пар) и двухфазном НХЛ на основе CO 2 . Далее сравниваются скорости теплопередачи воды (для положительной температуры) и рассола (для отрицательной температуры) в NCL.

Детали эксперимента

Полное изображение испытательной установки представлено на рис. Испытательная установка состоит из резервуара CO 2 , теплообменников типа «труба в трубе» (горячего и холодного) с вертикальными трубами (стояка и спускного стакана).

Схема НКУ с торцевыми теплообменниками. (1) Цилиндр резервуара CO 2 , (2) Термостатическая ванна для HHX, (3) Термостатическая ванна для CHX (4) Система сбора данных, (5) Увеличенная часть внутренней конструкции термопары (гайка и наконечник).

Термопары Т-типа соответствующей длины подключаются для измерения температуры текучей среды контура (CO 2 / вода / солевой раствор) и внешней текучей среды (вода / метанол), которая течет внутри внутренней трубы и кольцевого пространства, соответственно, как показано на рис..

Фотографический вид действующего объекта представлен на рис. Контур естественной циркуляции 2 × 2 м изготовлен из нержавеющей стали (SS-316), имеет внешний диаметр 32 мм, внутренний диаметр 26 мм, толщину 3 мм и выдерживает давление до 250 бар. Для управления теплопередачей от контура к окружающей среде весь контур изолирован асбестовым тросом и изоляционным материалом из вспененной ленты толщиной 3 мм каждый. Теплообменники длиной 1600 мм, наружным диаметром 51 мм и толщиной 3 мм.

Экспериментальная установка. (1) Термостатическая ванна — 1 (HHX), (2) DAQ, (3) Компьютер для чтения данных DAQ, (4) Термостатическая ванна -2 (CHX), (5) Манометр, (6) Ротаметр, (7) Датчик перепада давления, (8) предохранительный клапан, (9) цилиндр CO 2 , (10) вакуумный насос.

Две термостатические ванны (Thermo Scientific PC200) с мощностью нагрева / охлаждения 2 кВт подают внешнюю жидкость (воду / метанол) с фиксированной температурой в теплообменники. Массовый расход внешних жидкостей измеряется с помощью двух калиброванных ротаметров (диапазон 2–20 л / мин) с клапаном, подключенных отдельно к HHX и CHX.

Манометр Бурдона с диапазоном 0–150 бар подключается для измерения давления в линии контура в центре правой ноги. Шесть термопар Т-типа используются для контроля температуры CO 2 в различных точках контура, термопары напрямую связаны с жидкостью внутреннего контура CO 2 , как показано на рис. Увеличенной части гайки и наконечника. договоренность. Система сбора данных (DAQ, Keighley — модель 2700) используется для регистрации различных температур контура.Геометрические характеристики испытательного стенда указаны в таблице. Рабочие параметры и их рабочий диапазон представлены в таблице для всего эксперимента.

Таблица 1

Геометрические параметры экспериментальной установки.

Толщина 4000 внешней стенки теплообменника
Детали петли Размер (мм)
Наружный диаметр петлевой трубы (d) 32
Внутренний диаметр петли 26
петля 3
Длина левой или правой петли (L1) 1800
Длина изгиба петли (наружная) 157
Длина изгиба петля (внутренняя) 122.5
Расстояние от теплообменника до изгиба контура 100
Детали теплообменника
Внешний диаметр теплообменника (D) 51
4
Длина теплообменника (L2) 1600
Кольцевое расстояние (радиальное) 5,5

Таблица 2

Диапазон рабочих параметров, учитываемых во время учиться.

00 −10–70 ° C 91
Параметры Диапазон Диапазон ошибок (%)
Температура горячей воды на входе ( T H )
Температура холодной воды на входе ( T C ) −18–32 ° C ± 0,05
Давление в системе 35–90 бар ± 2,5
жидкость расход (м) 5 л / мин ± 5.0

Методология

Холодный и горячий теплообменники испытываются на герметичность при давлении до 10 бар, а контур — на герметичность при давлении 150 бар. Позже весь контур естественной циркуляции откачивается, и необходимое количество CO 2 загружается в контур из цилиндра CO 2 . Зарядка CO 2 прекращается, как только давление жидкости в контуре достигает необходимого рабочего состояния. Внешняя жидкость заставляется течь внутри кольцевой трубы обоих теплообменников с заданными массовым расходом и температурами.Когда внешняя жидкость начинает течь, температура контура начинает изменяться с небольшим изменением давления контура. Для поддержания заданного рабочего давления CO 2 передается в / из цилиндра, в котором поддерживается рабочее давление. Эта практика продолжается до тех пор, пока цикл не достигнет устойчивого состояния. Считается, что контур достигает установившегося состояния, если переходные колебания всех температур и давлений составляют менее 0,5%.

При заданном рабочем давлении состояние CO 2 подтверждается мониторингом температуры во всех точках контура (однофазная, двухфазная или сверхкритическая фаза).Как только вся система достигает устойчивого состояния, результаты записываются. Чтобы сравнить результаты CO 2 в качестве жидкости контура, рассол используется в качестве жидкости контура для приложений с более низкими температурами, тогда как вода используется для приложений с температурой выше нуля. Метанол используется в качестве внешней жидкости для приложений с более низкими температурами (ниже 0 ° C) и воды в качестве внешней жидкости для приложений с более высокими температурами (выше 0 ° C).

Чтобы обеспечить условия турбулентного потока для внешней жидкости, массовый расход 0.083 кг / с (5 л / мин) поддерживается как в CHX, так и в HHX.

Скорость теплопередачи (Q) рассчитывается по формуле

Q = m × cp − HHX × ΔTHHX = m × cp − CHX × ΔTCHX

1

где m = массовый расход внешней жидкости в кг / с

c p HHX = удельная теплоемкость HHX в Дж / кг-К

c p CHX = удельная теплоемкость CHX в Дж / кг-K

ΔT HHX = разность температур HHX между входом и выходом

ΔT CHX = разница температур CHX между входом и выходом

Средняя температура рассчитывается по

, где T C = температура CHX на входе в ° C

T H = температура HHX на входе в ° C

Результаты и обсуждение

Это экспериментальное исследование охватывает широкий спектр приложений в диапазоне температур от -18 ° C до 70 ° C и рабочего давления от 35 бар до 90 бар.Скорость теплопередачи, перепад давления и распределение температуры однофазной (сверхкритической, жидкой и паровой) и двухфазной НКЖ на основе CO 2 по сравнению с контуром естественной циркуляции на основе воды / рассола при тех же рабочих температурах. Рабочее давление для воды и рассола в качестве жидкости контура поддерживается на уровне 1 атм, поскольку изменение теплофизических свойств воды с рабочим давлением незначительно (менее 1%), что, в свою очередь, не влияет существенно на скорость теплопередачи 33 .

Сверхкритический CO

2 как контурная жидкость

В CHX и HHX вода является внешней жидкостью. Для фиксированной температуры воды на входе (чуть выше критической температуры CO 2 ~ 31,2 ° C) температура на входе HHX изменяется от 40 ° C до 70 ° C с шагом 10 ° C. На рисунке показано изменение температуры во всем контуре при 90 бар. Изменение температуры также регистрируется для всех рабочих давлений, чтобы гарантировать, что жидкость контура находится в сверхкритическом состоянии по всему контуру.

Для сверхкритического CO 2 : ( a ) Температура в разных точках контура, ( b ) Изменение скорости теплопередачи для воды и CO 2 при разных давлениях, ( c ) Падение давления сравнение воды и CO 2 при разных давлениях, ( d ) Разница температур между левой и правой ветвями относительно рабочего давления.

Влияние давления CO 2 на скорость теплопередачи и перепад давления изучается путем его изменения от 75 до 90 бар в сверхкритической зоне, как показано на рис.. Скорость теплопередачи сравнивается с широко используемой циркуляционной жидкостью, то есть с водой при атмосферном давлении (1 атм) при тех же температурах HHX и CHX. На рисунке показано влияние давления на разницу температур жидкости контура между центром левой ноги и центром правой ноги. Результаты ясно показывают, что по мере увеличения давления разница температур уменьшается, что происходит из-за увеличения удельной теплоемкости при более высоком давлении при конкретной средней рабочей температуре (T ср. = 46 ° C, T H = 60 ° C), как показано в таблице.При более высоких температурах уменьшение вязкости приводит к меньшему падению давления в контуре (рис.). Был проведен анализ неопределенности (ошибки) (показан после результатов и части обсуждения), и ошибки включены в расчет теплопередачи для всех случаев.

Таблица 3

Сравнение свойств сверхкритического CO 2 при разных давлениях с водой при атмосферном давлении для разных рабочих температур 33 .

.75 0,05
Давление CO 2 (бар) Сред.Температура, T ср. (° C) Коэффициент плотности, ρ CO2 / ρ Вода Коэффициент удельной теплоемкости, C p_CO2 / C p_Water Коэффициент теплопроводности, k CO2 k Вода Отношение вязкости, μ CO2 / μ Вода Отношение объемного коэффициента, β CO2 / β Вода
75 41 0,05 0,03 56,68
46 0,21 0,59 0,05 0,03 37,89
51 1001004
80 41 0,27 1,05 0,06 0,03 83,50
46 0,24 0,72 0.05 0,04 48,29
51 0,22 0,58 0,05 0,04 33,70
90 41 005 004 004
46 0,33 1,27 0,07 0,04 91,65
51 0,28 0,83 0.06 0,04 51,69

На рис. Скорость теплопередачи максимальна при рабочем давлении 90 бар. Средняя рабочая температура (~ температура жидкости контура) 41 ° C (полученная в данном случае) близка к псевдокритической точке (40,2 ° C) CO 2 при 90 бар, что приводит к максимальной скорости теплопередачи при этом давление из-за очень высокого коэффициента объемного расширения CO 2 по сравнению с водой (~ 240 раз).Эксперименты также проводятся для средних рабочих температур 46 ° C и 51 ° C.

В этом случае максимальная скорость теплопередачи NCL на основе CO 2 дает ~ 8 раз (800%) больше, чем NCL на водной основе, как показано на рис. При более высокой температуре на входе HHX преобладает эффект плавучести, увеличивающий скорость теплопередачи.

Докритический пар CO

2 в качестве жидкости контура

С водой в качестве внешней жидкости как в CHX, так и в HHX, при фиксированной температуре на входе в CHX (= 32 ° C) температура на входе в HHX изменяется от 40 ° C до 70 ° C для значений с шагом 10 ° C.Данные собираются для различных рабочих давлений CO 2 (от 40 до 70 бар). На рисунке показано изменение температуры вдоль контура, влияние рабочего давления на скорость теплопередачи, перепад давления в / с рабочего давления и разность температур между левой и правой ветвями в / в рабочее давление для случая субкритического пара. На рисунке показано изменение температуры во всем контуре при 60 бар. Наблюдается, что с увеличением температуры горячей жидкости на входе скорость теплопередачи увеличивается из-за увеличения температурного градиента между CO 2 и водой в HHX.С увеличением давления в системе увеличивается и скорость теплопередачи. В этом случае максимальная скорость теплопередачи NCL на основе CO 2 дает примерно в 4 раза (400%) больше, чем NCL на водной основе (1 атм) для тех же рабочих температур, как показано на рис. Разница в падении давления оказывается незначительной для рабочего давления в диапазоне 40–70 бар, как показано на рис. 4, что происходит из-за постоянного отношения вязкости (показано в таблице). Результаты показывают уменьшение разницы температур между левой и правой ветвями по мере увеличения рабочего давления, как показано на рис..

Для субкритического CO 2 пар: ( a ) Температура в разных точках вдоль контура, ( b ) Изменение скорости теплопередачи для воды и CO 2 при разных давлениях, ( c ) Давление сравнение падения воды и CO 2 при разных давлениях, ( d ) Разница температур левой и правой ветвей относительно давления.

Таблица 4

Сравнение свойств субкритического пара CO 2 при разных давлениях с водой при атмосферном давлении для разных рабочих температур 33 .

4 0,03 4 0,03 0,05 004 004
Давление CO 2 (бар) Сред. Температура, T ср. (° C) Коэффициент плотности, ρ CO2 / ρ Вода Коэффициент удельной теплоемкости, C p_CO2 / C p_Water Коэффициент теплопроводности, k CO2 k Вода Отношение вязкости, μ CO2 / μ Вода Отношение объемного коэффициента, β CO2 / β Вода
40 41 0.08 0,30 0,03 0,03 16,11
46 0,08 0,29 0,03 0,03 13,83 13,83 12,08
50 41 0,11 0,35 0,04 0,03 20,56
46 0,11 0.33 0,04 0,03 17,17
51 0,11 0,32 0,04 0,03 14,67
60 004 0,05 004 0,05 27,92
46 0,14 0,40 0,04 0,03 22,27
51 0,14 0,37 0.04 0,03 18,39
70 41 0,20 0,59 0,05 0,03 42,45
461001005 0,05
51 0,17 0,45 0,04 0,03 24,09

Докритическая жидкость CO

2 в виде петлевой жидкости

) таких приложений, как холодильники, солнечный водонагреватель для холодной погоды и т. д.В CHX и HHX в качестве внешней жидкости используется метанол, поскольку вода становится твердой при минусовой температуре. Температура на входе CHX поддерживается постоянной, а температура HHX варьируется. Чтобы сравнить скорость теплопередачи жидкого СО 2 на основе NCL, мы провели эксперименты с использованием солевого раствора (широко используемой жидкости для отрицательных температур) в качестве жидкости контура. На рисунке показано изменение температуры вдоль контура, скорость теплопередачи для различного рабочего давления, перепад давления в / с рабочего давления и разность температур между левой и правой ветвями в зависимости от рабочего давления для случая докритической жидкости.Чтобы обеспечить жидкую фазу (CO 2 ) во всем контуре, температуры в различных местах регистрируются, как показано на рис. Поскольку вязкость рассола выше, чем у воды, мы, безусловно, получим более низкую скорость теплопередачи с рассолом. Однако мы достигли максимальной скорости теплопередачи на 500% в этом случае жидкого CO 2 по сравнению с NCL на основе рассола, как показано на рис. Как объяснялось ранее, на рис. Показаны аналогичные тенденции падения давления и разницы температур для увеличения рабочего давления соответственно.Стол . показано сравнение свойств субкритического жидкого CO 2 при различных давлениях с рассолом при атмосферном давлении для различных рабочих температур, при этом соотношение вязкости CO 2 и рассола незначительно.

Для субкритического жидкого CO 2 : ( a ) Температура в разных точках по контуру, ( b ) Изменение скорости теплопередачи для рассола и CO 2 при разных давлениях, ( c ) Давление сравнение падения рассола и CO 2 при разных давлениях, ( d ) Разница температур левой и правой ветвей по отношению к давлению.

Таблица 5

Сравнение свойств субкритического жидкого CO 2 при разных давлениях с рассолом при атмосферном давлении для разных рабочих температур 33 .

05 005 0,89 005 005 002 9100 004 0,84 004 004 004 0,20
Давление CO 2 (бар) Сред. Температура, T ср. (° C) Коэффициент плотности, ρ CO2 / ρ рассол Отношение удельной теплоемкости, C p_CO2 / C p_ рассол Коэффициент теплопроводности, k CO2 / k рассол Коэффициент вязкости, μ CO2 / μ рассол Отношение объемного коэффициента β CO2 / β рассол
35
−1.5 0,89 0,64 0,25 0,004 16,19
-14,5 0,89 0,64 0,25 0,004 002 0,70 0,21 0,002 19,48
-9 0,86 0,66 0,23 0,003 17,34
89 0,64 0,23 0,004 16,30
45 −2,5 0,84 0,69 0,21 0,003
0,002 21,27

Двухфазный CO

2 в качестве жидкости контура

В этом исследовании метанол используется в качестве внешней жидкости как в CHX, так и в HHX для достижения двухфазности при более низких температурах (ниже -нулевая температура).Рабочие параметры, учитываемые при проведении экспериментов, представлены в таблице. Результаты получены для различных рабочих давлений CO 2 , то есть 50, 55, 60 и 65 бар. Как и в случае с жидкостью, мы провели эксперименты с использованием солевого раствора в качестве жидкости контура для сравнения скорости теплопередачи двухфазного НКЛ на основе CO 2 . На рисунке показано изменение температуры вдоль контура, скорость теплопередачи для различного рабочего давления, перепад давления в / с рабочего давления и разница температур между левым и правым коленами в / с рабочее давление для двухфазного CO 2 корпус (жидкость + Пар).В этом случае довольно сложно добиться двухфазности внутри контура, поддерживаемого при высоком давлении. С непрерывной записью температур в различных точках контура, мы достигли двухфазного CO 2 путем сравнения температуры насыщения при заданном давлении (показано на рис.).

Таблица 6

Рабочие параметры для двухфазного CO 2 .

004 4 94 000 00 двухфазный CO 2 состояние ( a ) Температура в разных точках вдоль контура, ( b ) Изменение скорости теплопередачи для рассола и CO 2 при разных давлениях, ( c ) Сравнение перепада давления рассола и CO 2 при разных давлениях, ( d ) Разница температур левой и правой ветвей по отношению к давлению.

По мере того, как контур перемещается в двухфазную область, возникает большой эффект плавучести, вызывающий увеличение массового расхода CO 2 , что, в свою очередь, увеличивает коэффициент теплопередачи. В этом случае максимальная скорость теплопередачи NCL на основе CO 2 дает в 9 раз (900%) больше, чем NCL на основе солевого раствора для тех же рабочих температур, как показано на рис. На рисунке показано изменение перепада давления при различных рабочих давлениях и температурах.Интересно увидеть влияние рабочего давления на температурный градиент в левой и правой ветвях, как показано на рис. При понижении давления скрытая теплота парообразования увеличивается, что приводит к уменьшению разницы температур.

Анализ ошибок

Скорость теплопередачи, массовый расход и температура являются различными рабочими параметрами для функциональной зависимости (удельная теплоемкость внешней жидкости считается постоянной), соотношение задается следующим образом:

Если M является определенный параметр измерения, его функциональная связь с независимыми переменными в виде M = f ( y 1 , y 2 , y 3 , y 4 , …… + y n ) тогда неопределенность различных параметров выражается как:

uR = ∂M∂y1u12 + ∂M∂y2u22 + ∂M∂y3u32 +… + ∂M∂ynu121 / 2

5

где u 1 , u 2 , u 3 , ………, u n — неопределенности в независимых переменных.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Давление (бар) Температура насыщения (° C) Температура на входе CHX (° C) Температура на входе HHX (° C) Разница между температурой насыщения и температурой на входе HHX (° C)
55 18.42 −10 35 21
33 19
31 17
60 22,13 −3 005
19
39 17
65 25,6 0 47 21
45 19
0 0