Водяные аккумуляторы

Водяные аккумуляторы представляют собой сосуды большой емкости с водяным или паровым обогревом и применяются в системах горячего водоснабжения, периодически расходующих большие количества воды (рис. 3-1, а и б). Вода в них нагревается за 4 – 5 ч, а расходуется в течение 20 – 30 мин (например, в душевых помещениях цехов после очередной смены).

При обогреве «глухим» паром теплообмен происходит только за счет естественной конвекции жидкости; при этом коэффициент теплопередачи мал и, следовательно, такой процесс обогрева малоэффективен. При обогреве «острым» паром теплообменные процессы происходят более интенсивно, но источник питания агрегата паром (ТЭЦ или котельная) расходует много дорогостоящего конденсата (рис. 3-1, в).

В целях интенсификации процесса теплообмена часто внутри аппаратов устанавливают мешалки для перемешивания жидкости (рис. 3-1, г). Мешалки имеют разнообразное конструктивное оформление. Применение мешалок ускоряет процесс нагревания, однако требует дополнительной затраты энергии на привод мешалки.

Для экономии конденсата или при необходимости замены греющего пара горячей водой применяют аппараты с выносными подогревателями (рис. 3-1, д). Жидкость в таком аппарате прогоняется через выносной подогреватель циркуляционным насосом.

В аппаратах периодического действия нагрев происходит при переменном тепловом режиме, поэтому зависимости, относящиеся к аппаратам непрерывного действия с установившемся тепловым режимом, не могут быть использованы для их расчета. Рассмотрим работу водяного аккумулятора с водяным обогревом. На рис. 3-2 изображены схемы аппарата и соответствующий ей график изменения температур греющей и нагреваемой воды в зависимости от времени.

Рис. 3-2. График изменения температур в водяном аккумуляторе с водяным обогревом

Особенность режима работы такого аппарата состоит в том, что температура греющей воды на выходе из аппарата возрастает во времени при постоянных расходе и начальной температуре. Это объясняется тем, что вода в аккумуляторе нагревается и для ее последующего нагрева требуется все меньший и меньший перепад температуры. Расчет при этом усложняется, так как приходится использовать две переменные во времени и . Дифференциальные уравнения теплопередачи и теплового баланса запишутся в виде

(3-1)

Где и - теплоемкости массовых расходов теплоносителей; - элемент времени, в течение которого температура воды повышается на , с; - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²∙К); - поверхность нагрева, м²; - средняя логарифмическая разность температур, она определяется как

,

Где , и - температуры греющей и нагреваемой воды в рассматриваемый промежуток времени .

Подставив в уравнение (3-1) выражение для , получим:

.

Определим температуру :

Откуда

Введем обозначение .

Температура греющей воды на выходе из аппарата

(3-2)

Подставив в уравнение (3-1) значение переменной из уравнения (3-2) и сделав преобразования, получим:

.

Левую часть уравнения интегрируем в пределах от 0 до , а правую – в пределах от начальной температуры до конечной :

.

(3-3)

Из уравнения (3-3) определяется удельная производительность аппарата:

;
;
;
,	(3-4)

Где и коэффициент теплопередачи определяются по формуле для плоской стенки. По известным и однозначно определяется поверхность нагрева аппарата .

Средняя температура воды определяется приближенно по формуле

.

(3-5)

По значению температуры можно определить коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой воде.

Среднее значение температуры греющей воды находится по формуле

,

(3-6)

Где и - температуры греющей воды на выходе аппарата в начальный момент и в конце процесса.

Если поверхность аппарата задана, то конечная температура нагреваемой воды в зависимости от времени нагрева определяется из уравнения (3-3)

,

Где