18 февраля 2018г.
В настоящее время в качестве источника горячей воды в системах горячего водоснабжения бытовых и промышленных помещений широко используются электрические водонагреватели накопительного типа – бойлеры. Схема такого устройства приведена на рисунке 1.
При выполнении теплового расчета с целью определения скорости нагрева воды возможны два подхода. Первый пренебрегает теплоизоляцией, второй учитывает толщину и теплопроводящие свойства изоляции.
Цель исследования – выяснить, как влияет теплоизоляция внутреннего бака бойлера на скорость нагрева воды и дать рекомендации по подходу к тепловому расчету.
Постановка задачи. В качестве объекта исследования был выбран бытовой бойлер «ROUND» объемом бака 80 литров с мощностью ТЭНа 1500 Вт. Размеры цилиндрической части внутреннего бака: высота 600 мм, диаметр 400
мм;
толщина теплоизоляции – 42 мм, материал теплоизоляции – полиуретановая пена. Начальная температура воды в бойлере 20 градусов, температура наружного воздуха 20 градусов Цельсия. Требуется определить:
1) величину и характер распределения температуры воды в баке в процессе нагрева через 3 часа после включения бойлера без учета теплоизоляции;
2) величину и характер распределения температуры воды в баке в процессе нагрева через 3 часа после включения бойлера с учетом теплоизоляции;
3) распределение температуры по толщине теплоизолирующего слоя через 3 часа после включения бойлера.
При решении задачи приняты следующие основные допущения:
1)
в процессе нагрева подача холодной воды в бойлер и отбор горячей из него не производятся;
2) ТЭН создает объемный тепловой поток плотностью 18750 Вт/куб.м. Данное значение получено делением мощности ТЭНа на объем внутреннего бака.
Основные результаты исследования. Расчет температуры воды в бойлере
без учета
теплоизоляции (пункт 1 постановки задачи) выполнен методом конечных элементов по объемной модели с помощью программы COMSOL MULTIPHYSICS. Результаты
показаны на рисунке 2.
Как видно, почти во всем объеме вода имеет температуру около 69 градусов Цельсия. Вблизи же стенок температура достигает 56-60 градусов, что объясняется влиянием температуры окружающей среды при отсутствии теплоизоляции.
Тепловой расчет с учетом теплоизоляции (пункт 2 постановки задачи) выполнен также методом конечных элементов по осесимметричной модели с помощью программы COMSOL MULTIPHYSICS. Результаты показаны на рисунке 3.
Как видно, температура воды как в объеме, так и вблизи стенок бака одинакова
и составляет около 69 градусов Цельсия. Такое постоянство температуры объясняется, очевидно, учетом теплоизоляции. Распределение температуры по толщине теплоизолирующего слоя (пункт 3 постановки задачи) показано на рисунке 4.
Как видно, температура теплоизолирующего слоя меняется от 69 градусов (температура горячей воды) вблизи бака до 20 градусов (температура наружного воздуха) на внешней поверхности. Такое распределение вполне соответствует физическому смыслу задачи и позволяет сделать вывод о правильности расчета.
Представляет интерес динамика процесса нагрева воды при учете теплоизоляции. Зависимость температуры воды от времени нагрева по результатам расчета в различные моменты времени с помощью программы COMSOL MULTIPHYSICS показана на рисунке 5.
Как видно, температура линейно зависит от времени нагрева. Знание этого позволяет определить ее величину в любой момент процесса.
Выводы. Теплоизоляция внутреннего бака бойлера практически не влияет на скорость нагрева воды.
Температура в 70 градусов Цельсия достигается через 3 часа нагрева при условии отсутствия в процессе нагрева подачи холодной воды в бойлер и отбора горячей из него. Это соответствует данным, приведенным в Руководстве пользователя.
Основные рекомендации по тепловому расчету сводятся к возможности выполнять расчет нагрева (не охлаждения!) без учета теплоизоляции.
Производителю
в Руководстве пользователя следует указать на линейную зависимость между температурой воды и временем нагрева при отсутствии в процессе нагрева подачи холодной воды в бойлер и отбора горячей из него.
