У вступі дано формулювання проблеми підвищення ефективності процесів виробництва, транспортування та споживання теплової енергії, обґрунтовано актуальність і сформульовано мету роботи, визначено основні задачі дослідження, зазначено наукову новизну отриманих результатів, їх практичну цінність і основні положення, що виносяться на захист.
У першому розділі «Сучасний стан системи технологій теплопостачання та їх досліджень» дано аналітичний огляд проблеми, що базується на вивченні матеріалів за темою досліджень (статті й монографії авторів Хайнріха Г. і Найрона Х., Боженка М.Ф., Сало В.П., Вафіна Д. Б., Васильєва О.В. та ін.). Аналіз стану питання використання жаротрубних КМП в системах ЖКГ, наведений в роботах Хаванова П.А., Барикіна К.П., Каспарова С.Г. та ін. вказує на основний недолік роботи цих систем - низьку швидкість теплоносія. Інші причини незадовільної роботи котлів - накип і відкладення (Потапов С.А.), що може призвести до втрати міцності основного металу. Думка інших авторів (Пермякова Б.А. і Курбанова Х.К., Степанова Д.В. і Боднара Л.А.) відносно неможливості використання нормативного метода розрахунку відрізняється тим, що дійсна температура продуктів згоряння на виході з топок значно нижче розрахункової (на 150-200°С), тому необхідно враховувати поправочний коефіцієнт. Таким чином, потрібно вдосконалити існуючі методики теплових розрахунків КМП з урахуванням всіх перерахованих недоліків і помилок, що виникають в процесі безпосередньо теплового розрахунку.
Відзначено, що до теперішнього часу немає загальновизнаного методу розрахунку теплообмінних процесів для широкого діапазону режимних параметрів теплогенеруючого та теплоспоживаючого обладнання. Представлено огляд результатів досліджень впливу процесів теплообміну на процес формування заданих властивостей теплоносіїв при їх підготовці у КМП, транспортуванні і споживанні. При проведенні розрахунків найбільш широке застосування знаходять напівемпіричні методи, у тому числі для розрахунку сумарної тепловіддачі в топках (роботи Білоконя Н.І., Рамзина Л.К., Хоттеля X., Філімонова С.С. й ін.). Розробці методу спільного чисельного рішення диференціальних рівнянь переносу енергії й газової динаміки в топках котлів присвячені роботи Рубцова М.О., Суржикова С.Т., Четверушкіна Б.Н., Кузьміна В.А. Загалом з методів розрахунку складного теплообміну найбільший інтерес представляють порівняльний аналіз альтернативних режимів теплообміну, дослідження впливів властивостей топкового середовища, обмурівки й геометричних розмірів топки на інтенсивність теплообміну в топковій камері.
Аналіз робіт, присвячених дослідженням систем теплопостачання, в яких відсутня система ГВП, дозволив сформулювати основні недоліки цих систем. Це несанкціонований відбір води з системи; відсутність водопідготовки; відсутність незалежної від теплової мережі циркуляції води в опалювальній системі. Тому виникає необхідність застосування схеми приєднання абонентських вводів до теплових мереж зі зв'язаним регулюванням за схемою з (ІТП), що підтверджують результати досліджень кращих варіантів, наведені в роботах Фалікова В.С, Вітальєва В.П., Рябцева Г.О., Фельдмана Б.Г. та ін. При цьому для вирішення задачі регулювання роботи ІТП при відкритій системі теплопостачання необхідно підвищити точність розрахунків температури і витрат теплоносія на потреби опалення і ГВП, а також реальних і нормативних теплових втрат по будинках житлового району з метою ліквідування «перетопів» і «недотопів».
Питання використання теплонасосних установок (ТНУ) для потреб теплопостачання розглядається в роботах Янтовського Є.Н, Долинського А.А., Фіалко Н.М., Баска Б.І., Проценко В.П., Кліланда А. та ін. Доведено, що теплонасосна техніка і технологія інтенсивно розвивається в галузі опалення і ГВП. Існують різні схеми застосування ТНУ в комбінованих системах теплопостачання, але немає математичних моделей, що описують енергетичні характеристики цих схем. Оскільки для ТНУ типовими є змінні температурні режими роботи, які дуже впливають на продуктивність та ефективність ТНУ, тому існуючий підхід до розрахунково-теоретичних досліджень потребує відповідних змін і вдосконалення.
Аналіз робіт, присвячених дослідженню теплообміну в приміщеннях (роботи Фокіна К.Ф., Дешка В.І., Богословського В.Н., Тітова В.П., Разумова Η.Η. та ін.), показує, що в обмеженому обсязі приміщення зазвичай відзначається підвищена інтенсивність природного конвективного теплообміну на нагрітих і охолоджених поверхнях у порівнянні з вільною конвекцією в необмеженому обсязі повітря, тобто існують якісні й кількісні відмінності умов теплообміну. Для спрощення розрахунків теплових режимів приміщень досить мати середні значення температур трьох груп поверхонь (що нагрівають, охолоджують й нейтральних) і повітря. Однак поки що розрахунками не можна визначити границі й інтенсивність потоків повітря загальної циркуляції в приміщенні. Вони можуть бути отримані тільки шляхом безпосереднього фізичного моделювання на повітряних і водяних моделях (за допомогою підфарбовування або задимлення потоків, використання індикаторів й т.п.) або під час проведення інструментальних вимірювань повітряних потоків і тепловізійних вимірювань температурного стану приміщень з використанням даних вимірювань у якості початкових при чисельному моделюванні.
На підставі виконаного аналізу літературних джерел сформульовані мета й завдання дисертаційної роботи, що полягають у вирішенні зазначених вище проблем.
У другому розділі «Обґрунтування основних методів досліджень теплообмінних процесів» викладені принципи дослідження впливу теплообмінних процесів на процеси виробництва теплової енергії в КМП та її подальшого транспортування і споживання.
Загальна методика дослідження ґрунтується на методології системного аналізу послідовних підпроцесів «котельня – теплова мережа – споживач». В таких умовах зміна температури, витрати, теплового потоку та інших властивостей теплоносія в одному підпроцесі супроводжується істотним впливом на хід інших підпроцесів.
При чисельному моделюванні теплообмінних процесів у жаротрубних КМП у якості початкових даних були використані результати інструментальних (у т.ч. тепловізійних) вимірювань у котельнях житлових масивів і в приміщеннях будинків шкіл і дитячих садків м. Донецька, а також в приміщеннях триповерхового будинку інформаційних технологій технічного університету м. Острава (Чеська республіка), який отримує тепло від ТНУ з використанням тепла ґрунту.
Дані з роботи теплових мереж були отримані під час обстежень, в ході яких проводилися виміри щільності теплового потоку і температури в контрольних точках теплотраси з метою визначення фактичних теплових втрат у теплових мережах системи теплопостачання житлового мікрорайону кварталу 19 м. Донецька від котельні, яка працювала по закритій системі теплопостачання з елеваторною схемою приєднання системи опалення, тобто вода, циркулююча в тепловій мережі, використовувалась тільки як теплоносій і з мережі не відбиралась (система ГВП була відсутня). Але фактично ця система була відкритою внаслідок того, що населення використовувало гарячу воду з радіаторів опалення. Ці дані використовувались при чисельних розрахунках показників роботи ІТП з автоматичним регулюванням температури, витрати і часу подачі теплоносія, який запропоновано встановити з метою організації ГВП та опалення при переведенні системи теплопостачання житлового масиву на роботу з ІТП.
Дані з роботи теплових насосів для заміщення навантаження ГВП і опалення були отримані при обстеженні газової котельні кварталу 579 м. Донецька, де можливе використання дренажних вод шахти ім. Горького у якості джерела низькопотенційного тепла для ТНУ.
Оскільки в підпроцесі вироблення теплоти головну роль відіграє досягнення максимальної теплової потужності котла при мінімальній витраті палива, то вирішити це фізичне протиріччя можливо тільки після детального аналізу існуючих методик, відомих залежностей, рівнянь та формул для розрахунку теплових, гідравлічних та аеродинамічних процесів в елементах котла для створення їх математичної моделі. Узагальнення результатів моделювання теплообміну в топці КМП дозволило удосконалити методику їх теплового та аеродинамічного розрахунків.
