Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Энергосбережение в системах вентиляции и кондиционирования 13
1.1 .Обзор типов и конструкций утилизаторов 14
1.2. Обзор выпускаемых теплоутилизаторов 16
1.3.Виды поверхностных интенсификаторов теплообмена 24
1.4. Обмерзание пластинчатых теплообменников и методы борьбы с ним 30
Глава 2. Экспериментальное исследование интенсификации теплообмена и гидравлического сопротивления в плоских каналах 34
2.1.Цели и задачи эксперимента
2.2. Описание стенда. Схема измерений 35
2.3. Средства измерения и приборы 3 7
2.4.Оценка погрешности эксперимента 39
2.5 .Методика проведения эксперимента 43
2.6.Результаты эксперимента 49
2.7.Обобщение и анализ экспериментальных данных 50
Глава 3 . Разработка конструкции утилизатора повышенной эффективности 64
Глава 4. Системы на базе обращенной тепловой машины 70
4.1 .Общие сведения о тепловых машинах
4.2. Методика оптимизации теплообменников типа «воздух - холодильный агент» для отопительных тепловых насосов 80
4.2.2 .Геометрия теплообменников 83
4.3 .Расчёт испарителя 86
4.4.Расчёт конденсатора 90
4.5.Выводы 93
4.6.Сравнение различных систем отопления для климатических условий Северо-запада России 96
Глава 5. Разработка программы для подбора параметров теплообменных аппаратов 100
5.1.Ограничения, заложенные в программе
5.2.Порядок работы программы 101
Глава 6.Технико-экономическое обоснование 110
Заключение и выводы по работе 116
Список используемой литературы 118
Приложения 124
- Обзор выпускаемых теплоутилизаторов
- Описание стенда. Схема измерений
- Разработка конструкции утилизатора повышенной эффективности
- Методика оптимизации теплообменников типа «воздух - холодильный агент» для отопительных тепловых насосов
Введение к работе
Кондиционирование воздуха относится к наиболее современным и технически совершенным способам создания и поддержания в помещениях условий комфорта для человека, оптимальных параметров воздушной среды для производственных процессов и обеспечения длительной сохранности различных материалов, товаров, продуктов, ценностей культуры и искусства. Кондиционирование воздуха - придание ему и автоматическое поддержание необходимых тепловлажностных качеств. При этом в отличие от общеобменной вентиляции и отопления при использовании системы кондиционирования в течение круглого года и, особенно, в теплое время в помещениях можно поддерживать любые желаемые - постоянные или изменяющиеся по программе - параметры внутреннего воздуха, независимо от наружных метеорологических условий и переменных поступлений в помещение тепла и влаги.
В соответствии со СНиП [54] «кондиционирование воздуха» -автоматическое поддержание в закрытых помещениях всех или отдельных параметров воздуха (температуры, чистоты, скорости движения и др.) с целью обеспечения, главным образом, оптимальных метеорологических условий наиболее благоприятных для самочувствия людей. В определённых условиях система кондиционирования может совмещать решение задач отопления, охлаждения и вентиляции.
Благодаря усилению изоляции улучшаются теплозащитные характеристики наружных ограждений зданий, общие тепловые оттоки (притоки) из(в) помещения путём теплопередачи уменьшаются. В то же время вклад в общий энергобаланс помещения вентиляционных «теплооттоков» (поступлений) становится настолько существенным, что использование теплового потенциала вентиляционных выбросов может оказаться экономически оправданным. Вместе с тем, бережное отношение к энергопользованию напрямую связано с экологией окружающей нас среды.
В системах кондиционирования, как_тгравило, применяются холодильные машины для осуществления охлаждения воздуха в помещениях.
В холодный период года холодильные машины можно использовать в режиме нагрева - так называемый обращенный (теплонасосный) цикл. Для реализации этого режима необходимо обладать источником низкопотенциальной теплоты (НПИТ), который бы позволял эффективно отводить холод от испарителя холодильной машины. В конденсаторе, благодаря превращению горячего рабочего агента в жидкость, теплота конденсации отводится для нагрева воздуха в помещении.
За последние годы в России зарубежные фирмы широко распространили применение автономных кондиционеров, выполненных по раздельной схеме (сплит-системы) с наружным воздухом в качестве НПИТ. В холодный период года наружный теплообменный аппарат становится испарителем, а внутренний - конденсатором установки.
При температурах воздуха ниже 0С показатель преобразования электроэнергии в теплоту резко снижается из-за уменьшения температуры кипения хладагента. По данным производителей [27],[30], обращенная тепловая машина (ОТМ) эффективно работает до температур наружного воздуха -10С. Для климата северных районов России наружный воздух не может служить источником низкопотенциальной теплоты и система кондиционирования с ОТМ является неэффективной.
Для того, чтобы эта система стала энергетически целесообразной, необходимо дополнить её устройством, повышающим температурный потенциал воздуха на входе в аппараты ОТМ. Большинство фирм предлагает устанавливать в вентиляционном канале электронагреватель, который поднимет температуру наружного воздуха. Однако, прямое использование электричества на цели отопления имеет показатель преобразования энергии (КОП) равный (или меньший, с учётом мощности вентилятора) единице. Для сравнения, КОП цикла Карно примерно равен двенадцати. Потому при
-проектировании подобных систем -рассматривается возможность использования температурного потенциала вентиляционных выбросов -утилизации теплоты воздуха удаляемого из помещения. Для этого в систему вместо электронагревателя (рис.1) включают теплообменники-утилизаторы различных конструкций (см. гл.1).
Постановка задачи исследования В данной диссертационной работе рассматривается возможность круглогодичного применения системы с двухступенчатой утилизацией теплоты вентиляционных выбросов (обращенная тепловая машина и теплообменник-утилизатор) в климате г.Санкт-Петербурга (рис.2) для компенсации теплопотерь через систему вентиляции объекта. Предполагается наличие в помещении системы отопления, компенсирующей потери через ограждающие конструкции. При температурах наружного воздуха, характерных для переходного периода разрабатываемая система позволит уменьшить мощность (или отключить) основную систему отопления (СО).
Далее, в качестве расчётного, будет рассматриваться только холодный период года, как менее изученный с использованием ОТМ для Северозападного региона. В тёплый период года холодильная машина работает в обычном режиме, вырабатывая холод на нужды системы кондиционирования. В переходный период система с ОТМ даёт возможность одновременной выработке теплоты и холода, что является дополнительным преимуществом рассматриваемых систем.
На работу системы отопления существенно влияют параметры наружного климата. Для условий Северо-Западного региона, и , в частности, г. Санкт-Петербурга, за расчётные параметры согласно СНиП [55] принимаются: температура в холодный период -26С, средняя температура за отопительный период -2,2С и продолжительность отопительного периода 219 суток.
Необходимость создания такой системы связана с тем, что при температурах ниже -10С эффективность ТНУ снижается до значений эффективности прямого электрообогрева. Поэтому к холодильной машине предлагается добавить теплообменник-утилизатор, который повышает температурный потенциал воздуха на входе в теплонасную установку. Одновременно с этим улучшается экологическая ситуация (отсутствие "парникового эффекта").
t=21"C
Рис. 1 .Система кондиционирования с использованием электрического воздухонагревателя
f*
t=21 С
fc-tfc
t
t=-2tfc
А\—ф_
>(^У вп
*ЧГ2ІС
!
Рис.2.Система кондиционирования с двухступенчатой утилизацией теплоты удаляемого воздуха
где Эл.н — электрический воздухонагреватель (ТЭН); У- утилизатор; ВП — вентилятор приточный; ВВ- вентилятор вытяжной
конструкций утилизаторов теплоты, на основании которых даются рекомендации по улучшению конструкции рассматриваемых аппаратов.
Эти улучшения позволили частично решить проблему обмерзания поверхностей утилизатора при отрицательных температурах наружного воздуха, увеличить коэффициент теплоотдачи за счёт нанесения специального профиля в виде сферических углублений (доказано экспериментально), что позволило повысить общую эффективность аппарата на 15-*-20%.
Разработана методика определения характеристик теплообменных аппаратов ОТМ, позволяющая проектировщикам подбирать оборудование для различных климатических условий. Данная методика заложена в компьютерную программу, которая может быть использована инженерами-проектировщиками.
В диссертационной работе проведено технико-экономическое сравнение систем с электрообогревом и с двухступенчатой утилизацией теплоты. Расчеты показывают, что при больших капитальных затратах, система с ОТМ окупится через два года. Поэтому монтаж такой системы на объектах различного назначения становится целесообразным.
Обзор выпускаемых теплоутилизаторов
Как уже было сказано выше, существуют различные типы утилизаторов теплоты. На основе анализа каталожных и литературных данных можно сделать вывод о том, что наиболее часто используемыми являются пластинчатые утилизаторы и утилизаторы теплоты с промежуточным теплоносителем. Попытаемся сравнить эти два типа утилизаторов, пользуясь каталогом фирмы их выпускающей [29]. Сопоставлять имеет смысл только теплообменные аппараты, имеющие одинаковые типоразмеры. Поэтому были выбраны, соответственно, марки KGX100 (пластинчатый) и KVS100 (с промежуточным теплоносителем).
Для дальнейшего сравнения были выбраны пластинчатые перекрёстноточные утилизаторы фирм «Hoval» и «Wolf». Эти фирмы были выбраны из-за того, что предлагают наиболее подробные каталоги, содержащие ряд технических подробностей, отсутствующих у других производителей одноименной продукции.
Необходимо отметить, что рассматриваемые аппараты имеют различное конструктивное исполнение (форма каналов, расстояние между пластинами и т.п.). Поэтому необходимо вести расчёт для случая, когда параметры сравниваемых теплообменников примерно одинаковы и учитывают изменение скорости теплоносителя (в данном случае воздуха).
Любой теплообменный аппарат (ТОА) можно характеризовать параметром Р, который подобен эффективности е и может быть определен уравнением: где tout- температура среды на выходе, С; tin- температура среды на входе, С Индекс 1 соответствует вытяжке, индекс 2 соответствует притоку. Параметр Р отличается от є тем, что его значение зависит от выбора теплоносителя, обозначенного индексом 2, тогда как є связано с теплоносителем, имеющим меньший водяной эквивалент.
В дальнейшем, при рассмотрении специальных рельефов поверхности аппаратов, интенсифицирующих процесс теплообмена, скорости могут оказаться недостаточно высокими, поэтому имеет смысл рассмотреть увеличение длины аппарата при уменьшении входного сечения со стороны воздуха (при той же площади поверхности теплообмена). Тогда для аппарата размерами 2,0 0,5 1,0 м.
Как видно из представленных графиков, теплоутилизаторы рассматриваемых фирм имеют примерно одинаковую тепловую эффективность, однако утилизаторы «Wolf» проигрывают по аэродинамическим свойствам. Последний график подтверждает эти выводы, так как отношение NTU/NVH является наиболее полной характеристикой оценки аппаратов, как указывалось выше, и в дальнейшем оно будет взято в качестве основного критерия оценки эффективности аппаратов. При проектировании нового теплообменного оборудования необходимо стремиться к тому, чтобы это отношение было наибольшим. Выпускаемые утилизаторы имеют, в среднем, эффективность порядка 50-60% при достаточно высоких перепадах давления в них. Это чаще всего связано с конструктивными особенностями этих аппаратов. Поэтому необходимо разработать конструкцию, позволяющую улучшить теплофизические характеристики теплообменника без существенного роста его аэродинамического сопротивления. Этого можно достичь, если увеличивать значение коэффициента теплопередачи (теплоотдачи) без увеличения перепада давлений в аппарате за счёт применения различных интенсификаторов в каналах ТОА.
В последнее время проявляется особый интерес к способам интенсификации теплообмена. При этом пристенная интенсификация имеет ряд преимуществ перед остальными: высокая энергетическая эффективность за счет возмущения лишь пристенной области течения. Поток турбулизируется только там, где имеет место максимальный поперечный градиент температуры. В результате этого, затраты энергии на прокачку теплоносителя через тракт значительно меньше по сравнению с затратами при турбулизации основного потока.
Интенсификаторы теплообмена могут иметь различное конструктивное исполнение (рис.9). Это выступы и выемки различной формы (цилиндрические, сферические, призматические и др.), расположенные на теплообменной поверхности вдоль, поперек или наклонно по отношению к направлению потока.
Одним из перспективных направлений повышения эффективности теплообменной поверхности является использование рельефа, образующегося при нанесении на поверхность определённой регулярной системы сферических лунок малой глубины [6], При обтекании потоком теплоносителя таких рельефов, были обнаружены и частично исследованы самоорганизующиеся динамические вихревые структуры, обеспечивающие интенсивный тепломассоперенос от поверхности в ядро основного течения. Интенсивный массоперенос из пристенной области и является причиной снижения термического сопротивления вблизи теплоотдающей поверхности, а, следовательно, и интенсификации теплоотдачи [4].
Особый интерес к способу интенсификации теплообмена сферическими углублениями (выемками, лунками) появился после публикаций результатов исследований Г.И.Кикнадзе с соавторами [31], где продемонстрирована высокая энергетическая эффективность системы сферических выемок, нанесённых на поверхность теплообмена.
Этот способ обладает рядом особенностей, связанных со специфичными гидродинамическими эффектами, возникающими при обтекании системы сферических лунок. В этом разделе приводятся результаты экспериментального исследования теплотехнических и гидравлических характеристик при течении воздуха в кольцевом зазоре, внутренняя труба которого имела облуненную поверхность, а также при поперечном обтекании воздухом пучка коридорных и шахматных труб [4].
Результаты исследований при течении воздуха в кольцевом зазоре показали, что рост количества лунок приводит к росту теплоотдачи. Углубление лунок увеличивает теплоотдачу при той же плотности их расположения на 20-25%. Максимальный рост теплоотдачи на облуненной , поверхности по сравнению с гладкой составил 2,4. При зазоре 3,6 мм и глубине лунок 0,45 мм коэффициент гидравлического сопротивления близок по своему значению к аналогичному значению для кольцевого зазора с гладкой внутренней трубкой.
Описание стенда. Схема измерений
Был спроектирован специальный экспериментальный стенд (рис. 15,16), позволивший изучить теплообменные процессы в плоском канале (щели) при условии теплосъёма с обеих нагреваемых стенок канала и стационарном движении воздуха.
Стенд состоит из сети воздуховодов, вентилятора и рабочего участка, который представляет собой канал прямоугольного сечения, образуемый двумя стальными пластинами размером 625 150 0,6 мм (в одном случае гладкими, в другом облунёнными). На теплопередающие поверхности в шахматном порядке с шагами \\=7 мм и t2=6,5 мм были нанесены лунки диаметром d=6MM и глубиной Н=0,4мм.
Боковые стенки позволяют изменять и фиксировать расстояние между пластинами. Наружный воздух, подаваемый вентилятором, проходя в тракте установки, нагревается от пластин, которые при помощи токоведущих медных проводов подключены к понижающему низковольтному трансформатору. Его первичная обмотка соединена с сетью переменного тока, величина которого может изменяться регулятором напряжения. Величина расхода воздуха через рабочий участок осуществлялось регулятором вентилятора. Пластины, которые соединены между собой последовательно с помощью медной шины, заизолированы слоем пенополистирола (марка ПСБ-С-50) и асботекстолита (марка Б) таким образом, чтобы не соприкасаться с металлическим воздуховодом и избежать теплопотерь.
Потери теплоты на нагрев шины при максимальной нагрузке можно оценить выражением: Q = I2 Яш = 1802 0,0000516 = 1,7 Вт где Кш = рм (Ьш/5ш) = 0,0172 [0,18/(2 30)] = 0,00000516 Ом; рм- плотность меди, Ом мм/м; Ьш - длина шины, м; Sm - площадь сечения, мм Таким образом, можно сделать предположение о том, что потерями на нагрев шины можно пренебречь в связи с тем, что они составляют всего 1- -2% от общего количества теплоты, передаваемой в рабочем участке. Участок стабилизации имеет длину приблизительно 10 калибров (2 метра) и позволяет добиться равномерного распределения скоростей по сечению канала. Входной и выходной участки (0,6 метра) необходимы для обеспечения плавного входа потока воздуха.
В состав стенда входят приборы для определения следующих физических величин: 1. Температуры. Измеряется температура воздуха и нагреваемых пластин (рис.15). Температура пластин измерялась десятью медь - константановыми термопарами, расположенными на равном расстоянии по длине пластин, а подогрев воздуха в рабочем участке определялась по входной, выходной и дифференциальной термопарам. Все термопары были отградуированы во-ВНИИМ им.Д.И Менделеева-Координаты горячих спаев термопар (в направлении потока воздуха) по поверхности пластин приведены в таблице 8. Таблица №термопары 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Координата х, мм 90 200 310 420 530 90 200 310 420 530 Возникающая термо-ЭДС измеряется с помощью электронного микровольтметра, который имеет точность 1 мкВ, что соответствует 0,02 С по градуировочной кривой (рис.17). Рис А 7 .График градуировки медь - константановых термопар 2, Тока. Измерение проводится стрелочным амперметром, включенным во вторичную обмотку цепи. Большие значения тока, протекающие во вторичной обмотке, можно замерить, применив понижающий трансформатор с коэффициентом трансформации 40. 3. Напряжения. Измеряется тестером во вторичной обмотке цепи. В систему включён трансформатор, понижающий напряжение на пластинах. 4. Расхода воздуха. Определяется крыльчатым анемометром и трубкой Пито на выходе из установки. Расхождение составило не более 10%. 5. Давления. Измерение производится дифференциальным микроманометром через предусмотренные отборы статического давления, установленные до и после рабочего участка. Основные характеристики используемых средств измерения приведены в таблице 9. 6. Относительной влажности. Замеры производятся с помощью психрометра, установленного в помещении, несколько раз в течение эксперимента. Измерения показали, что величина относительной влажности меняется в пределах ±10%, что практически не сказывается на результатах эксперимента. Таблица 9 Тип прибора Марка Единица Предел Цена Класс прибора измерения измерения деления точности Микровольтметр Щ 68002 мВ 0-100 _ 0,5 Амперметр Э378 А 0-5 0,2 2 Вольтметр Ц56/1 В 0-1,50-7,5 0,050,25 1,5 Психрометр ВИТ-2 С 0 0 0,2 Микроманометр ПДД-4 Па 0-100 2 1,5 Анемометр м/с 0-10 - од Трансформатор УТТ-5 А 0-200 _ _ тока Все приборы прошли поверку в экспериментально-производственной мастерской при ГТО им.Воейкова.
Оценка погрешности эксперимента Оценка погрешности измерений необходима для того, чтобы показать точность определения величины, полученной в результате измерения. Оіфуглять его числовое значение необходимо в соответствии с числовым разрядом значащей цифры погрешности, то есть числовое значение результата измерений должно оканчиваться цифрой того же разряда, что и значение погрешности. При округлении рекомендуется пользоваться правилами приближённых вычислений. Все погрешности делятся на случайные, систематические и грубые.
Под случайной погрешностью понимают погрешность измерения, изменяющуюся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Систематические погрешности, это погрешности остающиеся постоянными или закономерно изменяющимися при повторных измерениях одной и той же величины. Различают следующие их разновидности: - инструментальные (несовершенство средств измерений); - метода измерений (применение аппроксимирующих уравнений или новых методов); - субъективные (связаны с индивидуальными особенностями наблюдателя); - погрешности установки (неправильная установка стрелки прибора на начальную отметку шкалы); - методические (условия измерения); Под грубой понимается погрешность измерения, существенно превышающая ожидаемую при данных условиях. Кроме того, по характеру зависимости измеряемой величины от времени, измерения подразделяются на: а)статические (величина неизменна во времени) и б) динамические. По способу получения результатов измерений их делят на следующие виды: - прямые, когда искомое значение физической величины определяют непосредственно из опытных данных; - косвенные, при которых искомую величину определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, определяемыми прямыми измерениями; - совокупные, при которых искомую величину определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний одноименных величин; - совместные - производимые одновременно измерения нескольких неодноименных величин для нахождения зависимостей между ними.
Временной промежуток между каждым изменением какого-либо из параметров составлял примерно 30-40 минут. Это было необходимо для выхода установки на стационарный режим. После этого снимались показания приборов, и эксперимент проводился заново, при других значениях параметров. В процессе эксперимента измерялись: - температура на поверхности пластин Тсгср (осреднённая по десяти показаниям термопар) - температуры воздуха на входе и выходе из рабочего участка (в дальнейших расчётах используется среднее значение температуры воздуха Твср) Величина нагрузки Q определялась показаниями амперметра и вольтметра и дублировалась по расходу воздуха 0=Оэл=(&озд или Q=I U= \ в Св рБ (Л-1тв) Так как расхождение между ними составляет ±10%, то в дальнейшем расчёт будем вести по Оэл, как измеренному с большей точностью.
Количество теплоты, передаваемое воздуху, можно определить либо произведением напряжения и тока во вторичной обмотке, либо замеряя температуру воздуха на входе и выходе из теплообменника и зная его скорость и среднюю температуру пластин для случая гладких пластин и пластин с облунением. Измерения проводились при плотности теплового потока 1100- 3200 Втм2.
Разработка конструкции утилизатора повышенной эффективности
В предыдущих главах были рассмотрены различные конструкции аппаратов для утилизации теплоты вентиляционных выбросов.
Были отмечены достоинства и недостатки основных типов таких теплообменных устройств, на основании чего для дальнейшего исследования были выбраны рекуперативные пластинчатые теплообменные аппараты, как наиболее дешёвые, простые по конструкции и эксплуатации.
Для сравнительного анализа выбраны утилизаторы нескольких фирм («Wolf», «Hoval»), которые широко применяются в системах вентиляции и кондиционирования. По результатам сравнения было обнаружено, что данные аппараты работают в холодный период года крайне нестабильно. Рассмотрение зависимостей, приведенных в каталогах фирм-производителей [26],[28],[29], показало технические недостатки этих теплообменников: высокое аэродинамическое сопротивление на единицу глубины аппарата, и, как следствие, малые числа единиц переноса энергии (NTU), что приводит, в конечном итоге, к невысокой общей эффективности теплообменного аппарата (ТОА).
В главе 2 описывается эксперимент по исследованию формы рельефа в виде сферических лунок на теплообменной поверхности. По его результатам был сделан вывод о целесообразности использования этого рельефа в пластинчатых аппаратах-утилизаторах рекуперативного типа с внесением изменений конструктивно - компановочного характера.
Предлагаемая ниже конструкция теплообменного аппарата (рис.35) использует полученные экспериментальные данные, а также имеет ряд особенностей, улучшающих характеристики такого утилизатора по сравнению с «фирменными» аппаратами.
Конструкция рассматриваемых «фирменных» утилизаторов не позволяет увеличить поверхность теплообмена за счёт роста глубины (из-за недопустимого увеличения перепада давлений выше 200 Па). Они имеют квадратные пластины, что ограничивает свободу при выборе их размеров. Кроме того, на теплообменные поверхности таких аппаратов нанесены выштамповки специального профиля, которые обеспечивают жёсткость конструкции, но при этом сильно увеличивают аэродинамическое сопротивление.
Теплообменный аппарат конструктивно может быть выполнен из неметаллических материалов. Это существенно снизит его стоимость и облегчит изготовление. Теплообменные пластины выполнены из ленты различной толщины (рис.36). Для обеспечения жёсткости крепления и предотвращения вибрации используется специальное натяжное устройство. На ленту проще нанести исследованный рельеф в виде лунок. Этот рельеф позволяет увеличить интенсивность процесса теплоотдачи, коэффициент теплопередачи увеличивается примерно в полтора раза при сохранении перепада давлений, характерного для гладкого канала примерно одинаков для алюминия и полистирола и зависит, в основном, от коэффициентов теплоотдачи со стороны потоков воздуха, а влияние отношения 5/А, по отношению к ним очень мало: Ri=R3»R2.
Представленная конструкция работает по принципу противотока, что увеличивает время контакта между потоками удаляемого и наружного воздуха. В предыдущих разделах был проведён анализ который показал, что «фирменные» аппараты работают в режиме ламинарного течения, в то время как эффект от рельефа с облунением будет заметен только при скоростях движения воздуха свыше 6 м/с, что соответствует турбулентному режиму.
Конструкция позволяет повысить скорости движения воздуха за счёт сужения свободного сечения аппарата и увеличения его глубины, то есть, площадь теплообменной поверхности останется той же, что и в случае с теплообменными аппаратами различных фирм (F=idem). При этом аэродинамическое сопротивление будет соответствовать аппарату с гладкими поверхностями теплообмена за счёт отсутствия выштамповок, характерных для аппаратов фирм «Wolf» и «Ноуа1».Расстояние между пластинами выбирается таким же, как и для фирменных утилизаторов.
Одним из достоинств усовершенствованного утилизатора является то, что он может быть встроен непосредственно в систему воздуховодов и не требует дополнительного пространства для его размещения. Высота теплообменника принимается равной высоте воздуховода, а ширина и длина варьируются в зависимости от расхода воздуха в системе. Таким образом, такой теплообменный аппарат имеет два свободных размера, в то время как аппараты различных фирм либо не имеют «свободных» размеров вообще, либо имеют только один. Подача воздуха происходит с торцевых поверхностей аппарата, а удаление с верхней и нижней его сторон, на которых расположены два крепёжных фланца. Размер этих фланцев определяется сечением воздуховодов (расходом воздуха). Так, при расходе воздуха в 4000 м3/час длина утилизатора составит примерно полтора метра при размере фланца 400 мм.
В теплонасосной установке (рис.396) процесс протекает аналогично, но при других температурных потенциалах. Здесь часть теплоты окружающей среды с температурой Тас передается нагреваемому телу. Источниками низкопотенциалъной теплоты (НПИТ) для обращенных тепловых машин служат естественная среда (воздух, вода, грунт) или сточные воды, обладающие большим температурным потенциалом. Основным условием, благоприятствующим использованию тепловых насосов, является сравнительно небольшой перепад температур между теплоприемником и теплоотдатчиком.
В литературе часто встречается термин теплонасосная установка (ТНУ) -термодинамическая машина, обратная тепловому двигателю и аналогичная холодильной машине. Однако, некоторые авторы [17] считают такое название не совсем корректным, поскольку насос- устройство для перекачивания чего-либо и более правильно называть такую установку обращенной тепловой машиной (ОТМ). В дальнейшем в работе будут использоваться оба этих термина. ТНУ представляет собой систему, в которой низкопотенциальная теплота отводится от объекта с относительно низкой температурой к приемнику теплоты с более высокой температурой при потреблении энергии извне, т.е. Т„ Т ,С и Т Тоя, где Тв - более высокая температура (температура теплоотдатчика); Тн- более низкая температура (температура теплоприемника);Т0.с- температура окружающей среды.
Методика оптимизации теплообменников типа «воздух - холодильный агент» для отопительных тепловых насосов
В этом разделе изложено несколько основных точек зрения по конструированию теплообменников для компрессорных тепловых насосов. Методика в целом была получена на основе данных и расчетов специалистов разных стран мира. И, как было показано в литературе, именно расчеты по этому методу дают результаты, наиболее приближенные к действительным. Вначале приводятся основные моменты теории теплопередачи, а потом описывается метод, который может быть использован при конструировании и определении размеров теплообменников типа "воздух - холодильный агент" и в вычислении распределения температур. В качестве иллюстрации этой методики в следующих разделах будет дан экономически оптимальный размер поверхностей аппаратов тепловых насосов при соответствующей наружной температуре. На различных стадиях в методике используются производственные экспериментальные данные, и конечный результат получается для конструкции теплообменников, которые используются в уже существующих моделях.
Сжатый пар холодильного агента покидает компрессор и входит в конденсатор, где он теряет свой перегрев, конденсируется и затем переохлаждается, отдавая теплоту воздуху помещения. Жидкость высокого давления течет через капиллярную трубку в испаритель при низком давлении. Здесь холодильный агент кипит, без перегрева или переохлаждения, отводя теплоту от пространства, и возвращается в компрессор как пар низкого давления. Альтернативой терморегулирующему вентилю является капиллярная трубка, которая позволяет жидкости расширяться и обмениваться теплотой с паром холодильного агента, входящего в компрессор, устраняет "подкипание" (кипение в процессе понижения давления) и страхует оттого, что нет жидкости в пределах досягаемости линии всасывания. Несмотря на то, что в качестве регулирующего устройства капиллярная трубка применяется при постоянных внешних условиях, использование ее в бытовых сплит-системах оправдывается. Помимо очевидного упрощения конструкции системы, и, соответственно, ее удешевления, (по сравнению с использованием ТРВ), мы выигрываем в энергетических показателях. Другими словами, сокращая потребление электроэнергии, мы увеличиваем холодильный коэффициент [18].
Этот метод имеет преимущества в простоте и используется для многих существующих установок. Цикл может быть также представлен в диаграмме lgP-i(cM. рис.41). Большая часть работы связана с теплообменниками типа "воздух -холодильный агент"(рис.43). Они широко представлены на рынке и имеют несколько видов, самым используемым из которых является теплообменник с перекрестным током, имеющий круглые трубки по хладагенту с постоянными ребрами.
Чтобы полностью оценить теплопроизводительность теплообменника, также необходимо знать мощность вентилятора, которая будет нужна, чтобы преодолеть сопротивление трению по воздуху. Она может быть вычислена по скорости воздуха и падению давления. Обычный метод представления экспериментальных данных о падении давления - это определение значения, коэффициента трения, соотнесенного с числом Рейнолъдса. Однако, существует также несколько поправок для коэффициента трения кипящего и конденсирующегося хладагента в горизонтальных трубках.
Метод, использующийся для вычисления температур и падения давления, был описан Кэйсом и Лондоном в 1964 году [39]. Он включает обобщения многих изменений в определении параметров, таких как "число единиц переноса теплоты" и "эффективность теплообмена".
Среди технических решений, интенсификация теплопередачи в испарителе и конденсаторе играет чрезвычайно важную роль. В главе 1 отмечалась возможность интенсификации теплообмена в пластинчатых теплообменниках за счёт применения специальных форм рельефа (лунок), нанесённых на поверхности теплообмена.
В развитие сказанного ранее предлагается нанести аналогичные профили на рёбра теплообменных аппаратов теплонасосных установок. Это позволит увеличить интенсивность процесса теплообмена без заметного роста размеров аппаратов, и, как следствие, аэродинамического сопротивления.
Сравнение различных видов геометрии теплообменников было сделано посредством построения зависимости разности температур «воздух хладагент» и мощности на трение по воздуху для единицы поверхности теплопередачи. амый дучшии-дариант соответствует -теплообменнику который дает наименьшую разность температур для данной мощности вентилятора, сравниваемого с другими на одинаковой основной поверхности теплопередачи.
Все вычисления были сделаны, используя одинаковые величины для констант, таких как температура воздуха, геометрия теплообменного аппарата и т.д. и, полагая, что сопротивление теплопередаче по хладагенту равно нулю. Соотношения для теплопередачи и коэффициента трения взяты из работ Кэйса, Мак-Куинстона и Йоши[39],[79],[82].
Из таблицы 15 видно, что поверхности типа (е) и (f) являются лучшими из сравниваемых и используется в настоящее время для многих теплообменников систем кондиционирования. Поверхность типа (f) представляет собой так называемую "облуненную" поверхность, т. е. с нанесенными сферическими лунками. Она в настоящее время является перспективной для дальнейшего применения, поскольку можно не только оптимизировать размеры теплообменников, но и интенсифицировать теплообмен в них.
При исследовании теплогидравлических характеристик при поперечном обтекании шахматного и коридорного пучков труб исследовались облуненные трубы диаметром 18мм. Относительный шаг трубок составлял 1,32 мм по фронту и 2 мм по глубине. В каждом пучке обогревались электрическим током две трубки, одна из которых располагалась в первом ряду, а вторая — в глубинном.
Эксперименты, проведенные в коридорном пучке показали, что в данном случае интенсификация теплообмена имеет место для первого ряда трубок. Для глубинных рядов теплоотдача облуненных трубок не отличается от теплоотдачи гладких труб.
Для шахматного пучка имеет место интенсификация теплообмена не только для первого, но и для глубинного ряда. Причина такого отличия, видимо, состоит в различном характере обтекания глубинных трубок в коридорном и в шахматных пучках. Рост теплоотдачи составляет примерно -40%. R экспериментах-бмтто зафиксировано снижениел-идравлического сопротивления в облуненных пучках по сравнению с гладкими для коридорного пучка на 25% [21].
Таким образом, можно сделать вывод, что нанесение сферических лунок на поверхность ребер позволяет интенсифицировать теплообмен в аппаратах холодильных машин. Это позволяет также улучшить теплотехнические характеристики оборудования без заметного изменения габаритных размеров теплообменников.
Внутренняя поверхность труб теплообменного аппарата, находящаяся в контакте с двухфазным парожидкостным потоком хладагента также имеет специальный профиль [61]. Трубки с внутренним оребрением впервые появились в начале 1980-х годов и получили название «рифлёных трубок». Их изготавливали по технологии «Cast and Roll» (литьё" и прокатка). На внутренней поверхности трубки имеются многочисленные расположенные по спирали рёбра, имеющие микроскопический размер. Большинство трубок со спиральным внутренним оребрением имеют рёбра высотой 0,2 мм, с углом наклона ребра 18, и около 60 рёбер насчитывалось в поперечном сечении трубки диаметром 9,52 мм.
В 1990-х годах началось производство сварных трубок с внутренними рёбрами методом «Roll and Weld» (формовка и сварка). Достоинствами такой технологии являются возможность микроскопически точного контроля за размерами и формой оребрения, а также осуществления нескольких нарезок для создания сложной конфигурации.
