Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса утилизации теплоты вытяжного воздуха 12
1.1. Обзор современных методов утилизации теплоты вытяжного воздуха 12
1.2. Современные методы расчета пластинчатых рекуперативных теплоутилизаторов.
1.2.1. Расчет коэффициентов тепломассообмена 16
1.2.2. Методы теплотехнического расчета пластинчатых теплоутилизаторов
1.3. Состояние вопроса исследования обмерзания пластин пластинчатых рекуперативных теплообменников 26
1.4. Известные пути решения проблемы обмерзания рекуперативных теплоутилизаторов.
1.4.1. Решения, предполагающие непрерывную эксплуатацию в режиме обмерзания 31
1.4.2. Решения, предполагающие остановку системы вентиляции для оттаивания 33
1.5. Выводы и постановка задач для исследования 36
2 Теоретические исследования пластинчатого перекрестно-противоточного рекуперативного теплоутилизатора 39
2.1. Расчет процессов обработки воздуха в теплоутилизаторе 39
2.2. Расчет коэффициентов тепломассообмена 45
3.3.1. Расчет коэффициента теплопередачи 45
3.3.2. Разработка метода для экспериментального подтверждения адекватности расчета коэффициентов теплоотдачи
2.3. Теплотехнический расчет рекуперативного теплоутилизатора с использованием функции КПД 56
2.4. Расчет потерь давления в теплоутилизаторе 68
2.5. Разработка метода эксплуатации рекуператора в условиях обмерзания 72
2.6. Выводы по главе 2 77
3 Экспериментальные исследования пластинчатого перекрестно-противоточного рекуперативного теплоутилизатора 79
3.1. Описание стенда для испытаний 79
3.2. Экспериментальное определение коэффициента гидравлического сопротивления теплоутилизатора 83
3.3. Экспериментальное исследование теплоутилизатора в условиях обмерзания
3.3.1. Экспериментальные данные 85
3.3.2. Анализ экспериментальных данных в условиях обмерзания
3.3.2.1. Выбор метода анализа 96
3.3.2.2. Анализ экспериментальных данных при начальном влагосодержании воздуха d1e 3.8 г/кг 101
3.3.2.3. Анализ экспериментальных данных при начальном влагосодержании воздуха d1e 3.8 г/кг 104
3.3.3. Анализ снижения эффективности в процессе обмерзания 107
3.4. Экспериментальное исследование теплоутилизатора без процесса обмерзания 110
3.4.1. Определение граничных условий для процесса обмерзания 113
3.4.2. Подтверждение адекватности расчета коэффициента теплопередачи 114
3.5. Исследование процесса оттаивания 116
3.6. Выводы по главе 3 123
4 Оптимизация работы приточно-вытяжной установки с пластинчатым теплоутилизатором 124
4.1. Расчет оптимальной длительности циклов без применения дублирующей установки 124
4.2. Расчет оптимальной длительности циклов с применением дублирующей установки 129
4.3. Выводы по главе 4 130
5 Экономическое обоснование применения пластинчатого рекуперативного теплоутилизатора 131
5.1. Расчет экономической эффективности при эксплуатации без
применения дублирующей установки 132
5.2. Расчет экономической эффективности при эксплуатации с применением дублирующей установки 135
5.3. Выводы по главе 5 138
Выводы 139
Библиографическое описание
- Состояние вопроса исследования обмерзания пластин пластинчатых рекуперативных теплообменников
- Теплотехнический расчет рекуперативного теплоутилизатора с использованием функции КПД
- Экспериментальное определение коэффициента гидравлического сопротивления теплоутилизатора
- Расчет оптимальной длительности циклов с применением дублирующей установки
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Системы вентиляции являются одним из основных потребителей энергии,
поскольку количество теплоты, затрачиваемое на нагрев приточного воздуха в
холодный период года, весьма значительно. Федеральный закон «Об
энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении
изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», от
23.11.2009 г. №261-ФЗ, предполагает проектирование энергоэффективных
инженерных систем, в том числе, систем вентиляции. Одним из наиболее
эффективных методов экономии эксплуатационных затрат на нагрев
приточного воздуха является применение теплоутилизаторов, в частности,
пластинчатых рекуперативных теплоутилизаторов (далее - ПРТ),
температурная эффективность которых достигает 90%. Основной проблемой, затрудняющей эксплуатацию ПРТ, является угроза обмерзания пластин теплоутилизатора.
Для решения данной проблемы необходимы исследования в двух направлениях: исследование процесса обмерзания и разработка эффективных способов эксплуатации в условиях обмерзания.
Степень разработанности темы исследования:
Исследованиями процесса обмерзания занимались как в прошлом веке в
институте холодильной техники (София, Болгария), так и современные
исследователи в Санкт-Петербургском государственном университете
низкотемпературных и пищевых технологий, а также в лаборатории завода
«Клингенбург» (Германия). Однако, существующих экспериментальных
данных недостаточно для прогнозирования процесса обмерзания ПРТ. Кроме
того, на данный момент отсутствует метод, позволяющий эксплуатировать ПРТ
в условиях обмерзания без существенного снижения эффективности
теплоутилизации. Способы эксплуатации ПРТ в условиях обмерзания,
существующие на данный момент, предполагают существенное снижение
эффективности теплоутилизации или необходимость использования
рециркуляции для оттаивания.
Таким образом, задача теоретических и экспериментальных исследований ПРТ в условиях обмерзания с целью разработки способа его эффективной эксплуатации в условиях обмерзания является актуальной.
Цель диссертационной работы: повышение эффективности утилизации теплоты вытяжного воздуха путем разработки способа эксплуатации пластинчатого рекуперативного теплоутилизатора в условиях обмерзания.
Задачи исследований:
1. Анализ научно-технической литературы по вопросам обмерзания ПРТ и существующих методов решения проблемы обмерзания.
-
Разработка методики теплотехнического расчета ПРТ перекрестно-противоточного типа и программного обеспечения для его реализации.
-
Разработка конструкции приточно-вытяжной установки, позволяющей эксплуатировать ПРТ в условиях обмерзания. Оптимизация алгоритма работы данной установки
-
Разработка лабораторного стенда для испытаний ПРТ и проведение экспериментальных исследований ПРТ в условиях обмерзания с целью получения методики, позволяющей прогнозировать течение процесса обмерзания и оттаивания.
-
Экономическое обоснование применения ПРТ в условиях обмерзания и разработка рекомендаций для внедрения в производство.
Научная новизна:
-
Разработана методика теплотехнического расчета ПРТ перекрестно-противоточного типа с использованием итерационного алгоритма, отличающаяся применением функции коэффициента полезного действия, предложенной для ПРТ перекрестно-противоточного типа и учетом распределения температур по всей поверхности теплообмена для каждого шага конкретного шага итераций.
-
Разработан способ эксплуатации ПРТ с циклическим обмерзанием и оттаиванием, отличающийся тем, что в каждом процессе оттаивания движение приточного воздуха через ПРТ прекращается, а вытяжной воздух циркулирует через ПРТ по замкнутому кругу с постоянным нагревом в теплообменнике.
-
Разработана конструкция приточно-вытяжной установки, отличающаяся тем, что в конструкцию установки входит клапан, расположенный между зоной выхода вытяжного воздуха из ПРТ и зоной входа вытяжного воздуха в ПРТ, открывающийся в процессе оттаивания для обеспечения циркуляции вытяжного воздуха через ПРТ по замкнутому кругу.
-
Экспериментальным путем получены зависимости интенсивности процесса обмерзания от параметров приточного и вытяжного воздуха на входе в ПРТ и зависимости времени процесса оттаивания от степени обмерзания ПРТ.
-
Решена задача оптимизации работы ПРТ при его эксплуатации в циклическом режиме в условиях обмерзания. Решением задачи является определение длительности работы ПРТ в режиме обмерзания, при которой эффективность теплоутилизации максимальная.
-
Разработана компьютерная программа, в которой производится теплотехнический расчет с использованием предложенной методики, расчет интенсивности процесса обмерзания ПРТ на основе применения полученных зависимостей и расчет оптимальной длительности цикла эксплуатации ПРТ.
Практическая значимость работы.
На основе предложенной методики теплотехнического расчета ПРТ и полученных зависимостей для определения интенсивности процесса обмерзания составлена компьютерная программа, использование которой повышает точность расчетов ПРТ. Предложенная конструкция приточно-4
вытяжной установки на базе ПРТ внедрена в производство. Результаты решения задачи оптимизации представлены в виде номограмм, которые используются для составления алгоритмов системы автоматического управления для систем приточно-вытяжной вентиляции.
Теоретическая значимость работы.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке нового способа теплотехнического расчета ПРТ, в получении зависимостей для возможности прогнозирования интенсивности процесса обмерзания, разработке нового способа эксплуатации ПРТ в циклическом режиме.
Методология и методы исследования:
Для решения задач использованы следующие методы исследований:
анализ научно-технических публикаций, теоретические исследования
базировались на основных положениях теории теплотехники, методах
компьютерного и математического моделирования. Экспериментальные
исследования проводились на пластинчатом рекуперативном теплоутилизаторе
перекрестно-противоточного типа, модель «GS», производства «Клингенбург»,
Германия. Для измерения использовались поверенные датчики «Сименс»,
контроллер «Сигнетикс», а также многофункциональный прибор «Testo».
Степень достоверности полученных результатов.
Достоверность обеспечивается отработкой методики эксперимента,
снижением погрешности измерений, а представленный в работе
сопоставительный анализ результатов исследования с литературными и экспериментальными данными подтверждает достоверность полученных результатов.
Положения, выносимые на защиту.
Методика теплотехнического расчета ПРТ; способ эксплуатации ПРТ с циклическим обмерзанием и оттаиванием; конструкция приточно-втяжной установки на базе ПРТ; результаты экспериментальных исследований обмерзания и оттаивания; результаты решения задачи оптимизации.
Апробация результатов.
Основные положения и результаты были доложены на ряде научно-технических конференций (6 конференций, из них 2 конференции международные), опубликованы в периодической печати (5 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК), получен патент на полезную модель и патент на изобретение.
Результаты работы используются при конструировании приточно-вытяжных установок и составлении алгоритмов системы автоматического управления приточно-вытяжных установок на предприятии ЗАО «Рязвент-плюс»
Структура и объем работы.
Состояние вопроса исследования обмерзания пластин пластинчатых рекуперативных теплообменников
Первая проблема – расчет среднелогарифмического температурного напора с учетом необходимых поправок, что подробно описано выше. Вторая проблема – необходимость построения «луча процесса» для того, чтобы понять, какая температура охлаждаемого газа достигается на выходе из рекуператора. Сложность заключается в необходимости графического построения луча процесса на JD-диаграмме. Существуют эмпирические зависимости, позволяющие описать течение процесса охлаждения численными методами [16]. В [78], которое обобщает информацию из современных источников на эту тему, делается вывод, что луч процесса направлен по кривой, точного описания которой на данный момент не существует. Таким образом, применяемые на данный момент методы расчет тепловых агрегатов имеют следующие недостатки: 1. Отсутствие единого мнения относительно направления «луча процесса» для перекрестно-противоточного рекуператора. 2. Применение различных зависимостей для расчета эффективности. 3. Необходимость использования диаграмм для внесения поправок при расчете среднелогарифмического температурного напора. Необходимо также учитывать, что при работе теплоутилизаторов имеет место конденсация паров из влажного воздуха. Теплообмен при конденсации паров из влажного воздуха сопровождается изменением агрегатного состояния вещества, что усложняет процесс конвективного теплообмена и затрудняет применение аналитических подходов к решению задач. Многие проводимые работы в этом направлении носят характер суммарных оценок и не раскрывают всей сложной картины тепломассообмена, [79]. Эксплуатация и расчет рекуператоров в указанных условиях описываются в [6], [7], [26], [28].
Расчет изменения энтальпии влажного воздуха при конденсации водяного пара представляет определенную вычислительную трудность. В [10] для вычисления энтальпии влажного воздуха рассматривается производная энтальпии вдоль оси движения воздуха, при этом после математически преобразований представлена система уравнений:
Систему уравнений в работе [10] предлагается решать итерационно. После произведения расчета итерационным методом определяется зона теплообмена, температура которой ниже температуры насыщения пара. В работе [20] сделан вывод, что относительная конвективная компонента теплового потока и теплота, выделяемая за счет конденсации, практически не зависят от режима течения и совпадают с соотношениями, полученными из балансовых уравнений сохранения энергии и массы на стенке с привлечением условия подобия процессов тепломассообмена.
Состояние вопроса исследования процесса обмерзания пластин рекуперативных теплоутилизаторов Обмерзание пластин рекуперативных теплоутилизаторов является важной проблемой, возникающей в ходе эксплуатации. Исследования данного процесса начали проводиться еще в середине прошлого столетия: [5], [93], [94], [29], [29]. Также эта проблема изучается и современными исследователями: [10], [11], [44], [88], в том числе и зарубежными [109]. В ходе испытаний, проведенных в институте холодильной техники, София, Болгария, установлено, что, при температуре поверхности воздухоохладителя ниже 0С, на поверхности аппарата оседает иней. Толщина инея в процессе инееобразования непрерывно изменяется. Физическая модель оседания инея очень сложна. Часть водяного пара, находящегося в воздухе и диффундирующего к поверхности, увеличивает
толщину слоя инея, а другая часть продолжает диффундировать в самом слое инея и при этом вызывает увеличение плотности уже образовавшегося слоя инея. Наряду с попытками решить проблему динамики инееобразования аналитическим путем [86], [51],[ 45], многие исследователи подошли к экспериментальному решению задачи [94], [24]. Большинство опубликованных работ по исследованию инееобразования относится к случаям оседания инея на поверхностях простой геометрии, что достаточно подробно описано в [29], [87]. Эксперименты в основном проводили при большой разности между температурами воздуха и охлаждающей поверхности. В ходе экспериментов получена следующая зависимость скорости нарастания инея от времени:
Следует отметить, что в работе [88] наоборот, сделаны выводы о том, что при увеличении относительной влажности скорость обледенения снижается. Возможно, это объясняется разными условиями, при которых происходило обмерзание: в работе [29] начальная температура воздуха поддерживалась около 0С, в то время как в работе [88] начальная температура влажного воздуха была выше 15С.
Исследования оседания инея на ребре, проведенные Б.К.Янвелем [92], дают представление о распределении слоя инея по ребру и выясняют проблемы, которые связаны с эксплуатацией воздухоохладителей. В работе [88], при анализе экспериментальных и теоретических данных установлено, что образование «холодного угла» происходит в зоне вытяжного канала на стыке выхода вытяжного воздуха и входе холодного воздуха. В работе [19] указано, что обмерзание «холодного угла» будет происходить в следующих случаях: 1. Когда влагосодержание удаляемого воздуха превышает 3,8 г/кг. 2. Интенсивность замораживания увеличивается с ростом сухой эффективности рекуперации. 3. По мере увеличения температуры вытяжного воздуха опасность обледенения снижается. 4. С увеличением массового отношения воздушных потоков на притоке и на вытяжке опасность обледенения возрастает (большое количество холодного воздуха более интенсивно охлаждает небольшое количество удаляемого воздуха).
В работе [88] также сделан вывод о том, что, так как образуемый конденсат содержит большое количество энергии, при его стекании вниз вместе с ним переносится тепло, достаточное для подогрева части пластин, предотвращая или снижая их обледенение. Однако, в статье [25], автор утверждает, что движение теплого влажного воздуха лучше организовать снизу вверх, чтобы конденсат стекал вниз, при расположении зоны обмерзания в верхней части поверхности теплообмена. Установка именно такой конструкции описана в [57].
Исследования процесса обмерзания пластин теплообмена проводились и современными зарубежными исследователями в 2001 году, в лаборатории производственного предприятия «Клингенбург», Германия. Результаты исследования обмерзания перекрестно-противоточного пластинчатого теплоутилизатора представлены в [103]. В данных исследованиях графически представлено повышение перепада давления на рекуператоре в процессе обмерзания, а также снижение эффективности. В ходе испытаний рекуператор располагался в различных пространственных положениях.
Теплотехнический расчет рекуперативного теплоутилизатора с использованием функции КПД
Наиболее затруднительной задачей является нахождение коэффициентов теплоотдачи e и s, соответственно вытяжного и приточного воздуха. В данной главе описывается методика расчета указанных коэффициентов, а также разрабатывается способ экспериментального подтверждения применяемой методики. Для исследуемого типа рекуператора толщина пластин =0,1мм; теплопроводность алюминия =209 Вт/м K;
Для нахождения коэффициента теплоотдачи необходимо обратиться к теории подобия, в частности, к определению критерия Нуссельта. Из определения критерия Нуссельта следует) [79]: a d Nu = , (2.22) l где – коэффициент теплопроводности движущейся среды; d – характерный размер. Из определения критерия Нуссельта выражается искомый коэффициент теплоотдачи . При движении жидкости внутри трубы в качестве характерного размера применяется диаметр трубы. Согласно [83], [106] при движении жидкости через сечение произвольной формы, в качестве характерного размера целесообразно применять эквивалентный диаметр. Причем, при движении в плоских каналах целесообразно применять термический диаметр, при расчете которого учитывается только охлаждаемая или нагреваемая часть периметра: 4 Fk d = (2.23) Uk В данной формуле Fk – площадь сечения канала, по которому движется воздух; Uk – часть периметра канала, которая участвует в процессе теплообмена. Рис.2.3. Схематичное изображение рекуператора Рассчитаем термический диаметр для исследуемого типа рекуператора. Ширина одного канала составляет 2мм. Таким образом, воздух движется по каналам размером 347х2мм. Площадь канала составляет, м2: Fk — 0.347 0.002 = 0.0007 (2.24) Периметр, участвующий в теплообмене, м: U = 0.347 2 = 0.694 (2.25) Термический диаметр для данного размера рекуператора, м: , 4 0,0007 " = = 0,004 (2.26) 0,694 Следует отметить, что данный характерный размер при расчетах должен вычисляться для каждого типоразмера рекуператора. Вычисление конкретного значения термического диаметра в данном случае необходимо для математического эксперимента и последующего анализа и сравнения данных с результатами лабораторного эксперимента для конкретного типа рекуператора. Следующий параметр в выражении (2.22) - теплоемкость воздуха, определяем по формуле (2.27), [16]: Я = 0,00037 (ґ+273) 0-748 , (2.27) где t - температура воздуха, С. В данном случае температура воздуха, как со стороны приточного воздуха, так и со стороны вытяжного, принимается как средняя между начальным и конечным значением. Из формулы (2.22) выражается коэффициент теплоотдачи: Nu l a= (2.28) d
Учитывая вышеизложенные формулы, существует полная ясность относительно теоретического расчета коэффициента теплопередачи k. Однако, стоит учесть, что зависимость для расчета критерия Нуссельта заимствована из работы [44], где была получена для определенного типа рекуператора. Учитывая тот факт, что исследуемый рекуператор представляет собой рекуператор новой конструкции, данная зависимость нуждается в экспериментальном подтверждении или корректировке. Воздух в рекуператоре движется через зоны 1 и 2 следующим образом: вытяжной воздух с температурой t1e входит в рекуператор, в зону 1, после прохождении этой зоны, воздух изменяет направление движения, проходит через зону 2 и выходит из рекуператора. На выходе из рекуператора обозначаем параметры индексом «e2». Параметры воздуха в точке перехода из первой зоны во вторую обозначается индексом «m». В ходе эксперимента замеряются параметры только на входе в зону 1 (обозначаются индексом «1s») и на выходе из рекуператора (обозначаются индексом «2e»). Характер движения теплоносителя относительно друг друга в зонах различный, поэтому расчет теплообмена необходимо производить двумя этапами. Средняя разность температур для зоны 1 вычисляется следующим образом, [83]:
(tme - t1s) - (t1e - t2s)
Выражение (2.33) соответствует схеме движения «противоток». Далее рассматриваем зону 2. В данном случае теплообмен можно рассмотреть как процесс при неизменной температуре одного из теплоносителей. Необходимо учесть, что начальные температуры для данной зоны при расчете следует принимать такие, которые являются конечными для зоны №1, то есть температура tme, относительная влажность fme. Принимая температуру одного из теплоносителей неизменной, среднюю разность температур вычисляем по следующей формуле:
Теплотехнический расчет процессов теплообмена различен для первой и второй зоны. В обоих случаях расчет производится итерационным методом. В первом случае итерационно изменяется температура приточного воздуха, причем с изменением температуры приточного воздуха изменяется направление луча процесса, так как по ходу движения вытяжного воздуха изменяется температура поверхности теплообмена. Во второй зоне температура поверхности теплообмена неизменна, поэтому луч процесса имеет постоянное направление. Ниже описываются алгоритмы теоретического расчета процесса теплообмена для первой и второй зоны.
Для расчета теплообмена в зоне 1 температура t1s изменяется итерационно от значения t1s до значения t2s, причем верхнее значение t2s в данном случае принимается равным t1e. Для каждого значения температуры притока в ходе итераций находится значение энтальпии Jsx. То есть, для каждого шага итераций производится расчет тепловой мощности: Qi =Ge (Jsx- J1s) (2.35) Далее следует еще один цикл итераций, так называемый «внутренний», для определения направления луча процесса, в результате которого определяются параметры вытяжного воздуха в конечной точке процесса.
Экспериментальное определение коэффициента гидравлического сопротивления теплоутилизатора
Устройство, изображенное на рис.2.16 содержит корпус 1, пластинчатый рекуперативный теплоутилизатор 2, приточный и вытяжной вентиляторы 3, 4, фильтрующий элемент 5, нагревательный элемент 6 для приточного воздуха, нагревательный элемент 7 для вытяжного воздуха, байпасный клапан 8, входное и выходное отверстия 9, 10 для приточного воздуха, входное и выходное отверстия 11, 12 для вытяжного воздуха, поддон 13 для слива конденсата. В корпусе 1 пластинчатый рекуперативный теплоутилизатор 2, приточный и вытяжной вентиляторы 3, 4 и байпасный клапан 8 установлены таким образом, что образованы соответствующие зоны: зона 14 выхода вытяжного воздуха из установки, зона 15 входа вытяжного воздуха в установку, зона 16 выхода вытяжного воздуха из рекуператора, зона 17 выхода приточного воздуха из рекуператора. Байпасный клапан 8 расположен между зоной 14 выхода вытяжного воздуха из установки и зоной 15 входа вытяжного воздуха в установку. При этом байпасный клапан 8 обеспечивает разделение или соединение указанных зон 14 и 15 соответственно в закрытом или открытом его положениях, соответствющих режимам регулирования температуры приточного воздуха или оттаивания пластинчатого рекуперативного теплоутилизатора 2. Блок 18 управления выполнен в виде микропроцессора и соединен с приточным вентилятором 3 с возможностью его отключения средством коммутации 19 в режиме оттаивания пластинчатого рекуперативного теплоутилизатора 2 для циркуляции вытяжного воздуха через пластинчатый рекуперативный теплоутилизатор 2 по замкнутому контуру. Средство 19 коммутации может быть выполнено в виде реле или ключа, входящего в состав блока 18 управления Блок управления 18 может быть выполнен на базе микропроцессорного контроллера «Pixel 2501». Установка работает следующим образом. В режиме регулирования температуры приточного воздуха блоком 18 управления включены приточный и вытяжной вентиляторы 3, 4, байпасный клапан 8 закрыт. В данном режиме приточный воздух через входное отверстие 9 для приточного воздуха поступает в фильтрующий элемент 5, а затем в рекуперативный теплоутилизатор 2. Движение приточного воздуха обеспечивает приточный вентилятор 3. После прохождения через рекуперативный теплоутилизатор 2 приточный воздух нагревается с помощью нагревательного элемента 6 для приточного воздуха, после чего выходит через выходное отверстие 10 для приточного воздуха. Вытяжной воздух поступает во входное отверстие 11 для вытяжного воздуха, после чего поступает в рекуперативный теплоутилизатор 2, а затем выходит через выходное отверстие 12 для вытяжного воздуха. Движение вытяжного воздуха обеспечивает вытяжной вентилятор 4. Байпасный клапан 8 в данном режиме закрыт. В режиме оттаивания рекуперативного теплоутилизатора 2 блоком управления 18 приточный вентилятор 3 отключен, байпасный клапан 8 открыт. Вытяжной воздух движется по замкнутом кругу через рекуперативный теплоутилизатор 2, проходя из зоны 14 выхода вытяжного воздуха из установки в зону 15 входа вытяжного воздуха в установку через байпасный клапан 8, нагреваясь при этом нагревательным элементом 7 для вытяжного воздуха. Движение вытяжного воздуха осуществляется вытяжным вентилятором 4. Возможность движения вытяжного воздуха по замкнутому кругу через рекуперативный теплоутилизатор позволяет использовать нагревательный элемент выходного приточного воздуха меньшей мощности.
Приточно-вытяжная установка с пластинчатым перекрестно-противоточным теплоутилизатором Сущностью предлагаемого изобретения является то, что байпасный клапан расположен в потоке вытяжного воздуха между зоной выхода вытяжного воздуха и зоной входа вытяжного воздуха в установку, что позволяет обеспечить циркуляцию вытяжного воздуха внутри установки по замкнутому контуру, снизив мощность нагревательного элемента выходного приточного воздуха при отсутствии дисбаланса приточного и вытяжного воздуха в помещении при эксплуатации установки. В зависимости от проектных решений рекуператор может быть расположен в горизонтальном (Рис.2.13) или вертикальном положении (Рис.2.14). При горизонтальном расположении рекуператора рекомендуется обеспечивать наклон 5 от горизонтальной линии, для улучшения оттока конденсата.
Следует отметить, что по данным [103], процессы обмерзания и оттаивания рекуператора, изучаемые в данной работе, протекают аналогично как при горизонтальном расположении рекуператора (при условии соблюдения рекомендованного угла отклонения от горизонтали, 5), так и при вертикальном расположении рекуператора. Представленная в работе [59] установка обладает следующими преимуществами по отношению к прототипам и аналогам: установка не требует использования дополнительной энергии на нагрев воздуха в режиме обмерзания рекуператора; установка не допускает рециркуляции воздуха в обслуживаемых помещениях в режиме оттаивания рекуператора, так как воздух движется через рекуператор по замкнутому контуру.
Расчет оптимальной длительности циклов с применением дублирующей установки
Расчет оптимальной длительности каждого цикла без применения дублирующей установки В главе 2 представлена конструкция установки, позволяющая эксплуатировать пластинчатый рекуператор в циклическом режиме, чередуя два цикла: обмерзания и оттаивания. Данный способ эксплуатации применим для различных типов пластинчатых теплоутилизаторов [63], но для пластинчатого теплоутилизатора он особенно актуален. Эксплуатация установки предложенной конструкции требует определения оптимальной длительности каждого из режимов работы, при которой эффективность теплоутилизации будет максимальной. Общую эффективность теплоутилизации целесообразно рассчитывать по формуле: qw-q d hполн = , (4.1) qt где общ – полная эффективность теплоутилизации; %; w – количество теплоты, которое получено приточным воздухом в течение периода теплоутилизации, кДж; d – количество теплоты, затраченное на работу электронагревательного элемента в режиме оттаивания, кДж; t – количество теплоты, которое было бы получено приточным воздухом в течение суммарного времени двух циклов (обмерзания и оттаивания) при КПД=100%, кДж.
Таким образом, полная эффективность представляет собой отношение утилизированной теплоты за вычетом теплоты, потраченной на оттаивание, к максимальному теоретически возможному количеству утилизированной теплоты за время работы рекуператора в течение двух циклов. Особое внимание следует обратить на то, что в знаменателе, при расчете количества теплоты, которое могло бы быть утилизировано при КПД 100%, принимается суммарное время для обоих циклов. Это сделано для того, чтобы была возможность адекватной оценки не только эффективности рекуператора, но и эффективности рекуператора при эксплуатации его именно предложенным методом. Принимая суммарное время двух циклов, мы имеем возможность сравнить эффективность теплоутилизации данного метода с эффективностью теплоутилизации других методов эксплуатации, при которых цикла оттаивания может и не быть. При эксплуатации установки время работы в режиме теплоутилизации w и в режиме оттаивания рекуператора d могут быть различными, при этом общая эффективность теплоутилизации изменяется. Из выражения (4.1.) следует:
Оптимальным временем работы установки в режиме теплоутилизации будет являться такое время, при котором общ является максимальным, то есть, для определения оптимального времени работы, необходимо найти экстремум для функции (4.2). Рассмотрим каждый член формулы (4.2.) отдельно, Мощность нагрева приточного воздуха в рекуператоре рассчитывается по формуле: Qs = cxGsX(tlels)xr/sn (4.3) где Qs - мощность нагрева приточного воздуха, кВт; с - массовая теплоемкость приточного воздуха, кДж/кгС; tJe и tis - начальные температуры соответственно вытяжного и приточного воздуха, С; Sf -температурный КПД рекуператора в определенный момент времени, %.
Согласно данным проведенных исследований, представленных в главе №3, эффективность рекуператора при работе в условиях обмерзания снижается и определяется по формуле: tfsf =VS I, (4-4) где s - эффективность теплоутилизатора в начальный момент времени. Значение уменьшения эффективности с течением времени для данной конструкции рекуператора выражается следующей зависимостью: bri = r Tw, (4.5) где w - время работы рекуператора, измеряемое в минутах; -коэффициент снижения эффективности, зависимость для определения которого получена в главе №3: / — Л IJT-X р (4.6) Для дальнейших расчетов целесообразно принять единицу измерения времени w - секунды. Исходя из этого, получаем следующее выражение для определения снижения эффективности:
В выражении (4.7) изменение эффективности измеряется в процентах. Для дальнейших расчетов эффективность будет измеряться как доля, то есть для изменения эффективности используем выражение: Д/7 = 0,000023 XJ811XTW (4.8) Количество утилизированной теплоты за время работы есть определенный интеграл тепловой мощности по dzw. Таким образом, общая эффективность при циклическом методе эксплуатации рекуператора представляет собой сложную функцию. Вычисление производной данной функции с целью нахождения экстремума методом решения уравнения затруднительно, поэтому поиск экстремума целесообразно проводить методом итераций, с помощью компьютерной программы. Экстремумом функции (Рис. 4.1) является значение полной эффективности полн=64,7%, при этом оптимальная длительность цикла обмерзания составляет 93минуты, время размораживания составляет 18.1 мин. С помощью компьютерной программы был произведен расчет оптимальной длительности цикла для различных условий эксплуатации рекуператора. Расчет производился для начальной температурной эффективности рекуператора: =0,8. На основе данных, представленных в каждой таблице, построена соответствующая номограмма для определения оптимальной длительности работы рекуператора и полной эффективности, соответствующей оптимальной длительности работы. параметров Таким образом, выражение (4.13) позволяет определить, оптимальное время работы установки w , которому соответствует значение максимальной полной эффективности. Следует отметить, что, при использовании предложенного метода эксплуатации, полная эффективность снижается относительно начальной на 7-50%. В приложении 3 представлены номограммы для расчета оптимальной длительности работы и соответсвующей полной эффективности теплоутилизации при эксплуатации системы вентиляции без применения дублирующей приточно-вытяжной установки.