Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ сущесвуюющих методов оптимизации энергопот ребления и режимов работы теплоутилизаторов в составе систем микроклимата
1.1, Использование тепловых вторичных энергетических ресурсов в системах микроклимата и методы расчета процессов тепло- и массообмена в теплоути-лизаторах 12
1.2, Режимы защиты и регулирования утилизаторов в системах микроклимата 19
1.3, Методы оптимизации энергопотребления систем микроклимата 28
1.4, Предварительные выводы и задачи исследований.., 47
2 Исследование термодинамической модели систем микроклимата с использованием срвдств утилизации и разработка требований к управлниию
2.1. Анализ соотношения показателей относительных перепадов потенциалов в процессах утилизации тепла удаляемого воздуха 50
2.2. Термодинамическая модель система микроклимата с энтальпийными средствами утилизации 53
2.3. Термодинамическая модель системы микроклимата с температурными средствами утилизации 64
2.4, Требования к управлению системами микроклимата со средствами утилизации 72
2.5, Влияние исходных условий на алгоритм функционирования системы и требования к управлению 79
3. Разработка и реализация алгоритмов функционирования и управления систшы микроклшдата с утилизацией для помещения с условно постоянными тепловлашостньши нагрузками
3.1. Анализ структуры и алгоритмов функционирования систем микроклимата административного здания 90
3.2. Ограничения, определяемые обмерзанием теплообмен-ной поверхности в системе утилизации с промежуточным теплоносителем 105
3.3. Программа и расчет на ЭВМ режимов работы системы утилизации с промежуточным теплоносителем 114
3.4. Результаты натурных испытаний системы утилизации с промежуточным теплоносителем в здании Госстроя СССР 124
3.5. Технико-экономические показатели системы утилизации с промежуточным теплоносителем при применении различных способов управления 138
4. Разработка и реализация алгоротмов функционирования w управления сготшы миикоккимата с утилизацией для помещения с переменными тепловлакноснными нагрузками
4.1, Исследование конструктивных особенностей и теплотехнических характеристик теплового утилизатора-вентилятора 149
4.2. Разработка структуры, алгоритмов функционирования и управления системы микроклимата животноводческого помещения 161
4.3. Результаты натурных испытаний системы микроклимата с тепловым утилизатором-вентилятором в свинарнике 172
4.4. Обобщение результатов теплотехнических испытаний теплового утилизатора-вентилятора 188
4.5. Технико-экономические показатели автоматизированной системы микроклимата животноводческого помещения 200
Приложение
- Режимы защиты и регулирования утилизаторов в системах микроклимата
- Термодинамическая модель система микроклимата с энтальпийными средствами утилизации
- Ограничения, определяемые обмерзанием теплообмен-ной поверхности в системе утилизации с промежуточным теплоносителем
- Разработка структуры, алгоритмов функционирования и управления системы микроклимата животноводческого помещения
Режимы защиты и регулирования утилизаторов в системах микроклимата
Важное значение в проектировании систем автоматического управления имеют вопросы управляемости и наблюдаемости [l5]. Применительно к теплоутилизаторам - это обоснованный выбор методов и средств защиты от обмерзания, а также автоматического изменения тепловлагопроизводительности в зависимости от отклонения наблюдаемого параметра. Способы защиты и регулирования зависят от конструктивных особенностей утилизаторов,
По оценкам ВНИИКоодиционер [ 61 ] первоочередному внедрению подлежат три типа воздухо-возуушных утилизаторов: вращающиеся с аккумулирующей насадкой, пластинчатые и с термосифонами, а также системы утилизации с промежуточным теплоносителем. Последняя система будет проектироваться на базе серийно выпускаемых секций воздухонагревателей, для первых трех типов планируется серийный выпуск специального оборудования.
В зарубежной практике регулирование тепловлагопроизводительности вращающегося утилизатора с сорбирующей или несорбиру-ющей насадкой осуществляется изменением частоты вращения насад ки. Характер изменения показателя Bt в зависимости от частоты вращения показан на рис. 1.2 [ 97 ] . Традиционно считается [48,94,97] , что при тепло-и массообмене в сорбционнои насадке выполняется соотношение Льюиса, и как следствие - равенство между показателями "Р построении на J-сі диаграмме процесс утилизации идет по линии, соединяющей точки начальных состояний наружного и удаляемого воздуха. 3 последних исследованиях [30,64] высказано предположение о нарушении подобия тепло-и маосообмена в сорбционнои насадке за счет выделения теплоты "собственно" сорбции. Это приводит к тому, что относительный перепад по влагообмену превышает относительный перепад по температуре: Вз 0t Обработка нами опытных данных, приведенных в работе [ 69] выявила примерное равенство между относительными показателями при номинальной частоте вращения насадки,
Построение режимов обработки воздуха на J-cl диаграмме в системе микроклимата с вращающимся утилизатором с сорбирующей насадкой " tconovent „ круглогодичный цикл эксплуатации по материалам фирмы " ITIuneKS "[94]представлено на рис. 1.3, О характере изменения относительных показателей при изменении частоты вращения теплообменника "Econovent" можно судить по данным табл.1,1, вычисленных нами по материалам работы [94], Номера режимов приняты по характерным точкам среднего климата,
В режимах с А I по № 3 утилизатор работает с максимальной производительностью при номинальной частоте вращения насадки ( 10 мин" 1), 3 этих режимах сохраняется равенство между относительными показателями. Начиная с режима f 4 осуществляется регулирование теплопроизводительности утилизатора путем изменения частоты вращения. Последняя графа в табл.IЛ вычислена нами с использованием графической зависимости для показателя Q± (рис, 1,2). При уменьшении частоты вращения насадки отмечается значительное различие в величинах относительных показателей, В холодный и переходный периоды года (режимы с Л I по В 88 изменение значения показателя 0 происходит в соответствии с регулировочной характеристикой теплообменника, а изменение показателя 0(j. резко отличается (см.рис. 1.2), В режимах Ш б и 7 происходит осушка наружного воздуха, хотя начальное влагосодержание удаляемого воздуха больше начального влагосодержания наружного воздуха, что обусловило появление отрицательных значений QA , Причины этого в работе [94 е раскрыты, 3 теплый период года (режим В 9) при номинальной частоте вращения численные значения показателей Q± ,Q,J,B3 равны между собой. Данные таблЛЛ позволяют сделать вывод, что при регулировании тепло-производительности теплообменников " Econoverft» путем снижения частоты вращения насадки необходимо учитывать различный характер изменения показателей 0t и Q& . в настоящее время нет надежных данных, позволяющих рассчитать закономерности изменения показателя Qd при малых значениях частоты вращения. Влажность внутреннего воздуха при работе данной системы изменяется в весьма широких пределах. Во многих помещениях требуется точное поддержание влажности внутреннего воздуха, что должно учитываться при выборе метода регулирования теплообменника и системы микроклимата в целом.
Термодинамическая модель система микроклимата с энтальпийными средствами утилизации
Искомая модель разрабатывается на основе известной термодинамической модели системы микроклимата [71 ]. В расчетной схеме модели (рис.2.1) приняты следующие исходные условия: линия ограничивает область допустимых параметров в помещении; минимальный расход наружного воздуха составляет G-н , а максимально-целесообразный - н ; в помещении имеют место тепло-избытки НизБ" и луч процесса в помещении составляет п . Теп-ловлажностная нагрузка относится к первому классу[71 ].
При построении на Л -А диаграмме выделяются зоны параметров наружного климата, которым соответствуют определенные режимы обработки воздуха. Расположение границ, показанное на рис, 2.1 пунктирными линиями, соответствует традиционным способам обработки воздуха, когда тепло и вода для адиабатического увлажнения подводятся от внешних источников. Расчетная схема модели построена для первой ранжировки, когда в первую очередь минимизируются расход тепла, затем расход наружного воздуха и в последнюю очередь - расход воды на адиабатическое увлажнение К рассмотрению принимаются режимы работы систем микроклимата без потребления холода. Такие режимы являются определяющими при рассмотрении утилизации тепла удаляемого воздуха и характерны для работы систем воздушного отопления, вентиляции, а также для систем кондиционирования в холодный и переходный периоды года,
Очевидно, что применение средств утилизации приведет к изменению традиционной технологической структуры системы и к изменению режимов функционирования. Следовательно, разрабатываемая модель должна отражать эти изменения в виде соответствующих расчетных схем и уравнений. В свою очередь, исследование термодинамической модели систем микроклимата с ЭСУ позволит определить структуру системы и совокупность режимов работы, оптимальных по критерию минимума расхода энергии.
Минимально неизбежное количество тепла для нагрева наружного приточного воздуха в общем виде равно: Количество тепла, переданного в ЭСУ на нагрев наружного воздуха равно:
Разделим (2.10) на (2.9) и полученное отношение обозначим через Величина Лт показывает долю тепла для нагрева наружного воздуха, получаемую за счет утилизации. Если Лг I, то утилизация полностью обеспечивает необходимое количество тепла, если Ат I - необходимо дополнительное тепло от внешнего источника.
Ограничения, определяемые обмерзанием теплообмен-ной поверхности в системе утилизации с промежуточным теплоносителем
При низких температурах наружного воздуха создаются условия, когда возможно обмерзание поверхности теплоутилизаторов, находящихся в потоке удаляемого воздуха. Для предотвращения этого температура поверхности, на которой выпадает конденсат должна быть положительной [ 79 ] .
Наиболее низкая температура поверхности в противоточном теплообменнике-утилизаторе наблюдается на выходе охлаждаемого удаляемого воздуха и на входе холодной нагреваемой среды. Эта температура равна [ 16 ] ;
Температура 1 для воздухо-воздушного теплообменника будет равна начальной температуре наружного воздуха , а для систе мы утилизации с промежуточным теплоносителем - температуре теплоносителя на входе в теплоизвлекающий теплообменник ,х ,
Конструктивные показатели теплоутилизационных теплообменников и интенсивность протекания процессов тепломассообмена учитывается величиной «f :
Показатель Е характеризует тепловое сопротивление поверхности теплоутилизационного теплообменника и вычисляется в зависимости от конструктивных особенностей по формулам, приведенным в [l6j. Интенсивность влаговыпадения учитывается показателем Ти , Степень оребрения j характеризуется конст руктивные особенности поверхности теплообменника. Условия теплообмена учитываются величинами коэффициента теплоотдачи от удаляемого воздуха к поверхности ос и от поверхности к холодной среде dtx . Система уравнений, описывающих процессы тепло- и массообмена в системе утилизации тепла с промежуточным теплоносителем, может быть представлена в виде [ 10 ] ; на стороне удаляемого воздуха: Два первых уравнения системы (Э.З) определяют теплообмен на "сухой" части поверхности в канале удаляемого воздуха, а третье и четвертое - тепло-и массообмен на поверхности, покрытой конденсатом,
Решение этой системы выполнено в работе [ 76 ] и основано на определении методом итеративного перебора части поверхности, занятой конденсатом. Итеративный процесс заканчивается, когда выполняется равенство между температурой, поверхности теплообменника в канале удаляемого воздуха и температурой "точки росы" удаляемого воздуха. При этом используется понятие условного коэффициента передачи полного тепла К? ,
В диссертации для расчета процесса охлаждения и осушения удаляемого воздуха принят метод расчета поверхностных воздухоохладителей, основанный на использовании условно "сухого"режима [39]. На рис, 3.4 показано построение в 3-А диаграмме расчетного режима охлаждения и осушения удаляемого воздуха (процесс У —»-Уг) и эквивалентного ему по расходу холода "сухого" режима (процесс У, — - Уг ). Линии процессов, продолженные до пересечения с кривой насыщениям ml, пересекают ее в одной точке ; . Температура атоо йточк иt пределяет тседнюю температуру поверхности теплоизвлекающего теплообменника. Режим ох-лаждения и осушения, расчитывается по "сухому" режиму, протекающему при df const.
Разработка структуры, алгоритмов функционирования и управления системы микроклимата животноводческого помещения
Алгоритм функционирования системы микроклимата, а также состав технологического оборудования для его реализации определялись на основании изучения тепловлажностного режима помещения при различных температурах наружного воздуха (табл. 4,4), При расчетах было принято, что в помещении находится 100 супоросных свиноматок средним весом 150 кг, параметры наружного воздуха соответствуют климатическим условиям г,Калинина,
Помещение свинарника характеризуется положительным тепловым балансом в течение года при значительных влагоизбытках. Теп-ловлажностная нагрузка в помещении изменяется в течении года и относится к четвертому классу. Во второй главе было показано, что для четвертого класса нагрузок более эффективно применение ТСУ, то есть утилизаторов, в которых не передается влага от удаляемого воздуха к приточному. Конструкция Т7В позволяет полностью разделить удаляемый и наружный воздух.
В зависимости от тепловлажностного баланса помещения и с учетом заданных пределов температуры и влажности воздуха в помещении работу системы в течение года можно разделить на несколь ко режимов. Каждому из режимов при построении на Л-і диаграмме соответствует определенная область параметров наружного климата. Границы областей рассчитываются в соответствии с аналитическими выражениями полученными во второй главе,
Параметры наружного воздуха с низкой температурой относятся к зоне 3, где на обработку минимального количества наружного воздуха необходимо тепло, причем часть тепла получается за счет утилизации. Границей потребления тепла от внешнего источника является изотерма по выражению (2.39). Решим его совместно с выражением, описывающим тепловой баланс помещения при условии, что Ц « ЮС:
Решением системы (4.5) является {н « -ГОС. С ростом температуры наружного воздуха увеличивается его влагосодержание, что сокращает его ассимиляционную способность по влаге и приводит к необходимости увеличения количества приточного наружного воздуха Рассматривая тепло утилизации как "бесплатное" в том смысле что нет разницы в потреблении энергии между случаями использования утилизатора с полной и регулируемой теплопроизводительностью, рационально поддерживать более высокую внутрнннюю температуру с одновременным сохранением относительной влажности на верхнем уровне. 8а счет этого удается увеличить ассимиляционную способность приточного воздуха по вдаге, без увеличения ко-личества приточного воздуха. Температура воздуха в помещении будет повышаться до -« = 18С. Граница этой области находится при решении системы:
Таким образом в пределах зоны 3 ддя рассматриваемого случая можно выделить области I и II (рис.4,3). Наружный воздух T.H-J- , принадлежащий области I, нагревается в те плоу тили заторе с полной теплопроизводительностго до т.Ту , затем догревается в воздухонагревателе до требуемой температуры притока т.П и подается в помещение. Параметры в помещении поддерживаются на линии "Ц ш ЮС. Наружный воздух T.Hп » принадлежащий области II, нагревается в теплоутилизаторе с полной теплопроизводитель-ностью до т.Пут и подается в помещение. Утилизация полностью обеспечивает требуемое количество тепла. Параметры в помещении поддерживаются в т. Ут,
