Рис. 1. Сводный график, поясняющий мгновенные расходы и годовые режимы выработки (Qt.ту) утилизатором и потребления теплоты (Qt.треб) и холода (Qx.треб) системой (СКВ, СВ) без изоэнтальпийного увлажнения
Рис. 2. Методика построения границы управляемого и неуправляемого режимов работы теплоутилизатора при использовании в СКВ и СВ в поле i–d-диаграммы
Рис. 3. Итоговые зависимости
Такой бессистемный подход не выдерживает никакой критики, а результаты оценки эффективности утилизации отличаются от фактических. Это объясняется многообразием типов утилизаторов, сложностью протекающих процессов, зависящих от многих факторов, прежде всего расходов сред и их параметров. Автор статьи поставил перед собой задачу по возможности подробнее и точнее описать эти сложные режимы и их границы, как через параметры, так и через нагрузки объекта, обеспечив тем самым одинаковое понимание и исключив ошибки.
Годовые режимы в проблеме утилизации теплоты являются центральным вопросом, они связывают подсистему утилизации теплоты и холода со всей системой кондиционирования и вентиляции (СКВ) либо всей системой вентиляции (СВ) в целом, ее работой и потребностью в теплоте и холоде, возможностью их получения, источниками, их мощностью, параметрами и тарифами на энергоносители, единовременной платой за подключение к теплосети и другими обстоятельствами.
Режимам работы до последнего времени уделялось мало внимания: упоминания о них даже на качественном уровне в литературе встречались лишь эпизодически. Как положительный пример укажем, что в справочнике [5] приводится полное описание разных режимов на основе данных РПИ (А.Я. Креслинь и др.). Наиболее подробно они описаны в книге автора этой статьи [4].
Между тем, без такого представления о режимах нельзя объективно оценить требования к конкретному теплоутилизатору в конкретной системе, правильно определить годовой расход утилизируемой теплоты и холода в данной системе. Теплоутилизатор любого типа, установленный в системе, в течение года может работать в разных режимах.
Общее представление о всех возможных режимах работы этой подсистемы в диапазоне изменения наружных температур от самых низких до самых высоких, получаемых в утилизаторе теплоте и холоде и соответствующей потребности в них, годовых расходах можно получить из сводного графика (рис. 1а, б). Выполненные построения относятся к случаю (схеме) обработки воздуха, когда после его нагревания не используют последующее изоэнтальпийное увлажнение.
Этот процесс меняет границу нагревания наружного воздуха с изотермы на изоэнтальпию, требует соответствующих специальных построений границ режимов работы такого утилизатора в двумерном поле tн–iн (рис. 2б), не описанных в литературе при полном отрыве отдельных построений от годовых режимов и их анализа. Для этого случая — нагрев до величины iк = const — граница двух режимов в общем случае представляет собой кривую, которая при определенных допущениях строится по точкам (Н1, Н2, Н3, …), как это показано на рис. 2б.
Условие равенства потребления и выработки теплоты в теплоутилизаторе выражают точки пересечения семейства параллельных линий потребности в теплоте (параллельные линии 1, Qt.треб) с пересекающей их линией выработки теплоты в теплоутилизаторе (линия 2, Qту). В результате прямая или кривая Н1, Н2, Н3, … разделяет всю область использования нагревания наружного воздуха на два режима: неуправляемый (сектор 4) и управляемый (сектор 3).
Для определения продолжительности более короткого управляемого режима (сектор 3), когда Qту > Qt.треб, используются данные о повторяемости в интервалах tн–iн, iн–dн или других. В общем случае утилизатор теплоты и холода может работать в таких режимах (рис. 1а):
- утилизации теплоты при tн < tпр;
- утилизации холода при tн > tпр (в силу малой разности tн – tв летом эта величина может быть незначительна, а режим утилизации коротким);
- без утилизации теплоты и холода при tн = tпр … tв; в неуправляемом режиме, когда Qту < Qt.треб;
- в управляемом режиме, когда имеет место Qту > Qt.треб (граница этих режимов соответствует tн.гран в точке 1 на пересечении линий Qту и Qt.треб (рис. 1а) — чем больше эффективность Qту (а, как следует из дальнейшего, она переменна), тем ниже tн.гран, длиннее управляемый режим и короче неуправляемый, причем вряд ли эти особенности учитывают производители оборудования, обосновывающие его эффективность вообще, а не для конкретных, хотя и типичных условий объекта;
- в зависимости от протекающих на теплой стороне аппарата процессов теплообмена или тепломассообмена режим работы на его поверхности может быть сухим, частично мокрым или полностью мокрым, в том числе с выпадением влаги и образованием инея (льда) — последнему факту, влияющему на работу аппарата, вентиляционного агрегата и аварийные ситуации, должно уделяться наибольшее внимание;
- режим обработки наружного воздуха в теплоутилизаторе может быть либо его нагреванием, либо нагреванием-увлажнением — это зависит от типа насадки пластинчатого теплоутилизатора: несорбирующей влагу уходящего воздуха, односторонне сорбирующей и сорбирующей влагу через насадку, перемещающуюся из потока уходящего воздуха в наружный, причем такое увлажнение воздуха считается положительным качеством теплоутилизатора и в определенном смысле заменяет увлажнитель, однако, следует заметить, что эта влага — далеко не вода питьевого качества, используемая в увлажнителях (см. п. 14.1, 14.2 СНиП 41-01–2003), а продукт жизнедеятельности людей, содержит микрофлору, обсемененность, химические вещества и к полезным субстанциям не относится;
- режим оттайки — периодическое отключение аппарата, режим его прогрева, частичное или полное прекращение подачи наружного воздуха с целью ликвидации льда и шубы на теплой стороне аппарата, в так называемом «холодном углу» пластинчатого утилизатора.
Под неуправляемым режимом работы ТУ будем понимать такое сочетание исходных данных (температур tн, tу, энтальпии iу, расходов воздуха Gн, Gу, коэффициента эффективности qту, тепловлажностной нагрузки объекта Qизб, Gвл и др.), при котором для нагревания требуется больше теплоты, чем получено в теплоутилизаторе. В этом режиме qту = const, хотя в общем случае эта величина переменна (см. далее рис. 3).
В управляемом режиме, наоборот, получаемая в утилизаторе теплота избыточна (столько не требуется), и поэтому коэффициент эффективности qту уменьшают, перепуская воду или наружный воздух по перемычке в обвод аппарата, уменьшая обороты ВРТ. Так же поступают при низких наружных температурах, иногда нагревая утилизатор, чтобы избежать возможного инееобразования на поверхности со стороны уходящего воздуха.
Для оценки продолжительности каждого из режимов на график (рис. 1а) нанесена линия плотности повторяемости температур в данном пункте. Из графика следует, что основное время работы теплоутилизатора может приходиться на неуправляемый режим. Что касается годового расхода утилизируемой теплоты, то, пренебрегая режимами оттайки (удаления инея на теплой стороне аппарата) и считая эффективность аппарата приближенно постоянной, искомый расход может быть определен графоаналитически как площадь между линией произведения Qту(dτ/dtн) и осью температур tн с учетом соответствующих масштабов по осям (рис. 1б). Для конкретных кривых искомую площадь определяют, заменяя ее в зависимости от очертания равновеликим треугольником, трапецией или другой канонической фигурой.
Пример 1
Определить годовое количество теплоты, утилизируемой в СВ без увлажнения воздуха или при паровом увлажнении при расчетной условно-постоянной эффективности qту = 0,50, tу = 20 °C, tк = tпр = 10 °C, Gн = 1 кг/с в климатических условиях Санкт-Петербурга при односменной работе и 5-дневной рабочей неделе (yсм = 0,25).
Продолжительность периода при tн ≤ 10 °C составит τcp = 240 суток в год (СНиП 23-01–99); средняя температура наружного воздуха за период tн.cp = –0,9 °C. Граница режима нагревания воздуха в СВ — изотерма (tк = 10 °C). Определим границу управляемого и неуправляемого режимов работы теплоутилизатора следующим образом:
На основе климатологических данных определяем продолжительность и среднюю температуру управляемого режима работы ТУ при tн = 0…10 °C: tн.cp = 5 °C; tупр = 97 сут/год. Средняя эффективность управляемого ТУ в этом режиме:
Среднее количество (в том смысле, что год на год не приходится) утилизируемой в управляемом режиме работы ТУ теплоты будет равно:
Qту.упр.год = 24 × 10–3qту.срGвcв⋅(tу – tн.ср)yсмtупр = 24 × 10–3 × 0,33 × 1 × 1 × [20 – (–5)] × 0,25 × 97 = 2900 кВт⋅ч/(год⋅кг/с).
Определим продолжительность неуправляемого периода при tн < 0 °C как разность общей продолжительности при tн < 10 °C (tту = 240 сут/год) и продолжительности управляемого режима при tн = 0…10 °C (tупр = 97 сут/год). В результате имеем следующее: tнеупр = 240 – 97 = 143 сут/год. Определим среднюю температуру наружного воздуха за неуправляемый режим при tн < 0 °C, используя следующее правило смеси:
Определим годовой расход утилизируемой теплоты в течение неуправляемого режима работы теплоутилизатора:
Qту.неупр.год = 24 × 10–3qтуGвcв(tу – tн.ср) ⋅yсмtнеупр = 0,5 × 1 × 1 × [20 – (–4,9)] × 0,25 × 143 × 24 × 10–3 = = 10,7 тыс. кВт⋅ч/(год⋅кг/с).
В итоге, из общего расхода утилизируемой в СВ теплоты — 13,6 тыс. кВт⋅ч/ (год⋅кг/с) — около 80 % приходится на неуправляемый режим работы утилизатора. При изменении условий расчета, особенно эффективности ТУ, это соотношение изменится. Граница неуправляемого и управляемого режимов работы теплоутилизатора при известных tу = 20 °C, tк = tпр = 10 °C зависит от его расчетной эффективности qту. Используя данные о плотности повторяемости наружных температур Δτ/Δtн, для любого города можно оценить не только повторяемость, но и среднюю температуру tн.cp в каждом из режимов работы ТУ. При других tу и tк построения выполняют аналогично, и граничная температура:
Границу режима нагревания воздуха в СКВ и СВ, как и границу неуправляемого и управляемого режимов tн.гран, можно в общем случае вычислить строго аналитически. Для этого приравнивают мгновенные значения требуемого системой расхода теплоты с учетом возможных теплопотерь в режиме воздушного отопления с удельной величиной q0 = ΣkнFн [кВт/°C] и вводимого в систему наружного воздуха с общей теплоемкостью qв = Gнcв [кВт/°C] в записи через исходные данные объекта по А.А. Рымкевичу [3]:
и мгновенного расхода теплоты, получаемой в теплоутилизаторе того или иного типа при его температурной эффективности qту:
Qту = Gнcвqту(tу – tн). (2)
Границу управляемого и неуправляемого режимов определяют в результате несложных преобразований из следующего выражения:
где ΣQизб — текущие избытки явной теплоты в помещении или их группе, обслуживаемой данной системой, кВт; ΔQпр — теплота при нагреве наружного (приточного) воздуха в вентиляторе, двигателе и воздуховодах: ΔQпр = GнcвΔtпр [кВт], где Δtпр = 1–2 °C. Как следует из выражения (3), граница управляемого и неуправляемого режимов не постоянна, а зависит от многих переменных, прежде всего теплоизбытков. При их отсутствии в помещении tн.гран = tу, и режим работы теплоутилизатора один — неуправляемый; при наличии теплопотерь и воздушном отоплении tн.гран > tу. Поясним примером методику определения границы неуправляемого и управляемого режимов работы теплоутилизатора через известные нагрузки.
Пример 2
В помещении с прямоточной приточновытяжной системой механической вентиляции, мгновенные теплоизбытки: ΣQизб = 10 кВт; удельные теплопотери, учитываемые при воздушном отоплении: q0 = ΣkнFн = 0,2 кВт/°C; расход приточного воздуха: Gн = 1,5 кг/с; нагрев его за счет потерь энергии в вентиляторе, двигателе, а также в воздуховодах:
где Pв — полное давление вентилятора, кПа; qту = 0,7 — эффективность данного теплоутилизатора. Требуется определить мгновенное значение границы неуправляемого и управляемого режимов работы теплоутилизатора при этих исходных данных и температуре tу = tв = 20 °C. По формуле (3) граница этих режимов, выраженная через нагрузки, равна:
Это значит, что при данном сочетании теплоизбытков и теплопотерь помещения, расхода наружного воздуха и при известной эффективности теплоутилизатора значительную часть года при tн < tн.гран = 1 °C теплоутилизатор работает в неуправляемом режиме (qту = const), а другую, тоже продолжительную часть года при tн = tн.гран … tпр = = 1–13 °C — в управляемом режиме (qту = var).
Температура tк = tпр = 13 °C вычислена по формуле (3) при qту = 0. В технико-экономических расчетах, обосновывающих целесообразность применения теплоутилизатора, границу режимов правильно определять при средних значениях теплоизбытков в рабочее время и отдельно в нерабочее время при подаче наружного воздуха и воздушном отоплении, ΣQизб = 0 и tу = tв.min = 14 °C (или другой допустимой).
В большинстве, если не во всех публикациях, это обстоятельство никак не учитывают, а теплоутилизатор предполагают используемым по умолчанию только в одном режиме — неуправляемом, когда количество утилизируемой теплоты максимально. Необходимо также отметить, что коэффициент эффективности теплоутилизатора, рассчитанный для сухого теплообмена, зависит как от температур, так и от влажности потоков воздуха [1].
На рис. 3а представлена зависимость коэффициента эффективности перекрестноточного рекуператора от температуры наружного и влажности удаляемого воздуха. При расчетах неизменными приняты начальная температура удаляемого воздуха tу1 = 22 °C, а влажность наружного воздуха fн1 = 75 %. Из рис. 3 видно, что по мере снижения температуры наружного воздуха коэффициент эффективности рекуператора уменьшается (кривая fу = 0, удаляемый воздух сухой).
Данное явление связано с тем, что величина нагрева наружного воздуха и разница температур потоков на входе в теплообменный пакет возрастают неравномерно. Рост разницы температур потоков на входе tу1 – tн1 опережает возрастание степени нагрева наружного воздуха tк1 – tн1. Для обеспечения равной эффективности при больших разностях температуры рекуператор должен иметь более развитую поверхность теплообмена.
В том случае, если удаляемый воздух является влажным, охлаждение до температуры ниже точки росы влечет за собой конденсацию водяного пара. Теплота конденсации передается наружному воздуху, повышая температуру последнего на выходе из пакета. Анализируя характер поведения кривых qту = f (tн) (рис. 3а), можно отметить, что термическая эффективность рекуператора начинает возрастать с уменьшением критической температуры наружного воздуха, начиная с которой образуется конденсат.
Данный факт обычно не находит отражения в руководствах по эксплуатации теплообменных аппаратов. При этом производитель обычно гарантирует работу рекуператора с фиксированной эффективностью во всем диапазоне температур за исключением периода обмерзания. Отмечено (рис. 3б), что чем выше эффективность утилизатора, тем быстрее протекает процесс инееобразования на его пластинах во времени. Продолжение в следующем номере.
