Температурная эффективность аппаратов для осуществления тепло-утилизации выражается обычно коэффициентом где tн и tу — начальные температуры потоков воздуха на входе в теплоотдающую и тепло-извлекающую секции утилизатора [°С], т.е. температуры наружного воздуха и уходящего из помещения; tут — конечная температура притока за утилизатором [°С]. Если в тепло-извлекающей секции происходит конденсация водяных паров, в качестве tу используется условная температура начала эквивалентного процесса «сухого» охлаждения [1]. Величина kэф показывает снижение энергопотребления за счет тепло-утилизации и используется для расчета технико-экономических показателей системы вентиляции, снабженной тепло-утилизационным оборудованием. Если в первом приближении заменить среднелогарифмическую разность температур теплоносителей в теплообменниках на среднеарифметическую, что допустимо при не слишком значительной поверхности теплообмена, когда эта разность больше, чем изменение температуры теплоносителей в аппаратах тепло-утилизации или сравнима с ним [3], то окончательное выражение для коэффициента эффективности можно записать в виде формулы: Здесь NTUп = (3,6KпFп)/Gпсв — число единиц переноса теплоты для теплоотдающей секции (в приточной установке) [1, 2]; NTUу = (3,6KуFу)/Gусв — то же для тепло-извлекающей секции (в вытяжной установке); Kп = (KпFп)/(KуFу) — показатель, который можно назвать относительным тепловосприятием теплоотдающей секции; Gу = Gу/Gп — относительный расход удаляемого воздуха. В перечисленных равенствах Gп и Gу — расход воздуха соответственно в приточной и вытяжной установке, кг/ч; св = 1,005 кДж/(кг⋅К) — удельная теплоемкость воздуха; Fп и Fу — поверхность теплообмена соответственно в теплоотдающей и тепло-извлекающей секциях, м2; Кп и Ку — коэффициенты теплопередачи этих секций, Вт/(м2⋅К). Заметим, что при выбранных обозначениях определяющих критериев имеет место равенство NTUп/NTUу = KпGу.В частном случае, когда Kп = 1 и Gу = 1, а следовательно, NTUп = NTUу, получаем еще более простое соотношение: Индексы здесь можно не ставить, поскольку число единиц переноса теплоты в приточной и вытяжной установке оказывается одинаковым. Отсюда легко найти выражение для оценки необходимой величины NTU в зависимости от требуемого значения kэф: График соответствующей зависимости приведен на рис. 1. После определения NTU вычисляется площадь поверхности теплообмена по известному расходу воздуха и коэффициенту теплопередачи, который на данном этапе можно принять ориентировочно с последующим уточнением после определения всех конструктивных параметров аппарата. Легко заметить, что уровню kэф порядка 0,42–0,44, что близко к глубине тепло-утилизации, максимально достижимой в рассматриваемой схеме при разумном числе рядов трубок нагревателя и охладителя, соответствует диапазон NTU около 1,5–1,6. Для этих условий погрешность формул (1)–(3) при изменении Kп и Gу в пределах от 0,5 до 2, что почти всегда соблюдается в реализуемых на практике тепло-утилизационных установках при обычных режимах их эксплуатации, как правило, не превышает 3–4 % [4]. Можно показать, что при отсутствии конденсации водяных паров в тепло-извлекающей секции величина kэф получается несколько завышенной, а требуемый уровень NTU — заниженным по сравнению с точным решением, а при наличии конденсации — наоборот. В последнем случае ошибка может немного возрасти, но тем не менее и здесь она не выходит за пределы 5–7 %.Однако несомненный интерес представляет вопрос об изменении коэффициента температурной эффективности при эксплуатационном регулировании тепло-утилизационного оборудования. Обычно такое регулирование осуществляется за счет изменения расхода промежуточного теплоносителя в циркуляционном контуре, что достигается увеличением или уменьшением интенсивности циркуляции при изменении частоты вращения насоса или использованием трехходового клапана, и тогда получающийся эффект можно оценить следующим образом. Поскольку расходы приточного и вытяжного воздуха в течение отопительного периода, как правило, постоянны, то Gу = const. Конструктивные характеристики нагревателя и охладителя, и в первую очередь поверхности теплообмена, при таком регулировании также, конечно, сохраняются на исходном уровне. Поэтому параметр Kп может меняться только за счет коэффициентов теплопередачи тепло-извлекающей и теплоотдающей секций. Но в силу постоянства воздухообмена и, следовательно, скорости воздушных потоков величина этих коэффициентов будет зависеть только от скорости движения промежуточного теплоносителя, которая пропорциональна его расходу. А так как этот расход в обоих теплообменниках один и тот же, отношение текущей скорости теплоносителя к ее первоначальному значению будет у них одинаково, поэтому коэффициенты теплопередачи изменяются синхронно, и Kп = const. Таким образом, рассматриваемый способ регулирования тепло-утилизаторов будет влиять только на значения критериев NTUп и NTUу, которые в данном случае будут варьироваться соответственно коэффициентам теплопередачи аппаратов. Расчеты по компьютерной программе для подбора оборудования, разработанной ООО «Веза» [5],показывают, что в условиях применения гликолевых антифризов в интересующей нас области скоростей величина Кп и Ку примерно пропорциональна скорости теплоносителя, а значит, для конкретной конструкции теплообменника — расходу антифриза. Если использовать упрощенную формулу (2) для kэф и ввести обозначения kэф = kэф2/kэф1 и G = G2/G1 — отношение текущего значения коэффициента эффективности и расхода промежуточного теплоносителя к их исходному уровню, для параметра kэф можно получить следующее выражение: Здесь параметр NTU также относится к исходному режиму. Очевидно, что при Gʹ > 1, т.е. при усилении циркуляции, эффективность тепло-утилизации будет возрастать. На рис. 2 показаны результаты вычисления kэф2 и kэф при начальном значении kэф1 = 0,45 и изменении G- в пределах от 0,5 до 1,5. При этом было принято, что NTU = 1,51. Легко видеть, что поведение кривых на рис. 2 подтверждает сделанные ранее выводы о предполагаемом характере искомой зависимости. Заметим также, что в пределах толщины линии график для kэф, построенный с использованием формулы (4), совпадает с данными, получающимися исходя из общего соотношения (1) для kэф. Поэтому для оценки изменения температурной эффективности тепло-утилизатора в рассматриваемых условиях существенное значение имеют только параметры NTU и G, а влиянием всех остальных факторов практически можно пренебречь. Таким образом, при уменьшении или увеличении расхода антифриза на половину от первоначальной величины температурная эффективность варьируется в диапазоне от 0,29 до 0,55 или от 64 до 123 % к исходному значению. Следовательно, повысить kэф за счет интенсификации циркуляции, вообще говоря, значительно сложнее, чем понизить. Поэтому подобный процесс трудно рассматривать как источник заметного резерва для осуществления более глубокой тепло-утилизации. Это особенно очевидно, если учесть, что при этом резко возрастают гидравлические потери в циркуляционном контуре, а значит, и мощность, потребляемая насосом. К тому же тогда циркуляционный насос изначально должен быть рассчитан на возможность создания расхода промежуточного теплоносителя, существенно превышающего номинальный. Однако окончательное решение, как всегда в подобных ситуациях, лежит в технико-экономической плоскости, и при соответствующем обосновании может быть реализовано. В общем случае коэффициенты теплопередачи воздухонагревателя и воздухоохладителя меняются пропорционально скорости, а следовательно и расходу промежуточного теплоносителя, взятым в некоторой степени, т.е. NTU ~ (G)n, где обычно показатель n < 1. Чтобы учесть данное обстоятельство, в знаменателе выражения (4) вместо G необходимо использовать (G)n, и тогда, очевидно, зависимость kэф2 и kэф от G будет более слабой, чем в рассмотренном примере. В этом несложно убедиться, анализируя рис. 3, где приведены результаты расчетов kэф для тех же условий, но при разных значениях параметра n. Таким образом, мы получили достаточно простые и в то же время довольно точные зависимости для оценки требуемой поверхности теплообмена в установках утилизации теплоты с промежуточным теплоносителем, а также для расчета изменения эффективности при эксплуатационном регулировании его расхода, пригодные для исследования переменных режимов функционирования этих аппаратов в течение отопительного периода.
1. Кокорин О.Я. Современные системы кондиционирования воздуха // М.: Физматлит, 2003. 2. Белова Е.М. Центральные системы кондиционирования воздуха в зданиях // М.: Евроклимат, 2006. 3. Ионин А.А. и др. Теплоснабжение // М.: Стройиздат, 1982. 4. Теплотехническое оборудование и теплоснабжение промышленных предприятий / Под ред. Б.Н. Голубкова // М.: Энергия, 1979. 5. www.veza.ru.
