![Рис. 1. Основные схемы утилизации теплоты, используемые в установках вентиляции и кондиционирования воздуха [2, 3]](/images/articles/53097.jpg "Рис. 1. Основные схемы утилизации теплоты, используемые в установках вентиляции и кондиционирования воздуха [2, 3]")
Рис. 1. Основные схемы утилизации теплоты, используемые в установках вентиляции и кондиционирования воздуха [2, 3]
Рис. 2. Вентиляционная установка с перекрестноточным рекуператором
Рис. 3. Пластинчатый перекрестноточный воздухо-воздушный рекуператор
Рис. 4. Зоны тепломассообмена в каналах насадки перекрестноточного утилизатора
Рис. 5. Варианты реализации процессов тепломассообмена на поверхности ребра прямоугольного профиля в канале удаляемого воздуха
Рис. 6. Расчетная схема перекрестноточного теплоутилизатора
Рис. 7. Лучи процессов изменения параметров обменивающихся потоков воздуха в перекрестноточном теплоутилизаторе
Рис. 8. Профили изменения температуры оребренной поверхности стенок каналов удаляемого воздуха в перекрестноточном теплоутилизаторе
Рис. 9. Характер протекания процессов тепломассообмена в насадке перекрестноточного утилизатора теплоты вытяжного воздуха при низких температурах наружного воздуха зимой
![Табл. 1. Сравнение различных методов утилизации теплоты вытяжного воздуха [1]](/images/articles/53106.jpg "Табл. 1. Сравнение различных методов утилизации теплоты вытяжного воздуха [1]")
Табл. 1. Сравнение различных методов утилизации теплоты вытяжного воздуха [1]
Табл. 2. Граничные температуры наружного воздуха*
Сегодня энергосбережение является приоритетным направлением развития мировой экономики. Истощение естественных энергетических запасов, повышение стоимости тепловой и электрической энергии неминуемо приводит нас к необходимости разработки целой системы мероприятий, направленных на повышения эффективности работы энергопотребляющих установок. В этом контексте снижение потерь и вторичное использования затрачиваемой тепловой энергии становится действенным инструментом в решении поставленной проблемы.
В условиях активного поиска резервов экономии топливно-энергетических ресурсов все большее внимание привлекает проблема дальнейшего совершенствования систем кондиционирования воздуха как крупных потребителей тепловой и электрической энергии. Важную роль в решении этой задачи призваны сыграть мероприятия по повышению эффективности работы тепломассообменных аппаратов, составляющих основу подсистемы политропной обработки воздуха, затраты на функционирование которой достигают 50 % всех затрат на эксплуатацию СКВ.
Утилизация тепловой энергии вентиляционных выбросов является одним из ключевых методов экономии энергетических ресурсов в системах кондиционирования воздуха и вентиляции зданий и сооружений различного назначения. На рис. 1 приведены основные схемы утилизации теплоты вытяжного воздуха, реализуемые на рынке современного вентиляционного оборудования.
Анализ состояния производства и применения теплоутилизационного оборудования за рубежом указывает на тенденцию преимущественного использования рециркуляции и четырех типов утилизаторов теплоты вытяжного воздуха: вращающихся регенеративных, пластинчатых рекуперативных, на базе тепловых труб и с промежуточным теплоносителем. Применение этих устройств зависит от условий работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха, экономических соображений, взаимного расположения приточных и вытяжных центров, эксплуатационных возможностей [1].
В табл. 1 приведен сравнительный анализ различных схем утилизации теплоты вытяжного воздуха. Среди основных требований со стороны инвестора к теплоутилизационным установкам следует отметить: цену, эксплуатационные затраты и эффективность работы. Наиболее дешевые решения характеризуются простотой конструкции и отсутствием движущихся частей, что позволяет выделить среди представленных схем установку с перекрестноточным рекуператором (рис. 2) как наиболее соответствующую для климатических условий европейской части России и Польши.
Исследования последних лет в области создания новых и совершенствования существующих теплоутилизационных установок систем кондиционирования воздуха указывают на отчетливую тенденцию разработки новых конструктивных решений пластинчатых рекуператоров (рис. 3), решающим моментом при выборе которых является возможность обеспечения режимов безаварийной работы установки в условиях конденсации влаги при отрицательных температурах наружного воздуха.
Температура наружного воздуха, начиная с которой наблюдается образование инея в каналах вытяжного воздуха, зависит от следующих факторов: температуры и влажности удаляемого воздуха, отношения расходов приточного и удаляемого воздуха, конструктивных характеристик. Отметим особенность работы теплоутилизаторов при отрицательных температурах наружного воздуха: чем выше эффективность теплообмена, тем больше опасность появления инея на поверхности каналов вытяжного воздуха.
В связи с этим низкая эффективность теплообмена в перекрестноточном теплоутилизаторе может оказаться преимуществом с точки зрения снижения опасности обледенения поверхностей каналов вытяжного воздуха. Обеспечение безопасных режимов как правило связано с реализацией следующих традиционных мер по предотвращению обмерзания насадки: периодическое отключение подачи наружного воздуха, его байпасирование или предварительный подогрев, осуществление которых безусловно снижает эффективность утилизации теплоты вытяжного воздуха [1–3].
Одним из путей решения этой проблемы является создание теплообменных аппаратов, в которых обмерзание пластин либо отсутствует, либо наступает при более низких температурах воздуха. Особенностью работы воздухо-воздушных утилизаторов теплоты является возможность реализации процессов тепломассопереноса в режимах «сухого» теплообмена, одновременного охлаждения и осушения удаляемого воздуха с выпадением конденсата в виде росы и инея на всей или части теплообменной поверхности (рис. 4).
Рациональное использование теплоты конденсации, величина которой при определенных режимах работы теплоутилизаторов достигает 30 %, позволяет существенно увеличить диапазон изменения параметров наружного воздуха, при которых обледенение теплообменных поверхностей пластин не происходит. Однако решение задачи определения оптимальных режимов работы рассматриваемых теплоутилизаторов, соответствующих определенным эксплуатационным и климатическим условиям, и области его целесообразного применения, требует детальных исследований тепломассообмена в каналах насадки с учетом процессов конденсации и инееобразования.
В качестве основного метода исследования выбран численный анализ. Он обладает и наименьшей трудоемкостью, и позволяет определить характеристики и выявить закономерности процесса на основании обработки информации о влиянии исходных параметров. Поэтому экспериментальные исследования процессов тепломассопереноса в рассматриваемых аппаратах проводились в значительно меньшем объеме и, в основном, для проверки и корректировки зависимостей, полученных в результате математического моделирования.
При физико-математическом описании тепломассообмена в исследуемом рекуператоре было отдано предпочтение одномерной модели переноса (ε–NTUмодель). В этом случае течение воздуха в каналах насадки рассматривается как поток жидкости с постоянными по его сечению скоростью, температурой и потенциалом массопереноса, равными среднемассовым значениям [1]. С целью повышения эффективности утилизации теплоты в современных теплообменниках используется оребрение поверхности насадки.
Тип и расположение ребер значительно влияет на характер протекания процессов тепломассообмена. Изменение температуры по высоте ребра приводит к реализации различных вариантов процессов тепломассообмена (рис. 5) в каналах удаляемого воздуха, что существенно усложняет математическое моделирование и алгоритм решения системы дифференциальных уравнений.
Уравнения математической модели процессов тепломассопереноса в перекрестно-точном теплообменнике реализуются в ортогональной системе координат с осями ОX и ОY, направленными параллельно потокам холодного и теплого воздуха соответственно, и осями Z1 и Z2, перпендикулярной поверхности пластин насадки в каналах приточного и удаляемого воздуха (рис. 6), соответственно.
В соответствии с допущениями данной ε–NTU-модели тепломассоперенос в исследуемом утилизаторе описывается дифференциальными уравнениями теплового и материального балансов, составляемых для взаимодействующих потоков воздуха и насадки с учетом теплоты фазового перехода и термического сопротивления образующегося слоя инея. Для получения однозначного решения система дифференциальных уравнений дополняется граничными условиями, устанавливающими значения параметров обменивающихся сред на входах в соответствующие каналы рекуператора.
Сформулированная нелинейная задача не может быть решена аналитически, поэтому интегрирование системы дифференциальных уравнений осуществлялось численными методами. Достаточно большой объем проведенных численных экспериментов, проведенных на ε–NTU-моделе, позволил получить массив данных, который был использован для анализа характеристик процесса и выявления его общих закономерностей.
В соответствии с задачами исследования работы теплоутилизатора выбор изучаемых режимов и диапазоны варьирования параметров обменивающихся потоков осуществлялся так, чтобы наиболее полно моделировались реальные процессы тепломассообмена в насадке при отрицательных значениях температуры наружного воздуха, а также условия протекания наиболее опасных с точки зрения эксплуатации вариантов режимов работы теплоутилизационного оборудования.
Представленные на рис. 7–9 результаты расчета режимов работы исследуемого аппарата, характерных для климатических условий с низкой расчетной температурой наружного воздуха в зимний период времени года, позволяют судить о качественно ожидавшейся возможности образования трех зон активного тепломассообмена в каналах удаляемого воздуха (рис. 6), отличающихся по характеру протекающих в них процессов.
Анализ тепломассообменных процессов, протекающих в этих зонах, позволяет оценить возможные пути реализации эффективного улавливания теплоты удаляемого вентиляционного воздуха и снижения опасности образования инея в каналах насадки теплообменника на основе рационального использования теплоты фазового перехода. На основании проведенного анализа установлены граничные температуры наружного воздуха (табл. 2), ниже которых наблюдается образование инея в каналах вытяжного воздуха.
Выводы
Представлен анализ различных схем утилизации теплоты вентиляционных выбросов. Отмечены преимущества и недостатки рассмотренных (существующих) схем утилизации теплоты вытяжного воздуха в установках вентиляции и кондиционирования воздуха. На основе проведенного анализа предложена схема с пластинчатым перекрестноточным рекуператором:
- на базе математической модели разработан алгоритм и программа расчета на ЭВМ основных параметров тепломассообменных процессов в исследуемом теплоутилизаторе;
- установлена возможность образования различных зон конденсации влаги в каналах насадки утилизатора, в пределах которых характер тепломассообменных процессов существенно меняется;
- анализ полученных закономерностей позволяет установить рациональные режимы работы исследуемых аппаратов и области их рационального использования для различных климатических условий российской территории.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ
Условные обозначения: hреб — высота ребра, м; lреб — длина ребра, м; t — температура, °C; d — влагосодержание воздуха, кг/кг; ? — относительная влажность воздуха, %; δреб — толщина ребра, м; δин — толщина слоя инея, м.
Индексы: 1 — наружный воздух; 2 — удаляемый воздух; e — на входе в каналы насадки; реб — ребро; ин — иней, o — на выходе из каналов насадки; рос — точка росы; sat — состояние насыщения; w — стенка канала.
