автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Методы расчета тепловых процессов в стационарном переключающемся регенеративном теплоутилизаторе

0046130Й1

На правах рукописи

Васильев Владимир Анатольевич

Методы расчета тепловых процессов в стационарном переключающемся регенеративном теплоутилизаторе

Специальность: 05.04.03 - Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

1 8 НОЯ 2010

Санкт - Петербург 2010

004613081

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий».

Научный руководитель

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Цыганков A.B.

доктор технических наук, профессор Пронин В.А.

кандидат технических наук, доцент Садовский Н.И.

Ведущее предприятие

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Защита состоится « $

2010 г. в /У часов на заседании диссертационного совета Д 212.234.01 в Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий по адресу: 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, тел/факс: (812) 31530-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУНиПТ.

Автореферат разослан «_ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.234.01 д.т.н., проф.

Рыков В.А.

Общая характеристика работы. Актуальность работы.

Современные системы кондиционирования и вентиляции воздуха являются сложными инженерными объектами, стоимость которых достигает 20% от общей стоимости зданий, а эксплуатационные расходы - 25 - 40% затрат на эксплуатацию. Рост стоимости энергии заставляет активно искать методы использования вторичных энергетических ресурсов, и в частности теплоты удаляемого из помещения воздуха. Одним из перспективных направлений решения этой проблемы является применение в системах вентиляции стационарных переключающихся регенеративных теплоутилизаторов (СПРТ). Практика показывает, что применение таких теплоутилизаторов позволяет при сравнительно невысоких капитальных затратах снизить потребление энергии до 60%.

Модернизация существующих и разработка новых эффективных СПРТ представляет собой актуальную задачу, решение которой не возможно без исследования процессов происходящих в теплоаккумулирующей насадке. Анализ имеющихся работ показывает, что существующие методы расчета не учитывают нестационарный характер тепловых и гидродинамических процессов в каналах насадки. Они базируются на экспериментально полученных данных и верны только для исследованных теплообменников. Поэтому разработка метода расчета нестационарных тепловых процессов в СПРТ с использованием методов вычислительной гидродинамики является актуальной задачей. Цель и задами исследования.

Целью настоящей работы является разработка метода расчета нестационарных тепловых процессов в переключающемся регенеративном теплоутилизаторе.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- разработать математическую модель нестационарных тепловых процессов в СПРТ;

- разработать методами вычислительной гидродинамики модель расчета движения теплоносителя в канале СПРТ;

- разработать программный комплекс теплового расчета теплоутилизатора;

- разработать методику и провести экспериментальное исследование. СПРТ;

- верифицировать адекватность разработанных моделей и методов; -провести комплексные параметрические исследования, определяющие влияние основных режимных, конструктивных и теплофизических параметров на эффективность СПРТ.

Научая новизна.

1 .Разработан уточненный метод расчета тепловых процессов в СПРТ. 2.Получены расчетные значения коэффициентов теплоотдачи для различных режимов работы СПРТ

3.Получены расчетные зависимости коэффициента термической эффективности от основных конструктивных, режимных и теплофизических параметров СПРТ. Практическая ценность.

Разработанные модели методы и алгоритмы реализованы в компьютерной программе расчета тепловых процессов в СПРТ. Программа проста в эксплуатации и может быть использована при разработке новых и модернизации существующих СПРТ систем вентиляции и кондиционирования. Результаты комплексного параметрического и экспериментального исследований позволяют определить направления совершенствования СПРТ. Достоверность полученных результатов.

Экспериментальные исследования проводились по апробированным методикам с использованием современного измерительного оборудования высокого класса точности. Сравнение полученных результатов расчета СПРТ с данными экспериментального исследования показало их приемлемую близость.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались на V-ой Международной научно - практической конференции STAR - CD «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности» 2010г; 4-й НТК профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов, докторантов и студентов СПбГУНиПТ, 2010г. Публикации.

По теме диссертационной работы опубликованы 2 работы в издании, рекомендованном ВАК РФ и 1 статья в электронном научном журнале СПбГУНиПТ.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 98 названий, (из них 3 на английском языке), одного приложения. Работа изложена на 135 машинописных листах, содержит 78 рисунков, 15 таблиц.

Краткое содержание работы.

Обзор существующих методов расчета, конструкций и результатов экспериментальных исследований регенеративных теплоутилизаторов показал, что выполненные исследования в основном касаются регенеративных установок, применяемых на промышленном производстве. Особенностью таких теплообменников является работа при значительной разности температур и давлений, а также большом расходе теплоносителя и

большой длительности циклов регенерации и аккумуляции. Эти особенности позволили использовать при расчетах тепловых процессов методы, применяемые для расчета рекуператоров с использованием поправочных коэффициентов полученных в результате экспериментальных исследований. Предлагаемые методы расчета основаны на предположении о стационарном характере тепловых процессов. Для СПРТ работающих в локальных системах кондиционирования и вентиляции жилых и офисных помещений не характерны все перечисленные условия работы. Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время отсутствуют инженерные методики расчета нестационарных тепловых процессов в СПРТ, а имеющиеся экспериментальные данные носят разрозненный характер и во многих случаях не применимы для рассматриваемых конструкций.

Принципиальная конструкция СПРТ представлена на рис.1.

1 т

■ (

И

1

м

I

ъ

ш-

ои?

Рис.1. Конструкция СПРТ 1- корпус, 2- реверсивный осевой вентилятор, 3- регенеративная насадка, 4- теплоизоляция, 5- ограждение.

При разработке математической модели нестационарного процесса теплообмена в СПРТ были приняты следующие допущения:

-гидродинамические и тепловые процессы во всех каналах идентичны, что позволяет использовать в математической модели единичный канал регенеративной насадки;

-насадка теплоизолирована, что позволяет принять адиабатические граничные условия;

-теплофизические характеристики среды и насадки постоянны; -теплообмен в канале насадки протекает без фазовых переходов; -время прохождения воздуха через регенератор намного меньше, чем время цикла.

Для определения тепловых потоков от воздуха к регенеративной насадке и наоборот были составлены уравнения теплового баланса контрольного объема воздуха и участка стенок канала.

То

Т«!

Рис.2. Расчетная модель канала регенеративной насадки Уравнение теплового баланса для теплоносителя в канале насадки может быть представлено в виде:

Эт* а «г»

Сся-£ + Па(Тв-Тя) + сяр^=0. (1)

где Та - температура воздуха; Ти - температура насадки; 5 - площадь проходного сечения канала; р3 - плотность воздуха; сй - теплоемкость воздуха; П - периметр проходного сечения канала; а - коэффициент теплоотдачи, в =(Оак, Орег) - расход воздуха.

Начальные условия - линейное распределение температуры воздуха в канале насадки.

7

7е(Т=о) = Т1п —

Граничные условия - температура воздуха на входе в канал,

^оггг ¿/С — Стрег

г -Г-

'в(г=0) — | т V 1с

(3)

Уравнение теплового баланса для стенки насадки. " + Па(Гй-Гв)+снрн5й^=0

(4)

ЯнСн д2г

где ск - теплоемкость материала насадки; рд - плотность материала насадки; - площадь поперечного сечения насадки; А-„ —теплопроводность материала насадки; Ь - длина насадки.

Начальные условия - распределение температуры канала насадки СПРТ по длине.

К (г=0) ~ Чп

т. _.

1 171

(5)

Граничные условия на торцах адиабатические.

©)„-»• о

Таким образом, тепловой расчет процессов теплообмена в канале регенеративного теплообменника сводился к совместному решению дифференциальных уравнений (1) , (4) с краевыми условиями (2), (3), (5) и (6).

Для численного решения системы дифференциальных уравнений производные в уравнениях заменялись эквивалентными разностными

отношениями. Для внутренних узлов использовалась симметричная интерполяция по двум точкам, для крайних узлов применялась интерполяция по трем точкам, что обеспечило одинаковую погрешность аппроксимации во всех узлах. Из разностных аналогов дифференциальных уравнений и граничных условий в узлах пространственно-временной сетки формировалась система линейных алгебраических уравнений. Таким образом, расчет сводился к решению системы, состоящей из (2п) линейных алгебраических уравнений модифицированным методом Гаусса, учитывающим разреженность матрицы коэффициентов.

Показателем эффективности теплообмена между воздухом и насадкой в СПРТ является коэффициент регенерации (аккумуляции). Под коэффициентом регенерации можно понимать термический КПД регенератора, который является интегральной характеристикой эффективности теплообмена. Этот коэффициент показывает, какую часть теплоты удаляемого воздуха смогла накопить, а потом отдать воздуху регенеративная насадка. На рис.3 схематически показана диаграмма изменения температуры воздуха в торцевых сечениях регенератора I - I и II - II при установившемся режиме работы.

к

I

£

1

\ Г/

\

Рис.3. Изменение температуры воздуха в торцевых сечениях регенератора Т0щ _ Температура холодного потока, Т„ — температура горячего потока, Т[ и Тц -значения температуры воздуха в сечениях I - I и II - II соответственно. Площади заштрихованных участков диаграммы пропорциональны теплоте аккумулированной насадкой - С^ за период времени так и теплоте регенерируемой насадкой - (Зрег за период времени трег.

Регенерируемая и аккумулируемая регенератором теплота вычисляются по следующим формулам:

(¿рег = (/0 рег 7н(т) ¿т — ТоШтрег)Срегсв (7)

<2ак = (ТщГрег - Г,(г) ¿т)СакСв (8)

где - расход воздуха на этапе аккумуляции; Срег- расход воздуха на этапе регенерации; (}рег - регенерированная теплота; (}ак - аккумулированная теплота; св - удельная теплоемкость воздуха.

Максимальное количество теплоты, которое может быть аккумулировано и регенерировано за время тц пропорционально площади (Тщ-ТоиО^ц, поэтому коэффициент регенерации - Крег и коэффициент аккумуляции - Кш вычисляются по формулам:

К

_ ioPerTi,(r)dT-ToutTper

per

—

(Tin T0Ut)Tper rTaKr,(T)dT

-f£

к J0

(Tin ^out)Ta:

(9)

(10)

vper -

Так как корпус регенератора теплоизолирован, то можно полагать, что при установившемся тепловом режиме QaK~ Qper и следовательно Как= К0 В общем случае длительность циклов регенерации и аккумуляции может быть разной. То же самое можно сказать и относительно расходов воздуха в этих циклах.

В уравнения теплового баланса воздуха и канала насадки входит коэффициент теплоотдачи, который обычно определяют по эмпирическим формулам, полученным для установившегося режима движения воздуха. В данном случае использование таких зависимостей является неприемлемым, т.к. процесс теплоотдачи является нестационарным.

Для определения коэффициента теплоотдачи было проведено моделирование течения воздуха по каналу регенеративной насадки в пакете вычислительной гидродинамики STAR - CD 4.02, производитель «CD -Adapco». Коэффициент теплоотдачи определялся для трех скоростных режимов подачи воздуха в канал насадки при равенстве расходов воздуха при прямотоке и реверсе. При моделировании использовались допущения, принятые в математической модели. Так как движение теплоносителя по каналу симметрично относительно осей, моделирование проводилось для четверти отдельного канала. Объемная сетка, показанная на рис. 4, была построена средствами pro-STAR и содержала 550000 гексагональных ячеек.

Л; .'.">4,„-. 1 ■ г

lid —.L. 1

1

Рис.4. Расчетная сетка Ниже представлена схема моделирования циклической работы СПРТ и ее описание.

Рис.5. Схема моделирования циклической работы СПРТ Этапы моделирования

1. Процесс течения воздуха с температурой Tj—Toui через канал. Время

работы Т|= Трег-

2. Свободный режим. Предполагается, что режимы работы регенератора сменяются не мгновенно, а в течение некоторого времени. Ti= Tout, т2=0,1сек.

3. Процесс течения воздуха с температурой Т2=Тщ через канал в обратном направлении. Время работы тз= такк.

4. Режим идентичный пункту 2 с температурой T2=Tin и т4=0,1 сек.

Критерием окончания моделирования являлось достижение постоянной величины теплосъема с насадки регенератора.

Разработанный метод расчета тепловых процессов в СПРТ был реализован в виде компьютерной программы в пакете Visual Basic интегрированном в Microsoft Office.

На рис.6 представлен интерфейс программы расчета СПРТ.

' "-1- Г"1 -.!._. У.,' .''-Уj ' "Л-!1" ^,',-f 1[~У'<МГ|г1' lÂ№JJS? "À-ГУ A'jJji. ... ............................„ ........ .1,.:____4___________■'.......

Гоимнтрии к ai калл

Общая площадь поперечного сечения канала Ю2 | 20---Е-6 Площадь проходного сечения канала >f""2 | 16 ОЁ-6

Перимегр проходного сечеимя » Длина канала и

Теплофизические характеристики материала насадки

Теплоемкость ДжДкг К)

Теплопроводность Вт/См К)

Плотность кг/м^З

Теплофизические характеристики теплоносителя

Теплоеикость ДжАкг К) ! 1005

Параметры работы регенератора ___

Скорость теплоносителя м.'с j l.73^

Плотность кг/и-^3

Температура теплоносителя внутренняя С j 20 Параметры разностно сетки

Температура теплоносителя наружная С

КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООТДАЧИ Вт/(нА2 К>

Коэфф. аккумуляции тепла Коэфф. регенерации тепла

Рис.6. Интерфейс программы расчета СПРТ

Четыре верхних зоны предназначены для ввода геометрических, теплофизических и режимных параметров рассчитываемого РТ. В пятой зоне можно задавать временные и пространственные параметры разностной сетки, на которой аппроксимируются дифференциальные уравнения математической модели. Это позволяет управлять точностью и временем расчета в зависимости от технических возможностей используемого для вычислений компьютера. Вывод в форму результатов расчета коэффициентов аккумуляции и регенерации позволяет оперативно контролировать ход расчетных исследований. При установившемся режиме эти коэффициенты должны быть равны или близки с приемлемой точностью. Их несовпадение является результатом погрешностей вычисления или аппроксимации и может быть устранено изменением параметров разностной сетки.

Программа была использована для расчетного параметрического исследования, позволившего сформулировать рекомендации по выбору основных конструктивных, режимных и теплофизических параметров работы СПРТ.

Для верификации разработанной методики расчета тепловых процессов было проведено комплексное экспериментальное исследование СПРТ.

Объектами экспериментального исследования были два теплоутилизатора; УВРК-30 (производитель НПФ «Экотерм», РФ) и «тУЕШег» (производитель Германия), отличающихся друг от друга теплофизическими и геометрическими характеристиками насадок. Конструктивные и теплофизические параметры насадок приведены в таблице 1. и на рис.7. В обеих конструкциях установлены одинаковые осевые вентиляторы и продолжительность цикла подачи воздуха в одном направлении равна семидесяти секундам.

Таблица 1.

Параметр насадки Обозначение Ед. измерения Образец

УВРК-30 inVEHTer

Форма поперечного сечения насадки - - круг квадрат

Определяющий размер поперечного сечения d.a м диаметр 0,175 сторона 0,138

Плотность материала насадки р кг/мЗ 1400 2200

Теплоемкость материала насадки Сф 1 Дж'(кгК) 2000 900

Коэффициент теплопроводности материала насадки X Вт/(м К) 0,4 1,4

Длина насадш 1 м 0,175 0,15

Количество каналов е насадке п - 2300 900

Рис.7. Поперечное сечение каналов насадки 1 - насадка регенератора «тУЕНТег», 2 - насадка регенератора УВРК-30.

Для определения расхода воздуха через регенеративную насадку были проведены эксперименты, позволившие определить аэродинамические характеристики насадок и вентилятора для трех скоростей вращения при прямой и обратной подаче воздуха.

Совмещенные напор - расходные характеристики вентилятора и аэродинамического сопротивления насадки показаны ниже._

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 ^ мз/час

Рис.8. Совмещенная характеристика вентилятора и насадки при прямой подаче__

Рис.9. Совмещенная характеристика вентилятора и насадки при обратной подаче Из рисунков видно, что расходы воздуха при прямой и обратной подаче в насадку различны, что объясняется тем, что осевой вентилятор имеет несимметричные относительно оси лопатки.

Для оценки достоверности результатов, полученных с помощью разработанной компьютерной программы, в ходе экспериментального исследован™ измерялись значения температуры и относительной влажности на торцах СПРТ при установившемся циклическом режиме работы. С обеих сторон регенератора на расстоянии 4 - 5мм от насадки были установлены датчики температуры и относительной влажности. Использовались

малогабаритные пленочные датчики сигнал, от которых передавался на цифровой информационно-измерительный комплекс.

Ниже представлен характерный график изменения температуры в торцевых сечениях регенератора в течение нескольких циклов. В этом эксперименте внешняя температура составляла-8°С, внутренняя 17-19°С.

Время, сем

А-

)'

Рис.10. Температура в торцевых сечениях УВРК-30 Проведенный анализ погрешностей измерения показал, что относительные погрешности во всем диапазоне измерений для температуры и влажности не превышали 1% , для расхода воздуха - 6%.

Анализ полученных экспериментальных данных позволил выявить влияние на эффективность теплообменников ряда факторов, которые не учитываются при проектировании и эксплуатации регенеративных теплоутилизаторов работающих в локальных системах вентиляции. К таким факторам можно отнести: неравенство расходов при регенерации и аккумуляции, ветровое давление, предустановленную вытяжную вентиляцию и неполную ассимиляцию приточного воздуха.

Некоторые результаты расчетного параметрического исследования, выполненного предлагаемым методом, представлены ниже.

Рис.11. Зависимость коэффициента регенерации от времени цикла Видно, что увеличением времени цикла коэффициент регенерации асимптотически уменьшается. Это объясняется тем, что с ростом времени насадка уже физически не может аккумулировать тепло и воздух просто проходит сквозь нее без изменения своей температуры.

Ср, Дж/кг К

Рис.12. Зависимость коэффициента регенерации от теплоемкости материала

насадки

Теплоемкость характеризует способность материала накапливать теплоту удаляемого воздуха, С увеличением теплоемкости материала насадки, повышается и термическая эффективность СПРТ. Аналогичный характер носит и расчетная зависимость коэффициента регенерации от плотности материала насадки.

Расчеты показали, теплопроводность материала практически не влияет на эффективность регенератора. Это объясняется, что для исследованных регенераторов число Био (Bio), представляющее собой отношение термического сопротивления стенки UX к термическому сопротивлению передачи тепла на поверхности 1/а, много меньше единицы.

По результатам моделирования в пакете STAR - CD получены зависимости коэффициента теплоотдачи от продолжительности цикла и скорости воздуха в канале насадки.

а, Вт/м2К 30

-Расчет по эмпирическим зависимостям

-STAR - CD

50

100

200

250

300

350

400

Re

Рис.13. Зависимость коэффициента теплоотдачи от числа Re (inVENTer)

а, Вт/м2К -—«Расчет по эмпирическим зависимостям ——STAR - CD

30 25 20 15 10 5

10

20

30

40

50

60

70

Re

Рис.14. Зависимость коэффициента теплоотдачи от числа Re (УВРК-30)

Из графиков видно, что коэффициенты теплоотдачи, полученные при моделировании с учетом циклического характера движения теплоносителя на 4-5 Вт/(м2 К) ниже, чем при расчете по эмпирическим зависимостям для установившегося течения воздуха по каналу. При небольших скоростях движения воздуха, характерных для систем вентиляции это отличие становится существенным.

Результаты моделирования, представленные на рис. 15 показывают, что с увеличением продолжительности цикла работы регенератора,

коэффициент теплоотдачи снижается, __ ________

а, Вт/м2К

19 т----------------------------------------------------

18 ■ .....--------------------------------------------

16 4—---------------------------I--------------г-------------------,-I-—~

О 10 20 30 40 50 60 70

х, сек

Рис.15. Зависимость коэффициента теплоотдачи от времени цикла

Это связано с тем, что в процессе регенерации воздух в канале насадки нагревается, его плотность увеличивается, что вызывает ускорение потока воздуха. При снижении интенсивности теплообмена между потоком воздуха и стенкой насадки этот эффект нивелируется.

Ниже приведены некоторые результаты, полученные при расчете по предлагаемому методу, в ходе экспериментального исследования и при моделировании в STAR-CD.

Рис.16. Средняя по длине температура насадки

Сравнение полученных результатов показывает, что расчетные и экспериментальные данные достаточно близки, что позволяет использовать разработанную методику расчета тепловых процессов в СПРТ в инженерных расчетах при проектировании систем вентиляции и кондиционирования. Проведенное параметрическое исследование, на базе разработанного программного комплекса, позволило сформулировать рекомендации по повышению термической эффективности СПРТ.

Основные результаты и рекомендации.

1. Разработана методика расчета тепловых процессов в СПРТ, позволяющая вычислять нестационарные температурные поля вентиляционных потоков воздуха и теплоаккумулирующей насадки в широком диапазоне режимных и конструктивных параметров.

2. Разработана модель установившегося циклического движения воздуха в единичном канале, реализованная методами вычислительной гидродинамики в пакете STAR - CD. По результатам расчетных исследований определены коэффициенты теплоотдачи для различных режимов работы СПРТ.

3. Предложенные математические модели и алгоритмы реализованы в среде Visual Basic в виде программного комплекса инженерного расчета СПРТ.

4. Разработана методика экспериментального исследования и проведены исследования двух СПРТ.

5. Сопоставление результатов расчетных и экспериментальных исследований подтвердило адекватность и достоверность моделей, алгоритмов и программ расчета СПРТ.

Анализ результатов экспериментального и расчетного исследований позволил сформулировать рекомендации по повышению эффективности исследованных теплоутилизаторов:

1. Необходимо обеспечить близость расходов приточного и вытяжного воздуха, что может быть достигнуто за счет подбора частот вращения вентилятора или продолжительности циклов регенерации и аккумуляции.

2. При определении расходов воздуха через СПРТ необходимо учитывать ветровой напор и влияние предустановленной вытяжной вентиляции.

3. Для увеличения ассимиляции приточного воздуха в вентилируемом помещении целесообразно в цикле работы вентилятора предусмотреть его остановку (стоянку) между этапами регенерации и аккумуляции.

4. При выборе материала исследованных теплоаккумулирующих насадок предпочтительными являются материалы, имеющие высокую плотность и теплоемкость, теплопроводность не оказывает заметного влияния на эффективность СПРТ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Цыганков А. В., Васильев В. А. Моделирование поверхностей трения механических узлов криогенных систем.// Вестник МАХ, 2009, №4, с. 38-40.

2. Васильев В. А., Гаврилов А. И., Каменецкий К. К., Соболь Е. В. Параметрическое исследование регенеративного теплообменника.// Вестник МАХ, 2010, №1, с. 43-46.

3. Васильев В. А., Каменецкий К. К. Экспериментальное исследование регенеративного теплообменника и анализ тепловых процессов [Электронный журнал]: Электронный научный журнал «Холодильная техника и кондиционирование»/ ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий. - Электронный журнал - Санкт-Петербург: СПбГУНиПТ, 2010. - №2. - сентябрь. 2010.»

Подписано к печати ZS-IQ-Ш. Формат 60x80 1/16. Бумага писчая.

Печать офсетная. Печ. л. Щ Тираж 80. экз. Заказ № ZBZ СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9 ИИК СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

ВВЕДЕНИЕ

1. Обзор литературных источников. Цели и задачи исследования.

1.1. Требования, предъявляемые к локальным системам кондиционирования и вентиляции.

1.2. Конструкция и принципы работы регенеративных теплоутилизаторов в системах кондиционирования воздуха.

1.3. Обзор методов расчета и результатов экспериментальных исследований регенеративных теплообменников.

Одним из условий для нормальной жизнедеятельности человека является обеспечение необходимых санитарно-гигиенических норм в жилых и производственных помещениях. Параметры микроклимата (газовый состав, температура, влажность, концентрация аэрозолей, скорость движения воздуха) оказывают влияние на самочувствие человека и его работоспособность. Для поддержания параметров микроклимата на требуемом или приемлемом уровне, примёняют разные системы кондиционирования воздуха.

Согласно нормативным документам [22, 72, 73], оптимальными условиями пребывания человека в жилых и производственных помещениях является температура 20-22°С при относительной влажности в 35-45% и скорости движения воздуха не боле 0,2 м/с.

Современные системы отопления вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК) являются сложными инженерными объектами, интегрированными в домовые, квартальные и городские энергетические и коммуникационные системы [82]. Капитальные затраты на устройство таких систем согласно [73], достигают 20% от общей стоимости зданий, а эксплуатационные - 25 - 40% общей стоимости эксплуатации [75]. В современных системах жизнеобеспечения для экономии энергии активно используются вторичные энергетические ресурсы, такие, как теплота удаляемого из помещения воздуха [40, 68].

Существует два основных способа использования теплового потенциала вентиляционных выбросов, рециркуляция удаляемого воздуха и теплоутилизация с использованием теплообменных аппаратов. Рециркуляция вентиляционных потоков во многих случаях ограничена санитарными нормами и не допускается, если в удаляемом воздухе содержатся вредные примеси. Вследствие этого при вентиляции бытовых и офисных помещений, наибольшее распространение получили воздушные теплообменники разных конструкций, использующие принцип регенерации или рекуперации теплоты [6, 37].

В процессе работы регенеративных (от латинского regenero — вновь произвожу) теплоутилизаторов одна и та же поверхность насадки попеременно омывается теплым и холодным потоками газов. Процесс аккумуляции тепла происходит в период времени, когда удаляемый из помещения теплый воздух обдувает более холодную насадку. При смене направления подачи воздуха происходит процесс регенерации теплоты, т.е. поступающий в помещение из окружающей среды воздух подогревается более теплой насадкой.

Применение регенеративных теплообменников позволяет снизить потребление энергии до 60% при сравнительно невысоких капитальных вложениях [7, 36, 44]. В связи с этим, при совершенствовании систем теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха значительное внимание необходимо уделить тепловой эффективности и оптимизации конструкции таких регенераторов [28, 45].

Потребность в энергоэффективных системах кондиционирования и вентиляции определяет необходимость детального рассмотрения нестационарного процесса теплообмена, характерного для регенеративного теплоутилизатора [59, 77]. Нужно отметить, что большинство исследований теплоутилизаторов представленных в литературе касаются в основном процессов, имеющих место в рекуперативных и регенеративных установках, применяемых на промышленном производстве [27]. Особенностями таких теплообменников является работа в условиях значительной разности температур и давлений, высокой агрессивности сред, а также большого расхода теплоносителя. Все это в большинстве случаев не характерно для бытовых помещений.

В данной- работе представлены результаты расчетных и экспериментальных исследований стационарных переключающихся регенеративных теплоутилизаторов (СПРТ) локальных систем вентиляции воздуха малой производительности.

Первая глава диссертации посвящена обзору литературных источников и содержит доступную информацию о методах расчета СПРТ и экспериментальных данных, полученных для них. Определены главные направления исследования и сформулированы задачи, решение которых необходимо для повышения эффективности систем локальной вентиляции.

Во второй главе приведена математическая модель тепловых процессов в СПРТ. Сформирован разностный аналог дифференциальных уравнений и краевых условий разработанной математической модели. Представлены структура и интерфейс компьютерной программы расчета температурных полей воздуха и насадки, что позволяет оценить влияние основных режимных, конструктивных и теплофизических параметров на тепловую эффективность регенератора.

Следующая третья глава содержит описание экспериментальных стендов, измерительных приборов и систем, а также методики экспериментальных исследований регенеративных теплоутилизаторов с различными теплоаккумулирующими насадками. Приведены результаты тепловых и аэродинамических исследований процесса теплообмена. Выполнен анализ погрешностей измерений. Полученные экспериментальные данные после усреднения результатов измерений представлены в виде диаграмм.

В последней четвертой главе проводится сравнение данных полученных в ходе эксперимента с результатами расчетных исследований выполненных на основе разработанной математической модели реализованной в виде компьютерной программы. Приведены результаты расчетного исследования тепловых процессов в единичном канале регенератора полученные методами вычислительной гидродинамики (CFD в пакете STAR — CD).

В Заключении приведены основные результаты выполненного исследования и даются рекомендации по проектированию СПРТ.

Основные результаты, выводы и рекомендации.

В работе проведено комплексное теоретическое и экспериментальное исследование стационарного переключающегося регенеративного теплоутилизатора (СПРТ).

1. Разработана методика расчета тепловых процессов в СПРТ, позволяющая вычислять нестационарные температурные поля вентиляционных потоков воздуха и теплоаккумулирующей насадки в широком диапазоне режимных и конструктивных параметров.

2. Разработана модель установившегося циклического движения воздуха в единичном канале, реализованная методами вычислительной гидродинамики в пакете STAR - CD. По результатам расчетных исследований определены коэффициенты теплоотдачи для различных режимов работы СПРТ.

3. Предложенные математические модели и алгоритмы реализованы в среде Visual Basic в виде программного комплекса инженерного расчета СПРТ.

4. Разработана методика экспериментального исследования и проведены исследования двух СПРТ.

5. Сопоставление результатов расчетных и экспериментальных исследований подтвердило адекватность и достоверность моделей, алгоритмов и программ расчета СПРТ.

Анализ результатов экспериментального и расчетного исследований позволяет сформулировать рекомендации по повышению эффективности исследованных теплоутилизаторов:

• Необходимо обеспечить близость расходов приточного и вытяжного воздуха, что может быть достигнуто за счет подбора частот вращения вентилятора или продолжительности циклов регенерации и аккумуляции.

• При определении расходов воздуха через СПРТ необходимо учитывать ветровой напор и влияние предустановленной вытяжной вентиляции.

Для увеличения ассимиляции приточного воздуха в вентилируемом помещении целесообразно в цикле работы вентилятора предусмотреть его остановку (стоянку) между этапами регенерации и аккумуляции.

• При выборе материала исследованных теплоаккумулирующих насадок предпочтительными являются материалы, имеющие высокую плотность и теплоемкость, теплопроводность не оказывает заметного влияния на эффективность СПРТ.

126

1. Алексахин A.A. Теплообмен в каналах прямоугольного поперечного сечения.//Автореферат диссертации на соискание уч. степ. канд. наук-Харьков, 1986.- 16 с.

2. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. —М.: Наука, 1976. -888с

3. Альтшуль А. Д., Животовский JI. С., Иванов JI. П., Гидравлика и аэродинамика. —М.: Стройиздат, 1987.-414с.

4. Балкевич В. JI. Техническая керамика, 2 изд., М., 1984.

5. Бараненко А. В., Бухарин Н. Н., Пекарев В. И., Сакун И. А., Тимофеевский JI. С. Холодильные машины. Санкт - Петербург, 1997.

6. Белоногов Н.В., Пронин В.А. Энергоэффективные теплообменники в системах вентиляции// Теплоэнергоэффективные технологии. Информационный бюллетень №3 (32).- 2003. с.41-43.

7. Белова Е. М. Центральные системы кондиционирования воздуха в зданиях.-М.: Евроклимат, 2006.-640с. ,

8. Богословский В. Н., Кокорин О. Я., Петров JI. В. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение.-М.: Строиздат. 1985.-367с.

9. Богословский В.Н., Поз М.Я. Теплофизика аппаратов утилизации тепла систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.- М.: Стройиздат, 1983.-319 с.

10. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. М.: Энергия, 1973. - 296 с.

11. П.Бурцев С.И., Цветков Ю.Н. Влажный воздух. Состав и свойства — СПб.: СПбГАХПТ, 1998.- 146 с.

12. Бэр Г.Д. Техническая термодинамика: Пер. с нем. — М.: Мир, 1977 —518 с.

13. Васильев В. А., Гаврилов А. И., Каменецкий К. К., Соболь Е. В. Параметрическое исследование регенеративного теплообменника.// Вестник МАХ, 2010, №1, с. 32-35.

14. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.-М.: Гос. изд-во физико-математической литературы, 1963. 780 с.

15. Внутренние санитарно-технические устройства. В Зч. 43. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн.2/Б.В. Баркалов и др.-М.: Стройиздат, 1992.-416с.

16. Воронец Д., Козич Д. Влажный воздух: термодинамические свойства и применение: Пер. с сербохорватского-М.: Энергоатомиздат, 1984. 136 с.

17. Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика. Учебное пособие для вузов М: Машиностроение, 1972. — 672 с.

18. Вукалович М.П., Новиков И.И. Техническая термодинамика. M.-JL: Гос. энергетическое изд-во, 1955. - 336 с.

19. Гоголин A.A. Об оптимизации работы установок кондиционирования воздуха//Холодильная техника, 1982, № 6. — с. 9-12.

20. Грин X., Лейн В. Аэрозоли пыли, дымы и туманы. 2-е изд.: Пер. с англ. -JL: Химия, 1972 - 428 с.

21. ГОСТ 12.1.005-88. «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.»

22. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд, перераб. и доп. - JL: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние. 1988.-304с.

23. Давыдов Ю. С., Нефелов С. В. Техника автоматического регулирования в системах вентиляции и кондиционирования воздуха. -М.: Стройиздат. 1984.-388с.

24. Дж. Уайт, Д. Чойд. Полиэтилен, полипропилен и другие полеолефины, Професия., 2006.

25. Жукаускас A.A. Конвективный перенос в теплообменниках. — М.: Наука, 1982.-472 с.

26. Иванов О. П., Чачанидзе М. К. Регенеративный теплообменник с вращающимися воздушными катерами., 1984.-сЗ.

27. Иванов О.П. Выбор оборудования для утилизации тепла и холода в системах кондиционирования воздуха//Холодильная техника, 1982, № 6. с. 12-15.

28. Иванов О. П., Чачанидзе М. К. Автоматизация расчета теплообмена для регенеративного утилизатора. 1984.-с2.

29. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям.-М.: Машиностроение. 1992.-672с.

30. Ильин В. П. Креслинь А. Я. Вращающиеся тепло- и массообменные аппараты для систем вентиляции и КВ водоснабжение и санитарная техника. 1976, №10, с. 35-37.

31. Ильченко О. Т. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. X.: Вища шк. Изд. При харьк. Ун-те. 1985. 384с.

32. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача: Учебник для вузов. М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.

33. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. М.: Энергия, 1977.240 с.

34. Карпис Е. Е., Ильин В. П. Исследование и расчет вращающихся регенеративных теплообменников для систем кондиционирования воздуха и вентиляции: исследование, расчет, проектирование санитарно-технических систем. Вып.2-М; 1979, с.21-34.

35. Карпис Е.Е. Энергосбережение в системах кондиционирования воздуха М.: Стройиздат, 1986. - 267 с.

36. Киргур Н. Теплообменное оборудование для утилизации тепла в системах вентиляции и кондиционирования воздуха. Труды Рижского Политехнического института., Рига, ЛатИнти, 1977.-с37.

37. Кирилин В. А., Сычев В. В., Шейдилин А. Е. Прикладная термодинамика. Издательство Мир, Москва, 1977.-493с.

38. Клаассен Клаас Б. Основы измерений. Датчики и электронные приборы, 3-е изд: Пер. с англ./ К. Б. Клаассен. Долгопрудный: Интеллект, 2008.-350с.

39. Кокорин О. Я. Современные системы кондиционирования воздуха.-М.: Издательство физико-математической литературы. 2003.-272с.

40. Кокорин О. Я. Энергосберегающие системы кондиционирования воздуха.-М.: Локальны Энерго Системы. 2007.-256с.

41. Кошелев В., Иванов М. Свежий воздух на рабочем месте // Комитет охраны природы.-2002.-№9.-С.

42. Краснов Ю. С. Борисоглебская А. П., Антипов А. В. Системы вентиляции и кондиционирования. Рекомендации по проектированию, испытаниям и наладке.-М.:Термокул.2004г.

43. Креслинь А. Я. Автоматическое регулирование систем кондиционирования воздуха.-М.: Стройиздат. 1981.-184с.

44. Кузьмин М. П. , Харитонов Б. П. Энергоэффективность систем кондиционирования //АВОК. -2006.-№6.-с.76-77.

45. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена Новосибирск.: наука, 1970.- 659 с.

46. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М: МашГиз, 1957.330с.

47. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие-М.: Энергоатомиздат, 1990.-367 с.

48. Кэйс В.М. Конвективный тепло- и массообмен: Пер. с англ.- М.: Энергия, 1972.-448 с.

49. Кэйс В.М., Лондон A.JI. Компактные теплообменники. — М.: Энергия, 1967-223 с.

50. Лебедев В. В., Пронин В. А. Инженерная методика расчета потерь давления в рабочей части вращающегося регенеративного теплоутилизатора.// Вестник МАХ, 2009. №3, с 28-30.

51. Лебедев В. В. Пути повышения эффективности роторных утилизаторов тепла в системах кондиционирования и вентиляции воздуха. Дисс. канд. техн. наук: 05.04.03. СПб. 2009. - 123с.

52. Левшина Е. С. Новицкий П. В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отделение, 1983 -320с.

53. Лойцянкий Л.Г. Механика жидкости и газа. — М.: Наука, 1978. 736 с.

54. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963.-536 с.

55. Маргелов А. Датчики влажности компании HoneyWell. // Chipnews, 2005, №9, с.40-42.

56. Маргелов А. Платиновые датчики температуры компании HoneyWell. // Chipnews, 2006, №7, с.50-53.

57. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977.-344 с.

58. Новиков П.А., Щербаков Л.А. Тепло- и массообмен при капельной конденсации водяного пара из потока разреженного воздуха в узких каналах прямоугольной формы//ИФЖ 1972, Т.23, №4, С. 737-742.

59. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1991. - 304 с.

60. Основы гидромеханики / М. К. Овсянников и др.-М.: Транслит. 2006.160с.

61. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов JI.A. Численное моделирование процессов тепло- и массобмена. — М.: Наука, 1984. — 288 с.

62. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости —М.: Энергоатомиздат, 1984. — 150 с.

63. Петухов Б.С. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. М.: Энергия, 1967. - 412 с.

64. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы: Учебник для вузов по специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов».-М.: Энергия, 1978 704 с.

65. Пчелкин Ю.Н. Тепло- и массоотдача влажного воздуха//Теплоэнергетика- 1961, №6, С. 11-15.

66. Реклейтис Т. Оптимизация в технике. М.: Мир. В 2 Т.

67. Самойлович Г. С. Гидрогазодинамика. -М.: Машиностроение, 1990.384с.

68. Себиси Т., Брэдшоу П. Конвективный теплообмен. Физические основы и вычислительные методы. — М.: Мир, 1987. — 592 с.

69. Слезкин H.A. Динамика вязкой несжимаемой жидкости. М.: Гос. изд-во технико-теоретической лит-ры, 1955. - 519 с.

70. СНиП 2.08.01-89* "Жилые здания".

71. СНиП 2.04.05-91* "Отопление, вентиляция и кондиционирование"

72. Солодов А.П. Расчетные модели теплообмена при контактной конденсации//Теплоэнергетика, 1990 .-№10.

73. Сотников А. Г. Автоматизация систем кондиционирования воздуха и вентиляции.-JI.: Стройиздат. 1984.-148с.

74. Справочник по расчетам гидравлических и вентиляционных систем — СПб.: АНО НПО «Мир и семья», 2002. -1154 с.

75. Стефанов Е.В. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Общая часть. Л.: ВВИТКУ, 1970. - 544 с.

76. Сулиманов М. Н., Фридман А. Н., Кудряшева Ж. Ф. Качество измерений. Метрологически справочная книга. Л.: Лениздат, 1987 297с.

77. Теоретические основы тепло- и хладотехники. 4.1. Техническая термодинамика / под ред. Э. И. Гуйго.-Л.: Издательство Ленинградского университета. 1974. -285с.

78. Терехов В.И., Терехов В.В., Шаров К.А. Тепло- и массообмен при конденсации водяного пара из влажного воздуха//ИФЖ- 1998, Т.71, №5, С. 788-794.

79. Топильский В. Б. Схемотехника измерительных устройств: -М.:БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006.

80. Ужанский В. С. Автоматизация холодильных машин и установок. — М.: Легкая и пищевая промышленность. 1982.-304с.

81. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. Справочник: Пер. с англ.- М.: Атомиздат, 1979. 212 с.

82. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. М.: Техносфера, 2005.-592с.

83. Хаузен X. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе: Пер. с нем. -М.: Энергоиздат, 1981.— 383 с.

84. Холодильная техника. Теплообменные аппараты, приборы автоматизации и испытания холодильных машин: Справочник. -М.: Легкая и пищевая промышленность. 1984. -248с.

85. Цветков Ф. Ф., Б. А. Григорьев Тепломассообмен. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - 550с.

86. Цыганков А. В. Методология численного анализа и математическое моделирование тепловых и гидродинамических процессов в узлах жидкостноготрения судовых энергетических установок. Дисс. д-ра техн наук: 05.13.18: СПб., 2005. 302с. РГБ ОД, 71:05-5/510.

87. Цыганков А. В., Васильев В. А. Моделирование поверхностей трения механических узлов криогенных систем.// Вестник МАХ, 2009, №4, с." 38-40.

88. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия: Пер. с польск— М.: Энергия, 1968.280 с.

89. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя: Пер. с нем. М.: Наука, 1969.- 742 с.

90. Эккерт Э.Р., Дрейк P.M. Теория тепло- и массообмена: Пер. с англ.— M.-JL: Госэнергоиздат, 1961.-680 с.

91. Юдаев Б.Н. Теплопередача —М.: Высшая школа, 1981- 319 с.

92. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача— М.: Высшая школа, 1988.-478 с.

93. Besant, R. W. and Simonson С. J., 2000, Air-to-air recovery, ASHRAE Journal, 42(5), 31-42.

94. Cox M. and Stevens R. K. P., The regenerative heat exchanger for gasturbine power-plant. «The Inst, of Mech. Eng. Proc.» 163, №60, 1950, p. 193205.

95. Hausen H. Survey of the heat transfer theories in regenerators. Heat exchangers design and theory. McGraw Hill Book Company, 1974, pp. 207-221.