автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование параметров теплоутилизационной установки на базе полимерного перекрестноточного пластинчатого теплообменника для живодноводческих помещений

российская академия сельскохозяйственных наук

Государственное научное учревдение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ)

004604926 На правах рукописи

Шаталов Максим Петрович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОУТИЛИЗАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ НА БАЗЕ ПОЛИМЕРНОГО ПЕРЕКРЕСТНОТОЧНОГО ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА ДЛЯ ЖИВОДНОВОДЧЕСКИХ ПОМЕЩЕНИЙ

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о [1юн 2010

Москва-2010

004604926

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) Российской академии сельскохозяйственных наук, г. Москва.

доктор технических наук, профессор, Заслуженный изобретатель РФ Лебедев Д.П.

доктор технических наук, Сорочинский Владимир Федорович;

кандидат технических наук, Суюнчалиев Роберт Саматович

ОАО Научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения (ОАО НИИХИММАШ)

Защита состоится ¿¿АбкЗ- 2010 г. в /О часов на заседании

Диссертационного совета Д 006.037.01 в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) по адресу: 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, д.2. Телефон: (499) 171-19-20

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ

Автореферат размещен на сайте www.viesh.ru

и разослан <ЛОч> vUOj 2010 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, д.2. Факс: (499) 170-51-01 E-mail: viesh@dol.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, с.н.с.

А.И.Некрасов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В связи с ростом затрат энергии на сельскохозяйственное производство, с одной стороны, и с необходимостью экономии топлива, с другой стороны, задачей науки становится внедрение энергосберегающих технологий, эффективных методов использования возобновляемых видов энергии. Использование в животноводстве вторичных энергоресурсов - является одним из важных современных направлении научно-технической политики.

Животноводство является одной из довольно энергоемких отраслей сельского хозяйства, где создание оптимальных температурно-влажностных условий воздушной среды связано со значительным расходом различных видов энергии. Одним из весомых потребителей электрической и тепловой энергии в балансе энергопотребления отрасли является отопительно-вентиляционное оборудование.

В 2009 г. ВИЭСХ разработана Энергетическая стратегия сельского хозяйства России на период до 2020 года, где указывается, что в животноводстве использование комбинированных технологий создания микроклимата (общего и локального) с применением утилизации тепла позволяет снизить энергозатраты до 50 %.

Одним из основных направлений сокращения общих затрат энергии в животноводстве является внедрение энергосберегающего оборудования для создания и поддержания нормативного микроклимата, удаления аммиака, углекислого газа, пыли и патогенной микрофлоры.

Одно из важных направлений экономии энергоресурсов в животноводстве -утилизация тепла, содержащегося в воздухе животноводческих помещений.

Актуальность темы подтверждается тем, что она выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР ВИЭСХ в рамках фундаментальных и приоритетных прикладных исследований Россельхозакадемии на 2000-^2006 г, 2006-^2010 г. по разделу 99 механизация и автоматизация «Разработать высокоэффективные машинные технологии нового поколения для производства конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции, энергетического обеспечения технического сервиса сельского хозяйства».

Системы утилизации сбросного тепла для микроклимата животноводческих помещений были разработаны Бородиным И.Ф., Дубровиным A.B., Лебедевым Д.П., Лямцовым А.К., Расстригиным В.Н., Тихомировым Д.А.

Цель работы. Обоснование параметров вентиляционной установки с использованием пластинчатого полимерного перекрестноточного теплообменника для утилизации сбросного тепла животноводческих помещений в условиях низкотемпературных климатических зон.

Задачи исследования.

Установить роль утилизации сбросного тепла при создании микроклимата животноводческих помещений (телятников). Определить технические сложности использования теплоутилизационных установок.

Предложить технорабочую схему вентиляционной установки с полимерным пластинчатым перекрестноточным утилизатором сбросного тепла для животноводческих помещений.

Разработать методику для составления теплового баланса и произвести расчет пластинчатого перекрестноточного теплообменного аппарата на базе сотового полимера при условии отсутствия и наличия конденсации влаги вытяжного воздуха

на рабочих поверхностях теплообмена. Составить программу теплотехнического расчета теплоутилизационных установок.

Исследовать процессы конденсации влаги из вытяжного воздуха и ее замораживания на рабочих поверхностях теплообмена. Предложить способ работы теплоутилизационной установки при низких температурах наружного воздуха.

Провести экспериментальные исследования газодинамики и теплообмена теплоутилизационной установки в лабораторных и хозяйственных условиях. Определить теплотехнические характеристики установок.

Выполнить технико-экономическое обоснование.

Объект исследования. Теплоутилизационные установки сбросного тепла для животноводческих помещений.

Методика исследований. Проведение теоретических и экспериментальных исследований с использованием фундаментальных положений теории теплопередачи, термодинамики, теоретических основ теплотехники, физического моделирования, математической обработки опытных данных и компьютерного программирования.

Научная новизна исследований.

Составлена методика расчета теплового баланса перекрестноточного полимерного теплообменника с конденсацией влаги на поверхностях.

Исследованы способы ввода воздушных потоков в теплообменник и их влияние на распределение скоростей в аппарате, образование конденсированной фазы и эффективность теплообмена.

Предложен и запатентован новый способ изготовления воздухо-воздушных теплообменников из полимеров.

Установлен процесс образования зоны минимальной температуры влажного воздуха в «холодном углу» и образование конденсированной влаги в перекрестноточном полимерном теплообменнике.

Установлен физический механизм образования конденсированной фазы капель влаги и льда на теплообменных поверхностях полимера. Для выбранного типа полимера (краевой угол смачивания и = 55°) имела место капельная конденсация. При температурах стенки теплообменника ниже температуры замораживания влаги происходил процесс кристаллизации капель и рост слоя льда вдоль поверхностей теплообмена. Предложен метод размораживания льда в «холодном углу» полимерного перекрестноточного теплообменника путем установки автономного локального нагревателя.

Установлен механизм теплообмена в перекрестноточном рекуператоре, с учетом измерений локальных температур в воздушных потоках, при которых температурное поле рабочих поверхностей может быть разделено на три зоны: зона интенсивного теплообмена, зона присутствия конденсированной влаги и зона равномерного теплообмена.

Практическая ценность диссертации.

Предложен инженерный метод расчета, определена тепловая эффективность и проведены исследования установки утилизации тепла в условиях отрицательных температур (до -25°С) приточного атмосферного воздуха.

Предложен способ изготовления перекрестноточных воздухо-воздушных теплообменников из полимеров.

Обоснованы параметры экспериментального и производственного образцов в установках утилизации тепла.

Проведены четырехлетние испытания производственной установки утилизации тепла в натурных условиях при создании микроклимата сельскохозяйственного помещения (телятника на 290 голов), подтвердившие надежность базового элемента установки перекрестноточного теплообменника, его повышенную коррозионную стойкость в условиях высококонцентрированной аммиачной среды при отрицательных температурах.

На защиту выносится.

Физический механизм теплообмена в каналах с учетом зоны минимальной температуры образования "холодного угла" и конденсированной фазы влаги в перекрестноточном теплообменнике.

Метод исключения образования зоны минимальной температуры «холодного угла» конденсированной фазы льда в перекрестноточном теплообменнике в условиях низких температур путем введения в геометрическую область "холодного угла" автономного зонального нагревателя.

Способ изготовления полимерного перекрестноточного теплообменника и вентиляционной установки с утилизацией тепла.

Физические модели инженерного расчета полимерного пластинчатого перекрестноточного теплообменника и вентиляционной установки с утилизацией тепла. Определение: коэффициента теплопередачи, тепловой эффективности, температурных зон образования конденсированной фазы влаги в теплообменнике.

Термодинамическая рабочая схема системы утилизации сбросного тепла.

Достоверность основных теоретических положений подтверждена результатами экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования подтверждены лабораторными, хозяйственными испытаниями с документально оформленными актом и протоколом об использовании результатом исследований, представленных в работе.

Внедрение результатов исследований. По результатам проведенных исследований внедрена запатентованная технология для экспериментальных образцов полимерных перекрестноточных рекуперативных теплообменников в установках теплоутилизации.

Установлено, что использование полимерного теплообменника, по сравнению с металлическим теплообменником обеспечивает снижение расходов материалоемкости до 30 %. Все теплотехнические характеристики и коррозионная стойкость полимерных теплообменников в установках теплоутилизации конкурентоспособны характеристикам теплообменников из металла.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации доложены, обсуждены и получили положительную оценку:

- на международных научно-практических конференциях: Минск 2002, 2007; Киев 2005, Ялта 2009; Москва, ВИЭСХ, 2003,2004,2006,2010;

- в Научно-аналитическом обзоре Министерства сельского хозяйства Российской Федерации "Энергосберегающее оборудование для обеспечения микроклимата в животноводческих помещениях" (Мишуров Н.П., Кузьмина Т.Н., Москва ФГНЦ «Росинформагротех», 2004). Положительные результаты натурных испытаний образца перекрестноточного теплообменника-утилизатора на базе полимеров в ГУП "Красная Пойма" оформлены протоколом и актом.

- технические требования на перекрестноточные теплообменники с полимерной основой для децентрализованных систем утверждены в ГНУ ВИЭСХ.

Публикации. Основные результаты работы изложены в 12 работах, 3-х патентах и 1 положительном решении на заявку о выдаче патента.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложений. Ее содержание изложено на 164 страницах, иллюстрировано 63 рисунками, включает 20 таблиц, список литературы из 202 наименований и 10 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, дана общая характеристика работы.

В первой главе «Вентиляционные установки для утилизации сбросного тепла сельскохозяйственных помещений» проведен обзор установок теплоутилизации, использующих перенос тепла между вытяжным (грязным производственным) воздухом и атмосферным (чистым) приточным воздухом (вентиляционные установки: с теплоутилизатором Frivent, с роторным теплообменником, с пластинчатым теплообменником, с промежуточным теплоносителем). Поставлены задачи исследования.

Во второй главе «Теоретические исследования пластинчатых теплообменников на базе полимеров» представлена принципиальная схема теплоутилизационной установки с рекуперативным пластинчатым полимерным перекрестиоточным теплообменником, рис. 1, даны теоретические исследования и методика расчета теплового баланса пластинчатого перекрестноточного теплообменного аппарата на базе сотового полимера при условии отсутствия и наличия конденсации влаги из вытяжного воздуха на рабочих поверхностях теплообмена.

Рис. 1. Принципиальная схема теплоутилизационной установки с рекуперативным пластинчатым полимерным теплообменником перекрестного хода: 1 - фильтр; 2 -вентилятор вытяжного воздуха; 3 - перекрестноточный полимерный теплообменник; 4 - вентилятор приточного воздуха; 5 - догреватель воздуха; 6 - нагреватель

«холодного угла»

Рис. 2. Процессы охлаждения вытяжного и нагрева приточного воздуха с использованием перекрестноточного теплообменника из пластинчатого сотового

полимера

На рис. 2 представлена 1,(1 - диаграмма, на которой показаны процессы охлаждения вытяжного отработанного воздуха и нагрева приточного свежего воздуха.

Тепловой баланс пластинчатых полимерных перекрестноточных теплообменников без конденсации влаги на теплообменных поверхностях 1ст> V. По каналам холодного и теплого воздуха:

СЬ = • ср, • (112-1„) = (}2 = в2 ■ ср 2 • (121 -122), (1)

где вь сР1 - массовый расход и удельная теплоемкость холодного воздуха; 1М, 121 - температуры нагреваемого (холодного) и охлаждаемого (теплого) воздуха на входе в теплообменник, °С; С2, ср2 - массовый расход и удельная теплоемкость теплого воздуха; Хгг - температуры нагреваемого (холодного) и охлаждаемого (теплого) воздуха на выходе из теплообменника, °С. Теплосъем теплообменника:

= 1<1 ■ Рт/0 расч ' Д^р ' 8Д1, (2)

где Д^р - температурный напор, °С; Рт/0 расч - расчетная площадь теплообменной поверхности, м ; к] - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К); £Д1 - поправочный коэффициент, определяется по рис. 4.

Для перекрестноточной схемы движения потоков воздуха логарифмический температурный напор:

1п

^22 ^Ц

.^21 ^12 У

Уравнение (3) применимо для определения среднелогарифмической разности температур для прямоточных и противоточных типов теплообменников.

Так как в перекрестноточных теплообменниках происходит двумерное распределение температур, что показано на рис. 3, то для определения среднелогарифмической разности температур вводится поправочный коэффициент

ь

у/0

Рис. 3. Двумерное распределение температуры в одноходовом перекрестноточном теплообменнике

График для определения поправочного коэффициента еЛ1 для одноходового перекрестноточного теплообменника представлен на рис. 4.

0,3 0,* 0,5 Р

0.7 0.3 0.9 1.0

Рис. 4. Поправочный коэффициент £Д1 для одноходового перекрестноточного

теплообменника

Сходимость теплового баланса:

(4)

х2

В табл. 1 и 2 представлены результаты сходимости теплового баланса перекрестноточного полимерного теплообменника, в соответствии с условиями

эксплуатации при температурах рабочих поверхностей выше температуры насыщения.

Таблица 1

Сходимость теплового баланса_

Тип теплообменника gi, кг/ч g2, кг/ч tn,°C tl2, °С t21, °С t21, °С QI.Bt Q2, Вт AQ, %

Перекрестно- точный лабораторный теплообменник из полимера 84,8 91 -10 5 28,8 14,5 353,3 362,6 2,56

114,5 133,8 -15 -1,2 22,8 11,3 438,9 428,5 2,36

Коэффициент теплопередачи для экспериментального лабораторного образца теплообменника, рис. 6, соответствует 10,68 ВтЛУ-К).

Таблица 2

Наименование параметра Обозначение и размерность Значение

Проектная площадь теплообменной поверхности Ft/o ,м2 1,52

Расчетная площадь теплообмена с учетом поправочного коэффициента еД1 Ft/o расч ,м 1,63

Сходимость расчета д,% 7,16

Тепловой баланс пластинчатых полимерных перекрестноточных теплообменников при конденсации влаги на теплообменных поверхностях:

- по каналу приточного воздуха:

Qi = Gi-Cp,-(ti2-tu), (5)

- по каналу вытяжного воздуха:

q2 = (G2-cp2-(t21-ts) + GKT + G2 • ср2 • (ts -t22)) • 1000 , (6)

где ts - температура начала конденсации влаги (температура точки росы), °С; г - удельная теплота конденсатообразования, г = 2260 кДж/кг; G* - количество конденсата (жидкости), кг/ч.

Теплосъем теплообменника:

Q = к, ■ FT/0 расч • Atop, (7)

количество конденсата:

G«=G2-Ad, (8)

где Ad - разница влагосодержаний воздуха конца и начала конденсации (определяется по I, d - диаграмме), г/кг.

Сходимость теплового баланса до 10%.

Коэффициент теплопередачи:

к>=1—i—г- (9)

— +-+ —

^ пол им ^вл

Коэффициент теплоотдачи определялся для приточного канала без учета конденсации влаги по формуле (5).

Для вытяжного воздуха коэффициент теплоотдачи определялся по зависимостям Сергазина, адаптированным для влажного воздуха при нормальном атмосферном давлении:

а„„ = а, +

ß-r-Ap At

(10)

где а2 - коэффициент теплоотдачи сухого воздуха, Вт/(м2-К); р - коэффициент массоотдачи при конденсации паров из влажного воздуха; г - теплота конденсатообразования, кДж/кг; Др - разность парциальных давлений пара в ядре потока и у стенки, атм; Д1 - разность температур между влажным воздухом и стенкой, °С.

Ыи2 • А-2

«2

Р =

иэ2

NU2m-Dp

дэ2

°р =

6,27-10"

12ср

1273,15 j

(П) (12) (13)

Для канала теплого вытяжного воздуха, в котором наблюдалась конденсация влаги для определения критерия Нуссельта Ыи2 при ламинарном движении воздуха применимо уравнение вида: теплообмен:

N11* = 4,55 • 10'3 • Яе20'36 • (Аг2 • Рг2)0'4, (14)

массообмен:

Ыч2т = 4,55 • Ю-3 • Яе20'36 • (Аг2 • Рг2т)0'4, (15)

где Аг - критерий Архимеда; Рг2т - критерий Прандтля массообменный для вытяжного воздуха

Ar = g-d^2

(Рковд ~Рг) vj-p2

(16)

Расчетная площадь теплообменной поверхности по сравнению с проектной площадью отличается на 10%

Д =

F — F

гт/орасч гт/о

100% <10% .

(17)

гт/о расч

Составлена программа расчета в Microsoft Office Excel.

В табл. 3 и 4 представлены результаты сходимости теплового баланса перекрестноточного полимерного теплообменника, в соответствии с условиями эксплуатации при температурах рабочих поверхностей ниже температуры насыщения.

Таблица 3

Сходимость теплового баланса

Тип теплообменника gi, кг/ч g2> кг/ч tu, °с tl2, °с t21, °с tii, °с QI.BT q2,bt aq, %

Перекрестно- точный лабораторный теплообменник из полимера 147 123 -20 -1 20 7 780 746 4,4

97 54 -10 8 28 13 487 470 3,2

Коэффициент теплопередачи для экспериментального лабораторного образца теплообменника, рис. 6, соответствует 28,43 Вт/(м2-К).

Проектные и расчетные данные поверхности теплообмена

Таблица 4

Наименование параметра Обозначение и размерность Значение

Проектная площадь теплообменной поверхности Ит/о ,м2 1,444

Расчетная площадь теплообмена Рт/о расч >М 1,543

Сходимость расчета д,% 6,39

Термический анализ показал возможность применения сотового полимера до температуры 130°С, при температурах 250-290°С материал переходит в жидкую фазу.

Далее представлена принципиальная схема установки-утилизатора тепла, рис.5 и описание работы лабораторной установки, которая включает разработанный запатентованный (патент РФ № 2249776) полимерный перекрестноточный пластинчатый рекуперативный теплообменник, обеспечивающий перенос теплоты от загрязненного влажного вытяжного воздуха животноводческого помещения к холодному чистому воздуху при пониженных температурах.

Рис. 5. Принципиальная схема установки-утилизатора тепла: 1- пластинчатый полимерный теплообменник; 2 - вытяжной вентилятор; 3 - приточный вентилятор; 4 - термопара ^ ь 5 - термопара ^ 6 - термопара и2', 7 - термопара Ьи 8 - галетный переключатель; 9 - регистратор температуры; 10 - бюретка-сборник конденсата; 11 - психрометр; 12 - пульт управления; 13 - догреватель воздуха

Установка, рис. 5 состоит из теплообменника 1, собранного из панелей сотового полимера, в котором два потока воздуха - удаляемый и наружный, полностью разделены и не контактируют друг с другом. Наружный воздух, нагнетаемый приточным вентилятором 3, проходя установленную термопару 4 на входе в рекуператор, по которой определяется его температура, фиксируемая с помощью регистратора температур 9, попадает в рекуператор 1, где нагревается от удаляемого воздуха, проходящего за разделяющей полимерной стенкой. Термопарой 6 регистрируется температура приточного уже нагретого воздуха на выходе из установки. Далее подогретый в теплообменнике воздух попадает в догреватель воздуха до нормируемых значений. Догрев воздуха после теплообменника необходим при работе установки при низких отрицательных температурах наружного воздуха (1н < -10 °С).

Вытяжной воздух, удаляемый из помещения с помощью вентилятора 2 проходит термопару 5, измерение на которой фиксируется на регистраторе температуры 9. Далее теплый вытяжной воздух, проходя через щелевые каналы рекуператора, отдает теплоту через воздухонепроницаемую стенку приточному воздуху. Температура на выходе вытяжного воздуха измеряется с помощью термопары 7. Отработанный вытяжной воздух удаляется из помещения.

Приточный и вытяжной вентиляторы включаются посредством тумблеров, установленных на пульте управления 12.

При больших разницах температур приточного и вытяжного воздуха и при необходимости исследования процесса конденсации на выходе удаляемого воздуха устанавливается сборник конденсата 10 и психрометр 11.

Для исследования теплообмена в пластинчатый рекуператор устанавливались 12 медь-константановых термопар диаметром 0,15 мм. Метрологическая аттестация термопар проводилась в диапазоне -20 + +40 °С, с точностью ± 0,15 °С с помощью прибора фирмы «ОВЕН» с аттестованной хромель-алюмелевой термопарой и ртутным термометром с ценой деления 0,1 °С.

Для обеспечения наилучшего тепломассообмена в каналах газовоздушного потока вытяжного воздуха при 1п > ^ проведено специальное термоанемометрическое исследование. Исследования проводились с помощью термоанемометра Тесто 4 -05-1 при числе Рейнольдса Ле до 1000 на экспериментальной вентиляционной установке с полимерным теплообменником, рис. 6. Установлено, что одинаковые скорости по каналам теплообменника устанавливаются при взаимно перпендикулярном расположении векторов скоростей потоков приточного и вытяжного воздуха, а также вводом выравнивающих сеток на входах в диффузорах перекрестноточного теплообменника, рис. 7, рис. 8 (минимальный и максимальный расход воздуха), для исключения неравномерности скоростей в каналах при работе вентиляторов установки (минимальный и максимальный расход воздуха).

Рис. 7. Распределение скоростей по выходному сечению рекуператора с перпендикулярным к входному сечению вводом потоков и установкой выравнивающих сеток (минимальный расход воздуха)

Рис. 6. Лабораторная вентиляционная установка с перекрестноточным полимерным теплообменником (фотография)

вытяжка

14

вытяжка

Рис. 8. Распределение скоростей по выходному сечению рекуператора с перпендикулярным к входному сечению вводом потоков и установкой выравнивающих сеток (максимальный расход воздуха)

На рис. 7 и 8 представлены распределения скоростей и температур по выходным сечениям теплообменника с вводом воздушных потоков перпендикулярно к входному сечению, установкой выравнивающих сеток и осевых вентиляторов, при максимальном и минимальном расходах воздуха. При минимальном расходе воздуха по приточному каналу 39,8 м3/ч и по вытяжному 41 м3/ч имеет место равномерное распределение потоков, рис. 3 изменения скоростей и температур составляют: по приточному каналу 0,51 м/с до 0,56 м/с, средняя скорость на выходе из теплообменника 0,63 м/с по температуре от 0,2°С до 1,8°С, средняя температура на выходе из теплообменника 1°С; по вытяжному каналу от 0,58 м/с до 0,62 м/с, средняя скорость на выходе из теплообменника 0,6 м/с, по температуре от 0,8°С до 0,6°С. Средняя температура на выходе из теплообменника 2°С. При этом температура приточного воздуха на входе в теплообменник составляет - 10°С, расход 39,8 м3/ч, число Рейнольдса 250,2; температура вытяжного воздуха на входе в теплообменник составляла 11,4°С; расход - 41 м3/ч, число Рейнольдса 473,4. При этом сохраняется месторасположение зоны пониженных температур «холодного угла». По распределениям температур по каналам приточного и вытяжного воздуха в перекрестноточном теплообменнике найдено месторасположение зоны пониженных температур «холодного угла».

Проведены исследования распределения температур в каналах приточного и вытяжного воздуха и определение зон конденсации и обледенения.

Для проведения исследования и анализа теплообмена между воздушными потоками в полимерном перекрестноточном теплообменнике, внутри в каналах использовались как термодатчики (термопары), установленные на стенки каналов, так и выполнялось прямое зондирование температур воздуха в каналах с помощью перемещающегося в них термодатчика (термопары). Сигнал с термопар выводился на

двухканальный цифровой анализатор температуры, при условии непосредственной регистрации места расположения термопары в канале. Эксперименты проводились при расходах приточного воздуха G, = 100 - 150 кг/ч, Re! = 460 700 и вытяжного воздуха G2 = 100 + 150 кг/ч, Re2 = 700 + 1050 при температуре приточного воздуха на входе в теплообменник tn = - 19 °С и температуре вытяжного воздуха t2i = 9 °С. На рис. 9 представлены результаты изменения температур по длине приточного канала, зарегистрированные в сечении "а" (5 мм от края теплообменника по выходу вытяжного воздуха), сечении "б" (в центре), сечении "в" (5 мм от края теплообменника по входу вытяжного воздуха).

Как видно из рис. 9 по характеру изменения температуры воздуха канал может быть разделен на две зоны, зону интенсивного теплообмена воздуха до длины канала 30 мм и зону установившегося теплообмена воздуха в канале от длины канала 30 мм до 190 мм.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

1, длина канала, мм

Рис. 9. Распределение температур по сечениям каналов (направление измерения "а", "б", "в") приточного воздуха

На рис. 10. представлены экспериментальные результаты по изменению температуры в вытяжном канале теплообменника. На входе в теплообменник вытяжной воздух имеет температуру 9 °С. За счет контакта с холодным каналом температура вытяжного воздуха уменьшается до - 7 °С в зоне «холодного угла» (сечение "а"). В сечениях "б" и "в" имеют место более высокие температуры на выходе из каналов 0 °С и 3 °С. В сечениях "б" и "в" происходит квазиравномерное

п *>

изменение температуры от температуры на входе в канал до температуры на выходе. При этом в указанных сечениях температуры на выходе имеют положительные значения.

Изменение температуры в сечении "а", проходящего через зону «холодного угла» имеет место резкое ее понижение и достигает минимальной отрицательной температуры.

В данном случае изменение температурного поля в канале вытяжного воздуха практически имеет две зоны, зону равномерного уменьшения температур и зону «холодного угла» для сечения "а". Именно в зоне «холодного угла» имеется наибольшая вероятность образования конденсированной фазы влаги вытяжного воздуха с возможностью ее дальнейшего замораживания. Процесс замораживания будет происходить при условии, если температура стенки канала будет ниже температуры замораживания конденсируемой фазы влаги в вытяжном воздухе.

Область «холодного угла» является геометрическим местом расположения зонального автономного нагревателя для исключения замораживания влаги и поддержания процесса непрерывной конденсации в жидком состоянии, с дальнейшим ее стеканием под действием гравитационных сил к нижнему углу теплообменника и окончательным удалением ее. Так как конденсат насыщен различными вредными примесями, растворенных в нем газов, то его удаление обеспечивает эффективную очистку воздуха производственного помещения.

1, температура в канале, °С

Рис. 10. Распределение температур по сечениям каналов (направление измерения "а", "б", "в") вытяжного воздуха

В третьей главе «Исследование перекрестноточных рекуперативных полимерных теплообменников при отрицательных температурах» для оценки механизма конденсации влаги на поверхности полимера использовались фотографические исследования покоящейся капли.

Установлена капельная конденсация влаги с каплями, имеющими краевой угол 45^50° (частичное смачивание поверхности), рис. 11.

Рис. 11. Конденсация в перекрестноточном полимерном теплообменнике

Рост капель на поверхности возможен в виде образования пленки или путем увеличения их в объеме с дальнейшим отрывом. Эти механизмы участвуют в образовании «холодного угла».

Проведен анализ механизма образования конденсированной фазы в виде жидкости и льда на рабочих поверхностях полимерного теплообменника со стороны вытяжного воздуха. Установлены условия образования льда в области «холодного угла» и методы исключения процесса обмерзания, к числу которых относятся:

- предварительный прогрев приточного воздуха;

- регулированием массовых воздушных потоков на притоке и вытяжке в теплообменнике;

- размораживание всего теплообменника;

- уменьшение теплопередачи в «холодном угле».

Определен механизм конденсации влаги в теплообменнике при отрицательных

температурах. Получено распределение температур в каналах приточного и вытяжного воздуха при отрицательных температурах наружного воздуха, рис. 9 и 10. Определены границы зоны замораживания влаги. Для приточного воздуха определены области и фронт интенсивного теплообмена холодного воздуха. Для вытяжного воздуха найдены границы зоны замораживания в «холодном угле». Определено место установки локального автономного нагревателя для исключения обмерзания поверхностей теплообменника.

Описана теплоутилизационная установка сбросного тепла с автономным электрообогревателем для низкоклиматических зон. Определены методы регулирования исключения процесса обмерзания теплообменника.

Исследованы механизмы конденсации и замораживания влаги из вытяжного воздуха в полимерном теплообменнике при температурах ниже температуры насыщения.

Установлено, что конденсация и дальнейшее замораживание влаги начинается в зоне «холодного угла» теплообменника и далее распространяется на всю поверхность, вид конденсации - капельный.

Разработана программа теплотехнического расчета

утилизаторов сбросного тепла при возможной конденсации влаги в полимерном теплообменнике. Процесс замораживания влаги в теплообменнике при температурах ниже температур замораживания исключается использованием автономного локального нагревателя.

Предложен расчет и определена эффективность теплоутилизационной установки сбросного тепла.

Принята математическая модель, позволяющая определить границы сухой зоны и конденсации на поверхностях полимерного теплообменника, а так же начало образования границы льда.

Разработанная вентиляционная установка позволяет при температурах ниже температуры насыщения и замораживания путем размещения нагревателя необходимой формы и конструкции в область «холодного угла» исключить на поверхностях теплообмена кристаллизацию влаги и за счет сил гравитации непрерывно отводить ее в жидком состоянии через трубку, рис. 12. Предлагаемая установка реализует:

- утилизацию сбросного тепла сельскохозяйственных помещений в условиях низких температур окружающей среды и может найти широкое применение в регионах с протяжённым холодным временем года;

- экономию тепловой энергии при пассивном нагревании входящего воздуха в теплообменнике не менее 55 %;

- нормальные режимы работы вентиляторов, т.е. без условий работы старт-стоп;

- поддержание устойчивых аэродинамических характеристик установки в различных климатических условиях;

- возможность удаления аммиака (95% аммиака удаляется с конденсатом), при этом одновременно производится осушка воздуха внутри помещения.

Рис. 12. Общая схема установки с электрическим автономным зональным

нагревателем

В четвертой главе «Исследование промышленной установки с утилизацией сбросного тепла на базе полимерного теплообменника в натурных условиях» представлены результаты исследований промышленной теплоутилизационной установки на базе полимерного теплообменника в ГУП "Красная Пойма" в телятнике на 290 голов при температурах наружного воздуха - 7°С, внутреннего воздуха + 11,4°С, при расходах 3000 м3/ч, рис.13. В результате испытаний рассчитан тепловой баланс теплоутилизационной установки, установлена ее теплопроизводительность, соответствующая 8200 Вт.

Рис. 13. Расположение утилизационной установки в помещении с полимерным

теплообменником

При эксплуатации в течение 4 лет в животноводческом помещении (в телятнике на 290 голов) установлено коррозионное разрушение перекрестноточного теплообменника из алюминиевых пластин, в то время как пластины теплообменника из полимера не подвергались каким либо изменениям. Показано, что в результате коррозии термическое сопротивление металлических поверхностей теплообмена, в отличие от полимерных может увеличиваться в 4-6 раз.

Представлен расчет температурной эффективности теплоутилизации.

012-«„)-О,-ср,

<19>

V 21 11' ' 1 р1

Для лабораторной экспериментальной установки температурная эффективность теплоутилизации составила 0,505.

Для промышленной установки температурная эффективность теплоутилизации составила 0,462.

В пятой главе «Технико-экономическое обоснование применения вентиляционной установки с полимерным теплообменником» представлен расчет по методу приведенных затрат от использования вентиляционной установки с полимерным теплообменником по сравнению с вентиляционной установкой с металлическим теплообменником, установленной в животноводческом помещении. В общем виде экономическая эффективность рассчитывается по формуле:

ЭГ = 36-3Н, (20)

где 3„ и Зб - приведенные затраты при предлагаемом и базовом вариантах. 3„ и 36 рассчитываются:

3„=К„ЕН-ИН, (21)

Зб=К6Еб-Иб, (22)

где К„ и Кб - количество производимой продукции в год в новом и базовом вариантах; Е„ и Ед - срок эксплуатации оборудования в новом и базовом вариантах; И„ и И6 - издержки производства (себестоимость) на выполнение технологического процесса в денежном выражении в новом и базовом вариантах. Годовая экономическая эффективность в общем виде:

Эг = (КбЕ6-КнЕ„)-(И6-Ин). (23)

Поскольку, количество выпускаемой продукции и её цена в базовом и новом вариантах имеют одинаковые значения, то годовая экономическая эффективность можно переписать в виде:

Эг = Иб-Ин. (24)

Из формулы (24) видно, что экономический эффект равен разности годовых издержек производства (себестоимостей).

Себестоимость базового и нового вариантов Иб, И„ включают в себя: издержки на амортизационные отчисления И6о, Ино; издержки на энергоноситель Ибэ, И„э; издержки на обслуживающий персонал Иб0п, Иноп; издержки на ремонт И6р, Инр.

В табл. 5 представлены стоимости различных материалов теплообменных пластин (полимер, алюминий, нержавеющая сталь) при одинаковых габаритных размерах в ценах 2009 года.

Стоимость материалов пластин теплообменников

Таблица 5

Материал Размер пластин теплообменников Стоимость пластины, руб.

полимер 500x500 77,5

алюминий 500x500 255

нержавеющая сталь 500x500 800

Экономический эффект при использовании полимера в качестве теплообменной поверхности в теплообменниках составит:

Эг = Иб0 - Ино+ Ибз - Инэ + Ибоп - Иноп + и6р - Инр (25)

Экономический эффект по методу приведенных затрат от использования вентиляционной установки с полимерным теплообменником по сравнению с вентиляционной установкой с металлическим теплообменником, установленной в животноводческом помещении составил 69000 руб. в ценах 2009 г. на одну вентиляционную установку и 216500 руб. по сравнению с теплообменником из нержавеющей стали.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Обзор и анализ существующих теплоутилизационных установок показал ограниченность их использования в животноводческих помещениях вследствие: возможного замораживания влаги из вытяжного воздуха на теплообменных поверхностях; активной коррозии металлических поверхностей теплообмена и значительной стоимости теплообменного оборудования.

2. Предложена технорабочая схема теплоутилизационной установки (патенты РФ № 2219764 и № 2326528) с перекрестноточным теплообменником из полимера, выполненного по новой технологии (патент № 2249776).

3. Разработана методика расчета пластинчатого перекрестноточного полимерного теплообменника при условии отсутствия и наличия конденсации влаги из вытяжного воздуха на рабочих поверхностях теплообмена. Разработаны алгоритмы программы теплотехнического расчета утилизаторов сбросного тепла с учетом конденсации влаги в полимерном теплообменнике.

4. На основании предложенной методики определены коэффициенты теплоотдачи в каналах полимерного теплообменника без конденсации влаги а2 = 16,6 Вт/(м2-К) и в другом случае по влажному воздуху авл = 133,6 Вт/(м2-К). Установлено, что конденсация и дальнейшее замораживание влаги начинается в зоне «холодного угла» перекрестноточного теплообменника и далее распространяется на всю поверхность теплообмена. Предложена и запатентована система локального нагревателя, исключающего процесс замораживания влаги в теплообменнике при температурах ниже температур замораживания.

5. В результате экспериментальных исследований газодинамики и теплообмена теплоутилизационной установки в лабораторных и хозяйственных условиях (ГУП «Красная Пойма») в течение 4 лет при температурах наружного воздуха -5

-25 °С тепловая мощность полимерного теплообменника достигала 10,5 кВт, а температурный КПД теплоутилизационной установки соответствовал 55 %.

6. Предложенная теплоутилизационная установка обеспечивает до 55 % экономии тепла. Расчетный экономический эффект от внедрения теплоутилизационной установки с полимерным теплообменником по сравнению с установкой с

теплообменником из алюминия, имеющим такие же габаритные характеристики составил 69000 руб. в ценах 2009 г. на одну вентиляционную установку. Ресурс работы алюминиевого теплообменника ввиду низкой коррозионной стойкости соответствует 4,5 годам, за этот же период полимерный теплообменник сохранил все свои теплотехнические и прочностные характеристики.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Лебедев Д.П., Шаталов М.П., Самсонова Е.А. Теплоутилизационные установки на базе полимерных перекрестноточных рекуперативных теплообменников // Техника в сельском хозяйстве, 2007. №4. С.9-11.

2. Лебедев Д.П., Шаталов М.П. Теплообменное оборудование из полимеров в системах обогрева и вентиляции животноводческих помещений. // Научно-технический прогресс в области механизации, электрификации и автоматизации сельского хозяйства. Материалы Международной научно-практической конференции. Т. 2. - Минск. 2002. С. 192 - 193.

3. Лебедев Д.П., Шаталов М.П. Рекуперативные теплообменники для сельскохозяйственного производства. Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 3-й Международной научно-технической конференции. Часть 3. Энергосберегающие технологии в животноводстве и стационарной энергетике. - М. 2003. С. 340 - 345.

4. Лебедев Д.П., Шаталов М.П. Исследование устройства для микроклимата с перекрестноточным теплообменником из полимера. Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 4-й Международной научно-технической конференции. Часть 3. Энергосберегающие технологии в животноводстве и стационарной энергетике. - М. 2004. С. 54-56.

5. Лебедев Д.П., Шаталов М.П. Энергосберегающие установки утилизации сбросного тепла в децентрализованных системах обогрева животноводческих помещений. Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 5-й Международной научно-технической конференции. Часть 3. Энергосберегающие технологии в животноводстве и стационарной энергетике. -М. 2006. С. 48-51.

6. Лебедев Д.П., Шаталов М.П., Пенкин A.A. Исследование устройства для микроклимата с перекрестноточным теплообменником из полимера. //Тезисы IV Международной конференции. Проблемы промышленной теплотехники. (26-30 сентября 2005 г.). - Киев, 2005. С.179-180.

7. Лебедев Д.П., Шаталов М.П. Утилизация тепла с помощью перекрестноточного рекуперативного полимерного теплообменника. //Тезисы V Международной конференции (май 2007 г). - Киев, 2007. С.158-159.

8. Лебедев Д.П., Шаталов М.П., Самсонова Е.А. Установки утилизации сбросного тепла при пониженных температурах приточного воздуха. Материалы международной научно-технической конференции «Перспективы и направления развития энергетики АПК» (22-23 ноября 2007 г.) - Минск, 2007. - С.34-36.

9. Лебедев Д.П., Шаталов М.П. Энергосберегающая теплоутилизация сбросного тепла производственных помещений при пониженных температурах приточного воздуха. Труды 6-й Международной научно-технической конференции. Часть 3. Энергосберегающие технологии в животноводстве и стационарной энергетике. -М. ГНУ ВИЭСХ. 2008. С.212-217.

10. Лебедев Д.П., Шаталов М.П. Тепло-массообмен в теплоутилизационной установке. // Тезисы XXV Международной конференции "UKR-POVER 2009 "Комплексное решение проблем энергосбережения в промышленной и коммунальной энергетике" (23 -27 июня 2009 г.). -Ялта, 2009. С.159-161.

11. Лебедев Д.П., Шаталов М.П. Тепло-массообмен в теплоутилизационной установке. Труды 7-й Международной научно-технической конференции. Часть 3. Энергосберегающие технологии в животноводстве и стационарной энергетике. - М. ГНУ ВИЭСХ. 2010.

12. Патент РФ 2249776. Способ изготовления теплообменников из полимеров. /Лебедев Д.П., Пенкин A.A., Шаталов М.П. // Б.И. 2005. №10.

13. Патент РФ № 2219764 Установка для организации микроклимата в сельскохозяйственном помещении. / Лебедев Д.П., Пенкин A.A., Шаталов М.П. //Б.И. 2003. №36.

14. Патент РФ № 2326528 Установка для утилизации сбросного тепла животноводческих помещений при отрицательных температурах приточного воздуха. /Лебедев Д.П., Шаталов М.П. // Б.И. 2008.

15. Заявка на патент № 2007106025/12 (006547). Установка для утилизации сбросного тепла при отрицательных температурах приточного воздуха. /Лебедев Д.П., Шаталов М.П.

Подписано к печати: 18.05.10 Заказ №2561710 Тираж 100 экз. Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г.Москва, пр-т Вернадского, 39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru

1. Вентиляционные установки для утилизации сбросного тепла сельскохозяйственных помещений.

1.1. Теплообменники с неметаллическими поверхностями теплообмена.

Выводы по 1 главе.

2. Теоретические исследования пластинчатых теплообменников на базе полимеров.

2.1. Составление теплового баланса пластинчатых теплообменников на базе полимеров.

2.2. Составление теплового баланса пластинчатых теплообменников на базе полимеров с конденсацией влаги на теплообменных поверхностях.

2.3. Теплотехнические и прочностные характеристики полимеров для перекрестноточных теплообменников, работающих в агрессивных средах.

2.4. Методика теплотехнических исследований установки утилизатора сбросного тепла животноводческих помещений.

2.5. Исследования аэродинамических и температурных характеристик полимерного теплообменника при различных конструкциях входного канала.

Выводы по 2-ой главе.

3. Исследование перекрестноточных рекуперативных полимерных теплообменников при отрицательных температурах.

3.1. Исследования конденсатообразования и тепло-массообмена в полимерном перекрестноточном теплообменнике О^^О.

3.2. Обмерзание рабочих поверхностей теплообменника (1:ст< 1^).

3.3. Установка утилизации тепла с автономным зональным нагревателем.

3.3.1. Определение мощности электрического автономного зонального нагревателя.

3.3.2. Расчет газового рекуперативного теплообменника-догревателя приточного воздуха.

Выводы по 3 главе.

4. Исследование промышленной установки с утилизацией сбросного тепла на базе полимерного теплообменника в натурных условиях.

4.1. Тепловой баланс теплоутилизационной установки в реальных условиях.

4.2. Эксплуатационные испытания теплоутилизационной установки.

Выводы по 4 главе.

5. Технико-экономическое обоснование применения вентиляционной установки с полимерным теплообменником.

Выводы по 5 главе.

Разработка тепловентиляционных установок с утилизацией сбросного тепла животноводческих помещений при условии низких наружных температур требует специального блочно-модульного оборудования. Такие установки в системах микроклимата подогревают чистый приточный воздух до нормируемых температур и удаляют из животноводческого помещения загрязненный воздух.

Доля затрат на создание оптимального микроклимата в животноводческих помещениях составляет 40-80 % от общих затрат энергии при централизованной системе теплоснабжения с помощью вторичного теплоносителя - воды. Суммарные тепловые потери в центральной котельной и на теплотрассах достигают 40 % от исходной энергии сгораемого газа. При этом для уменьшения непроизводственных теплопотерь животноводческие объекты переводят на децентрализованные системы теплоснабжения и микроклимата.

Использование в децентрализованных системах тепловентиляционных установок с утилизацией сбросного тепла увеличивает экономию тепла до 4060 %.

1. Вентиляционные установки для утилизации сбросного тепла сельскохозяйственных помещений

Децентрализованные системы ИК-обогрева и микроклимата животноводческих и птицеводческих помещений были разработаны Бородиным И.Ф., Дубровиным A.B., Лебедевым Д.П., Лямцовым А.К., Расстригиным В.Н., Тихомировым Д.А.

Животноводство является одним из основных потребителей в сельском хозяйстве. Фермы для содержания крупного рогатого скота являются основными потребителями энергии в животноводстве, а на их долю приходится 51,5% от общего электропотребления в отрасли.

Для удаления вредностей, образующихся в животноводческих помещениях, на вентиляцию расходуется около 2 млрд. кВт-ч электроэнергии

•у в год, на обогрев помещений идет 1,8 млрд. кВт-ч, 0,6 млн. м природного газа, 1,3 млн. т. жидкого и 1,7 млн. т. твердого топлива. Ежегодно из о помещений животноводческих ферм отрасли требуется удалить 166 млрд. м водяных паров, 39 млрд. м3 углекислого газа, 1,8 млрд. м3 аммиака, 700 м3 сероводорода, 82 тыс. т. пыли и патогенной микрофлоры [88].

Актуальность темы подтверждается тем, что она выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР ВИЭСХ в рамках фундаментальных и приоритетных прикладных исследований Россельхозакадемии на 2000^-2006 г, 2006-К2010 г. по разделу 99 механизация и автоматизация «Разработать высокоэффективные машинные технологии нового поколения для производства конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции, энергетического обеспечения технического сервиса сельского хозяйства».

Распоряжением Правительства России на период до 2020 г. № 1234-р опубликовано «Об утверждении Энергетической стратегии России на период до 2020 года». В данном документе конкретизируются цели, задачи и основные направления долгосрочной энергетической политики.

В 2009 г. ВИЭСХ разработана энергетическая стратегия сельского хозяйства России на период до 2020 года, где указывается, что в птицеводстве и животноводстве использование комбинированных технологий создания микроклимата (общего и локального) с применением газовых инфракрасных нагревателей и утилизации тепла позволяет снизить энергозатраты до 50%.

В соответствии с законом Российской Федерации от 23 ноября 2009 года № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» одним из перспективных направлений сокращения общих затрат энергии в животноводстве является применение в системах вентиляции теплоутилизационных установок.

Одним из основных направлений сокращения общих затрат энергии в животноводстве является разработка и внедрение энергосберегающего оборудования для создания и поддержания нормативного микроклимата, удаления аммиака, углекислого газа, пыли и патогенной микрофлоры.

Одно из важных направлений экономии энергоресурсов в животноводстве - утилизация тепла, содержащегося в воздухе животноводческих помещений.

Тепловыделения животных составляют около 4,3 млн. т. у. т. в год, причем 0,3 млн. т. образуется летом и должно быть удалено посредством вентиляции, а теплота, эквивалентная 4 млн. т. у. т. получается в холодный и переходный периоды года и может быть использована на обогрев помещений.

Степень покрытия дефицита мощности на обогрев животноводческих помещений с помощью теплоутилизации зависит от их назначения и климатических условий. В северных районах нашей страны для коровников этот дефицит может быть покрыт на 40-50%, т.е. использование теплоутилизаторов представляет собой значительный источник сокращения затрат электроэнергии на теплоснабжение животноводческих помещений [88].

Таким образом, исследования и разработка теплоутилизационного оборудования для обогрева животноводческих помещений при поддержании нормируемых параметров микроклимата и удаление аммиака в условиях низкотемпературных климатических зон является актуальной современной задачей.

В данной главе рассматриваются только установки, использующие для теплообмена между вытяжным и приточным воздухом неметаллические и полимерные материалы.

В начале обзорной главы рассматриваются типы установок с утилизацией тепла.

Международная фирма РпуеЩ (Фривент) классифицировала установки с утилизацией тепла для вентиляции и кондиционирования производственных и административных помещений.

Установки для теплоутипизации сбросного тепла включают четыре системы.

Система теплоутилизатора Фривент, рис. 1.1. Теплоутилизатор Фривент является теплообменником воздух-воздух, устанавливаемым в системах вентиляции и кондиционирования.

Рис. 1.1. Схема вентиляционной установки с теплоутилизатором РпуеЩ. А - теплообменник-теплоутилизатор, В - воздушный фильтр, С - догреватель

Утилизация тепла происходит с помощью регенеративного теплообменника. В спиральном корпусе с двумя всасывающими и двумя выпускными отверстиями и рабочим колесом из пористого материала одновременно производится перемещение наружного и вытяжного воздуха и обмен тепла. Рабочее колесо вентилятора служит при этом для передачи тепла. в А С

Фривент дает возможность одновременно перемещать вытяжной и приточный воздух и утилизировать тепло одним вентилятором при низких расходах энергии (не требуется дополнительных вентиляторов и агрегатов).

Возможность замерзания вентилятора-теплоутилизатора в системе исключена. Энталышйный КПД установки составляет 44 %. На рис. 1.2 представлен процесс утилизации тепла для схемы рис. 1.1 в соответствии с характерными начальными параметрами приточного и вытяжного воздуха.

Рис. 1.2. Процесс утилизации тепла в 1-е! диаграмме для теплообменникаутилизатора Фривент теплообменником. А - теплообменник-теплоутилизатор, В - воздушный фильтр, С - догреватель, Б - приточный вентилятор, Е - вытяжной вентилятор, И - предварительный нагреватель, О - фильтр вытяжного воздуха

В Р А С й

Е А в

Рис. 1.3. Схема вентиляционной установки с роторным

Работа роторного теплообменника, рис. 1.3 подробно рассмотрена в [5,

На рис. 1.4 представлена схема теплоутилизационной установки с перекрестноточным теплообменником.

Рис. 1.4 Схема вентиляционной установки с рекуперационным пластинчатым теплообменником перекрестного хода. А - теплообменник-теплоутилизатор, В — воздушный фильтр, С - догреватель, Б - приточный вентилятор, Е - вытяжной вентилятор, Б - предварительный нагреватель,

С - фильтр вытяжного воздуха

На рис. 1.5 показана вентиляционная установка с промежуточным теплоносителем.

Помещение

Оттека IV

Рис. 1.5. Схема вентиляционной установки с промежуточным теплоносителем. А - тепло о б м енник-тепл оу тилиз атор, В - воздушный фильтр, С - догреватель, О - приточный вентилятор, Е - вытяжной вентилятор,

Р — насос промежуточного теплоносителя, О — фильтр вытяжного воздуха

На рис. 1.6 показан процесс утилизации тепла в 1-е! диаграмме для роторного теплообменника.

Рис. 1.6. Процесс утилизации тепла в 1-е! диаграмме для роторного теплообменника

На рис. 1.7 представлен процесс утилизации тепла для систем рис. 1.4 и рис. 1.5.

40%

Рис. 1.7. Процесс утилизации тепла в I-d диаграмме для системы с пластинчатым теплообменником (рис. 1.3) и системы с промежуточным теплоносителем (рис. 1.4)

Для процессов, представленных на 1-с1 диаграммах приняты данные, характерные для систем вентиляции и кондиционирования производственных помещений:

1) Наружный воздух и = -10 °С, ф1 = 90 %, <11 = 1,4 г/кг, II = 6,25 кДж/кг

2) Приточный воздух после теплоутилизации

3) Воздух в помещении tз = +20 °С, <р3: 40 %, с!з = 5,3 г/кг, 13 = 34,16 кДж/кг

4) Удаляемый охлажденный воздух Изменение энтальпии в различных системах:

Д1макс = 40,83 кДж/кг Система рис. 1.1 А1 = 12,5 + 6,25 = 18,75 кДж/кг

Система рис. 1.3 Д1 = 26,66 + 6,25 = 32,91 кДж/кг

Системы рис. 1.4, рис. 1.5 Д1 = 11,66 + 6,25 = 17,91 кДж/кг КПД энтальпии т^ = Д1/Д1макс: Система рис. 1.1 ^ = 18,75/40,83 = 0,46

Система рис. 1.3 щ = 32,91/40,83 = 0,80

Системы рис. 1.4, рис. 1.5 тц = 17,91/40,83 = 0,44

Анализ систем утилизации показывает, что они должны отличаться от систем утилизации сбросного тепла сельскохозяйственных (животноводческих и птицеводческих) помещений. Это прежде всего связано с большой влажностью, повышенным содержанием ИНз, СО, НгБ и др., а также микрофлорой в воздухе помещения.

С учетом этих особенностей могут быть использованы системы рис. 1.3 и рис. 1.4 при разработке конструкций теплообменных аппаратов, соответствующих условиям сельскохозяйственного помещения и работе при низких температурах в холодных климатических зонах России.

Система рис. 1.5 может быть реализована с помощью тепловых труб, являющихся достаточно сложными и дорогостоящими теплообменными устройствами [6, 12, 13, 14].

Общие выводы

1. Одним из направлений существенного сокращения общих затрат потребляемой энергии в сельскохозяйственных помещениях является применение в системах вентиляции установок утилизации сбросного тепла. Однако, такие установки не нашли широкого применершя вследствие: возможного замораживания влаги из вытяжного воздуха на теплообменных поверхностях; активной коррозии металлических поверхностей теплообмена и значительной стоимостью теплообменного оборудования.

2. Предложена технорабочая схема теплоутилизационной установки (патенты РФ № 2219764 и № 2326528) с перекрестноточным теплообменником из полимера, выполненного по новой технологии (патент № 2249776).

3. Разработана методика расчета пластинчатого перекрестиоточного полимерного теплообменника при условии отсутствия и наличия конденсации влаги из вытяжного воздуха на рабочих поверхностях теплообмена. Разработаны алгоритмы программы теплотехнического расчета утилизаторов сбросного тепла с учетом конденсации влаги в полимерном теплообменнике.

4. На основании предложенной методики определены коэффициенты теплоотдачи в каналах полимерного теплообменника без конденсации влаги а2 = 16,6 Вт/(м -К) и в другом случае по влажному воздуху авл = л

133,6 Вт/(м -К). Установлено, что конденсация и дальнейшее замораживание влаги начинается в зоне «холодного угла» перекрестноточного теплообменника и далее распространяется на всю поверхность теплообмена. Предложена и запатентована система автономного локального нагревателя, исключающего процесс замораживания влаги в теплообменнике при температурах ниже температур замораживания.

5. В результате экспериментальных исследований газодинамики и теплообмена теплоутилизационной установки в лабораторных и хозяйственных условиях (ГУП «Красная Пойма») в течение 4 лет при температурах наружного воздуха -5 -25 °С тепловая мощность полимерного теплообменника достигала 10,5 кВт, а температурный КПД теплоутилизационной установки соответствовал 55 %.

6. Предложенная теплоутилизационная установка обеспечивает до 55 % экономии тепла. Экономический эффект по методу приведенных затрат от внедрения теплоутилизационной установки с полимерным теплообменником по сравнению с установкой с теплообменником из алюминия, имеющим такие же габаритные характеристики составил 69000 руб./год в ценах 2009 г. на одну вентиляционную установку. Ресурс работы алюминиевого теплообменника ввиду низкой коррозионной стойкости соответствует 4,5 годам, за этот же период полимерный теплообменник сохранил все свои теплотехнические и прочностные характеристики.

1. Власов П.Ф. Экспериментальное исследование теплообмена и условий возникновения устойчивой конденсации водяного пара: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.01.12 Ленинград, 1968. — 37 с.

2. Сапронов А.Г. Экспериментальное исследование теплоотдачи при конденсации пара на поверхностях графитовых теплообменников: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.01.12 — Новочеркасск, 1969. 32 с.

3. Явнель Б.К. Исследование влияния инея на теплоотдачу в воздухоохладителях: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.01.12 -Ленинград, 1970. 35 с.

4. Журавлева И.Н. Исследование теплопередачи и гидравлического сопротивления пластинчато-ребристых теплообменников: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.01.12 Москва, 1967. - 33 с.

5. Кокорин О.Я. Установки кондиционирования воздуха. — М.: Машиностроение, 1978. — 264 с.

6. Кирилов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). -М.: Энергоатомиздат, 1990. 358 с.

7. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. — М.: Машиностроение, 1989. 368 с.

8. Воробьев В.А. Основы технологии строительных материалов из пластических масс. М.: Высш. шк., 1975. - 280 с.

9. Теплостойкие пластмассы: Справочник / Назаров Г.И., Сушкин В.В., -М.: Машиностроение, 1980. 192 с.

10. Кардашов Д.А. Конструкционные клеи. М.: Химия, 1980. — 288 с.

11. Полиграфические материалы: Словарь-справочник / Березин Б.И., -М.: Книга, 1978.-336 с.

12. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник под ред. Григорьева В.А., Зорина В.М., кн. 4. М.: Энергоатомиздат, 1991.- 552 с.

13. Карпис Е.Е. Энергосбережение в системах кондиционирования воздуха. М.: Стройиздат, 1986. — 286 с.

14. Богуславский Л.Д. Снижение расхода энергии при работе систем отопления и вентиляции. — М.: Стройиздат, 1985. — 336 с.

15. Методические рекомендации по расчету и применению системы микроклимата в ж/в помещениях с использованием теплоутилизационного оборудования. М.: ВИЭСХ, 1988. — 64 с.

16. Раяк М.Б. Рекуперативные теплоутилизаторы для естественной вентиляции животноводческих помещений // Водоснабжение и санитарная техника. 1985. — №2. - С. 24-26.

17. Цыбикдоржиев В.И., Расстригин В.Н., Быстрицкий Д-Н. Рекуперативные теплообменники на фермах Сибири // Механизация и электрофикация сельского хозяйства. — 1983. — №2. — С. 15—17.

18. Янцен В.К. О возможностях применения рекуперативных теплообменников в системах вентиляции животноводческих помещений // Механизация и электрофикация сельского хозяйства. — 1983.-№2.-С. 19-21.

19. Новиченок Л.Н., Шульман Э.П. Теплофизические свойства полимеров. — М.: Наука и техника, 1971. — 120 с.

20. Барановский Н.Б., Коваленко Л.М., Ястребенецкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники. — М.: Машиностроение, 1973. 288 с.

21. Буковская О.И., Коздоба Л.А. Методика и расчет динамических характеристик теплообменных устройств // Пром. теплотехника. — 1995.-т. 17.-№ 1-3.- С. 70-79.

22. Коздоба JI.A. Динамические характеристики пластинчатого аппарата с перекрестным током // Пром. теплотехника. 1995. — т.17. — №5. — С. 35-41.

23. Конструкционные пластмассы: Справочник / Назаров Г.И., Сушкин

24. B.В., Дмитриевская JI.B., — М.: Машиностроение, 1973. 192 с.

25. Основы энергосбережения в вопросах теплообмена. Фокин В.М., Бойков Г.П., Видин Ю.В. М.: Машиностроение, 2005. - 192 с.

26. Задачник по процессам тепломассообмена: Учеб. пособие для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1986. 144 с.

27. Вишневский Е.П. Особенности обеспечения эффективной работы пластинчатых теплообменников рекуперативного типа в суровых климатических условиях// С.О.К. 2005. - № 1 - С. 22 - 29.

28. Иванов B.C. Утилизаторы тепла. Снижение энергозатрат в системах вентиляции// С.О.К. 2002. - № 11 - С. 56 - 59.

29. Белоногов Н.В. Утилизация теплоты в перекрестноточных пластинчатых рекуператорах// С.О.К. 2005. - № 5 — С. 17 - 22.

30. Дискин М. Е. Эффективность рекуперации теплоты в системах вентиляции при температурах наружного воздуха ниже температуры опасности обмерзания// АВОК 2006. - № 4 - С. 11 - 13.

31. Белоногов Н.В. Эффективность пластинчатых перекрестноточных рекуператоров в системах вентиляции и кондиционирования воздуха// С.О.К. 2006. - № 8 - С. 44 - 47.

32. Анисимов С.М. Энергосбережение при утилизации тепловой энергии вентиляционных выбросов / М-лы междунар. научно-практ. конф. /Реконструкция Санкт Петербург - 2003. - СПб., 2002. - С. 5 - 6.

33. Анисимов С.М. Утилизация теплоты вытяжного воздуха в перекрестноточном рекуператоре // Инженерные системы. АВОК-Северо-Запад. 2002. - № 4 с. 17 - 19.

34. Анисимов С.М Тепломассообмен в утилизаторе теплоты вытяжного воздуха // Изв. вузов. Стр-во. — 2002. — С. 15 17.

35. Гольдман А. Д. Прогнозирование деформационно-прочностных;: свойств полимерных и композиционных:материалов. — Л.: Химия, 1988.-272 с.

36. ГОСТ 9.902-81. ЕСЗКЗ. Материалы полимерные. Методы ускоренных испытаний на коррозионную агрессивность. — М.: Изд. стандартов, 1987.

37. ГОСТ 17035-86. Пластмассы. Методы определения толщины пленок и листов. — М.: Изд. стандартов, 1987.

38. ГОСТ 12020-72. Пластмассы. Методы определения стойкости к воздействию химических сред. М.: Изд. стандартов.

39. Мамин В.Н., Громов А.Н., Григорьев В.П. Дефектность и эксплуатационные свойства полимерных материалов. Л.: Химия, 1986.- 182 с.

40. Нацнельсон М.Ю., Балаев Г.А. Полимерные материалы: Справочник. -М: Химия, 1982.-317 с.45.