автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Система двухступенчатой утилизации энергии вытяжного воздуха с использованием обращенной тепловой машины

На правах рукописи

КОЛЮНОВ ОЛЕГ АНДРЕЕВИЧ

СИСТЕМА ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ УТИЛИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ ВЫТЯЖНОГО ВОЗДУХА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБРАЩЕННОЙ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2004

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - доктор технических наук, профессор ИВАНОВ ОЛЕГ ПЕТРОВИЧ

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук,

СУЛИН АЛЕКСАНДР БОРИСОВИЧ кандидат технических наук, ШИРЯЕВ ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - КОМПАНИЯ «ЕВРОКЛИМАТ», г. Москва

«//» ЫЩ 2004 г. в ого совета Д "1X2 234.01 при Санкт-Петерб

Защита состоится « // » пРчО//¿л,_ 2004 г. в ! / часов на

заседании диссертационного совета Д "¿Х2 234.01 при Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д.9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан«//» 2004 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профеобор

имофеевский Л С

72005-4 12389

1 .ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последние годы значительное внимание уделяется проблемам энергосбережения во всех областях деятельности человека. Разумное использование энергии является эффективным и наилучшим способом защиты окружающей среды. Возрастающая потребность в жилой площади и необходимость надёжно изолировать помещения приводят к тому, что одна треть от общего энергопотребления используется для отопления и охлаждения помещений. Приблизительно три четверти энергии, расходуемой в быту, расходуются для обогрева жилья.

На российском рынке имеется большой выбор импоршого оборудования, позволяющего решать вопросы экономного потребления энергии системами отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВК). Однако зарубежные аппараты зачастую не приспособлены к климатическим условиям северо-запада России.

Поэтому стало необходимым разработать методику расчёта различных теплообменных аппаратов и устройств, позволяющую оценить эффективность их использования при температурах наружного воздуха ниже -10 С и создать систему, использующую теплоту воздуха, удаляемого из помещения.

Помимо этого, в тёплый период года используется то же самое оборудование, что и в холодный, поэтому не требуется дополнительных капитальных затрат.

Имеющиеся в настоящее время методики в основном рекомендуют подбирать холодильное оборудование исходя из условий тёплого периода года и, при необходимости, использовать его для обогрева помещений в холодный период года. Однако, это же оборудование, по мнению авторов этих методик, может быть использовано для обогрева помещений в холодный период года по обратной схеме.

Так как климат большинства европейских стран в холодный период года более тёплый, чем в нашем регионе, то эти методики не могут быть использованы для расчёта систем ОВК в условиях их работы на Северо-западе России (гт. Москва, Санкт-Петербург), и поэтому они требуют существенной корректировки.

В работе проведено исследование процессов переноса теплоты в пластинчатых рекуперативных теплообменных аппаратах, работоспособных при низких температурах наружного воздуха. Результаты этих экспериментов и общая методика расчёта устройств позволили создать компьютерную программу, которую можно использовать при подборе оборудования систем кондиционирования и жизнеобеспечения для районов Северо-запада РФ.

Цель и задачи исследования. Основная цель данной диссертационной работы - разработка комплексной методики расчёта систем воздушного отопления с двухступенчатой утилизацией теплоты вентвыбросов на базе обращенной тепловой машины (ОТМ) в системе '^{^дайпастинчатого рекуперативного теплообменного апЦар^й" '¿^¡атЕКЛозд^-воздух»,

позволяющей определять теплотехнические параметры входящих в систему элементов.

Методика позволяет укомплектовать ОТМ в соответствии с условиями эксплуатации.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

- проанализировать существующие конструкции утилизаторов теплоты исследуемого типа, их достоинства и недостатки;

- провести экспериментальные исследования для определения характеристик теплообменных поверхностей с различными формами рельефа Оладкий и облунённый) при скоростях воздуха, характерных для систем ОВК.

- разработать алгоритм, позволяющий рассчитав параметры аппаратов ОТМ в компоновке с пластинчатым теплообменником-утилизаюром теплоты предложенной автором конструкции;

- согласно этому алгоритму написать программу машинного расчёта и подбора аппаратов, имея в виду, что она должна быть простой в использовании и иметь необходимое количество степеней свободы в части изменения режимных параметров.

Научная новизна. Получены и обобщены новые данные по теплообмену и аэродинамическому сопротивлению при движении воздуха в гладких и профилированных щелевых каналах.

Практическая ценность. На основании полученных новых экспериментальных данных предложена конструкция пластинчатого теплообменного аппарата, использованная в качестве первой ступени установки утилизации теплоты вентвыбросов.

Разработан обобщённый алгоритм автоматизированного проектирования систем воздушного отопления с двухступенчатой установкой утилизации теплоты удаляемого воздуха на базе обращённой тепловой машины в системе ВОК.

Разработана методика расчёта теплообменных аппаратов на различные режимы эксплуатации.

Предлагаемое методическое и программное обеспечение позволяет осуществлять оптимальное проектирование кругло! одичной системы кондиционирования на базе обращённой тепловой машины, работающей в режимах отопления и охлаждения.

Методика позволяет подбирать теплотехнические параметры теплообменных аппаратов для систем ОВК.

Достоверность полученных результатов. Представленный в работе сопоставительный анализ результатов исследования с литературными и экспериментальными данными подтверждает достоверность полученных результатов. Экспериментальные исследования специального профиля теплообменной поверхности проводилось на созданном для этой цели стенде при скоростях движения рабочей среды, характерной для систем вентиляции и кондиционирования.

Внедрение. Результаты работы включены в спецкурс в соответствии с программой подготовки магистров наук в СПбГУНиПТ и успешно

применены фирмами «ДАК» и «КОРФУ» при разработке систем ОВК для объектов северо-западного региона России..

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены, обсуждены и одобрены в ходе научно-технических конференций, а также на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов СПбГУНиПТ. Основное содержание диссертации изложено в трёх публикациях.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложений и содержит 123 страницы основного машинописного текста, 19 таблиц и 44 рисунка. Список литературы включает 82 источника, из них 71 на русском языке и 11 на иностранных языках.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Везде, где предусматривается принудительная механическая вентиляция, имеется возможность тем или иным способом утилизировать тепловой потенциал вытяжного воздуха. Особенно утилизация экономически оправдана в регионах с низкой средней температурой наружного воздуха.

Один из вариантов системы двухступенчатой утилизации теплоты удаляемого из помещения воздуха состоит из двух последовательно соединённых элементов: рекуперативного пластинчатого теплообменного аппарата и обращенной тепловой машины (ОТМ) тина «воздух-воздух», работающей на системы отопления и охлаждения. На рис.1 представлена работа исследуемой системы в холодный период года.

Рис.1. Одна из возможных систем двухступенчатой утилизации теплоты вытяжного воздуха

У- утилизатор; В11- вентилятор приточный; ВВ- вентилятор вытяжной

Для анализа первой ступени были исследованы технические характеристики теготообменных аппаратов различных фирм с целью создания, в дальнейшем, утилизатора повышенной эффективности и работоспособности. Анализ показал, что тенлообменные поверхности «фирменных» аппаратов («\Уо1&>, «НоуаЬ, «Яетпак») имеют выштамповют различной формы, заметно ухудшающие аэродинамические характеристики теплообменника

Были рассмотрены различные рельефы поверхности, и, в качестве перспективного направления для дальнейших исследований, была выбрана форма в виде сферических лунок малой глубины Проанализировав литературные данные, выбран размер лунок (диаметр 6 мм, глубина 0,4 мм) и сделан вывод о целесообразности применения такого рельефа в рассматриваемых аппаратах систем вентиляции и кондиционирования

Создан экспериментальный стенд (ряс.2), позволивший провести исследование процессов теплообмена и аэродинамики в плоских каналах с «облунённой» поверхностью.

Ч I --^

6 \7

Рис.2. Принципиальная схема экспериментального стенда 1 - вентилятор; 2 - участок стабилизации; 3 - входной участок; 4 - теплообменная пластина; 5 - термопары; 6 - рабочий участок, 7 - выходной участок; 8 - анемометр

Сравнение гладкого и «облунённого» каналов показало, что при одной и той же скорости движения воздуха наблюдается рост коэффициента теплоотдачи без заметного увеличения аэродинамического сопротивления (рис.3,4).

56 -50 45 40

35 30 -25 -20

15 -I-,

0 1

Рис.3. Зависимость коэффициента теплоотдачи в рабочем участке от скорости движения воздуха для каналов с различными формами теплообмееттой поверхности

Образующиеся в лунках микровихри разрушают пристенный пограничный слой и турбулизируют поток в этой области. При этом они пе затрагивают ядро основного потока.

0123456789 10 11

Рис.4. Зависимость перепада давлений в рабочем участке от скорости движения воздуха для каналов с различными формами теплообменной

поверхности

Анализ и обобщение экспериментальных данных, позволил получить зависимости критериев Стантона и Фаннинга от критерия Рейнольдса.

-Г~ -т-г---,--1-1---1--,-,--1 и»,»|/с

23458789 10 11

Данная обработка более наглядно иллюстрирует выполнение и невыполнение аналогии между процессом переноса импульса и энергии В качестве определяющего размера был выбран эквивалентный диаметр. Уравнения имеют вид- для каналов рассмотренных выше типов

Так как исследования проводились при различных зазорах между теплообменньтми поверхностями, был введён дополнительный безразмерный симплекс (Оэкв/Ъ)0,33, учитывающий отношение эквивалентного диаметра и длины канала.

Полученные уравнения имеют вид:

- гладкий канал St = 0,079 Re,/'-2 (D/L)0'35

- облунённый канал St = 0,061 Ren"0,10 (D/L)0'35

- гладкий и облунённый канал f = 1,2 Reo"0'2 *(D/I ,)'35 (3) где 4000 < Ren < 35000 0,013 < D/L < 0,382

Из представленных на рис 5 данных по теплообмену видно, что угол наклона прямых отличается для различных форм каналов. Поэтому нельзя использовать уравнения для гладких каналов при описании каналов с лунками. Степени при критерии Рейнольдса различны. В случае гладкого канала это значение -0,2, а я случае облучённого оно составляет -0,16.

Для гладкого канала имеет место аналогия между переносом энергии и импульса, в то время как для облунённого канала эта аналогия нарушается, вероятно, из-за влияния образующихся при обтекании лунок вихрей.

0) (2

St/(D/L)

0,35

♦ гладкий канал

f/(D/L)0,35 0.24

4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 Reo

Рис.5. Зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости движения воздуха в критериальной форме

Эффект от облунения по данным других авторов исчезает при переходе в область ламинарного режима, то есть при значениях критерия Рейнольдса Rer^Re^p - 2000

На основании каталожных и экспериментальных данных проведено сравнение характеристик конструкций аппаратов с различными рельефами теплообменной поверхности Вводится величина АРпред ограничение по перепаду давлений в утилизаторе, связанное с установкой низконапорного вентилятора.

Для сопоставления теплообменных аппаратов удобнее всего выбирать безразмерные комплексы, учитывающие тсплоперенос в аппарате и его аэродинамические характеристики, например число единиц переноса энергии и число скоростных напоров в перепаде давлений. Первое (NTU) характеризует количество теплоты, переносимое в теплообменном аппарате к максимально возможному, второе (NVH) является мерой гидравлического сопротивления TOA.

NTU=-f- (8)

где

Cmm МттСр

минимальный расход воздуха, кг/'с

. (Рт-Р.

минимальный водяной эквивалент, Вт/К; M,nin-

NVH

М1

(9)

где Р„х, Р„их - давления соответственно на входе и выходе рассматриваемого потока, Па; б - площадь проходного сечения, м2.

В качестве величины, наиболее полно отражающей эффективность теплообменных аппаратов, выбрано отношение ЬГГО/МУН. Это соотношение учитывает как тепловые, так и аэродинамические характеристики аппарата (рис.6).

МЮТА/Н

1

0.9

0.8

07

06

05

04

03

02

01

0

0

X ▲

X ▲

X А

X А

♦ Vtotf

о Hoval

А гладкий канал

X облунённый канал

w Wc

9 10 11

Рис.6.Зависимость отношения ШТЩУН от скорости движения воздуха в

аппарате

На основании представленных графиков можно сделать вывод о

перспективности применения пластин, профилированных исследованными сферическими лунками.

В работе предлагается конструкция теплообменного аппарата (рис.7), использующая полученные экспериментальные данные, а также имеющая ряд особенностей, улучшающих характеристики такого утилизатора по сравнению с «фирменными» аппаратами.

Наружный пгастина отопления

■""в" Ошв комаонсата

Рис.7. Конструкция усовершенствованного утилизатора теплоты

Схема движения сред - противоток, что увеличивает время контакта между потоками удаляемого и наружного воздуха. В предыдущих разделах был проведён анализ который показал, что «фирменные» аппараты работают в режиме ламинарного течения, в то время как эффект от рельефа с облунением будет заметен только при скоростях движения воздуха свыше 6 м/с, что соответствует турбулентному режиму.

Конструкция позволяет повысить скорости движения воздуха за счёт сужения свободного сечения аппарата и увеличения его глубины, то есть, площадь теплообменной поверхности останется той же, что и в случае с теплообменными аппаратами различных фирм (Р=1с1еш). При этом аэродинамическое сопротивление будет соответствовать аппарату с гладкими поверхностями теплообмена за счёт отсутствия выштамповок, характерных для аппаратов фирм <МоИ>> и «Ноуа!». Расстояние между пластинами выбирается таким же, как и для «фирменных» утилизаторов.

Одним из достоинств усовершенствованного утилизатора является то, что он может быть встроен непосредственно в систему воздуховодов и не требует дополнительного пространства для его размещения. Высота теплообменника принимается равной высоте воздуховода, а ширина и длина варьируются в зависимости от расхода воздуха в системе. Таким образом, такой теплообменный аппарат имеет два свободных размера, в то время как

и

аппараты различных фирм либо не имеют «свободных» размеров вообще, либо имеют только один

Одной из главных проблем, связанных с эксплуатацией пластинчатых утилизаторов теплоты в СКВ, является обмерзание тсплообменных поверхностей при температурах воздуха ниже 0°С, что характерно для климатических условий г. Санкт-Петербурга в холодный период года. Это происходит из-за наличия влаги в воздухе, удаляемом из помещения.

В данном случае применены следующие технические решения, позволяющие частично решить данную проблему

- пластины аппарата были установлены вертикально, что позволяет каплям влаги стекать в нижнюю часть теплообменника под действием гравитационных сил. При промежуточном удалении жидкого конденсата время между оттайками утилизатора увеличивается. На расчётном режиме при расходе воздуха 4000 м3/час оно возрастёт примерно в 2,5 раза;

- внизу ТОА расположен обогреваемый поддон, выполненный таким образом, чтобы влага удалялась непосредственно после попадания в него, а не возвращалась бы обратно в аппарат с потоком воздуха;

- высота усовершенствованного аппарата меньше чем в промышленно выпускаемых теплообменниках, что сокращает время движения влаги по теплообменной поверхности, и, как следствие, уменьшает вероятность её уноса и замерзания на пластинах.

- теплообменник имеет уклон в сторону движения удаляемого воздуха примерно в 5°, что позволяет конденсату, оказавшемуся в поддоне, сразу уходить через сливное отверстие.

К основным достоинствам данного теплообменного аппарата следует отнести:

- экономию пространства, за счёт встраивания утилизатора непосредственно в систему воздуховодов;

- увеличение его эффективности благодаря более высоким скоростям движения потоков (переход к турбулентному режиму), специальным формам рельефа теплообменной поверхности (облунение) и использование скрытой теплоты испарения. Ограничение по скорости потока снижает уровень шума до допустимого по санитарным нормам;

- возможность изменения глубины и ширины теплообменного аппарата в зависимости от расходов воздуха;

- снижение опасности обмерзания, из-за своевременного удаления конденсата с поверхности.

Для анализа второй ступени, разработаны методика и алгоритм расчёта обращённой тепловой машины (ОТМ). Алгоритм включает в себя определение характеристик теплообменника-утилизатора и параметров внутреннего и наружного блоков (рис.8).

Алгоритм условно разделён на блоки: расчёт «фирменного» аппарата, расчёт усовершенствованной конструкции теплообменного аппарата, расчёт точек цикла и аппаратов обращенной тепловой машины.

Рис 8. Алгоритм расчёта системы

В конце накладываются некоторые ограничения, позволяющие корректно определять параметры всех входящих в систему двухступенчатой

утилизации элементов Они связаны со скоростями движения воздуха в каналах, длиной усовершенствованного канала и перепаде давления в аппаратах.

В результате расчётов по предложенной методике и анализа, было отмечено следующее:

1. Основные энергетические потери в установке связаны с процессами теплопередачи в конденсаторе и испарителе.

2. Эффективность ОТМ существенно зависит от разности температур, в пределах которых осуществляется цикл Так, для условий Санкт-Петербурга расчетная температура наружного воздуха составляет -26°С температура воздуха, подаваемого в помещение, принята равной +35°С. Отсюда следует целесообразность использования утилизации потенциала удаляемого из помещения воздуха (1-я ступень утилизации).

3. Использование утилизации связано с дополнительными затратами на привод вентилятора утилизатора.

4. В связи с вышеприведенными пунктами целесообразно исследовать использование интенсифицированных поверхностей теплообмена: как в теплообменнике - утилизаторе, так и в аппаратах ОТМ.

5. Для того чтобы решить задачу оптимизации размеров теплообменников обращенной тепловой машины для условий эксплуатации в Северо-Западном регионе, целесообразно проводить расчеты, согласно приведённой методике. Для этого разработана математическая модель 2-х ступенчатой системы утилизации (пластинчатый утилизатор и парокомпрессионная ОТМ типа "воздух-воздух").

Приведённый выше алгоритм заложен в основу разработанной компьютерной программы, позволяющей изготовителю (проектировщику) подобрать необходимое теплообменное оборудование для систем вентиляции и кондиционирования, исходя из конкретных условий работы и требований заказчика.

Программа позволяет производить расчет элементов системы утилизации на различных режимах эксплуатации, используя разработанную методику. В качестве примера приведен расчёт характеристик оборудования на режиме, характерном для климата Санкт-Петербурга Результаты отражены на рис. 9-Н2.

воздуха

Рис.10. Зависимость мощности компрессора от температуры наружного

воздуха

Рис.11. Зависимость коэффициента преобразования теплоты без учёта мощности вентилятора утилизатора от температуры наружного воздуха

Рис.12. Зависимость коэффициента преобразования теплоты с учётом мощности вентилятора утилизатора от температуры наружного воздуха

Проведён технико-экономический расчёт системы двухступенчатой утилизации теплоты удаляемого воздуха. Он показал, что срок окупаемости такой системы по сравнению с электрообогревом составит примерно два года в условиях климата города Санкт-Петербурга.

По работе были сделаны следующие выводы:

1. Показана работоспособность двухступенчатой системы утилизации теплоты вытяжного воздуха в климатических условиях Северо-запада России (г. Санкт-Петербурга).

2. В качестве первой ступени можно рекомендовать использование пластинчатого теплообменника, изготовленного на базе непрерывной ленты с нанесением на её поверхность специальной системы сферических лунок со стороны сухого потока. Показано, что в плоских каналах при использовании облунения поверхности может быть достигнута интенсификация теплообмена без заметного роста аэродинамического сопротивления аппарата.

3. Экспериментальные данные исследования для плоских щелевых каналов обобщены зависимостями вида:

81 = Стевп*(р/Ь)0-35 {= 1,2*Яео ^»(ШЬ)0'35 для гладкого канала С 0,079 п--0,2; для канала с лунками С=0,061 п=-0,16

4. Предложена усовершенствованная конструкция утилизатора теплоты воздуха (1-й ступени утилизации), удаляемого из помещения, что позволяет частично удалять жидкий конденсат до точки его замерзания в аппарате. Это достигается путём вертикального расположения теплообменных поверхностей. В качестве второй ступени утилизации использована обращенная тепловая машина (ОТМ), работающая в режиме отопления

5. Разработан алгоритм расчёта аппаратов обращенной тепловой машины (ОТМ) типа «воздух-воздух», работающей в схеме с двухступенчатой утилизацией теплоты, заложенный в основу компьютерной программы.

»19405

Программа позволяет грамотно осуществить подбор оборудования по определённым параметрам в диапазоне наружных температур от -10° до 15°С без первой ступени утилизации теплоты и от -26°С до 15 С при её наличии.

6. Произведено экономическое сравнение систем электрического обогрева с теплонасосной установкой и с различными видами пластинчатых утилизаторов теплоты. Применение ОТМ существенно повысит коэффициент преобразования энергии, а установка теплообменника-утилизатора позволит поднять его величину примерно до 3-И.

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1. Колюнов О.А., Иванов О.П. Энергосбережение в системах вентиляции и кондиционирования за счёт применения утилизации теплоты удаляемого воздуха. //Известия СПбГУНиПТ. Холодильная и криогенная техника. №1 2003 с.28-31

2. Колюнов О.А., Иванов О.П. Уточнённая методика расчёта основных аппаратов обращённой тепловой машины с учётом климатических условий работы СКВ //Известия Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий 2003. №1 с.26-27

3. Колюнов О.А. Алгоритм оптимизации теплообменных аппаратов систем кондиционирования воздуха. //Петербургские традиции хлебопечения, пивоварения, холодильного хранения и консервирования. Научно-техническая конференция молодёжи, посвящённая 300-летию Санкт-Петербурга. Научные труды. Санкт-Петербург 2003 с.50-52.

РНБ Русский фонд

2005-4 12389

Подписано к печати ею 0 4. Формат 60x80 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Печ. д 1.0 . Тираж 80 экз. Заказ № 196. .

СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9. ИПЦ СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9.

х - координата, м

А - изменение какого-либо параметра КОП - коэффициент преобразования энергии а - коэффициент конвективной теплопередачи, Вт/(м К) а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м К) 5 - толщина, м в - холодильный коэффициент к - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К) (Л- коэффициент динамической вязкости, Па с л-кпд р - плотность, кг/м т - время, час, с ш - среднелогарифмическая разность температур, °С

Величины и их выражения: Nu = 4rha/A. - критерий Нуссельта Рг = рСр/А, - критерий Прандтля Re = 4rhG/p - критерий Рейнольдса St = a /(GCP) - критерий Стентона i = St*Pr2/3 - критерий Колборна f = 2AP/(pw2) - критерий Фаннинга Индексы: е - эксергетический э - энергетический в - воздух L - жидкость R - хладагент v-nap con - секция конденсации sup — секция сбива перегрева sc - секция переохлаждения к - конденсатор от — отопление тг - теплогенератор п - помещение н - наружный вн - внутренний вх, in - вход вых, out - выход тв - теплловыделения э — энергетический ВВ - вентилятор вытяжной ВП - вентилятор приточный

ВОК - вентиляция, отопление, кондиционирование KB - кондиционирование воздуха Н - насос

НПИТ - низкопотенциальный источник теплоты

ОТМ - обращённая тепловая машина

СКВ - система кондиционирования воздуха

СВ - система вентиляции

СО - система отопления

ТН - тепловой насос

ТНУ - теплонасосная установка

ТОА - теплообменный аппарат

ТЭЦ - теплоэлектроцентраль

Оглавление

Введение

Глава 1 .Энергосбережение в системах вентиляции и кондиционирования

§1.1 .Обзор типов и конструкций утилизаторов

§ 1.2,Обзор выпускаемых теплоутилизаторов

§1.3 .Виды поверхностных интенсификаторов теплообмена

§1.4.0бмерзание пластинчатых теплообменников и методы борьбы с ним

Глава 2.Экспериментальное исследование интенсификации теплообмена и гидравлического сопротивления в плоских каналах

§2.1.Цели и задачи эксперимента

§2.2,Описание стенда. Схема измерений

§2.3.Средства измерения и приборы

§2.4,Оценка погрешности эксперимента

§2.5.Методика проведения эксперимента

§2.6.Результаты эксперимента

§2.7.Обобщение и анализ экспериментальных данных

Глава 3.Разработка конструкции утилизатора повышенной эффективности

Глава 4.Системы на базе обращенной тепловой машины

§4.1.Общие сведения о тепловых машинах

§4.2.Методика оптимизации теплообменников типа «воздух - холодильный агент» для отопительных тепловых насосов

§4.2.иОбщиеиаолросы теплопередачи

§4.2.2.Геометрия теплообменников

§4.3 .Расчёт испарителя

§4.4.Расчёт конденсатора

§4.5.Выводы

§4.6.Сравнение различных систем отопления для климатических условий

Северо-запада России

Глава 5.Разработка программы для подбора параметров теплообменных аппаратов

§5.1.Ограничения, заложенные в программе

§5.2 .Порядок работы программы

Глава б.Технико-экономическое обоснование

Кондиционирование воздуха относится к наиболее современным и технически совершенным способам создания и поддержания в помещениях условий комфорта для человека, оптимальных параметров воздушной среды для производственных процессов и обеспечения длительной сохранности различных материалов, товаров, продуктов, ценностей культуры и искусства. Кондиционирование воздуха - придание ему и автоматическое поддержание необходимых тепловлажностных качеств. При этом в отличие от общеобменной вентиляции и отопления при использовании системы кондиционирования в течение круглого года и, особенно, в теплое время в помещениях можно поддерживать любые желаемые — постоянные или изменяющиеся по программе - параметры внутреннего воздуха, независимо от наружных метеорологических условий и переменных поступлений в помещение тепла и влаги.

В соответствии со СНиП [54] «кондиционирование воздуха» -автоматическое поддержание в закрытых помещениях всех или отдельных параметров воздуха (температуры, чистоты, скорости движения и др.) с целью обеспечения, главным образом, оптимальных метеорологических условий наиболее благоприятных для самочувствия людей. В определённых условиях система кондиционирования может совмещать решение задач отопления, охлаждения и вентиляции.

Благодаря усилению изоляции улучшаются теплозащитные характеристики наружных ограждений зданий, общие тепловые оттоки (притоки) из(в) помещения путём теплопередачи уменьшаются. В то же время вклад в общий энергобаланс помещения вентиляционных «теплооттоков» (поступлений) становится настолько существенным, что использование теплового потенциала вентиляционных выбросов может оказаться экономически оправданным. Вместе с тем, бережное отношение к энергопользованию напрямую связано с экологией окружающей нас среды.

В системах кондиционирования, как правило, применяются холодильные машины для осуществления охлаждения воздуха в помещениях.

В холодный период года холодильные машины можно использовать в режиме нагрева - так называемый обращённый (теплонасосный) цикл. Для реализации этого режима необходимо обладать источником низкопотенциальной теплоты (НПИТ), который бы позволял эффективно отводить холод от испарителя холодильной машины. В конденсаторе, благодаря превращению горячего рабочего агента в жидкость, теплота конденсации отводится для нагрева воздуха в помещении.

За последние годы в России зарубежные фирмы широко распространили применение автономных кондиционеров, выполненных по раздельной схеме (сплит-системы) с наружным воздухом в качестве НПИТ. В холодный период года наружный теплообменный аппарат становится испарителем, а внутренний - конденсатором установки.

При температурах воздуха ниже 0°С показатель преобразования электроэнергии в теплоту резко снижается из-за уменьшения температуры кипения хладагента. По данным производителей [27],[30], обращенная тепловая машина (ОТМ) эффективно работает до температур наружного воздуха -10°С. Для климата северных районов России наружный воздух не может служить источником низкопотенциальной теплоты и система кондиционирования с ОТМ является неэффективной.

Для того, чтобы эта система стала энергетически целесообразной, необходимо дополнить её устройством, повышающим температурный потенциал воздуха на входе в аппараты ОТМ. Большинство фирм предлагает устанавливать в вентиляционном канале электронагреватель, который поднимет температуру наружного воздуха. Однако, прямое использование электричества на цели отопления имеет показатель преобразования энергии (КОП) равный (или меньший, с учётом мощности вентилятора) единице. Для сравнения, КОП цикла Карно примерно равен двенадцати. Потому при рассматривается возможность использования температурного потенциала вентиляционных выбросов -утилизации теплоты воздуха удаляемого из помещения. Для этого в систему вместо электронагревателя (рис.1) включают теплообменники-утилизаторы различных конструкций (см. гл.1).

Постановка задачи исследования В данной диссертационной работе рассматривается возможность круглогодичного применения системы с двухступенчатой утилизацией теплоты вентиляционных выбросов (обращенная тепловая машина и теплообменник-утилизатор) в климате г.Санкт-Петербурга (рис.2) для компенсации теплопотерь через систему вентиляции объекта. Предполагается наличие в помещении системы отопления, компенсирующей потери через ограждающие конструкции. При температурах наружного воздуха, характерных для переходного периода разрабатываемая система позволит уменьшить мощность (или отключить) основную систему отопления (СО).

Далее, в качестве расчётного, будет рассматриваться только холодный период года, как менее изученный с использованием ОТМ для Северозападного региона. В тёплый период года холодильная машина работает в обычном режиме, вырабатывая холод на нужды системы кондиционирования. В переходный период система с ОТМ даёт возможность одновременной выработке теплоты и холода, что является дополнительным преимуществом рассматриваемых систем.

На работу системы отопления существенно влияют параметры наружного климата. Для условий Северо-Западного региона, и, в частности, г. Санкт-Петербурга, за расчётные параметры согласно СНиП [55] принимаются: температура в холодный период -26°С, средняя температура за отопительный период -2,2°С и продолжительность отопительного периода 219 суток.

Необходимость создания такой системы связана с тем, что при температурах ниже -10°С эффективность ТНУ снижается до значений эффективности прямого электрообогрева. Поэтому к холодильной машине предлагается добавить теплообменник-утилизатор, который повышает температурный потенциал воздуха на входе в теплонасную установку. Одновременно с этим улучшается экологическая ситуация (отсутствие "парникового эффекта"). t=21 С

Рис.1. Система кондиционирования с использованием электрического воздухонагревателя

Рис.2. Система кондиционирования с двухступенчатой утилизацией теплоты удаляемого воздуха где Эл.н - электрический воздухонагреватель (ТЭН); У- утилизатор; ВП -вентилятор приточный; ВВ- вентилятор вытяжной конструкций утилизаторов теплоты, на основании которых даются рекомендации по улучшению конструкции рассматриваемых аппаратов.

Эти улучшения позволили частично решить проблему обмерзания поверхностей утилизатора при отрицательных температурах наружного воздуха, увеличить коэффициент теплоотдачи за счёт нанесения специального профиля в виде сферических углублений (доказано экспериментально), что позволило повысить общую эффективность аппарата на 15-^20%.

Разработана методика определения характеристик теплообменных аппаратов ОТМ, позволяющая проектировщикам подбирать оборудование для различных климатических условий. Данная методика заложена в компьютерную программу, которая может быть использована инженерами-проектировщиками.

В диссертационной работе проведено технико-экономическое сравнение систем с электрообогревом и с двухступенчатой утилизацией теплоты. Расчеты показывают, что при больших капитальных затратах, система с ОТМ окупится через два года. Поэтому монтаж такой системы на объектах различного назначения становится целесообразным.

Заключение и выводы по работе

1 .Показана работоспособность двухступенчатой системы утилизации теплоты вытяжного воздуха в климатических условиях Северо-запада России (г.Санкт-Петербурга).

2.В качестве первой ступени рекомендуется использование пластинчатого теплообменника, изготовленного на базе непрерывной ленты с нанесением на её поверхность специальной системы сферических лунок со стороны сухого потока. Показано, что в каналах при использовании облунения поверхности может быть достигнута интенсификация теплообмена без существенного роста аэродинамического сопротивления аппарата.

3.Экспериментальные данные исследования, выполненные в плоских щелевых каналах обобщены зависимостями вида:

St = C*ReDn*(D/L)0'35 f = l,2*Re -°'2*(D/L)0'35 для гладкого канала С=0,079 п=-0,2 для канала с лунками С=0,061 п=-0,16

4.Разработана усовершенствованная конструкция утилизатора теплоты воздуха (1-й ступени утилизации), удаляемого из помещения, что позволило частично решить вопрос обмерзания поверхностей теплообменника путём вертикального их расположения и промежуточного удаления жидкого конденсата.

В качестве второй ступени утилизации использована (ОТМ), работающая в режиме отопления.

5.Разработан алгоритм и программа расчёта аппаратов обращенной тепловой машины (ОТМ) типа «воздух-воздух», работающей в схеме с двухступенчатой утилизацией теплоты, заложенный в ренету компьютерной программы.

Программа позволяет определять параметры оборудования в диапазоне наружных температур от -10° до 15°С без первой ступени утилизации теплоты и от -26°С до 15°С при её наличии.

6.Произведено экономическое сравнение систем электрического обогрева, с теплонасосной установкой и с различными видами пластинчатых утилизаторов теплоты. Анализ показал, что как с энергетической, так и с экономической точек зрения, непосредственный электрический обогрев является наименее выгодным.

Применение ОТМ существенно повысит коэффициент преобразования теплоты, а установка теплообменника-утилизатора позволит поднять его величину примерно в 3-К3,5 раза относительно электрического обогрева.

7.Расчёт показал, что несмотря на дополнительные затраты на покупку ТО А, срок окупаемости системы с утилизатором теплоты по сравнению с электрообогревом составляет примерно два года. Расчёт были проведены для климатических условий Северо-западного региона России.

1.Ананьев В.А., Балуева Л.Н., Гальперин А.Д. и др. Системы вентиляции и кондиционирования. //Теория и практика. Учебное пособие М.: Евроклимат, издательство Арина, 2000. - 416 с.

2. Анипко Б.В. Технико-экономические предпосылки эффективного применения теплонасосных установок. Харьков.: ИПМаш, 1989. - 22 с.

3. Антикайн П.А., Аронович М.С., Бакластов A.M. Рекуперативные теплообменные аппараты. М-Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 230 с.

4. Афанасьев В.Н., Роганов П.С. Чудновский Я.П. Процессы теплоотдачи при обтекании регулярных рельефов сферических вогнутостей турбулентным потоком //Инженерно-физический журнал 1991. т.63 №1 56-62с.

5. Байрамов Р.Б. Теплонасосные установки для индивидуальных потребителей. Ашхабад.: 1984. - - 69 с.

6. Богданов С.Н., Иванов О.П., Куприянова А.В. Холодильная техника. Свойства веществ: справочник. М.: Агропромиздат, 1985. - 208 с.

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

8. Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление: Учеб. для ВУЗов. М.: Стройиздат, 1991. - 735 с.

9. Ю.Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии. М.: Издательство стандартов, 1975. - 336 с.

10. П.Быков А.В., Калинин И.М., Крузе А.С. Холодильные машины и тепловые насосы. М.: Агропромиздат, 1988. - 287 с.

11. Васильева Т.К. Применение тепловых насосов для теплоснабжения зданий.1. Киев.: 1980. 123 с.

12. Везиришилли О.Ш. Энергосберегающие теплонасосные системы тепло- и хладоснабжения. М.: Издательство МЭИ, 1994. - 156с.

13. Вишневский Е.П. Перспективные технические решения систем вентиляции бытового и производственного назначения в суровых климатических условиях. Petrospek-Центр, Москва

14. Вукалович М.П., Новиков И.И. Техническая термодинамика. М.: Энергия, 1968. - 496 с.16.3айдель А.Н. Погрешности измерений физических величин. JL: Наука, 1985.-112с.

15. П.Иванов О.П. Конденсаторы и водоохлаждающие устройства. JL: Машиностроение, 1980. -165 с.

16. Иванов О.П., Янышев А.Б. Графический способ определения предварительной длины капиллярной трубки // Инженерные системы. 2002. №1.-42-43 с.

17. Интенсификация теплообмена в испарителях холодильных машин.//Гоголин А.А., Данилова Г.Н, Азарсков В.М./ Под ред. Гоголина А.А. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. - 224 с.

18. Карпис Е.Е. Энергосбережение в системах вентиляции и кондиционирования. М.: Наука 1985. - 63 с.

19. Каст В., Кришер О., Райнике Г., Винтермантель К. Конвективный тепло- и массообмен М.: Энергия, 1980. - 49 с.

20. Каталог Проекты частных домов. Архитектурное бюро Арт-ателье выпуск 1997.

21. Каталог фирмы «Hoval» Aluminium Plate Heat Exchangers for Heat Recovery in Ventilation Systems.27. Каталог фирмы «Carrier»28.Каталог фирмы «Remak»

22. Каталог фирмы «Wolf» Кондиционеры. Документация для проектирования

23. Каталог фирмы «York» Комнатные горизонтальные тепловые насосы.

24. Кикнадзе Г.И., Краснов Ю.К., Подымако A.M., Хабенский В.Б. // Докл. АН СССР 1986. т.291 №6 -1315-1318 с.

25. Козлов А.П., Щукин А.В., Агачёв Р.С. Гидродинамические эффекты от сферических углублений на поверхности поперечно обтекаемого цилиндра «Авиационная техника» 1994. №2 Казань.

26. Кокорин О .Я. Энергосберегающие технологии функционирования систем вентиляции, отопления, кондиционирования воздуха (систем ВОК) М.: Проспект 1999. - 203 с.

27. Колюнов О.А., Иванов О.П. Энергосбережение в системах вентиляции,и кондиционирования за счёт применения утилизации теплоты удаляемого воздуха. // Известия СПбГУН и ПТ. Холодильная и криогенная техника. №1 2003. 28-31 с.

28. Крафт Г. Системы низкотемпературного отопления. М.: Стройиздат, 1983. -106 с.

29. Порядок защиты. Практическое пособие для докторантов, аспирантов и магистров. М.: Ось-89,2001. - 320 с.

30. Кэйс В.М. Лондон АЛ. Компактные теплообменники М.: 1962.

31. Мартыновский B.C. Тепловые насосы. M-JL: Госэнергоиздат, 1955. - 192 с.

32. Мартыновский B.C. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов. М.: Энергия, 1979. - 285 с.

33. Минин В.Е. Эффективные системы отопления зданий. JL: Стройиздат, 1988. -217 с.

34. Мужиливский П.М. Тепловые насосы средство экономной выработки теплоносителей. - М.: ВНИИЭЭПГ, 1986. - 63 с.

35. Михеев М.А. Основы теплопередачи. M-JL: Госэнергоиздат, 1956. 392 с. 45 .Михеев М.А. Расчётные формулы конвективного теплообмена //Известия Академии наук СССР // Энергетика и транспорт №5 1966. - 67 с.

36. Нартов И.М. Установки для трансформации тепла и процессов охлаждения. -Л.: ЛТА ЛТИЦБП, 1983. 61 с.

37. Наумов А.Л. Инженерные системы индивидуальных домов «АВОК» №1 1999.-32 с.48.0сипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена: Учеб. Пособие для ВУЗов. М.: Энергия, 1979.- 320 с.

38. Полушкин А.А. К вопросу о конвективном теплообмене в условиях внутренней задачи //Инженерно-физический журнал 1958 т.1, №2 22 с.

39. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. М.: Энергоиздат, 1982. - 220 с.

40. Сканави А.Н. Конструирование и расчет водяного и воздушного отоплениязданий. М.: Стройиздат, 1983. -304с

41. СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика / Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1983. - 136 с.

42. СНиП 2-3-79* Строительная теплотехника // Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1980. - 29 с.

43. СНиП 2.А6-72 Строительная климатология и геофизика // Госстрой СССР. -М.: Стройиздат, 1983. 136 с.

44. Соколов Е.Я. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. М.: Энергоиздат, 1981. - 320 с.

45. Справочник по теплообменникам. // в 2 т.перевод с англ. Под ред.Б.С.Петухова, В.К.Шикова М.: Энергоатомиздат 1987 560 с.

46. Таблицы термодинамических свойств газов и жидкостей. Вып. 2. -Фреон 22. М.: Издательство стандартов, 1978. - 60 с.

47. Танг Л.,Фосс Ю. Новаторские решения компании Outokumpu по теплопередаче //Инженерные системы №3 2002. -. 12 с.

48. Теоретические основы хладотехники. Часть 1. Термодинамика /Богданов С.Н., Гуйго Э.И., Данилова Г.Н. и др./: под ред.Гуйго Э.И. М.: Колос, 1994. -288 с.

49. Тепловые и конструктивные расчёты холодильных машин /Кошкин Н.Н., Стукаленко А.К., Бухарин Н.Н. и др./ под ред. Кошкина Н.Н.

50. Л.: Машиностроение, 1976. 464 с.

51. Теплофизические измерения и приборы/ Е.С. Платунов, С.Е. Буравой и др.; под общ. ред. Е.С. Платунова Л.: Машиностроение, 1986. 256 с.

52. Туркин А.В., Сорокин А.Г., Брагина О.Н., Алёшина Н.Б. Биденко Л.М., Яковлева Н.Н., Наумов М.А. Интенсификация теплообмена при помощи лунок в плоском канале при низких скоростях движения воздуха //ММФ т1., 4.1 Минск 1992. 143 с.

53. Хайнрих Г. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения. М.: Стройиздат, 1985. - 351 с.

54. Холодильные машины. Учебник для ВУЗов // Ред. Тимофеевский Л.С. СПб.: Политехника, 1997 992 с.

55. Янтовский Е.И. Парокомпрессионные теплонасосные установки. М.: Энергоатомиздат, 1982. - 125 с.

56. Литовский Е.И. Промышленные тепловые насосы. М.: Энергоиздат, 1989. -141 с.

57. Altman М, Norris R. Transactions of the American Sofiety of Mechanical Engineers. Series С Jornal of Heat Transfer. 189

58. Ambrose E.R. Heat Pumps and Electric Heating New York, John Willey 1966

59. Blundell C.J. Optimising Heat Exchangers for air-to-air Space-Heating Heat Pumps in the United Kingdom. Energy Research 1977. Vol.1,69-94 pp

60. Domanski P. Mathematical model of air-to-air heat pump equipped with a capillary tube // International Journal of refrigeration. 1984. Vol.7. №4 249-255 pp

61. Hart J The Case for Utilization of Solar Energy, ECRC Utilization Research Panel Report 1975. ENV 112

62. Heap R.D. Domestic heat pump operation. Heating and ventilating News, 1975. 18(8), 30,41

63. Martinelli R.C. Nelson D.B. Transactions of the American Society of Mechanical Engineers, 1948. 70, 695

64. McQuinston F.C., Tree D.R. Transactions of the American Society of Mechanical Engineers, 1971. Series C, Journal of Heat Transfer, 249 pp

65. Newall A.J. Residential Heat Pump Application in Britain, 1974. ECRC Report M703 Sl.Pierre B. Kylteknisk Tidskrift, 1974. 3,129 82.Yoshii T. Refrigeration, 47, 531