автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Совершенствование систем кондиционирования воздуха с использованием роторного утилизатора низкопотенциальной теплоты

На правах рукописи

ПРОКОФЬЕВ ПАВЕЛ СЕРГЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РОТОРНОГО УТИЛИЗАТОРА НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ

05.23.03 Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

2 8 НОЯ 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 2013 0055405»*

005540594

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Фокин Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гримитлин Александр Михайлович ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», профессор кафедры «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха»

кандидат технических наук, доцент

Кудрявцев Леонид Витальевич ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», заведующий кафедрой «Теплогазо-снабжение»

Ведущая организация:

ОАО «Центральный научно-исследовательский и проектно-экспериментальный институт промышленных зданий и сооружений» (ОАО ЦНИИПромзданий), г. Москва

Защита состоится 17 декабря 2013 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.01 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1 (ауд. Б203).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан « » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Пшеничкина Валерия Александровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время проблема энергосбережения является одной их приоритетных государственных задач, от решения которой во многом зависит успех экономического развития и подъема строительства в ЖКХ на основе инноваций, а также использовании новых технологий и оборудования. Наибольший потенциал по энергосбережению имеется в сфере теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха, потребляющих в настоящее время значительное количество тепловой и электрической энергии и существенно влияющих на тепловой и воздушный режим зданий различного назначения.

Современная тенденция развития систем кондиционирования воздуха в Российской Федерации заключается в повышении надежности и эффективности работы систем и аппаратов систем кондиционирования воздуха, работающих в различных температурных режимах. Решение задач энергосбережения и совершенствования систем кондиционирования воздуха с использованием энергии низкого потенциала в значительной степени зависит от применения роторных утилизаторов теплоты. Создание новых утилизаторов теплоты с использованием вращающихся регенеративных теплообменников позволяет повысить эффективность работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха.

Для реализации энергоэффективных мероприятий по использованию низкопотенциальной энергии в роторных пластинчатых теплообменниках необходим современный подход, предполагающий совместные исследования и моделирование процессов тепломассообмена, создание новых конструкций роторных утилизаторов теплоты, а также разработку и оптимизацию вариантов проектных решений по повышению надежности существующих систем кондиционирования воздуха в соответствии с действующими нормативными документами. Это также предполагает оценку технико-экономической эффективности и надежности работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха.

На этой основе автором разработаны энергоэффективные схемы роторных утилизаторов теплоты, различные компоновочные решения прямоточных и рециркуляционных систем кондиционирования воздуха, проведены

экспериментальные и промышленные испытания, а также установлены метрологические, маркетинговые и экономические параметры.

Цель работы. Повышение энергоэффективности существующих и проектируемых систем кондиционирования воздуха с использованием роторных утилизаторов низкопотенциальной теплоты.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

— анализ существующих схем утилизации в системах вентиляции и кондиционирования воздуха;

— разработка математической модели роторного утилизатора теплоты;

— обработка результатов экспериментальных исследований для последующей технико-экономической оптимизации конструкции аппарата и технологических решений;

- получение эмпирических зависимостей эффективности нагрева обрабатываемого воздуха при различных технических решениях;

- разработка методических материалов для расчета и проектирования установки нагрева наружного воздуха;

- разработка принципиальных схем компоновки систем кондиционирования воздуха с использованием роторного утилизатора теплоты. Основная идея работы состоит в разработке схем утилизации теплоты, которые позволят значительно сократить потребление высокотемпературного теплоносителя в системах вентиляции и кондиционирования воздуха и снизить тепловую мощность поверхностных воздухонагревателей первого подогрева, а во многих случаях отказаться совсем от их применения.

Методы исследования включали обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные и опытно-промышленные исследования и обработку полученных экспериментальных данных с применением программных пакетов ПЭВМ.

Достоверность результатов научных положений и выводов работы обоснована применением классических положений теории тепломассообмена, планирования экспериментов, применением метрологически аттестованных приборов и оборудования, большим объемом экспериментальных данных и подтверждением их удовлетворительной сходимости с полученными результатами экспериментов.

Научная новизна:

- проведен математический эксперимент и разработана математическая модель процесса тепло- и массопереноса в роторном утилизаторе теплоты;

- разработано устройство для нагрева и увлажнения воздуха низкопотенциальным теплоносителем (Пат. 95802, 109273);

- впервые получены аналитические зависимости эффективности роторного утилизатора теплоты от расхода теплоносителя, расхода обрабатываемого воздуха, а также частоты вращения ротора. Практическое значение работы:

- разработан и экспериментально испытан утилизатор низконотенциаль-ной теплоты, позволяющий значительно сократить потребление высокотемпературного теплоносителя в системах кондиционирования воздуха и снизить тепловую мощность поверхностных воздухонагревателей первого подогрева;

- разработаны методические основы расчета установки кондиционирования воздуха с использованием роторного утилизатора теплоты;

- разработаны принципиальные схемы компоновки систем кондиционирования воздуха с использованием роторного утилизатора теплоты, предназначенные для использования в системах кондиционирования воздуха административных, общественных зданий, торгово-развлекательных и физкультурно-оздоровительных, спортивных комплексов, учреждений здравоохранения, образования, культуры;

- впервые произведены испытания роторного утилизатора теплоты на замораживание и даны рекомендации для разработки схем автоматизации защиты от замораживания.

Реализация результатов работы:

- материалы диссертационной работы используются в ООО НИЦ «Ин-вент» при разработке проектной и рабочей документации систем вентиляции и кондиционирования воздуха;

- разработанные рекомендации по использованию разработанного утилизатора в системах вентиляции и кондиционирования воздуха приняты для использования при разработке рабочей документации на реконструкцию центральных систем кондиционирования воздуха Централь-

ного концертного зала г. Волгограда, а также при разработке рабочей документации систем вентиляции и кондиционирования воздуха Исто-рико-архитектурного и художественного музея «Новый Иерусалим», г. Москва;

- материалы диссертационной работы были использованы для реконструкция линии производства роторных утилизаторов низкопотенциальной теплоты на предприятии ООО «ТЭК»;

- результаты исследований использованы в учебном процессе кафедры «Энергоснабжение и теплотехника» ВолгГАСУ при организации научно-исследовательской работы аспирантов и студентов, в дипломном проектировании.

В качестве секций нагрева и увлажнения приточного воздуха роторные утилизаторы теплоты используют в своих центральных кондиционерах фирмы Novair (Италия),York (США) и Hidria (Словения). Основные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель роторного утилизатора теплоты и уравнения теплопередачи и теплового баланса;

- результаты экспериментальных исследований эффективности исследуемого аппарата от расхода обрабатываемого воздуха, расхода низкопотенциального теплоносителя и частоты вращения ротора;

- схемы систем кондиционирования воздуха с роторным утилизатором теплоты с использованием предподогрева, с подогревом рециркуляционного воздуха, прямоточные схемы без рециркуляции воздуха и с обводом наружного воздуха.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях ВолгГАСУ (2010-2012), а также всероссийских и международных научно-практических конференциях:

- международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур», 2010);

- XV Европейский ABOK-EHI Симпозиум «Инновационное энергоэффективное оборудование для теплоснабжения, водоснабжения и клима-тизации зданий. Актуализация нормирования и технологии зеленых

зданий», который состоялся 19 апреля 2011г. совместно с XV Международной специализированной выставкой SHK MOSCOW 2011;

- XXVIII конференция и выставка «Москва: проблемы и пути повышения энергоэффективности» (2011);

- XXIX конференции и выставке «Москва: энергоэффективный город» (2012);

- IX Ежегодный бизнес-форум «Деловой России» «Ставим на Конкуренцию!» (2013).

Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 3 публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и изданиях и 2 патента РФ.

Личный вклад соискателя: разработка методов исследований и создание экспериментальной базы, обработка и анализ полученных результатов, разработка методики инженерного расчета роторного утилизатора для использования в системах кондиционирования воздуха, участие во внедрении результатов исследований в практику проектирования.

Объем н структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов, списка используемых литературных источников и приложений. Общий объем диссертации включает 167 страниц, содержащего 9 таблиц, 53 рисунка, список используемых источников из 94 наименований и приложения на 8 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость, а также приведены данные о реализации полученных результатов.

В первой главе проведен обзор систем кондиционирования воздуха с использованием утилизации низкопотенциальной теплоты.

Использование вторичных тепловых ресурсов является одной из мер повышения эффективности систем вентиляции и кондиционирования - в России и за рубежом уделяют много внимания вопросам экономии теплоты в жилых и общественных зданиях. Причём, в Европе по материалам фирмы Jaga, одним из основных направлений исследований является использование

низкопотенциальной теплоты в системах отопления. В России в силу значительных климатических различий это направление требует тщательных исследований.

Ситуация с использованием низкопотенциальной теплоты в системах вентиляции и кондиционирования воздуха связана с опасностью замораживания воздухонагревателей в этих системах при низкой температуре теплоносителя.

Анализ проектов показывает, что в современных общественных и многофункциональных зданиях расход теплоты на вентиляцию и кондиционирование воздуха в 2-3 раза превышает расход теплоты в системах отопления. Поэтому важнейшим направлением современных исследований должны стать вопросы экономии теплоты именно в системах вентиляции и кондиционирования воздуха.

Основной причиной, препятствующей развитию этого направления, является отсутствие высокоэффективного и надёжного оборудования для нагрева воздуха с отрицательной начальной температурой низкопотенциальным теплоносителем.

Начиная со второй половины XX века основным тепломассообменным оборудованием в системах вентиляции и кондиционирования воздуха были форсуночные камеры орошения. Большую роль в развитии процессов прямого нагрева воздуха с отрицательной температурой при его контакте с распиливаемой водой сыграли исследования Баркалова Б.В., Карписа Е.Е., Участ-кина П.В. и др. К сожалению, из-за отсутствия финансирования, эти исследования не получили дальнейшего развития и были прекращены.

Недостатком разработанных схем было несовершенство конструкций камер орошения и их работы при отрицательных температурах.

За рубежом подобные исследования не проводились, так как там получили распространение только адиабатные форсуночные камеры орошения, которые, как и орошаемые насадки, можно использовать только для увлажнения воздуха. В наиболее полном на сегодня обобщении всех известных тепломассообменных аппаратов, применяемых в зарубежной технике, нет ни одного аппарата, который можно было бы использовать для прямого нагрева воздуха с отрицательной температурой низкопотенциальным теплоносителем.

Наибольшее распространение получили теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем на основе воздухонагревателей разных моделей и номеров, отдельное применение нашли роторные и рекуперативные аппараты. На рис, 1 приведена принципиальная схема воздухоприготовительного центра на основе рекуперативных теплообменников.

Рис. 1 Принципиальная схема воздухоприготовительного центра на основе рекуперативных теплообменников

Во второй главе разработана математическая модель роторного утилизатора теплоты (рис.2), приведены уравнения теплового баланса (1), теплопередачи (2) и количества теплоты (3).

а=02+де,Вт; (1)

О - кРЬТСр, Вт;. (2)

'' - - ^"-(гГ-г/}кВт. (3)

в,

-и2 -Л),кВт; О? 3600 1 2 3600

где к - коэффициент теплопередачи, Вт/м2 К; Г- площадь поверхности теплообмена, м2; Св - расход нагреваемого воздуха, кг/ч; ./[, «/2 — энтальпия воздуха на входе и на выходе из роторного утилизатора теплоты соответственно, кДж/кг; с„: - теплоемкость воды, кДж/кг-К; <5> - расход воды через теплообменник роторного утилизатора теплоты, кг/ч; ТУ, Т" - начальная и

конечная температура воды соответственно, °С; А<2 - теплопотери в окружающую среду, Вт.

Рис. 2 Расчетная модель теплового баланса роторного утилизатора теплоты

Средний температурный напор определяется исходя из математических представлений о среднем значении температуры АТ* на участке с!17\

1

АТ* = ~17 ¡АТ*с1Р*. (4)

р о

Схема изменения температур в противоточном теплообменном аппарате приведена на рис. 3.

АТ'

Рис. 3 Схема противоточного теплообменного аппарата

Среднелогарифмический температурный напор в противоточных АТ^ аппаратах определяется из соотношения:

Д7;„ = ~ АГ*

СР ' (5)

Вся поверхность роторного пластинчатого утилизатора теплоты (РПУТ) покрыта эффективной изоляцией, поэтому потерями теплоты в окружающую среду можно пренебречь.

В третьей главе дано описание исследуемого устройства для нагрева и увлажнения воздуха низкопотенциальным теплоносителем (рис. 4).

В поддоне размещен теплообменник, выполненный в виде змеевиков из стальной гофрированной гибкой тонкостенной трубы. Каждый четный ряд трубчатого змеевика теплообменника подключен к коллекторам относительно нечетного ряда со смещением, равным величине диаметра трубки змеевика. Общий вид экспериментального стенда представлен на рис. 5.

Рис. 4 Принципиальная схема роторного утилизатора теплоты

отепленная бода

\йходноО коллектор

Внутри корпуса смонтирован с возможностью вращения роторный теплообменник, состоящий из закрепленных на горизонтальном валу плоских параллельно установленных дисков. При этом вал ротора расположен выше уровня жидкости в поддоне.

Рис. 5 Фотография экспериментального стенда роторного утилизатора теплоты

Экспериментальные исследования показали, что в аппарате можно осуществлять любые политропные процессы обработки воздуха, включая процесс прямого нагрева воздуха с отрицательной температурой водой с температурой всего плюс 40...45 °С.В частности, в одной из серий опытов нагревали такой водой воздух от минус 8...20 °С до плюс 12... 16 °С. При этом какого-либо обмерзания пластин ротора и элементов корпуса не наблюдали. Ниже приведены графики, характеризующие эффективность работы РПУТ (рис. 6, 7).

В работе были проведены испытания эффективности роторного утилизаторы теплоты с различной поверхностью встроенного в поддон теплообменника, результаты которых ведены в табл. 1.

SO

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 В. кг/кг

КЗ Схема со змеевиком в Проточная схема

Рис. 6 График зависимости эффективности роторного утилизатора теплоты от расхода теплоносителя Е ~ЛВ) при V = 4,5 м/с, п ~ 15 мин"'

..............1-.........-

а— —О"-*"

—В—;

......].........д..... .....

2 4 в 8 10 12 14 16 18 л, зпю'! Є Схема со змеевиком ©Проточная схема Рис. 7 График зависимости эффективности роторного утилизатора теплоты от скорости вращения ротора Е =Лп) при В = 1,0 кг/кг, V = 4,5 м/с.

Таблица 1 - Зависимость эффективности роторного утилизатора теплоты от площади поверхности теплообменника

Площадь поверхности теплообмена, % twl, °С twi, °С Л/и,, °С Qw, кВт F, м2 Е, %

1 2 3 4 5 6 8

100 30,5 21,9 8,6 82,6 7,1 42,0

125 43,1 32,6 10,5 111,1 8,8 48,2

150 37,9 28,0 9,9 94,7 10,6 51,7

175 35,3 25,5 9,9 111,7 12,4 51,6

200 36,9 27,3 9,6 109,9 14,1 53,8

В работе приведены рекомендации по компоновке систем кондиционирования воздуха с использованием роторного утилизатора теплоты:

— прямоточная схема без рециркуляции;

— прямоточная схема с использованием предподогрева, в которой с целью снижения энергопотребления в холодный период года предусмотрена утилизация теплоты удаляемого воздуха с использованием промежуточного теплоносителя;

— схема с подогревом рециркуляционного воздуха, при которой в расчётный холодный период года кондиционер работает с постоянной рециркуляцией внутреннего воздуха;

— прямоточная схема с обводом наружного воздуха, которая была применена для конкретного объекта (концертного зала) для поддержания требуемой относительной влажности воздуха в холодный период года. В четвертой главе описаны промышленные испытания роторного утилизатора теплоты в системе кондиционирования воздуха зрительного зала Центрального концертного зала г. Волгограда.

Система теплоснабжения роторного утилизатора теплоты была запроектирована с учетом фактических параметров теплоносителя в расчетный период 90/50 °С с установкой узла регулирования с трехходовым краном. В кондиционере, обслуживающем зрительный зал, предусмотрена установка теплообменника РПУТ (рис. 8) для увлажнения приточного воздуха.

Рис. 8 Промышленная установка

Реконструкция системы кондиционирования воздуха концертного зала с использованием РПУТ позволила снизить эксплуатационные затраты и довести относительную влажность помещений до требуемых значений.

В ходе проведения опытно-промышленных исследований удалось добиться оптимального режима работы роторного утилизатора теплоты, позволяющего поддерживать заданные параметры воздуха независимо от параметров наружного воздуха. При оптимальном режиме относительная влажность в концертном зале составила 60% при параметрах наружного воздуха /„ = -20,1 °С и <р„ = 95% (рис. 9). Зависимость эффективности РГ1УТ и относительной влажности приточного воздуха от температуры наружного воздуха приведены на рис. 10.

<Р,% - 100

- 80

- 60

- 40

- 20 - 0

-25 -20 -15 -10

Температура наружного воздуха ?„, °С

Рис. 10 График зависимости относительной влажности приточного воздуха (ср, %) и эффективности работы роторного утилизатора теплоты (Е, %) от температуры наружного воздуха (¿н, °С)

Рис. 9 Процесс нагрева наружного воздуха в установке кондиционирования воздуха с использованием роторного утилизатора теплоты

ДЕ, % о

•• О

На промышленной установке были проведены испытания на замораживание роторного утилизатора теплоты, которые приведены на рис. 11, и настройка систем автоматики для предотвращения нарушения расчетного режима работы оборудования.

Полученные результаты показали, что каких-либо нарушений в последующей работе РПУТ не происходит и кратковременное замораживание опасности для аппарата не представляет.

о

с ^

34 12 10 8 б 4

"ч ..................... зона обмерзания 'як /:/мт зона оттаивания ■ /*

МИ-ШёЛ шш

« ' , >, аварийная зона (температура і оды • .,-«А™ДД?не ниже +3

3 5 7 9 И 13 15 17 19 21 23 25 27

400 360 320 280 240 200 160

<я &

&

8 Аэродинамическое сопротивление. Па г, мин

£3 Температура воды в поддоне, °С

Рис. 11 График состояния роторного утилизатора теплоты при испытании на замораживании

На основании экспериментальных и промышленных испытаний были разработаны методические основы расчета технологических параметров разработанного утилизатора.

По результатам испытаний установлена возможность реализации очень простой и надёжной схемы автоматической защиты РПУТ от замораживания по двум параметрам;

- по температуре воды в поддоне;

- по перепаду статического давления воздуха в аппарате.

В пятой главе даны метрологические характеристики проведенных экспериментов, проведены маркетинговые исследования, в которых были определены основные области применения РПУТ:

- многофункциональные здания (офисные помещения, информационные

центры, серверные);

- текстильная промышленность (перемотка нитей, ткацкое производство);

- полиграфия (печатный цех, шелкография, брошюровка);

- птицефабрики (инкубатор, курятник);

- пекарни (расстоечная камера);

- табачная промышленность (хранение табака, производство сигарет). Выполнено сравнение трех вариантов устройства системы центрального кондиционирования воздуха: с использованием форсуночной камеры орошения, орошаемых насадок и роторных утилизаторов теплоты. Внедрение роторных утилизаторов теплоты является наиболее экономически целесообразным, т.к. наблюдается более быстрый срок окупаемости (1,1 года) и индекс рентабельности составляет 1,93.

Заключение

В диссертационной работе дано решение актуальной проблемы совершенствование систем кондиционирования воздуха с использованием роторного утилизатора низкопотенциальной теплоты.

Основные выводы по работе

1. Дан анализ существующих схем утилизации в системах вентиляции и кондиционирования воздуха.

2. Разработана математическая модель роторного утилизатора теплоты и приведены уравнения теплового баланса и теплопередачи.

3. Разработано устройство для нагрева и увлажнения воздуха низкопотенциальным теплоносителем (Пат. 95802, 109273) и разработан экспериментальный стенд.

4. Проведена обработка результатов экспериментальных исследований для последующей технико-экономической оптимизации конструкции аппарата и технологических решений.

5. Впервые получены аналитические зависимости эффективности роторного утилизатора теплоты от расхода теплоносителя, расхода обрабатываемого воздуха, а также частоты вращения ротора.

6. Разработаны методические материалы для расчета и проектирования систем кондиционирования воздуха с использованием роторного утилизатора теплоты.

7. Разработаны принципиальные схемы компоновки систем кондиционирования воздуха с использованием роторного утилизатора теплоты.

8. Впервые произведено испытания роторного утилизатора теплоты на замораживание и даны рекомендации для разработки схем автоматизации защиты от замораживания.

9. Выполнено технико-экономическое сравнение, показавшее, что внедрение роторных утилизаторов теплоты является наиболее экономически целесообразным, так как наблюдается более быстрый срок окупаемости (1,1 года). Экономия высокотемпературного теплоносителя составила 86%.

10. В качестве секций нагрева и увлажнения приточного воздуха роторные утилизаторы теплоты используют в своих центральных кондиционерах фирмы Novair (Италия), York (США) и Hidria (Словения).

Условные обозначения

РПУТ - роторный пластинчатый утилизатор теплоты; t - температура воздуха по сухому термометру, °С; L - объемный расход воздуха, м3/ч; Ф - относительная влажность воздуха, %; В — коэффициент орошения, кг/кг; п - частота вращения ротора, мин"1; dP - аэродинамическое сопротивление аппарата, Па; Е - коэффициент эффективности аппарата.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях

Публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и изданиях

1. Прокофьев, П. С. Принципиальные схемы компоновки систем кондиционирования воздуха с использованием роторного утилизатора теплоты / П. С. Прокофьев // Веста. Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. - 2012. - Вып. 28 (47). - С. 156-163.

2. Прокофьев, П. С. Энергоэффективное оборудование для обработки воздуха / П. С. Прокофьев, М. Г. Тарабанов // Молочная промышленность. -2011.-№ 9-С. 13-15.

3. Прокофьев, П. С. Нагревание и увлажнение воздуха низкопотенциальным теплоносителем в системах вентиляции и кондиционирования /

П. С. Прокофьев, М. Г. Тарабанов // Вестн. Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. - 2010. - Вып. 20 (39). - С. 112-116.

Патенты

4. Пат. 95802 Российская Федерация, МПК F24F 3/14. Устройство для нагревания и увлажнения воздуха низкопотенциальным теплоносителем / Тарабанов М. Г. [и др.]. - №2009148770/22 ; заявл. 28.12.2009 ; опубл.

10.07.2010.

5. Пат. 109273 Российская Федерация, МПК F24F 3/14. Устройство для нагревания и увлажнения воздуха низкопотенциальным теплоносителем / Тарабанов М. Г. [и др.]. - №2011123284/12 ; заявл. 08.06.2011 ; опубл.

10.10.2011.

Отраслевые издания и материалы конференций

6. Prokofiev, P. S. High efficiency humidification in ventilation and air conditioning / P. S.Prokofiev // Materialy VII Miçdzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Perspektywiczne opracowania sq naukq i technikami - 2011». Vol. 52 rBudownictwo i architektura. — Przemysl : Naukaistudia, 201 l.-C. 75-78.

7. Прокофьев, П. С. Высокоэффективное увлажнение воздуха в системах вентиляции и кондиционирования / П. С. Прокофьев // Materialy VII Miçdzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Perspektywiczne opracowania sq naukq i technikami - 2011». Vol. 52 : Budownictwo i architektura. - Przemysl : Nauka i studia, 2011. - C. 68-71.

8. Прокофьев, П. С. Нагревание и увлажнение воздуха в системах вентиляции и кондиционирования низкопотенциальным теплоносителем / П. С. Прокофьев, М. Г. Тарабанов // АВОК: Вентиляция, отопление и кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика-2010.-№ 6-С. 60-66.

9. Прокофьев, П. С. Роторный утилизатор теплоты: результаты экспериментальных исследований / П. С. Прокофьев, М. Г. Тарабанов // АВОК: Вентиляция, отопление и кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика - 2011. - № 7. - С. 36-42.

Прокофьев Павел Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯВОЗДУХА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РОТОРНОГОУТИЛИЗАТОРА НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ

05.23.03 Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 08.11.2013г. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0. Заказ № 128. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать плоская. Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1. Отдел оперативной полиграфии

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201 451 Ю5

ПРОКОФЬЕВ ПАВЕЛ СЕРГЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РОТОРНОГО УТИЛИЗАТОРА НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ

Специальность 05.23.03 Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование

воздуха, газоснабжение и освещение

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Фокин Владимир Михайлович

Волгоград 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.................................................................................................................5

Глава 1 Обзор систем кондиционирования воздуха с использованием утилизации низкопотенциальной теплоты ..................................................10

1.1 Общие принципы использования вторичных энергоресурсов в системах кондиционирования воздуха........................................................10

1.2 Анализ аппаратурного оформления и схем утилизации теплоты в системах кондиционирования воздуха...............................................16

1.3 Теплотехнические особенности расчета утилизаторов теплоты в системах кондиционирования воздуха ....................................................23

1.4 Рекомендации по совершенствованию систем кондиционирования воздуха с использованием роторного утилизатора теплоты............ 32

1.5 Выбор направления исследования.......................................................37

1.6 Выводы по главе 1 ...............................................................................38

Глава 2 Математический эксперимент тепломассообмена в роторном утилизаторе теплоты......................................................................................39

2.1 Тепловой баланс ..................................................................................39

2.2 Движущие силы процессов тепло- и массообмена............................43

2.3 Исследование интенсивности теплообмена........................................54

2.4 Исследование интенсивности тепломассообмена .............................61

2.5 Исследование относительной интенсивности тепломассообмена .... 69

2.6 Выводы по главе 2...............................................................................75

Глава 3 Экспериментальные исследования закономерностей тепломассообмена в роторном утилизаторе теплоты...............................................76

3.1 Схема роторного утилизатора теплоты..............................................76

3.2 Схема и описание экспериментального стенда .................................85

3.3 Обработка экспериментальных данных.............................................89

3.4 Тепловой баланс и построение процесса обработки воздуха в роторном утилизаторе теплоты на J-d диаграмме.......................................93

3.5 Рекомендации по компоновке систем кондиционирования воздуха с использованием роторного утилизатора теплоты..............................96

3.5.1 Прямоточная схема без рециркуляции.....................................96

3.5.2 Прямоточная схема с использованием предподогрева (утилизатора теплоты с промежуточным теплоносителем) ..................98

3.5.3 Схема с подогревом рециркуляционного воздуха.................101

3.5.4 Прямоточная схема с обводом наружного воздух.................103

3.6 Выводы по главе 3 .............................................................................106

Глава 4 Промышленные испытания роторного утилизатора теплоты ........107

4.1 Описание промышленной установки .............................................. 107

4.2 Испытания параметров роторного утилизатора теплоты на промышленной установке...............................................................................108

4.3 Методические основы расчета технологических параметров разработанного утилизатора теплоты ...........................................................111

4.4 Выводы по главе 4..............................................................................118

Глава 5 Метрологические и экономические параметры роторного утилизатора теплоты..........................................................................................119

5.1 Планирование эксперимента ............................................................119

5.2 Метрологические характеристики. Классификация погрешностей средств измерений..............................................................................123

5.3 Маркетинговые исследования ..........................................................127

5.3.1 Ситуация в отрасли..................................................................127

5.3.2 Потенциальные клиенты .........................................................129

5.3.3 Размеры рынка........................................................................ 133

5.3.4 Конкуренция............................................................................ 135

5.4 Технико-экономические показатели ................................................140

5.4.1 Сравнительная экономическая эффективность при внедрении

современного оборудования ...................................................140

5.4.2 Расчет показателей эффективности применения роторных пластинчатых утилизаторов теплоты в системах кондиционирова-

ния воздуха..................................................................................145

5.5 Выводы по главе 5................................................................................149

Заключение............................................................................................................150

Условные обозначения.........................................................................................151

Библиографический список.................................................................................152

Приложение...........................................................................................................160

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время проблема энергосбережения является одной их приоритетных государственных задач, от решения которой во многом зависит успех экономического развития и подъема строительства в ЖКХ на основе инноваций, а также использовании новых технологий и оборудования. Наибольший потенциал по энергосбережению имеется в сфере теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха, потребляющих в настоящее время значительное количество тепловой и электрической энергии и существенно влияющих на тепловой и воздушный режим зданий различного назначения.

Современная тенденция развития систем кондиционирования воздуха в Российской Федерации заключается в повышении надежности и эффективности работы систем и аппаратов систем кондиционирования воздуха, работающих в различных температурных режимах. Решение задач энергосбережения и совершенствования систем кондиционирования воздуха с использованием энергии низкого потенциала в значительной степени зависит от применения роторных утилизаторов теплоты. Создание новых утилизаторов теплоты с использованием вращающихся регенеративных теплообменников позволяет повысить эффективность работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха.

Для реализации энергоэффективных мероприятий по использованию низкопотенциальной энергии в роторных пластинчатых теплообменниках необходим современный подход, предполагающий совместные исследования и моделирование процессов тепломассообмена, создание новых конструкций роторных утилизаторов теплоты, а также разработку и оптимизацию вариантов проектных решений по повышению надежности существующих систем кондиционирования воздуха в соответствии с действующими нормативными документами. Это также предполагает оценку технико-экономической эффективности и надежности работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха.

На этой основе автором разработаны энергоэффективные схемы роторных утилизаторов теплоты, различные компоновочные решения прямоточных и рециркуляционных систем кондиционирования воздуха, проведены экспе-

риментальные и промышленные испытания, а также установлены метрологические, маркетинговые и экономические параметры.

Цель работы. Повышение энергоэффективности существующих и проектируемых систем кондиционирования воздуха с использованием роторных утилизаторов низкопотенциальной теплоты.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- анализ существующих схем утилизации в системах вентиляции и кондиционирования воздуха;

- разработка математической модели роторного утилизатора теплоты;

- обработка результатов экспериментальных исследований для последующей технико-экономической оптимизации конструкции аппарата и технологических решений;

- получение эмпирических зависимостей эффективности нагрева обрабатываемого воздуха при различных технических решениях;

- разработка методических материалов для расчета и проектирования установки нагрева наружного воздуха;

- разработка принципиальных схем компоновки систем кондиционирования воздуха с использованием роторного утилизатора теплоты. Основная идея работы состоит в разработке схем утилизации теплоты,

которые позволят значительно сократить потребление высокотемпературного теплоносителя в системах вентиляции и кондиционирования воздуха и снизить тепловую мощность поверхностных воздухонагревателей первого подогрева, а во многих случаях отказаться совсем от их применения.

Методы исследования включали обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные и опытно-промышленные исследования и обработку полученных экспериментальных данных с применением программных пакетов ПЭВМ.

Достоверность результатов научных положений и выводов работы обоснована применением классических положений теории тепломассообмена, планирования экспериментов, применением метрологически аттестованных приборов и оборудования, большим объемом экспериментальных данных и

подтверждением их удовлетворительной сходимости с полученными результатами экспериментов. Научная новизна:

- проведен математический эксперимент и разработана математическая модель процесса тепло- и массопереноса в роторном утилизаторе теплоты;

- разработано устройство для нагрева и увлажнения воздуха низкопотенциальным теплоносителем (Пат. 95802, 109273);

- впервые получены аналитические зависимости эффективности роторного утилизатора теплоты от расхода теплоносителя, расхода обрабатываемого воздуха, а также частоты вращения ротора. Практическое значение работы:

- разработан и экспериментально испытан утилизатор низкопотенциальной теплоты, позволяющий значительно сократить потребление высокотемпературного теплоносителя в системах кондиционирования воздуха и снизить тепловую мощность поверхностных воздухонагревателей первого подогрева;

- разработаны методические основы расчета установки кондиционирования воздуха с использованием роторного утилизатора теплоты;

- разработаны принципиальные схемы компоновки систем кондиционирования воздуха с использованием роторного утилизатора теплоты, предназначенные для использования в системах кондиционирования воздуха административных, общественных зданий, торгово-развлекательных и физкультурно-оздоровительных, спортивных комплексов, учреждений здравоохранения, образования, культуры;

- впервые произведены испытания роторного утилизатора теплоты на замораживание и даны рекомендации для разработки схем автоматизации защиты от замораживания.

Реализация результатов работы:

- материалы диссертационной работы используются в ООО НИЦ «Ин-вент» при разработке проектной и рабочей документации систем вентиляции и кондиционирования воздуха;

- разработанные рекомендации по использованию разработанного утилизатора в системах вентиляции и кондиционирования воздуха приняты для использования при разработке рабочей документации на реконструкцию центральных систем кондиционирования воздуха Центрального концертного зала г. Волгограда, а также при разработке рабочей документации систем вентиляции и кондиционирования воздуха Историко-архитектурного и художественного музея «Новый Иерусалим», г. Москва;

- материалы диссертационной работы были использованы для реконструкция линии производства роторных утилизаторов низкопотенциальной теплоты на предприятии ООО «ТЭК»;

- результаты исследований использованы в учебном процессе кафедры «Энергоснабжение и теплотехника» ВолгГАСУ при организации научно-исследовательской работы аспирантов и студентов, в дипломном проектировании.

В качестве секций нагрева и увлажнения приточного воздуха роторные утилизаторы теплоты используют в своих центральных кондиционерах фирмы Novair (Италия),York (США) и Hidria (Словения).

Основные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель роторного утилизатора теплоты и уравнения теплопередачи и теплового баланса;

- результаты экспериментальных исследований эффективности исследуемого аппарата от расхода обрабатываемого воздуха, расхода низкопотенциального теплоносителя и частоты вращения ротора;

- схемы систем кондиционирования воздуха с роторным утилизатором теплоты с использованием предподогрева, с подогревом рециркуляционного воздуха, прямоточные схемы без рециркуляции воздуха и с обводом наружного воздуха.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях ВолгГАСУ (2010-2012), а также всероссийских и международных научно-практических конференциях:

- международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур», 2010);

- XV Европейский ABOK-EHI Симпозиум «Инновационное энергоэффективное оборудование для теплоснабжения, водоснабжения и климатиза-ции зданий. Актуализация нормирования и технологии зеленых зданий», который состоялся 19 апреля 2011г. совместно с XV Международной специализированной выставкой SEK MOSCOW 2011;

- XXVIII конференция и выставка «Москва: проблемы и пути повышения энергоэффективности» (2011);

- XXIX конференции и выставке «Москва: энергоэффективный город» (2012);

- IX Ежегодный бизнес-форум «Деловой России» «Ставим на Конкуренцию!» (2013).

Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 3 публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и изданиях и 2 патента РФ.

Личный вклад соискателя: разработка методов исследований и создание экспериментальной базы, обработка и анализ полученных результатов, разработка методики инженерного расчета роторного утилизатора для использования в системах кондиционирования воздуха, участие во внедрении результатов исследований в практику проектирования.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов, списка используемых литературных источников и приложений. Общий объем диссертации включает 167 страниц основного текста, содержавшего 9 таблиц, 53 рисунка, список используемых источников из 94 наименований и приложения на 8 страницах.

ГЛАВА 1 ОБЗОР СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УТИЛИЗАЦИИ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ

1.1 Общие принципы использования вторичных энергоресурсов в системах кондиционирования воздуха

Использование теплоты и холода удаляемого воздуха является одним из средств повышения эффективности систем кондиционирования и снижения эксплуатационных затрат на обработку приточного воздуха. Обычно для этого устраивают частичную рециркуляцию внутреннего воздуха [14, 24]. Однако эффективность рециркуляции изменяется в зависимости от суточных и сезонных колебаний параметров наружного воздуха.

В тех случаях, когда по технологическим или санитарно-гигиеническим требованиям не допускается устройство рециркуляции, сооружаются прямоточные системы. В этих системах можно утилизировать теплоту и холод выбросного воздуха, используя поверхностные рекуперативные и регенеративные теплообменники.

В рекуперативных теплообменниках тепло между газообразными средами передается через разделяющую стенку, во вращающихся регенераторах теплообмен происходит вследствие аккумуляции тепла насадкой.

Вращающийся теплообменник (рис. 1.1, а) [14] состоит из корпуса 1, ротора 2 и двигателя 3. Корпус разделен на две части (рис. 1.1, б): через одну проходит теплый поток воздуха, через другую - холодный.

Рис. 1.1 Общий вид вращающегося регенеративного утилизатора

Ротор представляет собой плоский цилиндр, разделенный радиальными перегородками на секторы, заполненные гладкими и гофрированными металлическими или пластмассовыми листами, сетками, металлической ватой или стружкой. Ротор вращается со скоростью 5-20 об/мин, и теплопередающая масса, проходя через поток удаляемого из помещений воздуха, воспринимает тепло или холод, а затем отдает их, проходя через поток наружного воздуха. Края ротора прилегают к уплотнениям 4 в корпусе, которые разделяют воздушные потоки с различной температурой.

По сравнению с теплообменниками рекуперативного типа вращающиеся регенераторы обладают следующими достоинствами [14, 67]:

- компактностью (величина поверхности в единице объема составляет 1500-3000 м2/м3, в то время как у рекуперативных теплообменников -300-900 м2/м3);

- легкостью осуществления противотока, при котором теплообменник обладает наибольшей эффективностью;

- возможностью применения поверхностей с малыми эквивалентными диаметрами, способствующими увеличению коэффициента теплоотдачи (<4 = 3 "="0,3 мм);

- небольшим гидравлическим сопротивлением вследствие малой глубины теплообменника (100-250 мм);

- малой стоимостью изготовления теплопер