РАСЧЕТ РЕГЕНЕРАТИВНОГО ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЯ С НАСАДКОЙ ИЗ ПОЛИМЕРА ДЛЯ ОТОПИТЕЛЬНО-ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Введение

Отопительно-вентиляционные системы (ОВС) нашли применение в производственных помещениях, гостиничном хозяйстве [3, 4, 13] благодаря таким достоинствам, как энергоэффективность, экологичность, гибкость работы и легкость обслуживания. В качестве теплообменного аппарата, утилизирующего теплоту удаляемого из помещения загазованного воздуха, хорошо зарекомендовали себя регенеративные воздухоподогреватели (РВП) с пластинчатой (листовой) насадкой [3, 4]. Для повышения энергоэффективности РВП за счет снижения перетоков тепла вдоль насадки рекомендуется длинные пластины заменять рядом коротких пластин той же суммарной длины [4].

Одной из проблем классических методов расчета РВП [2, 7, 8, 11, 12, 14] является невозможность получение детальной информации о температурных полях в насадке и потоках холодного и теплого воздуха вдоль тракта многосекционного утилизирующего теплообменника. Эта информация важна, прежде всего, для определения возможности и места конденсации паров влаги на поверхности насадки, так как в холодное время года температура ее отдельных участков может принимать отрицательные значения, что приводит к образованию инея и закупориванию каналов для воздушных потоков с последующей остановкой ОВС. При использовании в качестве насадки стальных листов конденсация влаги становится причиной другой проблемы – коррозии металла, сокращающей срок службы теплообменного аппарата. Данная проблема решается путем замены стали на коррозионностойкие полимеры, например, полиметилметакрилат (ПММА), сохраняющих свои конструкционные свойства до 100 °С.

Проблема получения подробной картины о распределении температур насадки и воздушных потоков была решена путем построения математической модели сопряженного циклического теплообмена пластинчатой насадки многосекционного РВП с холодным и горячим потоками теплоносителей [4]. Модель построена на гипотезе Фурье

Недостатком уравнений (1) и (2) является то, что они предполагают бесконечно большую скорость переноса теплоты [15]. Это предположение допустимо при незначительных скоростях изменений теплового потока и градиента температуры, но в условиях резких колебаний этих величин во времени уравнение (2) дает искаженную картину температурных полей. Для процессов с выраженной термической неравновесностью А.В. Лыков [10], Л.А. Бровкин [1] и Д. Цоу [16] предложили модифицировать формулу (1) в виде уравнения Максвелла-Каттанео-Лыкова (М-К-Л) или уравнения двухфазного запаздывания:

Целью работы является, во-первых, показать возможность и преимущества применения насадки из ПММА взамен стальной насадки, и, во-вторых, учесть влияние релаксационных явлений в насадке из ПММА на энергетические характеристики РВП в составе ОВС.

Описание отопительно-вентиляционной системы

ОВС включает в себя нагнетательные вентиляторы 1 и 4 (рис. 1), подогреватель воздуха 2 (например, газовая горелка на природном газе) и РВП 3. РВП может быть переключающегося или вращающегося типа. Математическая модель регенератора [4] пригодна для любого типа РВП с листовой насадкой. Здесь рассматривается РВП вращающегося типа с противоточной схемой течения теплоносителей (рис. 2).

Результаты расчетов регенеративного воздухоподогревателя

Расчёты проводились по математической модели РВП с пластинчатой насадкой, описанной в монографии [4]. Модель представляет собой аналитическое решение сопряженной задачи циклического теплообмена пластины конечных размеров с холодным и горячим теплоносителями, температура которых изменяется как по длине канала (вдоль пластины), так и во времени. Рассчитан РВП, который предназначен для ОВС, нагревающей получаемый с улицы воздух температурой -30 ^оС до температуры +45 ^оС с утилизацией теплоты удаляемого из помещения загрязненного воздуха температурой +20 ^оС.

В табл. 1 представлены параметры исследуемых регенеративных воздухоподогревателей с насадками из ПММА и стали марки 10 (ст. 10).

Из табл. 1 видно, что насадка из ПММА обладает таким преимуществом перед стальной, как вес: даже при вдвое большей толщине пластин она более чем в 4 раза легче.

Теплоотдача поверхностей насадки и гидравлическое сопротивление межпластинчатых каналов производились по критериальным уравнениям для ламинарного режима [9]:

Таблица 1.

Параметры регенеративных воздухоподогревателей

Полученные данные для ОВС с односекционным и 5-ти секционным РВП и насадками из ПММА представлены в табл. 2-4. Расчеты произведены для насадки из стали марки ст. 10 ‑ по гипотезе Фурье, и для ПММА ‑ по гипотезам Фурье и Максвелла–Каттанео-Лыкова (М-К-Л).

Из табл. 2 видно, что тепловая релаксация является причиной снижения теплопередающей способности насадки из ПММА, поэтому для обеспечения заданных требований по нагреву холодного воздуха на 75 ^оС требуется увеличить затраты природного газа, примерно, на 5 % ‑ от 0,905 до 0,95 м³/час. Игнорирование влияния тепловой релаксации в насадке привело бы к недогреву подаваемого в помещение свежего воздуха, примерно, на 3,5…4^оС.

То же самое относится и к 5-ти секционному РВП (см. табл. 3).

Распределение температур насадки и средних температур теплоносителей по длине в конце холодного и горячего периодов в односекционном (рис. 3,а) и 5-ти секционном (рис. 3,б) РВП для всех вариантов насадки и методов расчета показаны на рис. 3. Видно, что распределение температур вдоль каналов имеет нелинейный вид, что объясняется, прежде всего, разными значениями расходов теплоносителей – у горячего воздуха массовый расход в полтора-два раза превышает расход холодного воздуха (см. табл. 2-4). Обращает на себя внимание то, что амплитуда температур насадки и температурные напоры между теплоносителями и насадкой у стальной насадки меньше, чем у насадки из ПММА. Это обусловлено, с одной стороны, большей теплоемкостью стальной насадки, а с другой – более интенсивной теплоотдачей в РВП со стальной насадкой (см. табл. 2-4).

Таблица 2.

Режимные параметры в односекционном РВП с насадкой из ПММА без учета (вариант 1) и с учетом тепловой релаксации (вариант 2)

№	Параметры	Размерность	Вариант 1		Вариант 2
№	Параметры	Размерность	Хол. воздух	Гор. воздух	Хол. воздух	Гор. воздух
1.	Массовый расход	кг/с	0,1336	0,2233	0,1402	0,2241
2.	Температура на входе	^оС	-29,71	59,50	-29,71	61,32
3.	Температура на выходе	^оС	45,0	14,05	45,0	13,84
4.	Скорость теплоносителя	м/с	3,65	3,34	3,83	3,36
5.	Число Рейнольдса	—	769	685	808	686
6.	Коэффициент теплопередачи	Вт/(м²К)	6,510		6,523
7.	Коэффициент теплоотдачи	Вт/(м²К)	30,58	30,23	30,58	30,32
8.	Потери давления	Па	312,9	260,9	330,4	263,2
9.	Мощность на прокачку	Вт	33,3	51,5	36,9	52,3
10.	Расход газа на горелку	м³/час	0,905		0,950

Нанесенные на рис. 3 линии точки росы и замерзаний воды позволяют определить сечения ротора, за которыми по ходу горячего воздуха на поверхностях насадки начинается конденсация влаги и образование инея, соответственно. Из рис. 3 видно, что конденсация влаги происходит примерно на длине 0,1 м от входа холодного воздуха, а образование инея – на расстоянии примерно 0,05 м. В 5-ти секционном РВП образование инея можно предотвратить, если за первой секцией установить сепаратор влаги и кондесатоотводчик. В отсутствии этих мер, стальная насадка будет подвергаться коррозии. Применение ПММА позволяет не только облегчить РВП, как было отмечено выше, но и решить вопрос коррозионной стойкости и повышения ресурса РВП.

Таблица 3.

Режимные параметры в 5-ти секционном РВП с насадкой из ПММА без учета (вариант 1) и с учетом тепловой релаксации (вариант 2)

№	Параметры		Размерность	Вариант 1			Вариант 2
				Хол. воздух		Гор. воздух	Хол. воздух	Гор. воздух
1.	Массовый расход		кг/с	0,1336		0,2536	0,1402	0,2241
2.	Температура на входе		^оС	-29,70		54,85	-29,71	61,32
3.	Температура на выходе		^оС	45,0		14,28	45,0	13,84
4.	Потери давления		Па	330,6		303,8	312,3	348,0
5.	Коэффициент теплопередачи		Вт/(м²К)	7,611			7,737
6.	Коэффициент теплоотдачи	1 секция	Вт/(м²К)	34,20	34,41		34,85	34,73
		2 секция		35,93	35,29		36,58	35,62
		3 секция		37,19	35,65		37,86	36,30
		4 секция		38,09	36,45		38,81	36,83
		5 секция		38,76	36,82		39,51	37,22
7.	Расход газа на горелку		м³/час	0,905			0,950

На основе данных, представленных в табл. 2-4 можно сделать вывод, что 5-ти секционный РВП предпочтительней односекционного, так как при одинаковых площадях поверхностей насадки коэффициенты теплоотдачи поверхности отдельных секций и теплопередачи всего аппарата у 5-ти секционного РВП выше.

Таблица 4.

Режимные параметры в односекционном РВП (вариант 1) и 5-ти секционном РВП (вариант 2) с насадкой из стали ст. 10

№	Параметры		Размерность	Вариант 1			Вариант 2
				Хол. воздух		Гор. воздух	Хол. воздух	Гор. воздух
1.	Массовый расход		кг/с	0,1336		0,2660	0,1336	0,2954
2.	Температура на входе		^оС	-29,76		53,46	-29,75	50,17
3.	Температура на выходе		^оС	45,0		16,73	45,0	17,40
4.	Потери давления		Па	244,1		247,1	262,7	283,5
5.	Коэффициент теплопередачи		Вт/(м²К)	6,138			7,183
6.	Коэффициент теплоотдачи	1 секция	Вт/(м²К)	30,48	30,37		31,42	34,04
		2 секция					33,19	34,84
		3 секция					34,32	35,37
		4 секция					35,05	35,71
		5 секция					35,51	35,92
7.	Расход топлива на горелку		м³/час	0,905			0,905

Рис. 3. Распределение температур вдоль насадки РВП в конце периодов

1 и 2 – насадки; 3 и 4 – теплоносителей; 5 – точка росы паров воды; 6 ‑ температура замерзания воды; 7 и 8 – насадка из ПММА; 7 ‑ расчет без учета тепловой релаксации; 8 ‑ с учетом тепловой релаксации; 9 – стальная насадка; а) – односекционный РВП; б) – 5-ти секционный РВП

Заключение

Применение полимерной насадки, в частности из ПММА, вместо стальной позволяет, без существенного повышения гидравлических потерь, более чем в четыре раза снизить вес насадки и повысить ее коррозионную стойкость к атмосферной влаге, повышая тем самым ресурс регенеративного воздухоподогревателя.

Соразмерность времени тепловой релаксации и термического демпфирования ПММА длительности отдельных периодов в РВП является причиной проявления в насадке релаксационных явлений, способствующих снижению теплопередающей способности насадки. Учет релаксационных явлений в насадке на этапе тепловых расчетов РВП позволяет избежать нерасчетных режимов работы в процессе его последующей эксплуатации.

Список литературы:

Бровкин Л.А. К решению дифференциального уравнения теплопроводности // Известия вузов. Энергетика. 1984. № 8. ‑ С. 111-113.
Дацковский В.М. О расчете вращающегося регенератора // Теплоэнергетика. 1965. № 8. С. 93-95.
Кирсанов Ю.А. Оптимизация массогабаритных параметров регенератора для отопительно-вентиляционной системы // Изв. вузов «Проблемы энергетики». 1999. № 11-12. С. 67-75.
Кирсанов Ю.А. Циклические тепловые процессы и теория теплопроводности в регенеративных воздухоподогревателях. М.: Физматлит, 2007. ‑ 240 с.
Кирсанов Ю.А., Кирсанов А.Ю., Юдахин А.Е. Многопериодная краевая задача гиперболической двумерной теплопроводности третьего рода // Труды Академэнерго. № 4. С. 32-41.
Кирсанов Ю.А., Юдахин А.Е., Кирсанов А.Ю. Тепловые процессы в насадке регенеративного воздухоподогревателя с учетом тепловой релаксации и термического демпфирования // Труды Академэнерго. 2017.‑ № 1. ‑ С. 7-15.
Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод) / Под ред. Н.В. Кузнецова. СПб: НПО ЦКТИ, 1998. 256 с.
Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.-Л.: Машгиз, 1957. 384 с.
Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справ. пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. – 367 с.
Лыков А.В. Применение методов термодинамики необратимых процессов к исследованию тепло- и массообмена // Инж.-физич. журнал. Т. 9. № 3. ‑ С. 287-304.
Регенеративные вращающиеся воздухоподогреватели / В.К. Мигай, В.С. Назаренко, И.Ф. Новожилов, Т.С. Добряков Л.: Энергия, 1971. 168 с.
Воздухоподогреватели котельных установок / Добряков Т.С., Мигай В.К., В.С. Назаренко, И.И. Надыров, И.И. Федоров. Л.: Энергия, 1977. 184 с.
Рекалькати Д.. Отопительно-вентиляционные системы зданий гостиничного типа // Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика (АВОК). 1999. №1. // https://www.abok.ru.
Хаузен Х. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе / Пер. с нем. И.Н. Дулькина. М.: Энергоиздат, 1981. 384 с.
Шашков А.Г., Бубнов В.А., Яновский С.Ю. Волновые явления теплопроводности: Системно-структурный подход. М.: Едиториал УРСС, 2004. ‑ 296 с.
Tzou D.Y. A Unified Field Approach for Heat Conduction From Macro- to Micro-Scales. Journal of Heat Transfer. Transactions of the ASME. 1995. V. 117. ‑ P. 8-16.[schema type=»book» name=»РАСЧЕТ РЕГЕНЕРАТИВНОГО ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЯ С НАСАДКОЙ ИЗ ПОЛИМЕРА ДЛЯ ОТОПИТЕЛЬНО-ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ» description=»Выполнены расчеты отопительно-вентиляционной системы с регенеративным воздухоподогревателем (РВП) с листовой насадкой из полиметилметакрилата и из стали марки ст. 10. Рассчитаны режимные параметры односекционных и 5-секционных РВП с указанными насадками. Произведен расчет параметров РВП с учетом релаксационных свойств насадки из ПММА. Показано влияние релаксационных свойств насадки на эффективность отопительно-вентиляционной системы.» author=»Кирсанов Юрий Анатольевич, Юдахин Андрей Евгеньевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-04-12″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.03.2017_03(36)_часть 1″ ebook=»yes» ]

euroasia

Похожие записи