Оценка эффективности рекуперативных теплообменников

Оценка эффективности рекуперативных теплообменников

Т.Е. Ковалёва, Д.А. Васильева, Д.Г. Усадский Волгоградский государственный технический университет

Институт архитектуры и строительства. Аннотация: В данной статье предметом исследования являются типы теплообменников, используемых в установках очистки воздуха, с целью сравнения их эффективности и сроков окупаемости. Рекуператор - это теплообменник, в котором используется тепло отходящих газов через разделяющую их стенку теплоносителей. В зависимости от температуры потока, скорости вращения и скорости ротора мы определяем эффективность теплообменника. Окупаемость теплообменника зависит от климатических параметров региона, его эффективности, вида хладагента и режима работы вентиляции в течении суток. Ключевые слова: рекуператор, теплообмен, влагообмен, холодообмен, теплоноситель, пластинчатый, роторный, тепловой насос, эффективность, энергозатраты, нагреватель, окупаемость.

Основные типы рекуператоров

В приточно-вытяжных установка применяют следующие типы рекуператоров [1]:

- пластинчатый (перекрестно-точный рекуператор);

- роторный рекуператор;

- тепловой насос.

Пластинчатый (перекрестно-точный) рекуператор Приточный и вытяжной воздух движется по небольшим каналам, образованных теплопроводящими пластинами, по схеме противотока [2]. Смешение потоков и их загрязнение практически исключены. В конструкции теплообменника отсутствуют движущиеся части. Коэффициент полезного действия 50-80% [3]. В теплообменнике влажность может конденсироваться на поверхности пластин из-за разницы температур между потоками воздуха. В холодную погоду существует вероятность замерзания влаги в пластинчатом рекуператоре и его механические повреждения. Образовавшийся лёд значительно снижает эффективность работы теплообменника. Поэтому теплообменники с металлическими теплообменными пластинами требуют периодического оттаивания с потоком теплого воздуха или использования водона-

гревателя или воздухонагревателя. Время оттаивания составляет от 5 до 25 минут. Пластинчатый теплообменник, изготовленный из ультратонких и пластиковых термоусадочных пластин, не склоны к обмерзанию, так как через этот материал происходит влагообмен, но у них есть другой недостаток - их нельзя использовать для осушения помещения с повышенной влажностью.

Роторный рекуператор

В основе устройства цилиндрический пустой барабан - ротор, в котором тепло распространяется от воздушного потока к другому [4]. Внутренняя часть ротора состоит из плотно упакованного металлического листа или проволоки, которые выполняют функцию вращающейся поверхности теплопередачи. Прокат или проволока изготовлены из того же материала, что и пластинчатый теплообменник. Ротор состоит из горизонтальной оси вращения вала двигателя, вращающего с шагом или инверторной регулировкой. С помощью двигателя вы можете управлять процессом восстановления. Показатель эффективности составляет 75-90%. От частоты вращения ротора, а также от скорости и температуры подачи зависит производительность теплообменника. Изменяя параметры оборудования можно изменять показатели производительности работ [5]. Образование льда в роторе-рекуператоре невозможно, но смешение приточного и выпускного воздуха, его загрязнение и рассеивание запахов не могут быть полностью исключены, так как потоки соприкасаются друг с другом. Смешивание может составлять до 3%.

Тепловой насос

Рекуператор, в котором чиллер выполняет функции жидкостного теплообменника, трубопровода и насоса, выступая в роли теплового насоса. Рекуператоры установлены в каналах подачи и нагнетания, компрессор обеспечивает движение фреона, а клапан облегчает передачу тепла от нагнетаемого воздуха к приточному воздуху и наоборот, в зависимости от времени года. Вентиляционная установка может быть объединена с группой других установок контуром охлаждения для работы в различных режимах [6].

N Инженерный вестник Дона, №1 (2019) ivdon.ru/ru/magazine/archive/nly2019/5605

Расчёт эффективности рекуператора.

Расчет проводится по показателям температуры, которая предполагает наличие чистого теплосодержания воздуха, и энтальпией, определяющей влажность воздуха [7]. Наиболее надежные расчеты основаны на энтальпии. Исходные данные расчета берутся из измерения температуры и влажности воздуха в трех местах: в помещении, на улице и в сечении приточной решётки [8].

Анализ (сравнение) сроков окупаемости пластинчатого и роторного

рекуператоров

Проводим сравнительный анализ периода окупаемости теплоутилизаторов

[9].

Расход тепла на нагревание наружного воздуха в системе без утилизатора, кВтч:

где V - расход наружного воздуха, м3/ч; р - плотность наружного воздуха, кг/м ; ср - удельная теплоемкость, кДж/(кг-К); ^ - температура приточного воздуха, °С; 1н - температура наружного воздуха, °С; т -продолжительность простаивания температуры внешнего воздуха, час.

Потребление тепла в год, кВтч/год:

Температура воздуха на выходе из роторного рекуператора, °С:

Количество тепла, которое необходимо для догрева приточного воздуха от температуры выхода из рекуператора до требуемых параметров, кВтч/год:

И

^Рчркго ^" Р ' ^ уи " ( ^пр ^на ^"

Количество сокращенного расхода электроэнергии, кВт  ч /год:

рту

Потребление энергии на вращение ротора в приточной установке, кВт  ч:

ир

где Ыпр - установленная мощность привода ротора, кВт; т - период работы системы вентиляции, час/год.

=2

I Г

Стоимость энергосбережения, руб/год: *

где П - стоимость электро или теплоэнергии в зависимости от типа используемого нагревателя, руб/(кВтч); Пэл - стоимость электроэнергии, руб/кВт-ч

Период окупаемости рекуператора, год:

Система, в которой в качестве калорифера догрева наружного воздуха используют электрический нагреватель окупается быстрее, чем с водонагревателем. После полной окупаемости рекуператор с электрическим нагревателем эксплуатация системы вентиляции будет более дорогой из-за того, что стоимость электроэнергии больше, чем тепла.

В результате расчета можно сделать следующие выводы [10]:

- Окупаемость пластинчатого теплообменника практически равна окупаемости роторного рекуператора. Устройство пластинчатого рекуператора проще, чем роторного, поскольку в нем нет движущихся частей. Благодаря надежной системе защиты от замерзания пластинчатый рекуператор не требует обслуживания.

- Системы с водонагревателем окупаются дольше, но намного дешевле в работе из-за более низкой стоимости тепловой энергии, чем системы с электронагревателем.

- Скорость окупаемости установки пропорциональна работе системы в течении дня.

- При повышении эффективности происходит сокращение срока окупаемости.

Литература

1. Виноградов С.Н. Выбор и расчёт теплообменников (учебное пособие). Пензенский государственный университет, 2001. 100 с.

2. Остриков А.Н., Логинов А.В., Попов А.С., Болгова И.Н. Расчёт и проектирование теплообменников: учебник. Воронежская государственная технологическая академия,2011. 444 с.

3. Кряклина И.В. Математическая модель и оптимизация параметров работы пластинчатого рекуператора // Инженерный вестник Дона, 2014, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2014/2269.

4. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т. 1 / Пер. с англ. под ред. О. Г. Мартыненко и др.— М.: Энергоатомиздат, 1987.— 560 с: ил.

5. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т. 2 / Пер. с англ. под ред. О. Г. Мартыненко и др.— М.: Энергоатомиздат, 1987.— 352 с: ил.

6. Eric M. Smith. Thermal Design of Heart Exchangers: A Numerical Approach: Direct Sizing and Stepwise Rating - Wiley, 1997. - 418 p.

7. Иванчук И.В. К вопросу повышения энергетической эффективности жилых домов // Инженерный вестник Дона, 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2151.

8. Фраас А., Оцисик М. Расчет и конструирование теплообменников. М.: Атомиздат, 1971. 356 с.

9. М.К. Беляев, О.В. Максимчук, Т.А. Першина. Экономика и управление системами теплоэнергоснабжения. Методические указания к курсовому проектированию - Волгогр. гос. архит. - строит. ун - т. - Волгоград: ВолгГАСУ, 2008. - 38 с.

10. Kuppan Thulukkanam. Heat Exchanger Design Handbook - CRC Press, 2000. - 1119 p.

References

1. Vinogradov S.N. Vybor i raschyot teploobmennikov (uchebnoe posobie) [Selection and calculation of heat exchangers]. Penzenskij gosudarstvennyj universitet, 2001. 100 p.

2. Ostrikov A.N., Loginov A.V., Popov A.S., Bolgova I.N. Raschyot i proektirovanie teploobmennikov: uchebnik [Calculation and design of heat exchangers]. Voronezhskaya gosudarstvennaya tekhnologicheskaya akademiya,2011. 444 p.

3. Kralina I. V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №1. URL: iv-don.ru/ru/magazine/archive/n1y2014/2269.

4. Spravochnik po teploobmennikam: V 2.h t. T. 1 [Reference book on heat exchangers: in 2 vol. Vol. 1]. Per. s angl. pod red. O. G. Martynenko i dr. M.: EHnergoatomizdat, 1987. 560 p: il

5. Spravochnik po teploobmennikam: V 2.h t. T. 2 [Reference book on heat exchangers: in 2 vol. Vol. 2]. Per. s angl. pod red. O. G. Martynenko i dr. M.: EHnergoatomizdat, 1987. 352 p: il.

6. Eric M. Smith. Thermal Design of Heart Exchangers: A Numerical Approach: Direct Sizing and Stepwise Rating - Wiley, 1997. - 418 p.

7. Ivanchuk I. V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4. URL: iv-don.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2151.

8. Fraas A., Ocisik M. Raschet i konstruirovanie teploobmennikov [Calculation and design of heat exchangers]. M.: Atomizdat, 1971. 356 p.

9. M. K. Belyaev, O. V. Maksymchuk, T. A. Pershina. Economika i ypravlenie sistemami teploenergosnabzheniy. Methodical instructions to the course design state architect [Economics and management of heat supply systems]. builds. Univ. of Illinois. Volgograd, 2008. 38 p.

10. Kuppan Thulukkanam. Heat Exchanger Design Handbook. CRC Press, 2000. 1119 p.