Как сделать расчет вентиляции: формулы и пример расчёта приточно-вытяжной системы. Утилизаторы теплоты вытяжного воздуха как перспективное энергосберегающее мероприятие Главные параметры вытяжной вентиляции

Сегодня энергосбережение является приоритетным направлением развития мировой экономики. Истощение естественных энергетических запасов, повышение стоимости тепловой и электрической энергии неминуемо приводит нас к необходимости разработки целой системы мероприятий, направленных на повышения эффективности работы энергопотребляющих установок. В этом контексте снижение потерь и вторичное использования затрачиваемой тепловой энергии становится действенным инструментом в решении поставленной проблемы.

В условиях активного поиска резервов экономии топливно-энергетических ресурсов все большее внимание привлекает проблема дальнейшего совершенствования систем кондиционирования воздуха как крупных потребителей тепловой и электрической энергии. Важную роль в решении этой задачи призваны сыграть мероприятия по повышению эффективности работы тепломассообменных аппаратов, составляющих основу подсистемы политропной обработки воздуха, затраты на функционирование которой достигают 50 % всех затрат на эксплуатацию СКВ.

Утилизация тепловой энергии вентиляционных выбросов является одним из ключевых методов экономии энергетических ресурсов в системах кондиционирования воздуха и вентиляции зданий и сооружений различного назначения. На рис. 1 приведены основные схемы утилизации теплоты вытяжного воздуха, реализуемые на рынке современного вентиляционного оборудования.

Анализ состояния производства и применения теплоутилизационного оборудования за рубежом указывает на тенденцию преимущественного использования рециркуляции и четырех типов утилизаторов теплоты вытяжного воздуха: вращающихся регенеративных, пластинчатых рекуперативных, на базе тепловых труб и с промежуточным теплоносителем. Применение этих устройств зависит от условий работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха, экономических соображений, взаимного расположения приточных и вытяжных центров, эксплуатационных возможностей .

В табл. 1 приведен сравнительный анализ различных схем утилизации теплоты вытяжного воздуха. Среди основных требований со стороны инвестора к теплоутилизационным установкам следует отметить: цену, эксплуатационные затраты и эффективность работы. Наиболее дешевые решения характеризуются простотой конструкции и отсутствием движущихся частей, что позволяет выделить среди представленных схем установку с перекрестноточным рекуператором (рис. 2) как наиболее соответствующую для климатических условий европейской части России и Польши.

Исследования последних лет в области создания новых и совершенствования существующих теплоутилизационных установок систем кондиционирования воздуха указывают на отчетливую тенденцию разработки новых конструктивных решений пластинчатых рекуператоров (рис. 3), решающим моментом при выборе которых является возможность обеспечения режимов безаварийной работы установки в условиях конденсации влаги при отрицательных температурах наружного воздуха.

Температура наружного воздуха, начиная с которой наблюдается образование инея в каналах вытяжного воздуха, зависит от следующих факторов: температуры и влажности удаляемого воздуха, отношения расходов приточного и удаляемого воздуха, конструктивных характеристик. Отметим особенность работы теплоутилизаторов при отрицательных температурах наружного воздуха: чем выше эффективность теплообмена, тем больше опасность появления инея на поверхности каналов вытяжного воздуха.

В связи с этим низкая эффективность теплообмена в перекрестноточном теплоутилизаторе может оказаться преимуществом с точки зрения снижения опасности обледенения поверхностей каналов вытяжного воздуха. Обеспечение безопасных режимов как правило связано с реализацией следующих традиционных мер по предотвращению обмерзания насадки: периодическое отключение подачи наружного воздуха, его байпасирование или предварительный подогрев, осуществление которых безусловно снижает эффективность утилизации теплоты вытяжного воздуха .

Одним из путей решения этой проблемы является создание теплообменных аппаратов, в которых обмерзание пластин либо отсутствует, либо наступает при более низких температурах воздуха. Особенностью работы воздухо-воздушных утилизаторов теплоты является возможность реализации процессов тепломассопереноса в режимах «сухого» теплообмена, одновременного охлаждения и осушения удаляемого воздуха с выпадением конденсата в виде росы и инея на всей или части теплообменной поверхности (рис. 4).

Рациональное использование теплоты конденсации, величина которой при определенных режимах работы теплоутилизаторов достигает 30 %, позволяет существенно увеличить диапазон изменения параметров наружного воздуха, при которых обледенение теплообменных поверхностей пластин не происходит. Однако решение задачи определения оптимальных режимов работы рассматриваемых теплоутилизаторов, соответствующих определенным эксплуатационным и климатическим условиям, и области его целесообразного применения, требует детальных исследований тепломассообмена в каналах насадки с учетом процессов конденсации и инееобразования.

В качестве основного метода исследования выбран численный анализ. Он обладает и наименьшей трудоемкостью, и позволяет определить характеристики и выявить закономерности процесса на основании обработки информации о влиянии исходных параметров. Поэтому экспериментальные исследования процессов тепломассопереноса в рассматриваемых аппаратах проводились в значительно меньшем объеме и, в основном, для проверки и корректировки зависимостей, полученных в результате математического моделирования.

При физико-математическом описании тепломассообмена в исследуемом рекуператоре было отдано предпочтение одномерной модели переноса (ε-NTUмодель). В этом случае течение воздуха в каналах насадки рассматривается как поток жидкости с постоянными по его сечению скоростью, температурой и потенциалом массопереноса, равными среднемассовым значениям . С целью повышения эффективности утилизации теплоты в современных теплообменниках используется оребрение поверхности насадки.

Тип и расположение ребер значительно влияет на характер протекания процессов тепломассообмена. Изменение температуры по высоте ребра приводит к реализации различных вариантов процессов тепломассообмена (рис. 5) в каналах удаляемого воздуха, что существенно усложняет математическое моделирование и алгоритм решения системы дифференциальных уравнений.

Уравнения математической модели процессов тепломассопереноса в перекрестно-точном теплообменнике реализуются в ортогональной системе координат с осями ОX и ОY, направленными параллельно потокам холодного и теплого воздуха соответственно, и осями Z1 и Z2, перпендикулярной поверхности пластин насадки в каналах приточного и удаляемого воздуха (рис. 6), соответственно.

В соответствии с допущениями данной ε-NTU-модели тепломассоперенос в исследуемом утилизаторе описывается дифференциальными уравнениями теплового и материального балансов, составляемых для взаимодействующих потоков воздуха и насадки с учетом теплоты фазового перехода и термического сопротивления образующегося слоя инея. Для получения однозначного решения система дифференциальных уравнений дополняется граничными условиями, устанавливающими значения параметров обменивающихся сред на входах в соответствующие каналы рекуператора.

Сформулированная нелинейная задача не может быть решена аналитически, поэтому интегрирование системы дифференциальных уравнений осуществлялось численными методами. Достаточно большой объем проведенных численных экспериментов, проведенных на ε-NTU-моделе, позволил получить массив данных, который был использован для анализа характеристик процесса и выявления его общих закономерностей.

В соответствии с задачами исследования работы теплоутилизатора выбор изучаемых режимов и диапазоны варьирования параметров обменивающихся потоков осуществлялся так, чтобы наиболее полно моделировались реальные процессы тепломассообмена в насадке при отрицательных значениях температуры наружного воздуха, а также условия протекания наиболее опасных с точки зрения эксплуатации вариантов режимов работы теплоутилизационного оборудования.

Представленные на рис. 7-9 результаты расчета режимов работы исследуемого аппарата, характерных для климатических условий с низкой расчетной температурой наружного воздуха в зимний период времени года, позволяют судить о качественно ожидавшейся возможности образования трех зон активного тепломассообмена в каналах удаляемого воздуха (рис. 6), отличающихся по характеру протекающих в них процессов.

Анализ тепломассообменных процессов, протекающих в этих зонах, позволяет оценить возможные пути реализации эффективного улавливания теплоты удаляемого вентиляционного воздуха и снижения опасности образования инея в каналах насадки теплообменника на основе рационального использования теплоты фазового перехода. На основании проведенного анализа установлены граничные температуры наружного воздуха (табл. 2), ниже которых наблюдается образование инея в каналах вытяжного воздуха.

Выводы

Представлен анализ различных схем утилизации теплоты вентиляционных выбросов. Отмечены преимущества и недостатки рассмотренных (существующих) схем утилизации теплоты вытяжного воздуха в установках вентиляции и кондиционирования воздуха. На основе проведенного анализа предложена схема с пластинчатым перекрестноточным рекуператором:

• на базе математической модели разработан алгоритм и программа расчета на ЭВМ основных параметров тепломассообменных процессов в исследуемом теплоутилизаторе;
• установлена возможность образования различных зон конденсации влаги в каналах насадки утилизатора, в пределах которых характер тепломассообменных процессов существенно меняется;
• анализ полученных закономерностей позволяет установить рациональные режимы работы исследуемых аппаратов и области их рационального использования для различных климатических условий российской территории.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ

Условные обозначения: h реб — высота ребра, м; l реб — длина ребра, м; t — температура, °C; d — влагосодержание воздуха, кг/кг; ϕ — относительная влажность воздуха, %; δ реб — толщина ребра, м; δ ин — толщина слоя инея, м.

Индексы: 1 — наружный воздух; 2 — удаляемый воздух; e — на входе в каналы насадки; р еб — ребро; ин — иней, o — на выходе из каналов насадки; рос — точка росы; sat — состояние насыщения; w — стенка канала.

Часть 1. Теплоутилизирующие устройства

Использование тепла отходящих дымовых газов
технологических печей.

Технологические печи являются крупнейшими потребителями энергии на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях, в металлургии, а также во многих других отраслях промышленности. На НПЗ в них сжигается 3 – 4 % от всей перерабатываемой нефти.

Средняя температура дымовых газов на выходе из печи, как правило, превышает 400 °С. Количество теплоты, уносимой с дымовыми газами, составляет 25 –30 % от всей теплоты, выделяющейся при сгорании топлива. Поэтому утилизация тепла уходящих дымовых газов технологических печей приобретает исключительно большое значение.

При температуре дымовых газов выше 500 °С следует применять котлы-утилизаторы – КУ.

При температуре дымовых газов менее 500 °С рекомендуется применять воздухоподогреватели – ВП.

Наибольший экономический эффект достигается при наличии двухагрегатной установки, состоящей из КУ и ВП (в КУ газы охлаждаются до 400 °С и поступают в воздухоподогреватель на дальнейшее охлаждение) – чаще применяется на нефтехимических предприятиях при высокой температуре дымовых газов.

Котлы-утилизаторы.

В КУ теплота дымовых газов используется для получения водяного пара. КПД печи повышается на 10 – 15.

Котлы-утилизаторы могут выполняться встроенными в конвекционную камеру печи, или выносными.

Выносные котлы утилизаторы делятся на два типа:

1) котлы газотрубного типа;

2) котлы пакетно-конвективного типа.

Выбор требуемого типа осуществляется в зависимости от требуемого давления получаемого пара. Первые используют при выработке пара относительно низкого давления – 14 – 16 атм., вторые – для выработки пара давлением до 40 атм. (однако они рассчитаны на начальную температуру дымовых газов около 850 °С).

Давление вырабатываемого пара необходимо выбирать с учетом того, потребляется ли весь пар на самой установке или же имеется избыток, который необходимо выводить в общезаводскую сеть. В последнем случае давление пара в барабане котла необходимо принимать в соответствии с давлением пара в общезаводской сети с тем, чтобы выводить избыток пара в сеть и избегать неэкономичного дросселирования при выводе его в сеть низкого давления.

Котлы-утилизаторы газотрубного типа конструктивно напоминают теплообменники «труба в трубе». Дымовые газы пропускаются через внутреннюю трубу, а водяной пар вырабатывается в межтрубном пространстве. Несколько таких устройств располагается параллельно.

Котлы-утилизаторы пакетно-конвективного типа имеют более сложную конструкцию. Принципиальная схема работы КУ этого типа приведена на рис. 5.4.

Здесь используется естественная циркуляция воды и представлена наиболее полная конфигурация КУ с экономайзером и пароперегревателем.

Принципиальная схема работы котла-утилизатора

пакетно-конвективного типа

Химочищенная вода (ХОВ) поступает в колонну-деаэратор для удаления растворенных в ней газов (главным образом кислорода и диоксида углерода). Вода стекает по тарелкам вниз, а навстречу ей противотоком пропускается небольшое количество водяного пара. Вода нагревается паром до 97 – 99 °С и за счет снижения растворимости газов с повышением температуры основная их часть выделяется и отводится сверху деаэратора в атмосферу. Пар, отдавая свое тепло воде, конденсируется. Деаэрированная вода снизу колонны забирается насосом и им нагнетается необходимое давление. Вода пропускается через змеевик экономайзера, в котором подогревается почти до температуры кипения воды при заданном давлении, и поступает в барабан (паросепаратор). Вода в паросепараторе имеет температуру, равную температуре кипения воды при заданном давлении. Через змеевики выработки пара вода циркулирует за счет разности плотностей (естественная циркуляция). В этих змеевиках часть воды испаряется, и парожидкостная смесь возвращается в барабан. Насыщенный водяной пар отделяется от жидкой фазы и отводится сверху барабана в змеевик пароперегревателя. В пароперегревателе насыщенный пар перегревается до нужной температуры и отводится потребителю. Часть полученного пара используется для деаэрации питательной воды.

Надежность и экономичность работы КУ в значительной степени зависит от правильной организации водного режима. При неправильной эксплуатации интенсивно образуется накипь, протекает коррозия поверхностей нагрева, происходит загрязнение пара.

Накипь – это плотные отложения, образующиеся при нагреве и испарении воды. Вода содержит гидрокарбонаты, сульфаты и другие соли кальция и магния (соли жесткости), которые при нагревании преобразуются в бикарбонаты и выпадают в осадок. Накипь, имеющая на несколько порядков меньшую, чем металл, теплопроводность, приводит к снижению коэффициента теплопередачи. За счет этого снижается мощность теплового потока через поверхность теплообмена и, естественно, снижается эффективность работы КУ (уменьшается количество вырабатываемого пара). Температура отводимых из КУ дымовых газов возрастает. Кроме того, происходит перегрев змеевиков и их повреждение вследствие снижения несущей способности стали.

Для предупреждения образования накипи в качестве питательной воды используют предварительно химочищенную воду (можно брать на ТЭС). Помимо этого производится непрерывная и периодическая продувка системы (удаление части воды). Продувка предупреждает рост концентрации солей в системе (вода постоянно испаряется, а содержащиеся в ней соли – нет, поэтому концентрация солей растет). Непрерывная продувка котла составляет обычно 3 – 5 % и зависит от качества питательной воды (не должна превышать 10 %, так как с продувкой связана потеря тепла). При эксплуатации КУ высокого давления, работающих с принудительной циркуляцией воды, дополнительно применяют внутрикотловое фосфатирование. При этом катионы кальция и магния, входящие в состав образующих накипь сульфатов, связываются с фосфатными анионами, образуя соединения малорастворимые в воде и выпадающие в толще водяного объема котла, в виде легко удаляемого при продувке шлама.

Растворенные в питательной воде кислород и углекислый газ вызывают коррозию внутренних стенок котла, причем скорость коррозии возрастает с повышением давления и температуры. Для удаления газов из воды применяют термическую деаэрацию. Также мерой защиты против коррозии является поддержание такой скорости в трубах, при которой пузырьки воздуха не могут удерживаться на их поверхности (выше 0,3 м/с) .

В связи с повышением гидравлического сопротивления газового тракта и снижением силы естественной тяги возникает необходимость установки дымососа (искусственная тяга). При этом температура дымовых газов не должна превышать 250 °С во избежание разрушения этого аппарата. Но чем ниже температура отводимых дымовых газов, тем более мощный необходимо иметь дымосос (растет потребление электроэнергии).

Срок окупаемости КУ обычно не превышает одного года.

Воздухоподогреватели. Используются для подогрева воздуха, подаваемого в печь на сжигание топлива. Подогрев воздуха позволяет снизить расход топлива в печь (КПД повышается на 10 – 15 %).

Температура воздуха после воздухоподогревателя может достигать 300 – 350 °С. Это способствует улучшению процесса горения, повышению полноты сгорания топлива, что является очень важным преимуществом при использовании высоковязких жидких топлив.

Также преимуществами воздухоподогревателей по сравнению с КУ является простота их конструкции, безопасность эксплуатации, отсутствие необходимости устанавливать дополнительное оборудование (деаэраторы, насосы, теплообменники и т. д.). Однако воздухоподогреватели при действующем соотношении цен на топливо и на водяной пар оказываются менее экономичными, чем КУ (цена на пар у нас очень высокая – в 6 раз выше за 1 ГДж). Поэтому выбирать способ утилизации тепла дымовых газов нужно, исходя из конкретной ситуации на данной установке, предприятии и т. д.

Применяются воздухоподогреватели двух типов: 1) рекуперативные (передача тепла через стенку); 2) регенеративные (аккумулирование тепла).

Часть 2. Утилизация тепла вентиляционных выбросов

На отопление и вентиляцию производственных и коммунально-бытовых зданий и сооружений расходуется большое количество теплоты. Для отдельных отраслей промышленности (в основном легкая промышленность) эти расходы достигают 70 – 80 % и более от общей потребности в тепловой энергии. На большинстве предприятий и организаций теплота удаляемого воздуха от систем вентиляции и кондиционирования не используется.

Вообще, вентиляция используется очень широко. Системы вентиляции сооружаются в квартирах, общественных заведениях (школах, больницах, спортклубах, бассейнах, ресторанах), производственных помещениях и т. д. Для различных целей могут применяться различные типы вентиляционных систем. Обычно, если объем воздуха, который должен заменяться в помещении в единицу времени (м 3 /ч), невелик, то применяется естественная вентиляция . Такие системы реализованы в каждой квартире и большинстве общественных учреждений и организаций. При этом используется явление конвекции – нагретый воздух (имеет пониженную плотность) уходит через вентиляционные отверстия и отводится в атмосферу, а на его место, через неплотности в окнах, дверях и т. д., подсасывается свежий холодный (более высокой плотности) воздух с улицы. При этом неизбежны потери тепла, так как на подогрев поступающего в помещение холодного воздуха необходим дополнительный расход теплоносителя. Поэтому применение даже самых современных теплоизоляционных конструкций и материалов при строительстве не может полностью устранить тепловые потери. В наших квартирах 25 – 30 % тепловых потерь связано именно с работой вентиляции, во всех остальных случаях эта величина гораздо выше.

Системы принудительной (искусственной) вентиляции применяются при необходимости интенсивного обмена больших объемов воздуха, что обычно связано с предупреждением роста концентрации опасных веществ (вредных, токсичных, пожаровзрывоопасных, имеющих неприятный запах) в помещении. Принудительная вентиляция реализуется в производственных помещениях, на складах, в хранилищах с/х продуктов и т. д.

Используются системы принудительной вентиляции трех типов :

Приточная система состоит из воздуходувки, нагнетающей свежий воздух в помещение, приточного воздуховода и системы равномерного распределения воздуха в объеме помещения. Избыточный объем воздуха при этом вытесняется через неплотности в окнах, дверях и т. д.

Вытяжная система состоит из воздуходувки, откачивающей воздух из помещения в атмосферу, вытяжного воздуховода и системы для равномерного отвода воздуха из объема помещения. Свежий воздух в этом случае подсасывается в помещение сквозь различные неплотности или специальные системы подвода.

Комбинированные системы представляют собой совмещенные приточно-вытяжные системы вентиляции. Используются, как правило, при необходимости очень интенсивного обмена воздуха в крупных помещениях; при этом потребление тепла на подогрев свежего воздуха максимально.

Применение систем естественной вентиляции и отдельных систем вытяжной и приточной вентиляции не позволяет использовать тепло отводимого воздуха для подогрева свежего воздуха, поступающего в помещение. При эксплуатации же комбинированных систем существует возможность утилизации тепла вентиляционных выбросов для частичного подогрева приточного воздуха и снижения потребления тепловой энергии. В зависимости от разности температур воздуха в помещении и на улице расход тепла на подогрев свежего воздуха может быть снижен на 40 – 60 %. Подогрев может осуществляться в регенеративных и рекуперативных теплообменниках. Первые предпочтительнее, так как имеют меньшие габариты, металлоемкость и гидравлическое сопротивление, обладают большей эффективностью и продолжительным сроком службы (20 – 25 лет).

Воздуховоды подводятся к теплообменным аппаратам, и тепло передается напрямую от воздуха к воздуху через разделяющую стенку или аккумулирующую насадку. Но в некоторых случаях существует необходимость в разносе приточного и вытяжного воздуховодов на значительное расстояние. В таком случае может быть реализована схема теплообмена с промежуточным циркулирующим теплоносителем. Пример работы такой системы при температуре в помещении 25 °С и температуре окружающей среды – 20 °С показан на рис. 5.5.

Схема теплообмена с промежуточным циркулирующим теплоносителем:

1 – вытяжной воздуховод; 2 – приточный воздуховод; 3,4 – оребренные
трубчатые змеевики; 5 – трубопроводы циркуляции промежуточного теплоносителя
(в качестве промежуточного теплоносителя в таких системах обычно используются концентрированные водные растворы солей – рассолы); 6 – насос; 7 – змеевик для
дополнительного подогрева свежего воздуха водяным паром или горячей водой

Система работает следующим образом. Теплый воздух (+ 25 °С) из помещения выводится по вытяжному воздуховоду 1 через камеру, в которой установлен оребренный змеевик 3 . Воздух омывает наружную поверхность змеевика и передает тепло холодному промежуточному теплоносителю (рассолу), протекающему внутри змеевика. Воздух охлаждается до 0 °С и выбрасывается в атмосферу, а подогретый до 15 °С рассол по трубопроводам циркуляции 5 поступает в камеру подогрева свежего воздуха на приточном воздуховоде 2 . Здесь промежуточный теплоноситель отдает тепло свежему воздуху, подогревая его от – 20 °С до + 5 °С. Сам промежуточный теплоноситель при этом охлаждается от + 15 °С до – 10 °С. Охлажденный рассол поступает на прием насоса и снова возвращается в систему на рециркуляцию.

Свежий приточный воздух, подогретый до + 5 °С, может сразу вводиться в помещение и подогреваться до требуемой температуры (+ 25 °С) с помощью обычных радиаторов отопления, а может подогреваться непосредственно в вентиляционной системе. Для этого на приточном воздуховоде устанавливается дополнительная секция, в которой размещается оребренный змеевик. Внутри трубок протекает горячий теплоноситель (теплофикационная вода или водяной пар), а воздух омывает наружную поверхность змеевика и нагревается до + 25 °С, после этого теплый свежий воздух распределяется в объеме помещения.

Применение такого способа обладает рядом преимуществ. Во-первых, вследствие высокой скорости воздуха в секции подогрева, значительно (в несколько раз) повышается коэффициент теплопередачи по сравнению с обычными радиаторами отопления. Это приводит к существенному снижению общей металлоемкости системы отопления – снижению капитальных затрат. Во-вторых, помещение не загромождается радиаторами отопления. В-третьих, достигается равномерное распределение температур воздуха в объеме помещения. А при использовании радиаторов отопления в крупных помещениях сложно обеспечить равномерный прогрев воздуха. В локальных областях воздух может иметь температуру существенно выше или ниже нормы.

Единственный недостаток – несколько повышается гидравлическое сопротивление воздушного тракта и расход электроэнергии на привод приточной воздуходувки. Но преимущества настолько значительны и очевидны, что предварительный подогрев воздуха непосредственно в вентиляционной системе можно рекомендовать в подавляющем большинстве случаев.

Для того, чтобы обеспечить возможность утилизации тепла в случае использования систем приточной или вытяжной систем вентиляции в отдельности, необходимо организовать централизованный соответственно отвод или подвод воздуха через специально смонтированные воздуховоды. При этом необходимо устранить все щели и неплотности, чтобы исключить неуправляемый выдув, или подсос воздуха.

Системы теплообмена между удаляемым из помещения воздухом и свежим можно использовать не только для подогрева приточного воздуха в холодное время года, но и для охлаждения его летом, если помещение (офис) оборудовано кондиционерами. Охлаждение до температур ниже температуры окружающей среды всегда связано с высокими затратами энергии (электроэнергии). Поэтому снизить расход электроэнергии на поддержание комфортной температуры в помещении в жаркое время года можно предварительным охлаждением свежего воздуха, отводимым холодным воздухом.

Тепловые ВЭР.

К тепловым ВЭР относится физическая теплота отходящих газов котельных установок и промышленных печей, основной или промежуточной продукции, других отходов основного производства, а также теплота рабочих тел, пара и горячей воды, отработавших в технологических и энергетических агрегатах. Для утилизации тепловых ВЭР используют теплообменники, котлы-утилизаторы или тепловые агенты. Рекуперация теплоты отработанных технологических потоков в теплообменниках может проходить через разделяющую их поверхность или при непосредственном контакте. Тепловые ВЭР могут поступать в виде концентрированных потоков теплоты или в виде теплоты, рассеиваемой в окружающую среду. В промышленности концентрированные потоки составляют 41 %, а рассеиваемая теплота – 59 %. Концентрированные потоки включают теплоту уходящих дымовых газов печей и котлов, сточных вод технологических установок и жилищно-коммунального сектора. Тепловые ВЭР делятся на высокотемпературные (с температурой носителя выше 500 °С), среднетемпературные (при температурах от 150 до 500 °С) и низкотемпературные (при температурах ниже 150 °С). При использовании установок, систем, аппаратов небольшой мощности потоки теплоты, отводимые от них, составляют небольшую величину и рассредоточены в пространстве, что затрудняет их утилизацию из-за низкой рентабельности.

Необходимость энергосбережения при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий любого назначения не подлежит сомнению и связана в первую очередь с исчерпанием запасов органического топлива и, как следствие, его непрерывным удорожанием. Особое внимание при этом необходимо уделять сокращению затрат теплоты именно на системы вентиляции и кондиционирования воздуха, поскольку доля этих расходов в общем энергетическом балансе может быть даже выше, чем трансмиссионные теплопотери, в первую очередь в общественных и промышленных зданиях и после повышения теплозащиты наружных ограждений .

Одно из наиболее перспективных, малозатратных и быстроокупаемых энергосберегающих мероприятий в системах механической вентиляции и кондиционирования — это утилизация теплоты вытяжного воздуха для частичного подогрева притока в холодный период года. Для осуществления теплоутилизации используются аппараты различных конструкций, в т.ч. пластинчатые перекрестноточные рекуперативные теплообменники и регенераторы с вращающимся ротором, а также устройства с так называемыми тепловыми трубами (термосифоны).

Однако можно показать, что в условиях сложившегося в РФ уровня цен на вентиляционное оборудование и, главным образом, ввиду практического отсутствия собственного производства перечисленных типов устройств, с техникоэкономической точки зрения целесообразно рассматривать утилизацию теплоты только на базе аппаратов с промежуточным теплоносителем. Такая конструкция, как известно, обладает целым рядом преимуществ .

Во-первых, для ее реализации используется серийное оборудование, поскольку здесь приточная установка дополняется только калорифером-утилизатором, а вытяжная — охладителем-утилизатором, которые конструктивно аналогичны обычным калориферам и охладителям. Это особенно существенно, поскольку в РФ имеется ряд предприятий, ведущих собственное производство рассматриваемых изделий, в т.ч. такие крупные, как ООО «Веза ».

Кроме того, теплоутилизационное оборудование данного типа очень компактно, а соединение приточного и вытяжного агрегатов только через циркуляционный контур с промежуточным теплоносителем позволяет выбирать место для их размещения практически независимо друг от друга. В качестве теплоносителя обычно используются низкозамерзающие жидкости типа антифризов, причем небольшой объем циркуляционного контура позволяет пренебречь затратами на антифриз, а герметичность контура и нелетучесть антифриза делают второстепенным вопрос о его токсичности.

Наконец, отсутствие непосредственного контакта потоков подаваемого и удаляемого воздуха не накладывает ограничений на чистоту вытяжки, что практически безгранично расширяет группу зданий и помещений, где можно применять теплоутилизацию. В качестве недостатка обычно указывают не слишком высокую температурную эффективность, не превышающую 50-55% .

Но это как раз тот случай, когда вопрос о целесообразности использования теплоутилизации должен решаться технико-экономическим расчетом, о чем мы и будем говорить далее в нашей статье. Можно показать, что срок окупаемости дополнительных капитальных затрат по устройству теплоутилизации с промежуточным теплоносителем не превышает трех-четырех лет.

Это особенно существенно в условиях нестабильной рыночной экономики с заметно меняющимся уровнем цен на оборудование и тарифов на энергетические ресурсы, что не позволяет применять капиталоемкие инженерные решения. Однако остается открытым вопрос об экономически наиболее целесообразной температурной эффективности такого теплоутилизационного оборудования k эф, т.е. доли теплоты, затрачиваемой на подогрев притока за счет теплоты вытяжного воздуха, по отношению к общей тепловой нагрузке. Обычно используемые значения данного параметра лежат в диапазоне от 0,4 до 0,5. Сейчас мы покажем, на каком основании приняты указанные значения.

Эта проблема будет рассмотрена на примере приточно-вытяжной вентиляционной установки производительностью 10 000 м 3 /ч, использующей оборудование ООО «Веза». Данная задача является оптимизационной, поскольку сводится к выявлению значения k эф, обеспечивающего минимум совокупных дисконтированных затрат СДЗ на устройство и эксплуатацию вентиляционного оборудования.

Расчет следует вести при условии использования заемных средств на сооружение вентустановок и приведения СДЗ к концу рассматриваемого временного интервала Т по следующей формуле :

где К — общие капитальные затраты, руб; Э — суммарные годовые эксплуатационные издержки, руб/год; p — норма дисконта, %. При вычислениях ее можно принимать равной ставке рефинансирования ЦБ РФ. С 15 января 2004 г. эта величина равна 14% годовых. В данном случае удается исследовать задачу в достаточно полном объеме сравнительно элементарными средствами, поскольку все составляющие затрат легко учитываются и достаточно просто вычисляются.

Впервые решение этой задачи было опубликовано автором в работе для уровня цен и тарифов, действовавших на тот момент. Однако, как легко будет убедиться, при пересчете на более поздние данные основные выводы сохраняют свою силу. Одновременно мы покажем, как следует осуществлять сам технико-экономический расчет при необходимости выбора оптимального варианта инженерного решения, поскольку все другие задачи будут отличаться только определением величины К.

Но это легко делается по каталогам и прайслистам предприятий-производителей соответствующего оборудования. В нашем примере капитальные затраты определялись по данным компании «Веза», исходя из производительности и принятого набора секций приточной и вытяжной установок: передняя панель с одним вертикальным клапаном,фильтр ячейковый класса G3, вентиляторный блок; кроме того, в приточной установке также дополнительно воздухонагреватель системы теплоутилизации и догревающий калорифер с теплоснабжением от теплосети, а в вытяжной — воздухоохладитель системы теплоутилизации, а также циркуляционный насос.Схема такой установки показана на рис. 1. Расходы на монтаж и наладку вентиляционных агрегатов принимались в размере 50% от основных капиталовложений.

Затраты на теплоутилизационное оборудование и догревающий калорифер вычислялись по результатам расчетов на ЭВМ по программам компании «Веза» в зависимости от эффективности утилизатора. При этом с ростом эффективности величина К растет, поскольку число рядов трубок теплообменников системы утилизации увеличивается быстрее (для k эф = = 0,52 — до 12 в каждой установке), чемсокращается число рядов догревающего калорифера (с 3 до 1 в тех же условиях).

Эксплуатационные издержки складываются из годовых затрат соответственно на тепловую и электрическую энергию и амортизационные отчисления. При их расчете продолжительность работы установки в течение суток в расчетах принималась равной 12 ч, температура воздуха за догревающим калорифером +18°С, а после теплоутилизатора — в зависимости от k эф через среднюю наружную температуру за отопительный период и температуру вытяжного воздуха.

Последняя по умолчанию равна +24,7°С (программа подбора теплоутилизаторов ООО «Веза»). Тариф на тепловую энергию принимался по данным ОАО «Мосэнерго» на середину 2004 г. в размере 325 руб/Гкал (для бюджетных потребителей). Очевидно, что с ростом k эф величина затрат на тепловую энергию уменьшается, что, вообще говоря, и является целью теплоутилизации.

Затраты на электроэнергию рассчитываются через электрическую мощность, требуемую для привода циркуляционного насоса системы теплоутилизации и вентиляторов приточной и вытяжной установок. Эта мощность определяется, исходя из потерь давления в циркуляционном контуре, плотности и расхода промежуточного теплоносителя, а также аэродинамического сопротивления вентиляционных установок и сетей. Все перечисленные величины, кроме плотности теплоносителя, принятой равной 1200 кг/м 3 , вычисляются по программам подбора теплоутилизационного и вентиляционного оборудования ООО «Веза». Кроме того, в выражениях для мощности участвуют также коэффициенты полезного действия применяемых насосов и вентиляторов.

В расчетах использовались средние значения: 0,35 для насосов типа GRUNDFOS с мокрым ротором и 0,7 для вентиляторов типа RDН. Тариф на электроэнергию учитывался по данным ОАО «Мосэнерго» на середину 2004 г. в размере 1,17 руб/(кВт ֹч). При увеличении k эф уровень затрат на электроэнергию возрастает, поскольку с ростом числа рядов утилизационных теплообменников повышается их сопротивление потоку воздуха, а также потери давления в циркуляционном контуре промежуточного теплоносителя.

Однако в целом данная составляющая расходов существенно меньше затрат на тепловую энергию. Амортизационные отчисления также возрастают с увеличением k эф постольку, поскольку при этом увеличиваются капитальные затраты. Расчет этих отчислений проводится исходя из обеспечения затрат на полное восстановление, капитальный и текущий ремонт оборудования, с учетом расчетного срока службы оборудования ТАМ, принятого при вычислениях равным 15 годам.

В целом, однако, суммарные эксплуатационные затраты с ростом эффективности утилизации уменьшаются. Поэтому возможно существование минимума СДЗ при том или ином уровне k эф и фиксированном значении Т. Результаты соответствующих расчетов показаны на рис. 2. На графиках легко можно видеть, что минимум на кривой СДЗ появляется практически при любом горизонте расчета, который по смыслу задачи равен требуемому сроку окупаемости.

Это означает, что при существующих ценах на оборудование и тарифах на энергетические ресурсы любые, даже самые незначительные капиталовложения в теплоутилизацию окупаются, и достаточно быстро. Поэтому утилизация теплоты с промежуточным теплоносителем оправдана практически всегда. С ростом предполагаемого срока окупаемости минимум на кривой СДЗ быстро смещается в область более высокой эффективности, достигая 0,47 при Т = Т АМ = 15 лет.

Понятно, что оптимальным значением k эф для принятого срока окупаемости будет то, при котором наблюдается минимум СДЗ. График зависимости такого оптимального значения k эф от Т приведен на рис. 3. Поскольку более длительный срок окупаемости, превышающий расчетный срок службы оборудования, вряд ли оправдан, следует, видимо, остановиться на уровне k эф = 0,4-0,5, тем более что при дальнейшем росте Т увеличение оптимальной эффективности резко замедляется.

Кроме того, следует учесть, что рассматриваемый способ теплоутилизации при любой поверхности теплообмена и расходе теплоносителя вообще принципиально не может обеспечить величину k эф выше 0,52-0,55, что и подтверждается расчетом по программе компании «Веза». Если принять тариф на тепловую энергию как для коммерческих потребителей в размере 547 руб/Гкал, снижение годовых издержек за счет теплоутилизации будет выше, поэтому график на рис. 3 показывает верхний предел возможного срока окупаемости.

Таким образом, указанный диапазон значений k эф от 0,4 до 0,5 находит полное технико-экономическое обоснование. Поэтому основной практической рекомендацией по итогам приведенного исследования является возможно более широкое использование утилизации теплоты вытяжного воздуха с промежуточным теплоносителем в любых зданиях, где предусматривается механическая приточно-вытяжная вентиляция и кондиционирование воздуха, с выбором коэффициента температурной эффективности, близкого к максимально возможному для данного типа установок. Другой рекомендацией является обязательный для рыночной экономики учет дисконтирования капитальных и эксплуатационных затрат при технико-экономическом сравнении вариантов инженерных решений по формуле (1).

При этом, если сравниваются только два варианта, как это чаще всего и бывает, удобно сравнивать только дополнительные затраты и считать, что в первом случае К = 0, а во втором, наоборот, Э = 0, а К равно дополнительным вложениям в мероприятия, целесообразность которых обосновывается. Тогда вместо Э в первом варианте нужно использовать разность годовых издержек по вариантам. После этого строятся графики зависимости СДЗ от Т, и в точке их пересечения определяется расчетный срок окупаемости.

Если он оказывается выше Т АМ, или графики вообще не пересекаются, мероприятия экономически необоснованы. Полученные результаты имеют весьма общий характер, поскольку зависимость изменения капитальных затрат от степени утилизации теплоты при существующей ситуации на рынке мало связана с конкретным производителем вентиляционного оборудования, а основное влияние на эксплуатационные издержки вообще оказывают только затраты тепловой и электрической энергии.

Поэтому предлагаемые рекомендации могут быть использованы при принятии экономически обоснованных решений по энергосбережению в любых системах механической вентиляции и кондиционирования воздуха. Кроме того, данные результаты имеют простой и инженерный вид и легко допускают уточнение при изменении действующих цен и тарифов.

Необходимо также заметить, что получающийся в приведенных расчетах срок окупаемости, в зависимости от принятого k эф достигающий величины 15 лет, т.е. вплоть до ТАМ, является в некотором отношении предельным, возникающим при учете всех капитальных затрат. Если же учитывать только дополнительные капиталовложения непосредственно в теплоутилизацию, срок окупаемости действительно сокращается до 3-4 лет, как и было указано выше.

Следовательно, утилизация теплоты вытяжного воздуха с промежуточным теплоносителем действительно является малозатратным и быстроокупаемым мероприятием и заслуживает самого широкого применения в условиях рыночной экономики.

1. О.Д. Самарин. О нормировании тепловой защиты зданий. Журнал «С.О.К.», №6/2004.
2. О.Я. Кокорин. Современные системы кондиционирования воздуха.- М.: «Физматлит», 2003.
3. В.Г. Гагарин. О недостаточной обоснованности повышенных требований к теплозащите наружных стен зданий. (Изменения №3 СНиП II-3–79). Сб. докл. 3-й конф. РНТОС 23–25 апреля 1998 г.
4. О.Д. Самарин. Экономически целесообразная эффективность теплоутилизаторов с промежуточным теплоносителем. Монтажные и специальные работы в строительстве, №1/2003.
5. СНиП 23-01–99* «Строительная климатология».- М:ГУП ЦПП, 2004.

Затраты теплоты на подогрев санитарной нормы приточного наружного воздуха при современных методах теплозащиты ограждающих конструкций составляют в жилых домах до 80 % тепловой нагрузки на отопительные приборы, а в общественно-административных зданиях - более 90%. Поэтому энергосберегающие системы отопления в современных конструкциях зданий могут быть созданы только при условии

утилизации теплоты вытяжного воздуха на нагрев санитарной нормы приточного наружного воздуха.

Также успешен опыт применения в административном здании в Москве установки утилизации с насосной циркуляцией промежуточного теплоносителя - антифриза.

При расположении приточных и вытяжных агрегатов на расстоянии более 30 м друг от друга система утилизации с насосной циркуляцией антифриза является наиболее рациональной и экономичной. В случае расположения их рядом возможно еще более эффективное решение. Так в климатических районах с мягкими зимами, когда температура наружного воздуха не опускаются ниже -7 °С, широко применяются пластинчатые теплоутилизаторы.

На рис. 1 показана конструктивная схема пластинчатого рекуперативного (теплоотдача осуществляется через разделительную стенку) теплоутилизационного теплообменника. Здесь показан (рис. 1, а) «воздухо-воздушный» теплоутилизатор, собранный из пластинчатых каналов, которые могут изготавливаться из тонкой листовой оцинкованной стали, алюминия и др.

Рисунок 1. а - пластинчатые каналы, в которых сверху над разделительными стенками каналов поступает вытяжной воздух L y , а горизонтально-приточный наружный воздух L п.н; б - трубчатые каналы, в которых сверху в трубках проходит вытяжной воздух L y , а горизонтально в межтрубном пространстве проходит приточный наружный воздух L п.н

Пластинчатые каналы заключаются в кожух, имеющий фланцы для присоединения к приточным и вытяжным воздуховодам.

На рис. 1, б показан «воздухо-воздушный» теплообменник из трубчатых элементов, которые могут быть также изготовлены из алюминия, оцинкованной стали, пластмассы, стекла и др. Трубы закрепляются в верхние и нижние трубные решетки, что формирует каналы для прохода вытяжного воздуха. Боковые стенки и трубные решетки образуют каркас теплообменника, с открытыми фасадными сечениями, которые присоединяются к воздуховоду поступления приточного наружного воздуха L п.н.

Благодаря развитой поверхности каналов и устройства в них турбулизирующих воздух насадок в таких «воздухо-воздушных» теплообменниках достигается высокая теплотехническая эффективность θ t п.н (до 0,75), и это является главным достоинством таких аппаратов.

Недостатком этих рекуператоров является необходимость предподогрева приточного наружного воздуха в электрокалориферах до температуры не ниже -7 °С (во избежание замерзания конденсата на стороне влажного вытяжного воздуха).

На рис. 2 показана конструктивная схема приточно-вытяжного агрегата с пластинчатым утилизатором теплоты вытяжного воздуха L у на нагрев приточного наружного воздуха L п.н. Приточный и вытяжной агрегаты выполняются в едином корпусе. Первыми на входе приточного наружного L п.н и удаляемого вытяжного L у воздуха установлены фильтры 1 и 4. Оба очищенных потока воздуха от работы приточного 5 и вытяжного 6 вентиляторов проходят через пластинчатый теплоутилизатор 2, где энергия отепленного вытяжного воздуха L у передается холодному приточному L п.н.

Рисунок 2. Конструктивная схема приточного и вытяжного агрегатов с пластинчатым утилизатором, имеющим обводной воздушный канал по приточному наружному воздуху: 1 - воздушный фильтр в приточном агрегате; 2 - пластинчатый утилизационный теплообменник; 3 - фланец присоединения воздушного тракта поступления вытяжного воздуха; 4 - фильтр карманный для очистки вытяжного воздуха L у; 5 - приточный вентилятор с электродвигателем на одной раме; 6 - вытяжной вентилятор с электродвигателем на одной раме; 7 - поддон сбора из каналов прохождения вытяжного воздуха сконденсированной влаги; 8 - трубопровод отвода конденсата; 9 - обводной воздушный канал для прохода приточного воздуха L п.н; 10 - автоматический привод воздушных клапанов в обводном канале; 11 - калорифер догрева приточного наружного воздуха, питаемый горячей водой

Как правило, вытяжной воздух имеет повышенное влагосодержание и температуру точки росы не ниже +4 °С. При поступлении в каналы теплоутилизатора 2 холодного наружного воздуха с температурой ниже +4 °С на разделительных стенках установится температура, при которой на части поверхности каналов со стороны движения удаляемого вытяжного воздуха будет происходить конденсация водяных паров.

Образовавшийся конденсат под воздействием потока воздуха L у, будет интенсивно стекать в поддон 7, откуда по присоединенному к патрубку 8 трубопроводу отводится в канализацию (или бак-накопитель).

Для пластинчатого утилизатора характерно следующее уравнение теплового баланса переданной теплоты к наружному приточному воздуху:

где Q ту - утилизируемая приточным воздухом теплоэнергия; L у, L п.н - расходы отепленного вытяжного и наружного приточного воздуха, м 3 /ч; ρ у, ρ п.н - удельные плотности отепленного вытяжного и наружного приточного воздуха, кг/м 3 ; I y 1 и I y 2 - начальная и конечная энтальпия отепленного вытяжного воздуха, кДж/кг; t н1 и t н2 , с р - начальные и конечные температуры, °С, и теплоемкость, кДж/(кг · °С), наружного приточного воздуха.

При низких начальных температурах наружного воздуха t н.х ≈ t н1 на разделительных стенках каналов выпадающий из вытяжного воздуха конденсат не успевает стекать в поддон 7, а замерзает на стенках, что приводит к сужению проходного сечения и увеличивает аэродинамическое сопротивление проходу вытяжного воздуха. Это увеличение аэродинамического сопротивления воспринимается датчиком, который передает команду на привод 10 на открытие воздушных клапанов в обводном канале (байпасе) 9.

Испытания пластинчатых утилизаторов в климате России показали, что при снижении температуры наружного воздуха до t н.х ≈ t н1 ≈ -15 °С, воздушные клапаны в байпасе 9 полностью открыты и весь приточный наружный воздух L п.н проходит, минуя пластинчатые каналы теплоутилизатора 2.

Нагрев приточного наружного воздуха L п.н от t н.х до t п.н осуществляется в калорифере 11, питаемом горячей водой из центрального источника теплоснабжения. В этом режиме Q ту, вычисляемое по уравнению (9.10), равно нулю, так как через присоединенный теплоутилизатор 2 проходит только вытяжной воздух и I y 1 ≈ I y 2 , т.е. утилизация теплоты отсутствует.

Вторым методом предотвращения замерзания конденсата в каналах теплообменника 2 является электрический предподогрев приточного наружного воздуха от t н.х до t н1 = -7 °С. В расчетных условиях холодного периода года в климате Москвы холодный приточный наружный воздух в электрокалорифере нужно нагревать на ∆t т.эл = t н1 - t н.х = -7 + 26 = 19 °С. Нагрев приточного наружного воздуха при θ t п.н = 0,7 и t у1 = 24 °С составит t п.н = 0,7 · (24 + 7) - 7 = 14,7 °С или ∆t т.у = 14,7 + 7 = 21,7 °С.

Расчет показывает, что в этом режиме нагрев в теплоутилизаторе и в калорифере практически одинаков. Использование байпаса или электрического предподогрева значительно снижает теплотехническую эффективность пластинчатых теплообменников в системах приточно-вытяжной вентиляции в климате России.

Для устранения этого недостатка отечественными специалистами разработан оригинальный метод быстрого периодического размораживания пластинчатых теплоутилизаторов путем подогрева удаляемого вытяжного воздуха, обеспечивающий надежную и энергоэффективную круглогодовую работу агрегатов.

На рис. 3 показана принципиальная схема установки утилизации теплоты вытяжного воздуха X на нагрев приточного наружного воздуха L п.н с быстрым устранением обмерзания каналов 2 для улучшения прохода удаляемого воздуха через пластинчатый теплоутилизатор 1.

Воздуховодами 3 теплоутилизатор 1 соединен с трактом прохождения приточного наружного воздуха L п.н, а воздуховодами 4 с трактом прохождения удаляемого вытяжного воздуха L у.

Рисунок 3. Принципиальная схема применения пластинчатого теплоутилизатора в климате России: 1 - пластинчатый теплоутилизатор; 2 - пластинчатые каналы для прохода холодного приточного наружного воздуха L п.н и теплого вытяжного удаляемого воздуха L у; 3 - присоединительные воздуховоды прохода приточного наружного воздуха L п.н; 4 - присоединительные воздуховоды прохода удаляемого вытяжного воздуха L у; 5 - калорифер в потоке удаляемого воздуха L у на входе в каналы 2 пластинчатого теплообменника 1,6- автоматический клапан на трубопроводе подачи горячей воды G w г; 7 - электрическая связь; 8 - датчик контроля сопротивления воздушного потока в каналах 2 для прохода вытяжного воздуха L у; 9 - отвод конденсата

При низких температурах приточного наружного воздуха (t н1 = t н. x ≤ 7 °С) через стенки пластинчатых каналов 2 теплота от вытяжного воздуха передается полностью теплоте, отвечающей уравнению теплового баланса [см. формулу (1)]. Снижение температуры вытяжного воздуха происходит с обильной конденсацией влаги на стенках пластинчатых каналов. Часть конденсата успевает стечь из каналов 2 и по трубопроводу 9 удаляется в канализацию (или бак-накопитель). Однако большая часть конденсата замерзает на стенках каналов 2. Это вызывает возрастание перепада давления ∆Р у в потоке удаляемого воздуха, замеряемого датчиком 8.

При возрастании ∆Р у до настроенной величины от датчика 8 через проводную связь 7 последует команда на открытие автоматического клапана 6 на трубопроводе подачи горячей воды G w г в трубки калорифера 5, установленного в воздуховоде 4 поступления удаляемого вытяжного воздуха в пластинчатый утилизатор 1. При открытом автоматическом клапане 6 в трубки калорифера 5 поступит горячая вода G w г, что вызовет повышение температуры удаляемого воздуха t y 1 до 45-60 °С.

При прохождении по каналам 2 удаляемого воздуха с высокой температурой произойдет быстрое оттаивание со стенок каналов наледей и образующийся конденсат по трубопроводу 9 стечет в канализацию (или в бак-накопитель конденсата).

После оттайки наледей перепад давлений в каналах 2 понизится и датчик 8 через связь 7 подаст команду на закрытие клапана 6 и подача горячей воды в калорифер 5 прекратится.

Рассмотрим процесс утилизации теплоты на I-d диаграмме, представленный на рис. 4.

Рисунок 4. Построение на I-d-диаграмме режима работы в климате Москвы установки утилизации с пластинчатым теплообменником и размораживанием его по новому методу (по схеме на рис. 3). У 1 -У 2 - расчетный режим извлечения теплоты из вытяжного удаляемого воздуха; Н 1 - Н 2 - нагрев утилизируемой теплотой приточного наружного воздуха в расчетном режиме; У 1 - У под 1 - нагрев вытяжного воздуха в режиме размораживания от наледей пластинчатых каналов прохождения удаляемого воздуха; У 1. раз - начальные параметры удаляемого воздуха после отдачи теплоты на оттаивание наледей на стенках пластинчатых каналов; H 1 -Н 2 - нагрев приточного наружного воздуха в режиме размораживания пластинчатого утилизационного теплообменника

Проведем оценку влияния метода размораживания пластинчатых теплоутилизаторов (по схеме на рис. 3) на теплотехническую эффективность режимов утилизации теплоты вытяжного воздуха на следующем примере.

ПРИМЕР 1. Исходные условия: В крупном московском (t н.х = -26 °С) производственно-административном здании в системе приточно-вытяжной вентиляции смонтирована теплоутилизационная установка (ТУУ) на базе рекуперативного пластинчатого теплообменника (с показателем θ t п.н = 0,7). Объем и параметры удаляемого вытяжного воздуха в процессе охлаждения составляют: L у = 9000 м 3 /ч, t у1 = 24 °С, I y 1 = 40 кДж/кг, t р.у1 = 7 °С, d у1 = 6,2 г/кг (см. построение на I-d-диаграмме на рис. 4). Расход приточного наружного воздуха L п.н = 10 000 м 3 /ч. Размораживание теплоутилизатора производится методом периодического повышения температуры удаляемого воздуха, как это показано на схеме рис. 3.

Требуется: Установить теплотехническую эффективность режимов утилизации теплоты с использованием нового метода периодической оттайки пластин аппарата.

Решение: 1. Вычисляем температуру нагретого утилизируемой теплотой приточного наружного воздуха в расчетных условиях холодного периода года при t н.х = t н1 = -26 °С:

2. Вычисляем количество утилизируемой теплоты за первый час работы установки утилизации, когда обмерзание пластинчатых каналов не повлияло на теплотехническую эффективность, но повысило аэродинамическое сопротивление в каналах прохождения удаляемого воздуха:

3. Через час работы ТУУ в расчетных зимних условиях на стенках каналов накопился слой инея, который вызвал повышение аэродинамического сопротивления ∆Р у. Определим возможное количество льда на стенках каналов прохода вытяжного воздуха через пластинчатый теплоутилизатор, образованного в течение часа. Из уравнения теплового баланса (1) вычислим энтальпию охлажденного и осушенного вытяжного воздуха:

Для рассматриваемого примера по формуле (2) получим:

На рис. 4 представлено построение на I-d-диаграмме режимов нагрева приточного наружного воздуха (процесс H 1 - H 2) утилизируемой теплотой вытяжного воздуха (процесс У 1 -У 2). Построением на I-d-диаграмме получены остальные параметры охлажденного и осушенного вытяжного воздуха (см. точку У 2): t у2 = -6,5 °С, d у2 = 2,2 г/кг.

4. Количество выпавшего из вытяжного воздуха конденсата вычисляется по формуле:

По формуле (4) вычисляем количество холода, затраченного на понижение температуры льда: Q = 45 · 4,2 · 6,5/3,6 = 341 Вт · ч. На образование льда затрачивается следующее количество холода:

Общее количество энергии, идущей на образование наледей на разделительной поверхности пластинчатых теплоутилизаторов, составит:

6. Из построения на I-d-диаграмме (рис. 4) видно, что при противоточном движении по пластинчатым каналам приточного L п.н и вытяжного L у воздушных потоков на входе в пластинчатый теплообменник наиболее холодного наружного воздуха по другую сторону разделительных стенок пластинчатых каналов проходит охлажденный до отрицательных температур вытяжной воздух. Именно в этой части пластинчатого теплообменника и наблюдаются интенсивные образования наледей и инея, которые будут перекрывать каналы для прохода вытяжного воздуха. Это вызовет повышение аэродинамического сопротивления.

Датчик контроля при этом подаст команду на открытие автоматического клапана поступления горячей воды в трубки теплообменника, смонтированного в вытяжном воздуховоде до пластинчатого теплообменника, что обеспечит нагрев вытяжного воздуха до температуры t у.под.1 = +50 °С.

Поступление горячего воздуха в пластинчатые каналы обеспечило за 10 мин оттайку замерзшего конденсата, который в жидком виде удаляется в канализацию (в бак-накопитель). За 10 мин нагрева вытяжного воздуха затрачено следующее количество теплоты:

или по формуле (5) получим:

7. Подведенная в калорифере 5 (рис. 3) теплота частично расходуется на растаивание наледей, что по расчетам в п. 5 потребует Q т.рас = 4,53 кВт · ч теплоты. На передачу теплоты к приточному наружному воздуху из затраченной теплоты в калорифере 5 на нагрев вытяжного воздуха останется теплоты:

8. Температура подогретого вытяжного воздуха после затраты части теплоты на размораживание вычисляется по формуле:

Для рассматриваемого примера по формуле (6) получим:

9. Подогретый в калорифере 5 (см. рис. 3) вытяжной воздух будет способствовать не только размораживанию наледей конденсата, но и увеличению передачи теплоты к приточному воздуху через разделительные стенки пластинчатых каналов. Вычислим температуру нагретого приточного наружного воздуха:

10. Количество теплоты, переданной на нагрев приточного наружного воздуха в течение 10 мин размораживания, вычисляется по формуле:

Для рассматриваемого режима по формуле (8) получим:

Расчет показывает, что в рассматриваемом режиме размораживания нет потерь теплоты, так как часть теплоты подогрева из удаляемого воздуха Q т.у =12,57 кВт · ч переходит на дополнительный догрев приточного наружного воздуха L п.н до температуры t н2.раз = 20,8 °С, вместо t н2 = +9 °С при использовании только теплоты вытяжного воздуха с температурой t у1 = +24 °С (см. п. 1).

ЛЕКЦИЯ

по учебной дисциплине"Тепло-массообменное оборудование предприятий"

(к учебному плану 200__г)

Занятие № 26. Теплообменники – утилизаторы. Конструкции, принцип действия

Разработал: к.т.н., доцент Костылева Е.Е.

Обсуждена на заседании кафедры

протокол № _____

от "_____" ___________2008 г.

Казань - 2008 г.

Занятие № 26 . Теплообменники – утилизаторы. Конструкции, принцип действия

Учебные цели:

1. Изучить конструкции и принцип различных теплообменников утилизаторов

Вид занятия: лекция

Время проведения : 2 часа

Место проведения : ауд. ________

Литература:

1. Электронные ресурсы Internet.

Учебно-материальное обеспечение:

Плакаты, иллюстрирующие учебный материал.

Структура лекции и расчет времени:

Одним из источников вторичных энергоресурсов в здании является тепловая энергия воздуха, удаляемого в атмосферу. Расход тепловой энергии на подогрев поступающего воздуха составляет 40...80% теплопотребления, большая ее часть может быть сэкономлена в случае применения так называемых теплообменников-утилизаторов.

Существуют различные типы теплообменников-утилизаторов.

Рекуперативные пластинчатые теплообменники выполняются в виде пакета пластин, установленных таким образом, что они образуют два смежных канала, по одному из которых движется удаляемый, а по другому - приточный наружный воздух. При изготовлении пластинчатых теплообменников такой конструкции с большой производительностью по воздуху возникают значительные технологические трудности, поэтому разработаны конструкции кожухотрубных теплообменников-утилизаторов ТКТ, представляющих собой пучок труб, расположенных в шахматном порядке и заключенных в кожух. Удаляемый воздух движется в межтрубном пространстве, наружный - внутри трубок. Движение потоков перекрестное.

Рис. 1 Теплообменники- утилизаторы:
а - пластинчатый утилизатор; б - утилизатор ТКТ;в - вращающийся; г - рекуперативный;
1 - корпус; 2 - приточный воздух; 3 - ротор; 4 - сектор продувной; 5 - вытяжной воздух; 6 - привод.

С целью предохранения от обледенения теплообменники снабжены дополнительной линией по ходу наружного воздуха, через которую при температуре стенок трубного пучка ниже критической (-20°С) перепускается часть холодного наружного воздуха.

Установки утилизации тепла вытяжного воздуха с промежуточным теплоносителем могут применяться системах механической приточно-вытяжной вентиляции, а также в системах кондиционирования воздуха. Установка состоит из расположенного в приточном и вытяжном каналах воздухонагревателя, соединенного замкнутым циркуляционным контуром, заполненным промежуточным носителем. Циркуляция теплоносителя осуществляется посредством насосов. Удаляемый воздух, охлаждаясь в воздухонагревателе вытяжного канала, передает тепло промежуточному теплоносителю, нагревающему приточный воздух. При охлаждении вытяжного воздуха ниже температуры точки росы на части теплообменной поверхности воздухонагревателей вытяжного канала происходит конденсация водяного пара, что приводит к возможности образования наледи при отрицательных начальных температурах приточного воздуха.

Установки утилизации тепла с промежуточным теплоносителем могут работать либо в режиме, допускающем образование наледи на теплообменной поверхности вытяжного воздухонагревателя в течение суток при последующем отключении и оттаивании, либо, если отключение установки недопустимо, при применении одного из следующих мероприятий по защите воздухонагревателя вытяжного канала от образования наледи:

• предварительного нагрева приточного воздуха до положительной температуры;
• создание байпаса по теплоносителю или приточному воздуху;
• увеличения расхода теплоносителя в циркуляционном контуре;
• подогрева промежуточного теплоносителя.

Выбор типа регенеративного теплообменника производят в зависимости от расчетных параметров удаляемого и приточного воздуха и влаговыделений внутри помещения. Регенеративные теплообменники могут устанавливаться в зданиях различного назначения в системах механической приточно-вытяжной вентиляции, воздушного отопления и кондиционирования воздуха. Установка регенеративного теплообменника должна обеспечивать противоточное движение воздушных потоков.

Систему вентиляции и кондиционирования воздуха с регенеративным теплообменником необходимо оснастить средствами контроля и автоматического регулирования, которые должны обеспечивать режимы работы с периодическим оттаиванием инея или предотвращением инееобразования, а также поддерживать требуемые параметры приточного воздуха. Для предупреждения инееобразования по приточному воздуху:

• устраивают обводной канал;
• предварительно подогревают приточный воздух;
• изменяют частоту вращения насадки регенератора.

В системах с положительными начальными температурами приточного воздуха при утилизации тепла нет опасности замерзания конденсата на поверхности теплообменника в вытяжном канале. В системах с отрицательными начальными температурами приточного воздуха необходимо применять схемы утилизации, обеспечивающие защиту от обмерзания поверхности воздухонагревателей в вытяжном канале.

Теплообменники-утилизаторы могутт быть использованы в системах вентиляции и кондиционирования воздуха для утилизации теплоты удаляемого из помещения вытяжного воздуха.

Потоки приточного и вытяжного воздуха подводят через соответствующие входные патрубки в перекрестноточные каналы теплообменного блока, выполненного, например, в виде пакета алюминиевых пластин. При движении потоков по каналам происходит передача теплоты через стенки от более теплого вытяжного воздуха к более холодному, приточному. Затем эти потоки выводят из теплообменника через соответствующие выходные патрубки.

По мере прохождения через теплообменник температура приточного воздуха снижается. При низкой температуре наружного воздуха она может достигнуть температуры точки росы, что ведёт к выпадению капельной влаги (конденсата) на поверхности, ограничивающие каналы теплообменника. При отрицательной температуре этих поверхностей конденсат превращается в иней или лёд, что естественно нарушает работу теплообменника. Для предотвращения образования инея или льда или их удаления в процессе работы данного теплообменника измеряют температуру в самом холодном углу теплообменника или (как вариант) разность давлений в канале вытяжного воздуха до и после теплообменного блока. При достижении предельного, заранее заданного значения измеряемым параметром теплообменный блок поворачивается на 180" вокруг своей центральной оси. Таким образом обеспечивается снижение аэродинамического сопротивления, затрат времени на предотвращение образования инея или его удаление и использование при этом всей теплообменной поверхности.

Задача заключается в снижении аэродинамического сопротивления потоку приточного воздуха, использование для процесса теплообмена всей поверхности теплообменника при проведении процесса предотвращения образования инея или его удаления, а также уменьшение затрат времени на проведение указанного процесса.

Достижению указанного технического результата способствует то, что параметром, по которому судят о возможности образования или наличии инея на поверхности холодной зоны теплообменника, служит либо температура его поверхности в самом холодном углу, либо разность давлений в канале вытяжного воздуха до и после теплообменного блока.

Предотвращение образования инея посредством нагрева поверхности подводимым в каналы с их выходной стороны при помощи поворота теплообменника на угол 180 о потоком вытяжного воздуха (при достижении измеряемым параметром предельного значения) обеспечивает постоянное аэродинамическое сопротивление потоку приточного воздуха, а также использование для теплообмена всей поверхности теплообменника в течение всего времени его работы.

Использование теплообменника-утилизатора дает заметную экономию средств на отопление помещений и снижает потери тепла, неотвратимо существующие при вентиляции и кондиционировании. А за счёт принципиально нового подхода к предупреждению образования конденсата с последующим появлением инея или льда, их полному удалению, значительно повышается эффективность работы данного утилизатора, что выгодно отличает его от других средств утилизации тепла вытяжного воздуха.