Методы расчета тепловых процессов в стационарном переключающемся регенеративном теплоутилизаторе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат технических наук Васильев, Владимир Анатольевич

• Васильев, Владимир Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Васильев, Владимир Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

1. Обзор литературных источников. Цели и задачи исследования.

1.1. Требования, предъявляемые к локальным системам кондиционирования и вентиляции.

1.2. Конструкция и принципы работы регенеративных теплоутилизаторов в системах кондиционирования воздуха.

1.3. Обзор методов расчета и результатов экспериментальных исследований регенеративных теплообменников.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы расчета тепловых процессов в стационарном переключающемся регенеративном теплоутилизаторе»

Одним из условий для нормальной жизнедеятельности человека является обеспечение необходимых санитарно-гигиенических норм в жилых и производственных помещениях. Параметры микроклимата (газовый состав, температура, влажность, концентрация аэрозолей, скорость движения воздуха) оказывают влияние на самочувствие человека и его работоспособность. Для поддержания параметров микроклимата на требуемом или приемлемом уровне, примёняют разные системы кондиционирования воздуха.

Согласно нормативным документам [22, 72, 73], оптимальными условиями пребывания человека в жилых и производственных помещениях является температура 20-22°С при относительной влажности в 35-45% и скорости движения воздуха не боле 0,2 м/с.

Современные системы отопления вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК) являются сложными инженерными объектами, интегрированными в домовые, квартальные и городские энергетические и коммуникационные системы [82]. Капитальные затраты на устройство таких систем согласно [73], достигают 20% от общей стоимости зданий, а эксплуатационные - 25 - 40% общей стоимости эксплуатации [75]. В современных системах жизнеобеспечения для экономии энергии активно используются вторичные энергетические ресурсы, такие, как теплота удаляемого из помещения воздуха [40, 68].

Существует два основных способа использования теплового потенциала вентиляционных выбросов, рециркуляция удаляемого воздуха и теплоутилизация с использованием теплообменных аппаратов. Рециркуляция вентиляционных потоков во многих случаях ограничена санитарными нормами и не допускается, если в удаляемом воздухе содержатся вредные примеси. Вследствие этого при вентиляции бытовых и офисных помещений, наибольшее распространение получили воздушные теплообменники разных конструкций, использующие принцип регенерации или рекуперации теплоты [6, 37].

В процессе работы регенеративных (от латинского regenero — вновь произвожу) теплоутилизаторов одна и та же поверхность насадки попеременно омывается теплым и холодным потоками газов. Процесс аккумуляции тепла происходит в период времени, когда удаляемый из помещения теплый воздух обдувает более холодную насадку. При смене направления подачи воздуха происходит процесс регенерации теплоты, т.е. поступающий в помещение из окружающей среды воздух подогревается более теплой насадкой.

Применение регенеративных теплообменников позволяет снизить потребление энергии до 60% при сравнительно невысоких капитальных вложениях [7, 36, 44]. В связи с этим, при совершенствовании систем теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха значительное внимание необходимо уделить тепловой эффективности и оптимизации конструкции таких регенераторов [28, 45].

Потребность в энергоэффективных системах кондиционирования и вентиляции определяет необходимость детального рассмотрения нестационарного процесса теплообмена, характерного для регенеративного теплоутилизатора [59, 77]. Нужно отметить, что большинство исследований теплоутилизаторов представленных в литературе касаются в основном процессов, имеющих место в рекуперативных и регенеративных установках, применяемых на промышленном производстве [27]. Особенностями таких теплообменников является работа в условиях значительной разности температур и давлений, высокой агрессивности сред, а также большого расхода теплоносителя. Все это в большинстве случаев не характерно для бытовых помещений.

В данной- работе представлены результаты расчетных и экспериментальных исследований стационарных переключающихся регенеративных теплоутилизаторов (СПРТ) локальных систем вентиляции воздуха малой производительности.

Первая глава диссертации посвящена обзору литературных источников и содержит доступную информацию о методах расчета СПРТ и экспериментальных данных, полученных для них. Определены главные направления исследования и сформулированы задачи, решение которых необходимо для повышения эффективности систем локальной вентиляции.

Во второй главе приведена математическая модель тепловых процессов в СПРТ. Сформирован разностный аналог дифференциальных уравнений и краевых условий разработанной математической модели. Представлены структура и интерфейс компьютерной программы расчета температурных полей воздуха и насадки, что позволяет оценить влияние основных режимных, конструктивных и теплофизических параметров на тепловую эффективность регенератора.

Следующая третья глава содержит описание экспериментальных стендов, измерительных приборов и систем, а также методики экспериментальных исследований регенеративных теплоутилизаторов с различными теплоаккумулирующими насадками. Приведены результаты тепловых и аэродинамических исследований процесса теплообмена. Выполнен анализ погрешностей измерений. Полученные экспериментальные данные после усреднения результатов измерений представлены в виде диаграмм.

В последней четвертой главе проводится сравнение данных полученных в ходе эксперимента с результатами расчетных исследований выполненных на основе разработанной математической модели реализованной в виде компьютерной программы. Приведены результаты расчетного исследования тепловых процессов в единичном канале регенератора полученные методами вычислительной гидродинамики (CFD в пакете STAR — CD).

В Заключении приведены основные результаты выполненного исследования и даются рекомендации по проектированию СПРТ.

Заключение диссертации по теме «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения», Васильев, Владимир Анатольевич

Основные результаты, выводы и рекомендации.

В работе проведено комплексное теоретическое и экспериментальное исследование стационарного переключающегося регенеративного теплоутилизатора (СПРТ).

1. Разработана методика расчета тепловых процессов в СПРТ, позволяющая вычислять нестационарные температурные поля вентиляционных потоков воздуха и теплоаккумулирующей насадки в широком диапазоне режимных и конструктивных параметров.

2. Разработана модель установившегося циклического движения воздуха в единичном канале, реализованная методами вычислительной гидродинамики в пакете STAR - CD. По результатам расчетных исследований определены коэффициенты теплоотдачи для различных режимов работы СПРТ.

3. Предложенные математические модели и алгоритмы реализованы в среде Visual Basic в виде программного комплекса инженерного расчета СПРТ.

4. Разработана методика экспериментального исследования и проведены исследования двух СПРТ.

5. Сопоставление результатов расчетных и экспериментальных исследований подтвердило адекватность и достоверность моделей, алгоритмов и программ расчета СПРТ.

Анализ результатов экспериментального и расчетного исследований позволяет сформулировать рекомендации по повышению эффективности исследованных теплоутилизаторов:

• Необходимо обеспечить близость расходов приточного и вытяжного воздуха, что может быть достигнуто за счет подбора частот вращения вентилятора или продолжительности циклов регенерации и аккумуляции.

• При определении расходов воздуха через СПРТ необходимо учитывать ветровой напор и влияние предустановленной вытяжной вентиляции.

Для увеличения ассимиляции приточного воздуха в вентилируемом помещении целесообразно в цикле работы вентилятора предусмотреть его остановку (стоянку) между этапами регенерации и аккумуляции.

• При выборе материала исследованных теплоаккумулирующих насадок предпочтительными являются материалы, имеющие высокую плотность и теплоемкость, теплопроводность не оказывает заметного влияния на эффективность СПРТ.

126

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Васильев, Владимир Анатольевич, 2010 год

1. Алексахин A.A. Теплообмен в каналах прямоугольного поперечного сечения.//Автореферат диссертации на соискание уч. степ. канд. наук-Харьков, 1986.- 16 с.

2. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. —М.: Наука, 1976. -888с

3. Альтшуль А. Д., Животовский JI. С., Иванов JI. П., Гидравлика и аэродинамика. —М.: Стройиздат, 1987.-414с.

4. Балкевич В. JI. Техническая керамика, 2 изд., М., 1984.

5. Бараненко А. В., Бухарин Н. Н., Пекарев В. И., Сакун И. А., Тимофеевский JI. С. Холодильные машины. Санкт - Петербург, 1997.

6. Белоногов Н.В., Пронин В.А. Энергоэффективные теплообменники в системах вентиляции// Теплоэнергоэффективные технологии. Информационный бюллетень №3 (32).- 2003. с.41-43.

7. Белова Е. М. Центральные системы кондиционирования воздуха в зданиях.-М.: Евроклимат, 2006.-640с. ,

8. Богословский В. Н., Кокорин О. Я., Петров JI. В. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение.-М.: Строиздат. 1985.-367с.

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

10. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. М.: Энергия, 1973. - 296 с.

11. П.Бурцев С.И., Цветков Ю.Н. Влажный воздух. Состав и свойства — СПб.: СПбГАХПТ, 1998.- 146 с.

12. Бэр Г.Д. Техническая термодинамика: Пер. с нем. — М.: Мир, 1977 —518 с.

13. Васильев В. А., Гаврилов А. И., Каменецкий К. К., Соболь Е. В. Параметрическое исследование регенеративного теплообменника.// Вестник МАХ, 2010, №1, с. 32-35.

14. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.-М.: Гос. изд-во физико-математической литературы, 1963. 780 с.

15. Внутренние санитарно-технические устройства. В Зч. 43. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн.2/Б.В. Баркалов и др.-М.: Стройиздат, 1992.-416с.

16. Воронец Д., Козич Д. Влажный воздух: термодинамические свойства и применение: Пер. с сербохорватского-М.: Энергоатомиздат, 1984. 136 с.

17. Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика. Учебное пособие для вузов М: Машиностроение, 1972. — 672 с.

18. Вукалович М.П., Новиков И.И. Техническая термодинамика. M.-JL: Гос. энергетическое изд-во, 1955. - 336 с.

19. Гоголин A.A. Об оптимизации работы установок кондиционирования воздуха//Холодильная техника, 1982, № 6. — с. 9-12.

20. Грин X., Лейн В. Аэрозоли пыли, дымы и туманы. 2-е изд.: Пер. с англ. -JL: Химия, 1972 - 428 с.

21. ГОСТ 12.1.005-88. «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.»

22. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд, перераб. и доп. - JL: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние. 1988.-304с.

23. Давыдов Ю. С., Нефелов С. В. Техника автоматического регулирования в системах вентиляции и кондиционирования воздуха. -М.: Стройиздат. 1984.-388с.

24. Дж. Уайт, Д. Чойд. Полиэтилен, полипропилен и другие полеолефины, Професия., 2006.

25. Жукаускас A.A. Конвективный перенос в теплообменниках. — М.: Наука, 1982.-472 с.

26. Иванов О. П., Чачанидзе М. К. Регенеративный теплообменник с вращающимися воздушными катерами., 1984.-сЗ.

27. Иванов О.П. Выбор оборудования для утилизации тепла и холода в системах кондиционирования воздуха//Холодильная техника, 1982, № 6. с. 12-15.

28. Иванов О. П., Чачанидзе М. К. Автоматизация расчета теплообмена для регенеративного утилизатора. 1984.-с2.

29. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям.-М.: Машиностроение. 1992.-672с.

30. Ильин В. П. Креслинь А. Я. Вращающиеся тепло- и массообменные аппараты для систем вентиляции и КВ водоснабжение и санитарная техника. 1976, №10, с. 35-37.

31. Ильченко О. Т. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. X.: Вища шк. Изд. При харьк. Ун-те. 1985. 384с.

32. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача: Учебник для вузов. М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.

33. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. М.: Энергия, 1977.240 с.

34. Карпис Е. Е., Ильин В. П. Исследование и расчет вращающихся регенеративных теплообменников для систем кондиционирования воздуха и вентиляции: исследование, расчет, проектирование санитарно-технических систем. Вып.2-М; 1979, с.21-34.

35. Карпис Е.Е. Энергосбережение в системах кондиционирования воздуха М.: Стройиздат, 1986. - 267 с.

36. Киргур Н. Теплообменное оборудование для утилизации тепла в системах вентиляции и кондиционирования воздуха. Труды Рижского Политехнического института., Рига, ЛатИнти, 1977.-с37.

37. Кирилин В. А., Сычев В. В., Шейдилин А. Е. Прикладная термодинамика. Издательство Мир, Москва, 1977.-493с.

38. Клаассен Клаас Б. Основы измерений. Датчики и электронные приборы, 3-е изд: Пер. с англ./ К. Б. Клаассен. Долгопрудный: Интеллект, 2008.-350с.

39. Кокорин О. Я. Современные системы кондиционирования воздуха.-М.: Издательство физико-математической литературы. 2003.-272с.

40. Кокорин О. Я. Энергосберегающие системы кондиционирования воздуха.-М.: Локальны Энерго Системы. 2007.-256с.

41. Кошелев В., Иванов М. Свежий воздух на рабочем месте // Комитет охраны природы.-2002.-№9.-С.

42. Краснов Ю. С. Борисоглебская А. П., Антипов А. В. Системы вентиляции и кондиционирования. Рекомендации по проектированию, испытаниям и наладке.-М.:Термокул.2004г.

43. Креслинь А. Я. Автоматическое регулирование систем кондиционирования воздуха.-М.: Стройиздат. 1981.-184с.

44. Кузьмин М. П. , Харитонов Б. П. Энергоэффективность систем кондиционирования //АВОК. -2006.-№6.-с.76-77.

45. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена Новосибирск.: наука, 1970.- 659 с.

46. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М: МашГиз, 1957.330с.

47. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие-М.: Энергоатомиздат, 1990.-367 с.

48. Кэйс В.М. Конвективный тепло- и массообмен: Пер. с англ.- М.: Энергия, 1972.-448 с.

49. Кэйс В.М., Лондон A.JI. Компактные теплообменники. — М.: Энергия, 1967-223 с.

50. Лебедев В. В., Пронин В. А. Инженерная методика расчета потерь давления в рабочей части вращающегося регенеративного теплоутилизатора.// Вестник МАХ, 2009. №3, с 28-30.

51. Лебедев В. В. Пути повышения эффективности роторных утилизаторов тепла в системах кондиционирования и вентиляции воздуха. Дисс. канд. техн. наук: 05.04.03. СПб. 2009. - 123с.

52. Левшина Е. С. Новицкий П. В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отделение, 1983 -320с.

53. Лойцянкий Л.Г. Механика жидкости и газа. — М.: Наука, 1978. 736 с.

54. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963.-536 с.

55. Маргелов А. Датчики влажности компании HoneyWell. // Chipnews, 2005, №9, с.40-42.

56. Маргелов А. Платиновые датчики температуры компании HoneyWell. // Chipnews, 2006, №7, с.50-53.

57. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977.-344 с.

58. Новиков П.А., Щербаков Л.А. Тепло- и массообмен при капельной конденсации водяного пара из потока разреженного воздуха в узких каналах прямоугольной формы//ИФЖ 1972, Т.23, №4, С. 737-742.

59. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1991. - 304 с.

60. Основы гидромеханики / М. К. Овсянников и др.-М.: Транслит. 2006.160с.

61. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов JI.A. Численное моделирование процессов тепло- и массобмена. — М.: Наука, 1984. — 288 с.

62. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости —М.: Энергоатомиздат, 1984. — 150 с.

63. Петухов Б.С. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. М.: Энергия, 1967. - 412 с.

64. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы: Учебник для вузов по специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов».-М.: Энергия, 1978 704 с.

65. Пчелкин Ю.Н. Тепло- и массоотдача влажного воздуха//Теплоэнергетика- 1961, №6, С. 11-15.

66. Реклейтис Т. Оптимизация в технике. М.: Мир. В 2 Т.

67. Самойлович Г. С. Гидрогазодинамика. -М.: Машиностроение, 1990.384с.

68. Себиси Т., Брэдшоу П. Конвективный теплообмен. Физические основы и вычислительные методы. — М.: Мир, 1987. — 592 с.

69. Слезкин H.A. Динамика вязкой несжимаемой жидкости. М.: Гос. изд-во технико-теоретической лит-ры, 1955. - 519 с.

70. СНиП 2.08.01-89* "Жилые здания".

71. СНиП 2.04.05-91* "Отопление, вентиляция и кондиционирование"

72. Солодов А.П. Расчетные модели теплообмена при контактной конденсации//Теплоэнергетика, 1990 .-№10.

73. Сотников А. Г. Автоматизация систем кондиционирования воздуха и вентиляции.-JI.: Стройиздат. 1984.-148с.

74. Справочник по расчетам гидравлических и вентиляционных систем — СПб.: АНО НПО «Мир и семья», 2002. -1154 с.

75. Стефанов Е.В. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Общая часть. Л.: ВВИТКУ, 1970. - 544 с.

76. Сулиманов М. Н., Фридман А. Н., Кудряшева Ж. Ф. Качество измерений. Метрологически справочная книга. Л.: Лениздат, 1987 297с.

77. Теоретические основы тепло- и хладотехники. 4.1. Техническая термодинамика / под ред. Э. И. Гуйго.-Л.: Издательство Ленинградского университета. 1974. -285с.

78. Терехов В.И., Терехов В.В., Шаров К.А. Тепло- и массообмен при конденсации водяного пара из влажного воздуха//ИФЖ- 1998, Т.71, №5, С. 788-794.

79. Топильский В. Б. Схемотехника измерительных устройств: -М.:БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006.

80. Ужанский В. С. Автоматизация холодильных машин и установок. — М.: Легкая и пищевая промышленность. 1982.-304с.

81. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. Справочник: Пер. с англ.- М.: Атомиздат, 1979. 212 с.

82. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. М.: Техносфера, 2005.-592с.

83. Хаузен X. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе: Пер. с нем. -М.: Энергоиздат, 1981.— 383 с.

84. Холодильная техника. Теплообменные аппараты, приборы автоматизации и испытания холодильных машин: Справочник. -М.: Легкая и пищевая промышленность. 1984. -248с.

85. Цветков Ф. Ф., Б. А. Григорьев Тепломассообмен. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - 550с.

86. Цыганков А. В. Методология численного анализа и математическое моделирование тепловых и гидродинамических процессов в узлах жидкостноготрения судовых энергетических установок. Дисс. д-ра техн наук: 05.13.18: СПб., 2005. 302с. РГБ ОД, 71:05-5/510.

87. Цыганков А. В., Васильев В. А. Моделирование поверхностей трения механических узлов криогенных систем.// Вестник МАХ, 2009, №4, с." 38-40.

88. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия: Пер. с польск— М.: Энергия, 1968.280 с.

89. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя: Пер. с нем. М.: Наука, 1969.- 742 с.

90. Эккерт Э.Р., Дрейк P.M. Теория тепло- и массообмена: Пер. с англ.— M.-JL: Госэнергоиздат, 1961.-680 с.

91. Юдаев Б.Н. Теплопередача —М.: Высшая школа, 1981- 319 с.

92. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача— М.: Высшая школа, 1988.-478 с.

93. Besant, R. W. and Simonson С. J., 2000, Air-to-air recovery, ASHRAE Journal, 42(5), 31-42.

94. Cox M. and Stevens R. K. P., The regenerative heat exchanger for gasturbine power-plant. «The Inst, of Mech. Eng. Proc.» 163, №60, 1950, p. 193205.

95. Hausen H. Survey of the heat transfer theories in regenerators. Heat exchangers design and theory. McGraw Hill Book Company, 1974, pp. 207-221.