Обоснование параметров теплоутилизационной установки на базе полимерного перекрестноточного пластинчатого теплообменника для живодноводческих помещений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат технических наук Шаталов, Максим Петрович

• Шаталов, Максим Петрович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шаталов, Максим Петрович

1. Вентиляционные установки для утилизации сбросного тепла сельскохозяйственных помещений.

1.1. Теплообменники с неметаллическими поверхностями теплообмена.

Выводы по 1 главе.

2. Теоретические исследования пластинчатых теплообменников на базе полимеров.

2.1. Составление теплового баланса пластинчатых теплообменников на базе полимеров.

2.2. Составление теплового баланса пластинчатых теплообменников на базе полимеров с конденсацией влаги на теплообменных поверхностях.

2.3. Теплотехнические и прочностные характеристики полимеров для перекрестноточных теплообменников, работающих в агрессивных средах.

2.4. Методика теплотехнических исследований установки утилизатора сбросного тепла животноводческих помещений.

2.5. Исследования аэродинамических и температурных характеристик полимерного теплообменника при различных конструкциях входного канала.

Выводы по 2-ой главе.

3. Исследование перекрестноточных рекуперативных полимерных теплообменников при отрицательных температурах.

3.1. Исследования конденсатообразования и тепло-массообмена в полимерном перекрестноточном теплообменнике О^^О.

3.2. Обмерзание рабочих поверхностей теплообменника (1:ст< 1^).

3.3. Установка утилизации тепла с автономным зональным нагревателем.

3.3.1. Определение мощности электрического автономного зонального нагревателя.

3.3.2. Расчет газового рекуперативного теплообменника-догревателя приточного воздуха.

Выводы по 3 главе.

4. Исследование промышленной установки с утилизацией сбросного тепла на базе полимерного теплообменника в натурных условиях.

4.1. Тепловой баланс теплоутилизационной установки в реальных условиях.

4.2. Эксплуатационные испытания теплоутилизационной установки.

Выводы по 4 главе.

5. Технико-экономическое обоснование применения вентиляционной установки с полимерным теплообменником.

Выводы по 5 главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров теплоутилизационной установки на базе полимерного перекрестноточного пластинчатого теплообменника для живодноводческих помещений»

Разработка тепловентиляционных установок с утилизацией сбросного тепла животноводческих помещений при условии низких наружных температур требует специального блочно-модульного оборудования. Такие установки в системах микроклимата подогревают чистый приточный воздух до нормируемых температур и удаляют из животноводческого помещения загрязненный воздух.

Доля затрат на создание оптимального микроклимата в животноводческих помещениях составляет 40-80 % от общих затрат энергии при централизованной системе теплоснабжения с помощью вторичного теплоносителя - воды. Суммарные тепловые потери в центральной котельной и на теплотрассах достигают 40 % от исходной энергии сгораемого газа. При этом для уменьшения непроизводственных теплопотерь животноводческие объекты переводят на децентрализованные системы теплоснабжения и микроклимата.

Использование в децентрализованных системах тепловентиляционных установок с утилизацией сбросного тепла увеличивает экономию тепла до 4060 %.

1. Вентиляционные установки для утилизации сбросного тепла сельскохозяйственных помещений

Децентрализованные системы ИК-обогрева и микроклимата животноводческих и птицеводческих помещений были разработаны Бородиным И.Ф., Дубровиным A.B., Лебедевым Д.П., Лямцовым А.К., Расстригиным В.Н., Тихомировым Д.А.

Животноводство является одним из основных потребителей в сельском хозяйстве. Фермы для содержания крупного рогатого скота являются основными потребителями энергии в животноводстве, а на их долю приходится 51,5% от общего электропотребления в отрасли.

Для удаления вредностей, образующихся в животноводческих помещениях, на вентиляцию расходуется около 2 млрд. кВт-ч электроэнергии

•у в год, на обогрев помещений идет 1,8 млрд. кВт-ч, 0,6 млн. м природного газа, 1,3 млн. т. жидкого и 1,7 млн. т. твердого топлива. Ежегодно из о помещений животноводческих ферм отрасли требуется удалить 166 млрд. м водяных паров, 39 млрд. м3 углекислого газа, 1,8 млрд. м3 аммиака, 700 м3 сероводорода, 82 тыс. т. пыли и патогенной микрофлоры [88].

Актуальность темы подтверждается тем, что она выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР ВИЭСХ в рамках фундаментальных и приоритетных прикладных исследований Россельхозакадемии на 2000^-2006 г, 2006-К2010 г. по разделу 99 механизация и автоматизация «Разработать высокоэффективные машинные технологии нового поколения для производства конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции, энергетического обеспечения технического сервиса сельского хозяйства».

Распоряжением Правительства России на период до 2020 г. № 1234-р опубликовано «Об утверждении Энергетической стратегии России на период до 2020 года». В данном документе конкретизируются цели, задачи и основные направления долгосрочной энергетической политики.

В 2009 г. ВИЭСХ разработана энергетическая стратегия сельского хозяйства России на период до 2020 года, где указывается, что в птицеводстве и животноводстве использование комбинированных технологий создания микроклимата (общего и локального) с применением газовых инфракрасных нагревателей и утилизации тепла позволяет снизить энергозатраты до 50%.

В соответствии с законом Российской Федерации от 23 ноября 2009 года № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» одним из перспективных направлений сокращения общих затрат энергии в животноводстве является применение в системах вентиляции теплоутилизационных установок.

Одним из основных направлений сокращения общих затрат энергии в животноводстве является разработка и внедрение энергосберегающего оборудования для создания и поддержания нормативного микроклимата, удаления аммиака, углекислого газа, пыли и патогенной микрофлоры.

Одно из важных направлений экономии энергоресурсов в животноводстве - утилизация тепла, содержащегося в воздухе животноводческих помещений.

Тепловыделения животных составляют около 4,3 млн. т. у. т. в год, причем 0,3 млн. т. образуется летом и должно быть удалено посредством вентиляции, а теплота, эквивалентная 4 млн. т. у. т. получается в холодный и переходный периоды года и может быть использована на обогрев помещений.

Степень покрытия дефицита мощности на обогрев животноводческих помещений с помощью теплоутилизации зависит от их назначения и климатических условий. В северных районах нашей страны для коровников этот дефицит может быть покрыт на 40-50%, т.е. использование теплоутилизаторов представляет собой значительный источник сокращения затрат электроэнергии на теплоснабжение животноводческих помещений [88].

Таким образом, исследования и разработка теплоутилизационного оборудования для обогрева животноводческих помещений при поддержании нормируемых параметров микроклимата и удаление аммиака в условиях низкотемпературных климатических зон является актуальной современной задачей.

В данной главе рассматриваются только установки, использующие для теплообмена между вытяжным и приточным воздухом неметаллические и полимерные материалы.

В начале обзорной главы рассматриваются типы установок с утилизацией тепла.

Международная фирма РпуеЩ (Фривент) классифицировала установки с утилизацией тепла для вентиляции и кондиционирования производственных и административных помещений.

Установки для теплоутипизации сбросного тепла включают четыре системы.

Система теплоутилизатора Фривент, рис. 1.1. Теплоутилизатор Фривент является теплообменником воздух-воздух, устанавливаемым в системах вентиляции и кондиционирования.

Рис. 1.1. Схема вентиляционной установки с теплоутилизатором РпуеЩ. А - теплообменник-теплоутилизатор, В - воздушный фильтр, С - догреватель

Утилизация тепла происходит с помощью регенеративного теплообменника. В спиральном корпусе с двумя всасывающими и двумя выпускными отверстиями и рабочим колесом из пористого материала одновременно производится перемещение наружного и вытяжного воздуха и обмен тепла. Рабочее колесо вентилятора служит при этом для передачи тепла. в А С

Фривент дает возможность одновременно перемещать вытяжной и приточный воздух и утилизировать тепло одним вентилятором при низких расходах энергии (не требуется дополнительных вентиляторов и агрегатов).

Возможность замерзания вентилятора-теплоутилизатора в системе исключена. Энталышйный КПД установки составляет 44 %. На рис. 1.2 представлен процесс утилизации тепла для схемы рис. 1.1 в соответствии с характерными начальными параметрами приточного и вытяжного воздуха.

Рис. 1.2. Процесс утилизации тепла в 1-е! диаграмме для теплообменникаутилизатора Фривент теплообменником. А - теплообменник-теплоутилизатор, В - воздушный фильтр, С - догреватель, Б - приточный вентилятор, Е - вытяжной вентилятор, И - предварительный нагреватель, О - фильтр вытяжного воздуха

В Р А С й

Е А в

Рис. 1.3. Схема вентиляционной установки с роторным

Работа роторного теплообменника, рис. 1.3 подробно рассмотрена в [5,

На рис. 1.4 представлена схема теплоутилизационной установки с перекрестноточным теплообменником.

Рис. 1.4 Схема вентиляционной установки с рекуперационным пластинчатым теплообменником перекрестного хода. А - теплообменник-теплоутилизатор, В — воздушный фильтр, С - догреватель, Б - приточный вентилятор, Е - вытяжной вентилятор, Б - предварительный нагреватель,

С - фильтр вытяжного воздуха

На рис. 1.5 показана вентиляционная установка с промежуточным теплоносителем.

Помещение

Оттека IV

Рис. 1.5. Схема вентиляционной установки с промежуточным теплоносителем. А - тепло о б м енник-тепл оу тилиз атор, В - воздушный фильтр, С - догреватель, О - приточный вентилятор, Е - вытяжной вентилятор,

Р — насос промежуточного теплоносителя, О — фильтр вытяжного воздуха

На рис. 1.6 показан процесс утилизации тепла в 1-е! диаграмме для роторного теплообменника.

Рис. 1.6. Процесс утилизации тепла в 1-е! диаграмме для роторного теплообменника

На рис. 1.7 представлен процесс утилизации тепла для систем рис. 1.4 и рис. 1.5.

40%

Рис. 1.7. Процесс утилизации тепла в I-d диаграмме для системы с пластинчатым теплообменником (рис. 1.3) и системы с промежуточным теплоносителем (рис. 1.4)

Для процессов, представленных на 1-с1 диаграммах приняты данные, характерные для систем вентиляции и кондиционирования производственных помещений:

1) Наружный воздух и = -10 °С, ф1 = 90 %, <11 = 1,4 г/кг, II = 6,25 кДж/кг

2) Приточный воздух после теплоутилизации

3) Воздух в помещении tз = +20 °С, <р3: 40 %, с!з = 5,3 г/кг, 13 = 34,16 кДж/кг

4) Удаляемый охлажденный воздух Изменение энтальпии в различных системах:

Д1макс = 40,83 кДж/кг Система рис. 1.1 А1 = 12,5 + 6,25 = 18,75 кДж/кг

Система рис. 1.3 Д1 = 26,66 + 6,25 = 32,91 кДж/кг

Системы рис. 1.4, рис. 1.5 Д1 = 11,66 + 6,25 = 17,91 кДж/кг КПД энтальпии т^ = Д1/Д1макс: Система рис. 1.1 ^ = 18,75/40,83 = 0,46

Система рис. 1.3 щ = 32,91/40,83 = 0,80

Системы рис. 1.4, рис. 1.5 тц = 17,91/40,83 = 0,44

Анализ систем утилизации показывает, что они должны отличаться от систем утилизации сбросного тепла сельскохозяйственных (животноводческих и птицеводческих) помещений. Это прежде всего связано с большой влажностью, повышенным содержанием ИНз, СО, НгБ и др., а также микрофлорой в воздухе помещения.

С учетом этих особенностей могут быть использованы системы рис. 1.3 и рис. 1.4 при разработке конструкций теплообменных аппаратов, соответствующих условиям сельскохозяйственного помещения и работе при низких температурах в холодных климатических зонах России.

Система рис. 1.5 может быть реализована с помощью тепловых труб, являющихся достаточно сложными и дорогостоящими теплообменными устройствами [6, 12, 13, 14].

Заключение диссертации по теме «Технологии и средства механизации сельского хозяйства», Шаталов, Максим Петрович

Общие выводы

1. Одним из направлений существенного сокращения общих затрат потребляемой энергии в сельскохозяйственных помещениях является применение в системах вентиляции установок утилизации сбросного тепла. Однако, такие установки не нашли широкого применершя вследствие: возможного замораживания влаги из вытяжного воздуха на теплообменных поверхностях; активной коррозии металлических поверхностей теплообмена и значительной стоимостью теплообменного оборудования.

2. Предложена технорабочая схема теплоутилизационной установки (патенты РФ № 2219764 и № 2326528) с перекрестноточным теплообменником из полимера, выполненного по новой технологии (патент № 2249776).

3. Разработана методика расчета пластинчатого перекрестиоточного полимерного теплообменника при условии отсутствия и наличия конденсации влаги из вытяжного воздуха на рабочих поверхностях теплообмена. Разработаны алгоритмы программы теплотехнического расчета утилизаторов сбросного тепла с учетом конденсации влаги в полимерном теплообменнике.

4. На основании предложенной методики определены коэффициенты теплоотдачи в каналах полимерного теплообменника без конденсации влаги а2 = 16,6 Вт/(м -К) и в другом случае по влажному воздуху авл = л

133,6 Вт/(м -К). Установлено, что конденсация и дальнейшее замораживание влаги начинается в зоне «холодного угла» перекрестноточного теплообменника и далее распространяется на всю поверхность теплообмена. Предложена и запатентована система автономного локального нагревателя, исключающего процесс замораживания влаги в теплообменнике при температурах ниже температур замораживания.

5. В результате экспериментальных исследований газодинамики и теплообмена теплоутилизационной установки в лабораторных и хозяйственных условиях (ГУП «Красная Пойма») в течение 4 лет при температурах наружного воздуха -5 -25 °С тепловая мощность полимерного теплообменника достигала 10,5 кВт, а температурный КПД теплоутилизационной установки соответствовал 55 %.

6. Предложенная теплоутилизационная установка обеспечивает до 55 % экономии тепла. Экономический эффект по методу приведенных затрат от внедрения теплоутилизационной установки с полимерным теплообменником по сравнению с установкой с теплообменником из алюминия, имеющим такие же габаритные характеристики составил 69000 руб./год в ценах 2009 г. на одну вентиляционную установку. Ресурс работы алюминиевого теплообменника ввиду низкой коррозионной стойкости соответствует 4,5 годам, за этот же период полимерный теплообменник сохранил все свои теплотехнические и прочностные характеристики.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шаталов, Максим Петрович, 2010 год

1. Власов П.Ф. Экспериментальное исследование теплообмена и условий возникновения устойчивой конденсации водяного пара: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.01.12 Ленинград, 1968. — 37 с.

2. Сапронов А.Г. Экспериментальное исследование теплоотдачи при конденсации пара на поверхностях графитовых теплообменников: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.01.12 — Новочеркасск, 1969. 32 с.

3. Явнель Б.К. Исследование влияния инея на теплоотдачу в воздухоохладителях: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.01.12 -Ленинград, 1970. 35 с.

4. Журавлева И.Н. Исследование теплопередачи и гидравлического сопротивления пластинчато-ребристых теплообменников: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.01.12 Москва, 1967. - 33 с.

5. Кокорин О.Я. Установки кондиционирования воздуха. — М.: Машиностроение, 1978. — 264 с.

6. Кирилов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). -М.: Энергоатомиздат, 1990. 358 с.

7. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. — М.: Машиностроение, 1989. 368 с.

8. Воробьев В.А. Основы технологии строительных материалов из пластических масс. М.: Высш. шк., 1975. - 280 с.

9. Теплостойкие пластмассы: Справочник / Назаров Г.И., Сушкин В.В., -М.: Машиностроение, 1980. 192 с.

10. Кардашов Д.А. Конструкционные клеи. М.: Химия, 1980. — 288 с.

11. Полиграфические материалы: Словарь-справочник / Березин Б.И., -М.: Книга, 1978.-336 с.

12. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник под ред. Григорьева В.А., Зорина В.М., кн. 4. М.: Энергоатомиздат, 1991.- 552 с.

13. Карпис Е.Е. Энергосбережение в системах кондиционирования воздуха. М.: Стройиздат, 1986. — 286 с.

14. Богуславский Л.Д. Снижение расхода энергии при работе систем отопления и вентиляции. — М.: Стройиздат, 1985. — 336 с.

15. Методические рекомендации по расчету и применению системы микроклимата в ж/в помещениях с использованием теплоутилизационного оборудования. М.: ВИЭСХ, 1988. — 64 с.

16. Раяк М.Б. Рекуперативные теплоутилизаторы для естественной вентиляции животноводческих помещений // Водоснабжение и санитарная техника. 1985. — №2. - С. 24-26.

17. Цыбикдоржиев В.И., Расстригин В.Н., Быстрицкий Д-Н. Рекуперативные теплообменники на фермах Сибири // Механизация и электрофикация сельского хозяйства. — 1983. — №2. — С. 15—17.

18. Янцен В.К. О возможностях применения рекуперативных теплообменников в системах вентиляции животноводческих помещений // Механизация и электрофикация сельского хозяйства. — 1983.-№2.-С. 19-21.

19. Новиченок Л.Н., Шульман Э.П. Теплофизические свойства полимеров. — М.: Наука и техника, 1971. — 120 с.

20. Барановский Н.Б., Коваленко Л.М., Ястребенецкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники. — М.: Машиностроение, 1973. 288 с.

21. Буковская О.И., Коздоба Л.А. Методика и расчет динамических характеристик теплообменных устройств // Пром. теплотехника. — 1995.-т. 17.-№ 1-3.- С. 70-79.

22. Коздоба JI.A. Динамические характеристики пластинчатого аппарата с перекрестным током // Пром. теплотехника. 1995. — т.17. — №5. — С. 35-41.

23. Конструкционные пластмассы: Справочник / Назаров Г.И., Сушкин

24. B.В., Дмитриевская JI.B., — М.: Машиностроение, 1973. 192 с.

25. Основы энергосбережения в вопросах теплообмена. Фокин В.М., Бойков Г.П., Видин Ю.В. М.: Машиностроение, 2005. - 192 с.

26. Задачник по процессам тепломассообмена: Учеб. пособие для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1986. 144 с.

27. Вишневский Е.П. Особенности обеспечения эффективной работы пластинчатых теплообменников рекуперативного типа в суровых климатических условиях// С.О.К. 2005. - № 1 - С. 22 - 29.

28. Иванов B.C. Утилизаторы тепла. Снижение энергозатрат в системах вентиляции// С.О.К. 2002. - № 11 - С. 56 - 59.

29. Белоногов Н.В. Утилизация теплоты в перекрестноточных пластинчатых рекуператорах// С.О.К. 2005. - № 5 — С. 17 - 22.

30. Дискин М. Е. Эффективность рекуперации теплоты в системах вентиляции при температурах наружного воздуха ниже температуры опасности обмерзания// АВОК 2006. - № 4 - С. 11 - 13.

31. Белоногов Н.В. Эффективность пластинчатых перекрестноточных рекуператоров в системах вентиляции и кондиционирования воздуха// С.О.К. 2006. - № 8 - С. 44 - 47.

32. Анисимов С.М. Энергосбережение при утилизации тепловой энергии вентиляционных выбросов / М-лы междунар. научно-практ. конф. /Реконструкция Санкт Петербург - 2003. - СПб., 2002. - С. 5 - 6.

33. Анисимов С.М. Утилизация теплоты вытяжного воздуха в перекрестноточном рекуператоре // Инженерные системы. АВОК-Северо-Запад. 2002. - № 4 с. 17 - 19.

34. Анисимов С.М Тепломассообмен в утилизаторе теплоты вытяжного воздуха // Изв. вузов. Стр-во. — 2002. — С. 15 17.

35. Гольдман А. Д. Прогнозирование деформационно-прочностных;: свойств полимерных и композиционных:материалов. — Л.: Химия, 1988.-272 с.

36. ГОСТ 9.902-81. ЕСЗКЗ. Материалы полимерные. Методы ускоренных испытаний на коррозионную агрессивность. — М.: Изд. стандартов, 1987.

37. ГОСТ 17035-86. Пластмассы. Методы определения толщины пленок и листов. — М.: Изд. стандартов, 1987.

38. ГОСТ 12020-72. Пластмассы. Методы определения стойкости к воздействию химических сред. М.: Изд. стандартов.

39. Мамин В.Н., Громов А.Н., Григорьев В.П. Дефектность и эксплуатационные свойства полимерных материалов. Л.: Химия, 1986.- 182 с.

40. Нацнельсон М.Ю., Балаев Г.А. Полимерные материалы: Справочник. -М: Химия, 1982.-317 с.45.