Пути совершенствования пластинчатых перекрестноточных рекуперативных теплообменников тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат технических наук Белоногов, Нил Владимирович

• Белоногов, Нил Владимирович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Белоногов, Нил Владимирович

Обозначения.

Введение.

ГЛАВА 1 Обзор литературы.

1.1 Обзор конструкций утилизаторов теплоты.

1.2 Существующие методики расчета теплообменных аппаратов.

1.3 Оптимизация теплообменных аппаратов.

1.4 Коэффициенты тепло- и массообмена при течении в каналах.

1.5 Расчет параметров влажного воздуха.

1.6 Выводы: цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. Математическая модель перекрестноточного рекуператора.

2.1 Вывод основных соотношений.

2.2 Расчет энтальпии влажного воздуха.

2.2.1 Энтальпия влажного воздуха при охлаждении до температур выше 0 °С.

2.2.2 Энтальпия влажного воздуха при охлаждении до температур ниже 0 °С.

2.2.3 Расчет изменения энтальпии влажного воздуха при конденсации водяного пара.

2.3 Расчет коэффициентов тепло- и массообмена.

2.3.1 Определение коэффициентов тепломассообмена при капельной конденсации на стенках канала.

2.3.2 Определение коэффициентов тепломассообмена при образовании тумана.

2.4 Расчет тепломассообмена, протекающего в перекрестноточном рекуператоре.

2.4.1 Конечноразностные аппроксимации уравнений тепломассопереноса при конденсации пара на стенках канала.

2.4.2 Конечноразностные аппроксимации уравнений тепломассопереноса при туманообразовании.

2.4.3 Результаты расчета тепломассопереноса в условиях перекрестноточного движения теплоносителей. ф 2.5 Расчет потерь давления в перекрестноточном рекуператоре.

2.6 Расчет эффективности перекрестноточного рекуператора.

2.6.1 Эффективность работы перекрестноточных утилизаторов теплоты в климатических условиях Северо-западного региона РФ.

ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования перекрестноточного рекуператора.

3.1 Экспериментальное исследование характеристик перекрестноточного пластинчатого рекуператора.

3.1.1 Особенности стенда для экспериментальных исследований теплообмена в перекрестноточном рекуператоре.

3.1.2 Расчет погрешностей измерений.

3.1.3 Сопоставление результатов расчета и опытных данных.

3.2 Экспериментальное исследование характеристик перекрестноточного рекуператора в составе приточно-вытяжной установки.

ГЛАВА 4. Рекомендации по совершенствованию перекрестноточных пластинчатых рекуператоров.

4.1 Оптимизация геометрии перекрестноточных рекуператоров. ф 4.1.1 Оптимизация высоты пластины теплообменного пакета.

4.1.2 Оптимизация высоты пакета и ширины пластин пакета.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пути совершенствования пластинчатых перекрестноточных рекуперативных теплообменников»

Перекрестноточные пластинчатые теплообменники рекуперативного типа находят широкое применение в химической и энергетической промышленности, а также в системах жизнеобеспечения. Данные теплообменники служат для охлаждения и нагрева газов, конденсации и утилизации теплоты высокопотенциальных теплоносителей.

В настоящее время, возрастающее потребление энергии и рост цен на энергоносители требует проведения масштабной энергосберегающей политики при создании современных инженерных сооружений - жилых, коммерческих и промышленных объектов в равной степени. Сбережение энергии является не только общегосударственной задачей, но и экономической проблемой каждого пользователя энергоресурсов. Основное решение состоит в использовании энергосберегающих технологий.

Капитальные затраты на устройство систем отопления вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК) достигают 20% общей стоимости зданий, а эксплуатационные — 30-50% общей стоимости эксплуатации. При проектировании систем жизнеобеспечения для экономии энергии целесообразно использовать вторичные энергетические ресурсы, такие, к примеру, как теплота удаляемого из помещения воздуха. Существует два основных способа утилизации потенциала вентиляционных выбросов: рециркуляция удаляемого воздуха и теплоутилизация с использованием теплообменных аппаратов. Поскольку применение рециркуляции в большинстве случаев ограничено санитарными нормами и не может быть использовано, если в удаляемом воздухе содержатся вредные примеси, наибольшее распространение получили воздухо-воздушные теплообменники различных конструктивных исполнений.

Применение воздухо-воздушных теплообменников позволяет снизить расход теплоты в системах вентиляции на 40-60% при сравнительно невысоких капитальных вложениях. В связи с этим, при совершенствовании систем теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха значительное внимание необходимо уделить расчету, оптимизации и повышению эффективности теплообменных устройств.

Потребность в качественных системах кондиционирования и вентиляции определяет необходимость детального рассмотрения процессов, протекающих в утилизаторах теплоты. Нужно отметить, что до недавнего времени большинство отечественных исследований в области теплообмена касались в основном процессов, имеющих место в установках, применяемых в промышленности. Особенностями подобных теплообменников является работа в условиях значительной разности температур, давлений и часто при высокой агрессивности сред. На настоящем этапе следует провести исследование теплообмена, протекающего в аппаратах систем вентиляции и кондиционирования, основательно разобрать механизм данных процессов — это послужит базой для совершенствования существующих и создания новых конструкций теплообменников.

Заключение диссертации по теме «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения», Белоногов, Нил Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В работе проведено комплексное теоретическое и экспериментальное исследование перекрестноточных пластинчатых рекуператоров в системах вентиляции и кондиционирования воздуха.

2. Показано, что существующие методики расчета перекрестноточных теплообменников основываются на неточных представлениях о характере тепло- и массообменных процессов, являются трудоемкими и не поддаются автоматизации.

3. Разработаны математическая модель тепломассообмена при перекрестном токе, алгоритмы расчета и компьютерная программа.

4. Предложена методика расчета состояния влажного воздуха при охлаждении, сопровождающемся конденсацией водяного пара.

5. Исследован тепломассоперенос при вынужденном ламинарном течении влажного воздуха в плоском канале с применением численных методов. Получены данные о распределении локальных чисел Нуссельта и Шервуда по длине канала при капельной и объемной гетерогенной конденсации пара. Предложены критериальные зависимости для расчета локальных значений чисел переноса теплоты и массы.

6. Показано, что эффективность пластинчатых перекрестноточных рекуператоров является сложной функцией от геометрии теплообменного пакета, расходов, температур и влажностей приточного и удаляемого воздуха.

7. Проведены экспериментальные исследования теплообмена в перекрестноточном рекуператоре при различных значениях температур и расходов теплоносителей. Сопоставление расчетных и опытных данных выявило хорошее согласование теории и эксперимента, расхождение не превышает 8%.

8. Проведены экспериментальные исследования перекрестноточных рекуператоров в составе приточно-вытяжных установок. Сопоставление теоретических и экспериментальных результатов показало удовлетворительное совпадение, расхождение не превышает 12%.

9. С использованием предлагаемой методики выполнены теоретические исследования перекрестноточных утилизаторов теплоты и предложены пути совершенствования конструкции существующих моделей рекуператоров. В результате расчетов получены данные об эффективности и аэродинамическом сопротивлении рекуператоров в виде функциональных зависимостей от габаритов теплообменного пакета, расходов, температур и влажностей потоков удаляемого и приточного воздуха. Комбинирование частных критериев качества в глобальную функцию показало, что оптимальным расстоянием между пластинами теплообменного пакета является Щ=4 мм, оптимальным сочетанием высоты пакета и шириныпластины является F/B -1,6.

10. Получены номограммы, позволяющие проводить расчеты эффективности и сопротивления рекуператоров различных габаритов;

11. Предлагаемая методика расчета при незначительных изменениях может быть использована для расчета рекуперативных утилизаторов теплоты при противоточном, прямоточном и смешанном (противоточно-перекрестноточном, прямоточно-перекрестноточном) движении воздуха, как для сухого режима, так и при конденсации водяного пара, а также при расчетах аппаратов испарительного охлаждения.

12. Результаты выполненной работы были использованы при проектировании перекрестноточных рекуператоров в компании ООО «БТК-Компоненты», г. Санкт-Петербург.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Белоногов, Нил Владимирович, 2005 год

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

2. Амелин А.Г. Теоретические основы образования тумана при конденсации пара. М.: Химия, 1966. - 296 с.

3. Анисимов С.М. Утилизация теплоты вытяжного воздуха в перекрестно-точном рекуператоре// Инженерные системы. 2003, Т. 8, №4 - с. 30-36.

4. Баранников Н.М., Аронов Е.В. Расчет установок и теплообменников для утилизации вторичных энергетических ресурсов Красноярск, 1992 - 360 с.

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

6. Белоногов Н.В., Пронин В.А. Математическое моделирование процессов теплообмена в перекрестноточном пластинчатом рекуператоре.//Вестник МАХ. 2003 г.-№ 4 - с. 6-9.

7. Берман Л.Д. К определению коэффициента массоотдачи при расчете конденсации пара, содержащего примесь воздухаУ/Теплоэнергетика, 1969, №10- с. 68-71.

8. Берман Л.Д., Фукс С.Н. Массообмен в конденсаторах с горизонтальными трубами при содержании в паре воздуха//Теплоэнергетика,1958, №8,- с. 66-74.

9. Берман Л.Д., Фукс С.Н. Расчет поверхностных теплообменных аппаратов для конденсации пара из паровоздушной смеси//Теплоэнергетика,1959, №7.-с. 74-83.

10. Ю.Бобе Л.С., Солоухин В.А. Тепло- и массообмен при конденсации пара из парогазовой смеси при турбулентном течении внутри трубы//Теплоэнергетика, 1972, №9, С. 27-30.

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

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

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

14. Бэр Г.Д. Техническая термодинамика: Пер. с нем. М.: Мир, 1977518 с.

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

16. Волчков Э.П., Терехов В.И., Терехов В.В., Шаров К.А. Тепломассообмен в пограничном слое при вынужденном течении влажного воздуха с конденсацией пара на поверхности//Теплофизика и аэромеханика -2000, Т.7, №2, С. 257-266.

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

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

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

20. Гоголин А.А. Об оптимизации работы установок кондиционирования воздуха//Холодильиая техника, 1982, № 6. с. 9-12.

21. Гогонин И.И. Экспериментальные исследования тепломассопереноса при конденсации движущейся парогазовой смеси (обзор)//Теплофизика и аэромеханика, 1996, Т.З, №3, с. 201-213.

22. Горяйнов В.В., Чернышев Н.Д. Математическая модель рекуперативного теплообменника в двумерной постановке//ИФЖ, 2003, т.76, №6, с. 161-167.

23. Грин X., Лейн В. Аэрозоли пыли, дымы и туманы. 2-е изд.: Пёр. с англ. -Л.: Химия, 1972 - 428 с.

24. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. — М.: Наука, 1982.-472 с.

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

26. Иванов О.П., Рымкевич А.А. Единый подход к оценке различных схем систем кондиционирования воздуха/УХолодильная техника, 1981, № 5. с. 4043:.

27. Исаченко В.П., Осипова В. А., Суком ел А.С. Теплопередача: Учебник для вузов. — М.: Энергоиздат, 1981. 416 с.

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

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

30. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена— Новосибирск.: наука, 1970.- 659 с.3Т.Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие.— М.: Энергоатомиздат, 1990 367 с.

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

32. Кэйс В.М., Лондон А.Л. Компактные теплообменники. М.: Энергия, 1967.-223 с.

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

34. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963 536 с.

35. Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и программирование на Фортране.- М.: Мир, 1977 584 с.3 7. Минин В.Е. Поверхностные воздухонагреватели систем вентиляции, кондиционирования воздуха и воздушного отопления-СПб.: СПбГУНиПТ, 2001.- 128 с.

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

37. Мэйсон Б.Дж. Физика облаков. JL: Гидрометеоиздат, 1961. - 544 с.

38. Напалков Г.Н. Тепломассоперенос в условиях образования инея. М.: Машиностроение, 1983 - 190 с.

39. Новиков ША., Щербаков JI.A. 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.

40. Новицкий Г1. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. JL: Энергоатомиздат, 1991. - 304 с.

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

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

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

44. Преображенский В.И. Теплотехнические измерения и приборы М.: Энергия, 1978,- 704 с.

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

46. Реклейгис Т. Оптимизация в технике. М.: Мир. В 2 Т.

47. Роджерс P.P. Краткий курс физики облаков/ Пер. с англ.- JL: Гидрометеоиздат, 1981 232 с.

48. Рымкевич А.А. Математическая модель системы кондиционирования воздуха//Холодильная техника, 1981, № 1. с. 28-32.

49. Себиси Т., Брэдшоу Г1. Конвективный теплообмен. Физические основы и вычислительные методы. М.: Мир, 1987. - 592 с.

50. Семеин В.М. Теплоотдача влажного воздуха при конденсации пара//Теплоэнергетика.~ 1956, №4, с. 11-15.

51. Слезкин Н.А. Динамика вязкой несжимаемой жидкости. М.: Гос. изд-во технико-теоретической лит-ры, 1955. - 519 с.

52. Смольский Б.М., Новиков П.А., Щербаков JI.A. Тепло- и массообмен при конденсации водяного пара из влажного воздуха в узких каналах//ИФЖ-1971, Т.21, №1, с. 71-74.

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

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

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

56. Теплообменные устройства газотурбинных и комбинированных установок. Учебное пособие для вузов по спец. «Турбиностроение»/Н.Д. Грязнов, В.М, Епифанов, B.JI. Иванов, Э.А. Манушин М.: Машиностроение, 1985. - 360 с.

57. 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.

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

59. Флетчер К. Вьшислительные методы в динамике жидкостей: В 2-х т.: Т.2. Методы расчета различных течений. М.: Мир, 1991. - 552 с.

60. Фукс Н.А. Испарение и рост капель в газообразной среде. М.: Изд-во АН СССР, 1958.-92 с.

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

62. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия: Пер. с польск- М.: Энергия, 1968.280 с.

63. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя: Пер. с нем. М.: Наука, 1969.- 742 с.бб.Эккерт Э.Р., Дрейк P.M. Теория тепло- и массообмена: Пер. с англ-M.-JL: Госэнергоиздат, 1961.-680 с.

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

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

66. Bedeaux D., Kjelstrup S. Irreversible thermodynamics a tool to desribe phase transitions far from global equilibrium//Chem. Eng. Sci., 2004, vol. 59, №1, pp. 109-118.

67. Bigg E.K. The supercooling of water.//Proc. Phys. Soc. B, 1953, №66, p.688.

68. Bolton D. The computation of equivalent potential temperature// Monthly Weather Review, 1980, vol. 108, pp. 1046-1053,

69. Brouwers H.J.H. Film condensation on non-isothermal vertical plates//International journal of heat and mass transfer, 1989, Vol.32, №4, pp. 655663.

70. Buck A. L. New equations for computing vapor pressure and enhancement factor// J. Appl. Meteorology, 1981, vol. 20, pp. 1527-1532.

71. Fukuta N., Gramada C.M. Vapor pressure measurement of supercooled water, J. Atmos. Sci., 2003, vol. 60, pp. 1871-1875.

72. Goff J. A. Saturation pressure of water on the new Kelvin temperature scale// Transactions of the American society of heating and ventilating engineers, Murray Bay, Que. Canada, 1957, pp 347-354.

73. GoffJ. A., Gratch S. Low-pressure properties of water from -160 to 212 F // Transactions of the American society of heating and ventilating engineers, New York, 1946, pp 95-122.

74. Grassman P. Die Exergie und das Flussbild der technish nutzbaren Leistung// Allg. Warmetechn, 9, 1959, № 4/5, s. 79-86.

75. Hyland R. W., Wexler A. Formulations for the Thermodynamic Properties of the saturated Phases of H20 from 173.15K to 473.15K//ASHRAE Trans, 1983, vol. 89(2A), pp. 500-519.

76. Landsberg H. Atmospheric condesation nuclei;// Ergebn. Kosm. Phys. 1938, №3, p.207.

77. Lienhard J.H. IV, Lienhard J.H. V. A heat transfer textbook. — Cambridge, MA, 2001.- 703 p.

78. Liley P.E. Flow exergy of moist air//International journal of exergy, 2002, №2, pp. 55-57.

79. Male van P., Croon de M.H.J.M., Tiggelaar R.M., Berg van den A., Schouten J.C. Heat and mass transfer in a square microchannel with asymmetric heating//International journal of heat and mass transfer, 2004, vol. 47, pp. 87-99.

80. Marti J., Mauersberger K. A survey and new measurements of ice vapor pressure at temperatures between 170 and 250 К// Geophysical research letters, 1993, vol. 20, pp. 363-366.

81. Mathias J.A., Cao. J., Ewing M.E., Christensen R.N. Experimental characterization of compact heat exchangers with short flow length at simulated elevated altitudes// J. of Fluids Engineering. ASME trans., 2003, vol. 125, №1, pp. 171-176.

82. Murray F. W. On the computation of saturation vapor pressure, J. Appl. Meteorol., 1967, vol. 6, pp. 203-204.

83. Nul3elt W. Das Grundgesetz des Warmeuberganges. — Gesundh. Ing., 1915, Bd. 38, S. 477-482.

84. Nul3elt W. Der Warmeubergang, Diffusion und Verdunstung. Z. ang. Math. Mech., 1930, Bd. 10, S. 105-121.

85. Nul3elt W. Der Warmeubergang im Kreuzstrom. Z. VDI, 1911, Bd. 55, S. 2021-2024.

86. Smith-Johannesen R. Some experiments on the freezing of water.//Science, 1948, №108, p.652.

87. Sonntag D. Advancements in the field of hygrometry, Meteorol. Zeitshrift, N. F., 1994, vol. 3, pp. 51-66.

88. Stoitchkov N.J., Dimitrov G.I. Effectiveness of crossflow plate heat exchanger for indirect evaporative cooling// Int. J. Refrig. Vol. 21, No. 6, 1998 pp. 463-471.

89. Ф 96.Strub M., Jabbour O., Bedecarrats J.P. Experimental study of thecrystallization of a water droplet// Int. J. of Refr., 2003, vol.26, 59-68.

90. Vargas J.V.C., Bejan A., Siems D.L. Integrative thermodynamic optimization of the crossflow heat axchanger for an aircraft environmental control system//Journal of heat transfer. ASME trans. 2001, vol. 123., №4. pp. 760-769.

91. World Meteorological Organization. General meteorological standards and recommended practices, Appendix A, WMO Technical Regulations// WMO №49, 1988.

92. Zhang L. Z., Niu J.L. Effectiveness correlations for heat and moisture ® transfer processes in an enthalpy exchanger with membrane cores//Journal of heattransfer. ASME trans. 2002, vol. 124., №5. 922-929 pp.