Система двухступенчатой утилизации энергии вытяжного воздуха с использованием обращенной тепловой машины тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат технических наук Колюнов, Олег Андреевич

• Колюнов, Олег Андреевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Колюнов, Олег Андреевич

х - координата, м

А - изменение какого-либо параметра КОП - коэффициент преобразования энергии а - коэффициент конвективной теплопередачи, Вт/(м К) а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м К) 5 - толщина, м в - холодильный коэффициент к - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К) (Л- коэффициент динамической вязкости, Па с л-кпд р - плотность, кг/м т - время, час, с ш - среднелогарифмическая разность температур, °С

Величины и их выражения: Nu = 4rha/A. - критерий Нуссельта Рг = рСр/А, - критерий Прандтля Re = 4rhG/p - критерий Рейнольдса St = a /(GCP) - критерий Стентона i = St*Pr2/3 - критерий Колборна f = 2AP/(pw2) - критерий Фаннинга Индексы: е - эксергетический э - энергетический в - воздух L - жидкость R - хладагент v-nap con - секция конденсации sup — секция сбива перегрева sc - секция переохлаждения к - конденсатор от — отопление тг - теплогенератор п - помещение н - наружный вн - внутренний вх, in - вход вых, out - выход тв - теплловыделения э — энергетический ВВ - вентилятор вытяжной ВП - вентилятор приточный

ВОК - вентиляция, отопление, кондиционирование KB - кондиционирование воздуха Н - насос

НПИТ - низкопотенциальный источник теплоты

ОТМ - обращённая тепловая машина

СКВ - система кондиционирования воздуха

СВ - система вентиляции

СО - система отопления

ТН - тепловой насос

ТНУ - теплонасосная установка

ТОА - теплообменный аппарат

ТЭЦ - теплоэлектроцентраль

Оглавление

Введение

Глава 1 .Энергосбережение в системах вентиляции и кондиционирования

§1.1 .Обзор типов и конструкций утилизаторов

§ 1.2,Обзор выпускаемых теплоутилизаторов

§1.3 .Виды поверхностных интенсификаторов теплообмена

§1.4.0бмерзание пластинчатых теплообменников и методы борьбы с ним

Глава 2.Экспериментальное исследование интенсификации теплообмена и гидравлического сопротивления в плоских каналах

§2.1.Цели и задачи эксперимента

§2.2,Описание стенда. Схема измерений

§2.3.Средства измерения и приборы

§2.4,Оценка погрешности эксперимента

§2.5.Методика проведения эксперимента

§2.6.Результаты эксперимента

§2.7.Обобщение и анализ экспериментальных данных

Глава 3.Разработка конструкции утилизатора повышенной эффективности

Глава 4.Системы на базе обращенной тепловой машины

§4.1.Общие сведения о тепловых машинах

§4.2.Методика оптимизации теплообменников типа «воздух - холодильный агент» для отопительных тепловых насосов

§4.2.иОбщиеиаолросы теплопередачи

§4.2.2.Геометрия теплообменников

§4.3 .Расчёт испарителя

§4.4.Расчёт конденсатора

§4.5.Выводы

§4.6.Сравнение различных систем отопления для климатических условий

Северо-запада России

Глава 5.Разработка программы для подбора параметров теплообменных аппаратов

§5.1.Ограничения, заложенные в программе

§5.2 .Порядок работы программы

Глава б.Технико-экономическое обоснование

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система двухступенчатой утилизации энергии вытяжного воздуха с использованием обращенной тепловой машины»

Кондиционирование воздуха относится к наиболее современным и технически совершенным способам создания и поддержания в помещениях условий комфорта для человека, оптимальных параметров воздушной среды для производственных процессов и обеспечения длительной сохранности различных материалов, товаров, продуктов, ценностей культуры и искусства. Кондиционирование воздуха - придание ему и автоматическое поддержание необходимых тепловлажностных качеств. При этом в отличие от общеобменной вентиляции и отопления при использовании системы кондиционирования в течение круглого года и, особенно, в теплое время в помещениях можно поддерживать любые желаемые — постоянные или изменяющиеся по программе - параметры внутреннего воздуха, независимо от наружных метеорологических условий и переменных поступлений в помещение тепла и влаги.

В соответствии со СНиП [54] «кондиционирование воздуха» -автоматическое поддержание в закрытых помещениях всех или отдельных параметров воздуха (температуры, чистоты, скорости движения и др.) с целью обеспечения, главным образом, оптимальных метеорологических условий наиболее благоприятных для самочувствия людей. В определённых условиях система кондиционирования может совмещать решение задач отопления, охлаждения и вентиляции.

Благодаря усилению изоляции улучшаются теплозащитные характеристики наружных ограждений зданий, общие тепловые оттоки (притоки) из(в) помещения путём теплопередачи уменьшаются. В то же время вклад в общий энергобаланс помещения вентиляционных «теплооттоков» (поступлений) становится настолько существенным, что использование теплового потенциала вентиляционных выбросов может оказаться экономически оправданным. Вместе с тем, бережное отношение к энергопользованию напрямую связано с экологией окружающей нас среды.

В системах кондиционирования, как правило, применяются холодильные машины для осуществления охлаждения воздуха в помещениях.

В холодный период года холодильные машины можно использовать в режиме нагрева - так называемый обращённый (теплонасосный) цикл. Для реализации этого режима необходимо обладать источником низкопотенциальной теплоты (НПИТ), который бы позволял эффективно отводить холод от испарителя холодильной машины. В конденсаторе, благодаря превращению горячего рабочего агента в жидкость, теплота конденсации отводится для нагрева воздуха в помещении.

За последние годы в России зарубежные фирмы широко распространили применение автономных кондиционеров, выполненных по раздельной схеме (сплит-системы) с наружным воздухом в качестве НПИТ. В холодный период года наружный теплообменный аппарат становится испарителем, а внутренний - конденсатором установки.

При температурах воздуха ниже 0°С показатель преобразования электроэнергии в теплоту резко снижается из-за уменьшения температуры кипения хладагента. По данным производителей [27],[30], обращенная тепловая машина (ОТМ) эффективно работает до температур наружного воздуха -10°С. Для климата северных районов России наружный воздух не может служить источником низкопотенциальной теплоты и система кондиционирования с ОТМ является неэффективной.

Для того, чтобы эта система стала энергетически целесообразной, необходимо дополнить её устройством, повышающим температурный потенциал воздуха на входе в аппараты ОТМ. Большинство фирм предлагает устанавливать в вентиляционном канале электронагреватель, который поднимет температуру наружного воздуха. Однако, прямое использование электричества на цели отопления имеет показатель преобразования энергии (КОП) равный (или меньший, с учётом мощности вентилятора) единице. Для сравнения, КОП цикла Карно примерно равен двенадцати. Потому при рассматривается возможность использования температурного потенциала вентиляционных выбросов -утилизации теплоты воздуха удаляемого из помещения. Для этого в систему вместо электронагревателя (рис.1) включают теплообменники-утилизаторы различных конструкций (см. гл.1).

Постановка задачи исследования В данной диссертационной работе рассматривается возможность круглогодичного применения системы с двухступенчатой утилизацией теплоты вентиляционных выбросов (обращенная тепловая машина и теплообменник-утилизатор) в климате г.Санкт-Петербурга (рис.2) для компенсации теплопотерь через систему вентиляции объекта. Предполагается наличие в помещении системы отопления, компенсирующей потери через ограждающие конструкции. При температурах наружного воздуха, характерных для переходного периода разрабатываемая система позволит уменьшить мощность (или отключить) основную систему отопления (СО).

Далее, в качестве расчётного, будет рассматриваться только холодный период года, как менее изученный с использованием ОТМ для Северозападного региона. В тёплый период года холодильная машина работает в обычном режиме, вырабатывая холод на нужды системы кондиционирования. В переходный период система с ОТМ даёт возможность одновременной выработке теплоты и холода, что является дополнительным преимуществом рассматриваемых систем.

На работу системы отопления существенно влияют параметры наружного климата. Для условий Северо-Западного региона, и, в частности, г. Санкт-Петербурга, за расчётные параметры согласно СНиП [55] принимаются: температура в холодный период -26°С, средняя температура за отопительный период -2,2°С и продолжительность отопительного периода 219 суток.

Необходимость создания такой системы связана с тем, что при температурах ниже -10°С эффективность ТНУ снижается до значений эффективности прямого электрообогрева. Поэтому к холодильной машине предлагается добавить теплообменник-утилизатор, который повышает температурный потенциал воздуха на входе в теплонасную установку. Одновременно с этим улучшается экологическая ситуация (отсутствие "парникового эффекта"). t=21 С

Рис.1. Система кондиционирования с использованием электрического воздухонагревателя

Рис.2. Система кондиционирования с двухступенчатой утилизацией теплоты удаляемого воздуха где Эл.н - электрический воздухонагреватель (ТЭН); У- утилизатор; ВП -вентилятор приточный; ВВ- вентилятор вытяжной конструкций утилизаторов теплоты, на основании которых даются рекомендации по улучшению конструкции рассматриваемых аппаратов.

Эти улучшения позволили частично решить проблему обмерзания поверхностей утилизатора при отрицательных температурах наружного воздуха, увеличить коэффициент теплоотдачи за счёт нанесения специального профиля в виде сферических углублений (доказано экспериментально), что позволило повысить общую эффективность аппарата на 15-^20%.

Разработана методика определения характеристик теплообменных аппаратов ОТМ, позволяющая проектировщикам подбирать оборудование для различных климатических условий. Данная методика заложена в компьютерную программу, которая может быть использована инженерами-проектировщиками.

В диссертационной работе проведено технико-экономическое сравнение систем с электрообогревом и с двухступенчатой утилизацией теплоты. Расчеты показывают, что при больших капитальных затратах, система с ОТМ окупится через два года. Поэтому монтаж такой системы на объектах различного назначения становится целесообразным.

Заключение диссертации по теме «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения», Колюнов, Олег Андреевич

Заключение и выводы по работе

1 .Показана работоспособность двухступенчатой системы утилизации теплоты вытяжного воздуха в климатических условиях Северо-запада России (г.Санкт-Петербурга).

2.В качестве первой ступени рекомендуется использование пластинчатого теплообменника, изготовленного на базе непрерывной ленты с нанесением на её поверхность специальной системы сферических лунок со стороны сухого потока. Показано, что в каналах при использовании облунения поверхности может быть достигнута интенсификация теплообмена без существенного роста аэродинамического сопротивления аппарата.

3.Экспериментальные данные исследования, выполненные в плоских щелевых каналах обобщены зависимостями вида:

St = C*ReDn*(D/L)0'35 f = l,2*Re -°'2*(D/L)0'35 для гладкого канала С=0,079 п=-0,2 для канала с лунками С=0,061 п=-0,16

4.Разработана усовершенствованная конструкция утилизатора теплоты воздуха (1-й ступени утилизации), удаляемого из помещения, что позволило частично решить вопрос обмерзания поверхностей теплообменника путём вертикального их расположения и промежуточного удаления жидкого конденсата.

В качестве второй ступени утилизации использована (ОТМ), работающая в режиме отопления.

5.Разработан алгоритм и программа расчёта аппаратов обращенной тепловой машины (ОТМ) типа «воздух-воздух», работающей в схеме с двухступенчатой утилизацией теплоты, заложенный в ренету компьютерной программы.

Программа позволяет определять параметры оборудования в диапазоне наружных температур от -10° до 15°С без первой ступени утилизации теплоты и от -26°С до 15°С при её наличии.

6.Произведено экономическое сравнение систем электрического обогрева, с теплонасосной установкой и с различными видами пластинчатых утилизаторов теплоты. Анализ показал, что как с энергетической, так и с экономической точек зрения, непосредственный электрический обогрев является наименее выгодным.

Применение ОТМ существенно повысит коэффициент преобразования теплоты, а установка теплообменника-утилизатора позволит поднять его величину примерно в 3-К3,5 раза относительно электрического обогрева.

7.Расчёт показал, что несмотря на дополнительные затраты на покупку ТО А, срок окупаемости системы с утилизатором теплоты по сравнению с электрообогревом составляет примерно два года. Расчёт были проведены для климатических условий Северо-западного региона России.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Колюнов, Олег Андреевич, 2004 год

1.Ананьев В.А., Балуева Л.Н., Гальперин А.Д. и др. Системы вентиляции и кондиционирования. //Теория и практика. Учебное пособие М.: Евроклимат, издательство Арина, 2000. - 416 с.

2. Анипко Б.В. Технико-экономические предпосылки эффективного применения теплонасосных установок. Харьков.: ИПМаш, 1989. - 22 с.

3. Антикайн П.А., Аронович М.С., Бакластов A.M. Рекуперативные теплообменные аппараты. М-Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 230 с.

4. Афанасьев В.Н., Роганов П.С. Чудновский Я.П. Процессы теплоотдачи при обтекании регулярных рельефов сферических вогнутостей турбулентным потоком //Инженерно-физический журнал 1991. т.63 №1 56-62с.

5. Байрамов Р.Б. Теплонасосные установки для индивидуальных потребителей. Ашхабад.: 1984. - - 69 с.

6. Богданов С.Н., Иванов О.П., Куприянова А.В. Холодильная техника. Свойства веществ: справочник. М.: Агропромиздат, 1985. - 208 с.

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

8. Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление: Учеб. для ВУЗов. М.: Стройиздат, 1991. - 735 с.

9. Ю.Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии. М.: Издательство стандартов, 1975. - 336 с.

10. П.Быков А.В., Калинин И.М., Крузе А.С. Холодильные машины и тепловые насосы. М.: Агропромиздат, 1988. - 287 с.

11. Васильева Т.К. Применение тепловых насосов для теплоснабжения зданий.1. Киев.: 1980. 123 с.

12. Везиришилли О.Ш. Энергосберегающие теплонасосные системы тепло- и хладоснабжения. М.: Издательство МЭИ, 1994. - 156с.

13. Вишневский Е.П. Перспективные технические решения систем вентиляции бытового и производственного назначения в суровых климатических условиях. Petrospek-Центр, Москва

14. Вукалович М.П., Новиков И.И. Техническая термодинамика. М.: Энергия, 1968. - 496 с.16.3айдель А.Н. Погрешности измерений физических величин. JL: Наука, 1985.-112с.

15. П.Иванов О.П. Конденсаторы и водоохлаждающие устройства. JL: Машиностроение, 1980. -165 с.

16. Иванов О.П., Янышев А.Б. Графический способ определения предварительной длины капиллярной трубки // Инженерные системы. 2002. №1.-42-43 с.

17. Интенсификация теплообмена в испарителях холодильных машин.//Гоголин А.А., Данилова Г.Н, Азарсков В.М./ Под ред. Гоголина А.А. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. - 224 с.

18. Карпис Е.Е. Энергосбережение в системах вентиляции и кондиционирования. М.: Наука 1985. - 63 с.

19. Каст В., Кришер О., Райнике Г., Винтермантель К. Конвективный тепло- и массообмен М.: Энергия, 1980. - 49 с.

20. Каталог Проекты частных домов. Архитектурное бюро Арт-ателье выпуск 1997.

21. Каталог фирмы «Hoval» Aluminium Plate Heat Exchangers for Heat Recovery in Ventilation Systems.27. Каталог фирмы «Carrier»28.Каталог фирмы «Remak»

22. Каталог фирмы «Wolf» Кондиционеры. Документация для проектирования

23. Каталог фирмы «York» Комнатные горизонтальные тепловые насосы.

24. Кикнадзе Г.И., Краснов Ю.К., Подымако A.M., Хабенский В.Б. // Докл. АН СССР 1986. т.291 №6 -1315-1318 с.

25. Козлов А.П., Щукин А.В., Агачёв Р.С. Гидродинамические эффекты от сферических углублений на поверхности поперечно обтекаемого цилиндра «Авиационная техника» 1994. №2 Казань.

26. Кокорин О .Я. Энергосберегающие технологии функционирования систем вентиляции, отопления, кондиционирования воздуха (систем ВОК) М.: Проспект 1999. - 203 с.

27. Колюнов О.А., Иванов О.П. Энергосбережение в системах вентиляции,и кондиционирования за счёт применения утилизации теплоты удаляемого воздуха. // Известия СПбГУН и ПТ. Холодильная и криогенная техника. №1 2003. 28-31 с.

28. Крафт Г. Системы низкотемпературного отопления. М.: Стройиздат, 1983. -106 с.

29. Порядок защиты. Практическое пособие для докторантов, аспирантов и магистров. М.: Ось-89,2001. - 320 с.

30. Кэйс В.М. Лондон АЛ. Компактные теплообменники М.: 1962.

31. Мартыновский B.C. Тепловые насосы. M-JL: Госэнергоиздат, 1955. - 192 с.

32. Мартыновский B.C. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов. М.: Энергия, 1979. - 285 с.

33. Минин В.Е. Эффективные системы отопления зданий. JL: Стройиздат, 1988. -217 с.

34. Мужиливский П.М. Тепловые насосы средство экономной выработки теплоносителей. - М.: ВНИИЭЭПГ, 1986. - 63 с.

35. Михеев М.А. Основы теплопередачи. M-JL: Госэнергоиздат, 1956. 392 с. 45 .Михеев М.А. Расчётные формулы конвективного теплообмена //Известия Академии наук СССР // Энергетика и транспорт №5 1966. - 67 с.

36. Нартов И.М. Установки для трансформации тепла и процессов охлаждения. -Л.: ЛТА ЛТИЦБП, 1983. 61 с.

37. Наумов А.Л. Инженерные системы индивидуальных домов «АВОК» №1 1999.-32 с.48.0сипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена: Учеб. Пособие для ВУЗов. М.: Энергия, 1979.- 320 с.

38. Полушкин А.А. К вопросу о конвективном теплообмене в условиях внутренней задачи //Инженерно-физический журнал 1958 т.1, №2 22 с.

39. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. М.: Энергоиздат, 1982. - 220 с.

40. Сканави А.Н. Конструирование и расчет водяного и воздушного отоплениязданий. М.: Стройиздат, 1983. -304с

41. СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика / Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1983. - 136 с.

42. СНиП 2-3-79* Строительная теплотехника // Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1980. - 29 с.

43. СНиП 2.А6-72 Строительная климатология и геофизика // Госстрой СССР. -М.: Стройиздат, 1983. 136 с.

44. Соколов Е.Я. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. М.: Энергоиздат, 1981. - 320 с.

45. Справочник по теплообменникам. // в 2 т.перевод с англ. Под ред.Б.С.Петухова, В.К.Шикова М.: Энергоатомиздат 1987 560 с.

46. Таблицы термодинамических свойств газов и жидкостей. Вып. 2. -Фреон 22. М.: Издательство стандартов, 1978. - 60 с.

47. Танг Л.,Фосс Ю. Новаторские решения компании Outokumpu по теплопередаче //Инженерные системы №3 2002. -. 12 с.

48. Теоретические основы хладотехники. Часть 1. Термодинамика /Богданов С.Н., Гуйго Э.И., Данилова Г.Н. и др./: под ред.Гуйго Э.И. М.: Колос, 1994. -288 с.

49. Тепловые и конструктивные расчёты холодильных машин /Кошкин Н.Н., Стукаленко А.К., Бухарин Н.Н. и др./ под ред. Кошкина Н.Н.

50. Л.: Машиностроение, 1976. 464 с.

51. Теплофизические измерения и приборы/ Е.С. Платунов, С.Е. Буравой и др.; под общ. ред. Е.С. Платунова Л.: Машиностроение, 1986. 256 с.

52. Туркин А.В., Сорокин А.Г., Брагина О.Н., Алёшина Н.Б. Биденко Л.М., Яковлева Н.Н., Наумов М.А. Интенсификация теплообмена при помощи лунок в плоском канале при низких скоростях движения воздуха //ММФ т1., 4.1 Минск 1992. 143 с.

53. Хайнрих Г. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения. М.: Стройиздат, 1985. - 351 с.

54. Холодильные машины. Учебник для ВУЗов // Ред. Тимофеевский Л.С. СПб.: Политехника, 1997 992 с.

55. Янтовский Е.И. Парокомпрессионные теплонасосные установки. М.: Энергоатомиздат, 1982. - 125 с.

56. Литовский Е.И. Промышленные тепловые насосы. М.: Энергоиздат, 1989. -141 с.

57. Altman М, Norris R. Transactions of the American Sofiety of Mechanical Engineers. Series С Jornal of Heat Transfer. 189

58. Ambrose E.R. Heat Pumps and Electric Heating New York, John Willey 1966

59. Blundell C.J. Optimising Heat Exchangers for air-to-air Space-Heating Heat Pumps in the United Kingdom. Energy Research 1977. Vol.1,69-94 pp

60. Domanski P. Mathematical model of air-to-air heat pump equipped with a capillary tube // International Journal of refrigeration. 1984. Vol.7. №4 249-255 pp

61. Hart J The Case for Utilization of Solar Energy, ECRC Utilization Research Panel Report 1975. ENV 112

62. Heap R.D. Domestic heat pump operation. Heating and ventilating News, 1975. 18(8), 30,41

63. Martinelli R.C. Nelson D.B. Transactions of the American Society of Mechanical Engineers, 1948. 70, 695

64. McQuinston F.C., Tree D.R. Transactions of the American Society of Mechanical Engineers, 1971. Series C, Journal of Heat Transfer, 249 pp

65. Newall A.J. Residential Heat Pump Application in Britain, 1974. ECRC Report M703 Sl.Pierre B. Kylteknisk Tidskrift, 1974. 3,129 82.Yoshii T. Refrigeration, 47, 531