9702
.pdf4.3. Регенеративные тепломассообменные аппараты
Широкое применение в установках утилизации теплоты воздуха получи-
ли регенеративные вращающиеся и переключающиеся утилизаторы теплоты, в
которых передача тепла осуществляется аккумулирующей массой, находящей-
ся последовательно в потоках теплого и холодного воздуха.
Вращающиеся регенераторы (рис. 4.2а) состоят из аккумулирующей мас-
сы – насадки, корпуса, электродвигателя с редуктором, приводящим во враще-
ние насадку, и продувочной камеры. Насадка может быть образована пласти-
нами различной конфигурации, сетками, шариками, стружкой и т.д.
Продувочная камера предназначена для очистки поверхности насадки при переходе её из удаляемого воздуха в приточный. Вращающиеся регенераторы подразделяются на сорбирующие и несорбирующие. В сорбирующих регенера-
торах аккумулирующая масса из капиллярно-пористого материала (асбесто-
картона, технического картона и т.п.) пропитана сорбентом (хлористый литий,
бромистый литий и т.п.), обеспечивающим поглощение влаги из удаляемого воздуха и передачу его в процессе десорбции приточному воздуху. В сорби-
рующих регенераторах с металлической насадкой сорбент наносят на поверх-
ность металла напылением.
В переключающихся регенераторах (рис. 4.2б) насадка неподвижна и по-
следовательно омывается теплым и холодным воздухом.
Регенераторы являются наиболее экономичными утилизаторами тепла удаляемого с воздухом, так как для изготовления насадки требуются сравни-
тельно дешевые материалы. Недостаток регенераторов состоит в возможности переноса запахов. Перенос вредных веществ и переток удаляемого воздуха в приточный предотвращается устройством продувочной камеры, а также созда-
нием подпора в приточном канале по отношению к вытяжному. В современных конструкциях регенераторов переток воздуха не превышает 0,4…4 %.
Основные варианты установки регенеративных теплообменников в воз-
духоприготовительных центрах приведены на рисунке 4.3 [20].
70
Рис. 4.2. Регенеративные вращающийся (а) и переключающиеся (б) утилизаторы теплоты: 1 – корпус; 2 – электродвигатель с редуктором; 3 – продувочная камера; 4 – насадка; 5 – воздушный клапан
Рис. 4.3. Принципиальная схема воздухоприготовительных центров с регенеративными теплообменниками: а – с периодическим отключением приточного вентилятора; б – с обводным каналом по приточному воздуху; в – с предварительным подогревом приточного воздуха; г – с регенератором, работающим в периоды похолоданий по схеме прямоточного движения теплообменивающихся сред; д, е – движение воздушных потоков в регенераторе установки «г» при его работе по противоточной и прямоточной схеме, соответственно
71
При отрицательной температуре приточного воздуха на поверхности на-
садки может замерзать конденсат, образующийся при прохождении ею потока удаляемого воздуха. При допустимости кратковременного прекращения подачи вентиляционного воздуха разрешается образование инея на поверхности с по-
следующим его оттаиванием путем прекращения подачи холодного воздуха примерно на 5 минут через каждые 3-5 ч работы системы (рис. 4.3а).
В тех случаях, когда не допускается кратковременное отключение систе-
мы вентиляции, следует предусматривать меры, предотвращающие образова-
ние инея. Например, в периоды похолодания пропускать часть наружного воз-
духа через обводной канал, минуя регенератор (рис. 4.3б) или уменьшать час-
тоту вращения ротора регенератора с помощью тиристорных регуляторов. Ино-
гда для предотвращения инееобразования применяют установки с предвари-
тельным подогревом приточного воздуха (рис. 4.3в). С этой целью используют электроили водяные воздухонагреватели. В последнем случае необходимо предусматривать защиту теплоносителя от замерзания.
Допускается также использовать технологическую схему с подогревом части приточного воздуха. Предотвратить инееобразование возможно путем перехода в периоды похолоданий от противоточной к прямоточной схеме дви-
жения воздушного потока в регенераторе (рис. 4.3г). В таких регенераторах следует предусматривать специальную конструкцию продувочной камеры с пе-
реключающимся клапаном (рис. 4.3д-е).
4.4.Тепломассообменные аппараты утилизации теплоты вытяжного воздуха
спромежуточным теплоносителем
Отличительная особенность утилизаторов теплоты с промежуточным те-
плоносителем заключается в наличии циркуляционного контура, в котором пе-
ремещается рабочее вещество, обеспечивающее передачу тепловой энергии от источника к потребителю. Установки с промежуточным теплоносителем – наи-
более широко распространенный вид теплоутилизаторов в системах преобразо-
вания тепловой энергии. В зависимости от вида используемого теплообменника
72
теплоутилизаторы могут быть рекуперативного или контактного типа. Возмож-
ны также варианты, когда в одном канале теплоноситель непосредственно кон-
тактирует с теплообменивающейся средой, а в другом используется рекупера-
тивный теплообменник. Теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем могут работать в области однофазной жидкости, а также в области влажного пара. В качестве однофазной жидкости обычно применяют воду либо другие жидкости, не замерзающие в рабочем диапазоне температур. В качестве жидко-
стей, обеспечивающих работу теплоутилизаторов в области влажного пара, ис-
пользуют хладоны, водяной пар, аммиак, а также растворы (водоаммиачные,
бромистолитиевые и пр.).
Утилизаторы теплоты с промежуточным теплоносителем и теплоутилиза-
торами рекуперативного типа используют тепло удаляемого из помещения воз-
духа общеобменной вентиляции или тепло технологических выбросов. Прин-
ципиальные схемы воздухоприготовительных центров приточной вентиляции или кондиционирования микроклимата с рекуперативными теплообменниками,
использующими тепло удаляемого воздуха для нагрева приточного воздуха,
приведены на рисунке 4.4 [20], где: tв.н1, tв.к1 – температуры воздуха на входе и выходе из вытяжного теплообменника, соответственно, °C; tв.н2, tв.к2 – темпера-
туры воздуха на входе и выходе из приточного теплообменника, °C.
Как правило, утилизируемого тепла оказывается недостаточно для нагре-
ва приточного воздуха до требуемых температур в течение всего отопительного сезона. В связи с этим в воздухоприготовительных центрах необходимо иметь дополнительные источники тепла. Возможны два пути решения этой задачи. В
соответствии с первым из них (рис. 4.4, а-в, д) догрев воздуха осуществляется в дополнительных воздухоподогревателях, устанавливаемых до и после утилиза-
торов теплоты и подключаемых к теплосети. Во многих установках эти возду-
хонагреватели работают лишь в периоды похолоданий, а в течение остального времени не используются. В установках с предварительным подогревом при-
точного воздуха (рис. 4.4, б) отключение дополнительных воздухонагревателей может привести к замерзанию теплоносителя в трубках.
73
Рис. 4.4. Принципиальные схемы воздухоприготовительных центров с использованием утилизаторов тепла удаляемого воздуха рекуперативного типа с промежуточным теплоносителем: а – установка с подогревом приточного воздуха в воздухонагревателе; б - установка с предварительным подогревом воздуха в воздухонагревателе; в – установка с обводным каналом; г – установка с подогревателем промежуточного теплоносителя; д – установка с двумя рабочими насосами; 1 – приточный теплообменник; 2 – циркуляционный насос; 3 – вытяжной теплообменник; 4 – датчик защиты от обмерзания; 5 – бак промежуточного теплоносителя; 6 – обратный клапан; 7 – регулирующий клапан; 8 – датчик температуры; 9 – от теплосети; 10 – дополнительный воздухоподогреватель; 11 – воздухонагреватель предварительного подогрева; 12 – обводной канал;13 – подогреватель промежуточного теплоносителя
74
Приведенный факт является недостатком данной схемы воздухопригото-
вительных центров. Другой путь решения задачи состоит в догреве промежу-
точного теплоносителя в периоды похолоданий (рис. 4.4, г).
В большинстве установок с промежуточным теплоносителем, применяе-
мых в системах вентиляции и систем кондиционирования микроклимата, на части поверхности теплообменника, расположенного в вытяжном канале, кон-
денсируется водяной пар. Наличие конденсата может привести к образованию наледи. Способы защиты теплообменников с промежуточным теплоносителем от образования наледи указаны на рисунках 4.4. В соответствии со схемой рис. 4.4б приточный воздух предварительно нагревается до постоянной в течение отопительного сезона температуры. В схемах рисунков 4.4а и 4.4в при образо-
вании наледи на поверхности теплообменника по сигналу датчика перепада давлений 4 периодически сокращается расход воздуха или промежуточного те-
плоносителя через теплообменник приточного воздуха и происходит оттаива-
ние замерзшего конденсата. В схеме рисунка 4.4г для тех же целей использует-
ся подогрев промежуточного теплоносителя от постороннего источника. В схе-
ме рисунка 4.4д защита от замерзания конденсата достигается увеличением расхода промежуточного теплоносителя в период низких температур путем включения резервного насоса.
Рассмотрим пример расчета утилизаторов теплоты с промежуточным те-
плоносителем для вентиляционных систем [21], расчетная схема которых при-
ведена на рисунке 4.5. В качестве промежуточного теплоносителя используется водный раствор этиленгликоля с температурой замерзания ‒30 °C.
Вытяжная установка, удаляющая воздух из верхней зоны помещения, на-
гревает промежуточный теплоноситель в воздухонагревателях (теплоизвле-
кающий теплообменник), который затем следует в приточную установку, где отдает накопленное тепло в теплоотдающем теплообменнике. Обычно этого тепла не хватает для нагрева приточного воздуха до требуемой температуры, и
поэтому установка комплектуется дополнительным воздухонагревателем, рабо-
тающим от системы теплоснабжения здания. 75
Рис. 4.5. Схема приточно-вытяжной системы вентиляции с промежуточным теплоносителем: 1 – вытяжная установка; 2 – приточная установка; 3 – трубопроводы с этиленгликолем; 4 – расширительный бак; 5 – циркуляционный насос
Исходные данные для расчета.
Место строительства: г. Москва, температура наиболее холодной пяти-
дневки с обеспеченностью 0,92 tн Б = ‒26 °C, энтальпия наружного воздуха Jн = ‒25,3 кДж/кг. Объект: спортивный зал школы, со следующими параметрами микроклимата и воздухообменом: Gу = Gп = 4600 кг/ч; tу1 = 23,2 °C; tп1 = 21,6 °C; Jу1 = 39,6 кДж/кг; Jп1 = 33 кДж/кг; φу1 = 36 %.
На J-d диаграмме (рис. 4.6) наносим точки У1 и f c tf = 2 °С и φf = 100 %.
76
Рис. 4.6. J-d диаграмма влажного воздуха
77
Процесс утилизации тепла пойдет по прямой, соединяющей эти две точки
до относительной влажности φу2 точки У2: φу2 = 88 % при φу1 от 30 до 40 %; φу2 = 92 % при φу1 от 50 до 70 %; φу2 = 98 % при φу1 более 70 %.
Точка У2 имеет параметры tу2 = 4,4 °C, Jу2 = 16 кДж/кг и φу2 = 88 %. Если
влагосодержание точки уходящего воздуха менее 4,5 г/кг, то процесс утилизации пойдет без конденсации влаги по линии d = const до температуры tу2 = 4 °С. Для дальнейших расчетов строим линию условного сухого режима по d = const из
точки f. Проводим линию энтальпий из точек У1 и У2 |
до пересечения с d = const. |
||||||||||||
Это точки У |
и |
У с параметрами: для точки У |
– t |
= 28 °C; |
J = кДж/кг; для |
||||||||
|
1 |
|
2 |
|
|
|
1 |
У1 |
У1 |
||||
точки У |
– t |
= 4,6 °C; J = 16 кДж/кг. |
|
|
|
||||||||
2 |
У2 |
|
У2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Количество утилизируемого тепла Qу, кДж/ч, составит: |
|
||||||||||||
|
|
|
Qу Gу (Jу1 |
Jу2 ) сGу(tу1 tу2 ). |
(4.12) |
||||||||
|
|
|
Qу 4600(39,6 16) 108600кДж/кг. |
|
|||||||||
Находим температуру наружного воздуха, после теплоотдающего тепло- |
|||||||||||||
обменника, по следующей зависимости: |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
Q |
|
108600 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
tн2 |
|
tн1 |
|
|
|
26 2,5 C. |
(4.13) |
|||
|
|
|
G c |
4600 1,005 |
|||||||||
|
|
|
|
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Определяем расчетное количество этиленгликоля, циркулирующего в |
|||||||||||||
системе Gаф, кг/ч, по формуле: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
Gаф |
|
|
Qу |
, |
|
|
(4.14) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
cаф tаф |
|
|
|
где tаф – рекомендуемый перепад температур, °C, принимаем равным 6 °C; саф
– удельная теплоемкость этиленгликоля, равная 3,5 кДж/кг·°C.
108600
Gаф 3,5 6 5170кДж/кг.
Для предотвращения обмерзания средняя температура этиленгликоля принимается равной tср.аф = 1 °C, тогда:
78
tаф1 |
1 |
tаф |
1 |
6 |
4 C, |
(4.15) |
|
2 |
|||||
|
2 |
|
|
|
tаф2 1 6 2 C. 2
Показатель теплотехнической эффективности теплоотдачи теплообмен-
ника в сухом режиме Θt, у, определяется по зависимости:
|
t,у |
|
tн2 tн1 |
. |
(4.16) |
|
|||||
|
|
tаф1 tн1 |
|
2,5 4,6
t, у 4 ( 26) 0,78.
Для теплоизвлекающего теплообменника, аналогично Θt, у составляет:
|
|
|
|
t |
|
|
28 4,6 |
||
|
|
|
tУ1 |
У2 |
|
||||
|
t,у |
|
|
|
|
|
|
|
0,78. |
t |
t |
|
|
|
|||||
|
|
аф2 |
|
28 ( 2) |
|||||
|
|
|
У1 |
|
|
|
|
Отношение теплоемкости потоков W равно:
W |
Gпcп |
. |
(4.17) |
|
Gафcаф
W 4600 1,005 0,26. 5170 3,5
По таблице 4.2 находим численное значение критерия Фурье Fо = 1,8.
Требуемая величина произведения коэффициента теплопередачи тепло-
отдающего теплообменника на площадь теплообмена равна:
KF |
1,16GпFо |
. |
(4.18) |
|
|||
п |
3,6 |
|
|
|
|
|
KFп 1,16 4600 1,8 2780 Вт/°C. 3,6
Требуемая величина произведения коэффициента теплопередачи тепло-
извлекающего теплообменника на площадь теплообмена равна:
– при наличии конденсации влаги
KF |
1,5GпFо |
; |
(4.19) |
||
|
|||||
п |
3,6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– при отсутствии конденсации влаги |
|
||||
KF |
1,16GпFо |
. |
(4.20) |
||
|
|||||
п |
3,6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
79 |
|
|
|