Расчет систем утилизации теплоты вытяжного вентиляционного воздуха. Рекуперация тепла в системах вентиляции. Перспективное направление развития утилизаторов тепла

ЛЕКЦИЯ

по учебной дисциплине"Тепло-массообменное оборудование предприятий"

(к учебному плану 200__г)

Занятие № 26. Теплообменники – утилизаторы. Конструкции, принцип действия

Разработал: к.т.н., доцент Костылева Е.Е.

Обсуждена на заседании кафедры

протокол № _____

от "_____" ___________2008 г.

Казань - 2008 г.

Занятие № 26 . Теплообменники – утилизаторы. Конструкции, принцип действия

Учебные цели:

1. Изучить конструкции и принцип различных теплообменников утилизаторов

Вид занятия: лекция

Время проведения : 2 часа

Место проведения : ауд. ________

Литература:

1. Электронные ресурсы Internet.

Учебно-материальное обеспечение:

Плакаты, иллюстрирующие учебный материал.

Структура лекции и расчет времени:

Одним из источников вторичных энергоресурсов в здании является тепловая энергия воздуха, удаляемого в атмосферу. Расход тепловой энергии на подогрев поступающего воздуха составляет 40...80% теплопотребления, большая ее часть может быть сэкономлена в случае применения так называемых теплообменников-утилизаторов.

Существуют различные типы теплообменников-утилизаторов.

Рекуперативные пластинчатые теплообменники выполняются в виде пакета пластин, установленных таким образом, что они образуют два смежных канала, по одному из которых движется удаляемый, а по другому - приточный наружный воздух. При изготовлении пластинчатых теплообменников такой конструкции с большой производительностью по воздуху возникают значительные технологические трудности, поэтому разработаны конструкции кожухотрубных теплообменников-утилизаторов ТКТ, представляющих собой пучок труб, расположенных в шахматном порядке и заключенных в кожух. Удаляемый воздух движется в межтрубном пространстве, наружный - внутри трубок. Движение потоков перекрестное.

Рис. 1 Теплообменники- утилизаторы:
а - пластинчатый утилизатор; б - утилизатор ТКТ;в - вращающийся; г - рекуперативный;
1 - корпус; 2 - приточный воздух; 3 - ротор; 4 - сектор продувной; 5 - вытяжной воздух; 6 - привод.

С целью предохранения от обледенения теплообменники снабжены дополнительной линией по ходу наружного воздуха, через которую при температуре стенок трубного пучка ниже критической (-20°С) перепускается часть холодного наружного воздуха.

Установки утилизации тепла вытяжного воздуха с промежуточным теплоносителем могут применяться системах механической приточно-вытяжной вентиляции, а также в системах кондиционирования воздуха. Установка состоит из расположенного в приточном и вытяжном каналах воздухонагревателя, соединенного замкнутым циркуляционным контуром, заполненным промежуточным носителем. Циркуляция теплоносителя осуществляется посредством насосов. Удаляемый воздух, охлаждаясь в воздухонагревателе вытяжного канала, передает тепло промежуточному теплоносителю, нагревающему приточный воздух. При охлаждении вытяжного воздуха ниже температуры точки росы на части теплообменной поверхности воздухонагревателей вытяжного канала происходит конденсация водяного пара, что приводит к возможности образования наледи при отрицательных начальных температурах приточного воздуха.

Установки утилизации тепла с промежуточным теплоносителем могут работать либо в режиме, допускающем образование наледи на теплообменной поверхности вытяжного воздухонагревателя в течение суток при последующем отключении и оттаивании, либо, если отключение установки недопустимо, при применении одного из следующих мероприятий по защите воздухонагревателя вытяжного канала от образования наледи:

• предварительного нагрева приточного воздуха до положительной температуры;
• создание байпаса по теплоносителю или приточному воздуху;
• увеличения расхода теплоносителя в циркуляционном контуре;
• подогрева промежуточного теплоносителя.

Выбор типа регенеративного теплообменника производят в зависимости от расчетных параметров удаляемого и приточного воздуха и влаговыделений внутри помещения. Регенеративные теплообменники могут устанавливаться в зданиях различного назначения в системах механической приточно-вытяжной вентиляции, воздушного отопления и кондиционирования воздуха. Установка регенеративного теплообменника должна обеспечивать противоточное движение воздушных потоков.

Систему вентиляции и кондиционирования воздуха с регенеративным теплообменником необходимо оснастить средствами контроля и автоматического регулирования, которые должны обеспечивать режимы работы с периодическим оттаиванием инея или предотвращением инееобразования, а также поддерживать требуемые параметры приточного воздуха. Для предупреждения инееобразования по приточному воздуху:

• устраивают обводной канал;
• предварительно подогревают приточный воздух;
• изменяют частоту вращения насадки регенератора.

В системах с положительными начальными температурами приточного воздуха при утилизации тепла нет опасности замерзания конденсата на поверхности теплообменника в вытяжном канале. В системах с отрицательными начальными температурами приточного воздуха необходимо применять схемы утилизации, обеспечивающие защиту от обмерзания поверхности воздухонагревателей в вытяжном канале.

2. РАБОТА ТЕПЛООБМЕННИКА – УТИЛИЗАТОРА В СИСТЕМАХ ВЕНТИЛЯЦИИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

Теплообменники-утилизаторы могутт быть использованы в системах вентиляции и кондиционирования воздуха для утилизации теплоты удаляемого из помещения вытяжного воздуха.

Потоки приточного и вытяжного воздуха подводят через соответствующие входные патрубки в перекрестноточные каналы теплообменного блока, выполненного, например, в виде пакета алюминиевых пластин. При движении потоков по каналам происходит передача теплоты через стенки от более теплого вытяжного воздуха к более холодному, приточному. Затем эти потоки выводят из теплообменника через соответствующие выходные патрубки.

По мере прохождения через теплообменник температура приточного воздуха снижается. При низкой температуре наружного воздуха она может достигнуть температуры точки росы, что ведёт к выпадению капельной влаги (конденсата) на поверхности, ограничивающие каналы теплообменника. При отрицательной температуре этих поверхностей конденсат превращается в иней или лёд, что естественно нарушает работу теплообменника. Для предотвращения образования инея или льда или их удаления в процессе работы данного теплообменника измеряют температуру в самом холодном углу теплообменника или (как вариант) разность давлений в канале вытяжного воздуха до и после теплообменного блока. При достижении предельного, заранее заданного значения измеряемым параметром теплообменный блок поворачивается на 180" вокруг своей центральной оси. Таким образом обеспечивается снижение аэродинамического сопротивления, затрат времени на предотвращение образования инея или его удаление и использование при этом всей теплообменной поверхности.

Задача заключается в снижении аэродинамического сопротивления потоку приточного воздуха, использование для процесса теплообмена всей поверхности теплообменника при проведении процесса предотвращения образования инея или его удаления, а также уменьшение затрат времени на проведение указанного процесса.

Достижению указанного технического результата способствует то, что параметром, по которому судят о возможности образования или наличии инея на поверхности холодной зоны теплообменника, служит либо температура его поверхности в самом холодном углу, либо разность давлений в канале вытяжного воздуха до и после теплообменного блока.

Предотвращение образования инея посредством нагрева поверхности подводимым в каналы с их выходной стороны при помощи поворота теплообменника на угол 180 о потоком вытяжного воздуха (при достижении измеряемым параметром предельного значения) обеспечивает постоянное аэродинамическое сопротивление потоку приточного воздуха, а также использование для теплообмена всей поверхности теплообменника в течение всего времени его работы.

Использование теплообменника-утилизатора дает заметную экономию средств на отопление помещений и снижает потери тепла, неотвратимо существующие при вентиляции и кондиционировании. А за счёт принципиально нового подхода к предупреждению образования конденсата с последующим появлением инея или льда, их полному удалению, значительно повышается эффективность работы данного утилизатора, что выгодно отличает его от других средств утилизации тепла вытяжного воздуха.

3. ТЕПЛООБМЕННИКИ-УТИЛИЗАТОРЫ ИЗ ОРЕБРЕННЫХ ТРУБ

Главным назначением вытяжной вентиляции является устранение отработанного воздуха из обслуживаемого помещения. Вытяжная вентиляция, как правило, работает в комплексе с приточной, которая, в свою очередь, отвечает за подачу чистого воздуха.

Для того чтобы в помещении был благоприятный и здоровый микроклимат, нужно составить грамотный проект системы воздухообмена, выполнить соответствующий расчет и сделать монтаж необходимых агрегатов по всем правилам. Планируя , нужно помнить о том, что от нее зависит состояние всего здания и здоровье людей, которые в нем находятся.

Малейшие ошибки приводят к тому, что вентиляция перестает справляться со своей функцией так, как нужно, в комнатах появляется грибок, отделка и стройматериалы разрушаются, а люди начинают болеть. Поэтому важность правильного расчета вентиляции нельзя недооценивать ни в коем случае.

Главные параметры вытяжной вентиляции

В зависимости от того, какие функции выполняет вентиляционная система, существующие установки принято делить на:

1. Вытяжные. Необходимы для забора отработанного воздуха и его отведения из помещения.
2. Приточные. Обеспечивают подачу свежего чистого воздуха с улицы.
3. Приточно-вытяжные. Одновременно удаляют старый затхлый воздух и подают новый в комнату.

Вытяжные установки преимущественно используются на производстве, в офисах, складских и прочих подобных помещениях. Недостатком вытяжной вентиляции является то, что без одновременного устройства приточной системы она будет работать очень плохо.

В случае если из помещения будет вытягиваться больше воздуха, чем поступает, образуются сквозняки. Поэтому приточно-вытяжная система является наиболее эффективной. Она обеспечивает максимально комфортные условия и в жилых помещениях, и в помещениях промышленного и рабочего типа.

Современные системы комплектуются различными дополнительными устройствами, которые очищают воздух, нагревают или охлаждают его, увлажняют и равномерно распространяют по помещениям. Старый же воздух безо всяких затруднений выводится через вытяжку.

Прежде чем приступать к обустройству вентиляционной системы, нужно со всей серьезностью подойти к процессу ее расчета. Непосредственно расчет вентиляции направлен на определение главных параметров основных узлов системы. Лишь определив наиболее подходящие характеристики, вы можете сделать такую вентиляцию, которая будет в полной мере выполнять все поставленные перед ней задачи.

По ходу расчета вентиляции определяются такие параметры, как:

1. Расход.
2. Рабочее давление.
3. Мощность калорифера.
4. Площадь сечения воздуховодов.

При желании можно дополнительно выполнить расчет расхода электроэнергии на работу и обслуживание системы.

Вернуться к оглавлению

Пошаговая инструкция по определению производительности системы

Расчет вентиляции начинается с определения ее главного параметра — производительности. Размерная единица производительности вентиляции — м³/ч. Для того чтобы расчет расхода воздуха был выполнен правильно, вам нужно знать следующую информацию:

1. Высоту помещений и их площадь.
2. Главное назначение каждой комнаты.
3. Среднее количество человек, которые будут одновременно пребывать в комнате.

Чтобы произвести расчет, понадобятся следующие приспособления:

1. Рулетка для измерений.
2. Бумага и карандаш для записей.
3. Калькулятор для вычислений.

Чтобы выполнить расчет, нужно узнать такой параметр, как кратность обмена воздуха за единицу времени. Данное значение устанавливается СНиПом в соответствии с типом помещения. Для жилых, промышленных и административных помещений параметр будет различаться. Также нужно учитывать такие моменты, как количество отопительных приборов и их мощность, среднее число людей.

Для помещений бытового назначения кратность воздухообмена, использующаяся в процессе расчета, составляет 1. При выполнении расчета вентиляции для административных помещений используйте значение воздухообмена, равное 2-3 — в зависимости от конкретных условий. Непосредственно кратность обмена воздуха указывает на то, что, к примеру, в бытовом помещении воздух будет полностью обновляться 1 раз за 1 час, чего более чем достаточно в большинстве случаев.

Расчет производительности требует наличия таких данных, как величина обмена воздуха по кратности и количеству людей. Необходимо будет взять самое большое значение и, уже отталкиваясь от него, подобрать подходящую мощность вытяжной вентиляции. Расчет кратности воздухообмена выполняется по простой формуле. Достаточно умножить площадь помещения на высоту потолка и значение кратности (1 для бытовых, 2 для административных и т.д.).

Чтобы выполнить расчет обмена воздуха по числу людей, проводится умножение количества воздуха, которое потребляет 1 человек, на число людей в помещении. Что касается объема потребляемого воздуха, то в среднем при минимальной физической активности 1 человек потребляет 20 м³/ч, при средней активности этот показатель поднимается до 40 м³/ч, а при высокой составляет уже 60 м³/ч.

Чтобы было понятнее, можно привести пример расчета для обыкновенной спальни, имеющей площадь, равную 14 м². В спальне находится 2 человека. Потолок имеет высоту 2,5 м. Вполне стандартные условия для простой городской квартиры. В первом случае расчет покажет, что обмен воздуха равняется 14х2,5х1=35 м³/ч. При выполнении расчета по второй схеме вы увидите, что он равен уже 2х20=40 м³/ч. Нужно, как уже отмечалось, брать большее значение. Поэтому конкретно в данном примере расчет будет выполняться по числу людей.

По этим же формулам рассчитывается расход кислорода для всех остальных помещений. В завершение останется сложить все значения, получить общую производительность и выбрать вентиляционное оборудование на основании этих данных.

Стандартные значения производительности систем вентиляции составляют:

1. От 100 до 500 м³/ч для обычных жилых квартир.
2. От 1000 до 2000 м³/ч для частных домов.
3. От 1000 до 10000 м³/ч для помещений промышленного назначения.

Вернуться к оглавлению

Определение мощности воздухонагревателя

Чтобы расчет вентиляционной системы был выполнен в соответствии со всеми правилами, необходимо обязательно учитывать мощность воздухонагревателя. Это делается в том случае, если в комплексе с вытяжной вентиляцией будет организована приточная. Устанавливается калорифер для того, чтобы поступающий с улицы воздух подогревался и поступал в комнату уже теплым. Актуально в холодную погоду.

Расчет мощности воздухонагревателя определяется с учетом такого значения, как расход воздуха, необходимая температура на выходе и минимальная температура поступающего воздуха. Последние 2 значения утверждены в СНиП. В соответствии с этим нормативным документом, температура воздуха на выходе калорифера должна составлять не меньше 18°. Минимальную температуру внешнего воздуха следует уточнять в соответствии с регионом проживания.

В состав современных вентиляционных систем включаются регуляторы производительности. Такие приспособления созданы специально для того, чтобы можно было снижать скорость циркуляции воздуха. В холодное время это позволит уменьшить количество энергии, потребляемой воздухонагревателем.

Для определения температуры, на которую устройство сможет нагреть воздух, используется несложная формула. Согласно ей, нужно взять значение мощности агрегата, разделить его на расход воздуха, а затем умножить полученное значение на 2,98.

К примеру, если расход воздуха на объекте составляет 200 м³/ч, а калорифер имеет мощность, равную 3 кВт, то, подставив эти значения в приведенную формулу, вы получите, что прибор нагреет воздух максимум на 44°. То есть если в зимнее время на улице будет -20°, то выбранный воздухонагреватель сможет подогреть кислород до 44-20=24°.

Вернуться к оглавлению

Рабочее давление и сечение воздуховода

Расчет вентиляции предполагает обязательное определение таких параметров, как рабочее давление и сечение воздуховодов. Эффективная и полноценная система включает в свой состав распределители воздуха, воздуховоды и фасонные изделия. При определении рабочего давления нужно учитывать такие показатели:

1. Форма вентиляционных труб и их сечение.
2. Параметры вентилятора.
3. Число переходов.

Расчет подходящего диаметра можно выполнять с использованием следующих соотношений:

1. Для здания жилого типа на 1 м пространства будет достаточно трубы с площадью сечения, равной 5,4 см².
2. Для частных гаражей — труба сечением 17,6 см² на 1 м² площади.

С сечением трубы напрямую связан такой параметр, как скорость воздушного потока: в большинстве случаев подбирают скорость в пределах 2,4-4,2 м/с.

Таким образом, выполняя расчет вентиляции, будь то вытяжная, приточная или приточно-вытяжная система, нужно учитывать ряд важнейших параметров. От правильности этого этапа зависит эффективность всей системы, поэтому будьте внимательны и терпеливы. При желании можно дополнительно определить расход электроэнергии на работу устраиваемой системы.

Сегодня энергосбережение является приоритетным направлением развития мировой экономики. Истощение естественных энергетических запасов, повышение стоимости тепловой и электрической энергии неминуемо приводит нас к необходимости разработки целой системы мероприятий, направленных на повышения эффективности работы энергопотребляющих установок. В этом контексте снижение потерь и вторичное использования затрачиваемой тепловой энергии становится действенным инструментом в решении поставленной проблемы.

В условиях активного поиска резервов экономии топливно-энергетических ресурсов все большее внимание привлекает проблема дальнейшего совершенствования систем кондиционирования воздуха как крупных потребителей тепловой и электрической энергии. Важную роль в решении этой задачи призваны сыграть мероприятия по повышению эффективности работы тепломассообменных аппаратов, составляющих основу подсистемы политропной обработки воздуха, затраты на функционирование которой достигают 50 % всех затрат на эксплуатацию СКВ.

Утилизация тепловой энергии вентиляционных выбросов является одним из ключевых методов экономии энергетических ресурсов в системах кондиционирования воздуха и вентиляции зданий и сооружений различного назначения. На рис. 1 приведены основные схемы утилизации теплоты вытяжного воздуха, реализуемые на рынке современного вентиляционного оборудования.

Анализ состояния производства и применения теплоутилизационного оборудования за рубежом указывает на тенденцию преимущественного использования рециркуляции и четырех типов утилизаторов теплоты вытяжного воздуха: вращающихся регенеративных, пластинчатых рекуперативных, на базе тепловых труб и с промежуточным теплоносителем. Применение этих устройств зависит от условий работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха, экономических соображений, взаимного расположения приточных и вытяжных центров, эксплуатационных возможностей .

В табл. 1 приведен сравнительный анализ различных схем утилизации теплоты вытяжного воздуха. Среди основных требований со стороны инвестора к теплоутилизационным установкам следует отметить: цену, эксплуатационные затраты и эффективность работы. Наиболее дешевые решения характеризуются простотой конструкции и отсутствием движущихся частей, что позволяет выделить среди представленных схем установку с перекрестноточным рекуператором (рис. 2) как наиболее соответствующую для климатических условий европейской части России и Польши.

Исследования последних лет в области создания новых и совершенствования существующих теплоутилизационных установок систем кондиционирования воздуха указывают на отчетливую тенденцию разработки новых конструктивных решений пластинчатых рекуператоров (рис. 3), решающим моментом при выборе которых является возможность обеспечения режимов безаварийной работы установки в условиях конденсации влаги при отрицательных температурах наружного воздуха.

Температура наружного воздуха, начиная с которой наблюдается образование инея в каналах вытяжного воздуха, зависит от следующих факторов: температуры и влажности удаляемого воздуха, отношения расходов приточного и удаляемого воздуха, конструктивных характеристик. Отметим особенность работы теплоутилизаторов при отрицательных температурах наружного воздуха: чем выше эффективность теплообмена, тем больше опасность появления инея на поверхности каналов вытяжного воздуха.

В связи с этим низкая эффективность теплообмена в перекрестноточном теплоутилизаторе может оказаться преимуществом с точки зрения снижения опасности обледенения поверхностей каналов вытяжного воздуха. Обеспечение безопасных режимов как правило связано с реализацией следующих традиционных мер по предотвращению обмерзания насадки: периодическое отключение подачи наружного воздуха, его байпасирование или предварительный подогрев, осуществление которых безусловно снижает эффективность утилизации теплоты вытяжного воздуха .

Одним из путей решения этой проблемы является создание теплообменных аппаратов, в которых обмерзание пластин либо отсутствует, либо наступает при более низких температурах воздуха. Особенностью работы воздухо-воздушных утилизаторов теплоты является возможность реализации процессов тепломассопереноса в режимах «сухого» теплообмена, одновременного охлаждения и осушения удаляемого воздуха с выпадением конденсата в виде росы и инея на всей или части теплообменной поверхности (рис. 4).

Рациональное использование теплоты конденсации, величина которой при определенных режимах работы теплоутилизаторов достигает 30 %, позволяет существенно увеличить диапазон изменения параметров наружного воздуха, при которых обледенение теплообменных поверхностей пластин не происходит. Однако решение задачи определения оптимальных режимов работы рассматриваемых теплоутилизаторов, соответствующих определенным эксплуатационным и климатическим условиям, и области его целесообразного применения, требует детальных исследований тепломассообмена в каналах насадки с учетом процессов конденсации и инееобразования.

В качестве основного метода исследования выбран численный анализ. Он обладает и наименьшей трудоемкостью, и позволяет определить характеристики и выявить закономерности процесса на основании обработки информации о влиянии исходных параметров. Поэтому экспериментальные исследования процессов тепломассопереноса в рассматриваемых аппаратах проводились в значительно меньшем объеме и, в основном, для проверки и корректировки зависимостей, полученных в результате математического моделирования.

При физико-математическом описании тепломассообмена в исследуемом рекуператоре было отдано предпочтение одномерной модели переноса (ε-NTUмодель). В этом случае течение воздуха в каналах насадки рассматривается как поток жидкости с постоянными по его сечению скоростью, температурой и потенциалом массопереноса, равными среднемассовым значениям . С целью повышения эффективности утилизации теплоты в современных теплообменниках используется оребрение поверхности насадки.

Тип и расположение ребер значительно влияет на характер протекания процессов тепломассообмена. Изменение температуры по высоте ребра приводит к реализации различных вариантов процессов тепломассообмена (рис. 5) в каналах удаляемого воздуха, что существенно усложняет математическое моделирование и алгоритм решения системы дифференциальных уравнений.

Уравнения математической модели процессов тепломассопереноса в перекрестно-точном теплообменнике реализуются в ортогональной системе координат с осями ОX и ОY, направленными параллельно потокам холодного и теплого воздуха соответственно, и осями Z1 и Z2, перпендикулярной поверхности пластин насадки в каналах приточного и удаляемого воздуха (рис. 6), соответственно.

В соответствии с допущениями данной ε-NTU-модели тепломассоперенос в исследуемом утилизаторе описывается дифференциальными уравнениями теплового и материального балансов, составляемых для взаимодействующих потоков воздуха и насадки с учетом теплоты фазового перехода и термического сопротивления образующегося слоя инея. Для получения однозначного решения система дифференциальных уравнений дополняется граничными условиями, устанавливающими значения параметров обменивающихся сред на входах в соответствующие каналы рекуператора.

Сформулированная нелинейная задача не может быть решена аналитически, поэтому интегрирование системы дифференциальных уравнений осуществлялось численными методами. Достаточно большой объем проведенных численных экспериментов, проведенных на ε-NTU-моделе, позволил получить массив данных, который был использован для анализа характеристик процесса и выявления его общих закономерностей.

В соответствии с задачами исследования работы теплоутилизатора выбор изучаемых режимов и диапазоны варьирования параметров обменивающихся потоков осуществлялся так, чтобы наиболее полно моделировались реальные процессы тепломассообмена в насадке при отрицательных значениях температуры наружного воздуха, а также условия протекания наиболее опасных с точки зрения эксплуатации вариантов режимов работы теплоутилизационного оборудования.

Представленные на рис. 7-9 результаты расчета режимов работы исследуемого аппарата, характерных для климатических условий с низкой расчетной температурой наружного воздуха в зимний период времени года, позволяют судить о качественно ожидавшейся возможности образования трех зон активного тепломассообмена в каналах удаляемого воздуха (рис. 6), отличающихся по характеру протекающих в них процессов.

Анализ тепломассообменных процессов, протекающих в этих зонах, позволяет оценить возможные пути реализации эффективного улавливания теплоты удаляемого вентиляционного воздуха и снижения опасности образования инея в каналах насадки теплообменника на основе рационального использования теплоты фазового перехода. На основании проведенного анализа установлены граничные температуры наружного воздуха (табл. 2), ниже которых наблюдается образование инея в каналах вытяжного воздуха.

Выводы

Представлен анализ различных схем утилизации теплоты вентиляционных выбросов. Отмечены преимущества и недостатки рассмотренных (существующих) схем утилизации теплоты вытяжного воздуха в установках вентиляции и кондиционирования воздуха. На основе проведенного анализа предложена схема с пластинчатым перекрестноточным рекуператором:

• на базе математической модели разработан алгоритм и программа расчета на ЭВМ основных параметров тепломассообменных процессов в исследуемом теплоутилизаторе;
• установлена возможность образования различных зон конденсации влаги в каналах насадки утилизатора, в пределах которых характер тепломассообменных процессов существенно меняется;
• анализ полученных закономерностей позволяет установить рациональные режимы работы исследуемых аппаратов и области их рационального использования для различных климатических условий российской территории.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ

Условные обозначения: h реб — высота ребра, м; l реб — длина ребра, м; t — температура, °C; d — влагосодержание воздуха, кг/кг; ϕ — относительная влажность воздуха, %; δ реб — толщина ребра, м; δ ин — толщина слоя инея, м.

Индексы: 1 — наружный воздух; 2 — удаляемый воздух; e — на входе в каналы насадки; р еб — ребро; ин — иней, o — на выходе из каналов насадки; рос — точка росы; sat — состояние насыщения; w — стенка канала.

Описание:

В настоящее время показатели теплозащиты многоэтажных жилых зданий достигли достаточно высоких
значений, поэтому поиск резервов экономии тепловой энергии находится в области повышения энергоэффективности инженерных систем. Одно из ключевых энергосберегающих мероприятий с довольно высоким потенциалом экономии тепловой энергии – использование утилизаторов 1 теплоты вытяжного воздуха в системах вентиляции.

В настоящее время показатели теплозащиты многоэтажных жилых зданий достигли достаточно высоких значений, поэтому поиск резервов экономии тепловой энергии находится в области повышения энергоэффективности инженерных систем. Одно из ключевых энергосберегающих мероприятий с довольно высоким потенциалом экономии тепловой энергии – использование утилизаторов 1 теплоты вытяжного воздуха в системах вентиляции.

Приточно-вытяжные вентустановки с утилизацией теплоты вытяжного воздуха по сравнению с традиционными приточными системами вентиляции обладают рядом достоинств, к числу которых следует отнести существенную экономию тепловой энергии, расходуемой на нагрев вентиляционного воздуха (от 50 до 90 % в зависимости от типа применяемого утилизатора). Также нужно отметить высокий уровень воздушно-тепловой комфортности, обусловленный аэродинамической устойчивостью вентиляционной системы и сбалансированностью расходов приточного и удаляемого воздуха.

Типы утилизаторовв

Наиболее широко применяются:

1. Регенеративные утилизаторы теплот ы. В регенераторах теплота вытяжного воздуха передается приточному воздуху через насадку, которая попеременно нагревается и охлаждается. Несмотря на высокую энергоэффективность, регенеративные утилизаторы теплоты обладают существенным недостатком – вероятностью смешивания определенной части удаляемого воздуха с приточным в корпусе аппарата. Это, в свою очередь, может привести к переносу неприятных запахов и болезнетворных бактерий. Поэтому их обычно применяют в пределах одной квартиры, коттеджа или одного помещения в общественных зданиях.

2. Рекуперативные утилизаторы теплоты. Данные утилизаторы, как правило, включают в свой состав два вентилятора (приточный и вытяжной), фильтры и пластинчатый теплообменник противоточного, перекрестного и полуперекрестного типов.

При поквартирной установке рекуперативных утилизаторов теплоты появляется возможность:

1. гибко регулировать воздушно-тепловой режим в зависимости от варианта эксплуатации квартиры, в том числе с использованием рециркуляционного воздуха;
2. защиты от городского, внешнего шума (при использовании герметичных светопрозрачных ограждений);
3. очистки приточного воздуха с помощью высокоэффективных фильтров.

3.Утилизаторы теплоты с промежуточным теплоносителем. По своим конструктивным особенностям эти утилизаторы малопригодны для индивидуальной (поквартирной) вентиляции, и поэтому на практике их используют для центральных систем.

4. Утилизаторы теплоты с теплообменником на тепловых трубах. Использование тепловых труб позволяет создавать компактные энергоэффективные теплообменные устройства. Однако в связи со сложностью конструкции и высокой стоимостью они не нашли применения в системах вентиляции для жилых зданий.

В базовых показателях распределение расходов тепловой энергии в типовой многоэтажной застройке осуществляется почти поровну между трансмиссионными теплопотерями (50–55 %) и вентиляцией (45–50 %). Примерное распределение годового теплового баланса на отопление и вентиляцию: трансмиссионные теплопотери – 63–65 кВт ч/м 2 год; нагрев вентиляционного воздуха – 58–60 кВт ч/м 2 год; внутренние тепловыделения и инсоляция – 25–30 кВт ч/м 2 год. Повысить энергоэффективность многоквартирных домов позволяет введение в практику массового строительства: современных систем отопления с использованием комнатных термостатов, балансировочных клапанов и погодозависимой автоматики тепловых пунктов; механических систем вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха.

При сходных массогабаритных показателях наилучший результат в жилых зданиях показывают регенеративные утилизаторы теплоты (80–95 %), далее следуют рекуперативные (до 65 %) и на последнем месте находятся утилизаторы теплоты с промежуточным теплоносителем (45–55 %).

Следует упомянуть утилизаторы теплоты, которые, помимо передачи тепловой энергии, переносят влагу от вытяжного к приточному воздуху. В зависимости от конструкции теплопередающей поверхности они подразделяются на энтальпийный и сорбционный типы и позволяют утилизировать 15–45 % влаги, удаляемой с вытяжным воздухом.

Один из первых проектов внедрения

В 2000 году для жилого дома по Красностуденческому пр., д. 6, была запроектирована одна из первых систем поквартирной механической приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха для подогрева приточного в перекрестноточном воздухо-воздушном пластинчатом теплообменнике.

Компактная малошумная квартирная приточно-вытяжная установка расположена в каждой квартире в пространстве подшивного потолка гостевого санузла, расположенного рядом с кухней. Максимальная производительность по приточному воздуху составляет 430 м 3 /ч. Для уменьшения энергопотребления забор наружного воздуха в большинстве квартир осуществляется не с улицы, а из пространства застекленной лоджии. В остальных квартирах, где нет технической возможности забора воздуха с лоджий, воздухозаборные решетки расположены непосредственно на фасаде.

Наружный воздух очищается, при необходимости предварительно подогревается, чтобы предупредить обмерзание теплообменника, затем нагревается или охлаждается в теплообменнике за счет удаляемого воздуха, далее, при необходимости, окончательно догревается до требуемой температуры электрокалорифером, после чего раздается по помещениям квартиры. Первый нагреватель номинальной мощностью 0,6 кВт предназначен для защиты вытяжного тракта от замораживания конденсата. Конденсат посредством специальной дренажной трубки через гидрозатвор отводится в канализацию. Второй нагреватель мощностью 1,5 кВт предназначен для догрева приточного воздуха до заданного комфортного значения. Для простоты монтажа он также выполнен электрическим.

Следует отметить, что, по расчетам проектировщиков, необходимость в догреве воздуха после теплообменника могла возникнуть только при очень низких температурах наружного воздуха. Тем не менее, учитывая, что через утилизатор приточно-вытяжного агрегата проходит в два раза больше приточного воздуха, чем вытяжного, электрокалорифер на притоке был установлен. Практика эксплуатации подтвердила эти предположения: дополнительный догрев практически никогда не используется, теплоты вытяжного воздуха вполне хватает для нагрева приточного до температуры, не вызывающей у жильцов дискомфорта.

Теплоутилизатор оборудован системой автоматики с контроллером и пультом управления. Система автоматики предусматривает включение первого нагревателя при достижении температуры стенки теплообменника ниже 1 °С, второй нагреватель может включаться и отключаться, обеспечивая постоянство заданной температуры приточного воздуха.

Предусмотрено три фиксированных скорости вращения приточного вентилятора. На первой скорости объем приточного воздуха составляет 120 м 3 /ч, эта величина удовлетворяет требованиям для одно- и двухкомнатной квартиры, а также трехкомнатной квартиры при небольшом числе жителей. На второй скорости объем приточного воздуха составляет 180 м 3 /ч, на третьей – 240 м 3 /ч. Второй и третьей скоростью жители пользуются очень редко.

Были проведены акустические замеры на всех скоростях вращения вентилятора, которые показали, что на первой скорости уровень шума не превышает 30–35 дБ (А), причем эта величина справедлива для необставленной квартиры. В квартире с мебелью и предметами интерьера уровень шума будет еще ниже. На второй и третей скорости уровень шума выше, но при закрытой двери гостевого санузла не вызывает дискомфорта у жильцов.

Вытяжной воздух забирается из санузлов, затем, после фильтрации, пропускается через теплообменник и выбрасывается через центральный сборный вытяжной воздуховод. Сборные вытяжные воздуховоды – металлические, выполнены из оцинкованной стали и проложены в выгороженных противопожарных шахтах. На верхнем техническом этаже сборные воздуховоды одной секции объединяются и выводятся за пределы здания.

На момент реализации проекта нормативами запрещалось объединять для утилизации вытяжки санузлов и кухонь, поэтому вытяжки кухонь обособлены. Утилизируется теплота примерно половины объема воздуха, удаляемого из квартиры. В настоящее время этот запрет отменен, что позволяет еще больше повысить энергоэффективность системы.

В отопительный сезон 2008–2009 годов в здании было проведено энергетическое обследование систем теплопотребления, показавшее экономию теплоты на отопление и вентиляцию в размере 43 % по сравнению с аналогичными домами того же года постройки.

Проект в Северном Измайлово

Еще один подобный проект реализован в 2011 году в Северном Измайлово. В 153 квартирном здании предусмотрена поквартирная вентиляция с механическим побуждением и утилизацией теплоты вытяжного воздуха для нагрева приточного. Приточно-вытяжные агрегаты установлены автономно в коридорах квартир и оснащены фильтрами, пластинчатым теплообменником и вентиляторами. В состав комплектации установки входят средства автоматизации и пульт управления, позволяющий регулировать воздухопроизводительность установки.

Проходя через вентиляционную установку с пластинчатым утилизатором, вытяжной воздух нагревает приточный до 4°С (при температуре наружного воздуха –28°С). Компенсация дефицита теплоты на нагрев приточного воздуха осуществляется нагревательными приборами отопления.

Наружный воздух забирается с лоджии квартиры, а вытяжной воздух из ванн, санузлов и кухонь (в пределах одной квартиры) после утилизатора выводится в выбросной канал через спутник и удаляется в пределах технического этажа. При необходимости отвод конденсата от утилизатора теплоты предусматривается в канализационный стояк, оборудованный капельной воронкой с запахозапирающим устройством. Стояк расположен в помещении санузлов.

Регулирование расхода приточного и вытяжного воздуха осуществляется посредством одного пульта управления. Агрегат может быть переключен с обычного режима работы с утилизацией теплоты на летний режим без утилизации. Вентиляция технического этажа происходит через дефлекторы.

Объем приточного воздуха принят для возмещения вытяжки из помещений санузла, ванны, кухни. В квартире нет вытяжного канала для подключения кухонного оборудования (вытяжной зонт от плиты работает на рециркуляцию). Приток разведен через звукопоглощающие воздуховоды по жилым комнатам. Предусмотрена зашивка вентиляционной установки в поквартирных коридорах строительной конструкцией с лючками для обслуживания и вытяжного воздуховода от вентиляционной установки до вытяжной шахты. На складе службы эксплуатации находятся четыре резервных вентилятора.

Испытания установки с утилизатором теплоты показали, что ее эффективность может достигать 67%.

Использование систем механической вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха в мировой практике широко распространено. Энергетическая эффективность утилизаторов теплоты составляет до 65% для пластинчатых теплообменников и до 85% для роторных. При использовании этих систем в условиях Москвы снижение годового теплопотребления к базовому уровню может составить 38–50 кВт ч/м 2 в год. Это позволяет снизить общий удельный показатель теплопотребления до 50–60 кВт ч/м 2 в год без изменения базового уровня теплозащиты ограждений и обеспечить 40 процентное снижение энергоемкости систем отопления и вентиляции, предусмотренное с 2020 года.

Литература

1. Серов С. Ф., Милованов А. Ю. Поквартирная система вентиляции с утилизаторами теплоты. Пилотный проект жилого дома // АВОК. 2013. № 2.
2. Наумов А. Л., Серов С. Ф., Будза А. О. Квартирные утилизаторы теплоты вытяжного воздуха // АВОК. 2012. № 1.

1 Изначально эта технология получила распространение в Северной Европе и Скандинавии. Сегодня и у российских проектировщиков имеется значительный опыт применения данных систем в многоэтажных жилых зданиях.

Затраты теплоты на подогрев санитарной нормы приточного наружного воздуха при современных методах теплозащиты ограждающих конструкций составляют в жилых домах до 80 % тепловой нагрузки на отопительные приборы, а в общественно-административных зданиях - более 90%. Поэтому энергосберегающие системы отопления в современных конструкциях зданий могут быть созданы только при условии

утилизации теплоты вытяжного воздуха на нагрев санитарной нормы приточного наружного воздуха.

Также успешен опыт применения в административном здании в Москве установки утилизации с насосной циркуляцией промежуточного теплоносителя - антифриза.

При расположении приточных и вытяжных агрегатов на расстоянии более 30 м друг от друга система утилизации с насосной циркуляцией антифриза является наиболее рациональной и экономичной. В случае расположения их рядом возможно еще более эффективное решение. Так в климатических районах с мягкими зимами, когда температура наружного воздуха не опускаются ниже -7 °С, широко применяются пластинчатые теплоутилизаторы.

На рис. 1 показана конструктивная схема пластинчатого рекуперативного (теплоотдача осуществляется через разделительную стенку) теплоутилизационного теплообменника. Здесь показан (рис. 1, а) «воздухо-воздушный» теплоутилизатор, собранный из пластинчатых каналов, которые могут изготавливаться из тонкой листовой оцинкованной стали, алюминия и др.

Рисунок 1. а - пластинчатые каналы, в которых сверху над разделительными стенками каналов поступает вытяжной воздух L y , а горизонтально-приточный наружный воздух L п.н; б - трубчатые каналы, в которых сверху в трубках проходит вытяжной воздух L y , а горизонтально в межтрубном пространстве проходит приточный наружный воздух L п.н

Пластинчатые каналы заключаются в кожух, имеющий фланцы для присоединения к приточным и вытяжным воздуховодам.

На рис. 1, б показан «воздухо-воздушный» теплообменник из трубчатых элементов, которые могут быть также изготовлены из алюминия, оцинкованной стали, пластмассы, стекла и др. Трубы закрепляются в верхние и нижние трубные решетки, что формирует каналы для прохода вытяжного воздуха. Боковые стенки и трубные решетки образуют каркас теплообменника, с открытыми фасадными сечениями, которые присоединяются к воздуховоду поступления приточного наружного воздуха L п.н.

Благодаря развитой поверхности каналов и устройства в них турбулизирующих воздух насадок в таких «воздухо-воздушных» теплообменниках достигается высокая теплотехническая эффективность θ t п.н (до 0,75), и это является главным достоинством таких аппаратов.

Недостатком этих рекуператоров является необходимость предподогрева приточного наружного воздуха в электрокалориферах до температуры не ниже -7 °С (во избежание замерзания конденсата на стороне влажного вытяжного воздуха).

На рис. 2 показана конструктивная схема приточно-вытяжного агрегата с пластинчатым утилизатором теплоты вытяжного воздуха L у на нагрев приточного наружного воздуха L п.н. Приточный и вытяжной агрегаты выполняются в едином корпусе. Первыми на входе приточного наружного L п.н и удаляемого вытяжного L у воздуха установлены фильтры 1 и 4. Оба очищенных потока воздуха от работы приточного 5 и вытяжного 6 вентиляторов проходят через пластинчатый теплоутилизатор 2, где энергия отепленного вытяжного воздуха L у передается холодному приточному L п.н.

Рисунок 2. Конструктивная схема приточного и вытяжного агрегатов с пластинчатым утилизатором, имеющим обводной воздушный канал по приточному наружному воздуху: 1 - воздушный фильтр в приточном агрегате; 2 - пластинчатый утилизационный теплообменник; 3 - фланец присоединения воздушного тракта поступления вытяжного воздуха; 4 - фильтр карманный для очистки вытяжного воздуха L у; 5 - приточный вентилятор с электродвигателем на одной раме; 6 - вытяжной вентилятор с электродвигателем на одной раме; 7 - поддон сбора из каналов прохождения вытяжного воздуха сконденсированной влаги; 8 - трубопровод отвода конденсата; 9 - обводной воздушный канал для прохода приточного воздуха L п.н; 10 - автоматический привод воздушных клапанов в обводном канале; 11 - калорифер догрева приточного наружного воздуха, питаемый горячей водой

Как правило, вытяжной воздух имеет повышенное влагосодержание и температуру точки росы не ниже +4 °С. При поступлении в каналы теплоутилизатора 2 холодного наружного воздуха с температурой ниже +4 °С на разделительных стенках установится температура, при которой на части поверхности каналов со стороны движения удаляемого вытяжного воздуха будет происходить конденсация водяных паров.

Образовавшийся конденсат под воздействием потока воздуха L у, будет интенсивно стекать в поддон 7, откуда по присоединенному к патрубку 8 трубопроводу отводится в канализацию (или бак-накопитель).

Для пластинчатого утилизатора характерно следующее уравнение теплового баланса переданной теплоты к наружному приточному воздуху:

где Q ту - утилизируемая приточным воздухом теплоэнергия; L у, L п.н - расходы отепленного вытяжного и наружного приточного воздуха, м 3 /ч; ρ у, ρ п.н - удельные плотности отепленного вытяжного и наружного приточного воздуха, кг/м 3 ; I y 1 и I y 2 - начальная и конечная энтальпия отепленного вытяжного воздуха, кДж/кг; t н1 и t н2 , с р - начальные и конечные температуры, °С, и теплоемкость, кДж/(кг · °С), наружного приточного воздуха.

При низких начальных температурах наружного воздуха t н.х ≈ t н1 на разделительных стенках каналов выпадающий из вытяжного воздуха конденсат не успевает стекать в поддон 7, а замерзает на стенках, что приводит к сужению проходного сечения и увеличивает аэродинамическое сопротивление проходу вытяжного воздуха. Это увеличение аэродинамического сопротивления воспринимается датчиком, который передает команду на привод 10 на открытие воздушных клапанов в обводном канале (байпасе) 9.

Испытания пластинчатых утилизаторов в климате России показали, что при снижении температуры наружного воздуха до t н.х ≈ t н1 ≈ -15 °С, воздушные клапаны в байпасе 9 полностью открыты и весь приточный наружный воздух L п.н проходит, минуя пластинчатые каналы теплоутилизатора 2.

Нагрев приточного наружного воздуха L п.н от t н.х до t п.н осуществляется в калорифере 11, питаемом горячей водой из центрального источника теплоснабжения. В этом режиме Q ту, вычисляемое по уравнению (9.10), равно нулю, так как через присоединенный теплоутилизатор 2 проходит только вытяжной воздух и I y 1 ≈ I y 2 , т.е. утилизация теплоты отсутствует.

Вторым методом предотвращения замерзания конденсата в каналах теплообменника 2 является электрический предподогрев приточного наружного воздуха от t н.х до t н1 = -7 °С. В расчетных условиях холодного периода года в климате Москвы холодный приточный наружный воздух в электрокалорифере нужно нагревать на ∆t т.эл = t н1 - t н.х = -7 + 26 = 19 °С. Нагрев приточного наружного воздуха при θ t п.н = 0,7 и t у1 = 24 °С составит t п.н = 0,7 · (24 + 7) - 7 = 14,7 °С или ∆t т.у = 14,7 + 7 = 21,7 °С.

Расчет показывает, что в этом режиме нагрев в теплоутилизаторе и в калорифере практически одинаков. Использование байпаса или электрического предподогрева значительно снижает теплотехническую эффективность пластинчатых теплообменников в системах приточно-вытяжной вентиляции в климате России.

Для устранения этого недостатка отечественными специалистами разработан оригинальный метод быстрого периодического размораживания пластинчатых теплоутилизаторов путем подогрева удаляемого вытяжного воздуха, обеспечивающий надежную и энергоэффективную круглогодовую работу агрегатов.

На рис. 3 показана принципиальная схема установки утилизации теплоты вытяжного воздуха X на нагрев приточного наружного воздуха L п.н с быстрым устранением обмерзания каналов 2 для улучшения прохода удаляемого воздуха через пластинчатый теплоутилизатор 1.

Воздуховодами 3 теплоутилизатор 1 соединен с трактом прохождения приточного наружного воздуха L п.н, а воздуховодами 4 с трактом прохождения удаляемого вытяжного воздуха L у.

Рисунок 3. Принципиальная схема применения пластинчатого теплоутилизатора в климате России: 1 - пластинчатый теплоутилизатор; 2 - пластинчатые каналы для прохода холодного приточного наружного воздуха L п.н и теплого вытяжного удаляемого воздуха L у; 3 - присоединительные воздуховоды прохода приточного наружного воздуха L п.н; 4 - присоединительные воздуховоды прохода удаляемого вытяжного воздуха L у; 5 - калорифер в потоке удаляемого воздуха L у на входе в каналы 2 пластинчатого теплообменника 1,6- автоматический клапан на трубопроводе подачи горячей воды G w г; 7 - электрическая связь; 8 - датчик контроля сопротивления воздушного потока в каналах 2 для прохода вытяжного воздуха L у; 9 - отвод конденсата

При низких температурах приточного наружного воздуха (t н1 = t н. x ≤ 7 °С) через стенки пластинчатых каналов 2 теплота от вытяжного воздуха передается полностью теплоте, отвечающей уравнению теплового баланса [см. формулу (1)]. Снижение температуры вытяжного воздуха происходит с обильной конденсацией влаги на стенках пластинчатых каналов. Часть конденсата успевает стечь из каналов 2 и по трубопроводу 9 удаляется в канализацию (или бак-накопитель). Однако большая часть конденсата замерзает на стенках каналов 2. Это вызывает возрастание перепада давления ∆Р у в потоке удаляемого воздуха, замеряемого датчиком 8.

При возрастании ∆Р у до настроенной величины от датчика 8 через проводную связь 7 последует команда на открытие автоматического клапана 6 на трубопроводе подачи горячей воды G w г в трубки калорифера 5, установленного в воздуховоде 4 поступления удаляемого вытяжного воздуха в пластинчатый утилизатор 1. При открытом автоматическом клапане 6 в трубки калорифера 5 поступит горячая вода G w г, что вызовет повышение температуры удаляемого воздуха t y 1 до 45-60 °С.

При прохождении по каналам 2 удаляемого воздуха с высокой температурой произойдет быстрое оттаивание со стенок каналов наледей и образующийся конденсат по трубопроводу 9 стечет в канализацию (или в бак-накопитель конденсата).

После оттайки наледей перепад давлений в каналах 2 понизится и датчик 8 через связь 7 подаст команду на закрытие клапана 6 и подача горячей воды в калорифер 5 прекратится.

Рассмотрим процесс утилизации теплоты на I-d диаграмме, представленный на рис. 4.

Рисунок 4. Построение на I-d-диаграмме режима работы в климате Москвы установки утилизации с пластинчатым теплообменником и размораживанием его по новому методу (по схеме на рис. 3). У 1 -У 2 - расчетный режим извлечения теплоты из вытяжного удаляемого воздуха; Н 1 - Н 2 - нагрев утилизируемой теплотой приточного наружного воздуха в расчетном режиме; У 1 - У под 1 - нагрев вытяжного воздуха в режиме размораживания от наледей пластинчатых каналов прохождения удаляемого воздуха; У 1. раз - начальные параметры удаляемого воздуха после отдачи теплоты на оттаивание наледей на стенках пластинчатых каналов; H 1 -Н 2 - нагрев приточного наружного воздуха в режиме размораживания пластинчатого утилизационного теплообменника

Проведем оценку влияния метода размораживания пластинчатых теплоутилизаторов (по схеме на рис. 3) на теплотехническую эффективность режимов утилизации теплоты вытяжного воздуха на следующем примере.

ПРИМЕР 1. Исходные условия: В крупном московском (t н.х = -26 °С) производственно-административном здании в системе приточно-вытяжной вентиляции смонтирована теплоутилизационная установка (ТУУ) на базе рекуперативного пластинчатого теплообменника (с показателем θ t п.н = 0,7). Объем и параметры удаляемого вытяжного воздуха в процессе охлаждения составляют: L у = 9000 м 3 /ч, t у1 = 24 °С, I y 1 = 40 кДж/кг, t р.у1 = 7 °С, d у1 = 6,2 г/кг (см. построение на I-d-диаграмме на рис. 4). Расход приточного наружного воздуха L п.н = 10 000 м 3 /ч. Размораживание теплоутилизатора производится методом периодического повышения температуры удаляемого воздуха, как это показано на схеме рис. 3.

Требуется: Установить теплотехническую эффективность режимов утилизации теплоты с использованием нового метода периодической оттайки пластин аппарата.

Решение: 1. Вычисляем температуру нагретого утилизируемой теплотой приточного наружного воздуха в расчетных условиях холодного периода года при t н.х = t н1 = -26 °С:

2. Вычисляем количество утилизируемой теплоты за первый час работы установки утилизации, когда обмерзание пластинчатых каналов не повлияло на теплотехническую эффективность, но повысило аэродинамическое сопротивление в каналах прохождения удаляемого воздуха:

3. Через час работы ТУУ в расчетных зимних условиях на стенках каналов накопился слой инея, который вызвал повышение аэродинамического сопротивления ∆Р у. Определим возможное количество льда на стенках каналов прохода вытяжного воздуха через пластинчатый теплоутилизатор, образованного в течение часа. Из уравнения теплового баланса (1) вычислим энтальпию охлажденного и осушенного вытяжного воздуха:

Для рассматриваемого примера по формуле (2) получим:

На рис. 4 представлено построение на I-d-диаграмме режимов нагрева приточного наружного воздуха (процесс H 1 - H 2) утилизируемой теплотой вытяжного воздуха (процесс У 1 -У 2). Построением на I-d-диаграмме получены остальные параметры охлажденного и осушенного вытяжного воздуха (см. точку У 2): t у2 = -6,5 °С, d у2 = 2,2 г/кг.

4. Количество выпавшего из вытяжного воздуха конденсата вычисляется по формуле:

По формуле (4) вычисляем количество холода, затраченного на понижение температуры льда: Q = 45 · 4,2 · 6,5/3,6 = 341 Вт · ч. На образование льда затрачивается следующее количество холода:

Общее количество энергии, идущей на образование наледей на разделительной поверхности пластинчатых теплоутилизаторов, составит:

6. Из построения на I-d-диаграмме (рис. 4) видно, что при противоточном движении по пластинчатым каналам приточного L п.н и вытяжного L у воздушных потоков на входе в пластинчатый теплообменник наиболее холодного наружного воздуха по другую сторону разделительных стенок пластинчатых каналов проходит охлажденный до отрицательных температур вытяжной воздух. Именно в этой части пластинчатого теплообменника и наблюдаются интенсивные образования наледей и инея, которые будут перекрывать каналы для прохода вытяжного воздуха. Это вызовет повышение аэродинамического сопротивления.

Датчик контроля при этом подаст команду на открытие автоматического клапана поступления горячей воды в трубки теплообменника, смонтированного в вытяжном воздуховоде до пластинчатого теплообменника, что обеспечит нагрев вытяжного воздуха до температуры t у.под.1 = +50 °С.

Поступление горячего воздуха в пластинчатые каналы обеспечило за 10 мин оттайку замерзшего конденсата, который в жидком виде удаляется в канализацию (в бак-накопитель). За 10 мин нагрева вытяжного воздуха затрачено следующее количество теплоты:

или по формуле (5) получим:

7. Подведенная в калорифере 5 (рис. 3) теплота частично расходуется на растаивание наледей, что по расчетам в п. 5 потребует Q т.рас = 4,53 кВт · ч теплоты. На передачу теплоты к приточному наружному воздуху из затраченной теплоты в калорифере 5 на нагрев вытяжного воздуха останется теплоты:

8. Температура подогретого вытяжного воздуха после затраты части теплоты на размораживание вычисляется по формуле:

Для рассматриваемого примера по формуле (6) получим:

9. Подогретый в калорифере 5 (см. рис. 3) вытяжной воздух будет способствовать не только размораживанию наледей конденсата, но и увеличению передачи теплоты к приточному воздуху через разделительные стенки пластинчатых каналов. Вычислим температуру нагретого приточного наружного воздуха:

10. Количество теплоты, переданной на нагрев приточного наружного воздуха в течение 10 мин размораживания, вычисляется по формуле:

Для рассматриваемого режима по формуле (8) получим:

Расчет показывает, что в рассматриваемом режиме размораживания нет потерь теплоты, так как часть теплоты подогрева из удаляемого воздуха Q т.у =12,57 кВт · ч переходит на дополнительный догрев приточного наружного воздуха L п.н до температуры t н2.раз = 20,8 °С, вместо t н2 = +9 °С при использовании только теплоты вытяжного воздуха с температурой t у1 = +24 °С (см. п. 1).