Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния исследований и классификация блоков утилизации 9
1.1 Энергоаудит объекта, оснащенного системами климатизации 9
1.2 Энергосберегающие мероприятия и технологии ( ЭСМ и Т ) при проектировании зданий, оснащенных системами климатизации 12
1.2.1 Повышение тепловой защиты здания 12
1.2.2 Повышение энергоэкономичности СК за счет утилизации энергии вентвыбросов 14
1.3 Классификация и решения блоков утилизации теплоты (холода) и влаги в системах климатизации 15
1.4 Регенеративные теплообменники с вращающейся насадкой 19
1.5 Рекуперативные теплообменники 21
1.5.1 Пластинчатые теплоутилизаторы с непроницаемыми пластинами 22
1.5.2 Пластинчатые теплоутилизаторы с проницаемыми пластинами 24
1.6 Утилизаторы с промежуточным теплоносителем 26
1.6.1 Теплообменники из тепловых трубок 26
1.6.2 Система утилизации с жидкостным циркуляционным контуром 28
1.6.3 Круговой многобашенный теплообменник с орошением осушающим раствором 29
Глава 2. Методы оценки энергетической эффективности блоков утилизации 31
2.1 Метод, основанный на термодинамике необратимых процессов 31
2.2 Эксергетический метод 34
2.3 Оценка эффективности блока утилизации на основе эксергетического анализа 34
2.4 Принцип построения совмещенных h-d, s-d диаграмм 37
2.5 Пример расчета эксергетических КПД для рекуперативных и регенеративных теплоутилизаторов 46
Глава 3. Методика расчета эффективности роторного и пластинчатого теплоутилизаторов с паропроницаемой поверхностью 52
3.1 Методика расчета эффективно сти утилизатора полной теплоты с вращающейся насадкой (тип - роторный) 52
3.2 Методика расчета пластинчатого теплоутилизатора с паропроницаемой насадкой 62
3.3 Анализ передачи теплоты и массы и оценка эффективности УПТ с учетом перетечек 74
Глава 4. Экспериментальные исследования упт пластинчатого и роторного типа 79
4.1 Объекты экспериментального исследования 79
4.2 Описание экспериментального стенда и методика исследований 80
4.3 Результаты экспериментального исследования 85
Глава 5. Расчет экономической эффективности от применения утилизатора с паропроницаемой насадкой 91
5.1 Определение среднемесячных эксплуатационных затрат для различных схемных решений СКВ, эксплуатируемых в г. Пекине 91
5.1.1 Холодный период года 92
5.1.2 Теплый период года 100
5.2 Энергетическое сравнение характеристик конкурирующих вариантов схем обработки воздуха 107
Заключение 113
Список литературы 115
Приложение
- Энергосберегающие мероприятия и технологии ( ЭСМ и Т ) при проектировании зданий, оснащенных системами климатизации
- Классификация и решения блоков утилизации теплоты (холода) и влаги в системах климатизации
- Оценка эффективности блока утилизации на основе эксергетического анализа
- Методика расчета пластинчатого теплоутилизатора с паропроницаемой насадкой
Введение к работе
В последнее время значительное внимание стали уделять вопросам утилизации энергии (тепла, холода и влаги) удаляемого воздуха в системах климатизации (отопления, охлаждения вентиляции и кондиционирования) [31,32,35,46,70] .
Известны следующие решения средств утилизации (СУ) энергии в системах климатизации: с вращающимся регенеративным теплообменником,; со стационарным рекуперативным теплообменником,; с двумя поверхностными аппаратами, с оросительным аппаратом непосредственного контакта,; аппаратами с тепловыми и трубками в термосифонах; на базе обращенной тепловой машины ОТМ (ХМ, XT) и др. [1,26,33,37,49,59] .
Выполненное исследование посвящено изучению и проектированию СУ теплоты и влаги воздуха в воздушных аппаратах рекуперативного и регенеративного типа с паропроницаемой поверхностью или насадкой.
В работе использована комплексная объективная оценка СУ при едином подходе к организации режимов работы сравниваемых систем, находящихся в одинаковых условиях по использованию существующих в них резервов. Единый подход может быть обеспечен комплексной оценкой эффективности СУ, предложенной профессорами А. А. Рымкевичем и О. П. Ивановым, с использованием термодинамической модели при графическом изображении процессов обработки воздуха в совмещенных координатах h-d, s-d и генерации энтропии [24,25,26,29,63 ] .
Энергосберегающие мероприятия и технологии ( ЭСМ и Т ) при проектировании зданий, оснащенных системами климатизации
Мероприятия по усилению тепловой защиты здания ведут к уменьшению производительности систем климатизации, а следовательно к уменьшению затрат холода и теплоты, что в конечном итоге приводит к сокращению расхода энергии. Для устройства современных систем вентиляции и кондиционирования, необходимо минимизировать теплопотери (теплопоступления) за счет снижения теплопередачи конструкции и увеличения герметичности наружного ограждения. К основным мероприятиям по усилению тепловой защиты можно отнести следующие: 1 .Оптимизация толщины изоляционного слоя. Толщина изоляционного слоя должна быть оптимальной и соответствовать заданному сроку окупаемости. При установке малой толщины изоляции экономия за счет оплаты тарифов за теплоту будет опережать вклад денег на проведение изоляционных работ. При увеличении толщины изоляции затраты на изоляцию будут опережать экономию за счет оплаты тарифов за теплоту [48]. 2.Уход от тепловых мостиков. Тепловые мостики вызывают рост локальных тепловых потерь (поступлений), увеличивая их общее значение. При строительстве, по возможности, надо стремиться уходить от тепловых мостиков или минимизировать их [35,36,40,54,59,79]. 3.Усиление тепловой защиты прозрачных ограждений. До недавнего времени окна были самым слабым звеном ограждений в отношении теплопотерь. Теплопотери через прозрачные проемы определяются не только теплопроводностью материала, но конвекцией и излучением воздушних потоков. В настоящее время разработаны современные конструкции стеклопакетов.
Например, конвекция между окнами может быть уменьшена за счет использования специальных газовых наполнителей. Излучение значительно уменьшается за счет применения специального покрытия стекол. При наиболее суровом климате применяют трехслойное остекление [32,35]. 4.Увеличение плотности наружного покрытия здания. Утечки (притоки) воздуха в помещение имеют большое значение и нежелательны. Поэтому внешнее покрытие здания должно быть достаточно плотным. Особое внимание следует уделять качеству стыков и уплотнению ( герметизации) проемов [21,27,32]. Существует несколько направлений снижения энергоемкости СК. Важнейшим из них является утилизация тепловой энергии вентвыбросов. Возможности извлечения низкопотенциальной теплоты из тепловых выбросов зданий огромны. Согласно СниПу 41-01-2003 [54], подаваемый в помещение приточный воздух необходимо подогревать. Как правило, теплый вытяжной воздух удаляется из помещения на улицу, т.е с воздухом, удаляемым системой вентиляции, выбрасывается огромное количество тепловой энергии. Однако, в теплый период года термодинамический потенциал предварительно охлажденного и увлажненного воздуха с помощью процесса утилизации может быть использован для охлаждения приточного воздуха. Теплоутилизирующие устройства можно разделить на две группы: 1) Обращенная тепловая машина, обеспечивающая увеличение потенциала рабочего вещества; 2) Теплоутилизаторы-теплообменники непосредственного действия, которые могут использоваться в случае, если потенциал той среды, которая отдает теплоту выше потенциала той среды, которая воспринимает теплоту. В общем случае теплоутилизационную установку можно представить в виде теплообменника(см. рис. 1.2): 1 - Теплообменник-теплоутилизатор непосредственного действия; 2 - Ограждающая конструкция объекта кондиционирования; (.)Н - параметры наружного воздуха, поступающего в утилизатор; (.)Н1, (ПР) - параметры приточного воздуха, выходящего из утилизатора; (.)У, (П) - параметры воздуха, удаляемого из помещения; (.)У1, (П1) - параметры воздуха, выбрасываемого в атмосферу. Различные типы оборудования для утилизации теплоты (холода) и влаги в системах климатизации можно найти во многих источниках [1,18,22,23,24,26,44,45]. Рассмотрим типы и принципиальные схемы решений блоков утилизации.
Классификация и решения блоков утилизации теплоты (холода) и влаги в системах климатизации
С целью экономии энергии, в частности, утилизации теплоты, холода и влаги системы климатизации доукомплектовывают блоками утилизации, когда для данного конкретного схемного решения уже использованы все прочие резервы экономии энергии [1,17,19,60,61,82,115,116]. Принципиальное решение блоков утилизации в холодный период года представлено на рис. 1.3. У, yv У2 - удаляемый воздух на выходе соответственно из объекта, вентилятора и блока утилизации; Н0, #„ Я2 - наружный воздух на входе соответственно в дополнительный подогреватель, в блок утилизации и кондиционер; Г15 Г2 - греющий поток на входе и выходе дополнительного подогревателя. В работе Е. Е. Карписа [23] описана классификация рассматриваемых аппаратов, которая проведена по основным и дополнительным признакам. К основным отнесены общие признаки, состав которых не изменяется с дальнейшим появлением новых типов оборудования. Дополнительные признаки характеризуют конкретный тип аппарата , их количество может увеличиваться с разработкой новьтх конструктивных решений.
Одним из наиболее важных основных признаков является способ передачи энергии. По этому признаку теплоутилизаторы подразделяются на регенеративные, рекуперативные и смесительные. В регенеративных аппаратах (как это принято в большинстве источников) горячий и холодный потоки попеременно омывают твердую насадку, которая в один промежуток времени аккумулирует теплоту и влагу, а в другой - отдает теплоту и влагу холодному и более сухому потоку воздуха. Рекуперативными аппаратами большинство авторов называют аппараты, в которых процесс передачи теплоты от горячего к холодному потоку осуществляется через твердую поверхность теплообмена, разделяющую эти потоки (смешение потоков исключается). Блоки утилизации теплоты могут быть решены на базе рекуперативных теплообменников типа "газ-газ", "газ-жидкость-газ" , и газ-двухфазный промежуточный теплоноситель-газ " [2,5,6,30]. Смесительные аппараты предполагают непосредственный контакт теплоносителей. Такой блок может быть решен в виде аппарата "газ-газ" , либо в виде аппаратов " газ- промежуточный испарительный теплоноситель-газ п [32]. Рассмотрим конкретные решения различных теплообменников, используемых в качестве средств утилизации в настоящее время и проанализируем их эффективность. Широко известны следующие решения блоков утилизации теплоты, холода и влаги (см. рис. 1.5) [26]. а) с вращающимся регенеративным теплообменником (ВРТ); б) со стационарным рекуперативным теплообменником (СРТ); в) с двумя поверхностными аппаратами (вода-воздух) (ПА); г) с оросительными аппаратами непосредственного контакта (АНК); д) с тепловыми трубами или термосифонами (Т); е) с обращенной тепловой машиной (ХМ, ТН). Схема а) -с вращающимся регенеративным теплообменником, часть насадки которого находится в потоке удаляемого воздуха. Последний через нее обменивается теплотой с приточным (наружным) воздухом. Если поверхность насадки гигроскопична, то в блоке может утилизироваться и влага. К недостаткам таких блоков следует отнести возможность перетекания воздушных потоков при вращении ротора, обуславливающего неизбежность переноса запахов, бактерий, пыли и т. п., а также наличие вращающихся частей. Схема б) -со стационарным рекуперативным теплообменником, в котором потоки наружного и удаляемого воздуха проходят по смежным каналам, и теплообмен между ними осуществляется через твердую непроницаемую поверхность. Схема в) -с двумя поверхностными аппаратами, где теплообмен между приточным (наружным) и удаляемым воздухом происходит с помощью циркулирующего промежуточного жидкого теплоносителя. Схема г) -с оросительными аппаратами непосредственного контакта, в которых, помимо теплообмена, возможно осуществить процессы массообмена. Передача теплоты и массы осуществляется за счет взаимной рециркуляции рабочего раствора.
Оценка эффективности блока утилизации на основе эксергетического анализа
В ряде опубликованных в последнее время работ степень термодинамического совершенства теплоутилизаторов предлагается оценивать методом эксергетического анализа с помощью эксергетического
Эксергетический баланс любой технической системы описывается в общем виде уравненияем [4,7,8,14,28,69,73,90]: где АЕ -приращение эксергии системы между начальной и конечной точками процесса; ZD -потери эксергии от необратимости процесса; Е -общая поступающая в систему эксергия, характеризующая вход потока вещества; НЕ" -общая отводимая из системы эксергия, характеризующая выход потока вещества.
Эксергетический КПД определяется отношением полезного эффекта, полученного в аппарате, к общим затратам, выраженным изменением энтропии и эксергии.
Общая формула для определения эксергетического КПД: где ЦЕ , ЦЕ" -суммарные эксергетические потоки системы на входе и выходе. Применительно к утилизаторам существует два подхода к эксергетическому анализу.
В работах [10,32,50,52] в качестве полезного эффекта и общих затрат рассматривают изменение энтропии и эксергии потоков соответственно приточного и удаляемого воздуха, которые оцениваются по термическим и механическим параметрам потоков до и после аппарата. Другой подход [12,26,72] заключается в трактовке полезного эффекта, как изменения энтропии и эксергии приточного воздуха к общим затратам суммы изменений энтропии и эксергии Последний подход к эксергетическому анализу процессов в утилизаторе представляется более целесообразным, так как целью применения подобных аппаратов является нагрев (охлаждение) приточного воздуха за счет использования тепловой энергии удаляемого воздуха, при этом для осуществления процесса теплообмена неизбежны затраты энергии.
В этом случае термодинамическую эффективность блока утилизации можно оценить с помощью эксергетического КПД, рассчитываемого по формуле: где АЕИ , АЕУ - приращение разностей эксергии потоков удаляемого и наружного воздуха; АЕподв - все подводимые извне потоки эксергии.
Выражение потока эксергии для различных схемных решений теплоутилизаторов имеет вид: для рекуперативного теплообменника "газ-газ": для вращающегося регенеративного теплообменника: где GH,Gy -соответственно массоые расходы потоков наружного и удаляемого воздуха; Ар - потери давления; т}вепт - эффективности вентиляторов; Nde - мощность вращающегося двигателя ротора.
С учетом вышеизложенного эффективность блока утилизации, работающего в режиме "явного теплообмена", для разных типов и схемных решений можно оценить по следующим формулам: для рекуперативного теплообменника "газ-газ": где сн,су- удельная теплоемкость по наружному и удаляемом потокам; Гя,7 ,7 ,7 ,- температура по наружному и удаляемому потокам на входе и выходе соответственно.
Разность эксергий потоков в процессах их взаимодействия между собой и внешними источниками (Л) рассчитывают в режиме "полного теплообмена" согласно [12,71] по формулам: для рекуперативного теплообменника "газ-газ": где J c - температура окружающей среды; hH,hin,hy,hyj - энтальпия по наружному и удаляемому потокам воздуха на входе и выходе соответственно; sH,sHl,sy,syi - энтропия по наружному и удаляемому потокам воздуха на входе и выходе соответственно.
В формулах эксергетических КПД присутствует величина энтропии расчеты которой довольно трудоемки. Для упрощения расчетов желательно иметь s-d диаграмму, построенную по принципу и в масштабе совмещенным с h-d диаграммой. По совмещенным h-d , s-d диаграммам можно определять необходимые термодинамические параметры воздуха с одинаковой степенью погрешности.
Методика расчета пластинчатого теплоутилизатора с паропроницаемой насадкой
Плоский противоточный утилизатор с использованием в качестве насадки пористой бумаги изобрёл и спроектировал японский ученый Йошино в 1969 году.
Плоские бумажные пластины, изготовленные из специальной пористой бумаги и пропитанные гидрофильной смолой, характеризуются хорошей теплоизоляцией и воздухопроницаемостью. Так как бумага пористая, она проницаема для воздуха [67]. Специалисты считают, что хорошие теплоизолирующие свойства такой бумаги обуславливаются не её низкой теплопроводностью, а её свойством препятствовать конвекции воздуха [82,93-102,105,111,115,116].
Несмотря на низкую теплопроводность рассматриваемой бумаги, эффективность передачи явной теплоты ( /) УПТ, понижается мало из-за небольшой толщины бумажной пластины. Проблема перетечек воздуха или других газов вследствие газопроницаемости бумаги, решается путем пропитки бумаги гидрофильной смолой и гигроскопической жидкостью для заполнения пор. Благодаря чему заметно понижается газопроницаемость бумаги, а влагопроницаемость остается почти неизменной. Так, как обмен полной теплотой предполагает одновременный обмен как теплотой, так и водяным паром, т.е. обмен энтальпией, то при расчетах такого типа утилизаторов необходимо знать такие характеристики, как эффективности явной теплоты ( Щ ) и эффективности скрытой теплоты ( d ). Эффективность передачи явной теплоты ( &t ) УПТ можно легко рассчитать общеизвестными методами, но нет методик для расчета эффективности передачи скрытой теплоты ( d). Непроницаемая упаковочная бумага, которая использовалась в качестве насадки до сих пор, практически не имеет пор и с трудом пропускает что-либо, поэтому сопротивление переносу массы через воздух ничтожно мало по сравнению с сопротивлением в бумаге. Однако, в случае использования материалов, таких как специальная бумага, обеспечивающих легкую проницаемость водяного пара, необходимо проанализировать обмен потоков воздуха влагой. Базируясь на теоретических и эксперементальных данных японского ученого Осаму Танака [89], разработана методика расчета УПТ перекрестного тока с паропроницаемой насадкой. Для составления методики рассмотрен пластинчатый утилизатор перекрестного тока, который способен осуществлять одновременный обмен теплотой и водяным паром. Структура и движение потоков в таком утилизаторе представлены на рисунках 3.8 и 3.9. Разделяющие и рельефные пластины сделаны из специально обработанной бумаги, пропитанной гидрофильной смолой и Поперечное сечение каналов гигроскопической жидкостью, аналога бумаги, используемой в насадке роторного утилизатора (см.разд.З.І). Разделяющая пластина обладает свойством селективной проницаемости, что обеспечивает хорошее проникание водяного пара и незначительное проникание воздуха или других газов. Поэтому данный утилизатор может осуществлять одновременный обмен теплотой и влагой через разделяющие пластины между воздухом, удаляемым из помещения и наружным воздухом [113,114]. Такой теплообменник легко конструируется, имеет малый вес и не требует вложения больших денежных средств по сравнению с металлическими разделяющими пластинами. При использовании У111 в установках KB воздух, поступающий в помещение в теплый период года, предварительно охлаждается и осушается, а воздух, подаваемый в нагреваемое помещение в холодный период года, предварительно нагревается и увлажняется. Следовательно, воздух поступает в состоянии, близком к тому, которое преобладает в помещении в данный момент. Количество теплоты (холода), которое передает УПТ, т.е. уменьшение нагрузки на систему, рассчитывается следующим образом: Интенсивность переноса явной теплоты: Интенсивность переноса скрытой теплоты: Интенсивность переноса полной теплоты: где срв и Срп - это удельная изобарическая теплоемкость сухого воздуха и водяного пара, соответственно; М - массовый расход обрабатываемого воздуха; Тт ,ТН,ТУ- температуры воздуха, подаваемого в помещение (приточного), наружного свежего воздуха и воздуха, удаляемого из помещения; ,, sd, єи - коэффициенты эффективности утилизатора по температуре, влажности и энтальпии; г - теплота парообразования; d-m 3 я и "у - влагосодержание приточного, наружного воздуха, удаляемого из помещения, соответственно; hm з hH , hy - энтальпия приточного, наружного и воздуха, удаляемого из помещения, соответственно.
